具有嵌入式聲道的電容性感測結構的製作方法
2023-10-25 08:11:12
具有嵌入式聲道的電容性感測結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及具有嵌入式聲道的電容性感測結構。MEMS器件包括雙膜、電極和互連結構。該雙膜具有頂膜和底膜。底膜位於頂膜和電極之間，並且互連結構限定頂膜和底膜之間的間隔。
【專利說明】具有嵌入式聲道的電容性感測結構
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求Chan等人在2013年6月5日提交的名稱為「Capactive SensingStructure with Embedded Acoustic Channels」 的美國臨時申請 N0.61/831，558 的優先權，就像完全闡述那樣通過引用將其公開內容併入在此。
【技術領域】
[0002]本發明的各種實施例總體上涉及MEMS器件並且特別地涉及用於製造其的方法。
【背景技術】
[0003]膜結構是用於諸如擴音器之類的聲學器件的關鍵性元件中的一個。膜結構的關鍵參數包括其順應性、質量和阻尼，它們決定其諧振頻率和品質因子。
[0004]電容性感測主要測量因為空氣間隙調節而引起的電容性變化。該間隙通常由調節該間隙的活動電極和固定電極來限定。為了使系統的信號噪聲(SNR)最大化，電容器的間隙需要被優化以便得到使電氣靈敏性最大化和使由於阻尼而引起的熱機械(或布朗)噪聲最小化之間的折衷。
[0005]為了同時實現在足夠高諧振頻率下以及在供給/拉入電壓限制內的高機械靈敏性，活動質量需要被最小化。對於通常由應用規定的給定聲孔面積，質量的減小等同於厚度的減小，這導致結構的機械強度的減弱並且常常可以導致生產上的產量問題以及使用期間的可靠性問題。
[0006]常規雙晶片擴音器的問題之一是對大封裝的需求，這顯著添加了總成本。此外，寄生電容不合期望地高，因為兩個晶片是電線接合在一起的。
[0007]為了解決前面提到的問題，COMS襯底和MEMS襯底是集成的從而產生一個晶片的解決方案。這種方法的顯著優點之一是:通過經過晶片級接合集成CMOS和MEMS襯底而降低管芯成本的能力。聲感測膜被構建在也充當活動電極的MEMS襯底(或「器件」)層上，並且固定電極被構建在CMOS襯底上。封裝尺寸以及由此封裝成本降低並且通過擴音器用戶來實現對覆蓋區或面積的節省。然而，電氣間隙和聲間隙變得耦合，導致使電靈敏性最大化和使聲阻尼(熱-機械噪聲)最小化之間的權衡，從而限制最大可實現的SNR。
[0008]所期望的是具有高信噪比SNR的小封裝、低成本MEMS器件。這通過在不折衷來自較大質量的高諧振頻率的情況下使電氣間隙和聲間隙去耦來實現。
【發明內容】
[0009]簡要地，MEMS器件包括雙膜、電極和互連結構。該雙膜具有頂膜和底膜。底膜位於頂膜和電極之間並且互連結構限定頂膜和底膜之間的間隔。
[0010]可以通過參考說明書和附圖的剩餘部分來實現對這裡公開的特定實施例的性質和優點的進一步理解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1示出根據本發明的一個實施例的MEMS器件10。
[0012]圖2示出根據本發明的另一實施例的MEMS器件200。
[0013]圖3示出根據本發明的一個實施例的MEMS器件300。
[0014]圖4示出根據本發明的另一實施例的MEMS器件400。
[0015]圖5示出本發明的各種實施例的MEMS器件所採用的I梁(1-beam)結構500。
[0016]圖6至27示出根據本發明的方法用於製作MEMS器件的相關步驟。
【具體實施方式】
[0017]在所述實施例中，微機電系統(MEMS)指代使用像半導體的工藝並且展示諸如移動或變形的能力的機械特性而製作的一類結構或器件。MEMS通常但不總是與電信號相互作用。MEMS器件包括但不限於陀螺儀、加速度計、磁力計、壓力傳感器、擴音器和射頻部件。包含MEMS結構的矽晶片被稱為MEMS晶片。
