TW201515240A - 在單一晶片上的慣性和壓力感測器 - Google Patents

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Abstract

在一實施例中，用於一種電容式的壓力感測器的處理流程是與用於一種慣性感測器的處理流程作結合。以此方式，一種慣性感測器被實現在壓力感測器的薄膜層之內。元件層被同時使用作為用於在慣性感測器中的平面外感測之z軸電極、且/或作為用於慣性感測器的接線層。壓力感測器處理流程的薄膜層(或罩蓋層)被使用以界定慣性感測器感測結構。在薄膜層之中的絕緣氮化物栓塞被用以電氣去耦合用於一種多軸慣性感測器的各種感測結構，允許完全差異的感測。

Description

在單一晶片上的慣性和壓力感測器 【交互參照】
此件申請案主張在西元2013年8月5日所提出的美國臨時申請案第61/862,370號之裨益，其整體內容是以參照方式而納入本文。
此揭露內容概括關於晶圓與基板，諸如用於微機電系統(MEMS,microelectromechanical system)元件或半導體元件的彼等者。
靜電MEMS共振器已經是用來取代習用的石英晶體共振器之一有希望的技術候選者，歸因於對於較小的尺寸、較低的功率消耗與低成本的矽製造之可能性。然而，此類的元件典型會受損於不可接受地大的動阻抗(motional-impedance)(Rx)。朝平面外(out-of-plane)的方向(即：垂直於由該元件被形成在其上的基板所界定之平面的方向)而操作之MEMS元件具有優點為在頂表面與底表面上的大的換能面積，造成在動電阻的降低。結果，平面外元件已經受到大量注意，造成在諸如數位微鏡元件與干涉調變器之領域的重大進展。
平面外電極的潛在裨益是在其影響Rx的因素之考量時而為顯明。描述Rx的方程式是如下： 其中“cr”是共振器的有效阻尼常數； “η”是換能效率；“g”是在電極之間的間隙；“A”是換能面積；且“V”是偏壓電壓。
對於平面內(in-plane)元件，“A”被定義為H×L，其中“H”是平面內構件的高度且“L”是平面內構件的長度。因此，η是H/g之一函數且H/g是受到蝕刻長寬比(aspect ratio)所限制，蝕刻長寬比是典型為受限於約20：1。然而，對於平面外元件，“A”被定義為L×W，其中“W”是元件的寬度。因此，η並非為平面外元件的高度之一函數。更確切而言，η是(L×W)/g之一函數。因此，元件之期望的佔用空間是換能效率的主要因素。相較於平面內元件，平面外元件因此具有能力來達成顯著較大的換能效率。
慣性感測器之膠封是例如藉由晶圓接合所實行的一種標準處理。此為必要以便保護感測器結構而免於環境影響且以便提供一種最佳的操作壓力。加速度計典型為具有較高壓力(>10毫巴(mbar))以便提供充分的阻尼。陀螺儀具有較低壓力(<10毫巴)以便有效率操作。膠封處理並未被進一步描述於本文或顯示於圖式之中。
此外，MEMS感測器通常是運用對於各個感測器的專用處理流程而將各個感測器製造在一獨特的晶片上。舉例來說，一種壓力感測器是以完全不同於一種慣性感測器的處理流程來製造，結果，難以在單一晶片上製造二種感測器。
需要的是，運用一般瞭解的製造步驟所製造的一種元件將不 同型式的多個感測元件結合在單一晶片上。將為有利的是，若該種元件可使用單一製造過程而被實現在單一晶片上。
本揭露內容有利結合對於多個MEMS感測器的處理流程，使得其被製造在單一晶片上。舉例來說，一些實施例運用對於一種電容式壓力感測器的處理流程且在該種壓力感測器之製造的同時而製造一種慣性感測器。以此方式，一種慣性感測器被實現在該種壓力感測器的薄膜層之內。元件層被同時使用作為用於在慣性感測器中的平面外感測之z軸電極、且/或作為用於慣性感測器的接線層。壓力感測器處理流程的薄膜層(或罩蓋層)被使用以界定慣性感測器感測結構。在薄膜層中的絕緣氮化物栓塞被用以電氣去耦合用於一種多軸慣性感測器的各種感測結構，允許完全差異的感測/讀出。此外，藉由將慣性感測器製造在薄膜層之內，在整體的感測器面積有減少。此類的慣性感測結構具有如同目前的慣性感測結構之相同的設計彈性，諸如：允許大的側向間隙而無需附加的處理步驟。
其他處理流程可對於一種壓力感測器處理流程的薄膜層而經調適，允許諸多感測器被整合到單一處理流程與單一晶片。此外，本揭露內容不受限於一種電容式壓力感測器處理流程，且還可應用到其他換能器，諸如：壓敏電阻式換能器。再者，本揭露內容不受限於一種多晶矽薄膜之使用。
