CN103964366A - 封闭的mems器件的内部电接触 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种MEMS器件。这种MEMS器件包括一个MEMS衬片。该MEMS衬片包括一个第一半导体层，该第一半导体层由处于中间的一个介电层连接到一个第二半导体层上。由该第二半导体层形成了多种MEMS结构，并且这些结构包括多个第一导电垫片。这种MEMS器件进一步包括一个基底衬片，该基底衬片包括在其上的多个第二导电垫片。这些第二导电垫片被连接到第一导电垫片上。最后，这种MEMS器件包括一个导电连接件，这个导电连接件是穿过该MEMS衬片的介电层而形成的以提供在该第一半导体层与该第二半导体层之间的电耦联。该基底衬片被电连接到该第二半导体层以及第一半导体层上。

Description

封闭的MEMS器件的内部电接触
发明领域
本发明总体上涉及MEMS器件，并且更确切地涉及提供MEMS器件封闭构造（enlosure）的电接触。
背景
MEMS器件被用于多种环境中。在此类器件中，通常要求将一个操作层（handle layer）电接地，以便提供一种电屏蔽来获得低的噪声性能。与该操作层的电连接是由一种导线接合来提供的。然而，这种导线接合要求纵向空间，并且在封装后会增大该MEMS器件的总厚度。因此，令人希望的是不需要导线接合的一种MEMS器件及方法。
这种用于提供到操作层上的电连接的MEMS器件和方法应该简单、容易实施、而且能够适应现有的环境。本发明着手解决了此类需要。
发明概述
在此披露了一种MEMS器件。这种MEMS器件包括一个MEMS衬片。这种MEMS衬片包括一个第一半导体层（操作层），该第一半导体层通过一个介电层连接到一个第二半导体层（器件层）上，而该介电层位于这两个层之间。由该第二半导体层形成了多个MEMS结构并且这些MEMS结构包括多个第一导电垫片。这种MEMS器件进一步包括一个基底衬片，该基底衬片包括在其上的多个第二导电垫片。这些第二导电垫片被连接到第一导电垫片上。最后，这种MEMS器件包括一个导电连接件，这个导电连接件是穿过该MEMS衬片的介电层而形成的，以便提供在该第一半导体层与该第二半导体层之间的电偶联。该基底衬片被电连接到该第二半导体层以及第一半导体层上。在其他实施例中，该基底衬片可包括CMOS电路。
因此，根据一个实施例的MEMS器件提供了一种内部电连接并且消除了对于在常规MEMS器件中所需的外部导线接合的需要，并且能够减小该器件的厚度。本发明的其他方面和优点将通过以下结合附图并举例说明本发明原理的详细描述而变得清楚。
附图简要说明
图1是一个图解，它示出了根据第一实施例的具有一种内部直接电耦联的接合的MEMS基底衬片器件的截面。
图2A-2E是多个图解，它们示出了一系列截面，来展示从操作层到MEMS器件层准备就绪用于接合到图1的器件的基底衬片上的建立这种电耦联的多个加工步骤。
图3是一个图解，它示出了根据第二实施例的具有一个内部直接电耦联的接合的MEMS基底衬片器件的截面。
图4是一个图解，它示出了根据第三实施例的具有一个内部直接电耦联的接合的MEMS基底衬片器件的截面。
图5A-5G是多个图解，它们示出了一系列截面，来展示从操作层到MEMS器件层准备就绪用于接合到图4的器件的基底衬片上的建立这种电耦联的多个加工步骤。
优选实施方案的详细说明
本发明总体上涉及MEMS器件，并且更确切地是涉及用于封闭的CMOS-MEMS器件的电耦联。在此提出的以下说明是要使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且是在专利申请及其要求的背景中提供的。对所描述的优选实施例和通用原理以及在此描述的特征的各种修改对本领域的技术人员而言是非常清楚的。因此，本发明并非旨在局限于所示实施例，而是应对其赋予同在此描述的这些原理和特征相一致的最广阔的范围。
在所说明的实施例中，微机电系统（MEMS）是指利用类似于半导体工艺制造的并且展现出诸如移动和变形能力的机械特性的一类结构或者器件。MEMS经常（但并非总是）与电信号相互作用。MEMS器件包括但是不限于回转仪、加速表、磁强计、压力传感器、以及射频部件。包含MEMS结构的硅晶片被称为MEMS晶片。
