CN111434605A

CN111434605A - 微机电系统装置的控制方法及测试方法

Info

Publication number: CN111434605A
Application number: CN201910034819.2A
Authority: CN
Inventors: 妮娜·阿维纳什·吉尔达; 蔡连尧; 宝华·牛
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-07-21
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: CN111434605B

Abstract

本揭露实施例涉及微机电系统装置的控制方法及测试方法。本揭露涉及一种微机电系统装置的控制方法。微机电系统装置包括第一电极及第二电极。控制方法包含以下操作。提供开启信号。开启信号具有上升区段及下降区段。施加上升区段到微机电系统装置，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。施加下降区段到微机电系统装置。第一电极与第二电极维持在开启状态。提供关闭信号。施加关闭信号到微机电系统装置，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。本揭露还提供一种微机电系统装置的测试方法。

Description

微机电系统装置的控制方法及测试方法

技术领域

本揭露涉及一种微机电系统装置，特别涉及一种微机电系统装置的控制方法及测试方法。

背景技术

对于许多现代应用来说，涉及半导体装置的电子设备是很重要的。材料与设计的技术进展已经产生数代半导体装置，每一代都比前一代具有更小且更复杂的电路。在进步与创新的过程中，通常会增加功能性设计(即每一芯片面积上的互连装置的数目)而降低几何尺寸(即使用制造工艺可产生的最小元件)。此进展已增加处理与制造半导体装置的复杂度。近来，已发展微机电系统(micro-electro mechanical system，MEMS)装置，并且也通常与电子设备有关。MEMS装置为微尺寸装置，通常为小于1微米到数毫米的范围。MEMS装置包括使用半导体材料的制造以形成机械与电性特征。MEMS装置可包括一些元件(例如静态或可动元件)，用于达到电机功能性。MEMS装置广泛使用于各种应用中。MEMS应用包括运动感测器、压力感测器、印刷喷嘴或类似物。其它的MEMS应用包括惯性感测器，例如用于测量线性加速度的加速度计，以及用于测量角速度的陀螺仪(gyroscope)。再者，MEMS应用延伸到光学应用，例如可动的反射镜，以及无线射频(radio frequency，RF)应用，例如RF开关或类似物。

发明内容

本揭露的实施例涉及一种微机电系统装置的控制方法，所述微机电系统装置包括第一电极及第二电极，所述方法包含：提供开启信号，其中所述开启信号具有上升区段及下降区段；施加所述上升区段到所述微机电系统装置，使所述第一电极移动以与所述第二电极形成开启状态；施加所述下降区段到所述微机电系统装置，所述第一电极与所述第二电极维持在所述开启状态；提供关闭信号；施加所述关闭信号到所述微机电系统装置，使所述第一电极与所述第二电极由所述开启状态变为关闭状态。

本揭露的另一实施例涉及一种微机电系统装置的控制方法，所述微机电系统装置包括第一电极及第二电极，所述方法包含：在第一时间间隔，施加正电流，使所述第一电极移动以与所述第二电极形成开启状态；在第二时间间隔，施加负电流，使所述第一电极与所述第二电极维持在所述开启状态；在第三时间间隔，施加关闭信号，使所述第一电极与所述第二电极由所述开启状态变为关闭状态。

本揭露的另一实施例涉及一种微机电系统装置的测试方法，所述方法包含：提供所述微机电系统装置，其包括第一电极及第二电极；在第一时间间隔，施加正电流到所述微机电系统装置，使所述第一电极移动以与所述第二电极形成开启状态；在第二时间间隔，施加负电流到所述微机电系统装置，使所述第一电极与所述第二电极维持在所述开启状态；在第三时间间隔，施加关闭信号到所述微机电系统装置，使所述第一电极与所述第二电极由所述开启状态变为关闭状态。

附图说明

在结合附图阅读时，自以下[具体实施方式]最佳理解本揭露的方面。应注意，根据产业中的标准实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为清楚论述，各个构件的尺寸可任意增大或减小。

图1及2为根据一些实施例的MEMS装置的示意图。

图3为根据一些实施例的MEMS装置的控制信号序列的示意图。

图4及5为根据另一些实施例的MEMS装置的示意图。

图6为绘示根据本揭露的一些实施例的MEMS装置的控制方法的流程图。

图7为绘示根据本揭露的另一些实施例的MEMS装置的控制方法的流程图。

图8为绘示根据本揭露的一些实施例的MEMS装置的测试方法的流程图。

具体实施方式

以下揭露提供用于实施所提供标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件及布置的特定实例以简化本揭露。此些仅为实例且不意欲为限制性的。例如，在下文描述中，第一构件形成于第二构件上方或上可包括其中第一构件及第二构件形成为直接接触的实施例，且也可包括其中额外构件可形成于第一构件与第二构件之间使得第一构件及第二构件可能未直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复是为简单及清楚的目的，且本身不指定所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

