具有面外MEMS感应间隙的CMOS-MEMS结构的制作方法

本申请案请求于2016年5月19日提交的申请号为15/158,947的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此(incorporatedhereinbyreference)。

本公开涉及具有稳定电极的微机电传感器装置，所述电极对金属共晶接合的非线性特性不敏感，所述金属共晶接合将微机电系统(mems)层和互补金属氧化物半导体(cmos)层接合。

背景技术：

当材料过载使其超出其线性工作范围时，金属可表现出非线性行为，譬如是用于将微机电系统(mems)装置共晶接合到互补金属氧化物半导体(cmos)层的铝-锗(al-ge)。过载可能来自外部负载，如热、封装、热接合、组装、冲击及其他外部负载。一些与cmos接合的mems装置具有面外(out-of-plane)感测电极，面外感测电极被设置在移动的mems结构及所述cmos顶部金属电极之间。跨越此感测电极的机械连接包含金属，并且当所述装置因外源输入而过载时具有非线性行为。非线性行为是不欲发生的事情，并且对mems传感器来说，非线性行为会被转换为错误信号。因此，具有跨越感测间隙、不含任何金属的机械连接是有益的。

技术实现要素：

以下提供了说明书的简要概述，以提供对所述说明书的一些方面的基本理解。此概述并非对所述说明书的广泛综述，其既不旨在指明所述说明书的关键或重要元素，也不在于描述所述说明书的任何实施例的任何特定范围或权利要求的任何范围。此概述唯一目的是以简化形式呈现所述说明书的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

根据实施例，本申请揭示一种传感器装置，包括：微机电系统(mems)层，包括：致动器层和覆盖层，其中所述致动器层的一部分通过电介质耦接至所述覆盖层，及其中所述致动器层在平面外移动以响应刺激；及面外感测组件，设置在所述致动器层和所述覆盖层之间，其中所述mems装置层经由弹簧和锚连接至互补金属氧化物半导体(cmos)衬底层。

所述cmos衬底层还包括集成电路，所述集成电路被设置以输出表示所述刺激的变化的信号数据。当所述刺激是施加于所述致动器层的气压时，所述集成电路被设置以输出表示所述气压的变化的信号数据。

所述传感器装置还包括cmos传感组件，所述cmos传感组件设置在cmos顶部电极和所述致动器层之间，其中可选择地将所述cmos顶部电极形成或将其部分设置在所述cmos衬底层上。所述cmos传感组件能够，例如，检测环境湿度，大气颗粒或所述致动器层的加速度。所述cmos衬底层可输出基于从所述感测组件接收的第一数据和/或从所述cmos传感组件接收的第二数据的信号数据，或者所述cmos衬底层可输出作为所述第一数据和/或所述第二数据的函数的信号数据，其中所述第一数据及所述第二数据表示施加于所述致动器层的刺激。在所述输出信号为第一信号数据的例子中，所述cmos衬底层可输出表示所述mems致动器层的面外加速度的第三信号数据。

所述传感器装置还包括设置于所述cmos顶部电极及所述致动器层之间的致动器，其中所述顶部电极在面外致动所述mems装置层并创建出气泵。

所述传感器装置还包括；形成于所述致动器层和所述覆盖层之间的密封腔体；将所述覆盖层电性耦接至所述cmos衬底层的导体；通过电介质而耦接至所述覆盖层的参考层；以及在所述参考层及所述覆盖层之间形成的参考组件。所述mems致动器层及所述cmos衬底层通过至少一个共晶接合而耦接。

所述面外组件可以是在所述致动器层及所述覆盖层之间的可变电容器，所述弹簧可形成在所述致动器层中，和/或所述弹簧可形成在所述覆盖层中。根据实施例，所述锚可位于所述致动器层的中央。

根据另一实施例，本公开提出了一种微机电传感器装置，包括：微机电系统(mems)层，包括：致动器层，所述致动器层通过介电质部分耦接至覆盖组件；面外组件，形成于所述致动器层及所述覆盖组件之间，其中所述面外组件可以是在所述致动器层及所述覆盖组件之间形成的可变电容器；锚组件及弹簧组件，所述弹簧组件将所述mems层耦接至互补金属氧化物半导体(cmos)层；以及导体，所述导体电性耦接所述覆盖组件及所述cmos层，其中所述导体例如可以是但不限于多晶硅、钨、金、钛、氮化钛、铝和/或锗的导电材料。

