CN104944359A - Mems器件及其形成方法 - Google Patents

Mems器件及其形成方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104944359A
CN104944359A CN201410113757.1A CN201410113757A CN104944359A CN 104944359 A CN104944359 A CN 104944359A CN 201410113757 A CN201410113757 A CN 201410113757A CN 104944359 A CN104944359 A CN 104944359A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
metal
electrode material
dielectric layer
mems
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410113757.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104944359B (zh
Inventor
徐伟
刘国安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Original Assignee
Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp filed Critical Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority to CN201410113757.1A priority Critical patent/CN104944359B/zh
Priority to US14/641,657 priority patent/US9334157B2/en
Publication of CN104944359A publication Critical patent/CN104944359A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104944359B publication Critical patent/CN104944359B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00182Arrangements of deformable or non-deformable structures, e.g. membrane and cavity for use in a transducer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032Packages or encapsulation
    • B81B7/00743D packaging, i.e. encapsulation containing one or several MEMS devices arranged in planes non-parallel to the mounting board
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00214Processes for the simultaneaous manufacturing of a network or an array of similar microstructural devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02Sensors
    • B81B2201/0228Inertial sensors
    • B81B2201/0235Accelerometers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02Sensors
    • B81B2201/0264Pressure sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

一种MEMS器件及其形成方法,其中所述MEMS器件,包括:衬底,所述衬底中形成有集成电路;位于衬底上的第一介质层,第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端,第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连;位于第一介质层上的第二介质层,所述第二介质层中形成有加速度传感器,加速度传感器与第一金属连接端电连接;位于第二介质层上与第二介质层键合的半导体基底;位于半导体基底和第二介质层中若干第一金属插塞,第一金属插塞与第二金属连接端电连接;位于半导体基底上的压力传感器,压力传感器与第一金属插塞电连接。本发明的MEMS器件实现压力传感器和加速度传感器的集成,并且MEMS器件的体积较小。

Description

MEMS器件及其形成方法
技术领域
本发明涉及微机电领域,特别涉及一种MEMS器件及其形成方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电装置)技术是今年来高速发展的一项高新技术,是对微米/纳米(micro/nanotechnology)材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。目前,在市场上应用比较普遍的MEMS器件包括加速度传感器和压力传感器。
MEMS加速度传感器是一种利用惯性进行测量的装置。根据传感原理不同,主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等。MEMS加速度传感器在消费电子类领域主要应用在手机、游戏机等便携式设备中;在汽车领域,主要应用于汽车电子稳定系统(ESP或者ESC)比如汽车安全气囊、车辆姿态测量等、或GPS辅助导航系统;在军用或者宇航领域,主要应用于通讯卫星无线、导弹导引头等。
另外所述MEMS压力传感器是一种用于检测压力的装置,目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机电传感器。MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子比如TPMS(轮胎压力监测系统),消费电子比如胎压计、血压计,工业电子比如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等领域。现有的MEMS压力传感器结构包括:半导体基底;位于半导体基底上的下电极;位于下电极上的敏感膜(上电极),敏感膜与下电极之间具有空腔;位于半导体基底上的支撑所述敏感膜的支撑结构。
如前所述,各种传感器在消费类电子、汽车电子以及工业电子中均有广泛的应用,但由于各种传感器的制作与封装方法之间的明显差异,迄今为止仍未有集成化传感器产品进入市场。目前MEMS加速度传感器和MEMS压力传感器已经在汽车轮胎的TPMS(轮胎压力监控系统)中有所应用,然而现在的加速度传感器、压力传感器芯片是分开设计制作,然后封装再一起的。由于各种传感器分别设计制作并封装在一起,这使得现有的集成多种传感器的MEMS器件的工艺复杂、体积较大、成本较高。
发明内容
本发明解决的问题是怎样使得提高MEMS器件的体积以及使得加速度传感器的制作工艺与压力传感器的制作工艺兼容。
为解决上述问题,本发明提供一种MEMS器件的形成方法,包括:提供衬底,所述衬底中形成有集成电路;在所述衬底上形成第一介质层,在所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端,第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连;在第一介质层上形成第二介质层,所述第二介质层中形成有加速度传感器,所述加速度传感器与第一金属连接端电连接;提供半导体基底,将半导体基底与第二介质层键合;在半导体基底和第二介质层中形成若干第一金属插塞,第一金属插塞与第二金属连接端电连接;在半导体基底上形成压力传感器,所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
可选的,所述加速度传感器和压力传感器形成的具体过程为:在第一金属连接端上形成第一电极材料层,相邻第一电极材料层之间具有第一开口;在第一开口内和部分第一介质层上形成第一子介质层,第一子介质层的表面低于第一电极材料层的表面;在第一开口内的第一子介质层表面形成第一牺牲层,第一牺牲层的表面与第一电极材料层的表面齐平;形成覆盖所述第一子介质层的第二子介质层,所述第二子介质层中具有第二开口,所述第二开口底部暴露出第一牺牲层和第一电极材料层的表面;在所述第二开口中填充满第二电极材料层;刻蚀所述第一牺牲层上的部分第二电极材料层,形成悬臂,所述悬臂作为加速度传感器的可动电极,第一电极材料层上剩余的第二电极材料层构成加速度传感器的固定电极,悬臂与固定电极之间形成空腔;形成填充满空腔的第二牺牲层;在所述悬臂、第二牺牲层和第二子介质层上形成第三子介质层,第一子介质层、第二子介质层和第三子介质层构成第二介质层;在第三子介质层中形成暴露悬臂表面的刻蚀孔;在所述第二牺牲层上方的第三子介质层表面上形成第一金属层,所述第一金属层填充刻蚀孔与悬臂电连接;刻蚀所述第一金属层和第三子介质层,在第一金属层中第三子介质层中形成若干第三开口,所述第三开口暴露出第二牺牲层,所述第三开口的位置与空腔的位置相对应;沿第三开口去除所述第一牺牲层和第二牺牲层,形成第一空腔,释放出悬臂;提供半导体基底,将半导体基底与第二介质层上的第一金属层键合,所述半导体基底封闭第三开口;在所述半导体基底上形成第二金属层;在部分第二金属层上形成第三牺牲层;在所述第三牺牲层侧壁和顶部表面上形成第三电极材料层,所述第三电极材料层作为压力传感器的敏感膜;刻蚀所述第三电极材料层,在所述第三电极材料层中形成若干第四开口,所述第四开口暴露出第三牺牲层;沿第四开口去除所述第三牺牲层,形成第二空腔。