[0018]在所述實施例中，MEMS器件可以指代實施為微機電系統的半導體器件。MEMS結構可以指代能夠是較大MEMS器件的一部分的任何特徵。工程上的絕緣體上矽(ESOI)晶片可以指代在矽器件層或襯底下面具有腔的SOI晶片。操作晶片通常指代用作絕緣體上矽晶片中的較薄矽器件襯底的載體的較厚襯底。手柄襯底和操作晶片可以是互換的。
[0019]在所述實施例中，腔可以指代襯底晶片中的開口或凹處並且外殼可以指代完全包圍的空間。支柱可以是MEMS器件的腔中用於機械支撐的垂直結構。支架(standoff)可以是提供電接觸的垂直結構。
[0020]在所述的實施例中，後腔可以指代經由壓力均衡通道(PEC)等同於環境壓力的部分包圍的腔。在一些實施例中，後腔也被稱為背部隔間。形成在CM0S-MEMS器件中的後腔可以被稱為集成的後腔。壓力均衡通道也被稱為洩漏通道/路徑，其是用於後腔到環境壓力的低頻或靜態壓力均衡的聲道。在所述的實施例中，板可以指代MEMS器件內的當經受力時會移動的剛性和平面結構，其垂直厚度顯著小於其的兩個平面內維度。背部板可以是用作通常被配置成與可移動的力敏感板相對的電極的固定有孔板。幾何結構上類似於板並且當經受彎曲矩時朝向二維平面外混合物更靈活的平面結構可以被稱為膜。
[0021]在所述實施例中，孔指代用於降低移動板中的空氣阻尼的聲開口。聲埠可以是用於感測聲壓的開口。聲擋板可以是阻止聲壓到達器件的某些部分的結構。聯接是一種通過錨來向襯底提供順應附接的結構。可以通過支柱的逐步蝕刻以及在PEC上產生部分支柱重疊來產生延伸的聲間隙。平面內限位擋塊(bump stop)是與器件封條接觸以限制板平面內的活動範圍的板的延伸。旋轉限位擋塊是限制旋轉範圍的板的延伸。
[0022]現在參考圖1，示出了根據本發明的一個實施例的MEMS器件10。該MEMS器件10被示為包括頂膜12、底膜14、電極24、CMOS襯底16、以及互連結構26。頂膜12和底膜14總體地包括雙膜。底膜14被示為位於頂膜12和電極24之間。互連結構26限定頂膜12和底膜14之間的間隔。
[0023]電極24被示為形成在CMOS襯底16中。頂膜12、底膜14和互連結構26是MEMS襯底的一部分(在這裡也被稱為「器件層」)。相應地，MEMS襯底形成在CMOS襯底16的頂上。
[0024]底膜14被示為有孔的。從而允許空氣在由箭頭22示出的方向和位置處行進。因此，空氣垂直向上行進通過底膜14的孔並且在此後在頂膜和底膜之間水平行進。如由箭頭20所示的那樣，聲壓波衝擊頂膜12。聲壓的變化使得頂膜12向下朝向電極24或者向上遠離電極24移動。在一些實施例中，頂部電極、互連結構26和底膜24—起上下移動，使得間隙18相應地變化。電極24和底膜14形成電容器電容。間隙18的變化改變底膜14和電極24之間的電容，由此測量聲壓的變化。
[0025]如圖2中所示通過支架206來限定間隙18。電極24和底膜14之間的區域重疊限定電氣感測區域Ae。暴露給聲壓的頂膜12限定機械感測區域Am。Am有利地要大，從而允許較大輸入信號，從而導致較好的機械靈敏性和較高的信噪比。在該實施例中，電氣感測區域從聲感測區域去耦。
[0026]雙膜和互連結構26可相對於電極24移動。在施加聲壓時,雙膜和互連結構26在所施加的聲波的方向上平移。頂膜12和底膜14以及互連結構26相對於電極24 —起移動。
[0027]在本發明的一些實施例中，頂膜12的位移與底膜14的位移不同。在其他實施例中，頂膜12的位移基本上與底膜14的位移相同。頂膜12相對於底膜14的位移由膜的厚度以及互連結構26的位置、形狀、尺寸和量來控制。
[0028]在一些實施例中，互連結構26提供頂膜12和底膜14之間的電氣連接。在一些實施例中，互連結構26允許空氣的形成通道，由此降低與MEMS器件10相關聯的阻尼。互連結構26可以由一個或多個柱子、壁、中空結構或實心結構製成。
