专利名称：半导体装置换能器和方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置的换能器和方法，并且特别涉及半导体装置的电 容性或静电换能器和方法。换能器的期望应用是激发谐振硅微型结构。
现有技术
硅微型谐振器可以用于大量电信号处理应用中，例如本地振荡器和无线
通信的RF和IF带通滤波。这可以代替在蜂窝电话中的现有的压电石英晶体 技术，从而在费用、尺寸和能量消耗方面对系统进行改进。另外可以添加谐 振器的质量时通过检测谐振频率的变化或机电阻抗从而将硅微型谐振器配 置为灵敏的微型平衡。现有的微型平衡的典型应用包括监控沉积金属层的厚 度，或者通过以特定的方式对应于检测的生物实体的化学方式涂覆装置而用 作生物传感器。
在现有技术中描绘了许多不同的硅谐振结构，包括双端口横条谐振器 (整体形状与下面附图3所示的类似)和更复杂的谐振器结构。不能以与传 统压电石英谐振器相同的方式驱动硅谐振器，并且下面所述的现有技术描述 了建议的许多驱动机构。在现有技术文件中描述的示例诸如
Elsevier(数据库)的Sensors and Actuators Al01 (2002)第1-9页的T.Mattila 等人的"A 12MHz micromechanical bulk acoustic mode oscillator";
IEEE电子装置证书，24巻，4号，2004年4月，173-75页，V.Kaajakari 等人写的"Square-extensional Mode Single-Crystal Silicon Micromechanical Resonator for Low-Phase-Noise Oscillator Applications";
南卡罗来那州、希尔顿海德岛(Hilton Head Island)、执行器和微型系统 工作室，Solid State Sensor, 2004年6月6-10日，S.A Bhave和Howe写的
7"Internal Electrostatic Transduction of Bulk-Mode MEMS Resonators";
2005年6月5-9日，韩国首尔的The 13'h International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Transducer，05， S.A Bhave禾口 R.T.Howe 的 "Silicon Nitride-on-Silicon Bar Resonator using Internal Electrostatic Transduction "。
申请号11/146，303，公开号US2006/0017523A1的S.Abhave和R.T.Howe 的美国专利申请。
土耳其，伊斯坦布尔，MEMS2008, 2006年1月22-26日，第894-897 页，H Chandrahalim等人的""Channel-Select Micromechanical Filters using High K Dielectrically Transduced MEMS Resonator";以及
2006 IEEE International Solid-State Circuits Conference,第318-319页， D.Weinstein等人的"Dielectrically Transduced Single-Ended to Differential MEMS Filter"o
发明内容
本发明提供了一种半导体装置， 一种电容性或静电换能器， 一种制造电 容性或静电换能器的方法以及一种运行所附的独立权利要求中定义的半导 体装置，现在对其作出参考。本发明优选的或有利的特征在从属权利要求中 陈述。
因此本发明以不同的方面提供；
1、 一种具有电容性执行器的半导体装置，该执行器包括耗尽区域；
2、 一种用于半导体装置的执行器，包括耗尽区域；
3、 一种制造用于半导体装置的电容性执行器的方法，包括给半导体装 置的第一区域涂掺杂剂以形成电容性换能器的第一电极区域以及在电极区 域之间形成诸如耗尽区域的电容性换能器的第二电极区域的步骤；以及4、 一种操作微型机械半导体装置的方法，包括提供穿过半导体装置的 耗尽区域的驱动电压的步骤。
有利地，不像例如现有技术的石英装置，实施本发明的装置实质上是以 电容性方式而不是以压电方式驱动(即，非压电)，或者实质上由非压电的 材料制造。
因此本发明可以方便地提供一种半导体装置，该半导体装置部分或全部 由非压电材料(尤其是例如谐振器的微型机械设备)制造，其中电容性或静
电换能器包括耗尽区域或耗尽层(也被认为是空间电荷区域，例如由John Wiley&Sons， Inc出版的S.Msze写的 "Semiconductor Devices, Physics and Technology"中所述)。该耗尽区域可以方便地作为装置的半导体材料的一部 分或与装置的半导体材料成为整体。