可选的,所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳。
可选的,去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的工艺为低温炉管氧化工艺。
可选的,所述低温炉管氧化工艺采用的气体为氧气,温度为180~250摄氏度。
可选的,所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的材料为掺杂的硅锗。
可选的,所述硅锗中掺杂的离子为P型杂质离子和N型杂质离子。
可选的,所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力为-20Mpa~20Mpa。
可选的,形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的工艺为低温低压炉管沉积工艺。
可选的,所述低温低压炉管沉积工艺采用的硅源气体为GeH4或Si2H6,锗源气体为GeH2,腔室温度为420~450摄氏度,腔室压力为200~600毫托。
可选的,所述第一电极材料层的厚度为4500~5500埃,所述第二电极材料层的厚度为19000~21000埃,所述第三电极材料层的厚度为3500~4500埃。
可选的,在形成悬臂的同时,形成支撑所述悬臂的支持结构。
可选的,所述悬臂包括第一悬臂和第二悬臂,第一悬臂沿第一方向排布,第二悬臂沿第二方向排布,第一方向与第二方向垂直。
可选的,所述半导体基底的材料为锗。
可选的,所述第一介质层中还形成有若干第三金属连接端,所述第二介质层和半导体基底中还形成有若干第二金属插塞,第二金属插塞与第三金属连接端电连接,所述第二金属插塞上形成有第一外接焊盘。
本发明还提供了一种MEMS器件,包括:衬底,所述衬底中形成有集成电路;位于衬底上的第一介质层,所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端,第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连;位于第一介质层上的第二介质层,所述第二介质层中形成有加速度传感器,所述加速度传感器与第一金属连接端电连接;位于第二介质层上与第二介质层键合的半导体基底;位于半导体基底和第二介质层中若干第一金属插塞,第一金属插塞与第二金属连接端电连接;位于半导体基底上的压力传感器,所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
可选的,所述加速度传感器包括若干固定电极,相邻固定电极之间具有第一空腔,第一空腔内具有悬臂,所述固定电极与第一金属连接端相连。
可选的,位于固定电极和悬臂上的隔离层,位于隔离层上的第一金属层,第一金属层和隔离层中具有若干开口,所述开口的位置与第一空腔的位置相对应,所述第一金属层通过隔离层的刻蚀孔与悬臂电连接。
可选的,所述压力传感器包括第二金属层,位于第二金属层上的敏感膜,所述敏感膜和第二金属层之间具有第二空腔。
可选的,所述第一金属层通过位于半导体基底中的第三金属插塞与第二金属层电连接,所述第一金属层还与第一金属插塞电连接。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
所述MEMS器件的形成方法,提供形成有集成电路的衬底;在所述衬底上形成第一介质层,在所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端,第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连;提供半导体基底,将半导体基底与第二介质层键合;在半导体基底和第二介质层中形成若干第一金属插塞,第一金属插塞与第二金属连接端电连接;在半导体基底上形成压力传感器,所述压力传感器与第一金属插塞电连接。通过垂直整合的方式将加速度传感器和压力传感器形成在衬底上,加速度传感器和压力传感器分别与衬底中的集成电路电连接,实现两者的集成制作,压力传感器位于加速度传感器上方,加速度传感器和压力传感器的在工作时不会受到相互影响,并且减小了MEMS器件的体积。另外,通过键合的方式使得半导体基底和第二介质层牢固的连接。
进一步,所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳,第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳时,可以通过低温炉管氧化工艺去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层,防止高温工艺对集成电路的影响。另外,由于MEMS器件的形成过程中会形成很多空腔,采用低温炉管氧化工艺去除第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层,也可以防止采用湿法刻蚀去除第一牺牲层时,刻蚀溶液不易排布而残留在空腔内对MEMS器件造成腐蚀。
进一步,所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的材料为硅锗,可以采用低温低压的炉管工艺形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层,在形成的过程中防止高温工艺对底部的集成电路造成损害,并且形成的第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力较小,防止第二电极材料层形成的可动电极和固定电极以及第三电极材料层形成的敏感膜在由于应力过大而产生变形,另外硅锗材料制成的悬臂检测过程中受作用力产生偏移后,在作用力消除时具有良好的原位复位性能,硅锗材料制成的敏感膜在检测过程中受作用力产生偏移后,在作用力消除时具有良好的原位复位性能。
进一步,形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的工艺为低温低压炉管沉积工艺,所述低温低压炉管沉积工艺采用的硅源气体为GeH4或Si2H6,锗源气体为GeH2,腔室温度为420~450摄氏度,腔室压力为200~600毫托,使形成的所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力为-20Mpa~20Mpa。
本发明的MEMS器件,加速度传感器位于衬底上,压力传感器位于加速度传感器上,加速度传感器和压力传感器垂直整合在衬底上,减小了MEMS器件的体积,提高了集成度。
附图说明
图1~图20为本发明实施例MEMS器件形成过程的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所言,现有的加速度传感器和压力传感器的制作工艺在不同的平台进行,制作成本较高,并且将加速度传感器和压力传感器封装在一起以满足特定的应用场合时,封装结构占据的体积也相对较大。
为此,本发明提供了一种MEMS器件及其形成方法,所述MEMS器件的形成方法,通过垂直整合的方式将加速度传感器和压力传感器形成在衬底上,加速度传感器和压力传感器分别与衬底中的集成电路电连接,实现两者的集成制作,压力传感器位于加速度传感器上方,加速度传感器和压力传感器的在工作时不会受到相互影响,并且减小了MEMS器件的体积。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在详述本发明实施例时,为便于说明,示意图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明的保护范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1~图20为本发明实施例MEMS器件形成过程的结构示意图。
参考图1,提供衬底100,所述衬底100中形成有集成电路;在所述衬底100上形成第一介质层101,在所述第一介质层101中形成有若干第一金属连接端102和第二金属连接端(图中未示出),第一金属连接端102和第二金属连接端与集成电路电相连。
所述衬底100为半导体衬底,所述衬底中形成有若干半导体器件(图中未示出),比如:晶体管、电阻、电容、电感等,所述衬底100上形成有第一介质层101,第一介质层101中形成有互连结构(图中未示出),所述互连结构与半导体器件相连,所述半导体器件和互连结构构成集成电路。半导体器件和互连结构的形成工艺请参考现有的集成电路制作工艺,在此不再赘述。
所述集成电路用于后续加速度传感器检测的电信号进行处理,以及压力传感器检测的电信号进行处理。