在所描述的这些实施例中，MEMS器件可以是指被实施为微机电系统的半导体器件。MEMS结构可以是指能够成为大型MEMS器件一部分的任何特征。工程化绝缘体上的硅（ESOI）晶片可以是指在硅器件层或者是衬片之下具有多个空穴的SOI晶片。操作晶片典型地是指一种较厚的衬片，该衬片被用作绝缘体上的硅晶片中较薄的硅器件衬片的载体。操作衬片和操作晶片可以互换。
在所描述的实施例中，空穴可以是指衬片晶片上的开口或者凹陷，而封闭构造可以是指一种全封闭的空间。
为了更详细地描述本发明的这些特征：在此披露了无需金属线接合而实现MEMS器件的操作层、器件层和基底衬片的直接电耦联的装置和制造方法。
图1是一个图解，它示出了根据第一实施例的具有内部直接电耦联的接合的MEMS基底衬片的截面。工程化的绝缘体上的硅（ESOI）衬片120包括带有多个空穴112的一个操作层101，以及一个器件层104，该器件层与在器件层104与操作层101之间的一层薄介电膜103（如氧化硅）熔接在一起。在操作层101与器件层104之间的电连接可以通过以下方式来实现，即：刻蚀出穿过器件层104和薄介电层103进入操作层101的一个或多个通孔106，并且用一种导电材料114（如多晶硅、钨、钛、氮化钛、铝、或锗）来填充这些通孔106。在形成了锗层（Ge）109和包括导电材料114的多个托脚105、并且MEMS的致动结构在器件层104中形成图案并且进行蚀刻后即认为该MEMS衬片已经完成。作为替代方式，该托脚可在形成托脚的过程中通过部分地刻蚀进入器件层而由导电材料114和器件层104的一部分这二者来形成。在其他实施例中，该基底衬片可包括CMOS电路。
可通过MEMS衬片的锗109与基底衬片102的铝107的共晶接合来提供MEMS到基底衬片上的集成，其中AlGe接合在MEMS衬片（操作层101和器件层104）与基底衬片102之间提供了直接的电耦联。另外，AlGe接合提供了MEMS器件的密闭性真空密封。
图2A-2E是多个图解，它们示出了一系列截面，来展示从操作层101到MEMS器件层104准备就绪用于接合到图1所示的基底衬片102上的建立这种电耦联的多个加工步骤。
图2A是一个图解，它示出了使器件层104熔接到具有多个空穴112的操作硅层101上的ESOI（工程化SOI）衬片的截面。在一个实施例中，如图2B所示，通孔106在ESOI衬片的器件层104上形成图案，并且被刻蚀穿过器件层104、穿过薄介电层103、并且进入操作层101中。在另一个实施例中，通孔106在ESOI衬片的器件层104上形成图案，并且刻蚀穿过器件层104并穿过薄介电层103从而暴露操作层101的表面的一部分。然后提供导电材料105的共形沉积，如图2C所示，以便填充通孔106从而在器件层104与操作层101之间建立电耦联。然后将一个锗层109沉积到导电材料105上。在图2D中所示的下一步骤是对导电材料105以及锗层109形成图案并进行刻蚀以便由电材料105形成多个托脚121，随后是对MEMS器件层104形成图案并进行刻蚀，如图2E所示，从而完成MEMS衬片加工，准备就绪以接合到基底衬片上。作为替代方式，托脚121可在形成托脚的过程中通过部分地刻蚀进入器件层而由导电材料105和器件层104的一部分这二者来形成。
图3是一个图解，它示出了根据第二实施例的具有一个内部直接电耦联的接合的MEMS基底衬片器件的截面。在这个实施例中，电耦联路径是从操作层201到MEMS器件层204而形成的，穿过了介电层203并且在MEMS到基底衬片的AlGe共晶接合后最终到达了基底衬片的铝垫片207。
ESOI衬片220包括带有多个空穴212的一个操作层201、以及一个器件层204，该器件层与在器件层204与操作层201之间的一层薄介电膜203（如氧化硅）熔接在一起。ESOI衬片在器件层减薄后即完成。在操作层201与该器件层204之间的电连接可以通过以下方式来实现，即：在任何位置上穿过器件层204和薄介电层203进入或暴露出操作层201的表面来刻蚀出至少一个通孔206、并且用多种导电材料（如多晶硅、钨、钛、氮化钛、铝、或锗）填充该通孔206。在这个实施例中，在器件层204上残留的导电材料可通过减薄、抛光或反刻蚀来去除，以便将器件层暴露用于托脚205的形成。将进行锗沉积、托脚形成图案、锗刻蚀、器件层204形成图案以及刻蚀诸步骤来完成MEMS衬片。