下文详细论述本揭露的实施例。然而，应了解，本揭露提供可在各种各样的特定背景内容中体现的许多适用发明概念。所论述的特定实施例仅为阐释性的，且不限制本揭露的范围。

此外，为便于描述，可在本文中使用空间相对术语(例如“底下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”、“下”、“左”、“右”及类似物)来描述一个元件或构件与另一(些)元件或构件的关系，如图中所绘示。除图中所描绘的定向之外，空间相对术语也意欲涵盖装置在使用或操作中的不同定向。装置可以其它方式定向(旋转90度或成其它定向)，且因此可同样解释本文中使用的空间相对描述符。将了解，当元件被称作“连接到”或“耦合到”另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件，或可存在中介元件。

由于微机电系统(MEMS)装置广泛用于各种应用中，通常需要一个MEMS装置的结构可容纳超过一种形式的MEMS功能。例如，单一MEMS架构可包括加速度计与陀螺仪。关于此些MEMS装置，最终产物经制造成为复合芯片，并且以缩小的裸片尺寸执行功能。

另一方面，在MEMS装置中所观察到的一种可靠度问题是粘附(stiction)或由于表面力的接触表面的粘着。一般来说，粘附是为了使彼此接触的静止物体能够进行相动运动需要被克服的静摩擦力。例如于MEMS装置之中，当有面积位于公厘范围以下的两表面接近时，所述两表面会粘在一起，因而限制了MEMS装置的可靠度。以此尺寸来说，MEMS装置的主要失效原因是静电的或由电荷引起的粘附。

本揭露提供一种MEMS装置控制方法与测试方法可减轻上述问题。图1及2是根据一些实施例的MEMS装置100的示意图。MEMS装置100包括第一电极102及第二电极104。在一些实施例中，MEMS装置100还可以包括第一衬底101、第二衬底103及介电层105。第一电极102与第一衬底101连接，第二电极104与第二衬底103连接，介电层105设置在第二电极104之上。需注意的是，为求清楚说明，图1仅简单表示MEMS装置100的一部分结构，例如第一衬底101仅显示与第一电极102连接的部分，图示的结构并非用以限制本揭露。

第一衬底101及/或第二衬底103包括半导体材料，例如硅。在一些实施例中，第一衬底101及/或第二衬底103可包括其它半导体材料，例如硅锗、碳化硅、砷化镓或类似物。在一些实施例中，第一衬底101及/或第二衬底103为p型半导体衬底(受体型)或n型半导体衬底(供应者型)。或者，第一衬底101及/或第二衬底103包括另一元素半导体，例如锗；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、与/或锑化铟；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP与/或GaInAsP；或其组合。又或者，第一衬底101及/或第二衬底103为绝缘体上覆半导体。在一些实施例中，第一衬底101的材料可与第二衬底103的材料相同。

在一些实施例中，第一衬底101可以接合到第二衬底103。在某些实施例中，第一衬底101是MEMS衬底，而第二衬底103是承载晶片。相接合的第一衬底101与第二衬底103包括可移动的MEMS区域，其为第一衬底101与第二衬底103的区域，此区域上形成MEMS结构的可移动的特征或部分，第一电极102与第二电极104的结构。

第一电极102为可动电极(movable electrode)。在一些实施例中，第一电极102可由导体或半导体材料形成，第一电极102可包括多晶硅。在一些实施例中，第一电极102具导电性与电容性。在一些实施例中，第一电极102为可动的或可振动的元件。在另一些实施例中，第一电极102为可动膜(movable membrane)或隔膜(diaphragm)。在一些实施例中，第一电极102形成于第一衬底101中。例如：可使用等离子蚀刻工艺来蚀刻第一衬底101，以形成第一电极102。

第二电极104可由导体形成。或者，第二电极104可由半导体材料形成。在一些实施例中，第二电极104可包括金属，例如金、银、铝、钛、铜、钨、镍、铬以及其合金、氧化物或氮化物。