[0029]期望的是頂膜12和底膜14 二者要薄並且因此減小結構的總質量，這可以增加靈敏性、諧振頻率或這二者。互連結構的設計是關鍵並且需要被優化以便在小質量貢獻的情況下維持MEMS結構的剛性。在小質量的情況下，結構的諧振頻率增加並且推到感興趣的頻率範圍之外，從而有效地降低噪聲貢獻。
[0030]此外，形成具有頂膜12和底膜14的I梁或柱子結構的互連結構26改進堅固性，因而阻止與薄頂膜12相關聯的易碎問題。在本發明的一些實施例中，頂膜12由氮化矽(SiN)製成。底膜14由導電材料製成。頂膜12可以是導電或不導電的。類似地，互連結構26可以是導電或不導電的。
[0031]在本發明的一個實施例中，電極24由鋁製成。在本發明的一個實施例中，CMOS襯底16和MEMS襯底通過支架由鋁-鍺共晶接合(eutectic bond)或任何其他類似接合方法來接合。CMOS襯底和MEMS襯底的附接在其之間形成電氣連接。支架材料是導電的並且支架的厚度限定電氣感測間隙18。期望的是間隙18要小，由此增加電氣靈敏性。CMOS襯底16包括用於信號處理的電路。當向頂膜12施加聲壓(箭頭20)時，存在頂膜12的移動或變形，通過互連結構26平移到底膜14，使得間隙18改變。然後通過CMOS襯底16的電路來感測該改變。當底膜14移動時，間隙18中捕獲的空氣被擠壓並且允許該空氣通過底膜14中的孔橫跨互連結構溢出(由箭頭22指示)，從而降低阻尼。因此，有效聲間隙28 0A_rff (圖2中示出)可以被定義為電氣間隙18 Θ E_eff、底膜14的厚度以及頂膜12和底膜14之間的間隔的組合。
[0032]簡言之，MEMS器件10的優點之一是熱_機械噪聲的最小化與電氣靈敏性的最大化的去耦。布朗噪聲取決於有效聲間隙Θ A_eff，而電氣靈敏性取決於有效電氣間隙18 Θ E_eff。因為可以在不影響另一個的情況下獨立地調整這兩個間隙，所以電氣靈敏性的最大化和熱-聲學噪聲的最小化可以被有效地去耦。
[0033]MEMS器件10的另一優點是質量的最小化或靈敏性和頻率平方積的最大化與結構強度的最大化的去耦，以便增強產量和可靠性二者。MEMS器件10的結構的有效厚度近似為頂膜12和底膜14以及互連結構26的有效厚度的和，被定義為與單薄膜相比，由互連結構貢獻的該厚度增強改進結構剛性。可以通過控制在薄膜沉積期間兩個膜的厚度tmss_eff以及互連結構的設計和放置來將質量製成小的。結果，該雙板膜結構可以同時實現輕質量和增加的結構順應性，以便改進機械靈敏性且降低在MEMS器件10的製作和操作期間破損和粘滯問題的可能性。
[0034]在本發明的另一實施例中，在MEMS器件10是擴音器的情況下，機械和電氣感測區域可以重疊並且換能可以發生在雙板膜結構的分開的膜處，因此使機械和電氣感測區域二者得以最大化。與如在IVS 195專利申請中討論的其他CM0S-MEMS集成設計相比，該方法顯著增加了機械和電氣感測區域二者。因此，可以實現高SNR和具有內部後腔的低成本擴音器。作為擴音器的示例，MEMS器件10可以包括分別具有旋轉和平移運動的扭轉擴音器和活塞擴音器。
[0035]圖2示出根據本發明的另一實施例的MEMS器件200。如前面所討論的那樣，頂膜12和底膜14是薄膜，並且這剛性地將頂膜12和底膜14機械地連接到也由互連結構26形成的直通(through)高橫縱比圓柱結構。頂膜12的左側上的壓降(pressure differential)是224和220之間的壓力差，而頂膜12的右側上的壓降是226和222之間的壓力差。在扭轉擴音器中，當存在橫跨在左側和右側之間的膜的壓降差時，出現旋轉位移。
[0036]在一個實施例中，因為間隙由支架206固定，所以平均間隙不會改變沿著垂直方向的直通平移；相反，通過測量電極24的左部分和右部分之間的電容差來差動地感測雙膜的旋轉。
[0037]底膜14的孔允許空氣從MEMS器件10的較低腔通過底膜14的洞向上/向下傳送，以及通過在底膜14和頂膜12之間形成的聲道水平地流動。
