具有两个掩埋腔的微机电器件及其制造方法与流程

本发明涉及用于制造具有两个掩埋腔的MEMS(微机电系统)的方法以及微机电器件。

下文中，术语“掩埋腔”是指半导体材料本体或芯片内的空区域(或者填充有气体的区域)，它们与本体的两个主面相距一定距离延伸，通过半导体和/或介电材料的部分与这些面分离。

背景技术：

如已知的，包括采用MEMS技术至少部分由半导体材料制成的微机械结构的传感器由于其小尺寸、低制造成本和灵活性的有利特性而得到越来越广泛的使用。

MEMS传感器通常包括：微机械感应结构，将待检测的物理或机械量转换为电量(例如，与电容变化相关)；以及电子读取电路，通常被形成为ASIC(专用集成电路)，其执行电量的处理操作(即，放大和过滤)并提供电输出信号(模拟(例如，电压)或数字(例如，PDM(脉冲密度调制)信号))。然后，使得可能被电子接口电路进一步处理的电信号可用于外部电子系统，例如结合传感器的电子装置的微处理器控制电路。

MEMS传感器例如包括：用于检测物理量的传感器(例如，惯性传感器)，其检测加速度或角速度数据；所得信号(诸如四元数(表示三维空间中的旋转和方向的数据)、重力信号等)的传感器；运动传感器，诸如步进计数器、跑步传感器、上坡传感器等；以及环境信号，检测诸如压力、温度和湿度的量。

为了感应物理/机械量，所考虑类型的MEMS传感器包括形成在半导体芯片中或形成在半导体芯片上并且悬置在第一腔上方的隔膜或块。隔膜可以面对外部环境或者经由流体路径与其通信。

例如，2013年6月28日提交的意大利专利申请第TO2013A000540号描述了一种MEMS器件，其中器件的形成隔膜的感应部分与芯片的剩余部分分离并且被弹簧支撑。弹簧将感应部分与芯片的剩余部分去耦合并吸收封装应力而不将其转移至感应部分。在该器件中，感应部分容纳在第二腔内或面对第二腔，这能够限制感应部分相对于芯片的剩余部分的移动。

在实践中，该器件具有两个腔，其中第一腔限定隔膜，第二腔能够将器件的感应部分与剩余部分去耦合。在已知器件中，为了得到两个腔，使用接合到一起的两个半导体晶圆。如下面参照图1和图2所讨论的，如果器件设置有盖，则其形成在也被接合的第三晶圆中。

图1以简化方式示出了形成在半导体材料(诸如硅)的芯片10中的MEMS传感器1。盖11固定至芯片10的第一面10A，并且封闭区域12经由间隔件26固定至芯片10的第二面10B。

芯片10包括通过沟槽14与芯片10的外围部分18分离的悬置区域13。弹性元件(也称为弹簧15)支持感应区域13并且将其机械地连接至外围部分18。感应区域13容纳界定隔膜19的掩埋腔16。

第二腔21在感应区域13下方延伸。感应区域13设置有杆20(也称为Z止停器)，其在第二腔21中延伸并且在可能损伤弹簧15的撞击或应力的情况下限制感应区域13的振荡。

这里，盖11覆盖芯片10的整个第一面10A的顶部，并且保护芯片免受外部环境的干扰。盖11经由接合区域22(例如金属，诸如金、锡或铜，或者聚合材料或玻璃材料(玻璃熔块))固定至外围部分18，并由此由于接合区域22的厚度而通过间隙23与第一面10A隔开。此外，盖11具有通孔24，其将隔膜19流体地连接至环绕芯片10的环境。

在MEMS传感器1的操控期间(例如，在传输至组件系统期间)，封闭区域12具有保护功能。通常，封闭区域12通过容纳电子部件的第二芯片(诸如ASIC)组成，但是可以通过另一支撑件(诸如印刷电路板等)组成。通常，封闭区域12具有隔离沟槽17，以防止接合区域22的材料到达移动部分，限制其以不期望的方式移动。

由于第二腔21，承载MEMS传感器的感应部分(隔膜19)的感应区域13在特定限制内沿着垂直方向(垂直于芯片10的主延伸面，由此垂直于其面10A、10B)自由移动，并且在制造期间特别是在封装期间不被应力所影响，因为感应区域13与外围部分机械地去耦合。