所述衬底100的材料可以为硅(Si)、锗(Ge)、或硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC);也可以是绝缘体上硅(SOI),绝缘体上锗(GOI);或者还可以为其它的材料,例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。
所述第一介质层101可以为单层或多层堆叠结构,所述第一介质层101的材料可以为氧化硅、氮氧化硅或低k介质材料。
所述互连结构位于第一介质层101中,所述互连结构包括多层金属层和将金属层互连的导电插塞。
所述第一介质层101中还形成有若干第一金属连接端102和若干第二金属连接端(图中未示出),所述第一金属连接端102和第二金属连接端分别与第一介质层101中的部分互连结构电连接,所述第一金属连接端102还与后续形成的加速度传感器电连接,所述第二金属连接端还与后续形成的压力传感器电连接。
所述第一介质层101中还形成有若干第三金属连接端103,第三金属连接端103与第一介质层101的部分互连结构电连接,所述第三金属连接端103还与后续形成第二金属插塞和第一外接焊盘电连接。
第一金属连接端102、第二金属连接端和第三金属连接端103的材料可以为铝、铜或钨等。
本实施例中,一部分第一金属连接端102沿第一方向(图1中y轴方向)平行排布,另一部第一金属连接端(图中未示出)沿第二方向平行排布,第一方向与第二方向垂直,本实施例中,所述第二方向为x轴方向。
参考图2,在第一金属连接端102上形成第一电极材料层104,相邻第一电极材料层104之间具有第一开口105。
所述第一电极材料层104后续作为加速度传感器的固定电极的一部分。所述第一电极材料层104的形成过程为:在所述第一介质层101上形成第一电极材料薄膜;在第一电极材料薄膜上形成图形化的光刻胶层;以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一电极材料薄膜,在第一金属连接端102上形成第一电极材料层104。
本实施例中,所述第一电极材料层104的材料为硅锗,可以采用低温低压的炉管工艺形成所述第一电极材料层,在形成的过程中防止高温工艺对底部的集成电路造成损害,并且形成的第一电极材料层104的应力较小,防止第一电极材料层104作为部分固定电极时由于应力过大产生变形,而影响加速度传感器的检测精度。
所述第一电极材料层104的厚度为4500~5500埃,第一电极材料层104的应力为-20Mpa~20Mpa,低温低压的炉管工艺形成所述第一电极材料层104时采用的硅源气体为GeH4或Si2H6,锗源气体为GeH2,腔室温度为420~450摄氏度,腔室压力为200~600毫托。
为了提高第一电极材料层104的导电性能,所述硅锗中掺杂有杂质离子,所述杂质离子为P型杂质离子和N型杂质离子。具体的所述P型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种,所述N型杂质离子为磷离子、砷离子、锑离子中的一种或几种。在进行低温低压的炉管工艺时,通入含有相应的杂质元素的杂质源气体。
本实施例,在硅锗中掺杂硼离子,在进行低温低压的炉管工艺时,通入B2H6或BF3作为杂质源气体。
每一个第一金属连接端102上方对应形成有一个第一电极材料层104,第一电极材料层104的宽度小于或等于第一金属连接端102的宽度,相邻第一电极材料层104之间具有第一开口105,第一开口105暴露出相邻第一金属连接端102之间的第一介质层101表面。
在第一金属连接端102上形成第一电极材料层104时,所述第三金属连接端103上也可以形成硅锗层。
在本发明的其他实施例中,所述第一电极材料层104还可以为其他合适的材料或者形成工艺。
本实施例中第一电极材料层104的排布方向包括第一方向和第二方向,结合参考图2和图3,图3为图2部分结构的俯视示意图,图2中的部分结构为图3沿切割线AB方向的剖面结构示意图,部分第一电极材料层104沿第一方向(图2或图3中y轴方向)平行排布,与沿第一方向排布的第一金属连接端102电连接;另一部第一电极材料层104沿第二方向平行排布,第一方向与第二方向垂直,本实施例中,所述第二方向为x轴方向,与沿第二方向排布的第一金属连接端102电连接。后续通过形成第一方向排布的固定电极和可动电极、以及第二方向排布的固定电极和可动电极,使得本发明的加速度传感器可以检测第一方向和第二方向的加速度。需要说明的是图3中的第一电极材料层104的排布方式仅作为示例,不应限制本发明的保护范围,第一电极材料层104可以采用其他的排布方式。
参考图4,在第一开口105内和部分第一介质层101上形成第一子介质层106,第一子介质层106的表面低于第一电极材料层104的表面。
所述第一子介质层106用于第一电极材料层104之间的隔离,并可以作为后续去除第一牺牲层时的停止层。
所述第一子介质层106材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等,第一子介质层106的厚度为800~1200埃。
第一子介质层106形成的具体的过程为:采用沉积工艺形成覆盖所述第一介质层101和第一电极材料层104的第一子介质材料层;回刻蚀所述第一子介质层材料层,形成第一子介质层106。
参考图5,在第一开口105(参考图4)内的第一子介质层106表面形成第一牺牲层107,第一牺牲层107的表面与第一电极材料层104的表面齐平。
所述第一牺牲层107上后续形成加速度传感器的悬臂,通过去除第一牺牲层107使得悬臂悬空。
所述第一牺牲层107与第一电极材料层104和第一子介质层106的材料不相同,后续在去除第一牺牲层107时,提高第一牺牲层107材料与第一电极材料层104和第一子介质层106材料的选择比。
本实施例中,所述第一牺牲层107的材料为无定形碳,第一牺牲层107为无定形碳时,后续可以通过低温炉管氧化工艺去除所述第一牺牲层,防止高温工艺对集成电路的影响。另外,由于MEMS器件的形成过程中会形成很多空腔,采用低温炉管氧化工艺去除第一牺牲层,也可以防止采用湿法刻蚀去除第一牺牲层时,刻蚀溶液不易排布而残留在空腔内对MEMS器件造成腐蚀。
所述第一牺牲层107的形成过程为:形成覆盖所述第一电极材料层104和第一子介质层106的第一牺牲材料层;采用化学机械研磨工艺平坦化所述第一牺牲材料层,以第一电极材料层104表面为停止层,形成第一牺牲层107;去除第一开口105之外的第一牺牲层。在本发明的其他实施例中,所述第一开口105之外的第一牺牲层可以不去除。
参考图6,形成覆盖所述第一子介质层106的第二子介质层108,所述第二子介质层108中具有第二开口109,所述第二开口109底部暴露出第一牺牲层107和第一电极材料层104的表面。
所述第二子介质层108的材料与第一牺牲层107和第一电极材料层104的材料不相同。所述第二子介质层108的材料为氧化硅、氮化硅等。
在形成第二子介质层108后,在第二介质层108上形成图形化的光刻胶层,以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述第二子介质层108,在第二子介质层108中形成暴露出第一牺牲层107和第一电极材料层104的表面第二开口109。
所述第二开口109中后续形成第二电极材料层。
在形成第二开口109时,也可以同时在第三金属连接端103上方的第二子介质层108中形成第六开口110。
结合参考图6和图7,图7为图6中部分结构的俯视示意图,图6中的部分结构为图7沿切割线AB方向的剖面结构示意图,所述第二开口109的长度(沿x轴方向的尺寸)大于第一开口105(参考图2)的长度(沿x轴方向的尺寸),使得第二开口109还暴露出部分第一子介质层106的表面,后续在填充第二电极材料层时,使得部分第二电极材料层位于第一子介质层106,该部分第二电极材料层可以形成加速度传感器的悬臂的支撑结构。
参考图8,在所述第二开口109(参考图6)中填充满第二电极材料层111。
所述第二电极材料层111后续用于形成加速度传感器的悬臂(或者可动电极),以及形成加速度传感器的固定电极。
所述第二电极材料层111的材料与第一电极材料层104的材料相同,所述第二电极材料层111的形成工艺与第一电极材料层104的形成工艺相同,以使得形成的第二电极材料层111与第一电极材料层104的应力相同,掺杂离子的类型相同,后续将第一电极材料层104和部分第二电极材料层111作为加速度传感器的固定电极时,保持固定电极的应力和电学性能的稳定性。
本实施例中,所述第二电极材料层111的材料为硅锗,可以采用低温低压的炉管工艺形成所述第二电极材料层111,在形成的过程中防止高温工艺对底部的集成电路造成损害,并且形成的第二电极材料层111的应力较小,防止第二电极材料层111形成的可动电极和固定电极由于应力过大而产生变形,从而影响加速度传感器的检测精度,另外硅锗材料制成的悬臂检测过程中受作用力产生偏移后,在作用力消除时具有良好的原位复位性能。
所述第二电极材料层111的厚度为19000~21000埃,第二电极材料层111的应力为-20Mpa~20Mpa。低温低压的炉管工艺形成所述第二电极材料层111时采用的硅源气体为GeH4或Si2H6,锗源气体为GeH2,腔室温度为420~450摄氏度,腔室压力为200~600毫托。
为了提高第二电极材料层111的导电性能,所述硅锗中掺杂有杂质离子,所述杂质离子为P型杂质离子和N型杂质离子。具体的所述P型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种,所述N型杂质离子为磷离子、砷离子、锑离子中的一种或几种。在进行低温低压的炉管工艺时,通过含有相应的杂质元素的杂质源气体。
