TW201838908A - Ｍｅｍｓ裝置及製程 - Google Patents

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Abstract

本案揭露一種MEMS裝置及相關的製造方法。MEMS裝置包括過濾器，其設置及配置用以阻止顆粒從基板下方的區域進入到基板空腔內部的至少一區域。

Description

MEMS裝置及製程
本發明涉及微機電系統(MEMS)裝置和製程，特別涉及與傳感器(例如電容式麥克風)相關的MEMS裝置和製程。
MEMS裝置變得越來越流行。MEMS傳感器，特別是MEMS電容式麥克風，越來越多地用於便攜式電子設備，例如移動電話和便攜式計算設備。
使用MEMS製造過程形成的麥克風裝置通常包括一個或多個可移動膜和靜態背板，其中各個電極沉積在膜和背板上，其中一個電極用於讀出/驅動，另一個電極用於偏壓。基板至少支撐膜並且通常也支撐背板。在具有MEMS壓力傳感器和麥克風的情況下，讀出通常透過測量膜與背板電極之間的電容來完成。在具有傳感器的情況下，通過在膜和背板電極上提供的電位差驅動(即偏壓)裝置。
圖1繪示已知的電容式MEMS麥克風裝置10。電容式麥克風裝置10包括膜層1，此膜層1形成可撓膜，其響應由聲波產生的壓力差而自由移動。第一電極3機械耦合到可撓膜，並且它們一起形成電容式麥克風裝置的第一電容板。第二電極2機械地耦合到通常為剛性的結構層或背板4，其一起形成電容式麥克風裝置的第二電容板。
在使用中，響應與入射在MEMS麥克風傳感器上的壓力波對應的聲波，膜從其平衡位置略微變形。下電極3與上電極2之間的距離相應地改變，導致隨後由電子電路(未示出)檢測到的兩個電極之間的電容產生變化。
電容式麥克風形成在基板101(例如矽基板)上，其可以具有在其上形成的上和下氧化物層103、105。在膜下方提供基板內和任何上覆層(下文中也稱為基板空腔)內的空腔或通孔8。基板空腔8連接到位於膜正下方的第一空腔9。這些空腔8與9可共同提供聲學體積，從而響應聲刺激，允許膜的移動。介於第一電極2與第二電極3之間的是第二空腔10。多個排放孔11連接第一空腔109和第二空腔10。
多個聲孔12佈置在背板4中，以允許空氣分子通過背板自由移動，使得第二空腔10形成聲學體積的一部分，在背部的另一側上具有背板。膜1因此被支撐在兩個體積之間，一個體積包括空腔9與基板空腔8，另一個體積包括空腔10與背板上方的任何空間。這些體積的大小使得隔膜可以響應通過這些體積之其中一者進入的聲波而移動。典型地，入射聲波到達膜的體積被稱為「前體積」，而另一個體積可以大致上被密封，其被稱為「後體積」。
為了提供保護，MEMS傳感器通常將被包含在封裝內。該封裝有效地封裝MEMS傳感器並且可以提供環境保護，並且還可以為電磁干擾(EMI)、靜電放電(ESD)等提供屏蔽。該封裝還提供至少一個用於將電信號輸出到下游電路的外部連接。對於麥克風、壓力傳感器等，封裝通常具有端口孔，以允許將聲壓波傳送到封裝內的傳感器/從傳感器傳輸。
由於封裝內需要端口孔，因此環境污染，例如封裝內形式為固體顆粒仍會出現。應當理解的是，MEMS傳感器的空腔內存在固體顆粒， 特別是在兩個電極之間的空氣間隙中，可能對裝置的性能和/或功能具有不利影響。例如，在具有MEMS麥克風傳感器的情況下，固體顆粒可以通過聲學端口進入傳感器封裝，並且可能最終經由基板空腔污染傳感器裝置。MEMS傳感器內，特別是麥克風傳感器的聲學空腔內的顆粒的出現可能導致許多問題，包括發生電短路、機械阻塞，即堵塞和腐蝕。因此，由於顆粒污染物，MEMS的性能會隨著時間的推移而降低，並且如果膜的運動受到污染物顆粒的抑制，也可能導致裝置嚴重故障。
還將認識到，水將傾向於在MEMS傳感器的表面上積聚。MEMS空腔內的水的存在還可能潛在地影響傳感器性能與/或功能性，例如，透過加劇腐蝕和靈敏度漂移。
已知為MEMS傳感器提供環境屏障，例如，用於防止或者至少抑制顆粒到達傳感器的顆粒過濾器。環境屏障還可以防止液態水到達傳感器。通常在基板的上表面與膜之間提供這種過濾器/屏障。然而，這種配置可能會造成隔膜與屏障/過濾器接觸，而可能粘附到屏障/過濾器上的風險。
本文描述的示例結合了環境過濾器的MEMS傳感器，以便減輕與固體顆粒污染與/或水進入傳感器的空腔相關的問題。這裡描述的示例特別但不限應用於MEMS麥克風傳感器。
根據第一態樣的示例實施例，本案提供一種MEMS傳感器，包括：基板，具有延伸穿過基板的空腔；覆蓋空腔的膜；過濾器，其設置並配置用以阻止顆粒從基板下方的區域進入到基板空腔內部的至少一區域。
基板空腔可以被認為是定義從基板的第一側中的第一開口到基板的第二側中的第二開口的聲學路徑，其中膜相對於基板的第二側或於基板的第二側「上方」被支撐。過濾器，可以被認為是形成MEMS傳感器的整合過濾器，其為空腔內部的至少一部分提供環境保護。因此，過濾器可以設置在基板空腔內和/或可以設置在基板空腔下方的平面中。過濾器可以包括一個或多個過濾層。過濾器可以被認為設置在基板上表面下方的平面中，優選地設置在基板下表面的平面處或平面處的附近。過濾器可以在第一區域與第二區域之間定義第一區域和第二區域之間的屏障，第一區域包括基板空腔的至少一部分，第二區域包括基板空腔下方的區域。
