CN104291262B - 具有嵌入式声道的电容性感测结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有嵌入式声道的电容性感测结构。MEMS器件包括双膜、电极和互连结构。该双膜具有顶膜和底膜。底膜位于顶膜和电极之间，并且互连结构限定顶膜和底膜之间的间隔。

Description

具有嵌入式声道的电容性感测结构
相关申请的交叉引用
本申请要求Chan等人在2013年6月5日提交的名称为“Capactive Sensing Structure with Embedded Acoustic Channels”的美国临时申请No.61/831,558的优先权，就像完全阐述那样通过引用将其公开内容并入在此。
技术领域
本发明的各种实施例总体上涉及MEMS器件并且特别地涉及用于制造其的方法。
背景技术
膜结构是用于诸如扩音器之类的声学器件的关键性元件中的一个。膜结构的关键参数包括其顺应性、质量和阻尼，它们决定其谐振频率和品质因子。
电容性感测主要测量因为空气间隙调节而引起的电容性变化。该间隙通常由调节该间隙的活动电极和固定电极来限定。为了使系统的信号噪声（SNR）最大化，电容器的间隙需要被优化以便得到使电气灵敏性最大化和使由于阻尼而引起的热机械（或布朗）噪声最小化之间的折衷。
为了同时实现在足够高谐振频率下以及在供给/拉入电压限制内的高机械灵敏性，活动质量需要被最小化。对于通常由应用规定的给定声孔面积，质量的减小等同于厚度的减小，这导致结构的机械强度的减弱并且常常可以导致生产上的产量问题以及使用期间的可靠性问题。
常规双芯片扩音器的问题之一是对大封装的需求，这显著添加了总成本。此外，寄生电容不合期望地高，因为两个芯片是电线接合在一起的。
为了解决前面提到的问题，COMS衬底和MEMS衬底是集成的从而产生一个芯片的解决方案。这种方法的显著优点之一是：通过经过晶片级接合集成CMOS和MEMS衬底而降低管芯成本的能力。声感测膜被构建在也充当活动电极的MEMS衬底（或“器件”）层上，并且固定电极被构建在CMOS衬底上。封装尺寸以及由此封装成本降低并且通过扩音器用户来实现对覆盖区或面积的节省。然而，电气间隙和声间隙变得耦合，导致使电灵敏性最大化和使声阻尼（热-机械噪声）最小化之间的权衡，从而限制最大可实现的SNR。
所期望的是具有高信噪比SNR的小封装、低成本MEMS器件。这通过在不折衷来自较大质量的高谐振频率的情况下使电气间隙和声间隙去耦来实现。
发明内容
简要地，MEMS器件包括双膜、电极和互连结构。该双膜具有顶膜和底膜。底膜位于顶膜和电极之间并且互连结构限定顶膜和底膜之间的间隔。
可以通过参考说明书和附图的剩余部分来实现对这里公开的特定实施例的性质和优点的进一步理解。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施例的MEMS器件10。
图2示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件200。
图3示出根据本发明的一个实施例的MEMS器件300。
图4示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件400。
图5示出本发明的各种实施例的MEMS器件所采用的I梁（I-beam）结构500。
图6至27示出根据本发明的方法用于制作MEMS器件的相关步骤。
具体实施方式
在所述实施例中，微机电系统（MEMS）指代使用像半导体的工艺并且展示诸如移动或变形的能力的机械特性而制作的一类结构或器件。MEMS通常但不总是与电信号相互作用。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速度计、磁力计、压力传感器、扩音器和射频部件。包含MEMS结构的硅晶片被称为MEMS晶片。
在所述实施例中，MEMS器件可以指代实施为微机电系统的半导体器件。MEMS结构可以指代能够是较大MEMS器件的一部分的任何特征。工程上的绝缘体上硅（ESOI）晶片可以指代在硅器件层或衬底下面具有腔的SOI晶片。操作晶片通常指代用作绝缘体上硅晶片中的较薄硅器件衬底的载体的较厚衬底。手柄衬底和操作晶片可以是互换的。
在所述实施例中，腔可以指代衬底晶片中的开口或凹处并且外壳可以指代完全包围的空间。支柱可以是MEMS器件的腔中用于机械支撑的垂直结构。支架（standoff）可以是提供电接触的垂直结构。
在所述的实施例中，后腔可以指代经由压力均衡通道（PEC）等同于环境压力的部分包围的腔。在一些实施例中，后腔也被称为背部隔间。形成在CMOS-MEMS器件中的后腔可以被称为集成的后腔。压力均衡通道也被称为泄漏通道/路径，其是用于后腔到环境压力的低频或静态压力均衡的声道。在所述的实施例中，板可以指代MEMS器件内的当经受力时会移动的刚性和平面结构，其垂直厚度显著小于其的两个平面内维度。背部板可以是用作通常被配置成与可移动的力敏感板相对的电极的固定有孔板。几何结构上类似于板并且当经受弯曲矩时朝向二维平面外混合物更灵活的平面结构可以被称为膜。