本实施例,在硅锗中掺杂硼离子,在进行低温低压的炉管工艺时,通入B2H6或BF3作为杂质源气体。
本实施例中,在第二开口中填充硅锗时,在第六开口110中也可以同时填充硅锗。
参考图9,刻蚀所述第一牺牲层107上的部分第二电极材料层111(参考图8),形成悬臂113,所述悬臂113作为加速度传感器的可动电极,第一电极材料层104上剩余的第二电极材料层111构成加速度传感器的固定电极112,悬臂113与固定电极112之间形成空腔114。
所述第一电极材料层104作为固定电极112的一部分,所述固定电极112位于悬臂113的两侧,固定电极112与悬臂113之间不接触,固定电极112与悬臂113之间具有空腔。
结合参考图9和图10和图11,图10为图9中部分结构的俯视示意图,图9中的部分结构为图10沿切割线AB方向的剖面结构示意图,图11为图10沿切割线CD方向的剖面结构示意图,刻蚀第二电极材料层111形成悬臂113时,同时可以在部分第一子介质层106上形成支撑所述悬臂113的支撑结构11,后续在去除第一牺牲层107后,使得悬臂113悬空。
本实施例中,部分悬臂113(第一悬臂)沿第一方向(图9或图10中y轴方向)平行排布,并且位于沿第一方向排布的固定电极112之间,第一方向排布的悬臂113和第一方向排布的固定电极112构成用于检测第一方向加速度的加速度传感器;部分悬臂(第二悬臂,图中未示出)沿第二方向平行排布,第二方向与第一方向垂直,本实施例所述第二方向为x轴方向,第二方向排布的悬臂位于第二方向排布的固定电极之间,第二方向排布的悬臂与第二方向排布的固定电极构成用于检测第二方向加速度的加速度传感器。
本实施例中,在刻蚀所述第二电极材料层111之前,在所述第二电极材料层111和第二子介质层108上形成图形化的掩膜层;然后以所述图形化的掩膜层为掩膜,刻蚀所述第二电极材料层111,形成悬臂113,位于悬臂113两侧固定电极112,悬臂113和固定电极112之间形成空腔114。
由于第二电极材料层111的厚度偏厚,为了使得形成的悬臂113和固定电极112具有较好的侧壁形貌和较精确的尺寸,以提高加速度传感器的检测精度,刻蚀所述第二电极材料层111采用各向异性的等离子体刻蚀工艺,各向异性的等离子体刻蚀工艺采用的气体为CF4、HBr、He和O2、CF4的气体流量为50-150sccm,HBr的气体流量为100-800sccm,He的气体流量为150-1000sccm,O2的气体流量为5-20sccm,压力为5-100mTorr,功率为400-1000W,偏置电压为100-250V。
参考图12,形成填充满空腔114(参考图9)的第二牺牲层115。
在空腔114中填充满第二牺牲层115的目的是便于后续的压力传感器形成的工艺的进行,后续可以通过去除第二牺牲层115重新释放悬臂113.
所述第二牺牲层115的材料与第一牺牲层107的材料相同,以简化后续的牺牲层的去除工艺。
本实施例中,所述第二牺牲层115的材料为无定形碳,第二牺牲层115为无定形碳时,后续可以通过低温炉管氧化工艺(干法工艺)去除所述第二牺牲层115,防止高温工艺对集成电路的影响。另外,由于MEMS器件的形成过程中会形成很多空腔,采用低温炉管氧化工艺去除第二牺牲层115,也可以防止采用湿法刻蚀去除第二牺牲层时,刻蚀溶液不易从空腔内排出而残留在空腔内对MEMS器件造成腐蚀。
所述第二牺牲层115的形成过程为:形成覆盖所述悬臂113、固定电极112和第二子介质层108的第二牺牲材料层,第二牺牲材料层填充满空腔;采用化学机械研磨工艺平坦化所述第二牺牲材料层,以第二子介质层108表面为停止层,形成第二牺牲层115。
参考图13,在所述悬臂113、第二牺牲层115和第二子介质层108上形成第三子介质层116,第一子介质层106、第二子介质层108和第三子介质层116构成第二介质层。
所述第三子介质层116用于固定电极112与后续形成的第一金属层之间的电学隔离。
所述第三子介质层116的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。所述第三子介质层116的厚度为1500~2500埃。
在形成第三子介质层116后,可以在第三子介质层116中形成若干刻蚀孔(图中未示出),所述刻蚀孔暴露出悬臂113或支撑结构的表面。
参考图14,在所述第二牺牲层115上方的第三子介质层116表面上形成第一金属层117,第一金属层117填充刻蚀孔与悬臂113或支撑结构电连接;刻蚀所述第一金属层117和第三子介质层116,在第一金属层117中第三子介质层116中形成若干第三开口118,所述第三开口118暴露出第二牺牲层115,所述第三开口118的位置与空腔114(参考图9)的位置相对应。
所述第一金属层117的材料为铜、铝或钨等金属材料。本实施例中,所述第一金属层117的材料为铝。
所述第一金属层117作为连接悬臂113的金属层,用于向悬臂113施加电压或者检测悬臂113上电压的变化。所述第一金属层117还作为后续与半导体基底键合时的键合层,使得半导体基底与第二介质层可以通过金属键合的方式键合,提高了半导体基底于第二介质层键合的牢固度。
所述第一金属层117的形成工艺为溅射、电镀或沉积工艺。所述第一金属层117的厚度为7500~8500埃。
在形成第一金属层117时,所述第一金属层117材料还填充满悬臂113或支撑结构上的刻蚀孔,使得第一金属层117与悬臂113电连接。
在形成第一金属层117后,通过刻蚀第一金属层117和第三子介质层116,形成第三开口118,所述第三开口118暴露出底部的第二牺牲材料层115,通过第三开口118同时去除第二牺牲层115和第一牺牲层107以形成第一空腔;第三开口118的位置与宽度与前述形成的空腔114(参考图9)的位置和宽度相对应,使得悬臂113上的第一金属层117在加速度的检测时,不会影响悬臂113在加速度作用下的偏移。
所述第一金属层117包括第一部分和若干第二部分,第二部分位于悬臂113上,第一部分位于支撑结构和部分第三子介质层116上,第一部分和若干第二部分相连接。在具体的实施例中,所述第一金属层117可以为“梳状结构”,“梳状结构”包括梳柄和与梳柄相连接的若干梳齿,梳柄相当于第一部分,梳齿相当于第二部分。
在刻蚀所述第一金属层117之前,在第一金属层117上形成图形化的掩膜层,然后以所述图形化的掩膜层为掩膜,刻蚀所述第一金属层117和第三子介质层116,形成第三开口118。
参考图15,沿第三开口118去除所述第二牺牲层115和第一牺牲层107,释放出悬臂113,在悬臂113与固定电极112和第一子介质层106之间形成第一空腔122。
去除所述第二牺牲层115和第三牺牲层107的工艺为低温炉管氧化工艺。所述低温炉管氧化工艺采用的气体为氧气,温度为180~250摄氏度,防止高温工艺对集成电路的影响,并且去除所述第一牺牲层107、第二牺牲层115时,第一牺牲层107、第二牺牲层115材料在氧气的作用下氧化成气体形态的副产物,比如一氧化碳或二氧化碳气体,有利于副产物从第一空腔122中排出。另外采用低温炉管氧化工艺去除所述第一牺牲层107、第二牺牲层115,相比于湿法刻蚀工艺,防止了刻蚀溶液在第一空腔122和第二空腔121内的残留。
在去除第二牺牲层115和第一牺牲层107后,形成第一空腔122,使得悬臂133悬空,加速度传感器在进行加速度的检测过程中,悬臂113在惯性力的作用下会产生偏移,悬臂113与固定电极112之间的距离会产生变化,通过检测悬臂113与固定电极112之间电容的变化可以获得加速度的大小。
参考图16,提供半导体基底132,将半导体基底132与第二介质层键合。
所述半导体基底132不仅用于封闭所述第三开口,所述半导体基底132还作为后续工艺的平台。
本发明实施例中,所述半导体基底132与第二介质层的键合主要是通过半导体基底132材料与第一金属层117材料通过金属键合的方式键合,以及半导体基底132材料与第三子介质层116通过直接键合的方式键合。
半导体基底132与第一金属层117进行键合时,部分半导体基底132材料与部分第一金属层117材料被消耗,形成化合物,化合物中半导体基底132元素与第一金属层117元素之间形成共价键。
而为了防止第一金属层117中的金属原子向半导体基底132中过度扩散而使得第一金属层117造成较大的消耗,本实施例中所述半导体基底132的材料为锗,在半导体基底132与第一金属层117(本实施例中第一金属层117材料为铝)的交界面,形成铝锗化合物,铝锗化合物中锗和铝之间形成共价键。由于锗原子的直径大于其他半导体材料(比如硅)的直径,在交界面形成铝锗化合物后,半导体基底132中的锗能有效的防止第一金属层117中金属原子扩散,而造成第一金属层117的过度消耗,而影响形成的MEMS器件性能。
本发明中,在将半导体基底132与第一金属层117(和第三子介质层116)进行键合时,键合的温度为380~450摄氏度,在保持具有键合牢固度的同时,防止温度过高对衬底中的集成电路造成损伤。
在本发明的其他实施例中,所述半导体基底的材料可以为单晶硅或多晶硅。
在本发明的其他实施例中,在所述半导体基底的表面可以形成密封环,所述密封环的形状和位置与第一金属层的形状和位置相对应,在将半导体基底和第二介质层键合时,使得半导体基底中的密封环与第一金属层接触,密封环材料与第一金属层接触面上形成化合物。所述密封环的材料可以为锗。