换能器可以包括两个传导区域或者邻近耗尽区域的层，在其间施加电 压，例如提供穿过耗尽区域的电场。因此传导区域可以有效地提供电容性或 静电换能器的第一和第二电极，或电极区域。
换能器可以用作执行器，例如下面的机械谐振器。当提供穿过耗尽区域 的电场时，在其上施加压力。该压力产生于在耗尽区域中未得到补偿的掺杂 电荷间的力。
由于耗尽区域的大小随着施加的电压而改变，这种力和压力随着施加的 电场而改变。当施加合适的AC电场时，例如在第二电极接地时通过将AC 电压和反向偏置电压DC偏置施加到执行器的第一电极，从而驱动谐振器。 换能器也可以用作传感器，因为大小的改变和从而耗尽层的电荷的改变导致 电流流过装置，该电流流过装置是可以控制的。例如在上面描述的实施例中 电流可以流到接地的第二电极。该电流从而可以用于感测谐振器的移动。
在上面参考的Transducers，05中的他们的现有技术文章中，S.A Bhave 和R.T.Howe描述了由硅制造的四端口横条谐振器，其中在硅条的上表面上沉积一层氮化硅，并然后将一层多晶硅沉积到氮化硅上。在硅条的表面的两 个分离的区域进行沉积，以形成静电执行器和分离的传感器。氮化硅形成这 些换能器中每一个的电介质，并且多晶硅和硅条形成这些换能器中每一个的 两电极。如果在硅谐振器和SiN电介质之间的焊接充分，并且两种材料的机
械特性充分匹配，SiN中的张力可以传递到底层的Si谐振器以及谐振器中的 张力可以传递到SiN层。在这种情况下，SiN电介质可以用作电容性换能器 的核心，用于制动或感测。在S.ABhave和RTHowe的2004文件和他们的 上面参考的美国专利申请中，S.ABhave和R.T.Howe描述了用于体模微型机 械谐振器的类似的换能结构，其中电极间隙可以用比空气的介电常数高得多 的电介质材料填充。建议的电介质材料可以是二氧化钛、氧化铪、氮化硅、 氧化铝和二氧化硅。也可以将这种换能结构描述为可操作的从而使得电介质 可以用作电容性换能器的核心，用于制动或感测。
然而，可以看到实施本发明的换能器提供了一种改进的换能器结构。例 如，可以不需要沉积分离的电介质，并且在谐振器的优选实施例中，可以用 谐振器的材料本身制造换能器，仅仅通过表面注入来更改。这意味着换能器 的存在可以方便地谐振器的机械特征实质上没有改变。
在现有技术中公知制造只有硅的谐振器，但是这些谐振器使用气隙电容 性换能器，其中在硅谐振器和固定的电极之间施加电场，所述电极通过窄的 气隙和谐振器分离。然而，本发明的实施例相对于这些结构具有明显的优点， 例如因为可以避免制造用于制动和感测的窄间隙的需要以及因为整体或内 部电容性制动和感测比气隙系统更有效。
有利地，本发明提供一种半导体装置，其中电容性换能器包括制成装置 的半导体的耗尽区域。优先地，在耗尽区域的任何一侧的电极(或电极区域) 中的一个或两个也可以包括制成该装置的一个或多个半导体区域。如果只通 过该方式形成电极中的一个，那么电极中的另外一个可以通过在半导体表面沉积一材料层来形成。例如，该层可以是多晶硅层或金属层。在每种情况下， 耗尽区域可以是结，诸如半导体/半导体结合处或半导体/金属结合处。例如
该结合处可以是形成肖特基势垒(Schottky Barrier)的p-n结或是金属-半导 体结。
在每种情况下，在操作期间所述结方便地被反向偏置以提高耗尽区域的 宽度并且增加施加的穿过耗尽区域的电压以用作换能器。
因此，在一个实施例中， 一个电极可以包括在半导体表面上或下面的离 子注入或掺杂扩散层，并且另一个电极可以包括邻近该注入层的半导体；该 耗尽区域在电极之间的结(随意反向偏置)周围形成。在第二实施例中，电 极可以分别包括设置半导体本身和施加于半导体表面上的层，诸如多晶硅 层。在第三实施例中，电极可以分别包括半导体本身和施加于半导体表面上 的金属表面层。在第二和第三实施例中，耗尽区域随后形成在半导体和表面 层之间的结上。
在每个实施例中，合适的电极掺杂和/或电介质区域和/或表面层可以按 照需要实现，例如从而实现电极的适当的导电性和在结上的耗尽区域的适当 的特性。
在进一步的实施例中，电容性换能器可以包括两个以上的电极。例如， 可以形成三个或更多电极的电极堆，其中结(从而和形成的耗尽区域)在每 对相邻的电极之间。在该结构的实例中，使用不同的注入能量和/或剂量和/ 或离子种类，该装置的半导体材料可以是n-掺杂型以及间隔的p型层可以由 离子注入被注入。然后耗尽区域可以在n-型和p-型区域之间的堆的每个结上 形成。
在该实施例中，例如，需要将堆中的备用电极连接在一起从而使得可以 对一组备用电极施加驱动电压或一组备用电极可以接地。因此，在堆中，其 中电极区域包括备用的n型和p型区域，n型区域可以连接在一起和/或p型
ii区域可以连接在一起。例如，通过进一步的掩膜使用分离的离子注入来生成 每个这样的连接，从而形成换能器的电触点。