於較佳實施例中，MEMS傳感器的精確製造方法通常將確定整合過濾器的最終位置。過濾器或屏障可以理解為包括設置用以阻止一或多種污染物通過過濾器的至少一材料層。因此，材料層可以是穿孔的材料層，其設置用以允許聲壓波穿過過濾器並且阻止或大致上防止尺寸為5μm至15μm範圍內的顆粒通過過濾器。過濾器可以包括超過一層，其中每個層可以設置用以阻止不同尺寸範圍的顆粒。根據其中過濾器包括第一層和第二過濾層的示例，形成在第一過濾層中的多個孔相對於設置在第二過濾層中的多個孔偏移。根據這樣的配置，可以提供兩個或更多個過濾等級，其中第一過濾層提供比第二過濾層更小的顆粒的過濾。
根據第二態樣的示例，本案提供一種MEMS傳感器，包括：基板，具有從基板的第一側中的第一開口延伸穿過基板到基板的第二側中的第二開口的空腔；相對於基板的第二側被支撐並且覆蓋空腔的膜；設置在基板空腔內的過濾器，過濾器包括在基板空腔的第一開口處/跨過基板空腔的第一開口的至少一個過濾層。
根據第三態樣的示例，本案提供一種MEMS傳感器，包括 相對於基板空腔被支撐的可撓膜，傳感器具有用以向基板空腔的至少一個區域提供環境保護的整合過濾器。
應當理解的是，在本公開的上下文中，對顆粒的提及應理解為意指例如固體顆粒或污染物。因此，過濾器優選地設置用以抑制、阻止或防止固體顆粒通過過濾器，同時仍保持對通過過濾器的聲壓波的低聲阻抗。過濾器可以優先地被認為用以作為屏障，以防止顆粒通過，而不會顯著地將聲阻抗改變為從基板的第一(下)表面以外或下方入射到膜上的聲壓波。因此，過濾器可以設有多個允許聲壓波通過過濾器的開口或孔。
過濾器可以設置在基板的第一側的開口處或附近。根據一示例，過濾器在位於基板的第一側下方的平面中設置有過濾層。因此，過濾器可以形成在設置在基板的第一側下方的傳感器晶粒的層內。
可選地或另外地，過濾器可以設置有至少部分嵌入或凹入基板空腔內部的過濾層。在其中過濾器至少部分地嵌入在基板空腔的內部內的配置中，並且根據一示例，嵌入式過濾層可以例如為設置在基板空腔內距離過濾層厚度加上10與20μm之間的距離處(距離基板下表面的開口)。根據一示例，在基板空腔內部的1至3層厚度之間的距離內提供嵌入式過濾層。
根據另一態樣的示例，本案提供一種在基板上製造微機電系統(MEMS)傳感器的方法，基板具有空腔，空腔從基板的第一側中的第一開口延伸到在基板的第二側中的第二開口中，所述方法包括：提供相對於基板支撐的膜層以覆蓋空腔；在基板的下表面上形成過濾層；圖案化過濾層，以在基板空腔內或基板空腔的所述第一開口內形成過濾器。
過濾層的圖案化可以包括：在過濾層下方沉積犧牲層；在犧牲層中形成預定圖案；從犧牲層下方執行蝕刻製程，其中犧牲層抵抗蝕刻 製程，使得預定圖案被轉移到過濾層。預定圖案可以包括一或多個開口。
在形成過濾層之前，犧牲材料的一體積可以沉積在基板的後體積內，其中後體積定義基板空腔。犧牲材料的體積的最終等級可以有利地確定過濾器相對於基板空腔的位置。具體而言，過濾器可以由形成在基板的下表面上的連續層形成。或者，過濾器可以由沉積在基板空腔內的層形成到犧牲材料上，以形成嵌入式或凹陷式過濾器。
1‧‧‧膜層
2‧‧‧第二電極
3‧‧‧第一電極
4‧‧‧背板
6‧‧‧區域
8‧‧‧空腔
9‧‧‧第一空腔
10‧‧‧第二空腔
11‧‧‧排放孔
12‧‧‧聲孔
101‧‧‧基板
103‧‧‧上氧化層
105‧‧‧下氧化層
107‧‧‧氮化矽介電層
109‧‧‧第一犧牲層
111‧‧‧氮化矽隔膜層
113‧‧‧第一電極
114a‧‧‧走線
114b‧‧‧焊墊
117‧‧‧第二犧牲層
121‧‧‧下氧化矽層
123‧‧‧第二電極
124a‧‧‧走線
124b‧‧‧焊墊
125‧‧‧上氮化矽層
127‧‧‧焊墊連接孔
129‧‧‧焊墊增厚遮罩
131‧‧‧聲孔
133‧‧‧後體積
141‧‧‧氮化矽介電層
142‧‧‧犧牲層
145‧‧‧體積
200、300、400‧‧‧MEMS傳感器
201‧‧‧過濾器
202‧‧‧孔
1101‧‧‧蓋
1102‧‧‧封裝基板
1103‧‧‧接合線
1104‧‧‧焊墊
1105‧‧‧環
1106‧‧‧連接
1107‧‧‧殼體
1100‧‧‧傳感器
為了更好地理解本發明，並且為了顯示如何實現本發明，現在將通過示例的方式參考附圖，在附圖中：圖1是MEMS麥克風的示意性橫截面圖；圖2是圖1中所示的MEMS麥克風的立體圖；圖3a是根據第一示例的MEMS麥克風的示意性橫截面圖；圖3b繪示圖3a所示的過濾層的平面圖；圖4至14繪示圖1中的MEMS麥克風的詳細製造過程的示意性橫截面圖和立體圖；圖15a至圖15f繪示根據第一示例方法之用於MEMS麥克風的製造製程的示意性橫截面圖；圖16a至圖16f繪示根據第二示例方法之用於MEMS麥克風的製造製程的示意性橫截面圖；以及圖17a至圖7h繪示各種MEMS傳感器封裝。