参考图17,在半导体基底132和第二介质层中形成若干第一金属插塞(图中未示出),第一金属插塞与第二金属连接端电连接,在半导体基底132和第二介质层中形成若干第二金属插塞124,所述第二金属插塞124与第三金属连接端103电连接,在所述半导体基底132中形成第三金属插塞136,所述第三金属插塞136与部分第一金属层117电连接;在所述半导体基底132上形成第二金属层134。
所述第二金属层134作为压力传感器的下电极,所述第二金属层134位于加速度传感器的悬臂113和固定电极112上方,以使压力传感器和加速度传感器在垂直与衬底100的方向上整合,减小了整个封装结构的体积,并提高器件的集成度。
第二金属层134的材料可以为铝、铜或钨等金属。所述第二金属层134的材料还可以为金属氮化物或金属硅化物等导电的化合物。
在形成第二金属层134时,同时在半导体基底132上形成第一外接焊盘133,所述第一外接焊盘133位于第二金属插塞124上方并与第二金属插塞124电连接。所述第一外接焊盘133可以作为MEMS器件与外部电路的连接端。
在形成第二金属层134时,同时在半导体基底132上形成连接金属层135,所述连接金属层135与第三金属插塞136电连接,并与第二金属层134电连接,所述第二金属层134与部分第一金属插塞电连接,从而实现压力传感器的下电极(第二金属层134)以及悬臂113与衬底100中的集成电路的电连接。
在本发明的其他实施例中,所述连接金属层135还可以作为第二外接焊盘,可以与外部电路电连接。
参考图18,在所述第二金属层134上形成第三牺牲层119;在第三牺牲层119的顶部和侧壁表面上形成第三电极材料层120。
所述第三牺牲层119在后续去除后可以形成压力传感器的第二空腔。
本实施例中,所述第三牺牲层119覆盖所述第二金属层134的顶部表面和部分侧壁表面,后续在去除第三牺牲层时,防止第二金属层134与第三电极材料层120接触。
在形成第三牺牲层119之前,可以在第二金属层134的部分表面形成隔离氧化硅层,用于第二金属层134与半导体基底132部分表面上形成的第三电极材料层120的电学隔离。
本实施例中,所述第三牺牲层119的材料为无定形碳,第三牺牲层119为无定形碳时,后续可以通过低温炉管氧化工艺(干法工艺)去除所述第三牺牲层119,防止高温工艺对集成电路的影响。另外,由于压力传感器的形成过程中会形成第二空腔,采用低温炉管氧化工艺去除第三牺牲层119,也可以防止采用湿法刻蚀去除第三牺牲层119时,刻蚀溶液不易从第二空腔内排出而残留在第二空腔内对MEMS器件造成腐蚀。
所述第三牺牲层119的形成过程为:形成覆盖第二金属层134和半导体基底132的第三牺牲材料层;采用化学机械研磨工艺平坦化所述第三牺牲材料层;刻蚀去除第二金属层134区域之外的部分第三牺牲材料层,在第二金属层134上形成第三牺牲层119。
所述第三电极材料层120作为压力传感器的敏感膜,所述第三电极材料层120部分位于半导体基底132上,位于半导体基底132上的部分第三电极材料层可以与部分第一金属插塞(未与第二金属层134电连接的部分第一金属插塞)电连接。
本实施例中,所述第三电极材料层120的材料为硅锗,可以采用低温低压的炉管工艺形成所述第三电极材料层120,在形成的过程中防止高温工艺对底部的集成电路造成损害,并且形成的第三电极材料层120的应力较小,防止第三电极材料层120形成的压力传感器的敏感膜由于应力过大而产生变形,从而影响压力传感器的检测精度,另外硅锗材料制成的敏感膜在检测过程中受作用力产生偏移后,在作用力消除时具有良好的原位复位性能。
所述第三电极材料层120的厚度为3500~4500埃,第三电极材料层120的应力为-20Mpa~20Mpa,低温低压的炉管工艺形成所述第三电极材料层120时采用的硅源气体为GeH4或Si2H6,锗源气体为GeH2,腔室温度为420~450摄氏度,腔室压力为200~600毫托。
为了提高第三电极材料层120的导电性能,所述硅锗中掺杂有杂质离子,所述杂质离子为P型杂质离子和N型杂质离子。具体的所述P型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种,所述N型杂质离子为磷离子、砷离子、锑离子中的一种或几种。在进行低温低压的炉管工艺时,通过含有相应的杂质元素的杂质源气体。
本实施例,在硅锗中掺杂硼离子,在进行低温低压的炉管工艺时,通入B2H6或BF3作为杂质源气体。
参考图19,刻蚀所述第三电极材料层120,在所述第三电极材料层120中形成若干第四开口,所述第四开口暴露出第三牺牲层119(参考图18);沿第四开口去除所述第三牺牲层119,形成第二空腔121。
在刻蚀所述第三电极材料层120之前,在所述第三电极材料层120上形成图形化的掩膜层,然后以所述图形化的掩膜层为掩膜刻蚀所述第三电极材料层,在第三电极材料层120中形成若干第四开口。
所述第四开口作为去除第三牺牲层119时的通道。
所述第四开口的尺寸较小,所述第四开口的尺寸可以为0.5~0.6微米,后续在半导体基底132上形成第三介质层时,可以很容易的封闭第四开口,并且在去除第三牺牲层时,不会影响氧气的从第四开口的通入效果。
去除所述第三牺牲层119的工艺为低温炉管氧化工艺。所述低温炉管氧化工艺采用的气体为氧气,温度为180~250摄氏度,防止高温工艺对集成电路的影响,在去除所述第三牺牲层119时,第三牺牲层119材料在氧气的作用形成气体形态的副产物,比如一氧化碳或二氧化碳气体,有利于副产物从第二空腔121的排出。另外采用低温炉管氧化工艺去除所述第三牺牲层,相比于湿法刻蚀工艺,防止了刻蚀溶液在第二空腔121内的残留。
在去除第三牺牲层119后,形成第二空腔121,使得第三电极材料层(敏感膜)120悬空,压力传感器在进行压力的检测过程中,第三电极材料层(敏感膜)120在受到外界的压力时,第三电极材料层(敏感膜)120会产生偏移,第三电极材料层(敏感膜)120与第一金属层(下电极)117的距离发生变化,通过测量第三电极材料层(敏感膜)120与第一金属层(下电极)117之间电容的变化可以获得外界压力的大小。
参考图20,形成覆盖所述第三电极材料层120和半导体基底132的第三介质层122,所述第三介质层122密封第三电极材料层120中的第四开口;在所述第三介质层122上形成钝化层123。
所述第三介质层122的材料为氧化硅,形成所述第三电极材料层122的工艺为等离子增强型化学气相沉积(PECVD),等离子增强型化学气相沉积采用TEOS(正硅酸乙酯)源,该方法形成的第三介质层122具有较小的应力,并能很方便的封闭第四开口。
所述钝化层123用于保护下方的压力传感器,所述钝化层123的材料可以为氮化硅等。
在形成钝化层123之后,还可以刻蚀所述钝化层123和第三介质层122,形成暴露出第一外接焊盘133(或者第二外接焊盘135)的开口。
本发明实施例还提供了一种MEMS器件,请参考图20,包括:
衬底100,所述衬底100中形成有集成电路;
位于衬底100上的第一介质层101,所述第一介质层101中形成有若干第一金属连接端102和第二金属连接端(图中未示出),第一金属连接端102和第二金属连接端与集成电路电相连;
位于第一介质层101上的第二介质层,所述第二介质层中形成有加速度传感器,所述加速度传感器与第一金属连接端102电连接;
位于第二介质层上与第二介质层键合的半导体基底132;
位于半导体基底132和第二介质层中若干第一金属插塞(图中未示出),第一金属插塞与第二金属连接端电连接;
位于半导体基底132上的压力传感器,所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
具体的,所述衬底100为半导体衬底,所述衬底100中形成有若干半导体器件(图中未示出),比如:晶体管、电阻、电容、电感等,所述衬底100上形成有第一介质层101,第一介质层101中形成有互连结构(图中未示出),所述互连结构与半导体器件相连,所述半导体器件和互连结构构成集成电路。所述集成电路用于后续加速度传感器检测的电信号进行处理,以及压力传感器检测的电信号进行处理。
所述第二介质层包括第一子介质层106、位于第一子介质层上的第二子介质层108、位于第二子介质层108的第三子介质层116。
所述加速度传感器包括若干固定电极112,相邻固定电极112之间具有第一空腔122,第一空腔122内具有悬臂113,所述固定电极112与第一金属连接端102电连接,第一电极材料层104作为固定电极112的一部分,所述固定电极112和悬臂113位于第一子介质层上的第二子介质层108中,第三子介质层116覆盖所述第二子介质层108和固定电极112与悬臂113的顶部表面,第三子介质层116具有第一金属层117,所述,第一金属层117和固定电极112与悬臂113的第三子介质层作为隔离层,第一金属层117和隔离层中具有若干开口,所述开口的位置和宽度与第一空腔122的位置和宽度相对应,所述第一金属层117通过隔离层的刻蚀孔与悬臂113(或者支撑结构)电连接。
还包括:位于部分第一介质层106上,用于支撑所述悬臂113的支撑结构(图中未示出)。
本实施例中,部分悬臂113沿第一方向(图20中y轴方向)平行排布,并且位于沿第一方向排布的固定电极112之间,第一方向排布的悬臂113和第一方向排布的固定电极112构成用于检测第一方向加速度的加速度传感器;部分悬臂(图中未示出)沿第二方向平行排布,第二方向与第一方向垂直,本实施例所述第二方向为x轴方向,第二方向排布的悬臂位于第二方向排布的固定电极之间,第二方向排布的悬臂与第二方向排布的固定电极构成用于检测第二方向加速度的加速度传感器。
