微电子机械系统压力传感器及其制造方法与流程

本发明的实施例涉及微电子机械系统压力传感器及其制造方法。

背景技术：

通常形成压力传感器芯片和感测电路芯片并且之后封装在一起。然而，用于形成处于芯片级和处于封装件级的深孔洞的蚀刻工艺是困难并且昂贵的。深孔洞的对准也是困难和昂贵的。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种微电子机械系统(mems)压力传感器，包括：第一衬底；第二衬底，平行于所述第一衬底；以及感测结构，位于所述第一衬底和所述第二衬底之间，并且接合至所述第一衬底的部分和所述第二衬底的部分，其中，所述第一衬底和所述感测结构之间的第一间隔与外侧连通，并且所述第二衬底和所述感测结构之间的第二间隔与外侧连通或隔离。

本发明的另一实施例提供了一种微电子机械系统压力传感器，包括：第一衬底，包括第一突出外围部分；第二衬底，平行于所述第一衬底；以及感测结构，位于所述第一衬底和所述第二衬底之间，并且接合至所述第一衬底的所述第一突出外围部分，并且包括接合至所述第二衬底的第二突出外围部分。

本发明的又一实施例提供了一种制造微电子机械系统压力传感器的方法，包括：将感测结构的侧上的部分接合至第一衬底的部分以在所述第一衬底和所述感测结构之间形成第一间隔；以及将所述感测结构的相对侧上的部分接合至第二衬底的部分以在所述第二衬底和所述感测结构之间形成第二间隔。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1是根据本发明的一些实施例的微电子机械系统(mems)压力传感器的截面图。

图2是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。

图3是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。

图4是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。

图5a至图5c是根据本发明的一些实施例的处于形成图1的mems压力传感器的各个阶段的截面图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实例。此外，本发明可在各个实施例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)原件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。

如上所提到的，形成压力传感器芯片及其封装件的传统方法是困难和昂贵的。相应地，本发明提供了具有低制造成本的单片微电子机械系统(mems)压力传感器及其制造方法。该mems压力传感器与惯性传感器兼容。mems压力传感器及其制造方法的实施例将在以下详细的描述。

图1是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。mems压力传感器包括第一衬底110、第二衬底120和感测结构130。

第二衬底120基本平行于第一衬底110。术语“基本平行”指的是两个细长的构件平行或几乎平行。在一些实施例中，第一衬底110和第二衬底120的每个均包括块状衬底(诸如硅衬底或非硅衬底)。在一些实施例中，第一衬底110或第二衬底120包括元素半导体(包括晶体、多晶和/或非晶结构的硅或锗)；化合物半导体(包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟)；合金半导体(包括sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp和/或gainasp)；任何其它合适的材料；和/或它们的组合。在一些实施例中，第一衬底110的平面尺寸(俯视图)小于第二衬底120的平面尺寸(俯视图)。

在一些实施例中，第一衬底110是mems衬底。在一些实施例中，mems衬底包括块状衬底(例如，硅衬底)和位于其上方的外延层。在一些实施例中，mems衬底包括埋氧(box)层。在一些实施例中，mems衬底包括金属(诸如铝、铜、钛、钽、钨、钼、氮化钽、硅化镍、硅化钴、tin、wn、tial、tialn、tacn、tac、tasin)、金属合金、任何其它合适的材料或它们的组合。mems衬底内的示例性金属结构包括金属迹线、金属接触件和金属层。在一些实施例中，第一衬底110包括第一突出外围部分1102。在一些实施例中，第一突出外围部分1102在俯视图中是开口状(例如，u型)或封闭状(例如，矩形或圆形)。

在一些实施例中，第二衬底120包括块状衬底122(例如，硅衬底)。在一些实施例中，第二衬底120包括无源组件(诸如电阻器、电容器、电感器和/或熔断器)；有源器件(诸如p-沟道场效应晶体管(pfet)、n-沟道场效应晶体管(nfet)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、互补金属氧化物半导体晶体管(cmos)、高压晶体管和/或高频晶体管)；其它合适的组件和/或它们的组合。在一些实施例中，第二衬底120包括位于块状衬底122的顶部处的第一晶体管1222a和第二晶体管1222b。在一些实施例中，第一晶体管1222a和第二晶体管1222b是cmos晶体管(诸如pmos晶体管和/或nmos晶体管)。