在某些实施例中，第一电极102相对于第二电极104的位移会造成第一电极102与第二电极104之间的电容变化。在一些实施例中，第一电极102经布置以捕捉其与第一衬底101之间的凹槽中的气体移动造成的阻抗变化。而后，电容或阻抗变化由连接第一电极102或第二电极104的电路译为电子信号。在一些实施例中，产生的电子信号被传送到另一装置、另一衬底或另一电路，用于进一步处理。

介电层105含有硅，或其氧化物。或者，介电层105含有氮化硅。在一些实施例中，介电层105包含介电材料，例如可为氧化物(例如Ge氧化物)、氮氧化物(例如GaP氮氧化物)、二氧化硅(SiO₂)、承氮氧化物(nitrogen-bearing oxide)(例如承氮SiO₂)、掺氮氧化物(例如植入N₂的SiO₂)、硅氮氧化物(Si_xO_yN_z)以及类似物。

在某些实施例中，响应控制信号，可移动的第一电极102会与第二电极104彼此接近(如图2所示)，第一电极102再回复到其原始的结构(如图1所示)。在一些实施例中，在第一电极102与第二电极104彼此接近之后，第一电极102可能附接到介电层105，并且静止一段期间。

在一些现有的控制方法中，于第一电极102的静止期间，由于控制信号为定电压的信号，会使得电荷由第一电极102注入介电层105，进而引起粘附的问题。为了解决上述问题，在本揭露的一些实施例中，提供一种MEMS装置的控制方法。

图3为根据一些实施例的MEMS装置的控制信号序列200的示意图。控制信号序列200具有开启信号300及关闭信号400。在某些实施例中，开启信号300具有上升区段302及下降区段304。上升区段302及下降区段304例如是交替地产生，且上升区段302及下降区段304的数量并非限制性。

在一些实施例中，上升区段302例如为正电流，在第一时间间隔T1，施加上升区段302到MEMS装置100会使第一电极102移动以与第二电极104形成开启状态(如图2所示)。于此，开启状态是指第一电极102与第二电极104彼此接近到第一位置以形成电性连接。在一些实施例中，可移动的第一电极102会附接到介电层105，并与第二电极104接近形成电性连接。由于第一电极102与第二电极104电性连接，因此第一电极102与第二电极104形成开启状态。

在一些实施例中，下降区段304例如为负电流，在第二时间间隔T2，施加下降区段304到MEMS装置100。由于第一电极102与第二电极104之间的静电作用力是与电压的平方成正比，在固定电阻的情况下，电压也会与电流成正比，因此第一电极102与第二电极104之间的静电作用力也会与电流的平方成正比。换句话说，即使下降区段304为负电流，第一电极102与第二电极104仍会彼此接近形成电性连接。因此，第一电极102仍会附接于介电层105，并与第二电极104形成电性连接，维持开启状态。

值得一提的是，上升区段302及下降区段304的数量并非限制性，例如于本实施例中，以三个上升区段302及三个下降区段304做说明，但其非限制性。其中，正电流(上升区段302)与负电流(下降区段304)可以是依序地产生。换句话说，正电流之后产生负电流，负电流之后产生正电流。

因此，通过在开启信号300中调制改变电流的正负流向，可以避免如固定电压的信号会促使电荷由第一电极102注入介电层105，进而产生粘附的问题。

在一些实施例中，在开启信号300之后，可以提供关闭信号400。在第三时间间隔T3，关闭信号400施加到MEMS装置100，使第一电极102与第二电极104由开启状态变为关闭状态(如图1所示)。于此，关闭状态指第一电极102与第二电极104彼此远离到第二位置以形成电性不连接。在一些实施例中，可移动的第一电极102会远离介电层105，并与第二电极104形成电性不连接。换句话说，第一电极102会回复到其原始的平直结构。

承上所述，通过在开启信号300中调制电流的正负流向，例如使用交流电信号，可以减少电荷由第一电极102注入介电层105，进而减少粘附的问题。再者，开启信号300中上升区段302与下降区段304的时间间隔(例如，第一时间间隔T1或第二时间间隔T2)都小于第一电极102回复到原始状态所需时间间隔(例如，第三时间间隔T3)，因此开启信号300中的调制并不会使第一电极102与第二电极104由开启状态变为关闭状态。也就是说，开启信号300中调制的电性延迟(electrical delay)是小于第一电极102改变状态的机械性延迟(mechanical delay)，因此开启信号300中的调制不会对MEMS装置的控制产生影响，且可减轻第一电极102与第二电极104粘附的问题。