所述mems层还可以包括：密封腔体，形成或建构于所述覆盖组件及所述致动器层之间，其中所述覆盖组件与所述致动器层机械接合以形成所述密封腔体；以及参考层，利用介电质而连接于所述覆盖组件，其中参考组件形成于所述参考层及所述覆盖组件之间，且其中所述参考层连接至所述cmos层，所述cmos层输出信号数据，所述信号数据表示由所述面外组件及所述参考组件测量的施加于所述致动器层的刺激。

所述cmos层可以包括顶部电极，所述顶部电极除了导致所述mems层振动以形成气泵以外，还能够检测环境湿度和/或化学颗粒物。所述cmos层，在所述面外组件为第一面外组件的一些情形下，还可以包括第二面外组件，所述第二面外组件可以形成于所述顶部电极及所述致动器层之间。所述cmos层可输出信号数据，所述信号数据表示由所述第一面外组件及所述第二面外组件测量的作用于所述致动器层的刺激。在所述信号数据为第一信号数据的一些情况下，所述cmos层可输出第二信号数据，所述第二信号数据表示由所述第二面外组件测量的所述mems层的加速度。

以下描述和附图阐述了本说明书的某些说明性方面。然而，这些方面仅指示了可以采用本说明书原理的各种方式中的一些方式。当结合附图考虑时，从说明书的以下详细描述中，本说明书的其他优点和新颖特征将变得易于理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。请结合附图考虑以下详细描述，本公开的多个方面、实施例、目的和优点将易于理解，其中相同的附图标记始终表示相同的部件，并且其中：

图1显示根据第一实施例的传感器装置100的横截面图；

图2显示根据第二实施例的传感器装置200的横截面图；

图3显示根据第三实施例的传感器装置300的横截面图；

图4显示根据第四实施例的传感器装置400的横截面图；

图5显示根据第五实施例的传感器装置500的横截面图；

图6显示金属顶头层/电极的结构，其用于建构或配置根据第六实施例的湿度或化学传感器600；

图7显示根据第七实施例的组合压力传感器和面外加速度传感器700的平面图；以及

图8显示根据第八实施例的压力传感器和mems泵组合800的平面图。

具体实施方式

现在参考附图描述一个或多个实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的组件。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对各种实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种实施例，例如，不应用于任何特定的网络环境或标准。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和装置，以便于更详细地描述实施例。

本申请揭示及描述一种微机电传感器装置，其包括：互补金属氧化物半导体(cmos)衬底层及微机电系统(mems)装置层，其中所述mems装置层包括：致动器层，其中所述致动器层的一部分通过电介质耦接至覆盖/承载层(cover/handlelayer)；第一面外感测电极，其连接于所述致动器层和覆盖/承载层之间；至少一锚及至少一弹簧，其将所述mems装置层连接于所述cmos衬底层，其中作用于所述致动器层的力或刺激导致所述面外感测电极的改变，且其中cmos衬底层基于所述面外感测电极输出信号或输出作为所述面外感测电极的函数的信号，所述面外感测电极响应于作用于所述致动器层的刺激。

此外，所述mems装置层还可以包括密封参考腔体，其可用于，例如，建构压力传感器，其中当所述致动器层被力或刺激所冲击时，此压力传感器能够提供作用于所述致动器层的环境压力的指示。此外，所述第一面外感测电极通常可以是在所述致动器层和所述覆盖/承载层之间形成的可变电容器；所述至少一弹簧可以被建构或形成于所述致动器层；所述至少一弹簧可以被建构在所述覆盖/承载层；以及所述锚可以位于所述致动器层的中央。此外，所述mems装置层可以包含如多晶通孔(polyvia)的金属或非金属导体，其可以电性耦接跨越致动器和所述覆盖/承载层之间的所述介电质层使得所述覆盖/承载层的电节点连接于所述cmos衬底层。

