CN115752815A - 制造包括电容压力传感器和惯性传感器的集成系统的方法及集成系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及制造包括电容压力传感器和惯性传感器的集成系统的方法及集成系统。一种用于制造集成第一MEMS器件和第二MEMS器件的微机电系统MEMS的方法。第一MEMS器件是电容压力传感器并且第二MEMS器件是惯性传感器。制造第一MEMS器件和第二MEMS器件的步骤至少部分地彼此被共享，导致在单个裸片上的高度集成，并且允许以高产量和受控成本来实现制造工艺。

Description

制造包括电容压力传感器和惯性传感器的集成系统的方法及 集成系统

技术领域

本发明涉及一种用于制造微机电系统(MEMS)的方法，并且涉及一种包括第一MEMS器件和第二MEMS器件的微机电系统。特别地，第一MEMS器件是电容压力传感器并且第二MEMS器件是惯性传感器，或惯性传感器的组合，诸如例如加速计和陀螺仪。

背景技术

电容压力传感器被提供有能够相对于结构的其余部分移动的悬置区域或膜。特别地，该膜表示可变电极，面对形成固定电极的固定部分，并且通过部分地或完全地掩埋的腔与之分开。惯性传感器与压力传感器使用至少部分地相同的工艺流程同时被制造。

众所周知，MEMS(微机电系统)型换能器包括用于将环境量(压力、运动、声波等)转换成电量(例如电容变化)的可移动敏感结构。合适的读出电子器件被用于执行该电量的处理操作(包括放大和滤波操作)，以便提供表示所感测的压力值的电输出信号(例如电压)。

在电容感测原理被使用的情况下，微机电敏感结构通常包括制成为隔膜或膜的可移动电极，该可移动电极被布置为面对固定电极，以提供具有可变电容的感测电容器的板。可移动电极通过其第一部分(其通常为在结构层周边)被锚固到结构层，而其第二部分(通常为中心部分)自由移动或弯曲。可移动电极和固定电极因此形成电容器，并且形成可移动电极的膜的弯曲导致根据待感测的量的电容的变化。

其它类型的换能器，例如用于感测运动或振动的换能器，也被认知为加速计和陀螺仪，并且其操作类似于以上所描述的。在这种情况下，感测结构不是膜，而是由通过弹簧被耦合到固定支撑结构的一个或多个可移动质量块形成。同样在这种情况下，运动信号的转换可以以本身已知的方式电容性地发生。

上述类型的传感器与其它MEMS传感器一起通常被安装在多媒体电子器件中，诸如智能电话、智能手表、消费电子产品或其它专业仪器等。在电子器件中的大量MEMS系统/传感器的集成需要使用专用集成电路板，并且因此对空间占用具有相当大的影响。

此外，根据现有技术，不同的传感器通常容纳在相应的封装中，该封装包含换能器和用于采集和预处理由换能器生成的电信号的电子器件，通常是ASIC电路。在一些解决方案中，ASIC可以是共享的，诸如例如在WO2013/061313中所讨论的。

然而，市场针对具有高度集成的解决方案的需求日益增加，该解决方案允许节省成本并且最重要的是减少面积占用。

发明内容

本公开的目的是提供一种针对前述需求的解决方案。

根据本公开，提供了一种用于制造MEMS系统的方法以及由此被提供的MEMS系统。

例如，在本公开的至少一个实施例中，一种用于制造包括第一MEMS器件和第二MEMS器件的微机电系统(MEMS)的方法，包括以下步骤：在衬底上形成第一MEMS器件的第一电极；在第一电极上形成可以通过蚀刻化学溶液被移除的材料的第一牺牲层；在第一牺牲层上形成对蚀刻化学溶液不可渗透的保护层；选择性地移除保护层的部分以暴露第一牺牲层的相应的牺牲部分；在牺牲部分上形成多孔材料的膜层，膜层对蚀刻化学溶液可渗透；使用蚀刻化学溶液移除通过膜层的牺牲部分来形成腔；形成第一结构层，第一结构层密封膜层的孔并且与膜层形成第一MEMS器件的悬置结构，上述悬置结构是通过腔被电容性耦合到第一电极的第二电极；在第一结构层上方形成可以通过化学溶液蚀刻被蚀刻的材料的第二牺牲层；形成第二结构层，第二结构层在第二牺牲层上方并且与第二牺牲层接触；图案化第二结构层以同时形成第二MEMS器件的可移动结构和第一MEMS器件的第一电极和第二电极的偏置结构；通过蚀刻化学溶液移除第二牺牲层的选择性部分，使得第二MEMS器件的可移动结构和第一MEMS器件的悬置结构根据相应的自由度自由移动。

例如，在本公开的至少一个实施例中，一种微机电系统(MEMS)包括第一MEMS器件和第二MEMS器件，并且包括：衬底；在衬底上延伸的属于第一MEMS器件的第一电极；第一电极上的、可以通过蚀刻化学溶液移除的材料的第一牺牲层；在第一牺牲层上的、对蚀刻化学溶液不可渗透的保护层；在牺牲部分上的多孔材料的膜层，该多孔材料对蚀刻化学溶液可渗透；在膜层下方延伸的空腔；第一结构层，密封膜层的孔并且与膜层形成第一MEMS器件的悬置结构，上述悬置结构通过腔被电容性耦合到第一电极的第二电极；以及第二结构层，其经图案化以形成第二MEMS器件的可移动结构和第一MEMS器件的第一电极和第二电极的偏置结构，其中上述第二MEMS器件的上述可移动结构和第一MEMS器件的上述悬置结构根据相应的自由度自由移动。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参照附图仅通过非限制性示例描述其优选实施例，其中：

图1－19以截面视图示出了根据本公开的一个实施例的集成微机电系统(MEMS)的制造步骤，该集成微机电系统特别包括电容压力传感器和惯性传感器；

图20示出了根据本公开的另一实施例的集成MEMS系统；

图21示出了根据本公开的另一实施例的集成MEMS系统；以及

图22－27以截面视图示出根据本公开的一个实施例的用于耦合到如图19所示的集成微机电系统(MEMS)的帽的制造步骤。

具体实施方式

图1－19示出了根据本公开的实施例的微机电(MEMS)器件或系统50的后续制造步骤。特别地，MEMS系统50集成用于将环境压力信号转换至相应的电信号的一个或多个第一微机电结构51，以及用于将运动信号(振动、运动等)转换至相应的电信号的一个或多个第二微机电结构52。

在下文中，第一微机电结构51也被称为压力传感器；特别地，基于电容(电容压力传感器)的变化来执行转换。

在下文中，第二微机电结构52也被称为惯性传感器。第二微机电结构52可以是加速度计和陀螺仪中的一者，或者是包括加速度计和陀螺仪两者的组合结构。

图1－19示出了在彼此正交的轴X、Y、Z的三轴参考系中的裸片的横向截面图。裸片1通常是直到切割或单切化步骤为止的未完整显示的晶片的一部分。

图1示出了裸片1，其具有沿着轴Z彼此相对的前侧1a和后侧1b，包括半导体材料(通常为硅)的衬底2。

参考图2，在前侧1a处，绝缘层3例如氧化硅(SiO2)被形成，其厚度在0.2和2μm之间，通常为0.5μm。绝缘层3例如通过热氧化被形成。

在图3中，导电材料例如N型掺杂多晶硅(例如，掺杂密度包括在1〃10¹⁹和2〃10²⁰ions/cm3之间)的结构层4在绝缘层3上被形成。在一个实施例中，通过使用LPCVD技术沉积多晶硅来形成结构层4；结构层4具有例如在0.2和0.6μm之间的厚度。

参考电容压力传感器，结构层4形成压力传感器的底部电极(即电容器的底板)。结构层4被图案化(例如，光刻)以在压力传感器的底部电极的设计步骤期间限定期望的和/或预期的形状。

然后，在图4中，例如氧化硅的牺牲层8被形成。在结构层4处和结构层4上方的牺牲层8的厚度被包括在0.4和2μm之间。为了补偿绝缘层3与结构层4之间的“步骤”的存在，并且为了形成具有平坦顶表面的牺牲层8，在形成牺牲层8之后平坦化步骤(例如，经由CMP)被执行。

备选地，牺牲层8可以在两个彼此相继的子步骤中被形成，包括：

形成第一牺牲子层8a，在此是用PECVD技术沉积的氧化硅(TEOS或基于硅烷的氧化物)，直到完全覆盖结构层4(沿横向于结构层4的轴Z测量的第一牺牲子层8a的厚度大于结构层4的厚度)；

例如使用CMP技术平坦化第一牺牲子层8a，以获得平坦的顶表面；以及

在第一牺牲子层8a上形成第二牺牲子层8b，在此是用PECVD技术沉积的氧化硅(TEOS或基于硅烷的氧化物)；沿轴线Z从第一牺牲子层8a的顶表面测量的第二牺牲子层8b的厚度被包括在300nm与2μm之间；以及

可选地执行第二牺牲子层8b的进一步平坦化步骤。

第一牺牲子层8a和第二牺牲子层8b一起形成牺牲层8。该牺牲层8在结构层4处的厚度例如包括在500nm和2.3μm之间。

然后图5，牺牲层8的蚀刻被执行以形成围绕或内部地界定牺牲层8的区域8′的沟槽10。沟槽10沿轴线Z贯穿结构层4上方的牺牲层8的厚度延伸，并且暴露结构层4的相应的区域。以此方式，区域8′通过沟槽10与牺牲层8的剩余部分分离。由沟槽10限定的区域8′的形状与具有电容器的两个导电板的腔的期望形状相对应，电容器从中面对形成压力传感器的敏感元件，如从以下描述中更好地看出。

在该同一制造步骤中，牺牲层8的在结构层4上方延伸但在由沟槽10界定的区域8′外部的一个或多个另外的部分也被移除；因此开口11被形成，其到达结构层4并且通过该开口11形成到结构层4的通道，通过该通道，如下面更好地说明的，电接触将被形成以偏置结构层4(其是压力传感器的电容器的底部电极)。

然后继续该方法，图6在牺牲层8和通过沟槽10和开口11暴露的结构层4的表面部分上方形成蚀刻停止层5。根据本公开的一个实施例，蚀刻停止层5是氧化铝(Al₂O₃)，也称为三氧化二铝(alumina)。蚀刻停止层5具有例如几十纳米的厚度，例如包括在20和60nm之间，特别是40nm。

蚀刻停止层5通过原子层沉积(ALD)技术被形成。通过ALD技术沉积Al₂O₃在现有技术中是已知的，并且通常使用三甲基铝(TMA，Al(CH₃)₃)和水(H₂O)蒸气作为反应物来被执行。作为H₂O蒸气的备选，可以使用臭氧(O₃)。例如，可以使用TMA作为铝源和H₂O作为氧化剂进行沉积。文献来自Steven M.George，Chem.Rev.2010，110，p.111－131，或文献来自Puurunen，R.L.，J.Appl.Phys.2005，97，p.121－301，描述了用于形成蚀刻停止层5的可能的方法。

专利文献WO 2013/061313还描述了用于形成可用于本公开的上下文中的Al₂O₃的蚀刻停止层的方法。特别地，如WO 2013/061313中所描述的，蚀刻停止层5是用提供两个Al₂O₃中间层的ALD沉积的工艺形成的，这两个中间层都经受结晶。以下顺序：i)Al₂O₃的第一中间层的沉积，ii)第一中间层的结晶，iii)Al₂O₃的第二中间层的沉积，以及iv)第二中间层的结晶，允许形成Al₂O₃的蚀刻停止层5，该蚀刻停止层5对含有氢氟酸(HF)的溶液的蚀刻具有耐受性，并且最重要的是蚀刻停止层5对这种HF基溶液的不渗透性。

此外，该蚀刻停止层5除了抗HF蚀刻和对HF不可渗透之外，还对下面的氧化硅层8和多晶硅层4显示出最佳静摩擦特性，显示出最佳介电特性，其不根据可能的后续热处理而变化，显示出小的(可忽略的)裸片1的翘曲半径的变化，并且显示出与处于高温(1000°C以上)下的热处理的高兼容性。

然后，图7，该方法进行蚀刻停止层5的成形或图案化步骤(例如，通过使用蚀刻掩模13的掩模蚀刻)，以便在区域8′处从开口11的底部(以暴露开口11中的结构层4)和裸片1的外围区域12处选择性地移除蚀刻停止层5。便于后续制造步骤的对准标记，和/或使将稍后被形成的惯性传感器的可移动结构具有结构坚固性的锚固件将在区域12中被形成。

具体来说，应当注意，通过移除区域8′上方的蚀刻停止层5的选择性部分直到到达区域8′的表面来图案化蚀刻停止层5。区域8′的表面的至少一个部分因此通过在蚀刻停止层5中形成的开口被暴露。在该工艺步骤中暴露的区域8′的区更精确地并且进一步地相对于沟槽10限定形成压力传感器的有源元件的电容器的顶板的形状和空间范围，如从以下描述中更好地看出。

然后，在图8中，蚀刻停止层15上方和腔15a中的结构层16的沉积步骤被执行，结构层16覆盖区域8′的表面。在一个实施例中，结构层16是导电材料，例如掺杂多晶硅(例如，掺杂包括在1〃10¹⁸ions/cm³和2〃10²⁰ions/cm³之间)。备选地，结构层16可以是未掺杂的多晶硅。

例如用LPCVD技术沉积结构层16。结构层16具有例如包括在0.2μm和1μm之间的厚度。

结构层16在开口11内延伸，直到到达并且接触结构层4，并且在开口12内延伸。

随后，在图9中，结构层16被限定，例如光刻，以在区域8′的暴露的表面处选择性地移除它。具体来说，在一个实施例中，在区域8′的表面处未完全地移除结构层16，以便留下用作针对稍后将被沉积的后续层(图10中所说明的层20)的锚固件的区域16′。显然，在其它实施例中，在锚固件被相信不需要在结构上支撑图10的层20的情况下，区域16′不被形成并且结构层16在区域8′的表面处完全被移除。

然后如图10所提及，可渗透层20在结构层16、锚固区域16′(如有)和暴露在锚固区域16′之间的区域8′上方被形成。

在本公开的一个实施例中，可渗透层20是多晶硅，其对用于随后移除区域8′的化学溶液可渗透。例如，在所描述的实施例中，其中区域8′是氧化硅、氢氟酸(HF)或含有HF的溶液，可以被用于选择性地移除区域8′。在这种情况下，可渗透层20被提供有气孔或开口，用于允许氢氟酸流过可渗透层20，到达并且移除区域8′，并且形成掩埋腔或室22。

具体地，可渗透层20是多晶硅，其具有直径范围从1到50nm的孔(或气孔)。可渗透层20的厚度在50至150nm的范围内，例如100nm。可渗透层20例如通过LPCVD技术被沉积。根据一个示例性的、非限制性实施方案，沉积条件是在牵引至压缩过渡区域中，在具有约550毫托的压力的沉积环境中，使用硅烷源气体具有约600℃的工艺窗口。通常，以此方式选择可渗透层20的孔的尺寸，使得用于移除区域8'的化学蚀刻溶液(液体或气体)可以穿透气孔直到到达可渗透层20。