MEMS基底衬片的集成是通过将具有多个锗垫片209的MEMS衬片与具有多个铝垫片207的基底衬片共晶接合而实现的，其中AlGe接合在MEMS衬片（操作层201和器件层204）与基底衬片202之间提供了直接的电耦联。在一个实施例中，托脚205在MEMS结构周围形成一个环，AlGe接合为该MEMS结构提供了密闭的密封。通孔206可被定于由托脚205形成的密封环之内或之外。
图4是一个图解，它示出了在操作层301、MEMS器件层304、以及基底衬片302之间的电耦联的一个第三实施例，为器件层304使用了多晶硅并使用了AlGe共晶接合。图5A-5F中示出了使用表面微机加工的工艺技术的MEMS衬片的工艺流程和制作方法。图5A-5F是多个图解，它们示出了一系列截面，来展示从操作层301到器件层306准备就绪用于接合到图4的器件的基底衬片302上的建立这种电耦联的多个加工步骤。从图5A开始，一个薄介电层303（典型地是氧化硅）被沉积到一个操作层301上。然后，对该层303形成图案并进行刻蚀以便形成多个通孔312。一个硅层306（图5B）被沉积到操作层301上，随后进行减薄并且平坦化（例如研磨或化学机械抛光）至所希望的器件层的厚度。图5C示出了具有第二个较厚的硅器件层的一个实施例。在这个实施例中，一个附加的硅晶片311可被接合到薄多晶硅312上并且减薄到所希望的器件的厚度。附加硅晶片311的接合克服了常规的沉积技术的厚度限制。
然后沉积了锗层309，如图5D所示。图5E是一个图解，它示出了通过形成图案并刻蚀进入器件层306中而形成托脚305。图5F是一个图解，它示出了对硅层306形成图案并进行刻蚀以形成MEMS结构304。跟随这个形成图案并进行刻蚀的步骤的是刻蚀氧化硅以便释放器件层304，如图5G所示。至此，MEMS衬片准备就绪有待与基底衬片进行集成。
如图4所示，MEMS基底衬片的集成是通过将具有多个锗垫片309的MEMS衬片与具有铝垫片307的基底衬片共晶接合而实现的，其中AlGe接合在MEMS衬片（操作层301和器件层305）与基底衬片302之间提供了直接的电耦联。另外，AlGe接合提供了MEMS器件的密闭的真空密封。
虽然已经根据所示出的这些实施例对本发明进行说明，本领域的普通技术人员将容易地认识到这些实施例会有多种变化，并且这些变化将会在本发明的精神和范围之内。因此，本领域的普通技术人员无需背离所附权利要求书的精神和范围即可做出多种修改。

Claims (30)

1.一种MEMS器件，包括：
一个MEMS衬片，该MEMS衬片包括一个第一半导体层、一个第二半导体层、以及在二者之间的一个介电层，其中由该第二半导体层形成多个MEMS结构并且这些MEMS结构包括多个第一导电垫片；
一个基底衬片，该基底衬片包括在其上的多个第二导电垫片，其中这些第二导电垫片被连接到这些第一导电垫片上；以及
一个导电连接件，该导电连接件是穿过该MEMS衬片的介电层而形成的，以便提供在该第一半导体层与该第二半导体层之间的电耦联，由此使该基底衬片电连接到该第二半导体层以及该第一半导体层上。
2.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该多个第一导电垫片包含锗。
3.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该多个第二导电垫片包含铝。
4.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该MEMS衬片包含一个或多个蚀刻的通孔，这些蚀刻的通孔填充有导电材料以形成该导电连接件。
5.如权利要求4所述的MEMS器件，其中，该一个或多个蚀刻的通孔是穿过该第二半导体层以及该介电层二者而形成的。
6.如权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括一个密封环，该密封环包括一个连续的环以形成环绕这些MEMS结构的一个封闭构造，并且该密封环是由这些第一导电垫片之一与这些第二导电垫片之一的一种连接来形成的。
7.如权利要求6所述的MEMS器件，其中，该第一导电垫片被电连接到该第一半导体层上。
8.如权利要求6所述的MEMS器件，其中，该第一导电垫片未被电连接到该第一半导体层上。
9.如权利要求6所述的MEMS器件，其中，该导电连接件是定位在该密封环的封闭构造之内。
10.如权利要求6所述的MEMS器件，其中，该导电连接件是定位在该密封环的封闭构造之外。
11.如权利要求6所述的MEMS器件，其中，该导电连接件是定位在该密封环之内。
12.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，在该第一导电垫片与该第二导电垫片之间的连接是一种共晶接合。
13.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，这些MEMS结构与该第一半导体层是电隔离的。
14.如权利要求4所述的MEMS器件，其中，填充该一个或多个通孔的导电材料包含多晶硅、锗、和钨中的任意一种。
15.如权利要求4所述的MEMS器件，其中，填充该一个或多个通孔的导电材料包含铝、钛、和氮化钛中的任意一种。
16.如权利要求6所述的MEMS器件，其中，该密封环提供一种密闭式密封。
17.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第一半导体层面向该第二半导体层的表面包括在其中的多个空穴。
18.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第一半导体层以及该第二半导体层包含单晶硅材料类或者多晶硅材料类中的任意一种。
19.一种在集成的MEMS器件中制作电连接的方法，该方法包括：
形成一个MEMS晶片，而形成该MEMS晶片包括：
在一个第一半导体层上形成一个或多个空穴；
借助一个介电层将该第一半导体层接合在一个第二半导体层上，而该介电层被置于该第一半导体层与该第二半导体层之间；
蚀刻出穿透该第二半导体层以及该介电层的至少一个通孔；
在该第二半导体层的表面上沉积一种导电材料并且填充该至少一个通孔；
在该导电材料顶面沉积一个锗层；
对该锗层以及该导电材料形成图案并且进行蚀刻，以形成至少一个托脚；
对该第二半导体层形成图案并且进行蚀刻以限定一个或多个MEMS结构；并且
使用在该MEMS衬片的锗层与一个基底衬片的多个铝垫片之间的一种共晶接合将该MEMS衬片接合到该基底衬片上。
20.如权利要求19所述的方法，其中，该接合是一种熔融接合。
21.如权利要求19所述的方法，其中，蚀刻出该至少一个通孔进一步包括部分地蚀刻进入该第一半导体层之中。
22.如权利要求19所述的方法，其中，形成该托脚包括部分地蚀刻进入该第二半导体层之中。
23.一种在集成的MEMS器件中制作电连接的方法，该方法包括：
形成一个MEMS晶片，而形成该MEMS晶片包括：
在一个第一半导体层中形成一个或多个空穴；
借助一个介电层将该第一半导体层接合到一个第二半导体层上，该介电层被置于该第一半导体层与该第二半导体层之间；
蚀刻出穿透该第二半导体层以及该介电层的至少一个通孔；
将一种导电材料在该第二半导体层的表面上进行沉积并形成图案，并且填充该至少一个通孔；
在该第二半导体层上沉积一个锗层；
对该锗层以及该第二半导体层形成图案并且进行蚀刻以形成至少一个托脚；
对该第二半导体层形成图案并且进行蚀刻以限定一个或多个MEMS结构；并且
使用在该MEMS衬片上的锗层与一个基底衬片上的多个铝垫片之间的一种共晶接合将该MEMS衬片接合到该基底衬片上。
24.如权利要求23所述的方法，其中，该托脚是在对该锗层形成图案之前形成的。
25.一种在集成的MEMS器件中制作电连接的方法，该方法包括：
形成一个MEMS晶片，而形成该MEMS晶片包括：
在一个第一半导体层上沉积一个介电层；
在该介电层上形成图案并且蚀刻出至少一个通孔；
沉积一个第二半导体层；
沉积一个锗层；
成形并且蚀刻该锗层和该第二半导体层，来形成一个或多个托脚；
对该第二半导体层形成图案并且进行蚀刻以形成多个MEMS结构；
对该介电层进行蚀刻以释放出这些MEMS器件的结构；并且
使用在该MEMS衬片的锗层与一个基底衬片的多个铝垫片之间的一种共晶接合将该MEMS衬片接合到该基底衬片上。
26.如权利要求25所述的方法，其中，该第二半导体层包含硅。
27.如权利要求25所述的方法，进一步包括对该硅材料进行平整。
28.如权利要求25所述的方法，其中，该托脚是在该锗层上形成图案之前形成的。
29.如权利要求25所述的方法，其中，介电性硅释放蚀刻包括一种蒸汽蚀刻。
30.如权利要求25所述的方法，其中，介电硅释放蚀刻包括一种湿式蚀刻。
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