圖3a繪示根據第一示例實施例的MEMS傳感器。MEMS 傳感器200是與圖1所示的傳感器類似的電容式MEMS麥克風裝置200。裝置200包括可撓膜層1，其被支撐在形成於矽晶粒基板101中的空腔(或通孔)8上方，並且在其上形成氧化物層103。第一電極3機械耦合到可撓膜，並且它們一起形成電容式麥克風裝置的第一電容板。第二電極2機械地耦合到通常為剛性的結構層或背板4，其一起形成電容式麥克風裝置的第二電容板。
傳感器還包括過濾器201，在該配置中，過濾器201被形成為直接設置在基板的下表面上的層。圖3b繪示過濾層的平面圖。過濾器201因此延伸穿過基板下表面中的空腔開口。過濾器201被配置用以將基板空腔8與基板空腔8外部的區域6分隔開。過濾器201優選適於阻止顆粒通過過濾器。因此，過濾器201充當阻擋顆粒通過的屏障，優先地不顯著改變從區域6到空腔8的流動路徑的聲阻抗。過濾器201設置有多個穿孔、開口或孔202，它們大致上允許聲壓波流過過濾器。開口優選為5μm至15μm。
根據本案的示例實施例的配置有利地提供作為MEMS傳感器晶粒的組成部分的環境屏障。也就是說，MEMS傳感器晶粒和環境屏障均由單片半導體結構形成。環境屏障可有利地用於在固體顆粒污染物到達傳感器的膜結構之前抑制或防止固體顆粒污染物。因此，過濾器可用於減少MEMS傳感器內性能劣化的風險、腐蝕或汙染造成的其他不期望的後果。具體而言，通過將過濾器設置在晶粒結構的底部處或附近。例如在基板下方提供的層內或在基板空腔內的短距離內，過濾器在通過基板的聲學路徑之初時起到環境屏障的作用，從而防止汙染物可能積聚在空腔內的風險。以這種方式定位的過濾器還可以防止晶粒附著到基板的過程期間使用的任何材料，例如環氧樹脂膠/粘合劑，流入通孔中，從而改變通孔的體積， 並潛在地改變麥克風的高頻響應。此外，可以理解的是，與先前提出的設計相比，在薄膜與過濾器之間存在靜摩擦風險，在基板空腔內提供和/或位於傳感器模具底部附近的過濾器確保了過濾器不會破壞裝置的健全性。
此外，根據本態樣的示例，過濾器可以用於衰減在高壓情況期間產生的壓力衝擊波，例如如果裝置墜落或靜電放電。因此，本文描述的示例受益於改善的健全性。
過濾器可以優選由沉積以形成通常設置在基板之下的MEMS傳感器晶粒的層中的其中一者的材料製成。例如，為了抵消由於沉積在表面基板的頂部上的各個層的固有應力而產生的晶圓的弓形，已知在矽基板下方提供應力補償層。典型地由諸如氮化矽介電層的介電層形成的應力補償層可以被設計成提供過濾器的所需特性。因此，該層可以微影圖案化，以提供顆粒過濾能力，同時還使過濾器的聲學路徑對膜的聲學阻力的影響最小化。根據一個示例，可以足夠的剛性/剛度來沉積介電層，使得過濾器的順應性可以保持為最小，從而防止與可移動隔膜或麥克風的背板的任何相互作用。
因此，根據一個示例，設置在基板的下表面上的傳感器的一或多層可以被配置用以形成環境過濾器。這樣的一或多層有利地用於雙重目的，或向裝置提供雙重功能-例如通過提供除了應力補償之外的過濾能力，以平衡晶圓中產生的任何彎曲，從而顯示一種特別節省成本的解決方案。
過濾器可以由氮化矽(Si3N4)形成。根據一個示例，過濾器由另外用作傳感器的應力補償層的氮化矽層形成。
雖然氮化矽是過濾器目前優選的材料，但可以理解的是，可以使用各種其他材料。例如，氧化矽或BPSG。此外，使用結晶/無定形和 多晶矽也是可能的。可選地，可以使用諸如NiCr和TiN的金屬材料。
過濾器可以在一側或兩側設有疏水塗層，其將用於抵抗過濾器上水分子的積聚。例如，過濾器的一或多個表面可以塗覆上諸如聚四氟乙烯的疏水性材料，通常使用PTFE(C2F4)以及在深反應離子蝕刻(Bosch)製程中的壁鈍化。因此，過濾器可以進一步用作疏水屏障，以阻止水分子進入基板空腔並因此進入傳感器膜上方和下方的聲學空腔。
根據本示例製造MEMS傳感器的方法可以開發由同一申請人提交的在先專利申請(即GB2436460B)中描述的技術。該專利描述了使用第一犧牲層來製造MEMS電容式傳感器的方法，以促進位於膜正下方的第一空腔9的形成，以及使用第二犧牲層以促進第二空腔10的形成，所述第二空腔10介於第一與第二電極2與3之間。使用第一犧牲層形成第一空腔9意味著對後體積進行蝕刻以形成基板空腔在限定第一空腔的直徑方面不起任何作用，因此，膜。這種技術可以精確控制第一空腔的直徑，而因此膜被精確地控制著。
圖4至圖14是圖示圖1中所示的MEMS麥克風的製造過程的示意性橫截面圖與/或立體圖。在圖4至圖14的描述中，注意到各種尺寸(書寫和圖示)僅提供做為示例。