所述悬臂113和固定电极112(以及支撑结构)的材料为掺杂的硅锗,硅锗掺杂的杂质离子为P型杂质离子和N型杂质离子。具体的所述P型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种,所述N型杂质离子为磷离子、砷离子、锑离子中的一种或几种。本实施例中,所述硅锗中掺杂的杂质离子为硼离子。
所述半导体基底132与第一金属层117通过金属键合的方式键合,半导体基底132与第三子介质层116通过直接键合的方式键合,半导体基底132封闭第一金属层117和隔离层中的开口。
所述压力传感器位于半导体基底132表面上,且位于加速度传感器上方,以使压力传感器和加速度传感器在垂直与衬底100的方向上整合,减小了整个封装结构的体积,并提高器件的集成度。所述压力传感器包括第二金属层(下电极)134,位于第二金属层134上的敏感膜120,所述敏感膜120和第二金属层134之间具有第二空腔121。
所述敏感膜120的材料为掺杂的硅锗。
第二金属层134和第一金属层117的材料为铝、铜或钨等金属。所述第二金属层134的材料还可以为金属氮化物或金属硅化物等导电的化合物。
还包括:覆盖所述敏感膜120和第三子介质层116的第三介质层122,第三介质层122的厚度为19000~21000埃。
位于第三介质层122上的钝化层123。
还包括:位于所述第一介质层101中还具有第三金属连接端103,第三金属连接端103与集成电路电连接。
位于半导体基底132和第二介质层中的若干第一金属插塞(图中未示出),第一金属插塞与第二金属连接端电连接;位于半导体基底132和第二介质层中的若干第二金属插塞124,所述第二金属插塞124与第三金属连接端103电连接;位于所述半导体基底132中的第三金属插塞136,所述第三金属插塞136与部分第一金属层117电连接
位于第二金属插塞124上方并与第二金属插塞124电连接第一外接焊盘133。所述第一外接焊盘133可以作为MEMS器件与外部电路的连接端。
位于半导体基底132上的连接金属层135,所述连接金属层135与第三金属插塞136电连接,并与第二金属层134电连接,所述第二金属层134与部分第一金属插塞电连接,从而实现压力传感器的下电极(第二金属层134)以及悬臂113与衬底100中的集成电路的电连接。
在本发明的其他实施例中,所述连接金属层135还可以作为第二外接焊盘,可以与外部电路电连接。
综上,本发明实施例的MEMS器件的形成方法,在形成有集成电路的衬底上形成加速度传感器,然后再加速度传感器上形成压力传感器,通过垂直整合的方式将加速度传感器和压力传感器形成在衬底上,加速度传感器和压力传感器分别与衬底中的集成电路电连接,实现两者的集成制作,压力传感器位于加速度传感器上方,加速度传感器和压力传感器的在工作时不会受到相互影响,并且减小了MEMS器件的体积。
本发明实施例的MEMS器件,加速度传感器位于衬底上,压力传感器位于加速度传感器上,加速度传感器和压力传感器分别与衬底中的集成电路电连接,实现两者的集成制作,压力传感器位于加速度传感器上方,加速度传感器和压力传感器的在工作时不会受到相互影响,并且减小了MEMS器件的体积。
进一步,所述压力传感器包括第一金属层,位于第一金属层上的敏感膜,所述敏感膜和第一金属层之间具有第二空腔,所述第一金属层与固定电极之间具有隔离层,所述第一金属层与悬臂电连接。所述第一金属层不但作为压力传感器的下电极,所述第一金属层还作为电学连接端与加速度传感器的悬臂电连接,从而无需另外制作金属线与悬臂相连,简化了MEMS器件的结构。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (20)

1.一种MEMS器件的形成方法,其特征在于,包括:
提供衬底,所述衬底中形成有集成电路;
在所述衬底上形成第一介质层,在所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端,第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连;
在第一介质层上形成第二介质层,所述第二介质层中形成有加速度传感器,所述加速度传感器与第一金属连接端电连接;
提供半导体基底,将半导体基底与第二介质层键合;
在半导体基底和第二介质层中形成若干第一金属插塞,第一金属插塞与第二金属连接端电连接;
在半导体基底上形成压力传感器,所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
2.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述加速度传感器和压力传感器形成的具体过程为:在第一金属连接端上形成第一电极材料层,相邻第一电极材料层之间具有第一开口;在第一开口内和部分第一介质层上形成第一子介质层,第一子介质层的表面低于第一电极材料层的表面;在第一开口内的第一子介质层表面形成第一牺牲层,第一牺牲层的表面与第一电极材料层的表面齐平;形成覆盖所述第一子介质层的第二子介质层,所述第二子介质层中具有第二开口,所述第二开口底部暴露出第一牺牲层和第一电极材料层的表面;在所述第二开口中填充满第二电极材料层;刻蚀所述第一牺牲层上的部分第二电极材料层,形成悬臂,所述悬臂作为加速度传感器的可动电极,第一电极材料层上剩余的第二电极材料层构成加速度传感器的固定电极,悬臂与固定电极之间形成空腔;形成填充满空腔的第二牺牲层;在所述悬臂、第二牺牲层和第二子介质层上形成第三子介质层,第一子介质层、第二子介质层和第三子介质层构成第二介质层;在第三子介质层中形成暴露悬臂表面的刻蚀孔;在所述第二牺牲层上方的第三子介质层表面上形成第一金属层,所述第一金属层填充刻蚀孔与悬臂电连接;刻蚀所述第一金属层和第三子介质层,在第一金属层中第三子介质层中形成若干第三开口,所述第三开口暴露出第二牺牲层,所述第三开口的位置与空腔的位置相对应;沿第三开口去除所述第一牺牲层和第二牺牲层,形成第一空腔,释放出悬臂;提供半导体基底,将半导体基底与第二介质层上的第一金属层键合,所述半导体基底封闭第三开口;在所述半导体基底上形成第二金属层;在部分第二金属层上形成第三牺牲层;在所述第三牺牲层侧壁和顶部表面上形成第三电极材料层,所述第三电极材料层作为压力传感器的敏感膜;刻蚀所述第三电极材料层,在所述第三电极材料层中形成若干第四开口,所述第四开口暴露出第三牺牲层;沿第四开口去除所述第三牺牲层,形成第二空腔。
3.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳。
4.如权利要求3所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的工艺为低温炉管氧化工艺。
5.如权利要求4所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述低温炉管氧化工艺采用的气体为氧气,温度为180~250摄氏度。
6.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的材料为掺杂的硅锗。
7.如权利要求6所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述硅锗中掺杂的离子为P型杂质离子和N型杂质离子。
8.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力为-20Mpa~20Mpa。
9.如权利要求8所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的工艺为低温低压炉管沉积工艺。
10.如权利要求9所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述低温低压炉管沉积工艺采用的硅源气体为GeH4或Si2H6,锗源气体为GeH2,腔室温度为420~450摄氏度,腔室压力为200~600毫托。
11.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述第一电极材料层的厚度为4500~5500埃,所述第二电极材料层的厚度为19000~21000埃,所述第三电极材料层的厚度为3500~4500埃。
12.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,在形成悬臂的同时,形成支撑所述悬臂的支持结构。
13.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述悬臂包括第一悬臂和第二悬臂,第一悬臂沿第一方向排布,第二悬臂沿第二方向排布,第一方向与第二方向垂直。
14.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述半导体基底的材料为锗。
15.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法,其特征在于,所述第一介质层中还形成有若干第三金属连接端,所述第二介质层和半导体基底中还形成有若干第二金属插塞,第二金属插塞与第三金属连接端电连接,所述第二金属插塞上形成有第一外接焊盘。
16.一种MEMS器件,其特征在于,包括:
衬底,所述衬底中形成有集成电路;
位于衬底上的第一介质层,所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端,第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连;