在优选实施例中，换能器或执行器，包括p-n结或金属-半导体结。可以 通过对n型晶片(其用于形成半导体装置)的p型注入(例如表面注入)来 制造p-n结。可以采用其他拓扑，包括p-n结或深注入和扩散的堆，其中p 区域(其上形成耗尽区域)的活性表面设置在垂直于半导体装置或谐振器平 面的平面上。
晶片体优选为接地，或通地，并且对注入物或叠层中的每个注入物或金 属或其他表面层施加偏置信号。可以通过施加反向偏置来获得谐振器的制动 从而增加耗尽区的宽度，并且在DC电压上添加预定频率的AC载波。AC 电压激发了穿过耗尽区域或换能器的区域的时变电场。然后生成结的耗尽区 域的正负荷电区域之间的力，该力以某方向压着耗尽区域中的半导体。根据 半导体装置的几何形状，这可以用来当启动换能器半导体(如硅)的泊松比 值(Poisson，s ratio)导致该平面变形时驱动例如以垂直于耗尽区域的方向或 在与平行于耗尽区域的平面中振荡的模式。后一种类型的模式包括厚度修剪 模式和声体模式，其通常具有很大的机械品质因数并且可以特别适合谐振装 置应用。
采用半导体-半导体结的实施例，例如p-n结，以提供耗尽区域，结可以 通过在n掺杂半导体中创建p掺杂区域或在p掺杂半导体中穿件n掺杂区域 来方便地形成。掺杂可以用任意方便的方式执行例如，包括离子注入或扩散 技术。如本领域技术人员所理解的，包括半导体结的本发明的实施例具有与 变容二极管或可变反应堆类似的结构。在使用半导体结的实施例中，可以在 半导体和具有合适逸出功(work function)的任意金属之间形成结以形成耗 尽区域。对于硅装置，这种金属包括铂和钨。
在本发明的实施例中也可以使用例如倒置和/或耗尽型的MOS二极管结构的其他结构。
半导体优选为硅。硅具有的非常适于谐振装置的机械特征。另外，硅装 置可以使用现有的半导体制造技术制造。集成电路，诸如CMOS电路，也
可以在硅上制造。可以使用CMOS技术执行需要制造实施本发明的装置的 若干步骤，例如需要的掺杂层或金属表面层的形成。也可以直接使用现有的 半导体制造技术在小尺寸的衬底上排列大量装置，这可以在单芯片上制造出 多个实施本发明的装置。例如，考虑到降低系统的消耗，使用硅基技术的进 一步的优点是能够在同样的芯片上的集成信号处理和调节电子从而使得单 芯片可以提供例如完全的信号处理系统或生物处理系统。这种集成系统在尺 寸上也可以比使用与承载相关电路的芯片隔离的石英谐振器的现有技术系 统小。
另外，现有技术包括对由硅晶片制造的范围广泛的谐振器的描述，所述 硅晶片例如在绝缘体上硅(SOI)晶片。需要用来实现本发明的电容性换能器的 附加步骤很简单并且可以被本领域技术人员容易地合并到现有的制造工艺。 在硅和其他半导体制造流程中的这种工艺是相当标准化的微显机械加工工 艺和方便地按照低耗高量生产处理。例如，可以利用其后是深反应离子蚀刻 的单级平板印刷以及通过各向同性腐蚀移除箱形氧化物(box oxide)用现有 的CMOS处理的SOI晶片制造谐振装置(在这种情况下假定通过CMOS工 提供任何需要的注入区域和金属沉积)。
虽然在这些方面硅是非常好的材料，但是其他的半导体也可以应用在本 发明中，尤其是应用在使用普通制造技术的地方。
在另外一方面，实施本发明的谐振装置中的耗尽层可以用预定的偏置电 压来反向偏置以对谐振器装置施加压力而改变装置的谐振频率。从而偏置电 压的改变可以改变并且控制谐振频率。例如，这可以应用在反馈回路中以在 装置温度改变时确定装置振荡频率。(该振荡频率可以以别的方式随着温度而改变，如在常规的谐振装置中一样。)
本领域技术人员可以知道对本发明的实施方式的广泛应用，包括但不限 于谐振微型平衡、时间参考和滤波器，并且包括独立结构、非独立结构、水 平结构和垂直结构。
通过参考附图中的实例描述本发明的
具体实施例方式
附图1是根据本发明第一实施例的结合电容性执行器的一端口硅横条谐 振器的四分之三大小的视附图2是图1的谐振器的条的纵向部分的视附图3是根据进一步实施例的谐振器的四分之三大小的视图，该实施例 包括执行器和分离的谐振器；
附图4是根据本发明的进一步的实施例的包括多个结的电容性换能器的 截面附图5和6是本发明进一步实施例的以垂直结构谐振器形式的纵向部分 的四分之三大小的视图；并且
附图7是包括p型区域的进一步的实施例的平面图；并且
附图8至10示出了本发明实施例中使用的进一步的半导体结构的截面图。
附图1的实施例包括由绝缘体上硅(SOI)晶片制造的一端口硅横条谐 振器。该谐振器条2是在其中点处由两硅桥(或悬浮元件)4和6支撑的独 立结构，硅桥4和6分别通向条的每侧的支撑部8和10。所述支撑部设置在 下层氧化物12上，所述氧化物12然后连接在柄或者SOI晶片的剩下的结构 上，为清楚起见附图l将其省略。