[0038]MEMS器件200是對MEMS器件10的扭轉類比。描述了當錨定到CMOS襯底時MEMS結構的部件。互連結構202被示為通過底膜14連接到支架並且最終通過接合錨定到電極24。該錨是機械和電氣連接二者。該錨定扭轉雙板的優點之一是:對移除由於電氣間隙的變化而引起的靈敏性移位具有差動感測。除了機械靈敏性穩定性之外，差動感測也更容易在CMOS前端感測電路中實施以便使電氣偏移移位最小化。第二優點是:其針對聲學/壓力脈衝的相對魯棒性，因為與膜的中心部分將接觸底部電極並且更容易變得粘住或損壞的活塞實施方式相比，著陸區域在邊緣處。
[0039]圖3示出根據本發明的一個實施例的MEMS器件300。在圖3的實施例中，MEMS器件300被示為包括內部後腔。聲波通過聲埠進入操作晶片(由箭頭20示出)，撞擊到頂膜12上。當頂膜12位移時，互連結構26和底膜14沿著聲波的方向移動，從而改變形成在底膜和電極24之間的電氣間隙18。空氣然後行進通過有孔底膜和互連結構26並且形成通道到後腔302中(由箭頭22示出)。支架306將底膜14電氣連接到CMOS晶片16上的電極24。支架306充當錨。MEMS器件300強調後腔到CM0S-MEMS晶片中的集成，這在不需要如標準2晶片解決方案中的額外封裝和將對許多移動和可穿戴應用來說至關重要的額外緊湊尺寸的情況下提供低成本的優點。
[0040]圖4示出根據本發明的另一實施例的MEMS器件400。MEMS器件400是扭轉擴音器，然而前一圖中的器件是活塞擴音器。MEMS器件400被示為具有形成在CMOS襯底406頂上的器件層412。該器件層包括由互連結構436分開的頂膜410/411和底膜434，在420和416處示出的頂膜和底膜之間的該間隔是主要貢獻的聲間隙。底膜434被示為經由間隙438與電極448/450分開。操作晶片402被示為通過接合418接合到器件層412的頂上。操作晶片402和器件層412是兩個分開的襯底。在本發明的一個實施例中，418處的粘合劑是氧化物並且用於熔融接合操作晶片402和器件層412。在操作晶片中，在接合之前腔422、424,426和428和聲埠開口 430被蝕刻到襯底之上。聲輸入進入通過箭頭20處的聲埠以便進入後腔422和424，以衝擊到頂膜410上。當雙板膜在聲輸入方向上移動時，底膜434和電極450之間的間隙438會變化。間隙438中的空氣得到擠壓從而移動通過有孔的底膜進入間隔420，並且指引到後腔426和428中。以類似的方式，在後腔426處的雙板膜411的右部在與由箭頭440示出的聲輸入的方向相反的方向上移動，其通過後腔426和在連接到腔424的右底部電極448和右頂膜411之間中的腔416之間的壓降驅動。支柱446限定間隙438並且用作用於扭轉擴音器結構的電氣或機械錨或樞軸。鍺或導電層408被形成在電極404和支架446之間。在本發明的一個實施例中，電極404和導電層408之間的接合是共晶接合。
[0041]圖5示出本發明的各種實施例的MEMS器件所採用的I梁結構500。I梁結構500是互連結構26的一個實施例。I梁500被示為具有凸緣502、與中央加固梁連接在一起的凸緣504。凸緣502是頂膜並且凸緣504是底膜。凸緣502和504中的每一個都具有最小厚度，而期望梁506具有高橫縱比以使得其長度508大於其厚度510。梁506連接凸緣502和504並且是結構連接和/或電氣連接。凸緣502和504以及梁506可以由矽或多晶矽或SiN或其他適當材料製成。
[0042]圖6至27示出根據本發明的一種方法的用於製作MEMS器件的相關步驟。在圖6中，窄的間隙602被蝕刻到矽襯底604中以便限定與活動和固定結構之間的最小橫向聲道相關聯的最小關鍵維度。窄間隙602被蝕刻在其中的溝槽的蝕刻深度確定頂膜和底膜之間的間隔的聞度。