參考圖4，MEMS裝置的製造過程係基於基板101。在該示例中，為了與CMOS電子裝置和CMOS製程技術整合，基板101為矽晶圓，但應當理解的是，其他基板材料和電子製造技術可以用來代替。矽基板101經受熱氧化而形成熱氧化晶圓層103和105。作為使用熱氧化的替代方案，可以使用電漿增強化學氣相沉積(PECVD)來沉積氧化物層。矽基板101的厚度例如在300μm到1000μm的範圍內，例如625μm。
在圖5中，在熱氧化層103上沉積介電層，例如氮化矽介電 層107。氮化矽介電層107可以使用諸如電漿增強化學氣相沉積(PECVD)的製程在一定溫度300℃沉積。氮化矽介電層107在MEMS裝置的後續處理期間(特別是關於圖16b中所示的後體積的蝕刻)起到蝕刻停止層的作用。較佳地，氮化矽介電層107具有厚度範圍2.3μm至2.7μm，例如2.5μm，拉伸應力為25至75MPa，例如50MPa。可以理解的是，可以使用其他介電層和/或製程。例如層可能不是為純二氧化矽-也可以使用硼磷矽酸鹽玻璃或BPSG，因為它可以在較低的溫度下沉積。本領域技術人員將會理解，層的應力不僅與層的厚度有關，也與沉積條件相關。
接下來，參考圖6a，通過沉積和蝕刻塗層在氮化矽介電層107上形成第一犧牲層109。為了確保與CMOS製造技術的兼容性，第一犧牲層109可以由多種材料製成，這些材料可以使用乾釋放製程去除。使用乾釋放製程是有利的，因為在犧牲層被釋放後不需要附加的製程步驟或乾燥。聚酰亞胺作為犧牲層(例如日立杜邦聚酰亞胺PI2610或PI2545)是優選的，因為它可以容易地旋塗到基板上並且用氧電漿清潔去除。將聚酰亞胺塗層旋塗在晶圓上以形成共形塗層，並且隨後在200℃的溫度，在大氣壓力的空氣中固化30分鐘，然後在大氣壓力的流動氮氣環境中，在375℃固化30分鐘。本領域技術人員將理解，這些參數的值僅作為示例提供，並且可以設想到適於沉積聚酰亞胺犧牲層的任何條件。底漆可以用於聚酰亞胺層，例如HD VM651。然後用光阻圖案化聚酰亞胺層並在各向異性氧電漿中蝕刻，從而留下第一犧牲層109，如圖6a所示。第一犧牲層109具有例如0.9μm至1.1μm之間的厚度，例如1μm。本領域技術人員將理解，可以使用沉積第一犧牲層109的替代方法，例如施加並蝕刻光敏聚酰亞胺。
第一犧牲層109定義如下所述去除第一犧牲層109時將留下的膜的下方的空腔(即，圖1中的第一空腔9)的尺寸和形狀。
在圖7中，在氮化矽介電層107和第一犧牲層109上沉積隔膜層，例如氮化矽隔膜層111。部分氮化矽隔膜層111用於形成麥克風(即圖1中的膜1)。氮化矽隔膜層111具有例如0.38μm至0.42μm的厚度，例如0.4μm，以及40至50MPa之間的拉伸應力，例如45MPa。
需注意的是，膜1可以由氮化矽以外的材料形成。例如，該膜也可以是多晶矽。或者，膜可以是包含金屬/氮化物/金屬或氮化物/金屬/氮化物的夾層結構的一部分。例如，複合疊層可以由鋁/氮化矽/鋁(具有例如50nm/400nm/50nm的厚度)形成。或者，金屬層可以埋入由氮化矽/鋁/氮化矽(具有例如200nm/50nm/200nm的厚度)形成的複合疊層中。另外，可以在鋁和氮化矽之間使用鈦粘合劑層。夾層結構的形成具有減少膜中不希望的變形的優點。
接下來，參考圖8a，通過在氮化矽隔膜層111上沉積或濺射導電材料(例如鋁)來形成第一電極3。較佳地，第一電極3具有在0.04μm至0.06μm範圍內的厚度，例如0.05μm，拉伸應力為175-225MPa，例如200MPa。注意到，這些厚度和應力值基於由鋁製成的第一電極，而其他厚度和應力值可以適用於由其他材料製成的電極。
儘管用於第一電極3的優選材料是鋁，但本領域技術人員將認知到，第一電極113可以包括任何其他導電材料，例如，適合用作電極材料如AlSi、AlSiCu、Ti、TiW、Cu、Ni、NiCr、Cr、Pt、Ta或Pd。
圖8b繪示第一電極3的透視圖，其繪示第一電極3如何具有用於將第一電極互連到同一基板或不同積體電路上的其他電路的相關走線114a與焊墊114b。由於所採取的橫截面的性質，走線114a未在圖8a中示出。
在圖9中，在氮化矽隔膜層111的膜區域中形成多個開口或 排放孔11。可以通過在氮化矽隔膜層111中蝕刻孔來形成排放孔11。例如，排放孔11的直徑可以是約2μm。
在圖10a中，在氮化矽隔膜層111上沉積第二犧牲層117，其較佳為與第一犧牲層109相同或相似的聚酰亞胺層，使得第二犧牲層117覆蓋第一電極3與排放孔111。當第二犧牲層117隨後如下述被去除時，第二犧牲層117定義了將留在膜上方的空腔(即，圖1中的第二空腔10)的尺寸和形狀。第二犧牲層117的厚度例如在2.1μm至2.3μm之間，例如2.2μm。雖然第二犧牲層117顯示為具有與第一犧牲層109大致相同的尺寸，但應注意，第一犧牲層109和第二犧牲層117可具有不同的尺寸，例如不同的厚度和/或不同的直徑。圖10b繪示添加了第二犧牲層117的裝置的立體圖。