通常，可渗透层20可以是以文献中已知的方式形成的多孔多晶硅，或具有在其沉积之后主动形成的孔(开口)的多晶硅，通过机械或物理化学作用用于选择性地移除材料。

参考图11，区域8′的蚀刻步骤用HF或缓冲HF混合物或使用蒸气形式的HF的蒸气蚀刻技术来被执行。区域8′的材料被完全移除并且掩埋腔22被形成。如所提及的，用于蚀刻渗透的化学试剂通过可渗透层20的开口或气孔但不通过结构层16和蚀刻停止层5。

然后，在图12中，其他掩模14在可渗透层20上被形成，其被配置为保护裸片1的正面1a的、除了与开口12重合的区域。通过掩模14被曝光的所有层因此被移除，直到到达衬底2。开口23因此被形成。

然后，在图13中，在移除掩模14之后，在可渗透层20上方形成(例如外延生长)掺杂多晶硅层17(例如N型)。该掺杂多晶硅层也在衬底2上方的开口23中生长，在图12的步骤中被暴露。掺杂多晶硅层17的厚度是例如在0.2至1.5μm的范围内。具有波纹表面的多晶硅或其它材料的附加层可以可选地被沉积，以便防止在使用惯性传感器期间可能发生的可能的静摩擦现象。备选地，多晶硅层17的表面可以可选地被处理(机械地或化学地)以提供该波纹状表面。

在图14中，掺杂多晶硅层17被蚀刻以移除其选择性部分以形成多个导电区域18。导电区域18包括将在其中形成惯性传感器的裸片1的区域1′处的导电带或电互连件；导电区域18包括将在其中形成压力传感器的裸片1的区域1"处的压力传感器的电容器的顶部电极。

多晶硅层17的蚀刻移除层17、层20和层16，并且在蚀刻停止层5处停止。

然后，在图15中，牺牲层25(例如氧化硅，特别是TEOS氧化物)被形成。牺牲层25的抛光步骤(CMP)然后被执行，在该步骤结束时牺牲层25沿Z具有在1.3和2μm之间的厚度。牺牲层25还在将导电带/电互连件/顶部电极(参考图14限定)彼此分离的开口内延伸。

牺牲层25也在开口23内被形成。

然后，在图16中，牺牲层25选择性地被蚀刻以将其从开口23的内部和多晶硅层17上方的选择性区域中完全移除，从而形成锚固开口27。

然后，在图17中，例如通过生长外延多晶硅，结构层28在牺牲层25上方、在开口23中和在附加锚固开口27中被形成。一个或多个接触焊盘41a、41b、41c可以在结构层28上被预先设置。多个接触焊盘41a、41b、41c可以包括第一接触焊盘41a、第二接触焊盘41b和第三接触焊盘41c。在一些实施例中，第一接触焊盘41b和第二接触焊盘41c可以是第一MEMS器件51的接触焊盘，并且第一接触焊盘41a可以是第二MEMS器件52的接触焊盘。

结构层28可以根据需要被处理，以形成具有期望的形状的结构。

在图18中，结构层28被选择性地蚀刻以形成悬置结构28a(例如，定子和转子)和电接触端子29、30，该电接触端子29、30被配置为偏置压力传感器的电容器的顶部电极和底部电极。在相同的工艺步骤中，在压力传感器的膜上(至少部分地在腔22上)延伸的结构层28的部分被移除。

然而，应当注意，在该制造步骤中，悬置结构28a仍然被约束到在下方的牺牲层25，并且因此不能自由移动。牺牲层25还在形成压力传感器的电容器的顶部电极的膜上方延伸，该膜太厚并且至少部分地限制其移动。

因此，在图19中，在悬置结构28a处通孔31被形成以允许移除牺牲层25，从而部分地将悬置结构28a悬置。

例如在HF中通过通孔31的蚀刻步骤允许牺牲层25的部分被移除。因此，悬置结构28a可以根据设计步骤期间预见的自由度移动或振荡。悬置可移动结构28a的形状和设计细节本身在现有技术中是已知的，并且不是本公开的技术方案。

在相同的工艺步骤中，在压力传感器的膜上延伸的牺牲层25的部分也被移除。

因此MEMS系统50的第一微机电结构51(本文是电容压力传感器)和第二微机电结构52(本文是惯性传感器)的形成被完成。

MEMS系统50的制造可以包括另外的步骤，例如形成和连接帽102(参见本公开的图27)以形成半导体器件或封装100(参见本公开的图27)。帽102保护第一微机电结构51和第二微机电结构52。帽102包括多个凸起120，其可以被称为多个机械耦合区域，提供有焊膏或胶带或其它耦合器件，被配置为物理地耦合到裸片1的相应区域，以便包围(在顶视图中)并且保护第一微机电结构51和第二微机电结构52。通孔104(参见本公开的图27)在压力传感器处被形成在帽102中，以允许朝向膜的流体通道(即，在使用期间旨在被感测/测量的环境压力的通道)。形成帽101的细节和帽101本身将在下文中关于本公开的图22－26更详细地被讨论。

本身已知类型的吸气剂层(getter layer)可选地存在以在惯性传感器52处生成预先定义的压力(低压)。

如所提及，在一个实施例中，压力传感器51是电容型的，甚至更具体地是绝对压力传感器，其被配置为感测相对于存在于掩埋腔22内部的压力值(在制造步骤期间设置)的传感器外部的压力变化。第一电极和第二电极通过掩埋腔22彼此面对。根据不同的和进一步的实施例，压力传感器51是差分电容型的，被配置为提供标识相同传感器承受的两个环境压力之间的差的信号。差压传感器根据与前述用于压力传感器51的步骤相同的步骤被制造，其中添加了旨在将腔22连接到外部的另一工艺步骤，以便能够将压力传感器作为差压传感器操作。为此，腔22流体地连接到压力传感器的外部，例如通过适当提供的通道，该通道允许空气(或以气体形式的其它流体)从腔22流出和流入腔22。膜的最终变形指示第一环境压力P1(腔22外部)和第二环境压力P2(腔22内部)之间的差，并且由差压传感器转换的信号是差压信号。在使用中，压力P1和P2是彼此分离的环境的压力。专利文献US7,763,487和US8,008,738描述了可在本公开的上下文中使用的封装，以封装差分类型的压力传感器。

在图20的另一实施例中，压力传感器51进一步包括在腔22下方延伸至衬底2中的另一掩埋腔或室60。以此方式，在掩埋腔60上方的裸片1的部分形成另一膜，该膜可以偏转以释放制造过程中的任何残余应力或在压力传感器的使用期间产生的残余应力，从而防止诸如破裂、裂缝、变形的任何结构问题。掩埋腔60可以以本身已知的方式被形成，例如根据US7,763,487和US8,008,738中描述的掩埋腔的形成工艺。

根据本公开的另一实施例，如图21所示，腔22进一步包括防粘附层65。防粘附层65可以完全地或仅部分地覆盖腔22的内壁。

防粘附层65是以此方式选择的材料，即限制或甚至防止由于向上地和向下地界定腔22的壁的潜在相互静摩擦而导致的腔22的部分阻塞。这种不希望的效果将针对膜导致不能正确地移动，并且从而导致压力传感器51的故障。

防粘附层65可以通过合适的开口被引入腔22，该开口使腔22与防粘附层65的沉积发生的环境连通。该开口随后可以在绝对压力传感器的情况下被闭合，或者在压差传感器的情况下可以是被用于使腔22与外部环境流体连通的开口。

防粘附层65的沉积可以通过气相工艺发生。

可以被用于防粘附层65的材料包括但不限于氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅氧烷等，诸如例如：

DDMS－“二甲基二氯硅烷”；

FOTS－“全氟辛基三氯硅烷”；

PF10TAS－“全氟癸基三(二甲基氨基)硅烷”；

PFDA－“全氟癸酸”。

可用的材料及其沉积方法在现有技术中是已知的，特别是来自Ashurst,W.&Carraro,C.&Maboudian,Roya.(2004),“Vapor phase anti-stiction coatings forMEMS”Device and Materials Reliability,IEEE Transactions on.3.173-178.10.1109/TDMR.2003.821540。

类似的防粘附层也可以可选地被形成在掩埋腔60中。

根据各种实施例，上述制造方法和器件具有许多优点。

由于膜的单片结构基本上没有空区，所以膜是鲁棒的并且因此特别适合于提供不同类型的MEMS结构，降低了损害其功能的破裂、变形或损坏的风险。

该工艺易于实施，因为它不具有任何特殊的执行关键性或困难，因此确保高产率和降低的最终成本。还应注意，用于制造MEMS传感器51和52的换能结构的方法需要使用半导体材料的单个晶片，因此由于在晶片之间不存在胶合或结合步骤而导致经济上有利并且具有降低的关键性。

此外，该制造方法特别灵活，因为它允许以简单的方式提供期望的形状和大小(关于面积和厚度两者)的掩埋腔和/或膜。特别地，针对作为压力传感器的应用，高厚度的膜可以被获得以增加相同传感器的精度。

多孔硅的使用确保具有规则形状的膜被获得并且防止将损害或在任何情况下减少成品MEMS器件的电/机械特征的不希望的形成。

两个结晶的氧化铝层的同时存在防止电容器的顶部电极和底部电极之间的短路，并且允许在制造步骤期间被限定不依赖于蚀刻时间的膜的直径。

此外，由于结晶的氧化铝层的使用，膜的大小可以被精确地限定，而不需要使用时间蚀刻。事实上，结晶的氧化铝起到用于随后HF蚀刻的硬掩模的作用，目的是移除膜下的氧化物层。

使用HF可渗透的多晶硅层使能形成允许HF以渗透并且蚀刻氧化物的多孔栅极。可渗透多晶硅还用作顶层的支撑。

如此处在本公开中所讨论的，惯性传感器的同时制造允许优化在相同裸片上的各种传感器的集成，简化了工艺并且降低了成本。

图22－27以横截面视图示出了用于形成帽102和用于将帽102耦合到如图19所示的裸片1以制造和形成如图27所示的半导体器件或封装100的制造步骤。

如图22所示，晶片106包括：第一表面108、与第一表面108相对的第二表面110、以及分别从第一表面108延伸到第二表面110的多个侧壁112。晶片106可以由半导体材料、硅材料或用于晶片106的一些其它合适材料制成。