附图1的谐振装置如下所述被制作，以与上面参考的现有技术中所述装置大体上相似的方式，例如Mattila等人和Bhace和Howe的现有技术，但是 使用不同的步骤形成电容性换能器。利用3um厚的n型装置层，开始制造 使用掺杂(例如被砷、磷)到2X10 m's浓度的SOI晶片。可以使用为该 工艺通过铸造而预处理的晶片(例如CMOS处理的晶片)并且在该实施例 中预先假定的晶片。 一般预处理晶片由厚的钝化氧化物覆盖，该钝化氧化物 可以用作注入(离子注入)的掩膜。假设在该情况下，制造开始于以平板印 刷定义一个其中形成谐振条中、桥和支撑部的区域。然后在缓冲HF中用计 时蚀刻将该区域中的钝化氧化物减薄至几纳米(例如50nm)的厚度，从而 可以通过它注入。然后通过平板印刷的第二步骤定义离子注入区域，该区域 对应于谐振条2的上表面，桥4中的一个，和邻近的支撑部8。然后通过低 能离子注入在谐振器的表面的区域上制造p型区域。在该实施例中，选择该 掺杂量从而使得注入的掺杂浓度比注入物下面的硅装置层大若干个量级(例 如10X、m—13)以制造在p型和n型区域之间的一侧的阶跃结。下面是平板 印刷进一步的步骤，然后穿过在两个支撑部8、 IO上的区域中的钝化氧化物 (再一次利用缓冲HF)而蚀刻出孔,并且在支撑部的上表面上蒸镀铝触点16、 18。可以在不需要第四平板印刷掩膜的情况下的通过剥离而沉积金属。因此， 铝触点16之一与注入p型区域接触并且另一个触点18和下面的n型硅装置 层接触。
在可选择的实施例中，该结构(包括触点)可以采用在CMOS工艺中 使用的步骤来制造，该结构通常包括浅注入物，以及到注入物的触点和下面 的硅装置层。在其他的实施例中，需要注意如果装置要结合到其他制造在相 同硅晶片上的电子器件，与剩余电路的互连点将不需要是金属，在这种情况 下可以省略金属沉积步骤。
在其他实施例中，通过穿过装置层的厚度进行蚀刻，平板印刷和深反应 离子蚀刻的单个步骤可以然后被用于定义谐振结构，该谐振结构包括锚固支撑部10、 8。通过HF气相蚀刻谐振器本身与下面的衬底脱离，所述气相蚀
刻将氧化物从谐振条和桥下面移除。蚀刻被计时从而使得相对薄的谐振条和
桥完全被底切而厚的支撑部8、 IO没有被底切，留下氧化物层附着于柄的支 撑部上。可选择地，使用HF蒸汽的可选择的方式是使用湿式蚀刻和采用升 华干燥技术，如上面Mattila等人所述。
附图2在纵向部分描述了谐振条2，显示了 n型硅衬底20和离子注入的 p型层14。在附图2中，为清楚起见将离子注入层的厚度被放大。另外，在 条的中点处的桥的设置由箭头(A)指示并且在下面所述计算中显示条的尺 度作为参考。
在上面第一实施例的描述中，选择离子注入量以形成一侧的近似阶跃 纟吉。例如在Sze (Semiconductor Devices Physics and Technology 2nd Ed， Wiley 数据库2002,，第93页)中描述的，这时该结构可以使用阶跃结模型而构造。 然而，实施本发明的电容性换能器充分采用任何形式的p-n结并且不局限于 阶跃结。
电容性换能器的驱动机制如下所示。对电触点16、 18施加驱动电压在 离子注入p型区域14和下层n型硅20之间生成电压，穿过它们之间的p-n 结的耗尽区域。优选地，施加DC电压成分以反向偏置该结并且增加耗尽区 域的尺寸。另外以预定电压设置AC电压成分以驱动谐振器。p型和n型区 作为两个电极施加穿过耗尽区的电场。该电场在电极之间生成压力。该压力 垂直于谐振器条的平面但是由耗尽区的材料中的泊松(Poisson)收縮转换到 在条的平面上的压力。沿着条的长度，以波长入二2L(L是条的长度)在该装置 中可以使用条的平面中压力的变化来驱动声体模块。应该对应地选择AC电 压的频率。
附图3描述了本发明的第三实施例，其中在谐振器条的上表面上形成 两个分离的电容性换能器， 一个作为执行器30并且第二个作为传感器32。在谐振器的支撑部上形成电触点34、 36并且电触点34、 36分别连接到执行 器和传感器的p型区域。下面的n型硅对传感器和执行器是公共的并且分别 电连接到传感器和执行器(未示出)。如上所述执行器被驱动。将DC电压 施加到传感器上并且改变传感器的耗尽层中的压力，并且相关的变化的应力 改变耗尽区的厚度，提供可以监控的变化的AC电流以感测谐振器的振动。
附图4描述了本发明的第四实施例。在该实施例中，在低于n型硅谐振 器的表面下的不同深度处形成三个p型层50、 52、 54，生成6个大面积p-n 界面，都如上所述。在类似的实施例中，对两个或更多的层注入。例如，可 以以不同的能量和剂量通过离子注入在不同的深度形成层。P型层中的一个 可以在n型硅谐振器的表面上，尽管在附图4示出的实施例中所有的p型层 在表面下都被注入。在该实施例中，如附图4图示的，p型区域可以连接到 第一电触点X并且p型区域之间的n型区域连接到第二电触点Y。在p型和 n型之间的每个结上形成耗尽层56，耗尽层56是在每个p型区的一侧。在 第一和第二电触点之间施加DC电压可以从而使所有的结反向偏置并且施加 穿过第一和第二触点的AC电压可以在每个耗尽区中生成压力。在电容性换 能器中，与施加穿过单独的耗尽区的电压相比，这可以有利地增加压力和相 关的张力。