然後如圖11a所示，通過先沉積下氮化矽背板層121來形成用於支撐第二電極的背板。如上所述，可以在300℃下使用PECVD製程沉積下氮化矽背板層121。下氮化矽背板層121具有例如為0.28μm至0.32μm的厚度，例如0.3μm，以及50至200MPa的拉伸應力，例如100MPa。圖11b繪示添加了氮化矽背板層121的裝置的立體圖。
然後藉由在下氮化矽背板層121上沉積導電層，例如鋁，形成第二電極2，如圖12a所示。第二電極123的厚度例如在0.09μm與0.11μm之間，例如0.1μm。圖12b繪示用於連接到其他電路組件的第二電極2及其關聯走線124a和焊墊124b的立體圖。可以理解的是，由於所採用的橫截面的性質，走線124a未在圖12a中示出。
與第一電極3一樣，用於第二電極123的材料可以包括任何導電材料，例如適合用作電極材料的Al、AlSi、AlSiCu、Ti、TiW、Cu、Ni、NiCr、Cr、Pt、Ta或Pd。
接下來，在圖13中，背板4通過沉積上氮化矽背板層125而形成。上氮化矽背板層125可以例如使用300℃下的PECVD製程來沉積。上氮化矽背板層125具有例如2.1μm至2.3μm的厚度，例如2.2μm，以及125至175MPa的拉伸應力，例如150MPa。
下和上氮化矽背板層121,125定義了支撐第二電極3的圖2的結構剛性背板4。背板設置用以具有比膜更大的剛度度量。
在圖14中，焊墊連接孔127已經在上氮化矽層125中被蝕刻，以提供與第一和第二電極113、123的電極走線的焊墊的連接，並且已經應用在焊墊增厚遮罩129。
如圖14a所示，多個聲孔131形成在上氮化矽背板層125中。聲孔131延伸到第二犧牲層117。聲孔131隨後允許第二犧牲層117(和通過排放孔11的第一犧牲層109的部分)從晶圓上方被蝕刻。在使用麥克風裝置期間，即在去除犧牲層之後，聲孔131允許聲波傳遞到膜。
現在將描述用於製造具有過濾器的MEMS傳感器的許多示例性方法。示例性方法可以方便地涉及到大致上如圖14a所示的MEMS傳感器晶粒的附加處理。
因此，圖15a至圖15f繪示根據第一示例方法的具有過濾器的MEMS傳感器的製造。在圖15a中，繪示類似於圖14a中所示的傳感器的傳感器晶粒，除了圖15a中的晶粒，沒有在基板的下表面上設置氧化層105，如圖14a所示。
參考圖15b，通過從基板下方蝕刻，直到氮化矽介電層107(其充當第一蝕刻停止層)，以形成後體積133。蝕刻包括用抗蝕劑圖案化晶片的背面，然後將該圖案轉移到晶片背面上的氮化矽介電層107，而其並不受濕蝕刻化學品的攻擊。遮罩圖案通常是正方形的，並且對準晶圓晶面。 然後通過氮化矽介電層107進行進一步的蝕刻，到達作為聚酰亞胺蝕刻停止層的第一犧牲層109。
為了便於說明，圖15b中所示的後體積的側面已顯示是平行的。然而，可以理解的是，如圖1中更真實的示意，後體積的側面在它們接近膜時將趨向於向內會聚。
然後用例如聚酰亞胺的犧牲材料145填充後體積133，隨後平面化。如圖15c所示，氮化矽介電層141沉積在基板的下表面上，例如，使用諸如電漿增強化學氣相沉積製程。
另一個犧牲層142，如聚酰亞胺，沉積在氮化矽層141上，並且使用圖案遮罩層進行圖案化，如圖15d所示。從基板下方執行蝕刻，其中在圖案化犧牲層下方的層141的區域被保護而免受蝕刻製程，從而產生圖案化氮化矽層141，如圖15e所示。
最後，去除所有的犧牲層，以產生如圖15f所示的MEMS傳感器。因此，圖15f繪示根據具有整合過濾器202的第二示例實施例的MEMS傳感器300。
層141可以進一步充當例如傳感器的應力補償層。
圖16a至圖16f繪示根據第二示例方法的具有過濾器的MEMS傳感器的製造。在圖16a中，繪示類似於圖14a所示的傳感器的傳感器晶粒，除了圖16a中的晶粒，沒有如圖14a所示的在基板的下表面上設置氧化層105。
參考圖16b，通過從基板下方進行蝕刻來形成後體積133。
然後將體積145的犧牲材料沉積到後體積133中。然而，與上面關於圖15描述的第一示例方法相反，犧牲材料並不完全填充後體積，而是沉積到一水平處，如圖16c所示。氮化矽介電層141被沉積到基板的 下表面上，並且也被沉積到後體積中，到達犧牲材料145的表面上。
另一個犧牲層142，如聚酰亞胺，沉積在氮化矽層141上，並使用如圖16d所示的圖案遮罩層進行圖案化。因此，如圖16d所示，層107和109在基板空腔的區域中表現出階躍變化。
然後，從基板下方執行蝕刻，其中在圖案化犧牲層下方的層141的區域被保護免受蝕刻製程，從而產生圖案化氮化矽層141，如圖16e所示。
最後，去除所有犧牲層，以產生如圖16f所示的MEMS傳感器。因此，圖16f繪示根據具有整合過濾器202的第三示例實施例的MEMS傳感器400。在該示例中，過濾器被嵌入或凹入到基板的空腔8內。因為這種配置在晶圓的後續處理期間可能是有益的。特別是，通常將晶圓放置在切割膠帶上進行分割。在此過程中，過濾器將被保護在MEMS傳感器的空腔內，並且在拾取和放置過程期間不太可能遭受到機械損傷。