[0043]在圖7中，間隙602填充有氮化矽或Si3N4，並且在圖8中，化學機械拋光(CMP)被用來保持平坦矽表面802。在圖9中，溝槽902被蝕刻在由矽製成的襯底604中。這留下具有窄寬度902和寬寬度903的矽柱結構。在圖10中，執行熱氧化物生長。在熱氧化期間，溝槽被重新填充二氧化矽。同時具有窄寬度的矽柱被消耗並且變成犧牲的二氧化矽(Si02)塊1002。較寬的矽柱僅被部分消耗，留下變成互連結構的單晶矽柱結構。在圖11中，執行CMP。CMP步驟將矽(襯底604)拋光以獲得平坦表面，在該平坦表面上進行薄多晶矽1202沉積從而形成頂膜，如圖12中所示，沉積保護性薄氧化物1204以形成用於後續步驟的掩膜。
[0044]在圖13中，多晶矽1202和氧化物1204被圖案化以便在如1302的犧牲二氧化矽塊之上形成頂膜，並且暴露要發生熔融接合的位置1304。這完成形成器件層的工藝。接下來，示出用於形成操作晶片的步驟並對其進行討論。
[0045]在圖14中，在除了形成器件層的矽操作晶片1402上，圖案化氧化矽層掩膜1404。接下來，在圖15中，利用矽蝕刻來執行附加的光刻從而限定深的上腔1502的深度。在圖16中，光刻膠1506被移除並且使用硬掩膜1404將矽襯底604蝕刻成較淺的深度1602從而限定上腔的淺的部分。在圖17中，在操作晶片1704上執行氧化以便生長用於熔融接合的薄氧化層1702。在圖18中，器件晶片1704被接合到MEMS操作晶片1802，這類似於圖13的1300。在示例性方法中，執行熔融接合。
[0046]在圖19中，利用作為拋光阻擋的犧牲氧化物和氮化物溝槽來進行研磨和拋光。在圖20中，第二多晶矽層2002被沉積。層2002的厚度取決於支架高度(電氣間隙)和所需的底膜厚度。
[0047]在圖21中，多晶層被圖案化並且向下蝕刻以限定支架2102。蝕刻控制結構和CMOS襯底中電極之間的機械間隙。在圖22中，鍺層2202被沉積和蝕刻以便僅在支架2102上具有鍺。
[0048]在圖23中，另一光刻和多晶矽蝕刻步驟被執行，從而在底膜上限定孔2302。在圖24中，氫氟酸(HF)蒸汽釋放步驟被用來移除犧牲氧化物塊2402。在步驟25處，第二氮化矽蝕刻步驟在2502處釋放MEMS器件結構2504。在圖26中，使用鋁鍺接合來將MEMS器件結構2504與CMOS襯底2602接合。執行集成晶片的研磨和蝕刻以減薄襯底。MEMS器件被形成為具有CMOS襯底2602，在其頂上示出MEMS器件結構2504，在其頂上示出操作晶片1704。最後，在圖27中，一個埠被蝕刻到操作晶片1704中以便形成聲埠 2702。
[0049]儘管已經參考說明書的特定實施例對其進行了描述，但是這些特定實施例僅僅是說明性的，而不是限制性的。
[0050]如在這裡的說明書中以及遍及下面的權利要求所使用的那樣，「一」、「一個」、「該」包括複數參考，除非上下文以其他方式清楚地指示。而且，如在這裡的說明書中以及遍及下面的權利要求所使用的那樣，「在…中」的含義包括「在…中」和「在…上」，除非上下文以其他方式清楚地指示。
[0051]因此，儘管已經在這裡描述了特定實施例，但是在前面的公開內容中意圖到修改、各種改變和代替的範圍，並且將會意識到在一些實例中將會在不偏離如闡述的範圍和精神的情況下在沒有其他特徵的對應使用的情況下來採用特定實施例的某些特徵。因此，可以做出許多修改以便使特定情況或材料適應必要的範圍和精神。
【權利要求】
1.一種MEMS器件，包括: 雙膜，其包括頂膜和底膜； 電極，其中所述底膜位於所述頂膜和所述電極之間；以及 互連結構，其限定所述頂膜和所述底膜之間的間隔。
2.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述雙膜和所述互連結構能夠相對於所述電極移動。
3.根據權利要求2所述的MEMS器件，其中， 所述雙膜被配置成能夠通過平移而移動。
4.根據權利要求2所述的MEMS器件，其中， 所述雙膜被配置成能夠通過圍繞軸在膜的平面中旋轉而移動。
5.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述雙膜被配置成被位移，其中所述頂膜和底膜相對於所述電極基本上一起移動。