以在n型半导体结构中的p型区域的形成的方式对上面的每个实施例作 出了描述。如本领域技术人员容易理解的，可采用其他的掺杂方案，包括在 p型半导体结构中的n型区域的形成。
在第五实施例中，虽然谐振器结构如附图l所述被制造，但是代替了在 谐振器条的表面上或接近谐振器条的表面处形成p型层，从条的上表面、桥 的其中之一和相应的支撑部、以及这些区域中沉积到硅表面上的金属层完全 剥离氧化硅。具有合适逸出功的金属的沉积诸如铂的沉积在邻近金属层的硅 中生成了耗尽区域。按照在第一实施例中同样的方式描述，可以在金属和凸块硅之间施加电压以驱动电容性换能器和谐振器。
可以以和附图3所述的相同的方式沉积两个金属区域以形成执行器和独 立的传感器。
如本领域技术人员可以理解的，金属层下面的硅可以是所需要的n型或p型。
前面所有的实施例都是使用硅制造的。可以使用任意合适的半导体构成 类似的实施例。
在之前的实施例中，描述了换能器用作执行器和传感器。在换能器的优 选实施例中可以实现这两种功能。例如，在第二电极接地的同时，为了驱动
谐振器第一换能器电极可以耦合到DC+AC信号。在那种情况下，为了保持 第二电极接地，电流必须在地和第二电极间流动，因为当穿过耗尽区域的电 压改变时和当半导体装置的运动拉紧耗尽区域时耗尽区域的尺寸改变。该电 流可以被监控并且用于感测装置的运动，例如通过跨阻放大器将第二电极接 地。
之前所有的实施例都包括设置在条谐振器的表面上或谐振器的表面下 面的电容性换能器。如本领域技术人员可以理解的，可以将类似的换能器结 构应用到实质上任何形式的半导体谐振器。另外，换能器结构本身不必须是 平面的，但是需要是根据其要应用于的谐振器的结构和激发模式的任何合适 的形状。
所述每个实施例只包括一个谐振器。然而在每种情况下，由于谐振器由 硅晶片制造，所以其他的电路可以实施在在相同的半导体装置上并且合适地 连接到谐振器上。
实施例中所述的每个谐振器都是以纵向模式驱动的单独硅结构。然而， 可以本发明的实施例可以被用于驱动非独立的谐振结构并且以任意合适的 模式驱动谐振结构。如附图5-7所示，进一步的实施例描述了垂直结构的本发明的实施例。
这些实施例为实现了用于谐振器的换能器，在谐振器中穿过换能器的p-n结
的力平行于谐振器结构的运动方向。
附图5示出了在其端部由四个桥102、 104、 106、 108支撑的谐振器条 100。在先前的实施例中每个桥以相同的方式从支撑部112、 114、 116、 118 延伸出来。除了p型区122延伸通过谐振器的整个厚度，使用和先前的实施 例中的相似的技术用n型硅120制造该装置，从而p-n结延124伸通过谐振 器的厚度。附图6是谐振器条的纵向截面图，显示了p-n结延伸通过谐振器 的厚度。金属化层126、 128分别为p型和n型区域提供触点。
比较先前的实施例，在该情况下为制造p型区域的注入或扩散需要被修 改以掺杂到更深的深度。可以通过表面扩散工艺(如果装置层相对较薄，例 如1 um)或一系列的不同离子能量和剂量的注入来执行该掺杂。两种工艺需 要设计为通过装置层的实质部分对装置层p掺杂。在该情况下，在附图5中 我们已经显示了整个厚度都被p掺杂(这再次需要足够薄的装置层)的情况。
附图7是显示了类似的装置150的平面图，在装置150中已经修改了 p 型区域130的形状以增加垂直于谐振器长度方向的p-n结的表面积。如附图 5和6中所示，p-n结延伸穿过谐振器的厚度。该p型区域连接到金属化触 点134。 n型区域在p型区域一侧的两个部分136、 138上。每个部分分别连 接到金属化触点140、 142，并且在使用换能器时将触点连接在一起。 附图8-10描述了可以应用于本发明的实施例中的进一步的结构的截面图。 附图8显示了与FET栅极结构结合的耗尽层执行器被偏置从而半导体被反 转。该结构包括在硅谐振器800上的下述层；耗尽区域802、反型层(inversion layer) 804、栅极氧化物806和金属层808，以用作电极。附图9显示了包括 PIN结的耗尽层执行器，所述PIN结具有窄的绝缘区域，该绝缘区域诸如在 未掺杂的硅中。该结构包括在未掺杂的谐振器卯O上形成的下述层；N型注入物902，未掺杂的绝缘硅层904以及P型诸如层906。图10显示了包括 PIN结的耗尽层执行器，在所述PIN结中绝缘区域例如由不需要任何后续退 火的硅室温注入而形成。该结构包括在硅谐振器1000上形成的下述层；N 型注入1002、无序注入硅层1004 (在形成该层之后仅通过执行室温工艺的 制造期间中所保留的)和金属层1006。鉴于本领域技术人员具有通常的知识， 以及该专利申请的描述，实施本发明的这些结构的制造和操作对本领域技术 人员来说是清楚的。
电容性换能器的模拟性能
以下的描述模拟了在附图1和2中示出的本发明的实施例的性能，并且 证明了所述电容性换能器的效率。公式注解是符号化的数学包"数学关系 (Mathematics)，，。