在一實施例中，一種MEMS感測器元件包括：一處置層；一元件層，其位在該處置層之上方，且在一些實施例中為與該處置層由一埋入氧化物層所隔開；一第一固定電極，其被界定在該元件層之中；一第 二固定電極，其被界定在該元件層之中且與該第一固定電極為電氣隔離；一罩蓋層，其位在該元件層之上方；一第一可動電極，其被界定在該罩蓋層之中且直接在該第一固定電極之上方的一位置；一第二可動電極，其被界定在該罩蓋層之中，至少部分直接在該第二固定電極之上方，且與該第一可動電極為電氣隔離；一第一空隙，其直接位在該第一固定電極與該第一可動電極之間，該第一空隙被密封以免於在該罩蓋層之上方的周圍環境；及，一第二空隙，其直接位在該第二固定電極與該第二可動電極之間，該第二空隙對於該周圍環境為敞開。
在一些MEMS感測器元件中，支撐第一可動電極之罩蓋層的一第一部分具有第一最小厚度，支撐第二可動電極之罩蓋層的一第二部分具有第二最小厚度，且該第一最小厚度是小於該第一最小厚度。
在一些上述實施例中，第一可動電極的最大厚度是實質等於第二可動電極的最大厚度。
在一些上述實施例中，第一空隙包括：一第一空隙部分，其直接定位在第一固定電極與第一可動電極之間；及，一第二空隙部分，其從第一空隙部分朝上延伸到罩蓋層之中。
在一些上述實施例中，第一可動電極的最大厚度是小於第二可動電極的最大厚度。
在一些上述實施例中，第一可動電極的一最上方表面是在第二可動電極的一最上方表面之下方。
在一些上述實施例中，第一可動電極是至少部分由下列者所界定：一第一氮化物部分，其從第一空隙的一部分朝上垂直延伸；及，一 第二氮化物部分，其從第一氮化物部分水平延伸。
在一些上述實施例中，第一可動電極是至少部分由其從第二氮化物部分朝上垂直延伸的一第三氮化物部分所進而界定。
在一些上述實施例中，第二可動電極包括：一第一可動電極部分，其直接在第二固定電極之上方；一第二可動電極部分，其與第二固定電極為水平偏離；及，一氮化物間隔件，其將第一可動電極部分與第二可動電極部分電氣隔離，該MEMS感測器元件更包括一第三固定電極，其被界定在罩蓋層之中且鄰近於第二可動電極部分。
在一些上述實施例中，第一固定電極與第一可動電極被裝配為一壓力感測器，且第二固定電極與第二可動電極被裝配為一陀螺儀感測器。
在一些上述實施例中，第一固定電極與第一可動電極被裝配為一壓力感測器，且第二固定電極與第二可動電極被裝配為一加速度計感測器。
根據另一實施例，一種形成MEMS感測器元件之方法包括：在其位在一處置層之上方的一元件層之中，界定一第一固定電極；在第一固定電極被界定之同時，在該元件層之中，界定一第二固定電極；在該元件層之上方的一罩蓋層之中，界定一第一可動電極，該第一可動電極直接在第一固定電極之上方的一位置；在該罩蓋層之中，界定一第二可動電極，該第二可動電極至少部分直接在第二固定電極之上方且與第一可動電極為電氣隔離；藉由形成一第一空隙，從該元件層來放開該第一可動電極；密封該第一空隙以免於在該罩蓋層之上方的一周圍環境；藉由形成一第二空 隙，從該元件層來放開該第二可動電極；且，該第二空隙是對於該周圍環境為打開。
在一些上述實施例中，放開該第二可動電極是在如同放開該第一可動電極的相同處理步驟期間而發生。
在一些上述實施例中，放開該第二可動電極是在放開該第一可動電極之後的一處理步驟期間而發生。
在一些上述實施例中，一種方法包括：將該第二可動電極的一第一部分與該第二可動電極的一第二部分隔離，其中該第一部分是直接在該第二固定電極之上方；且，在鄰近於該第二部分的一位置，在該罩蓋層之中，界定一第三固定電極。
在一些上述實施例中，界定一第一可動電極包括：在該罩蓋層之內，形成一下方氮化物部分，該下方氮化物部分是從一埋入氧化物層朝上延伸；在該下方氮化物部分之上方，形成一襯墊部分；且，在該罩蓋層之內，形成一上方氮化物部分，該上方氮化物部分是從該襯墊朝上延伸。
在一些上述實施例中，一種方法包括：直接在該界定的第一可動電極之上方，蝕刻該罩蓋層的一部分，以提供該第一可動電極被界定在其中之一減小厚度的薄膜。
在一些上述實施例中，從該元件層來放開該第一可動電極包括：形成其直接位在該界定的第一固定電極與該界定的第一可動電極之間的一第一空隙部分；且，在該罩蓋層之內，形成其從該第一空隙部分朝上延伸的一第二空隙部分。
在一些上述實施例中，一種方法包括：在該第一固定電極被 界定之同時，在該元件層之中，界定一第三固定電極；且，在該罩蓋層之中，界定一第三可動電極，該第三可動電極至少部分直接在該第三固定電極之上方且與該第二可動電極為電氣隔離。
100‧‧‧慣性和壓力感測器
102‧‧‧處置層
104‧‧‧埋入氧化物層
106‧‧‧元件層
108‧‧‧氧化物層
110‧‧‧罩蓋層
112‧‧‧鈍化層
114‧‧‧下方壓力感測器電極
116、118‧‧‧蝕刻部分
120‧‧‧蝕刻部分
122‧‧‧上方壓力感測器電極
124、126‧‧‧間隔件
128‧‧‧上方氮化物部分
130‧‧‧下方氮化物部分
132‧‧‧氮化物襯墊部分
134、136‧‧‧間隔件
138‧‧‧連接器
140‧‧‧平面內電極部分
142‧‧‧上方氮化物部分
144‧‧‧下方氮化物部分
146‧‧‧氮化物襯墊部分
147‧‧‧連接器
148‧‧‧隔離柱
150‧‧‧下方慣性感測器電極
152、154‧‧‧蝕刻部分
156、158‧‧‧蝕刻部分
160‧‧‧接點部分
162‧‧‧感測結構
166‧‧‧蝕刻部分
168‧‧‧間隔件
170‧‧‧連接器
172‧‧‧間隔件
176‧‧‧感測結構
180‧‧‧溝渠
183‧‧‧間隔件
184‧‧‧上方慣性感測器電極
188、190‧‧‧蝕刻部分
192、194、196、198‧‧‧接合墊
200‧‧‧SOI晶圓
202‧‧‧處置層
204‧‧‧埋入氧化物層
206‧‧‧元件層
208‧‧‧溝渠
210‧‧‧連接器
212‧‧‧溝渠氮化物部分
214、216‧‧‧溝渠
218‧‧‧下方電極
220‧‧‧下方壓力電極
222‧‧‧溝渠氧化物部分
224‧‧‧氧化物層
226‧‧‧溝渠
228‧‧‧磊晶多晶矽沉積物
230、232、234、236、238‧‧‧接點開口
242、244、246、248、250‧‧‧下方中間接點部分
254‧‧‧下方罩蓋層部分
256‧‧‧溝渠
258‧‧‧上方電極
260、262、264‧‧‧溝渠
266‧‧‧平面內慣性感測部分
268‧‧‧平面外慣性感測部分
270、274‧‧‧溝渠
272、276‧‧‧中間接點部分
278、280、282、284、286、288‧‧‧溝渠氮化物部分
290、292‧‧‧通風孔
294、296、298、300、302、304‧‧‧襯墊
306‧‧‧上方罩蓋層部分
308、310、312、314、316、318‧‧‧溝渠
320‧‧‧氮化物鈍化層
322、324、326、328、330、332‧‧‧鈍化部分
334、336、338、340‧‧‧接點開口
342‧‧‧金屬層
344、346、348、350‧‧‧金屬接點部分
352、354、356、358‧‧‧接合墊
360、362‧‧‧蝕刻部分
364、366、368、370‧‧‧溝渠
400‧‧‧慣性和壓力感測器
401‧‧‧壓力感測器薄膜
410‧‧‧罩蓋層
420‧‧‧蝕刻部分
421‧‧‧升高部分
423‧‧‧外部邊緣
600‧‧‧慣性和壓力感測器
601‧‧‧壓力感測器薄膜
690‧‧‧蝕刻部分
709‧‧‧氧化物層
圖1描繪一種感測器元件的側視橫截面圖，該種感測器元件將平面內與平面外的慣性感測器和壓力感測器納入在單一晶片上；圖2至21描繪用於圖1的感測器元件之一種製造方法的側視橫截面圖；圖22描繪類似於圖1者之一種感測器元件的側視橫截面圖，其中，壓力感測器薄膜具有像凸起的形成，因而減小該壓力感測器薄膜的有效厚度；圖23描繪類似於圖1者之一種感測器元件的側視橫截面圖，其中，暴露出壓力感測器之寬的蝕刻部分被蝕刻較深，使得該壓力感測器薄膜具有減小的厚度；且圖24描繪一種修正處理步驟，其中，在壓力感測器之上方的寬的蝕刻部分已經使用薄的氧化物層作為蝕刻終止部而被蝕刻。
為了促進本揭露內容的原理之瞭解，將提及在圖式所圖示且在以下撰寫的說明書中所述的實施例。將瞭解的是，無意因而對於揭露內容的範疇有任何限制。將進一步瞭解的是，本揭露內容包括對於所示的實施例之任何的變更與修改且包括揭露內容的原理之進一步應用，如將為熟習此揭露內容有關技藝人士所通常想到。
圖1描繪一種慣性和壓力感測器100，其包括一處置層102、 一埋入氧化物層104、及一元件層106。一氧化物層108將元件層106與一罩蓋層110分開。一鈍化層112的剩餘部分是位在罩蓋層110之上方。