6.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述雙膜被配置成被位移，其中所述頂膜的位移與所述底膜的位移不同。
7.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述雙膜被配置成被位移，其中所述頂膜的位移基本上與所述底膜的位移相同。
8.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述底膜包括孔。
9.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述MEMS器件是傳感器。
10.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述MEMS器件是致動器。
11.根據權利要求1所述的MEMS器件，還包括聲埠。
12.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述MEMS器件是擴音器。
13.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述電極由鋁製成。
14.根據權利要求1所述的MEMS器件，還包括CMOS襯底，其中包括所述雙膜和所述互連結構的器件層和CMOS層被附接，從而在其之間形成電氣連接。
15.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述CMOS襯底和所述器件層被接合在一起。
16.根據權利要求14所述的MEMS器件，其中， 所述CMOS襯底包括用於信號處理的電路。
17.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述互連結構提供所述頂膜和所述底膜之間的電氣連接。
18.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 通過所述頂膜、底膜和互連結構來形成聲道。
19.根據權利要求18所述的MEMS器件，其中， 所述聲道被連接到封閉體積。
20.根據權利要求1所述的MEMS器件，還包括形成在所述電極和所述底膜之間的間隙。
21.根據權利要求20所述的MEMS器件，其中， 支架限定間隙。
22.根據權利要求1所述的MEMS器件，其中， 所述互連結構包括多個柱子、壁、中空結構或實心結構。
23.一種製造MEMS器件的方法，包括: 在CMOS晶片的頂上形成電極； 在MEMS器件晶片的頂上形成具有頂膜和底膜的可移動雙板膜； 在所述MEMS器件晶片上、所述頂膜和底膜之間形成互連結構，並且將所述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器件晶片之間的電氣連接。
24.根據權利要求23所述的方法，其中， 所述接合包括共晶接合。
25.根據權利要求23所述的方法，還包括在所述MEMS晶片上形成支架。
26.根據權利要求23所述的方法，還包括在形成所述支架之前在所述MEMS晶片上沉積多晶娃。
27.根據權利要求23所述的方法，還包括在所述支架的頂上沉積導電結構層並且進行蝕刻。
28.根據權利要求23所述的方法，還包括減薄所述CMOS晶片。
29.根據權利要求23所述的方法，其中所述形成可移動雙膜包括形成頂膜和底膜。
30.根據權利要求29所述的方法，還包括在所述底膜中形成孔。
31.根據權利要求23所述的方法，還包括在所述CMOS晶片中形成聲埠。
【文檔編號】B81B5/00GK104291262SQ201410239450
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2013年6月5日
【發明者】M-L.陳, X.李, M.林 申請人:應美盛股份有限公司