此外，所述mems装置层还可以包括利用介电质而连接至所述覆盖/承载层的参考层；间隙参考电极可以在可以连接于所述cmos衬底层的所述参考层及所述覆盖/承载层之间形成；以及所述cmos衬底层可以基于所述第一面外感测电极及所述间隙参考电极而输出信号，或者可以输出作为第一面外感测电极及所述间隙参考电极的函数的信号，其中所述第一面外感测电极及所述间隙参考电极可以与作用于所述致动器层的力/刺激成正比。此外，所述cmos衬底层可以形成在顶部电极上。所述cmos衬底层也可以包括在所述顶部电极及所述致动器层之间形成的第二面外感测电极，其中所述cmos衬底层输出作为所述第一面外感测电极和/或所述第二面外感测电极的函数的信号，或输出基于所述第一面外感测电极和/或所述第二面外感测电极的信号，所述第一面外感测电极和/或所述第二面外感测电极响应于作用于所述致动器层的力/刺激(例如，所述第一面外感测电极可以检测第一力/刺激和/或所述第二面外感测电极可以检测第二力/刺激，其中所述第一力/刺激及所述第二力/刺激可以是不同及独特的)。此外，所述cmos衬底层可以输出基于所述第二面外感测电极的第二信号，其中所述第二面外感测电极是与所述mems装置层的面外加速度成正比例。

在所述cmos衬底层上形成的所述顶部电极可以用于，例如，检测环境湿度，检测空气中的化学物质或其他颗粒物质，且可以用于致动所述mems装置层以作为气泵。

图1显示根据第一实施例的传感器装置100的横截面图。如图所示，所述传感器装置100包括mems结构101，其利用共晶结合部113及123电性及机械接合至cmos结构102。mems结构101可以包括承载晶圆(handlewafer)(覆盖层/组件)110，其可以利用接合部(bonds)103a、103b和103c而熔接(fusionbonded)于致动器层120。接合部103a、103b和103c提供机械接合而非电性接合。感测间隙130是创建在所述承载晶圆110及所述致动器层120之间。所述承载晶圆110通过弹簧111、覆盖柱112a、导体114、致动器柱112b及共晶接合部113而电性连接于所述cmos结构102。所述致动器层120通过弹簧121、致动器柱122及共晶接合部123连接于所述cmos结构102。通过在所述共晶接合部123及致动器层120及所述共晶接合部113及承载晶圆110之间形成的所述两个连接部分，跨越感测间隙130的可变电容器可以为所述cmos结构102所电性激发。

如果所述感测间隙130也是密封腔体，则传感器装置100可以形成电容性压力传感器。传感器装置100在压力的环境改变下将会导致所述致动器层120偏离。所述偏离可能会导致所述感测间隙130改变，所述感测间隙130改变所述可变电容器。所述可变电容器可以由所述cmos结构102通过共晶结合部123及113而电性激发，以及在所述cmos结构102中的信号处理器可以输出与所述施加的压力相关的信号。

如本领域普通技术人员将理解的，并且不限于或脱离前述内容，应注意，弹簧121和/或111可以是柔性的或刚性的。此外，还应注意，覆盖或承载层/组件110和致动器层120可具有相同的厚度，并且所述覆盖或承载层/组件110和致动器层120都可朝向和远离另一个地偏转和/或振荡。

图2显示根据第二实施例的传感器装置200的横截面图。传感器装置200与图1所示的传感器装置100相似。传感器装置200包括mems结构201，mems结构201利用共晶结合部113及123电性及机械接合于cmos结构102。mems结构201可以包括承载晶圆210，承载晶圆210利用接合部203a、203b及203c而熔接于致动器层220。接合部203a、203b和203c在所述承载晶圆210及所述致动器层220之间提供机械接合而非电性接合。在所述承载晶圆210及所述致动器层220之间可以创建出感测间隙230。所述承载晶圆210可以通过金属导体214、致动器导体212a、致动器弹簧211、致动器柱212b及共晶接合部113而电性连接于所述cmos结构102。此外，所述致动器层220通过弹簧121，致动器柱122，及共晶接合部123而电性连接于所述cmos结构102。传感器装置200可以形成电容性压力传感器，其中所述cmos结构102可以输出关于环境压力的信号。

图3显示根据第三实施例的传感器装置300的横截面图。如图所示，传感器装置300包括mems结构301，其可以利用共晶结合部113及313电性及机械接合至cmos结构102。mems结构301可以包括承载晶圆310，其可以利用接合部303a、303b及303c而熔接于致动器层320，其中接合部303a、303b及303c于承载晶圆310及致动器层320之间提供机械接合而非电性接合。可以在接合部303a、接合部303b、承载晶圆310及致动器层320之间创建出感测间隙330。承载晶圆310可以通过金属导体314、致动器导体312a、致动器弹簧311、致动器柱312b及共晶接合部113而电性连接于所述cmos结构102。致动器层320也可以通过位于中央的共晶接合部323而连接于所述cmos结构102，其中共晶接合部323将与致动器320相关联的柔性耦合去除。位于中心的共晶接合部323是有利的，因为它减少了由作用于传感器装置300的外力引起的错误信号。外力可以来自热负荷、冲击负荷、封装、组装及其他等。位于中心的共晶接合部323减少了传递至致动器层320的外力。