在元件層106之內，一下方壓力感測器電極114是由二個蝕 刻部分116與118所界定。儘管此說明分開論述蝕刻部分116與118，將瞭解的是，在至少一些實施例中，蝕刻部分116與118是界定該電極114的單一蝕刻部分。下方壓力感測器電極114是藉由氧化物層108的一蝕刻部分120而與罩蓋層110為隔離。蝕刻部分116、118與120是透過通風孔所釋放，通風孔是由罩蓋層110所密封，如下文所更為詳細論述。通風孔之密封提供其包括蝕刻部分116、118與120之一閉合的空隙。
一上方壓力感測器電極122是位在下方壓力感測器電極114 之上方，且藉由蝕刻部分120而與該下方壓力感測器電極為電氣及機械隔離。上方壓力感測器電極122是藉由二個間隔件124與126而與罩蓋層110的其餘部分為隔離。間隔件124與126是從罩蓋層110的上表面延伸到蝕刻部分120且包括上方與下方氮化物部分128與130、以及在上方與下方氮化物部分128與130之間的一氮化物襯墊部分132。儘管此說明分開論述間隔件124與126，將瞭解的是，在至少一些實施例中，間隔件124與126是界定該電極122的單一間隔件。
從鈍化層112延伸到氧化物層108的間隔件134與136將在 罩蓋層110之中的一連接器138與罩蓋層110的其餘部分電氣隔離。連接器138是與一平面內的電極部分140為電氣連通，平面內的電極部分140被進而連接到下方壓力感測器電極114。間隔件136是如同間隔件124與126而形成。間隔件136被形成具有一上方氮化物部分142與二個下方氮化物部分 144，其具有在上方與下方氮化物部分142與144之間的一氮化物襯墊部分146。一連接器147是從鈍化層112延伸到處置層102。連接器147是藉由間隔件136所界定在罩蓋層110之中且藉由一隔離柱148所界定在該元件層之中。隔離柱148是在間隔件136之下方而從氧化物層108延伸為通過元件層106、通過埋入氧化物層104到處置層102之中。
在元件層106之內，用於平面外的感測之一下方慣性感測器 電極150是由二個蝕刻部分152與154所界定。儘管此說明分開論述蝕刻部分152與154，將瞭解的是，在至少一些實施例中，蝕刻部分152與154是界定該電極150的單一蝕刻部分。下方慣性感測器電極150是藉由氧化物層108的蝕刻部分156與158而與罩蓋層110為電氣隔離，除了經由一接點部分160之外。蝕刻部分152、154、156與158是透過通風孔所釋放。該等通風孔維持打開，因而作成一空隙，其為打開，即與在罩蓋層之上方的周圍環境為流體連通。進一步可能的是，在溝渠180等等為以一單獨的釋放(release)蝕刻處理所作成之後，釋放該等蝕刻部分。此程序具有一優點在於：犧牲層可於是亦被使用作為用於溝渠180等等之一蝕刻終止部(stop)。
用於平面外的感測之一感測結構162(類似結構可被用於平 面內的感測：相對電極是類似於感測結構而於是亦為平面內)是位在下方慣性感測器電極150之上方，且藉由蝕刻部分156而與下方慣性感測器電極150為電氣及機械隔離。感測結構162是藉由蝕刻部分166而在一側與罩蓋層110的一部分為電氣及機械隔離，蝕刻部分166是從罩蓋層110的上表面而完全延伸到蝕刻部分156。蝕刻部分166與(其為如同間隔件124與126而形成的)一間隔件168將在罩蓋層110之中的一連接器170與罩蓋層110的 其餘部分電氣隔離。連接器170是經由接點部分160而與下方慣性感測器電極150為電氣連通。(由其從罩蓋層110的上表面延伸到蝕刻部分156之一氮化物部分所組成的)一間隔件172將感測結構162與一感測結構176電氣隔離，而且提供其機械耦合。此允許全然不同的電容式感測/讀出。
感測結構176提供平面內或平面外的感測且為位在罩蓋層 110之中且藉由蝕刻部分156而與元件層106為隔離。感測結構176是藉由蝕刻部分180而與罩蓋層110的其餘部分在一側為機械及電氣隔離，蝕刻部分180是從罩蓋層110的上表面而完全延伸到蝕刻部分156。蝕刻部分180與(其為如同間隔件124與126而形成的)一間隔件183將在罩蓋層110之中的一上方慣性感測器電極184與罩蓋層110的其餘部分電氣隔離。
一寬的蝕刻部分188暴露該罩蓋層的上表面而顯露出感測 結構162與176。一寬的蝕刻部分190暴露該罩蓋層的上表面而顯露出上方壓力感測器電極122。一接合墊192是穿過鈍化層112而連接到上方慣性感測器電極184。一接合墊194是穿過鈍化層112而連接到連接器170，其為進而連接到下方慣性感測器電極150。一接合墊196是穿過鈍化層112而連接到連接器138，其為進而連接到下方壓力感測器電極114。一接合墊198是穿過鈍化層而連接到連接器147。
用於形成諸如慣性和壓力感測器100的感測器之一種製程 是關於圖2至21來作論述。初始參考圖2，包括一處置層202、一埋入氧化物層204與一元件層206之一SOI晶圓200被提供且經蝕刻具有一溝渠208以界定一連接器210。溝渠208接著被填充具有一溝渠氮化物部分212且溝渠214與216被蝕刻(圖3)。溝渠214界定用於平面外的慣性感測之下方電 極218，而溝渠216界定一下方壓力電極220。
溝渠部分214與216接著運用一種共形氧化物沉積(conformal oxide deposition)而被填充具有一溝渠氧化物部分222，如在圖4所示。填充後的溝渠界定在元件層之中的固定電極。儘管僅有二者被形成在此實施例中，附加的電極可針對於特定應用而被界定。氧化物沉積進一步造成在元件層206的上表面之上的一氧化物層224。氧化物層224可藉由諸如化學機械拋光(CMP,chemical mechanical polishing)的任何期望技術而被平面化。
一溝渠226被蝕刻穿過氧化物層224、元件層206與埋入氧 化物層204以暴露出處置層202的上表面(圖5)。一磊晶(epi-)多晶矽沉積物228填充溝渠226(圖6)且另外的溝渠230、232、234、236與238被蝕刻穿過氧化物層224。
參考圖7，一磊晶多晶矽沉積物是用下方中間接點部分 242、244、246、248與250來填充接點開口230、232、234、236與238。磊晶多晶矽沉積物進而造成在氧化物層224之上方的一下方罩蓋層部分254。 若干個溝渠接著被蝕刻到罩蓋層部分254之中。一溝渠256是在下方罩蓋層部分254之CMP後而被蝕刻(圖8)。溝渠256是從下方罩蓋層部分254的上表面而延伸到氧化物層224的上表面以界定用於壓力感測的一上方電極258。溝渠260、262與264被類似蝕刻以界定在溝渠260與262之間的一平面內的慣性感測部分266，且用以界定在溝渠262與264之間的一平面外的慣性感測部分268。
溝渠270被類似蝕刻以界定一中間接點部分272，其為與下 方中間接點部分250(參閱：圖7)作連接。最後，溝渠274被類似蝕刻以界 定一中間接點部分276，其被連接到下方接點部分228(參閱：圖6)。溝渠256、260、262、264、270與274接著用一種低應力的氮化物來填充以作成溝渠氮化物部分278、280、282、284、286與288，如在圖9所示。
參考圖10，在通風孔290與292被形成之後，一種HF蒸氣 蝕刻釋放被實行，其釋放平面內的慣性感測部分266與平面外的慣性感測部分268。上方壓力感測器電極122亦藉由該種蒸氣蝕刻而被釋放。此步驟因此設定在感測電極與結構之間的對應間隙。一種潔淨的高溫密封接著被實行在一磊晶反應器以密封通風孔290/292。替代而言，通風孔290/292可運用氧化物、氮化物、矽遷移等等而被密封。造成的組態被顯示在圖11之中，其中，下方罩蓋層部分254已經在HF蒸氣釋放之後而被改造。
一低應力的氮化物層292接著被沉積在下方罩蓋層部分254 的上表面之上(圖12)，且接著為平面化。氮化物層292被圖案化且經蝕刻而造成圖13的組態。在圖13之中，氮化物層292的剩餘者形成襯墊294、296與298。氮化物層292的另外剩餘者形成用於上方電極258的一襯墊300、以及用於中間接點部分272與中間接點部分276的襯墊302與304。襯墊294、296、298、300、302與304的側向限度(當於橫截面所觀視)可經選擇以提供對於因此界定的構件之期望隔離特性。
一磊晶多晶矽層接著被形成在下方罩蓋層部分254的上表面及襯墊294、296、298、300、302與304的上表面之上以形成一上方罩蓋層部分306(圖14)。若為期望，上方罩蓋層部分306可被平面化。
溝渠308、310、312、314、316與318接著被蝕刻，如在圖15所描繪。溝渠308是從上方罩蓋層部分306的上表面延伸到其作用為一 蝕刻終止部之襯墊294的上表面。溝渠310是從上方罩蓋層部分306的上表面延伸到其作用為一蝕刻終止部之襯墊296的上表面。溝渠312是從上方罩蓋層部分306的上表面延伸到其作用為一蝕刻終止部之襯墊298的上表面。 溝渠314是從上方罩蓋層部分306的上表面延伸到其作用為一蝕刻終止部之襯墊300的上表面。溝渠316是從上方罩蓋層部分306的上表面延伸到其作用為一蝕刻終止部之襯墊302的上表面。溝渠318是從上方罩蓋層部分306的上表面延伸到其作用為一蝕刻終止部之襯墊304的上表面。
一氮化物鈍化層320接著被沉積在上方罩蓋層部分306的上 表面之上，如圖在16所示。經沉積的氮化物還填充溝渠308、310、312、314、316與318為具有鈍化部分322、324、326、328、330與332。儘管未顯示在圖16之中，在一些實施例中，諸如襯墊300的一襯墊亦被提供為鈍化部分300。
接點開口334、336、338與340接著被蝕刻為穿過氮化物鈍 化層320(圖17)。如在圖19所示，一金屬層342接著被沉積在鈍化層320之上。金屬層342還填充接點開口334、336、338與340為具有金屬接點部分344、346、348與350。金屬層342接著被圖案化且蝕刻而造成圖19的組態。在圖19之中，金屬層342的一剩餘部分形成用於平面內的慣性感測部分266之一接合墊352。金屬層342的一剩餘部分形成用於平面外的慣性感測部分268之一接合墊354。金屬層342的一剩餘部分形成用於中間接點部分272之一接合墊356。金屬層342的一剩餘部分形成用於中間接點部分276之一接合墊358。
鈍化層320接著被圖案化且蝕刻而造成圖20的組態。在圖 20之中，一寬的蝕刻部分360實質顯露出平面內的慣性感測部分266與平面外的慣性感測部分268之上表面。還有一寬的蝕刻部分362，其完全顯露出上方電極258與上方罩蓋層部分306的一些環繞部分。
參考圖21，溝渠364、366、368與370被完全蝕刻為穿過上 方罩蓋層部分306與下方罩蓋層部分254。圖21之結構是相同於圖1的慣性和壓力感測器100之結構。
上述的方法可用各種方式來修改以提供另外的特點。舉例來 說，在實施例中，其中，層224之釋放是在關於圖21所論述的步驟之後而發生在慣性感測器區域中，用於鈍化部分324的溝渠(當並無任何關聯於鈍化部分324的襯墊)可連同關於圖15所述的溝渠而在單一步驟中被形成。
作為另一實例，在一些實施例中，鈍化層320未如同關於圖 20之上文所論述而被蝕刻。更確切而言，鈍化層320被保留在適當位置以便保護壓力感測器，且/或被使用作為一種用於關於圖21的溝渠之上文所論述的慣性感測器型樣化的硬質遮罩(hardmask)。
甚者，有時為有利的是具有用於一慣性感測器區域之大的結 構層厚度與用於一壓力感測器區域之較低的結構厚度，以便具有對於二個感測器之良好的靈敏度。壓力感測器薄膜較佳為8-12微米厚，而慣性感測器作用層較佳為10-40微米厚。圖22描繪一種慣性和壓力感測器400，其中，一壓力感測器薄膜401的有效厚度已經降低。
慣性和壓力感測器400是類似於圖1所示的慣性和壓力感測 器100，且共有慣性和壓力感測器100的所有結構特徵。在慣性和壓力感測器400與慣性和壓力感測器100之間的差異是在於，慣性和壓力感測器400 具有一蝕刻部分420(其為對應於慣性和壓力感測器100的蝕刻部分120)，其更包含一升高部分421。蝕刻部分420的升高部分421是位在蝕刻部分420的外部邊緣423且突出到罩蓋層410(其為對應於慣性和壓力感測器100的罩蓋層110)之中。如所描繪，升高部分421概略突出穿過罩蓋層410的中途，但可被設計以如所期望來修改該壓力感測器薄膜的有效厚度。關於在該薄膜(罩蓋層110)之中的電極之罩蓋層110的減小厚度有效減小該薄膜厚度。 升高部分21僅為藉由蝕刻該罩蓋層部分254(在圖7)且將附加的氧化物沉積在該等溝渠中而易於形成。其餘的處理步驟為實質相同。
圖23描繪一替代實施例，其中，壓力感測器薄膜的有效厚 度已經再次被減小。圖23描繪一種慣性和壓力感測器600，其中，一壓力感測器薄膜601的有效厚度已經藉由蝕刻一較深的寬蝕刻部分690(其對應於感測器100之寬的蝕刻部分190)而被減小。慣性和壓力感測器600在其他方面為類似於圖1所示的慣性和壓力感測器100，且共有慣性和壓力感測器100的所有其他結構特徵。
慣性和壓力感測器600可實質為以如同慣性和壓力感測器 100的相同方式來製造。主要差異是在於：在EPI薄膜層(即：在圖13與14的組態之間)的沉積期間，一薄層的氧化物被沉積。此在慣性感測器結構的溝渠之期間被使用為一溝渠終止部(stop)，造成圖24的組態，其顯示具有氧化物的薄層709之一種慣性和壓力感測器600。運用此修改，薄膜厚度可被減小到所需的厚度。在其中該氧化物層224之釋放是在關於圖21的上述步驟之後而發生在慣性感測器區域之實施例中，氧化物層709是在感測器結構之釋放蝕刻期間被移除，或在一單獨的釋放/蝕刻步驟之期間。因此，該 種方法被修改以包括僅有用於氧化物沉積與型樣化的附加步驟。
根據上述的實施例，一壓力感測器和一加速度計被製造在單 一晶片上。在一些實施例中，一壓力感測器和一陀螺儀被製造在單一晶片上。圖1的元件可因此被裝配為一壓力感測器和一加速度計、或一壓力感測器和一陀螺儀。藉由提供實質如同在感測器電極114與122之左側的結構之另一種結構，附加的感測度為可能。因此，在其他實施例中，一種7自由度的組合晶片被製造為具有一壓力感測器、一3軸的加速度計與一3軸的陀螺儀。在一些實施例中，該種晶片具有磁力計的功能性(例如：霍爾(hall)感測器)。
在一些實施例中，一種10自由度的組合晶片被製造為具有 一3軸的磁力計，其被實現在一種特定應用積體電路(ASIC,application-specific integrated circuit)，如同一附加晶片，或如同在相同MEMS晶片上的慣性感測器部分之相同處理流程中的一種勞倫茲力(Lorentz-force)磁力計。
在一些實施例中，膠封是使用具有Si罩蓋晶圓之晶圓接合 (金屬、共熔、SLID、玻璃料)來作成。在其他實施例中，一種晶圓接合膠封之Si罩蓋晶圓是一ASIC晶片。
在一些實施例中，晶片具有一種裸晶封裝，且為具有穿透矽通孔的一ASIC。在一些實施例中，壓力感測器區域並未由罩蓋晶圓所覆蓋。在一些實施例中，罩蓋晶圓具有在壓力感測器的區域內而蝕刻到其中的一存取埠以便具有一壓力埠。在一些實施例中，晶片具有一薄膜凹部，運用在EPI薄膜層內的一氧化物層來作為一蝕刻終止部。在一些實施例中，薄膜具有一凸起構造，運用一氧化物阻斷構造在薄膜沉積之前。
儘管此揭露內容已經在圖式與前文描述中詳細說明且敘 述，該等圖式與前文描述應被視為說明性質而非為限制性質。瞭解的是，僅有較佳實施例已經呈現且其成為在此揭露內容的精神內之所有的變化、修改與進一步的應用均為期望受到保護。
100‧‧‧慣性和壓力感測器
102‧‧‧處置層
104‧‧‧埋入氧化物層
106‧‧‧元件層
108‧‧‧氧化物層
110‧‧‧罩蓋層
112‧‧‧鈍化層
114‧‧‧下方壓力感測器電極
116、118、120‧‧‧蝕刻部分
122‧‧‧上方壓力感測器電極
124、126‧‧‧間隔件
128‧‧‧上方氮化物部分
130‧‧‧下方氮化物部分
132‧‧‧氮化物襯墊部分
134、136‧‧‧間隔件
138‧‧‧連接器
140‧‧‧平面內電極部分
142‧‧‧上方氮化物部分
144‧‧‧下方氮化物部分
146‧‧‧氮化物襯墊部分
147‧‧‧連接器
148‧‧‧隔離柱
150‧‧‧下方慣性感測器電極
152、154、156、158‧‧‧蝕刻部分
160‧‧‧接點部分
162‧‧‧感測結構
166‧‧‧蝕刻部分
168、172‧‧‧間隔件
170‧‧‧連接器
176‧‧‧感測結構
180‧‧‧溝渠
183‧‧‧間隔件
184‧‧‧上方慣性感測器電極
188、190‧‧‧蝕刻部分
192、194、196、198‧‧‧接合墊

Claims (19)

  1. 一種微機電系統感測器元件，其包含：一處置層；一元件層，其位在該處置層之上方；一第一固定電極，其被界定在該元件層之中；一第二固定電極，其被界定在該元件層之中且與該第一固定電極為電氣隔離；一罩蓋層，其位在該元件層之上方；一第一可動電極，其被界定在該罩蓋層之中且直接在該第一固定電極之上方的一位置；一第二可動電極，其被界定在該罩蓋層之中，至少部分直接在該第二固定電極之上方，且與該第一可動電極為電氣隔離；一第一空隙，其直接位在該第一固定電極與該第一可動電極之間，該第一空隙被密封以免於在該罩蓋層之上方的一周圍環境；及一第二空隙，其直接位在該第二固定電極與該第二可動電極之間，該第二空隙對於該周圍環境為打開。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機電系統感測器元件，其中：支撐該第一可動電極之該罩蓋層的一第一部分具有第一最小厚度；支撐該第二可動電極之該罩蓋層的一第二部分具有第二最小厚度；且該第一最小厚度是小於該第一最小厚度。
  3. 如申請專利範圍第2項之微機電系統感測器元件，其中該第一可動電極的最大厚度是實質等於該第二可動電極的最大厚度。
  4. 如申請專利範圍第3項之微機電系統感測器元件，其中該第一空隙包含：一第一空隙部分，其直接定位在該第一固定電極與該第一可動電極之間；及一第二空隙部分，其從該第一空隙部分朝上延伸到該罩蓋層之中。
  5. 如申請專利範圍第2項之微機電系統感測器元件，其中該第一可動電極的最大厚度是小於該第二可動電極的最大厚度。
  6. 如申請專利範圍第5項之微機電系統感測器元件，其中該第一可動電極的一最上方表面是在該第二可動電極的一最上方表面之下方。
  7. 如申請專利範圍第1項之微機電系統感測器元件，其中該第一可動電極是至少部分由下列者所界定：一第一氮化物部分，其從該第一空隙的一部分朝上垂直延伸；及一第二氮化物部分，其從該第一氮化物部分水平延伸。
  8. 如申請專利範圍第7項之微機電系統感測器元件，其中該第一可動電極是進一步至少部分由下列者所界定：一第三氮化物部分，其從該第二氮化物部分朝上垂直延伸。
  9. 如申請專利範圍第7項之微機電系統感測器元件，其中該第二可動電極包含：一第一可動電極部分，其直接在該第二固定電極之上方；一第二可動電極部分，其與該第二固定電極為水平偏離；及一氮化物間隔件，其將該第一可動電極部分與該第二可動電極部分電氣隔離，該微機電系統感測器元件更包括： 一第三固定電極，其被界定在該罩蓋層之中且鄰近於該第二可動電極部分。
  10. 如申請專利範圍第1項之微機電系統感測器元件，其中：該第一固定電極與該第一可動電極被裝配為一壓力感測器；且該第二固定電極與該第二可動電極被裝配為一陀螺儀感測器。
  11. 如申請專利範圍第1項之微機電系統感測器元件，其中：該第一固定電極與該第一可動電極被裝配為一壓力感測器；且該第二固定電極與該第二可動電極被裝配為一加速度計感測器。
  12. 一種形成微機電系統感測器元件之方法，其包含：在其位在一處置層之上方的一元件層之中，界定一第一固定電極；在該第一固定電極被界定之同時，在該元件層之中，界定一第二固定電極；在該元件層之上方的一罩蓋層之中，界定一第一可動電極，該第一可動電極直接在該第一固定電極之上方的一位置；在該罩蓋層之中，界定一第二可動電極，該第二可動電極至少部分直接在該第二固定電極之上方且與該第一可動電極為電氣隔離；藉由形成一第一空隙，從該元件層來放開該第一可動電極；密封該第一空隙以免於在該罩蓋層之上方的一周圍環境；藉由形成一第二空隙，從該元件層來放開該第二可動電極；且該第二空隙是對於該周圍環境為打開。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中放開該第二可動電極是在如同放開該第一可動電極的相同處理步驟期間而發生。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中放開該第二可動電極是在放開該第一可動電極之後的一處理步驟期間而發生。
  15. 如申請專利範圍第12項之方法，其更包含：將該第二可動電極的一第一部分與該第二可動電極的一第二部分隔離，其中該第一部分是直接在該第二固定電極之上方；且在鄰近於該第二部分的一位置，在該罩蓋層之中，界定一第三固定電極。
  16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中界定一第一可動電極包含：在該罩蓋層之內，形成一下方氮化物部分，該下方氮化物部分是從一埋入氧化物層朝上延伸；在該下方氮化物部分之上方，形成一襯墊部分(gasket portion)；且在該罩蓋層之內，形成一上方氮化物部分，該上方氮化物部分是從該襯墊朝上延伸。
  17. 如申請專利範圍第12項之方法，其更包含：直接在該界定的第一可動電極之上方，蝕刻該罩蓋層的一部分，以提供該第一可動電極被界定在其中之一減小厚度的薄膜(membrane)。
  18. 如申請專利範圍第12項之方法，其中從該元件層來放開該第一可動電極包含：形成其直接位在該界定的第一固定電極與該界定的第一可動電極之間的一第一空隙部分；且在該罩蓋層之內，形成其從該第一空隙部分朝上延伸的一第二空隙部分。
  19. 如申請專利範圍第12項之方法，其更包含：在該第一固定電極被界定之同時，在該元件層之中，界定一第三固定電極；且在該罩蓋層之中，界定一第三可動電極，該第三可動電極至少部分直接在該第三固定電極之上方且與該第二可動電極為電氣隔離。
TW103126556A 2013-08-05 2014-08-04 在單一晶片上的慣性和壓力感測器 TWI624954B (zh)

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