根據上述任何示例性實施例的一或多個傳感器可以被包含在封裝中。圖17a至17g繪示各種不同的封裝配置。圖17a至17g分別繪示位於封裝內的一個傳感器元件，但應當理解的是，在一些實施例中，可以有更多傳感器，例如傳感器陣列，並且各種傳感器可以形成在同一傳感器基板上，即單片傳感器基板上，或者可以為形成為具有分離傳感器基板的分離傳感器，每個分離傳感器基板均接合到封裝基板。
圖17a繪示第一配置，其中傳感器1100位於封裝基板1102上的蓋1101內，蓋1101形成殼體的至少一部分。在該示例中，蓋可以是與基板結合的金屬殼體。封裝基板可以包括至少一個絕緣層。封裝基板還可以包括至少一個導電層。封裝基板可以是半導體材料或可以由諸如PCB、陶瓷等的材料形成。在蓋1101是金屬的，或其本身包括導電層的情 況下，例如蓋可以電耦合到基板的導電層，使外殼為電磁干擾(EMI)提供屏蔽。接合線1103可以將傳感器連接到封裝基板上的接合焊墊。在一些實施例中，讀出電路(例如放大器電路)可以位於形成在封裝基板內或連接到封裝基板的殼體之內。穿過封裝基板(未示出)的通孔可以連接到觸點即焊墊1104，將外部電路(未示出)電連接到封裝，以允許電信號傳輸到傳感器1100或從傳感器1100傳輸電信號。在圖17a中所示的示例中，在蓋1101中有聲音端口或聲學端口，以允許聲音進入封裝。按照慣例，圖17a所示的配置一其中聲音端口被提供在封裝與外部電連接的相對一側一其被稱為「頂端端口」配置。
圖17b繪示聲音端口被提供在封裝基板1102中並且可以在使用中被密封的替代配置。環1105可以是密封環或焊墊環(用於形成焊接環)，其可以設置於圍繞封裝外側上的聲音端口的周邊，以允許在使用中密封例如當封裝連接到另一個PCB時通向聲音端口的聲音路徑。在該實施例中，傳感器被配置在底部端口配置中(即，聲音端口被設置在與外部電連接的封裝的相同側上)，而由殼體1101定義的體積形成傳感器的後體積的一部分。
圖17c繪示一個示例，其中替代將傳感器連接到封裝基板的接合線，傳感器結構被倒置並且經由連接1106倒裝晶片接合到封裝基板。在該示例中，聲音端口在封裝基板中，使得封裝排列在底部端口配置中。
圖17d繪示圖10b的替代示例，其中殼體1107由各種材料板例如PCB等形成。在這種情況下，殼體1107可以包括一或多個導電層和/或一或多個絕緣層。圖17d顯示了封裝基板中的聲音端口。圖17e繪示圖17b的替代配置，其中殼體1107由各種材料板形成，例如關於圖17d所描述的PCB或類似物。圖17f繪示另一實施例，其中傳感器結構經由連接1106 接合到外殼上層，外殼上層例如可以是PCB或分層的導電/絕緣材料。然而，在該示例中，到封裝的電連接仍然是在封裝基板上的觸點、焊墊1104，例如，在封裝基板中的通孔(未示出)，並且殼體內側上的導電走線連接到傳感器。圖17g繪示圖17c的替代示例，其中傳感器在由材料板(例如PCB或類似物)形成的殼體1107中倒裝晶片接合至封裝基板，如關於圖17d所述。
一般來說，如圖17h所示，一或多個傳感器可位於封裝中，然後該封裝可操作地互連至如本領域已知的另一基板，例如母板。
MEMS傳感器的可撓膜層通常包括介電材料的薄層一例如晶體或多晶材料的層。實際上，膜層可以由連續步驟中沉積的數層材料形成。例如，可撓膜可以由氮化矽Si3N4或多晶矽形成。結晶和多晶材料具有高強度和低塑性變形，這兩者在膜的構造中都是非常理想的。MEMS傳感器的膜電極通常是薄金屬層，例如鋁，其通常位於膜的中心，即位移最大的那部分膜。本領域技術人員將理解，膜電極可以由例如鋁-矽合金形成。膜電極通常可以覆蓋例如膜約40%的面積，通常在膜的中心區域。因此，已知的傳感器膜結構由兩層不同的材料組成一通常是介電層(例如SiN)和導電層(例如AlSi)。
在一些應用中，背板可以配置在前體積中，使得入射聲音通過背板中的聲孔到達膜。在這種情況下，基板空腔的尺寸可以設定為至少提供合適的後體積的重要部分。在其他應用中，麥克風可以被配置為使得聲音可以在使用中經由基板空腔108接收，即，基板空腔形成通向膜和前體積的一部分的聲學通道的一部分。在這種應用中，背板104形成典型地由一些其他結構(例如合適的封裝)包圍的後體積的一部分。
還應當注意的是，雖然所示示例顯示背板被支撐在膜與基板 相反的一側上，但已知這樣的配置，其中背板形成得最靠近基板，其中膜層支撐在基板上方。
為了處理來自麥克風的電輸出信號，晶粒/裝置可具有在基板1上使用標準CMOS製程整合製造的電路區域(未示出)。電路區域可以包括導電(例如鋁或銅)電路互連用於透過互連點將麥克風電連接到電路區域。
可以使用諸如離子佈植、光遮罩、金屬沉積和蝕刻的標準製程技術在CMOS矽基板中製造電路區域。電路區域可以包括可操作以與MEMS麥克風對接並處理相關信號的任何電路。例如，一個電路區域可以是被連接以放大來自麥克風的輸出信號的前置放大器。此外，另一個電路區域可以是電荷泵，其被用於在兩個電極之間產生偏壓，例如10伏特。此具有如下效果：電極間隔(即，麥克風的電容板)的變化改變MEMS麥克風電容；假設恆定電荷，跨電極的電壓相應地改變。使用優選具有高阻抗的前置放大器來檢測這種電壓變化。
電路區域可以可選地包括類比數位轉換器(ADC)，以將麥克風的輸出信號或前置放大器的輸出信號轉換為相應的數位信號，並且可選地包括數位信號處理器，以處理或部分處理這樣的數位信號。此外，電路區域還可以包括適用於無線通信的數位類比轉換器(DAC)和/或發射器/接收器。然而，本領域技術人員將理解，可以設想可操作來與MEMS傳感器信號與/或相關聯的信號對接的許多其他電路佈置。
還應理解的是，可選地，麥克風設備可以是混合裝置(例如，其中電子電路完全位於單獨的積體電路上，或者其中電子電路部分地位於與麥克風相同的裝置上並且部分地位於單獨的積體電路上)或單片裝置(例如，其中電子電路完全整合在與麥克風相同的積體電路內)。
儘管各種實施例描述了MEMS電容式麥克風，但是本發明還可應用於除了麥克風以外的任何形式的MEMS傳感器，例如壓力傳感器或超音波發射器/接收器。
這裡描述的示例可以在一系列不同的材料系統中有用地實現，然而，這裡描述的示例對於具有包括氮化矽的膜層的MEMS傳感器是特別有利的。
注意到，上述示例實施例可以用於一系列裝置，包括但不限於：類比麥克風、數位麥克風、壓力傳感器或超音波傳感器。示例實施例還可以用於許多應用中，包括但不限於消費者應用、醫療應用、工業應用和汽車應用。例如，典型的消費應用包括便攜式音頻播放器、筆記本電腦、手機、PDA和個人電腦。示例實施例也可以用於語音激活或語音控制設備。典型的醫療應用包括助聽器。典型的工業應用包括主動噪聲消除。典型的汽車應用包括免提裝置、聲音碰撞傳感器和主動噪聲消除。
任何給定態樣或示例實施例的特徵可以與任何其他態樣或示例實施例的特徵組合，並且在此描述的各種特徵可以在給定實施例中以任何組合來實現。
為每個示例實施例提供了製造MEMS傳感器的相關方法。
應該理解的是，在本說明書中使用的上、下等各種相關用語不應以任何方式被解釋為限制到任何特定傳感器在任何製造步驟中的取向和/或在任何封裝中的取向，或者實際上封裝在任何裝置中的取向。因此，相關用詞應相應地解釋。
應該理解的是，對「安裝在」第一構件上的傳感器和/或積體電路的描述應當被解釋為要求傳感器和/或積體電路直接安裝在第一構件上，但是應當包括傳感器和/或積體電路間接地安裝在第一構件上。因此， 可以在第一構件與傳感器和/或積體電路之間提供一或多個其他層。
在上述示例中，注意到對傳感器的參照可以包括各種形式的傳感器元件。例如，傳感器通常可以安裝在晶粒上並且可以包括單個膜和背板的組合。在另一個示例中，傳感器晶粒包括多個單獨傳感器，例如多個膜/背板的組合。傳感器元件的各個傳感器可以是相似的，或者可以不同地配置，使得它們對不同的聲學信號作出響應，例如，元件可能有不同的敏感度。傳感器元件還可以包括不同的單獨傳感器，其被設置用以接收來自不同聲學通道的聲學信號。
注意，在本文所述的示例中，傳感器元件可以包括例如麥克風裝置，麥克風裝置包括具有用於讀出驅動沉積在膜和/或基板或背板上的電極的一或多個膜。在MEMS壓力傳感器和麥克風的情況下，電輸出信號可以透過測量與電極之間的電容有關的信號來獲得。這些示例還包括作為電容式輸出傳感器的傳感器元件，其中通過改變施加在電極上的電位差而產生的靜電力來移動膜，包括使用MEMS技術製造壓電元件的輸出傳感器的示例與壓電原件被刺激以引起可撓部件動作。
應該注意的是，上述實施例說明而非限制本發明，並且本領域技術人員將能夠在不脫離所附請求項的範圍的情況下設計出許多替代實施例。詞語「包括」不排除請求項中列出的元件或步驟以外的元件或步驟的存在，「一」或「一個」不排除多個，並且單個特徵或其他單元可以實現請求項中記載的數個單元的功能。請求項中的任何參考標記不應被解釋為限制其範圍。

Claims (34)

  1. 一種MEMS傳感器，包括：基板，具有空腔延伸穿過該基板；膜，覆蓋該空腔；以及過濾器，設置及配置用以阻止顆粒從該基板下方的區域進入該基板空腔內部的至少一區域。
  2. 一種MEMS傳感器，包括：基板，具有從該基板的第一側中的第一開口延伸穿過該基板到該基板的第二側中的第二開口的空腔；膜，相對於該基板的該第二側被支撐，並且覆蓋該空腔；以及過濾器，設置在該基板空腔內或者位於/跨過該基板空腔的該第一開口。
  3. 一種MEMS傳感器，包括相對於基板空腔被支撐的可撓膜，該傳感器具有用於為該基板空腔的至少一區域提供環境保護的整合過濾器。
  4. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器包括用於大致上阻止顆粒通過該過濾器到達該過濾器上游區域的流動的屏障。
  5. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器包括延伸穿過該過濾器的多個孔，該多個孔配置用以大致上允許聲波傳播通過該過濾器。