在一些实施例中，第二衬底120包括集成电路(诸如存储单元、模拟电路、逻辑电路和/或混合信号电路)。在一些实施例中，第二衬底120包括互连和层间介电(ild)层124。在一些实施例中，互连和ild层124包括与无源组件、有源组件或它们的组合相关的互连件(例如，金属线和通孔)。在一些实施例中，互连和ild层124包括ild(由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、任何其它合适的材料或它们的组合制成)。

在一些实施例中，第二衬底120包括位于互连和ild层124的顶部处并且面向感测结构130的导电层1242。在一些实施例中，导电层1242基本平行于感测结构130。在一些实施例中，导电层1242由金属或金属化合物(诸如mo、cr、al、nd、ti、cu、ag、au、zn、in、ga)、任何其它合适的材料或它们的组合制成。

在一些实施例中，第二衬底120还包括位于导电层1242上方的绝缘层126。在一些实施例中，绝缘层126由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、任何其它合适的材料或它们的组合制成。在一些实施例中，绝缘层126配置为防止导电层1242受到侵蚀。

在一些实施例中，第二衬底120包括位于互连和ild层124中的第一感测电路1244a和第二感测电路1244b。在一些实施例中，第一感测电路1244a和第二感测电路1244b分别连接至感测结构130和导电层1242。在一些实施例中，第一感测电路1244a和第二感测电路1244b分别连接至第一晶体管1222a和第二晶体管1222b。因此，可以通过第一感测电路1244a和第一晶体管1222a测量感测结构130的电势，并且可以通过第二感测电路1244b和第二晶体管1222b测量导电层1242的电势。

感测结构130位于第一衬底110和第二衬底120之间，并且接合至部分第一衬底110和部分第二衬底120。在一些实施例中，感测结构130由诸如硅的导电材料制成。在一些实施例中，感测结构130由硬导电材料制成。在一些实施例中，感测结构130包括接合至第二衬底120的第二突出外围部分1302。在一些实施例中，第二突出外围部分1302在俯视图中是开口状(例如，u型)或或封闭状(例如，矩形或圆形)。在一些实施例中，第一衬底110的第一突出外围部分1102与感测结构130的第二突出外围部分1302基本对准。在一些实施例中，第一突出外围部分1102的上表面(未标记)大于或等于第二突出外围部分1302的上表面(未标记)。

在一些实施例中，mems压力传感器包括第一接合焊盘140和第二接合焊盘150。在一些实施例中，第一接合焊盘140和第二接合焊盘150由金属、合金、半导体材料或它们的组合制成。在一些实施例中，第一接合焊盘140位于第二衬底120的接合部分上方。在一些实施例中，第一接合焊盘140耦合或直接连接至第一感测电路1244a。在一些实施例中，第二接合焊盘150位于感测结构130和第一接合焊盘140之间。在一些实施例中，第二接合焊盘150耦合或直接连接至感测结构130。在一些实施例中，通过第一接合焊盘140和第二接合焊盘150将第一感测电路1244a耦合至感测结构130。在一些实施例中，第二接合焊盘150位于第二突出外围部分1302上方。在一些实施例中，第一接合焊盘140的凹部(未标记)与第二接合焊盘150的凸部(未标记)基本对准。在一些实施例中，通过共晶接合、扩散接合或任何其它合适的接合类型将第一接合焊盘140接合至第二接合焊盘150。在一些实施例中，共晶接合是ge/al、ge/au或si/au。在一些实施例中，扩散接合是si/al或si/ti。

在一些实施例中，位于第一衬底110和感测结构130之间的第一间隔110a与外侧连通；也就是说，第一间隔110a是开放的间隔。在一些实施例中，第一衬底110包括穿过第一衬底110的孔洞110b，并且第一间隔110a通过孔洞110b与外侧连通。在一些实施例中，孔洞110b面向感测结构130。在一些实施例中，第一间隔110a配置为容纳具有未知压力的测试气体。

在一些实施例中，位于第二衬底120和感测结构130之间的第二间隔120a与外侧连通或隔离；也就是说，第二间隔120a是开放的间隔或封闭的间隔。在一些实施例中，如图1所示，第二间隔120a与外侧隔离。在一些实施例中，第二间隔120a是真空的或容纳具有已知压力的气体。第一间隔110a和第二间隔120a之间的压力差将产生感测结构130的变形。第一间隔110a的测试气体的未知压力可以从与感测结构130的变形相关的特征参数(例如，电容或电阻)得到。

在一些实施例中，感测结构130、导电层1242和它们之间的第二间隔120a构成电容器。在一些实施例中，图1的mems压力传感器是电容式mems绝对压力传感器。在一些实施例中，通过电容器的电容变化获得第一间隔110a的测试气体的未知压力。在一些实施例中，第一感测电路1244a和第二感测电路1244b配置为测量电容器的电容。

具体地，例如，第一间隔110a和第二间隔120a的每个均具有已知压力，并且感测结构130具有初始间隙d0(可以称为校正间隙)的初始变形。随后，第一间隔110a与具有未知压力的测试气体连通，并且第二间隔120a仍具有相同的已知压力，并且感测结构130具有间隙d’的变形。电容变化＝(第二间隔120a的介电常数)×(感测结构130的平面面积)×(1/d’－1/d0)。可以通过电容变化计算第一间隔110a的测试气体的未知压力，f＝p/a和胡克定律。

图2是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。图2和图1之间的不同在于在图2中，第二衬底120包括第三感测电路1244c(耦合至感测结构130并且配置为测量感测结构130的电阻)。在一些实施例中，第三感测电路1244c具有耦合至感测结构130并且彼此分隔开的两个终端(未标记)。在一些实施例中，第一接合焊盘140耦合或直接连接至第三感测电路1244c。在一些实施例中，通过第一接合焊盘140和第二接合焊盘150将第三感测电路1244c耦合至感测结构130。在一些实施例中，第二衬底120包括位于块状衬底122的顶部处并且耦合至第三感测电路1244c的第三晶体管1222c。

在一些实施例中，图2的mems压力传感器是压阻式mems绝对压力传感器。在一些实施例中，通过感测结构130的电阻变化获得第一间隔110a的测试气体的未知压力。

具体地，例如，第一间隔110a和第二间隔120a的每个均具有已知压力，并且感测结构130具有初始电阻r0。随后，第一间隔110a与具有未知压力的测试气体连通，并且第二间隔120a仍具有相同的已知压力，并且感测结构130具有电阻r’。电阻变化＝r’-r0。可以通过电阻变化计算第一间隔110a的测试气体的未知压力，f＝p/a和胡克定律。

图3是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。图3和图1之间的不同在于图3的第二间隔120a与外侧连通；也就是说，第二间隔120a是开放的间隔。在一些实施例中，第二间隔120a与具有已知压力的气体连通。在一些实施例中，第一衬底110的第一突出部分1102在俯视图中具有开口(例如，图3是第一间隔110a的左侧)；感测结构130的第二突出部分1302在俯视图中具有开口(例如，图3的第二间隔120a的右侧)。在一些实施例中，第二突出部分1302的开口和第一突出部分1102的开口在俯视图中设置在不同侧处。在一些实施例中，第二突出部分1302的开口和第一突出部分1102的开口在俯视图中设置在相对侧处。

在一些实施例中，感测结构130、导电层1242和它们之间的第二间隔120a构成电容器。在一些实施例中，图3的mems压力传感器是电容式mems压差传感器。类似于图1的电容式mems绝对压力传感器，通过电容器的电容变化获得第一间隔110a的测试气体的未知压力。

具体地，例如，第一间隔110a和第二间隔120a的每个均具有已知压力，并且感测结构130具有初始间隙d0(可以称为校正间隙)的初始变形。随后，第一间隔110a与具有未知压力的测试气体连通，并且第二间隔120a仍具有相同的已知压力，并且感测结构130具有间隙d’的变形。电容变化＝(第二间隔120a的介电常数)×(感测结构130的平面面积)×(1/d’－1/d0)。可以通过电容变化计算第一间隔110a的测试气体的未知压力，f＝p/a和胡克定律。