在如图23所示的第一步骤中，氧化层或绝缘层114在第一表面108处、第二表面110处和多个侧壁112处被形成。例如，氧化层114可以通过执行氧化工艺使晶片106的第一表面108和第二表面110氧化来被形成。在一些实施例中，氧化工艺可以是热氧化工艺，其中晶片106的硅被转化为形成氧化层114的氧化硅，氧化层114由氧化硅制成。

图24所示的第二步骤发生在图23所示的第一步骤之后。在如图24所示的第二步骤中，氧化层114被图案化，导致通过氧化层到达晶片106的第一表面108的多个开口116被形成，从氧化层114暴露晶片106的第一表面108的相应的区域或部分。多个开口116可以通过如下被形成：首先在氧化层114上形成硬掩模层，移除硬掩模层的部分以暴露氧化层114的、待移除以形成多个开口115的相应的部分，并且移除氧化层114的经暴露的相应的部分以形成多个开口116。在多个开口116已经被形成之后，硬掩模层可以从氧化层的其余部分被移除以形成多个开口116，如图24中所示。

图25所示的第三步骤发生在图24所示的第二步骤之后。在如图25所示的第三步骤中，晶片106的从氧化层114暴露的相应的部分和区域通过多个开口116从晶片106被移除，形成多个凹部118和与多个凹部118中的一些凹部相邻的多个凸起120。例如，蚀刻工艺可以被执行以通过多个开口116移除晶片106的、从氧化层114暴露的相应的部分和区域。该蚀刻工艺可以导致来自晶片106的氧化层114的移除。备选地，氧化层114可以通过附加工艺来被移除，该附加工艺在移除分别形成晶片106的、多个凹部118和多个凸起120的相应的部分之后被执行。在多个凹部118和多个凸起120之后被形成。在多个凹部118中的至少一个凹部的至少一个相应的表面上形成吸气层122(getting layer)，吸气层122可以被称为吸气剂、吸气剂层、吸气剂结构、稀吸气结构，或一些其它类似的或相似的吸气层。如图25所示，可以存在吸气层122以帮助在腔内提供良好的真空，该腔至少部分地由其中存在吸气层122的多个凹部118中的相应的凹部界定。

在吸气层122被形成之前或被形成之后，粘合材料或结构124(例如，胶带、焊膏、玻璃质材料或一些其它合适的粘合材料或结构)被形成在多个凸起120中的一个凸起上。在图25所示的实施例中，粘合材料124是玻璃质材料。

在第三步骤之后，盖102被形成为使得盖102包括位于多个凸起120中的相邻凸起之间的凹部118，并且粘合剂材料或结构124存在于多个凸起120中的每个凸起上。

图26所示的第四步骤发生在图25所示的第三步骤之后。在图26所示的第四步骤中，帽102可以被翻转，在此利用粘合材料124将帽102耦合到裸片1的表面的相应的区域，如图19所示。将帽102耦合到裸片1的表面的相应的区域导致限定和界定多个腔126a、126b、126c。多个腔126a、126b、126c包括第一腔126a、第二腔126b和第三腔126c。第一腔126a和第二腔126b沿流体路径128彼此流体连通，该流体路径128位于帽102的多个凸起120中的一个凸起和裸片1的表面之间。

图27所示的第五步骤发生在图26所示的第四步骤之后。在如图27所示的第五步骤中，开口130通过帽被形成以暴露第一接触焊盘41a。开口130可以被形成以提供到第一接触焊盘41a的通道。多个通孔104可以在开口130之前或之后被形成，或者可以与开口130同时被形成。通孔104导致膜与存在膜的第三腔126c外部的环境流体连通。例如，膜可以是压力传感器51的膜。在开口130被形成之后，多个沟槽132可以被形成使得裸片的区域1′进一步被限定于多个沟槽132之间。开口130、通孔104和沟槽132可以通过执行连续的多次蚀刻或多次技术来被形成，这导致移除帽102和裸片1的相应的部分以分别形成开口130、通孔104和沟槽132。

在制造帽102和将帽102耦合到裸片1的方法的备选实施例中，可以以不同的顺序重新组织和完成以上讨论的各种步骤，以形成半导体器件或封装100或类似于半导体器件或封装100的备选实施例。

最后，清楚的是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的范围的情况下，可以对本文描述和示出的方法和进行修改和变化。

本发明的教导可以被用于提供MEMS器件、半导体器件或相对于所描述的不同类型的半导体封装，诸如加速度计、陀螺仪、共振器、阀等，在此情况下，膜下方和/或上方的结构根据预期应用而被适配。