  6. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器包括至少一 個疏水表面。
  7. 如請求項6所述的MEMS傳感器，其中該過濾器的下側設置有疏水塗層。
  8. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器設置在該基板的底部處或附近。
  9. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器由形成該MEMS傳感器的應力補償層、導電層或氧化層中的一或多個材料形成。
  10. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器由氮化矽形成。
  11. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器凹入或嵌入該基板空腔內。
  12. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該過濾器由在該MEMS傳感器的製造期間形成的層提供。
  13. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該膜層相對於該傳感器的該基板被支撐，以定義該傳感器的可撓膜。
  14. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，包括背板結構，其中該膜 相對於該背板結構被支撐。
  15. 如請求項14所述的MEMS傳感器，其中該背板結構包括穿過該背板結構的多個孔。
  16. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該傳感器包括電容式傳感器。
  17. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該傳感器包括麥克風。
  18. 如請求項16所述的MEMS傳感器，還包括讀出電路。
  19. 如請求項18所述的MEMS傳感器，其中該讀出電路包括類比和/或數位電路。
  20. 如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器，其中該傳感器位於具有聲音端口的封裝內。
  21. 一種包括如請求項1、2或3所述的MEMS傳感器的電子裝置。
  22. 如請求項21所述的電子裝置，其中該裝置是以下中的至少一個：便攜式裝置；電池供電裝置；音頻裝置；計算裝置；通信裝置；個人媒體播放器；行動電話；遊戲裝置；語音控制裝置。
  23. 一種積體電路，包括如前所述任一請求項所述的MEMS傳感器以及讀出電路。
  24. 一種MEMS傳感器晶粒包括：基板，包括至少一空腔從該基板的該底部的開口延伸到該基板的該頂部的開口；膜，被支撐在該基板上方的平面中以覆蓋該空腔；以及過濾器，提供於或靠近該基板的該底部內的開口，以阻止顆粒流入該空腔。
  25. 一種MEMS傳感器晶粒，包括：基板，包含至少一空腔；膜，被支撐以覆蓋該空腔；其中該基板下面的晶粒層被形成在該基板空腔內，其設置用以提供過濾器以阻止顆粒流動通過該空腔。
  26. 一種在基板上製造微機電系統傳感器的方法，該基板具有從該基板的第一側中的第一開口延伸到該基板的第二側中的第二開口的空腔，該方法包括：提供相對於該基板被支撐的膜層以覆蓋該空腔；在該基板的下表面上形成過濾層；以及圖案化該過濾層，以在該基板空腔內或該基板空腔的該第一開口處形成過濾器。
  27. 如請求項26所述的方法，其中圖案化該過濾層包括： 在該過濾層下方沉積犧牲層；在該犧牲層中形成預定圖案；以及從該犧牲層下方執行蝕刻製程，其中該犧牲層抵抗該蝕刻製程，使得該預定圖案被轉移到該過濾層。
  28. 如請求項27所述的方法，其中該預定圖案包括一或多個開口。
  29. 如請求項26、27或28所述的方法，其中，在形成該過濾層之前，將一體積的犧牲材料沉積在該基板的後體積內，其中該後體積定義該基板空腔。
  30. 如請求項29所述的方法，其中該犧牲材料的該體積填充該後體積，並且隨後被平面化，以提供與該基板的該下表面大致上共平面的表面。
  31. 如請求項30所述的方法，其中該過濾器與設置在該基板的該下表面上的該過濾層一致地形成。
  32. 如請求項29所述的方法，其中將該犧牲材料的該體積沉積到在該後體積內的最終水平處，使得該過濾層的一部分形成在該後體積內。
  33. 如請求項32所述的方法，其中該過濾器被形成以凹入該基板空腔內。
  34. 如請求項26、27或28所述的方法，還包括：沉積第一和第二電極； 該第一電極機械耦合到該膜；以及沉積背板，該第二電極機械耦合到該背板。
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