图4是根据本发明的一些实施例的mems压力传感器的截面图。图4和图3之间的不同在于在图4中，第二衬底120包括第三感测电路1244c(耦合至感测结构130并且配置为测量感测结构130的电阻)。在一些实施例中，第三感测电路1244c具有耦合至感测结构130并且彼此分隔开的两个终端(示出了一个，并且另一个未示出)。在一些实施例中，第一接合焊盘140耦合或直接连接至第三感测电路1244c。在一些实施例中，通过第一接合焊盘140和第二接合焊盘150将第三感测电路1244c耦合至感测结构130。在一些实施例中，第二衬底120包括位于块状衬底122的顶部处并且耦合至第三感测电路1244c的第三晶体管1222c。

在一些实施例中，图4的mems压力传感器是压阻式mems压差传感器。类似于图2的压阻式mems绝对压力传感器，通过感测结构130的电阻变化获得第一间隔110a的测试气体的未知压力。

具体地，例如，第一间隔110a和第二间隔120a的每个均具有已知压力，并且感测结构130具有初始电阻r0。随后，第一间隔110a与具有未知压力的测试气体连通，并且第二间隔120a仍具有相同的已知压力，并且测试结构130具有电阻r’。电阻变化＝r’-r0。可以通过电阻变化计算第一间隔110a的测试气体的未知压力，f＝p/a和胡克定律。

图5a至图5c是根据本发明的一些实施例的处于形成图1的mems压力传感器的不同阶段的截面图。应该注意，以下描述的方法的操作可以改变或替代为制造其它类型的mems压力传感器(诸如图2、图3或图4的mems压力传感器)。

在一些实施例中，如图5a所示，接收或提供第一衬底110。在一些实施例中，第一衬底110包括第一突出外围部分1102。在一些实施例中，使用任何图案化工艺(诸如光刻和蚀刻工艺)、激光钻孔工艺或任何其它合适的工艺形成第一突出外围部分1102。在一些实施例中，第一突出外围部分1102在俯视图中是开口状(例如，u型)或封闭状(例如，矩形或圆形)。

在一些实施例中，如图5a所示，接收或提供感测结构130。在一些实施例中，感测结构130包括第二突出外围部分1302。在一些实施例中，使用任何图案化工艺(诸如光刻和蚀刻工艺)、激光钻孔工艺或任何其它合适的工艺形成第二突出外围部分1302。在一些实施例中，第二突出外围部分1302在俯视图中是开口状(例如，u型)或封闭状(例如，矩形或圆形)。在一些实施例中，在感测结构130上方形成第二接合焊盘150。在一些实施例中，第二接合焊盘150由金属、合金或半导体材料制成。

如图5a所示，将感测结构130的侧上的部分接合至第一衬底110的部分(例如，第一突出外围部分1102)以在第一衬底110和感测结构130之间形成第一间隔110a。在一些实施例中，通过热工艺将感测结构130的侧上的部分接合至第一衬底110的部分。在一些实施例中，在感测结构130和第一衬底110的部分之间存在硅接合。在一些实施例中，第一间隔110a与外侧连通或隔离。

在一些实施例中，如图5b所示，接收第二衬底120。在一些实施例中，第二衬底120包括块状衬底122。在一些实施例中，第二衬底120包括位于块状衬底120中的晶体管(诸如第一晶体管1222a和第二晶体管1222b)。在一些实施例中，第二衬底120包括互连和ild层124。在一些实施例中，第二衬底120包括位于互连和ild层124中的感测电路(诸如第一感测电路1244a和第二感测电路1244b)。在一些实施例中，感测电路配置为测量电容、电阻或任何其它合适的特征参数。在一些实施例中，在第二衬底120上方形成第一接合焊盘140。

在一些实施例中，如图5a和图5b所示，翻转第一衬底110和感测结构130，并且将感测结构130的相对侧上的部分(例如，第二突出外围部分1302)接合至第二衬底120的部分以在第二衬底120和感测结构130之间形成第二间隔120a。在一些实施例中，通过热工艺将感测结构130的相对侧上的部分接合至第二衬底120的部分。在一些实施例中，通过热工艺将第二接合焊盘150接合至第一接合焊盘140。在一些实施例中，在第二接合焊盘150和第一接合焊盘140之间存在共晶接合(诸如ge/al、ge/au或si/au)或扩散接合(诸如si/al或si/ti)。在一些实施例中，第二间隔120a与外侧连通或隔离。