图1和图2的器件通过将三个晶圆接合到一起而形成。具体地，初始地(图3A)，单晶硅的第一晶圆350被处理用于在底部形成界定隔膜19的掩埋腔16。掩埋腔16的形成可以多种方式发生，例如如EP1577656所描述。此外，在第一晶圆350的第一面350A上，沉积金层以形成第一接合和电连接结构351。此外，使用硅蚀刻从前面蚀刻第一晶圆350，用于横向地限定沟槽14和弹簧15。

并行地、在之前或在之后(图3B)，单晶硅的第二晶圆400被设置有第二接合和电连接结构401，该结构401具有与第一接合和电连接结构351相符的形状和尺寸。接下来，使用抗蚀剂掩模，执行深度硅蚀刻以形成孔403和沟槽404。延长蚀刻，使得孔403和沟槽404具有的深度大于盖11(图1)的厚度。

然后(图3C)，将第二晶圆400翻过来并经由已知类型的晶圆至晶圆接合工艺固定至第一晶圆350，以得到组合晶圆500。

接下来(图3D)，从背面减薄第一晶圆350，以形成第二腔21和杆20，并且再次从背面蚀刻，以释放悬置区域13和弹簧15。此外，第二晶圆400被减薄直到达到孔403和沟槽404的底部。

在接合第三晶圆410并切割图3D的组合晶圆500之后，由此得到图1的MEMS传感器1。

从而，在所述工艺中，通过接合三个不同的晶圆而得到MEMS器件1。

因此，其厚度是相当重要的。此外，该工艺尤其复杂，因为这要求三个晶圆的接合。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供具有两个腔的MEMS器件及其制造方法，其克服了现有技术的缺陷。

根据本发明，分别如权利要求1和10所限定的，提供了微机电器件及其制造方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，仅参照附图通过非限制性实例描述其优选实施例，其中：

图1和图2分别是已知MEMS器件的截面和顶视图；

图3A至图3D是图1的MEMS器件的连续制造步骤的截面；

图4A至图4F示出了本发明的制造方法的实施例的连续步骤的截面；

图5是本发明方法的步骤4E中形成的晶圆的细节的顶视图；

图6A至图6D是本发明的制造方法的另一实施例的连续步骤的截面；

图7是本发明方法的步骤6B中形成的晶圆的细节的顶视图；

图8是本发明方法的步骤6C中形成的晶圆的细节的顶视图；

图9是本发明的MEMS器件的不同实施例的截面；以及

图10示出了使用本发明的MEMS器件的装置。

具体实施方式

以下将参照制造单个感应结构来描述本发明的制造方法，应该理解，在切割晶圆之前，可以在晶圆中重复多次，这对于本领域技术人员来说是公知的。

初始地(图4A)，在半导体材料的初始晶圆100中形成掩埋腔。例如，为此，可以使用在欧洲专利EP1577656(对应于专利US8173513)描述并且在下文简要总结的制造方法。

详细地，在初始晶圆100上，形成具有根据蜂巢结构配置的开口的抗蚀剂掩模101。使用掩模101，各向异性地蚀刻初始晶圆100，用于形成多个沟槽102，多个沟槽102彼此相通并且界定多个硅柱103。

接下来(图4B)，在还原环境中去除掩模101并执行外延生长。从而，外延层(例如，N型，具有30μm厚度)在柱103上方生长，在顶部封闭沟槽102并形成第一中间晶圆200。

然后执行热退火，例如在1190℃下进行30分钟，优选在氢气氛下，或者可选在氮气氛下。

如上引用的专利所讨论的，退火引起硅原子的迁移，其倾向于移动到低能量位置。从而，并且还凭借柱103之间的短距离，柱103的硅原子被完全迁移，并且形成第一掩埋腔106。薄硅层保持在第一掩埋腔106上方并且部分地通过外延生长的硅原子且部分通过迁移的硅原子形成，并且形成单晶硅封闭层105。

在所示实施例中(图4C)，然后执行N型或P型以及从封闭层105开始的几十微米(例如，50μm)的厚度的另一外延生长。由此形成第二中间晶圆201，其包括覆盖在第一掩埋腔106上面的第一厚单晶硅区域108。

接下来(图4D)，在第一厚区域108中形成第二腔109，例如重复在欧洲专利EP1577656中描述的制造方法(还参见图4A和图4B)。以这种方式，传感器晶圆107形成为具有第一面107A和第二面107B，并且在第一腔106上方具有第二厚区域114。第二厚区域114容纳第二腔109和隔膜110(其被界定在第二腔109的底部处并面对第一面107A)。例如，第二厚区域114具有近似50μm的厚度，并且隔膜110例如具有近似10μm的厚度。

如果应用要求，则以已知且未示出的方式，经由掺杂剂离子种类(这里为P型)的扩散或注入，可以将电子部件121(例如，压敏电阻器)设置在隔膜110中。此外，以已知方式，可以在传感器晶圆107的第一面107A上设置电互连(未示出)。

接下来(图4E)，使用掩模层(未示出)，穿过第二厚区域114执行深硅蚀刻直到到达第一腔106。由此在第二腔109外部且环绕第二腔109形成沟槽111。具体地，在所示实施例中，沟槽111具有方形螺旋的形状。以这种方式，如可以从图5的顶视图看出，通过界定感应部分112的五个侧面以及将感应部分112连接至传感器晶圆107的剩余部分(外围部分104和基部119)的臂或弹簧113来形成沟槽111。

然后，盖晶圆115被固定至传感器晶圆107的第一面107A。为此，例如，先前可以向盖晶圆115和/或传感器晶圆107施加接合区域116，例如金属，诸如金、锡或铜或者聚合材料或基于玻璃的材料(玻璃熔块)。以这种方式，可以将集成在第二晶圆107中的电子部件122与盖晶圆115中或盖晶圆115上的导电结构(未示出)电连接。接合区域116还在传感器晶圆107的第一面107A与盖晶圆115之间形成间隔件，由此界定盖117。

在所示实施例中，盖晶圆115具有通孔118，通孔118能够实现在盖117与外部环境之间的流体连接以及通过隔膜110对外部压力的检测。

盖晶圆115可进一步设置有用于接合线(未示出)的孔(未示出)。可选地，以未示出的方式，硅通孔(未示出)可以设置在传感器晶圆107的外围部分104中，用于电部件121与传感器晶圆107的第二面107B的电连接。

在将传感器晶圆107切割成多个MEMS器件120之后，它们中的每一个都可以固定至支撑件(未示出)，例如ASIC。可选地，以未示出的方式，传感器晶圆107可以在切割之前固定至另一晶圆，或者固定至印刷电路板。

根据不同实施例，可以经由牺牲层的去除来形成第二腔。

在这种情况下，制造方法可以包括如参照图4A至图4C所描述的相同初始步骤。

因此，从图4C的结构开始，其中第一腔106已经形成在第二中间晶圆201中，牺牲区域130形成在第一厚区域108上。例如，通过经由已知的光刻技术沉积牺牲层(例如，氧化硅)及其限定来形成牺牲区域130(图6A)。接下来，结构层131沉积在牺牲区域130上方，例如通过CVD生长的多晶硅层，从而形成传感器晶圆210，传感器晶圆210具有包括对应于结构层131的凸起区域以及对应于第一厚区域108的暴露部分的降低区域的第一非平坦面210A。

然后，在图6B中，结构层131被蚀刻以限定惯性类型的微机电结构，例如加速计。在这种情况下，如在图7的顶视图中可以看出，限定了在图7中仅示意性表示的悬置块或平台132、弹簧133(将平台132连接至结构层131的剩余部分)以及移动和固定电极134。

然后，例如在氢氟酸中，通过蚀刻牺牲材料来去除牺牲区域130，用于释放平台132和移动电极，从而得到图6B的结构，其中第二腔125在平台132下方延伸。

随后或之前，例如使用干膜(图6C)并且与参照图4E的描述类似，使用掩模层(未示出)，穿过第一厚区域108、在结构层131的区域外并由此在平台132外进行深硅蚀刻，直到到达第一腔106。由此形成沟槽111，其在顶视图(参见图8)中环绕第二腔125和平台132。此外，这里，沟槽111具有正方螺旋形状，并且包括界定感应部分135的五个侧面以及将感应部分135连接至传感器晶圆210的剩余部分(以下还表示为外围部分137)的臂或弹簧136。