在相同的裸片1中集成电子部件(例如，ASIC或用于处理或处置信号的其他电路)被期望的情况下，这可以使用衬底2或在衬底2和结构层4之间形成的另外的外延层来被执行。

一种用于制造包括第一MEMS器件(51)和第二MEMS器件(52)的微机电系统MEMS(50)的方法，可以概括为包括以下步骤：在衬底(2)上形成第一MEMS器件(51)的第一电极(3)；在第一电极(3)上形成可以通过蚀刻化学溶液移除的材料的第一牺牲层(8，8′)；在第一牺牲层(8，8′)上形成对上述蚀刻化学溶液不可渗透的保护层(5)；选择性地移除保护层(5)的部分以暴露第一牺牲层(8，8′)的相应的牺牲部分(8′)；在牺牲部分(8')上形成多孔材料的膜层(20)，膜层对上述蚀刻化学溶液可渗透；使用上述蚀刻化学溶液通过膜层(20)移除牺牲部分(8′)来形成腔(22)；形成第一结构层(17)，第一结构层密封膜层(20)的孔并且与膜层形成第一MEMS器件(51)的悬置结构(17，20)，上述悬置结构(17，20)通过腔(22)电容性耦合到第一电极(3)的第二电极；在第一结构层(17)上形成可以通过上述蚀刻化学溶液蚀刻的材料的第二牺牲层(25)；形成第二结构层(28)，第二结构层(28)在第二牺牲层(25)上并与第二牺牲层(25)接触；图案化第二结构层(28)以同时形成第二MEMS器件(52)的可移动结构(28a)和第一MEMS器件(51，52)的第一电极和第二电极的偏置结构(30)；通过上述蚀刻化学溶液移除第二牺牲层(25)的选择性部分，使得第二MEMS器件(52)的上述可移动结构(28a)和第一MEMS器件(51)的上述悬置结构根据相应的自由度自由移动。

上述蚀刻化学溶液可以包括氢氟酸、HF，并且上述保护层(5)可以包括结晶的氧化铝。

膜层(20)可以是多孔硅或具有多个通孔或气孔的硅。

第一结构层(17)可以是导电掺杂多晶硅。

形成上述第二结构层(28)可以包括：移除第二牺牲层(25)的选择性部分，并且通过第二牺牲层(25)的上述所移除的部分直到到达并且电接触第一结构层(17)来形成第二结构层(28)的一部分。

形成第二结构层的步骤可以包括外延生长多晶硅。

该方法可以进一步包括在衬底(2)中形成掩埋腔(42)的步骤，该掩埋腔(42)在腔(22)下方并且至少部分地与腔(22)对准。

该方法还可以包括通过通孔将腔(22)与上述微机电系统(50)外部的环境流体连接的步骤。

该方法可以进一步包括通过防粘附层(65)在内部覆盖腔(22)的步骤，该防粘附层(65)使包括氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅氧烷的化学物质流动通过上述贯通口。

第二MEMS器件(52)的上述可移动结构(28a)可以包括陀螺仪的可移动质量块和/或加速度计的可移动质量块。

上述第一MEMS器件(51)可以包括电容压力传感器并且上述第二MEMS器件(52)包括惯性传感器。

一种微机电系统MEMS(50)，包括第一MEMS器件(51)和第二MEMS器件(52)，并且可以被概括为包括衬底(2)；第一电极(3)，其属于在衬底(2)上延伸的第一MEMS器件(51)；在第一电极(3)上的、可以通过蚀刻化学溶液被移除的材料的第一牺牲层(8，8′)；在第一牺牲层(8，8′)上的对上述蚀刻化学溶液不可渗透的保护层(5)；在牺牲部分(8′)上的膜层(20)，该膜层(20)由对上述蚀刻化学溶液可渗透的多孔材料制成；在隔膜层(20)下方延伸的腔(22)；第一结构层(17)，其密封膜层(20)的孔并且与膜层形成第一MEMS器件(51)的悬置结构(17，20)，上述悬置结构(17，20)通过腔(22)电容性耦合到第一电极(3)的第二电极；以及第二结构层(28)，第二结构层(28)被图案化以形成第二MEMS器件(52)的可移动结构(28a)和第一MEMS器件(51，52)的第一电极和第二电极的偏置结构(30)，其中第二MEMS器件(52)的上述可移动结构(28a)和第一MEMS器件(51)的上述悬置结构根据相应的自由度自由移动。

上述蚀刻化学溶液可以包括氢氟酸、HF，并且上述保护层(5)可以包括结晶氧化铝。

膜层(20)可以是多孔硅或具有多个通孔或气孔的硅。

第一结构层(17)可以是导电掺杂多晶硅。

第二结构层可以是外延多晶硅。

该系统可以进一步包括在衬底(2)中的掩埋腔(42)，该掩埋腔(42)在腔(22)下方并且至少部分地与腔(22)对准。

该系统可以进一步包括流体连接路径，该流体连接路径被配置为通过贯通口将腔(22)与上述微机电系统(50)外部的环境连接。

该系统可以进一步包括内部地覆盖腔(22)的防粘附层(65)，该防粘附层包括氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅氧烷。

第二MEMS器件(52)的上述可移动结构(28a)可以包括陀螺仪的可移动质量块和/或加速度计的可移动质量块。

上述第一MEMS器件(51)可以包括电容压力传感器，并且上述第二MEMS器件(52)包括惯性传感器。

上述各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。如果需要，可以修改实施例的各方面以采用各种专利、申请和出版物的概念来提供另外的实施例。