在一些实施例中，如图5b和图5c所示，去除第一衬底110的另一部分。第一衬底110的其它部分未与感测结构130重叠。相应地，第一衬底110的平面尺寸(俯视图)小于第二衬底120的平面尺寸(俯视图)。在一些实施例中，通过蚀刻或切割去除第一衬底110的其它部分。在一些实施例中，第一衬底110具有用于蚀刻或切割的凹口(未示出)。在一些实施例中，在感测结构130的相对侧上的部分接合至第二衬底120的部分之后，去除第一衬底110的其它部分。

在一些实施例中，如图5c和图1所示，形成穿过第一衬底110的孔洞110b。在一些实施例中，通过实施蚀刻工艺、激光钻孔工艺或任何其它合适的去除工艺形成孔洞110b。在一些实施例中，在感测结构130的相对侧上的部分接合至第二衬底120的部分之后或感测结构130的侧上的部分接合至第一衬底110的部分之前形成孔洞110b。

根据一些实施例，mems压力传感器包括第一衬底、第二衬底和感测结构。第二衬底基本平行于第一衬底。感测结构位于第一衬底和第二衬底之间，并且接合至第一衬底的部分和第二衬底的部分，其中，第一衬底和感测结构之间的第一间隔与外侧连通，并且第二衬底和感测结构之间的第二间隔与外侧连通或隔离。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第一衬底包括穿过所述第一衬底并且面向所述感测结构的孔洞。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括面向所述感测结构的导电层。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括面向所述感测结构的导电层，所述第二衬底包括位于所述导电层上方的绝缘层。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括面向所述感测结构的导电层，所述第二衬底包括分别耦合至所述感测结构和所述导电层的第一感测电路和第二感测电路。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括耦合至所述感测结构的第三感测电路。

在上述mems压力传感器中，还包括：第一接合焊盘，位于所述第二衬底的所述部分上方；以及第二接合焊盘，位于所述感测结构和所述第一接合焊盘之间。

根据一些实施例，mems压力传感器包括第一衬底、第二衬底和感测结构。第一衬底包括第一突出外围部分。第二衬底基本平行于第一衬底。感测结构位于第一衬底和第二衬底之间，并且接合至第一衬底的第一突出外围部分，并且包括接合至第二衬底的第二突出外围部分。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第一衬底的所述第一突出外围部分与所述感测结构的所述第二突出外围部分对准。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第一突出外围部分的上表面大于或等于所述第二突出外围部分的上表面。

在上述mems压力传感器中，还包括：第一接合焊盘，位于所述第二衬底上方；以及第二接合焊盘，位于所述第二突出外围部分上方并且与所述第一接合焊盘接触。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第一衬底包括穿过所述第一衬底并且面向所述感测结构的孔洞。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括面向所述感测结构的导电层。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括面向所述感测结构的导电层，所述第二衬底包括位于所述导电层上方的绝缘层。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括面向所述感测结构的导电层，所述第二衬底包括分别耦合至所述感测结构和所述导电层的第一感测电路和第二感测电路。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第二衬底包括耦合至所述感测结构的第三感测电路。

在上述mems压力传感器中，其中，所述第一衬底的平面尺寸小于所述第二衬底的平面尺寸。

根据一些实施例，制造mems压力传感器的方法包括：将感测结构的侧上的部分接合至第一衬底的部分以在第一衬底和感测结构之间形成第一间隔；并且将感测结构的相对侧上的部分接合至第二衬底的部分以在第二衬底和感测结构之间形成第二间隔。

在上述方法中，还包括形成穿过所述第一衬底的孔洞。

在上述方法中，还包括去除未与所述感测结构重叠的所述第一衬底的另一部分。

上面概述了若干实施例的特征，使得本领域人员可以更好地理解本发明的方面。本领域人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本人所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。