位于第一介质层上的第二介质层,所述第二介质层中形成有加速度传感器,所述加速度传感器与第一金属连接端电连接;
位于第二介质层上与第二介质层键合的半导体基底;
位于半导体基底和第二介质层中若干第一金属插塞,第一金属插塞与第二金属连接端电连接;
位于半导体基底上的压力传感器,所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
17.如权利要求16所述的MEMS器件,其特征在于,所述加速度传感器包括若干固定电极,相邻固定电极之间具有第一空腔,第一空腔内具有悬臂,所述固定电极与第一金属连接端相连。
18.如权利要求17所述的MEMS器件,其特征在于,位于固定电极和悬臂上的隔离层,位于隔离层上的第一金属层,第一金属层和隔离层中具有若干开口,所述开口的位置与第一空腔的位置相对应,所述第一金属层通过隔离层的刻蚀孔与悬臂电连接。
19.如权利要求18所述的MEMS器件,其特征在于,所述压力传感器包括:第二金属层,位于第二金属层上的敏感膜,所述敏感膜和第二金属层之间具有第二空腔。
20.如权利要求19所述的MEMS器件,其特征在于,所述第一金属层通过位于半导体基底中的第三金属插塞与第二金属层电连接,所述第一金属层还与第一金属插塞电连接。
CN201410113757.1A 2014-03-25 2014-03-25 Mems器件及其形成方法 Active CN104944359B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410113757.1A CN104944359B (zh) 2014-03-25 2014-03-25 Mems器件及其形成方法
US14/641,657 US9334157B2 (en) 2014-03-25 2015-03-09 MEMS device and formation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410113757.1A CN104944359B (zh) 2014-03-25 2014-03-25 Mems器件及其形成方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104944359A true CN104944359A (zh) 2015-09-30
CN104944359B CN104944359B (zh) 2017-02-22

Family

ID=54159506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410113757.1A Active CN104944359B (zh) 2014-03-25 2014-03-25 Mems器件及其形成方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9334157B2 (zh)
CN (1) CN104944359B (zh)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105645349A (zh) * 2014-12-04 2016-06-08 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Mems器件的形成方法
CN106706175A (zh) * 2015-11-12 2017-05-24 上海丽恒光微电子科技有限公司 压力传感器的制备方法
CN107887319A (zh) * 2017-11-16 2018-04-06 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种绝缘体上石墨烯的制备方法
CN107892268A (zh) * 2017-11-13 2018-04-10 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 压力传感器及其制造方法
CN108508277A (zh) * 2017-02-28 2018-09-07 马克西姆综合产品公司 平坦化的电容式传感器阵列
CN109348738A (zh) * 2016-02-18 2019-02-15 富士电机株式会社 信号传输装置
CN111039252A (zh) * 2019-12-30 2020-04-21 东南大学 一种双通道自检测的mems微波功率分配器及其制备方法
CN111649782A (zh) * 2020-07-28 2020-09-11 江苏睦荷科技有限公司 单片集成多轴mems传感器制成平台及其制造方法
WO2021012893A1 (zh) * 2019-07-22 2021-01-28 中芯集成电路(宁波)有限公司 指纹识别模组及其制造方法、电子设备
WO2021077791A1 (zh) * 2019-10-23 2021-04-29 中芯集成电路(宁波)有限公司上海分公司 指纹识别模组及其制造方法、电子设备
CN113788451A (zh) * 2021-08-10 2021-12-14 北京自动化控制设备研究所 一种复合量程压力传感系统的封装方法
CN116199183A (zh) * 2023-04-28 2023-06-02 润芯感知科技(南昌)有限公司 一种半导体器件及其制造方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10845375B2 (en) * 2016-02-19 2020-11-24 Agjunction Llc Thermal stabilization of inertial measurement units
US10354114B2 (en) * 2016-06-13 2019-07-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Fingerprint sensor in InFO structure and formation method
US10384930B2 (en) 2017-04-26 2019-08-20 Invensense, Inc. Systems and methods for providing getters in microelectromechanical systems
DE102020123160B3 (de) * 2020-09-04 2021-10-14 Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG Halbleiterdie mit Druck- und Beschleunigungssensorelement

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101312904A (zh) * 2005-11-23 2008-11-26 Vti技术有限公司 制造微机电元件的方法以及该微机电元件
US20090146227A1 (en) * 2007-12-06 2009-06-11 Oki Semiconductor Co., Ltd. Capacitive sensor and manufacturing method therefor
CN102157679A (zh) * 2009-12-28 2011-08-17 通用电气公司 用于制造传感器的方法
CN102183677A (zh) * 2011-03-15 2011-09-14 迈尔森电子(天津)有限公司 集成惯性传感器与压力传感器及其形成方法
CN102180435A (zh) * 2011-03-15 2011-09-14 迈尔森电子(天津)有限公司 集成mems器件及其形成方法
CN102408089A (zh) * 2010-09-20 2012-04-11 利顺精密科技股份有限公司 可同时量测加速度及压力的微机电传感器
CN102476786A (zh) * 2010-11-22 2012-05-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 加速度和压力传感器单硅片集成芯片及制作方法
CN102745638A (zh) * 2011-04-18 2012-10-24 台湾积体电路制造股份有限公司 微机电器件蚀刻停止
US20130105921A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-02 The Regents Of The University Of Michigan Microsystem device and methods for fabricating the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9085455B2 (en) * 2013-03-14 2015-07-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. MEMS devices and methods for forming same