图4及5是根据另一些实施例的MEMS装置400的示意图。MEMS装置400包括第一电极402及第二电极404。MEMS装置400与图1、2的MEMS装置100的差异在于：MEMS装置400包括第一衬底401及第二衬底403，但不包括介电层。第一电极402与第二电极404之间例如为间隙405。关于第一电极402、第二电极404、第一衬底401及第二衬底403的组成已于图1、2中详述，于此不再赘述。

如上所述，响应控制信号，可移动的第一电极402会与第二电极404彼此接近到第一位置(如图5所示)，第一电极402再回复到其原始的结构(如图4所示)。在一些实施例中，在第一电极402与第二电极404彼此接近之后，第一电极402与第二电极404之间仍具有间隙405，第一电极402可能会静止一段期间。

在一些现有的控制方法中，于第一电极402的静止期间，由于控制信号为固定电压的信号，会使得电荷游离产生静电作用力，进而引起粘附的问题。因此，本揭露如图3所述的实施例同样可解决上述问题。

同上于图3所述，通过在开启信号300中调制改变电流的正负流向，可以避免如固定电压的信号会促使电荷由第一电极402游离，进而产生粘附的问题。

承上所述，通过在开启信号300中调制电流的正负流向，例如使用交流电信号，可以减少电荷由第一电极402游离产生静电作用力，进而减少粘附的问题。再者，开启信号300中上升区段302与下降区段304的时间间隔(例如，第一时间间隔T1或第二时间间隔T2)都小于第一电极402回复到原始状态所需的时间间隔(例如，第三时间间隔T3)，因此开启信号300中的调制并不会使第一电极402与第二电极404由开启状态变为关闭状态。换句话说，开启信号300中调制的电性延迟是小于第一电极402改变状态的机械性延迟，因此开启信号300中的调制不会对MEMS装置的控制产生影响，且可减轻第一电极402与第二电极404粘附的问题。

图6是绘示根据本揭露的一些实施例的MEMS装置的控制方法600的流程图。如图6中所示，控制方法600具有操作602、操作604、操作606及操作610。操作602为提供开启信号，其中开启信号具有上升区段及下降区段。操作604为施加上升区段到微机电系统装置，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。操作606为施加下降区段到微机电系统装置，第一电极与第二电极维持在开启状态。操作608是提供关闭信号。操作610为施加关闭信号到微机电系统装置，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。由于MEMS装置的控制方法600已于图1、2、3、4及5中详述，于此不再赘述。需注意的是，本实施例可于方法600之前、期间和之后增加额外的操作。

图7为绘示根据本揭露的另一些实施例的MEMS装置的控制方法700的流程图。如图7中所示，控制方法700具有操作702、操作704及操作706。操作702是在第一时间间隔，施加正电流，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。操作704是在第二时间间隔，施加负电流，使第一电极与第二电极维持在开启状态。操作706是在第三时间间隔，施加关闭信号，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。由于MEMS装置的控制方法700已于图1、2、3、4及5中详述，于此不再赘述。需注意的是，本实施例可于方法700之前、期间和之后增加额外的操作。

图8为绘示根据本揭露的一些实施例的MEMS装置的测试方法800的流程图。如图8中所示，测试方法800具有操作802、操作804、操作806及操作810。操作802为提供微机电系统装置，其包括第一电极及第二电极。操作804是在第一时间间隔，施加正电流，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。操作806是在第二时间间隔，施加负电流，使第一电极与第二电极维持在开启状态。操作808是在第三时间间隔，施加关闭信号，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。MEMS装置的测试方法800可以通过类似于上述控制方法600、700的方式，对MEMS装置进行测试，以判断第一电极及第二电极是否有粘附的问题。由于控制方法600、700已于图1、2、3、4及5中详述，于此不再赘述。需注意的是，本实施例可于方法800之前、期间和之后增加额外的操作。

综上所述，通过在开启信号中调制电流的正负流向，例如使用交流电信号，可以减少电荷由第一电极注入介电层或者由第一电极游离产生静电作用力，进而减少粘附的问题。再者，开启信号中上升区段与下降区段的时间间隔(例如，第一时间间隔或第二时间间隔)都小于第一电极回复到原始状态所需时间间隔(例如，第三时间间隔)，因此开启信号中的调制并不会使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。换句话说，开启信号中调制的电性延迟是小于第一电极改变状态的机械性延迟，因此开启信号中的调制不会对MEMS装置的控制产生影响，且可减轻第一电极与第二电极粘附的问题。再者，于测试阶段也可先行判断第一电极及第二电极是否有粘附的问题。

在一些实施例中，提供一种微机电系统装置的控制方法。微机电系统装置包括第一电极及第二电极，控制方法包含以下操作。提供开启信号，其中开启信号具有上升区段及下降区段。施加上升区段到微机电系统装置，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。施加下降区段到微机电系统装置，第一电极与第二电极维持在开启状态。提供关闭信号。施加关闭信号到微机电系统装置，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。

在另一些实施例中，提供一种微机电系统装置的控制方法。微机电系统装置包括第一电极及第二电极，控制方法包含以下操作。在第一时间间隔，施加正电流，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。在第二时间间隔，施加负电流，使第一电极与第二电极维持在开启状态。在第三时间间隔，施加关闭信号，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。

在另一些实施例中，提供一种微机电系统装置的测试方法。测试方法包含以下操作。提供微机电系统装置，其包括第一电极及第二电极。在第一时间间隔，施加正电流到微机电系统装置，使第一电极移动以与第二电极形成开启状态。在第二时间间隔，施加负电流到微机电系统装置，使第一电极与第二电极维持在开启状态。在第三时间间隔，施加关闭信号到微机电系统装置，使第一电极与第二电极由开启状态变为关闭状态。

上文概括数个实施例的特征，使得所属领域的一般技术人员可更佳理解本揭露的方面。所属领域的一般技术人员应了解，其等可容易使用本揭露作为设计或修改其它程序及结构的基础以实行本文中介绍的实施例的相同目的及/或达成相同优点。所属领域的一般技术人员也应认识到，此些等效构造不脱离本揭露的精神及范围，且其等可在本文中作出各种改变、替换及更改而不脱离本揭露的精神及范围。

符号说明

100、400 MEMS装置

101、401 第一衬底

102、402 第一电极

103、403 第二衬底

104、404 第二电极

105 介电层

200 控制信号序列

300 开启信号

302 上升区段

304 下降区段

400 关闭信号

T1 第一时间间隔

T2 第二时间间隔

T3 第三时间间隔

600、700 控制方法

602、604、606、608、610、702、704、706、802、804、806、808 操作

800 测试方法

Claims

1.一种微机电系统装置的控制方法，所述微机电系统装置包括第一电极及第二电极，所述方法包含：

提供开启信号，其中所述开启信号具有上升区段及下降区段；

施加所述上升区段到所述微机电系统装置，使所述第一电极移动以与所述第二电极形成开启状态；

施加所述下降区段到所述微机电系统装置，所述第一电极与所述第二电极维持在所述开启状态；

提供关闭信号；以及

施加所述关闭信号到所述微机电系统装置，使所述第一电极与所述第二电极由所述开启状态变为关闭状态。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述开启信号中从所述上升区段调制到所述下降区段的电性延迟小于所述第一电极从所述开启状态改变到所述关闭状态的机械性延迟。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中所述开启信号包含多个上升区段及多个下降区段，所述上升区段及所述下降区段交替地产生。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述上升区段或所述下降区段的时间间隔小于所述关闭信号的时间间隔。

5.一种微机电系统装置的控制方法，所述微机电系统装置包括第一电极及第二电极，所述方法包含：

在第一时间间隔，施加正电流，使所述第一电极移动以与所述第二电极形成开启状态；

在第二时间间隔，施加负电流，使所述第一电极与所述第二电极维持在所述开启状态；以及

在第三时间间隔，施加关闭信号，使所述第一电极与所述第二电极由所述开启状态变为关闭状态。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其中所述开启信号中从所述正电流调制到所述负电流的电性延迟小于所述第一电极从所述开启状态改变到所述关闭状态的机械性延迟。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其中所述正电流及所述负电流依序地产生。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其中所述第一时间间隔或所述第二时间间隔小于所述第三时间间隔。

9.一种微机电系统装置的测试方法，所述方法包含：

提供所述微机电系统装置，其包括第一电极及第二电极；

在第一时间间隔，施加正电流到所述微机电系统装置，使所述第一电极移动以与所述第二电极形成开启状态；

在第二时间间隔，施加负电流到所述微机电系统装置，使所述第一电极与所述第二电极维持在所述开启状态；

在第三时间间隔，施加关闭信号到所述微机电系统装置，使所述第一电极与所述第二电极由所述开启状态变为关闭状态。

10.根据权利要求9所述的测试方法，更包含：

判断所述第一电极及所述第二电极是否有粘附。