根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种用于制造微机电系统MEMS的方法，所述MEMS包括第一MEMS器件和第二MEMS器件，所述方法包括：

在衬底上形成所述第一MEMS器件的第一电极；

在所述第一电极上形成第一牺牲层；

在所述第一牺牲层上形成对蚀刻化学溶液不可渗透的保护层；

选择性地移除所述保护层的部分以暴露所述第一牺牲层的相应的牺牲部分；

在所述牺牲部分上形成多孔材料的膜层，所述膜层对所述蚀刻化学溶液可渗透；

凭借使用所述蚀刻化学溶液移除通过所述膜层的所述牺牲部分来形成腔；

形成第一结构层，所述第一结构层密封所述膜层的孔并且与所述膜层一起形成所述第一MEMS器件的悬置结构，所述悬置结构是通过所述腔电容性耦合到所述第一电极的第二电极；

在所述第一结构层上方形成能够通过所述蚀刻化学溶液被蚀刻的材料的第二牺牲层；

形成第二结构层，所述第二结构层在所述第二牺牲层上方并且与所述第二牺牲层接触；

图案化所述第二结构层以同时形成所述第二MEMS器件的可移动结构和所述第一MEMS器件的所述第一电极和所述第二电极的偏置结构；

通过所述蚀刻化学溶液移除所述第二牺牲层的选择性部分，使得所述第二MEMS器件的所述可移动结构和所述第一MEMS器件的所述悬置结构根据相应的自由度自由移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻化学溶液包括氢氟酸、HF，并且所述保护层包括结晶氧化铝。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜层是多孔硅或具有多个通孔或气孔的硅。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述第一结构层是导电掺杂多晶硅；以及

形成所述第二结构层包括：移除所述第二牺牲层的选择性部分，并且通过所述第二牺牲层的经移除的部分直到到达并且电接触所述第一结构层来形成所述第二结构层的部分。

5.根据权利要求1的方法，其中形成所述第二结构层的步骤包括外延地生长多晶硅。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述衬底中形成掩埋腔的步骤，所述掩埋腔在所述腔下方并且至少部分地与所述腔对准。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

通过贯通口将所述腔与所述微机电系统的外部环境流体地连接；以及

通过防粘附层内部地覆盖所述腔，使得包括氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅氧烷的化学物质通过所述贯通口。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二MEMS器件的所述可移动结构包括陀螺仪的可移动质量块和/或加速度计的可移动质量块。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一MEMS器件包括电容压力传感器，并且所述第二MEMS器件包括惯性传感器。

10.一种器件，包括：

第一MEMS器件；

第二MEMS器件

衬底；

第一电极，所述第一电极被耦合到在所述衬底上延伸的所述第一MEMS器件；

所述第一电极上的第一层；

在所述第一层上的、对蚀刻化学溶液不可渗透的保护层；

在所述保护层上的、多孔材料的膜层，所述膜层对所述蚀刻化学溶液可渗透；

被所述膜层重叠的腔；

第一结构层，所述第一结构层密封所述膜层的孔并且与所述膜层形成所述第一MEMS器件的悬置结构，所述悬置结构是通过所述腔电容性耦合到所述第一电极的第二电极；以及

第二结构层在所述第一结构层上，并且所述第二结构层包括：

所述第二MEMS器件的可移动结构；以及

所述第一MEMS器件的所述第一电极和所述第二电极的偏置结构。

11.根据权利要求10所述的器件，其中所述蚀刻化学溶液包括氢氟酸、HF，并且所述保护层包括结晶氧化铝。

12.根据权利要求10所述的器件，其中所述膜层是多孔硅或具有多个通孔或气孔的硅。

13.根据权利要求10所述的器件，其中所述第一结构层是导电掺杂多晶硅。

14.根据权利要求10所述的器件，其中所述第二结构层是外延多晶硅。

15.根据权利要求10所述的器件，进一步包括在所述衬底中的掩埋腔，所述掩埋腔在所述腔下方并且至少部分地与所述腔对准。

16.根据权利要求10所述的器件，进一步包括：

流体连接路径，所述流体连接路径被配置为通过贯通口将所述腔与所述微机电系统的外部环境连接；以及

内部地覆盖所述腔的防粘附层，所述防粘附层包括氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅氧烷。

17.根据权利要求10所述的器件，其中所述第二MEMS器件的所述可移动结构包括陀螺仪的可移动质量块和加速度计的可移动质量块中的至少一项。

18.根据权利要求10所述的器件，其中所述第一MEMS器件包括电容压力传感器，并且所述第二MEMS器件包含惯性传感器。

19.一种器件，包括：

包括表面的衬底；

在第一表面上的多个层；

所述多个层内的腔；

在所述多个层上的结构层；

多个通孔，所述多个通孔延伸到所述结构层中并且延伸到所述多个层中；

第一MEMS器件，所述第一MEMS器件包括所述多个层的膜和与所述腔重叠的所述结构层；

与所述第一MEMS器件相邻的第二MEMS器件。

20.根据权利要求19所述的器件，其中：

所述第一MEMS器件是电容传感器；以及

所述第二MEMS器件是惯性传感器。

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