图4显示根据第四实施例的传感器装置400的横截面图。如图所示，传感器装置400包括mems结构401，其被配置以利用共晶结合部123、413a及413b以电性及机械接合于cmos结构102。mems结构401可以包括承载晶圆410，其利用机械接合部403a、403b、403c及403d而熔接于致动器层420。机械接合部403a、403b及403c是在承载晶圆410及所述致动器层420之间的介电质接合部(dielectricbonds)。感测间隙430可以形在承载晶圆410、机械接合部403a、机械接合部403b及所述致动器层420之间。承载晶圆410通过弹簧415、导体414、致动器连接器412c、致动器柱412a及共晶接合部413b而电性连接于所述cmos结构102。此外，间隙电极412d通过所述弹簧411、致动器柱412b及共晶接合部413a而连接于所述cmos结构102。可以配置所述间隙电极412d以在所述间隙电极412d及所述承载晶圆410之间形成固定电容器。此外，所述致动器层420也可以通过弹簧121、致动器柱122及共晶接合部123而连接于所述cmos结构102。

传感器装置400可以是压力传感器，其中可变间隙电容器形成于间隙电极412d及所述承载晶圆410之间。所述可变间隙电容器可以与所述cmos信号处理器中的所述可变电容器结合。在环境压力改变下，传感器装置400将所述可变间隙电容器与于所述cmos信号处理器中的所述可变电容器结合，以输出关于所述施加的压力的信号。

图5显示根据第五实施例的传感器装置500的横截面图。如图所示，传感器装置500与图1中的传感器装置100相似，可以包括mems结构501，mems结构501可以利用共晶结合部113及123而电性及机械接合于cmos结构102。mems结构501可以包括承载晶圆510，承载晶圆510可以利用接合部503a、503b及503c而熔接于致动器层520。接合部503a、503b及503c通常配置为提供机械接合部而非电性接合部。mems结构501也可以包含在所述承载晶圆510、接合部503a、接合部503b及所述致动器层520之间创建及界定的感测间隙530。所述承载晶圆510可以通过弹簧511、覆盖柱512a、金属导体514、致动器柱512b及共晶接合部113而电性连接于所述cmos结构102。所述致动器层520可以通过弹簧121、致动器柱122及共晶接合部123而连接于所述cmos结构102。此外，金属顶部层/电极(metaltop(mtop)layer/electrode)540可以形成在所述cmos结构102的顶部。可以利用所述金属顶部层/电极540以于所述致动器层520及所述金属顶部层/电极540之间形成可变电容器。所述致动器层520可以通过弹簧121、致动器柱122及共晶接合部123而电性连接于所述cmos层102。取决于所述金属顶部层/电极540的形状和结构，传感器500可以被配置为具有差分感测电极的压力传感器或组合传感器，其中将所述压力传感器与湿度/化学传感装置、压力传感器漂移补偿电极装置、面外加速度传感装置和/或mems泵中的一个或多个进行结合和/或配置，其中mems泵用于从装置封装外部将空气吸入所述传感器。

关于图1至图5中显示的导体114、导体214、导体314、导体414和导体514，可以形成这些导体以实现所述mems结构(不同地描绘为mems结构101、mems结构201、mems结构301、mems结构401和mems结构501)及所述cmos结构102之间的直接电性耦合，而不需要引线接合(wire-bond)。导体(例如，导体114、导体214、导体314、导体414和导体514)可以通过蚀刻或图案化一个或多个通孔来形成，例如并参考图1，致动器柱112b、接合部103c和覆盖柱112a以及然后用导电材料，例如多晶硅、钨、金、钛、氮化钛、铝和/或锗，来填充一个或多个蚀刻或图案化的通孔。

图6显示金属顶部层/电极(例如，金属顶部电极/层540)的说明性结构，其可用于建构或配置例如湿度或化学传感器600。根据实施例，所述湿度或化学传感器600可以包括在第一顶部电极/层602和第二金属顶部电极/层604之间形成的可变电容器/电阻器。电感器606(606a-606e)可以设置在所述第一顶部电极/层602和所述第二金属顶部电极/层604之间。所述电感器606可以具有电介质和/或电阻特性，所述特性可以随着湿度而变化和/或响应于一些其他环境化学特性的检测或者颗粒物质的检测以创建出一种环境湿度或化学传感器。

在另外的和/或替代实施例中，所述第一顶部电极/层602及所述第二金属顶部电极/层604可用于补偿压力传感器回应环境变化的漂移。

图7显示组合压力传感器及面外加速度传感器700的平面图。根据实施例，所述组合压力传感器及面外加速度传感器700可以包括压力传感器702，压力传感器702通过第一弹簧704a和第二弹簧704b及第一柱706a和第二柱706b而连接于cmos结构。当所述组合压力传感器及面外加速度传感器700受到面外加速度制约时，所述压力传感器702将围绕轴708旋转，可以使用第一金属顶部可变电容器710a和第二金属顶部可变电容器710b来检测所述压力传感器702的旋转。

图8显示压力传感器及mems泵组合800的平面图。所述压力传感器及mems泵组合800可包括压力传感器802，其通过第一弹簧804a、第二弹簧804b、第一柱806a及第二柱806b而耦接于cmos结构。此外，所述压力传感器及mems泵组合800可以包括放置在所述压力传感器802下方的驱动电极810，使得当所述驱动电极810被激发时，所述驱动电极810使所述压力传感器802绕轴808偏转导致周围环境将被移位并移入所述压力传感器及mems泵组合800中及移出所述压力传感器及mems泵组合800。如本领域普通技术人员所理解的，温度、湿度、化学品和/或其他传感器可以与mems泵和压力传感器组合800结合，以对周围环境空气进行采样。此外，在需要对所述传感器封装的范围之外的周围环境进行采样的情况下，所述mems泵及压力传感器组合800可有所帮助。

如在本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚可见，否则“x使用a或b”旨在表示任何自然包含性的排列。也就是说，如果x使用a；x使用b；或者x使用a和b，则上述任何实例皆满足“x使用a或b”。另外，本申请及所述所附权利要求中使用的冠词“一”("a"及"an")通常应解释为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中明确指出单数形式。另外，“耦合”或“耦接”(coupled)在本文中用于表示直接或间接的电性或机械耦合或耦接。另外，术语“示例”和/或“示例性”在本文中用于表示用作示例，实例或说明。本文中描述为“示例”和/或“示例性”的任何方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更为优选或更具优势。此外，“示例性”旨在以具体方式呈现概念。

以上描述的内容包括本主题公开的示例。当然，出于描述主题的目的，不可能描述组件或方法的每个可想到的组合，但是应当理解，所述主题公开可能具有许多其他组合和排列。因此，所要求保护的主题旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这些改变、修改和变化。

特别地并且关于由上述组件、装置、系统等执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些组件的术语(包括对“手段”(“means”)的引用)旨在对应于执行所描述的组件(例如，功能等同物)的指定功能的任何组件，即使此组件执行所要求保护的主题的本文所示的示例性方面中功能，但在结构上不等同于所公开的结构。

以上就若干组件之间的相互作用来描述前述系统。可以理解，这样的系统和/或组件可以包括：那些组件或指定的子组件、一些指定的组件或子组件、和/或附加组件并且根据前述的各种排列和组合。子组件也可以实现为通信方式耦合至其他组件，而不是包括在上层组件内(分层)。另外，应该注意，一个或多个组件可以结合成提供聚合功能的单个组件或者分成几个单独的子组件，并且可以提供任何一个或多个中间层以通信方式耦合到这样的子组件，以提供集成功能。本文描述的任何组件还可以与本文未具体描述的一个或多个其他组件相互作用。

另外，尽管对于本公开的某一个特定特征可能仅就若干实现方式中的一种方式而公开，但是，如对于任何给定或特定应用可能有所期望和有利的话，此特征可以与其他实现方式中的一个或多个其他特征结合。此外，在详细描述或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“包含”或其变体以及其他类似词语的范围内，这些术语旨在包括在内，以类似于术语“包括”(“comprising”)的方式作为开放转换词而不排除任何附加或其他元素。