然后，与参照图4F所述类似的，盖晶圆140固定至传感器晶圆210的第一面210A。在这种情况下，由于传感器晶圆210的面210A不平坦并且平台132在厚区域108之上凸起，所以盖晶圆140具有面对感应区域135的凹陷141。

此外，在这种情况下，盖晶圆140可以具有用于通过接合线的孔(未示出)，或者以未示出的方式，硅通孔可以设置在外围部分137中。

然后，传感器晶圆210被切割成多个MEMS器件143，并且与上面的描述类似地，在切割之前，每一个MEMS器件都可以接合到支撑件，或者传感器晶圆210可以固定至另一晶圆。

在不同实施例中(图9)，盖直接通过ASIC形成，并且代替在盖中，而直接在传感器晶圆中形成连接到外部环境的孔。

在所示实施例中，使用图4E的传感器晶圆107。与沟槽111蚀刻类似，这里通过深硅蚀刻对传感器晶圆107的基部119(在图4E的图中位于第一腔106下方)进行穿孔。因此，连接孔145将第一腔106连接至外部环境。

以已知方式沉积并限定在第一面107上的第一止停器146(例如介电材料(诸如氧化硅)或金属材料或多晶硅或多种材料层的堆叠)被进一步形成在传感器晶圆107的第一面107A上。

在面对第一止停器146且与第一止停器146相距一定距离的位置处，在ASIC晶圆150的面150A上形成第二止停器147。

间隔件151以及机械和电连接元件152形成在ASIC晶圆150上或传感器晶圆107上。

间隔件151可以是包括金、铜、锡、玻璃熔块或聚合物的材料，并且可以具有5μm的厚度。

机械和电连接元件152例如可以通过所谓的“焊料球”形成，其被布置在传感器晶圆107的第一面107A和ASIC晶圆150的面150A上形成的接触焊盘153A、153B处。

然后，传感器晶圆107和ASIC晶圆150接合到一起，其中传感器晶圆的第一面107A与ASIC晶圆150的面150A相互面对，从而形成组合晶圆。最后，组合晶圆被切割成多个完成的器件160。

作为上述方式的备选，可以在切割组合晶圆之前，在工艺的结尾处形成连接孔145。

以这种方式，在两个面107A和150A之间形成间隙154，间隙154的厚度通过间隔件151来限定，并且感应部分112可以在间隙154或第一腔106内以受限方式移动，由此与外围部分104去耦合。

此外，隔膜110通过沟槽111、第一腔106和孔145连接至外部环境，由此形成流体路径。

除接合传感器晶圆170和ASIC晶圆150之外，机械和电连接元件152能够实现它们的电连接。

作为上述方式的备选，传感器晶圆107和/或ASIC晶圆150可以以已知方式在接合之前被切割。此外，可以形成盖并且ASIC也从图6A的结构开始，并且因此具有通过去除牺牲区域而形成的第二腔125。

图10是使用MEMS器件120、143、160的电子装置170的示意性表示。

除了MEMS器件120、143、160之外，电子装置170还包括微处理器174、连接至微处理器174的存储器块175以及也连接至微处理器174的输入/输出接口176。此外，可以具有扬声器178，用于生成关于电子装置170的音频输出(未示出)的声音。

具体地，电子装置170固定至支撑本体180(例如通过印刷电路形成)。

例如，电子装置170是用于测量血压的装置(血压计)、家用装置、移动通信设备(蜂窝电话、PDA(个人数字助理)或笔记本电脑)、或者通常可用于汽车零件或工业领域的压力测量装置。

以这种方式，与目前生产的器件相比，器件120、143、160可以形成有更少量的晶圆，这是因为腔(即，第一腔106以及第二腔109或125)形成在同一单体衬底上，而不将两个晶圆接合到一起。

以这种方式，显著降低了制造成本。此外，对于相同的鲁棒性，可以减小所完成器件的厚度。最后，可以减少粘合材料的污染和/或界定的问题，而无需形成特定的隔离沟槽。

最后，清楚地，在不背离本发明的由权利要求限定的范围的情况下，可以对本文描述和说明的器件和制造方法进行修改和变化。例如，所述实施例可以组合来提供进一步的解决方案。具体地，MEMS器件120可以是传感器或不同类型的致动器，其可以使用MEMS技术来得到并且要求与芯片的剩余部分机械去耦合。