在所述实施例中，孔指代用于降低移动板中的空气阻尼的声开口。声端口可以是用于感测声压的开口。声挡板可以是阻止声压到达器件的某些部分的结构。联接是一种通过锚来向衬底提供顺应附接的结构。可以通过支柱的逐步蚀刻以及在PEC上产生部分支柱重叠来产生延伸的声间隙。平面内限位挡块（bump stop）是与器件封条接触以限制板平面内的活动范围的板的延伸。旋转限位挡块是限制旋转范围的板的延伸。
现在参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的MEMS器件10。该MEMS器件10被示为包括顶膜12、底膜14、电极24、CMOS衬底16、以及互连结构26。顶膜12和底膜14总体地包括双膜。底膜14被示为位于顶膜12和电极24之间。互连结构26限定顶膜12和底膜14之间的间隔。
电极24被示为形成在CMOS衬底16中。顶膜12、底膜14和互连结构26是MEMS衬底的一部分（在这里也被称为“器件层”）。相应地，MEMS衬底形成在CMOS衬底16的顶上。
底膜14被示为有孔的。从而允许空气在由箭头22示出的方向和位置处行进。因此，空气垂直向上行进通过底膜14的孔并且在此后在顶膜和底膜之间水平行进。如由箭头20所示的那样，声压波冲击顶膜12。声压的变化使得顶膜12向下朝向电极24或者向上远离电极24移动。在一些实施例中，顶部电极、互连结构26和底膜24一起上下移动，使得间隙18相应地变化。电极24和底膜14形成电容器电容。间隙18的变化改变底膜14和电极24之间的电容，由此测量声压的变化。
如图2中所示通过支架206来限定间隙18。电极24和底膜14之间的区域重叠限定电气感测区域AE。暴露给声压的顶膜12限定机械感测区域AM。AM有利地要大，从而允许较大输入信号，从而导致较好的机械灵敏性和较高的信噪比。在该实施例中，电气感测区域从声感测区域去耦。
双膜和互连结构26可相对于电极24移动。在施加声压时，双膜和互连结构26在所施加的声波的方向上平移。顶膜12和底膜14以及互连结构26相对于电极24一起移动。
在本发明的一些实施例中，顶膜12的位移与底膜14的位移不同。在其他实施例中，顶膜12的位移基本上与底膜14的位移相同。顶膜12相对于底膜14的位移由膜的厚度以及互连结构26的位置、形状、尺寸和量来控制。
在一些实施例中，互连结构26提供顶膜12和底膜14之间的电气连接。在一些实施例中，互连结构26允许空气的形成通道，由此降低与MEMS器件10相关联的阻尼。互连结构26可以由一个或多个柱子、壁、中空结构或实心结构制成。
期望的是顶膜12和底膜14二者要薄并且因此减小结构的总质量，这可以增加灵敏性、谐振频率或这二者。互连结构的设计是关键并且需要被优化以便在小质量贡献的情况下维持MEMS结构的刚性。在小质量的情况下，结构的谐振频率增加并且推到感兴趣的频率范围之外，从而有效地降低噪声贡献。
此外，形成具有顶膜12和底膜14的I梁或柱子结构的互连结构26改进坚固性，因而阻止与薄顶膜12相关联的易碎问题。在本发明的一些实施例中，顶膜12由氮化硅（SiN）制成。底膜14由导电材料制成。顶膜12可以是导电或不导电的。类似地，互连结构26可以是导电或不导电的。
在本发明的一个实施例中，电极24由铝制成。在本发明的一个实施例中，CMOS衬底16和MEMS衬底通过支架由铝-锗共晶接合（eutectic bond）或任何其他类似接合方法来接合。CMOS衬底和MEMS衬底的附接在其之间形成电气连接。支架材料是导电的并且支架的厚度限定电气感测间隙18。期望的是间隙18要小，由此增加电气灵敏性。CMOS衬底16包括用于信号处理的电路。当向顶膜12施加声压（箭头20）时，存在顶膜12的移动或变形，通过互连结构26平移到底膜14，使得间隙18改变。然后通过CMOS衬底16的电路来感测该改变。当底膜14移动时，间隙18中捕获的空气被挤压并且允许该空气通过底膜14中的孔横跨互连结构溢出（由箭头22指示），从而降低阻尼。因此，有效声间隙28θA-eff（图2中示出）可以被定义为电气间隙18θE-eff、底膜14的厚度以及顶膜12和底膜14之间的间隔的组合。
简言之，MEMS器件10的优点之一是热-机械噪声的最小化与电气灵敏性的最大化的去耦。布朗噪声取决于有效声间隙θA-eff，而电气灵敏性取决于有效电气间隙18θE-eff 。因为可以在不影响另一个的情况下独立地调整这两个间隙，所以电气灵敏性的最大化和热-声学噪声的最小化可以被有效地去耦。
MEMS器件10的另一优点是质量的最小化或灵敏性和频率平方积的最大化与结构强度的最大化的去耦，以便增强产量和可靠性二者。MEMS器件10的结构的有效厚度近似为顶膜12和底膜14以及互连结构26的有效厚度的和，被定义为tMECH-eff。与单薄膜相比，由互连结构贡献的该厚度增强改进结构刚性。可以通过控制在薄膜沉积期间两个膜的厚度tMASS-eff以及互连结构的设计和放置来将质量制成小的。结果，该双板膜结构可以同时实现轻质量和增加的结构顺应性，以便改进机械灵敏性且降低在MEMS器件10的制作和操作期间破损和粘滞问题的可能性。
在本发明的另一实施例中，在MEMS器件10是扩音器的情况下，机械和电气感测区域可以重叠并且换能可以发生在双板膜结构的分开的膜处，因此使机械和电气感测区域二者得以最大化。与如在IVS 195专利申请中讨论的其他CMOS-MEMS集成设计相比，该方法显著增加了机械和电气感测区域二者。因此，可以实现高SNR和具有内部后腔的低成本扩音器。作为扩音器的示例，MEMS器件10可以包括分别具有旋转和平移运动的扭转扩音器和活塞扩音器。
图2示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件200。如前面所讨论的那样，顶膜12和底膜14是薄膜，并且这刚性地将顶膜12和底膜14机械地连接到也由互连结构26形成的直通（through）高横纵比圆柱结构。顶膜12的左侧上的压降（pressure differential）是224和220之间的压力差，而顶膜12的右侧上的压降是226和222之间的压力差。在扭转扩音器中，当存在横跨在左侧和右侧之间的膜的压降差时，出现旋转位移。
在一个实施例中，因为间隙由支架206固定，所以平均间隙不会改变沿着垂直方向的直通平移；相反，通过测量电极24的左部分和右部分之间的电容差来差动地感测双膜的旋转。
底膜14的孔允许空气从MEMS器件10的较低腔通过底膜14的洞向上/向下传送，以及通过在底膜14和顶膜12之间形成的声道水平地流动。
MEMS器件200是对MEMS器件10的扭转类比。描述了当锚定到CMOS衬底时MEMS结构的部件。互连结构202被示为通过底膜14连接到支架并且最终通过接合锚定到电极24。该锚是机械和电气连接二者。该锚定扭转双板的优点之一是：对移除由于电气间隙的变化而引起的灵敏性移位具有差动感测。除了机械灵敏性稳定性之外，差动感测也更容易在CMOS前端感测电路中实施以便使电气偏移移位最小化。第二优点是：其针对声学/压力脉冲的相对鲁棒性，因为与膜的中心部分将接触底部电极并且更容易变得粘住或损坏的活塞实施方式相比，着陆区域在边缘处。
图3示出根据本发明的一个实施例的MEMS器件300。在图3的实施例中，MEMS器件300被示为包括内部后腔。声波通过声端口进入操作晶片（由箭头20示出），撞击到顶膜12上。当顶膜12位移时，互连结构26和底膜14沿着声波的方向移动，从而改变形成在底膜和电极24之间的电气间隙18。空气然后行进通过有孔底膜和互连结构26并且形成通道到后腔302中（由箭头22示出）。支架306将底膜14电气连接到CMOS晶片16上的电极24。支架306充当锚。MEMS器件300强调后腔到CMOS-MEMS芯片中的集成，这在不需要如标准2芯片解决方案中的额外封装和将对许多移动和可穿戴应用来说至关重要的额外紧凑尺寸的情况下提供低成本的优点。
图4示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件400。MEMS器件400是扭转扩音器，然而前一图中的器件是活塞扩音器。MEMS器件400被示为具有形成在CMOS衬底406顶上的器件层412。该器件层包括由互连结构436分开的顶膜410/411和底膜434，在420和416处示出的顶膜和底膜之间的该间隔是主要贡献的声间隙。底膜434被示为经由间隙438与电极448/450分开。操作晶片402被示为通过接合418接合到器件层412的顶上。操作晶片402和器件层412是两个分开的衬底。在本发明的一个实施例中，418处的粘合剂是氧化物并且用于熔融接合操作晶片402和器件层412。在操作晶片中，在接合之前腔422、424、426和428和声端口开口430被蚀刻到衬底之上。声输入进入通过箭头20处的声端口以便进入后腔422和424，以冲击到顶膜410上。当双板膜在声输入方向上移动时，底膜434和电极450之间的间隙438会变化。间隙438中的空气得到挤压从而移动通过有孔的底膜进入间隔420，并且指引到后腔426和428中。以类似的方式，在后腔426处的双板膜411的右部在与由箭头440示出的声输入的方向相反的方向上移动，其通过后腔426和在连接到腔424的右底部电极448和右顶膜411之间中的腔416之间的压降驱动。支柱446限定间隙438并且用作用于扭转扩音器结构的电气或机械锚或枢轴。锗或导电层408被形成在电极404和支架446之间。在本发明的一个实施例中，电极404和导电层408之间的接合是共晶接合。
图5示出本发明的各种实施例的MEMS器件所采用的I梁结构500。I梁结构500是互连结构26的一个实施例。I梁500被示为具有凸缘502、与中央加固梁连接在一起的凸缘504。凸缘502是顶膜并且凸缘504是底膜。凸缘502和504中的每一个都具有最小厚度，而期望梁506具有高横纵比以使得其长度508大于其厚度510。梁506连接凸缘502和504并且是结构连接和/或电气连接。凸缘502和504以及梁506可以由硅或多晶硅或SiN或其他适当材料制成。
图6至27示出根据本发明的一种方法的用于制作MEMS器件的相关步骤。在图6中，窄的间隙602被蚀刻到硅衬底604中以便限定与活动和固定结构之间的最小横向声道相关联的最小关键维度。窄间隙602被蚀刻在其中的沟槽的蚀刻深度确定顶膜和底膜之间的间隔的高度。
在图7中，间隙602填充有氮化硅或Si3N4，并且在图8中，化学机械抛光（CMP）被用来保持平坦硅表面802。在图9中，沟槽902被蚀刻在由硅制成的衬底604中。这留下具有窄宽度902和宽宽度903的硅柱结构。在图10中，执行热氧化物生长。在热氧化期间，沟槽被重新填充二氧化硅。同时具有窄宽度的硅柱被消耗并且变成牺牲的二氧化硅（SiO2）块1002。较宽的硅柱仅被部分消耗，留下变成互连结构的单晶硅柱结构。在图11中，执行CMP。CMP步骤将硅（衬底604）抛光以获得平坦表面，在该平坦表面上进行薄多晶硅1202沉积从而形成顶膜，如图12中所示，沉积保护性薄氧化物1204以形成用于后续步骤的掩膜。
在图13中，多晶硅1202和氧化物1204被图案化以便在如1302的牺牲二氧化硅块之上形成顶膜，并且暴露要发生熔融接合的位置1304。这完成形成器件层的工艺。接下来，示出用于形成操作晶片的步骤并对其进行讨论。
在图14中，在除了形成器件层的硅操作晶片1402上，图案化氧化硅层掩膜1404。接下来，在图15中，利用硅蚀刻来执行附加的光刻从而限定深的上腔1502的深度。在图16中，光刻胶1506被移除并且使用硬掩膜1404将硅衬底604蚀刻成较浅的深度1602从而限定上腔的浅的部分。在图17中，在操作晶片1704上执行氧化以便生长用于熔融接合的薄氧化层1702。在图18中，器件晶片1704被接合到MEMS操作晶片1802，这类似于图13的1300。在示例性方法中，执行熔融接合。
在图19中，利用作为抛光阻挡的牺牲氧化物和氮化物沟槽来进行研磨和抛光。在图20中，第二多晶硅层2002被沉积。层2002的厚度取决于支架高度（电气间隙）和所需的底膜厚度。
在图21中，多晶层被图案化并且向下蚀刻以限定支架2102。蚀刻控制结构和CMOS衬底中电极之间的机械间隙。在图22中，锗层2202被沉积和蚀刻以便仅在支架2102上具有锗。
在图23中，另一光刻和多晶硅蚀刻步骤被执行，从而在底膜上限定孔2302。在图24中，氢氟酸（HF）蒸汽释放步骤被用来移除牺牲氧化物块2402。在步骤25处，第二氮化硅蚀刻步骤在2502处释放MEMS器件结构2504。在图26中，使用铝锗接合来将MEMS器件结构2504与CMOS衬底2602接合。执行集成晶片的研磨和蚀刻以减薄衬底。MEMS器件被形成为具有CMOS衬底2602，在其顶上示出MEMS器件结构2504，在其顶上示出操作晶片1704。最后，在图27中，一个端口被蚀刻到操作晶片1704中以便形成声端口2702。
尽管已经参考说明书的特定实施例对其进行了描述，但是这些特定实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的。
如在这里的说明书中以及遍及下面的权利要求所使用的那样，“一”、“一个”、“该”包括复数参考，除非上下文以其他方式清楚地指示。而且，如在这里的说明书中以及遍及下面的权利要求所使用的那样，“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”，除非上下文以其他方式清楚地指示。
因此，尽管已经在这里描述了特定实施例，但是在前面的公开内容中意图到修改、各种改变和代替的范围，并且将会意识到在一些实例中将会在不偏离如阐述的范围和精神的情况下在没有其他特征的对应使用的情况下来采用特定实施例的某些特征。因此，可以做出许多修改以便使特定情况或材料适应必要的范围和精神。

Claims (30)

1.一种MEMS器件，包括：
双膜，其包括顶膜和底膜；
电极，其中所述底膜位于所述顶膜和所述电极之间；以及
互连结构，其限定所述顶膜和所述底膜之间的间隔，
所述互连结构提供所述顶膜和所述底膜之间的电气连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述双膜和所述互连结构能够相对于所述电极移动。
3.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中，
所述双膜被配置成能够通过平移而移动。
4.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中，
所述双膜被配置成能够通过围绕轴在膜的平面中旋转而移动。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述双膜被配置成被位移，其中所述顶膜和底膜相对于所述电极一起移动。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述双膜被配置成被位移，其中所述顶膜的位移与所述底膜的位移不同。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述双膜被配置成被位移，其中所述顶膜的位移与所述底膜的位移相同。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述底膜包括孔。
9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述MEMS器件是传感器。
10.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述MEMS器件是致动器。
11.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括声端口。
12.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述MEMS器件是扩音器。
13.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述电极由铝制成。
14.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括CMOS衬底，其中包括所述双膜和所述互连结构的器件层和CMOS层被附接，从而在其之间形成电气连接。
15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中，
所述CMOS衬底和所述器件层被接合在一起。
16.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中，
所述CMOS衬底包括用于信号处理的电路。
17.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
通过所述顶膜、底膜和互连结构来形成声道。
18.根据权利要求17所述的MEMS器件，其中，
所述声道被连接到封闭体积。
19.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括形成在所述电极和所述底膜之间的间隙。
20.根据权利要求19所述的MEMS器件，其中，
支架限定间隙。
21.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，
所述互连结构包括多个柱子、壁、中空结构或实心结构。
22.一种制造MEMS器件的方法，包括：
在CMOS晶片的顶上形成电极；
在MEMS器件晶片的顶上形成具有顶膜和底膜的可移动双板膜；
在所述MEMS器件晶片上、所述顶膜和底膜之间形成互连结构，并且将所述CMOS晶片接合到所述MEMS器件晶片且促成所述CMOS晶片和所述MEMS器件晶片之间的电气连接。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，
所述接合包括共晶接合。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述MEMS晶片上形成支架。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括在形成所述支架之前在所述MEMS晶片上沉积多晶硅。
26.根据权利要求24所述的方法，还包括在所述支架的顶上沉积导电结构层并且进行蚀刻。
27.根据权利要求22所述的方法，还包括减薄所述CMOS晶片。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述形成可移动双膜包括形成顶膜和底膜。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括在所述底膜中形成孔。
30.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述CMOS晶片中形成声端口。
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