形成于pn结的耗尽区域的电容器的两板之间的力在垂直方向上生成了 压力，该压力通过泊松收縮转化为在水平方向上的压力。在该特定示例中， 该装置在声体模式下被驱动，具有波长为入2L。
在指示的方向上的谐振器的位移公式u(x)通过下面的公式给出
u[x] :=a[t] x 57" x [""] 其中a[t]是在支架末端的最大偏差。在x方向上的硅中的张力因此给出
20_丄
从而在y和z方向上的结区域中的应力被给出
^■V} Z para
在最大位移时存储在波束中的弹性势能被给出
1 (t/2 ，
fi2 丄i。 u
/2;r2w7a[/]2
(在电容性制动的情况下，忽略电介质和上电极中存储的能量，Y是波 束的弹性模量)。
波束存储的动能被给出
T 1 ~2 2
■^AZmyx [。2
在耗尽区域中的施主和受主间的吸引力导致穿过p-n结的收縮。我们假 设阶跃结Nd》Na。对该装置的物理学的详细论述参见S.M.Sze，Semiconductor Devices。假设就一端在n型区域((比较于p型区其具有一可忽略的耗尽区 宽度)而另一端距p型耗尽区域有距离a的高斯圆柱(区域A)而言确定结
中的电场。如果Wdep是耗尽区域的宽度，则电场E，被给出 A—-;-'
简化[五]0鄉-oQA^,一
21在圆柱端部的电荷密度的qNdS (l的元件上的力 w鄉
在位置x上沿着波束被该力移动的距离.-
= ￡zz x a;--^-
丄
考虑沿着谐振器位于x和x+ S x之间设置的元件。沿着波束在该点上由
该力做功
J = 5x x w x《；
1 tcc &〖;=x 一 K (岡w a&》a"['1C(w[了]/:(—沐d印A; + aA、 )^ec,r。 7,p)
(注意引入该公式的因数q可以为1——它被引入以符合装置要求，该 装置中有驱动和感测垫，其中驱动垫仅仅占用装置的宽度的一部分，即wX q)
因此给出做的全部的功
丄"2 J) 肠
3f
通过下面的公式，耗尽宽度取决于施加到结的电压:
，2 x s x (ypw金+ Wwac) =—
其中V—e是(负的)DC偏移加在电压(全部电压施加在反向偏置的结) 中建立的电压，以及V,e是AC电压。
这留给我们为^，,下面的表达式:
222V^而,f ,+ 一"錄严么j，
通过以下给出拉格朗日方程:
= r+-『￡ - ^ +--+丄M，w:
戸 ￡ 4丄 4 l j
我们知道4(^)-， = 0。从而
^ ,〗--1,-+丄/^甲"[,]=0
2Z^ 2
该方程被认为是运动的强迫简单谐波振荡方程。在没有强迫项的情况下
可以获得下面的方程
解[%/. Vpndc+Vpnac—O,a" [t]]
这是具有W-^的谐振频率的简单谐波振荡器。我们现在作一些假设。 丄P
首先我们假设V[t] VDC。然后从a[t]变化到b[t]，从而b
]/.a， ， [t]—0/. Vpnac—0
完全简化[。/。。/。]/.(a[t]—b[t]+ ~-V "f一。"-
a，，[t]—b，，肌 简化[%]<formula>formula see original document page 24</formula>
为了简单谐波振荡器将上述公式重新排列到标准表格中
<formula>formula see original document page 24</formula>
在这时我们可以将阻尼项添加到该公式中
<formula>formula see original document page 24</formula>
最后，我们假设V[thV^"t，并且a[tha^，注意VQ和bQ潜在是复杂的)( 求值[。/。/.(b[t]—b。*Exp [i* " *t]，
<formula>formula see original document page 24</formula>ypnao ~ Vo * JSxp〖;i * w * t]》〗
—e" 2 b。 + ie二,Obo +妇i t 。2 、 ^
h Ii jo
给出下面的公式 解[o/o,b。]
It 0 "hlip (Q - i ,0 - Qw02》 "
谐振03 = o 。以及我们对b。有了下面的表达式 完全简化[%/.{" = "0}]
——~-hL一2-一"
最后取代"(,得到 %/.{"。——
丄yO
"b。 —---hTT"—-—
所以谐振中的b。值通过下面得到 。…。「 2VJ^g^/印"afcgA^^咖"^>perp
在最大位移和谐振时波束中的张力采用下面的形式- "《 = ^ x 、 / ->
最大张力(在波束中心)是
25<formula>formula see original document page 26</formula>
vpnmax 力冗
我们也要注意:
、=^
在装置移动时流动以给电容器充电的电流可以用作检测机构。例如，可 以用跨阻放大器来测量该电流。流动的电流通过以下给出
对于谐振振动的结构的情况，r^项比C^项具有支配作用。我们得到:
改 改
pn结的面积Apne的的电容通过以下得到
=^^/.{印應X)為—〃一}
在上述的A，和Np。dt可以理解为时间函数。Npndt可通过以下给出
戶"'_ (l"》(l + 。x(l + J， 由于^,S,&《1，我们可以展开得到
_^_
1 _j__^_______
z 丄 丄类似地Apne可以通过以下给出-= J/wc0 x (1 + 。 x (1 +
其可以展开为 Ac=々"cOx(l + &+。；
J,O(l +-^---^-)
z 丄
我们关注相对于时间的电容变化率，其可以通过以下得到
完全简化[D[Cpnt，t]]
(丄2(1 - jv。 + Vp) + 3 "W2C《]2
厄
Z戸。(—1 + Z戸。+ ^邵)+丄""[r]C(W[丁]
(1^p邵+ Z/w"( 6 + 7"戸ra + Zp叩》)
a，[t])/2V^3A^etoro
7CC
印m/"(Z - ;raWCoy[丁](—1 + /+ ,))
(-
瑪^加
^ "c0;r印"t/c aw[，](1 — ^訓+ ^叩)"'W
再一次省略小的项(exx阶) 简化[
)3/2)
27。/印"dcg
相对于时间每单位面积的电容差异因此是: 卿一 =
1敏 ^Cm[H]c。一 j丄]
,化I— Kp ^1』l P/
^/印"血s/V^'如柳^(—i + 〃。ra - ^邵u
在谐振时谐振器被驱动导致NB该《)相位差。沿着谐振器在位置x流 过pn结的一部分的电流通过以下给出
通常写为
可能的拼写错误新的符号名字"Si"类似于现有的符号(Sx， Sz)等
W 1
丄p 丄 Z P
，—"A^,一K。 (-1 + 一 - yw ) 因此总电流是<formula>formula see original document page 29</formula>
并且运动阻力(即，在产生的电流上的施加的电压)通过以下给出
<formula>formula see original document page 29</formula>
最后，对于结构的特征给出不同值，我们计算这些计算的参数的大小。 在下面的计算中设定SI单位(即，m是距离单位，Q是电阻单位，Hz是频 率单位，F是电容单位)。
数值={丫一 170X 109，
H11.9 x 8.85 x 10-12，,戸p ~> 0.361，,p。ra ~> 0.064,
p — 2329,F。 ~> 1,印"c/c 4 8,Z — 2x180x10—6,
"3xl0—6，w 410x10—6,2 ~^ 180000,
9w朋—1.60 x 10-19, iVd — 2 x 1017 x 106 ，《—1};
表格[{{"" /',"尸^^/激值}，
r ax",^國x/.数值扒 {"/旭"^[^]/激值}
2x;rrw，
.数值}，
数值}，
("『耗尽"，M^e/7/.J^"ac ~> 0/.数值}，
{,,「,,一印/.印露—o),激働，
X S X ￡ X IV
{"一部分^",-/ ,/激值}，
"max
『耗尽
一端口&
-1 /( x, g,."甲)/激銜}]
6.82531 xl(T8
1.01256x108
1.18661x107
0扁4589441.6522x10-122.29472 x10-78118.024.12668x1060.0019672权利要求
1. 一种具有(实质上是非压电的)电容性执行器的半导体装置，该执行器包括耗尽区域。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述执行器通过电场和所述耗尽区域之间的交互作用来操作。
3. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述装置包括谐振器。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的半导体装置，其中，在使用时所述耗 尽区域反向偏置。
5. 根据上述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述耗尽区域由p-n 结形成。
6. 根据权利要求5所述的半导体装置，其中所述p-n结形成于所述半 导体装置的适当掺杂区域之间。
7. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述装置的至少一部分由 半导体形成，该半导体是n掺杂的并且该半导体包括p掺杂区域，并且所述 n掺杂半导体和所述p掺杂区域形成所述电容性执行器的电极区域。
8. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述装置的至少一部分由 半导体形成，该半导体是p掺杂的并且该半导体包括n掺杂区域，并且所述 p掺杂半导体和所述n掺杂区域形成所述电容性执行器的电极区域。
9. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述掺杂区域的至少一个掺杂区域由离子注入形成。
10. 根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述掺杂区域的至少一个 掺杂区域由扩散形成。
11. 根据权利要求l-4的任一权利要求所述的半导体装置，其中所述耗 尽区域由金属-半导体结或肖特基势垒产生。
12. 根据权利要求11所述的半导体装置，所述半导体装置包括设置于 半导体装置的半导体材料表面的金属层。
13. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述装置包括半导 体材料，并且所述耗尽区域形成在半导体材料中。
14. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述装置包括半导 体材料，并且所述半导体材料包括所述执行器的至少一个电极。
15. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述装置包括半导 体材料，并且所述半导体材料包括所述执行器所有的电极区域。
16. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述执行器包括多 于一个的耗尽区域。
17. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述半导体是硅。
18. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，其中所述执行器还用作 传感器。
19. 根据前述任一权利要求所述的半导体装置，该半导体装置还包括电容性传感器，该传感器包括耗尽区域。
20. —种用于实质上非压电的半导体装置的执行器，所述执行器包括耗 尽区域。
21. 根据权利要求20所述的执行器，所述执行器还用作传感器。
22. —种制造用于实质上非压电的半导体装置的电容性执行器的方法， 该方法包括以下步骤掺杂所述半导体装置的第一区域以形成电容性换能器的第一电极区域；以及形成所述电容性换能器的第二电极区域； 从而耗尽区域可形成在所述电极区域之间。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中通过掺杂所述半导体装置的第 二区域形成所述第二电极区域。
24. 根据权利要求22的方法，其中所述第二电极区域形成为在所述半 导体装置表面上的层。
25. 根据权利要求22-24中任一权利要求所述的方法，其中所述耗尽区 域由p-n结产生。
26. 根据权利要求22-25中任一权利要求所述的方法，其中所述耗尽区 域由金属-半导体结或肖特基势垒产生。
27. 根据权利要求22-26中任一权利要求所述的方法，其中所述电极区 域中的至少一个电极区域由离子注入形成。
28. 根据权利要求22-26中任一权利要求所述的方法，其中所述电极区 域中的至少一个电极区域由离子扩散形成。
29. 根据权利要求22-28中任一权利要求所述的方法，其中在所述电容 性执行器中形成多于一个的所述耗尽区域。
30. 根据权利要求22-29中任一权利要求所述的方法，其中所述执行器 还用作传感器，或所述方法包括为所述半导体装置制造传感器的步骤，所述 传感器包括耗尽区域。
31. —种操作微型机械的实质上非压电的半导体装置的方法，该方法包 括步骤施加穿过所述半导体装置的耗尽区域的驱动电压。
32. 根据权利要求31所述的方法，其中所述驱动电压包括用于反向偏 置所述耗尽区域的电压成分。
33. 根据权利要求31或32所述的方法，其中所述半导体装置是谐振装 置，并且所述驱动电压包括用于驱动所述谐振装置的变化的电压成分。
34. 根据权利要求31、 32或33所述的方法，其中所述驱动电压被施加于电容性换能器的电极之间以将电场施加于所述耗尽区域。
35. —种参考附图在此实质上描述的半导体装置。
36. —种参考附图在此实质上描述的电容性执行器和/或传感器。
37. —种在此实质上描述的用于制造电容性执行器和/或传感器的方法。
38. —种在此实质上描述的操作半导体装置的方法。
全文摘要
一种半导体装置，例如具有电容性、非压电执行器的谐振装置，该执行器具有耗尽区域。也提供了一种用于半导体装置的电容性执行器，用于制造所述执行器的方法，以及用于操作半导体装置的方法。在操作方法中，施加穿过半导体装置的耗尽区域的驱动电压，例如具有用于驱动谐振半导体装置的变化的电压成分的驱动电压。
文档编号H03H9/02GK101479934SQ200780024235
公开日2009年7月8日 申请日期2007年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者A·塞西亚, C·杜尔坎, J·兰斯利 申请人:剑桥企业有限公司