US20150102437A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-16 Freescale Semiconductor, Inc. Mems sensor device with multi-stimulus sensing and method of fabrication

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101312904A (zh) * 2005-11-23 2008-11-26 Vti技术有限公司 制造微机电元件的方法以及该微机电元件
US20090146227A1 (en) * 2007-12-06 2009-06-11 Oki Semiconductor Co., Ltd. Capacitive sensor and manufacturing method therefor
CN102157679A (zh) * 2009-12-28 2011-08-17 通用电气公司 用于制造传感器的方法
CN102408089A (zh) * 2010-09-20 2012-04-11 利顺精密科技股份有限公司 可同时量测加速度及压力的微机电传感器
CN102476786A (zh) * 2010-11-22 2012-05-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 加速度和压力传感器单硅片集成芯片及制作方法
CN102183677A (zh) * 2011-03-15 2011-09-14 迈尔森电子(天津)有限公司 集成惯性传感器与压力传感器及其形成方法
CN102180435A (zh) * 2011-03-15 2011-09-14 迈尔森电子(天津)有限公司 集成mems器件及其形成方法
CN102745638A (zh) * 2011-04-18 2012-10-24 台湾积体电路制造股份有限公司 微机电器件蚀刻停止
US20130105921A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-02 The Regents Of The University Of Michigan Microsystem device and methods for fabricating the same

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105645349B (zh) * 2014-12-04 2017-09-22 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Mems器件的形成方法
CN105645349A (zh) * 2014-12-04 2016-06-08 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Mems器件的形成方法
CN106706175B (zh) * 2015-11-12 2021-03-09 上海丽恒光微电子科技有限公司 压力传感器的制备方法
CN106706175A (zh) * 2015-11-12 2017-05-24 上海丽恒光微电子科技有限公司 压力传感器的制备方法
CN109348738B (zh) * 2016-02-18 2021-11-16 富士电机株式会社 信号传输装置
CN109348738A (zh) * 2016-02-18 2019-02-15 富士电机株式会社 信号传输装置
CN108508277A (zh) * 2017-02-28 2018-09-07 马克西姆综合产品公司 平坦化的电容式传感器阵列
CN107892268A (zh) * 2017-11-13 2018-04-10 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 压力传感器及其制造方法
CN107892268B (zh) * 2017-11-13 2023-07-14 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 压力传感器及其制造方法
CN107887319A (zh) * 2017-11-16 2018-04-06 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种绝缘体上石墨烯的制备方法
WO2021012893A1 (zh) * 2019-07-22 2021-01-28 中芯集成电路(宁波)有限公司 指纹识别模组及其制造方法、电子设备
US11917918B2 (en) 2019-07-22 2024-02-27 Ningbo Semiconductor International Corporation Fingerprint identification module, method for forming fingerprint identification module, and electronic device
WO2021077791A1 (zh) * 2019-10-23 2021-04-29 中芯集成电路(宁波)有限公司上海分公司 指纹识别模组及其制造方法、电子设备
CN111039252A (zh) * 2019-12-30 2020-04-21 东南大学 一种双通道自检测的mems微波功率分配器及其制备方法
CN111649782A (zh) * 2020-07-28 2020-09-11 江苏睦荷科技有限公司 单片集成多轴mems传感器制成平台及其制造方法
CN113788451A (zh) * 2021-08-10 2021-12-14 北京自动化控制设备研究所 一种复合量程压力传感系统的封装方法
CN113788451B (zh) * 2021-08-10 2024-04-02 北京自动化控制设备研究所 一种复合量程压力传感系统的封装方法
CN116199183A (zh) * 2023-04-28 2023-06-02 润芯感知科技(南昌)有限公司 一种半导体器件及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9334157B2 (en) 2016-05-10
CN104944359B (zh) 2017-02-22
US20150274512A1 (en) 2015-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104944359A (zh) Mems器件及其形成方法
CN104944360B (zh) Mems器件及其形成方法
US11002626B2 (en) MEMS pressure sensor and method for forming the same
TWI622759B (zh) MEMS pressure sensor and method of forming same
CN103969296B (zh) 基于膜的传感器设备及其制造方法
CN103335753B (zh) 硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法
US8490495B2 (en) Capacitive pressure sensor with vertical electrical feedthroughs and method to make the same
US20110221455A1 (en) Micromechanical component and method for its production
US9550668B1 (en) Integrated MEMS pressure sensor and MEMS inertial sensor
US9586815B2 (en) Micro-electromechanical apparatus with multiple chambers and method for manufacturing the same
WO2017028466A1 (zh) 一种mems应变计芯片及其制造工艺
JP2015515609A (ja) カテーテルダイおよびその製造方法
CN103708409B (zh) 压力传感器和惯性传感器及其形成方法
JP2011505264A (ja) 集積回路及びカプセル化されたn/memsを備えた装置及びその製造方法
CN104249991A (zh) Mems器件及其制作方法
CN104344921A (zh) 谐振换能器及其制作方法、谐振换能器的多层结构
CN112880883A (zh) 压力传感器及其制造方法
CN105021328A (zh) Cmos工艺兼容的压阻式压力传感器及其制备方法
CN104422549A (zh) 电容式压力传感器及其形成方法
US20100186511A1 (en) Acceleration sensor
KR100904994B1 (ko) 압력센서 제조방법 및 그 구조
CN106526232A (zh) 一种复合传感器及其制造方法
CN106768593A (zh) 一种复合传感器及其制造方法
CN104422550B (zh) 电容式压力传感器及其形成方法
CN220520145U (zh) 传感器和电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant