用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台的制作方法

文档序号:10605020
用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台的制作方法
【专利摘要】本发明实施例涉及一种单片MEMS(微电子机械系统)平台和相关的形成方法,单片MEMS平台包括温度传感器、压力传感器和气体传感器。在一些实施例中,MEMS平台包括:具有一个或多个晶体管器件和温度传感器的半导体衬底。介电层设置在半导体衬底上方。腔设置在介电层的上表面内。MEMS衬底布置在介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分。压力传感器具有通过腔与第二压力传感器电极垂直地分离的第一压力传感器电极,第二压力传感器电极位于MEMS衬底的第一部分内。气体传感器包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物,第一气体传感器电极位于MEMS衬底的第二部分内。本发明实施例涉及用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台。
【专利说明】
用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台
技术领域
[0001] 本发明实施例涉及用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台。【背景技术】
[0002]已发现MEMS (微电子机械系统)器件在许多现代电子器件中广泛使用。例如,MEMS 器件常见于汽车(例如,在安全气囊布局系统中)、平板电脑或智能手机。近年来,将微电子机械系统(MEMS)并入通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成的集成芯片内越来越普遍。将MEMS (例如,传感器,集成光学元件、生物芯片等)并入通过CMOS工艺形成的集成芯片内允许广泛使用高产量地制造的MEMS。
【发明内容】

[0003]为了解决现有技术中存在的问题,根据本发明的一个实施例,提供了一种单片微电子机械系统(MEMS)平台,包括:半导体衬底,包括一个或多个晶体管器件和温度传感器; 介电层,设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔;MEMS衬底,布置在所述介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分,所述第二部分与所述第一部分电断开;压力传感器,具有通过所述腔垂直分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电极,其中,所述第二压力传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第一部分;以及气体传感器,包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物,所述第一气体传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第二部分。
[0004] 根据本发明的另一实施例,提供了一种单片MEMS平台,包括:半导体衬底,包括一个或多个晶体管器件和温度传感器;介电层,设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔;多个金属互连层,布置在所述介电层内并且包括沿着所述腔的底面延伸的第一压力传感器电极;MEMS衬底,包括设置在所述介电层的上表面上的导电半导体材料,其中,所述MEMS衬底包括设置在所述腔上方的第二压力传感器电极和与所述第二压力传感器电极电隔离的第一气体传感器电极;以及聚合物,具有根据周围环境中的液体或气体的存在而变化的介电常数,所述聚合物设置在所述第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间。
[0005] 根据本发明的又一实施例,还提供了一种形成单片MEMS平台的方法,包括:实施 CMOS工艺以在衬底内形成温度传感器和多个器件;在所述衬底上方形成介电层,其中,所述介电层包括多个金属互连层和布置在所述介电层的上表面内的腔;将所述MEMS衬底接合至所述介电层的所述上表面;图案化所述MEMS衬底以同时限定用于MEMS压力传感器的第二压力传感器电极和用于MEMS气体传感器的第一气体传感器电极;以及在所述第一气体传感器电极上方形成聚合物。【附图说明】
[0006]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方面。应该注意, 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。
[0007]图1A至图1B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些实施例。
[0008]图2A至图2B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些额外的实施例。
[0009]图3A至图3B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些额外的实施例。
[0010]图4示出了所公开的具有晶圆级封装(WLP)的单片MEMS平台的一些实施例的截面图。
[0011]图5示出了所公开的具有晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)的单片MEMS平台的一些额外的实施例的截面图。
[0012]图6示出了所公开的具有晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)的单片MEMS平台的一些额外的实施例的截面图。
[0013]图7示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些额外的实施例的流程图。
[0014]图8至图14示出了截面图的一些实施例,截面图示出了形成包括单片MEMS平台的集成芯片的方法,单片MEMS平台具有压力传感器、温度传感器和气体传感器。【具体实施方式】
[0015]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,在以下描述中,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形成为直接接触的实施例,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施例。此外,本发明可在各个实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。
[0016]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”等的空间相对术语,以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些) 元件或部件的关系。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),而在此使用的空间相对描述符可以同样地作相应的解释。
[0017]现代电子器件通常包括多个感测元件,感测元件用于向CMOS衬底(即,具有通过 CMOS工艺形成的逻辑器件的衬底)内的常见处理器提供不同的信息。一些这样的感测元件可以很容易地集成到CMOS衬底内。例如,根据传统的CMOS工艺,可以在CMOS衬底内形成温度传感器。然而,MEMS器件通常包括不存在于CMOS工艺中的结构部件。因此,MEMS器件和CMOS衬底通常形成在单独的衬底(即,管芯)上,这些单独的衬底横向地彼此紧邻地布置在封装件内的印刷电路板(PCB)上。单独的衬底通过一条或多条接合引线彼此电连接。
[0018]应当理解,具有布置在共享封装件内的多个管芯的传感器系统具有许多缺点。例如,这些传感器系统具有相对较大的形状因数(即,尺寸)。此外,由于感测元件形成在不同的衬底上,这种传感器系统的制造和封装工艺增加了额外的复杂性和成本。
[0019]因此,本发明针对一种包括温度传感器、压力传感器和气体传感器的单片 MEMS (微电子机械系统)平台以及相关的形成方法,温度传感器、压力传感器和气体传感器布置在共享的半导体管芯内。在一些实施例中,单片MEMS平台包括半导体衬底,半导体衬底包括一个或多个晶体管器件和温度传感器。介电层设置在半导体衬底上方。包括掺杂的半导体材料的MEMS衬底布置在介电层上方。MEMS衬底包括与横向邻近的第一气体传感器电极电断开的第二压力传感器电极。设置在介电层的上表面内的腔配置为将第二压力传感器电极与第一压力传感器电极垂直分离以形成MEMS压力传感器。聚合物设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间以形成MEMS气体传感器。通过在共享的半导体管芯内形成温度传感器、气体传感器和压力传感器,所公开的单片MEMS平台提供了具有较小形状因数的低成本的传感器系统。
[0020]图1A至图1B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台 100的一些实施例。
[0021]单片MEMS平台100包括半导体衬底102,半导体衬底102含有多个半导体器件 104(例如,M0SFET器件)。介电层108布置在半导体衬底102上方。腔111布置在介电层 108的上表面108u内。MEMS衬底110布置在介电层108上方。在一些实施例中,MEMS衬底110包括掺杂的导电半导体材料(例如,掺杂的非晶硅或掺杂的多晶硅)。MEMS衬底110 具有第一部分ll〇a和第二部分110b,第二部分110b横向地邻近第一部分110a。第一部分 110a通过间隔109与第二部分110b电断开。
[0022]单片MEMS平台100包括温度传感器106、压力传感器112和气体传感器120。温度传感器106设置在半导体衬底102内。压力传感器112位于半导体衬底102上方并且在第一位置处。气体传感器120位于半导体衬底102上方并且在第二位置处,第二位置从第一位置横向偏移。
[0023]温度传感器106可以是任何类型的温度传感器。在一些实施例中,温度传感器106 包括一个或多个二极管。例如,温度传感器106可以包括至少一个P-N结,P-N结包括具有第一掺杂类型(例如,P型)的第一二极管区l〇6a以及具有相反的第二掺杂类型(例如,n 型)的第二二极管区l〇6b。在一些实施例中,温度传感器106可以包括双二极管温度传感器,双二极管温度传感器包括两个二极管。在一些实施例中,温度传感器106的两个二极管被配置为在不同电流密度下操作以用于与绝对温度成正比(PTAT)的温度感测。在其他实施例中,温度传感器106可以包括电阻器(例如,包括半导体衬底102的掺杂区的浅扩散电阻器或阱扩散电阻器)。在这样的实施例中,可以根据电阻与温度之间的关系来测量温度。
[0024]压力传感器112包括第一压力传感器电极114和第二压力传感器电极116,第二压力传感器电极116通过腔111与第一压力传感器电极114垂直分离。在一些实施例中,第一压力传感器电极114包括位于腔111的底面上的第一金属互连结构。第二压力传感器电极116设置在腔111上方并且以预定的压力气密地密封腔111。在一些实施例中,第二压力传感器电极116包括MEMS衬底110的第一部分110a。
[0025]第一压力传感器电极114通过一个或多个金属互连层(例如,通孔和/或金属引线层)电连接至半导体衬底102内的一个或多个半导体器件104。第二压力传感器电极116通过垂直互连结构118a电连接至半导体衬底102内的一个或多个半导体器件104,垂直互连结构118a具有延伸穿过MEMS衬底110的衬底通孔(TSV)和一个或多个下面的金属互连层107。在一些实施例中,垂直互连结构118a可以延伸至邻接MEMS衬底110的上表面的位置,从而与MEMS衬底110形成改进的电连接。
[0026]在操作压力传感器112期间,第二压力传感器电极116响应于周围环境的压力变化而弯曲或偏转。由于第二压力传感器电极116弯曲,第一压力传感器电极114和第二压力传感器电极116之间的距离变化。距离的变化引起压力传感器电极之间的电容的变化,可以通过半导体衬底102内的半导体器件104测量压力传感器电极之间的电容的变化,以确定靠近第二压力传感器电极116的气体的压力。
[0027]气体传感器120包括设置在第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126之间的聚合物122。在一些实施例中,第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126包括MEMS衬底110的第二部分110b。第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126通过额外的垂直互连件118b、118c电连接至半导体衬底102内的一个或多个半导体器件104,垂直互连件118b、118c分别包括延伸穿过MEMS衬底110的TSV和一个或多个下面的金属互连层107。如顶视图128中所示,聚合物122可以以第一方向130和以垂直的第二方向132设置在第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126之间。在一些实施例中,第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126包括梳状结构。例如,第一气体传感器电极124可以包括第一梳状结构以及第二气体传感器电极126可以包括第二梳状结构,第二梳状结构与第一梳状结构相互交叉。
[0028]聚合物122具有介电常数,该介电常数在周围环境中存在液体或气体的情况下变化。例如,聚合物122的介电常数可以取决于水(例如,湿度)或其他液体的存在,和/或气体的存在而变化。在气体传感器120的操作期间,可以测量第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126之间的电容。由于聚合物122的介电常数在液体(即,湿度)的存在下而改变,因此,气体传感器120的电容将在液体的存在下而改变,从而允许气体传感器120测量周围环境的湿度。
[0029]通过在单片衬底内形成温度传感器106、压力传感器112和气体传感器120,单片MEMS平台100能够提供相对小的形状因数(例如,形状因数小于其中器件设置在单独的衬底上的系统的形状因数)。
[0030]图2A至图2B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台200的一些额外的实施例。
[0031]单片MEMS平台200包括MEMS衬底202,MEMS衬底202具有第一部分202a和第二部分202b,第二部分202b横向地邻近第一部分202a。第一部分202a与第二部分202b电隔离。第一部分202a具有第一厚度tl,和第二部分202b具有第二厚度t2,第二厚度t2不同于第一厚度tl。在一些实施例中,第一厚度tl可以小于第二厚度t2。
[0032]单片MEMS平台200包括气体传感器204,气体传感器204包括具有第一梳状结构的第一气体传感器电极208和具有第二梳状结构的第二气体传感器电极210。如在顶视图214中所示,第一和第二梳状结构布置成关于原点207呈点状反射,原点207设置在第一梳状结构和第二梳状结构之间(例如,第一梳状结构与第二梳状结构具有相同的形状,但是旋转了 180° )。聚合物206设置在第一和第二气体传感器电极208和210上方并且设置在第一和第二气体传感器电极208和210之间。
[0033]第一气体传感器电极208通过第二垂直互连结构212a连接至半导体衬底102内的一个或多个半导体器件104,并且第二气体传感器电极210通过第三垂直互连结构212b连接至半导体衬底102内的一个或多个半导体器件104。第二垂直互连结构212a在第一方向上和在垂直的第二方向上与第三垂直互连结构212b分隔开。
[0034]图3A至图3B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台300的一些额外的实施例。
[0035]单片MEMS平台300包括平面气体传感器304,平面气体传感器304包括通过聚合物308与第二气体传感器电极310垂直分离的第一气体传感器电极306。在一些实施例中,第一气体传感器电极306包括MEMS衬底302的第二部分302b,第二部分302b与MEMS衬底302的横向邻近的第一部分302a电隔离。在一些实施例中,第二气体传感器电极310包括设置在MEMS衬底302和聚合物308上方的金属材料。如顶视图314中所示,第一气体传感器电极306、第二气体传感器电极310和聚合物308具有基本上矩形的形状。
[0036]在一些实施例中,聚合物308可以延伸在MEMS衬底302的第二部分302b内的凹槽内,聚合物308设置在第一气体传感器电极306和第二气体传感器电极310之间。在这样的实施例中,第一气体传感器电极306和第二气体传感器电极310彼此也横向地分离。在这样的实施例中,第二气体传感器电极310可以进一步包括MEMS衬底302的第二部分302b。
[0037]图4示出了所公开的具有晶圆级封装(WLP)的单片MEMS平台400的一些实施例的截面图。
[0038]单片MEMS平台400包含覆盖衬底402,覆盖衬底402设置在MEMS衬底110上方。在一些实施例中,接合界面层406可以配置在覆盖衬底402和MEMS衬底110之间。覆盖衬底402包括布置在面向MEMS衬底110的覆盖衬底402的一侧上的腔。开口 404延伸穿过覆盖衬底402,从而使得腔与周围环境连通。在一些实施例中,覆盖衬底402可以包括半导体材料(例如,硅)。在一些实施例中,其中覆盖衬底402通过共晶接合连接至MEMS衬底110,接合界面层406可以包括一种或多种金属材料。
[0039]MEMS衬底110从半导体衬底102和介电层108的外边缘向回设置,从而暴露接合区408,接合区408具有暴露的金属互连层412。在一些实施例中,暴露的金属互连层412可以包括铝。在一些实施例中,介电层108的上表面108u的一部分也暴露在接合区408内。介电层108的上表面108u含有凹槽410,凹槽410从上表面108u垂直地延伸至金属互连层412。
[0040]图5示出了所公开的具有晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)的单片MEMS平台500的一些额外的实施例的截面图。
[0041]单片MEMS平台500包括覆盖衬底502,覆盖衬底502设置在MEMS衬底512上方。在一些实施例中,接合界面层506可以配置在覆盖衬底502和MEMS衬底512之间。覆盖衬底502包括布置在面向MEMS衬底512的覆盖衬底502的一侧上的腔。
[0042]覆盖衬底502的侧壁与下面的MEMS衬底512的侧壁基本上对准。配置为在焊料接合期间保护覆盖衬底502的保护层508设置在覆盖衬底502的上表面上。保护层508可以包括聚合物或介电层。例如,焊料掩蔽膜。覆盖衬底502的侧壁与保护层508的侧壁基本上对准。开口 504延伸穿过覆盖衬底502和保护层508以将腔放置为与周围环境连通。
[0043]多个衬底通孔(TSV) 510垂直地延伸穿过覆盖衬底502。多个TSV510延伸穿过MEMS衬底512的外围区连接至垂直互连结构514,MEMS衬底512的外围区与压力传感器112和气体传感器120电隔离。多个TSV510从垂直互连结构514延伸至重分布层516,重分布层516位于保护层508内。重分布层516提供多个TSV510和多个焊料球520之间的电连接。例如,在一些实施例中,重分布层516可以包括导电金属,诸如铝。
[0044]在一些实施例中,凸块下金属化(UBM)层518可以设置在重分布层516和多个焊料球520之间。UBM层518可以包括多个不同的金属层,诸如粘附层、扩散阻挡层、可焊层和氧化阻挡层。在各个实施例中,UBM层518可以包括铬(Cr)、铜(Cu)、钛(Ti)、镍(Ni)等中的一种或多种。
[0045]图6示出了所公开的具有晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)的单片MEMS平台600的一些额外的实施例的截面图。
[0046]单片MEMS平台600包括覆盖衬底602,覆盖衬底602设置在MEMS衬底604上方。保护层608设置在半导体衬底606的下表面上。多个衬底通孔(TSV)610垂直地延伸穿过半导体衬底606至位于保护层608内的重分布层612。重分布层612提供多个TSV610和多个焊料球616之间的电连接。在一些实施例中,凸块下金属化(UBM)层614可以设置在重分布层612和多个焊料球616之间。
[0047]图7示出了形成具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的方法700的一些实施例的流程图。
[0048]虽然所公开的方法700被示出和描述为一系列的步骤或事件,但是应当理解,所示出的这些步骤或事件的顺序不应解释为限制意义。例如,一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与除了本文中示出和/或描述的步骤或事件的其他步骤或事件同时发生。此外,并非所有示出的步骤都是实施本发明的一个或多个方面或本发明的实施例所必须的。此外,可以以一个或多个单独的步骤和/或阶段来执行本文中示出的一个或多个步骤。
[0049]在步骤702中,实施CMOS工艺以在衬底内形成温度传感器和多个器件。
[0050]在步骤704中,在衬底上形成介电层。介电层具有多个金属互连层和布置在介电层的上表面内的腔。
[0051]在步骤706中,将MEMS衬底接合至介电层的上表面。
[0052]在步骤708中,减小MEMS衬底的厚度。
[0053]在步骤710中,图案化MEMS衬底,以同时地限定用于MEMS压力传感器的压力传感器电极和用于MEMS气体传感器的气体传感器电极。
[0054]在步骤712中,形成垂直地延伸穿过MEMS衬底的垂直互连结构。导电互连件将MEMS衬底连接至衬底内的多个器件中的一个或多个。
[0055]在步骤714中,在MEMS气体传感器的气体传感器电极上方形成聚合物。
[0056]在步骤716中,将覆盖衬底接合至MEMS衬底。
[0057]图8至图14示出了截面图的一些实施例,截面图示出了形成包括单片MEMS平台的集成芯片的方法700,单片MEMS平台具有压力传感器、温度传感器和气体传感器。虽然结合方法700描述了图8至图14,但是应当理解在图8至图14中所公开的结构不限制于这种方法,但是相反,可以单独地作为独立于该方法的结构。
[0058]图8示出了对应于步骤702的集成芯片的截面图800的一些实施例。
[0059]如截面图800中所示,提供半导体衬底102。半导体衬底102可以包含诸如半导体晶圆或位于晶圆上的一个或多个管芯的任何类型的半导体主体(例如,硅/CMOS体、SiGe,SOI等),以及形成在其上和/或与其相关的任何其他类型的半导体和/或外延层。
[0060]在半导体衬底102上实施CMOS工艺。CMOS工艺在半导体衬底102内形成多个半导体器件104。多个半导体器件104可以包括MOSFET (金属氧化物硅场效应晶体管)器件。在这样的实施例中,对半导体衬底102进行选择性注入以形成通过沟道区分隔开的源极/漏极区。随后沉积并且图案化栅极介电层和栅电极层以在沟道区上面形成栅极结构。
[0061]CMOS工艺也在半导体衬底102内形成温度传感器106。在一些实施例中,温度传感器106可以包括一个或多个二极管。在这样的实施例中,可以通过以第一掺杂类型对半导体衬底102进行选择性地注入以形成第一二极管区,和随后以第二掺杂类型对半导体衬底102进行选择性地注入以形成第二二极管区来形成温度传感器106。在其他实施例中,温度传感器106可以包括电阻器。在一些这样的实施例中,可以通过对半导体衬底102进行注入以形成浅扩散电阻器或阱扩散电阻器来形成电阻器。在其他这样的实施例中,电阻器可以包括通过在半导体衬底102上沉积并且图案化多晶硅形成的多晶硅电阻器。
[0062]图9示出了对应于步骤704的集成芯片的截面图900的一些实施例。
[0063]如截面图900所示,在半导体衬底102上方形成介电层108。介电层108可以包括一个或多个介电层(例如,低k介电层、超低k介电层、氧化硅层等)。在介电层108内形成金属互连层107。通过选择性地蚀刻介电层108以形成多个开口和然后在多个开口中的一个或多个内沉积导电材料(例如,铜)来形成金属互连层107。进一步蚀刻介电层108以在介电层108的上表面108u内形成腔111和多个第一 TSV开口 902。腔111可以从上表面1Su延伸至第一压力传感器电极114,第一压力传感器电极114包括位于介电层108之上的金属引线层。在各个实施例中,根据干蚀刻剂或湿蚀刻剂来蚀刻介电层108,例如,干蚀刻剂具有包括含氟物质(例如,CF4, CHF3, C4F8等)的蚀刻化学物质,湿蚀刻剂包括氢氟酸(HF)。
[0064]图10示出了对应于步骤706至图708的集成芯片的截面图1000的一些实施例。
[0065]如截面图1000中所示,MEMS衬底1002接合至介电层108。在一些实施例中,可以使用直接接合工艺以将MEMS衬底1002接合至介电层108。在其他实施例中,可以使用熔融接合工艺以将MEMS衬底1002接合至介电层108。在一些实施例中,可以在保持在预定压力下的处理室内将MEMS衬底1002接合至介电层108。在预定压力下将MEMS衬底1002接合至介电层108将使得腔111在预定压力下被密封。在一些实施例中,在接合工艺之后可以减薄MEMS衬底1002 (例如,从第一厚度tl减小至第二厚度到t2)以形成具有减小的厚度的MEMS衬底1004。在一些实施例中,MEMS衬底1004可以减薄至厚度在从约10 μ m和约60 μ m之间的范围内。
[0066]图1IA至图1lB示出了对应于步骤710的集成芯片的截面图110a和IlOOb的一些实施例。
[0067]如截面图1lOOa所示,图案化MEMS衬底110以形成第一部分IlOa和横向邻近的第二部分110b,第一部分IlOa包括第二压力传感器电极116,第二部分IlOb包括一个或多个气体传感器电极124和126,传感器电极124和126包括梳状结构。延伸穿过MEMS衬底110的多个第二 TSV开口 1102设置在多个第一 TSV开口 902上方。第一部分IlOa与第二部分IlOb电断开。
[0068]在一些可选实施例中,如在截面图1 10b中所示,可以可选地图案化MEMS衬底110以形成第一部分IlOa和横向邻近的第二部分110b,第一部分IlOa包括第二压力传感器电极116,第二部分IlOb包括用于平面气体传感器的第一气体传感器电极306 (例如,如图3A至图3B)。
[0069]图12示出了对应于步骤702的集成芯片的截面图1200的一些实施例。
[0070]如截面图1200中所示,形成垂直互连结构118a和118b。垂直互连结构118a和118b穿过MEMS衬底110和介电层108延伸至多个金属互连层107。可以通过以诸如金属(例如,铜、钨或铝)的导电材料使用沉积工艺和/或镀工艺(例如,电镀、化学镀等)填充第一和第二多个TSV开口 902和1102来形成垂直互连结构118a和118b。
[0071]图13示出了对应于步骤714的集成芯片的截面图1300的一些实施例。
[0072]如截面图1300中所示,在第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126上方形成聚合物122。可以通过汽相沉积技术(例如,物理汽相沉积、化学汽相沉积等)在衬底上方沉积聚合物122。在一些实施例中,聚合物122可以包括聚酰亚胺。在其他实施例中,聚合物122可以包括聚苯胺(PAni)、聚吡咯(PPy)和聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)。在沉积之后,可以选择性地图案化聚合物122以将聚合物122限制于覆盖第一气体传感器电极124和第二气体传感器电极126的位置。
[0073]图14示出了对应于步骤716的集成芯片的截面图1400的一些实施例。
[0074]如截面图1400中所示,覆盖衬底1402接合至MEMS衬底110。
[0075]可以根据第一蚀刻工艺选择性地蚀刻衬底以形成凹槽来形成覆盖衬底1402。在凹槽内选择性地蚀刻衬底以形成延伸穿过覆盖衬底1402的开口 1404。然后将覆盖衬底1402接合至MEMS衬底110。在一些实施例中,可以通过共晶接合工艺将覆盖衬底1402接合至MEMS衬底110,共晶接合工艺使用接合界面层1406,接合界面层1406包括布置在MEMS衬底的上表面上的第一材料(例如,Al、Cu、T1、Ta、Au、N1、Sn)和布置在覆盖衬底1402的下表面上的第二材料(例如,Ge、Si)。在其他实施例中,覆盖衬底1402可以通过直接接合工艺接合至MEMS衬底110。
[0076]因此,本发明涉及一种单片MEMS (微电子机械系统)器件和相关的形成方法,MEMS器件包括温度传感器、压力传感器和气体传感器。
[0077]在一些实施例中,本发明涉及一种单片微电子机械系统(MEMS)平台。单片MEMS平台包括具有一个或多个晶体管器件和温度传感器的半导体衬底。单片MEMS平台还包括设置在半导体衬底上方的介电层。介电层具有设置在介电层的上表面内的腔。单片MEMS平台还包括布置在介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分的MEMS衬底,第二部分与第一部分电断开。单片MEMS平台还包括具有通过腔垂直地分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电极的压力传感器,其中,第二压力传感器电极包括MEMS衬底的第一部分。单片MEMS平台还包括气体传感器,气体传感器包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物,第一气体传感器电极包括MEMS衬底的第二部分。
[0078]在其他实施例中,本发明涉及一种单片MEMS平台。单片MEMS平台包括包含一个或多个晶体管器件和温度传感器的半导体衬底。单片MEMS平台还包括设置在半导体衬底上方并且具有设置在介电层的上表面内的腔的介电层。单片MEMS平台还包括布置在介电层内并且包括沿着腔的底面延伸的第一压力传感器电极的多个金属互连层。单片MEMS平台还包括MEMS衬底,MEMS衬底包括设置在介电层的上表面上的导电半导体材料,其中,MEMS衬底包括设置在腔上方的第二压力传感器电极和与第二压力传感器电极电隔离的第一气体传感器电极。单片MEMS平台还包括聚合物,聚合物具有根据周围环境的湿度而变化的介电常数,聚合物设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间。
[0079]在又一些其他实施例中,本发明涉及一种形成单片MEMS平台的方法。该方法包括:实施CMOS工艺以在衬底内形成温度传感器和多个器件。该方法还包括在衬底上方形成介电层,其中,介电层包括多个金属互连层和布置在介电层的上表面内的腔。该方法还包括将MEMS衬底接合至介电层的上表面。该方法还包括图案化MEMS衬底以同时限定用于MEMS压力传感器的第二压力传感器电极和用于MEMS气体传感器的第一气体传感器电极。该方法还包括在第一气体传感器电极上方形成聚合物。
[0080]根据本发明的一个实施例,提供了一种单片微电子机械系统(MEMS)平台,包括:半导体衬底,包括一个或多个晶体管器件和温度传感器;介电层,设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔;MEMS衬底,布置在所述介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分,所述第二部分与所述第一部分电断开;压力传感器,具有通过所述腔垂直分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电极,其中,所述第二压力传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第一部分;以及气体传感器,包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物,所述第一气体传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第二部分。
[0081]在上述单片MEMS平台中,所述第一压力传感器电极包括布置所述腔的底面上金属互连层,所述金属互连层在垂直于下面的所述第一压力传感器电极的位置处。
[0082]在上述单片MEMS平台中,所述第一气体传感器电极包括第一梳状结构,并且其中,所述第二气体传感器电极包括与所述第一梳状结构相互交叉的第二梳状结构。
[0083]在上述单片MEMS平台中,所述聚合物设置在所述第一气体传感器电极上,并且其中,所述第二气体传感器电极包括设置在所述聚合物上方的金属层,所述金属层在垂直于上面的所述第一气体传感器电极的位置处。
[0084]在上述单片MEMS平台中,所述MEMS衬底的所述第一部分通过间隔的方式与所述MEMS衬底的所述第二部分空间地分离。
[0085]在上述单片MEMS平台中,还包括:第一垂直互连结构,从所述半导体衬底横向延伸至所述MEMS衬底的所述第一部分;以及第二垂直互连结构,从所述半导体衬底垂直延伸至所述MEMS衬底的所述第二部分。
[0086]在上述单片MEMS平台中,还包括:覆盖衬底,设置在所述MEMS衬底上方。
[0087]在上述单片MEMS平台中,还包括:衬底通孔(TSV),从所述第一垂直互连结构垂直地延伸穿过所述覆盖衬底;重分布层,电连接至所述TSV并且布置在保护层内,所述保护层设置在所述覆盖衬底的与所述MEMS衬底相对的一侧上;以及多个焊料球,电连接至所述重分布层。
[0088]在上述单片MEMS平台中,所述MEMS衬底从所述半导体衬底和所述介电层的外边缘向回设置,从而暴露接合区,所述接合区具有设置在所述介电层内的暴露的金属互连层。
[0089]在上述单片MEMS平台中,还包括:衬底通孔(TSV),垂直地延伸穿过所述半导体衬底;重分布层,电连接至所述TSV并且布置在保护层内,所述保护层设置在所述半导体衬底的与所述介电层相对的一侧上;以及多个焊料球,电连接至所述重分布层。
[0090]在上述单片MEMS平台中,所述MEMS衬底的所述第一部分具有第一厚度,并且所述MEMS衬底的所述第二部分具有与所述第一厚度不同的第二厚度。
[0091]根据本发明的另一实施例,提供了一种单片MEMS平台,包括:半导体衬底,包括一个或多个晶体管器件和温度传感器;介电层,设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔;多个金属互连层,布置在所述介电层内并且包括沿着所述腔的底面延伸的第一压力传感器电极;MEMS衬底,包括设置在所述介电层的上表面上的导电半导体材料,其中,所述MEMS衬底包括设置在所述腔上方的第二压力传感器电极和与所述第二压力传感器电极电隔离的第一气体传感器电极;以及聚合物,具有根据周围环境中的液体或气体的存在而变化的介电常数,所述聚合物设置在所述第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间。
[0092]在上述单片MEMS平台中,所述聚合物包括聚酰亚胺。
[0093]在上述单片MEMS平台中,所述第二气体传感器电极包括从所述MEMS衬底延伸至覆盖所述聚合物的位置处的金属材料。
[0094]在上述单片MEMS平台中,所述第一气体传感器电极包括第一梳状结构,并且其中,所述第二气体传感器电极包括与所述第一梳状结构相互交叉的第二梳状结构。
[0095]在上述单片MEMS平台中,还包括:第一垂直互连结构,从所述半导体衬底横向延伸至所述第二压力传感器电极;以及第二垂直互连结构,从所述半导体衬底垂直延伸至所述第一气体传感器电极。
[0096]在上述单片MEMS平台中,所述MEMS衬底包括掺杂的非晶硅或掺杂的多晶硅。
[0097]根据本发明的又一实施例,还提供了一种形成单片MEMS平台的方法,包括:实施CMOS工艺以在衬底内形成温度传感器和多个器件;在所述衬底上方形成介电层,其中,所述介电层包括多个金属互连层和布置在所述介电层的上表面内的腔;将所述MEMS衬底接合至所述介电层的所述上表面;图案化所述MEMS衬底以同时限定用于MEMS压力传感器的第二压力传感器电极和用于MEMS气体传感器的第一气体传感器电极;以及在所述第一气体传感器电极上方形成聚合物。
[0098]在上述方法中,还包括:形成垂直互连结构,所述垂直互连结构垂直地延伸穿过所述MEMS衬底以将所述第一气体传感器电极连接至所述衬底内的所述多个器件的一个或多个。
[0099]在上述方法中,还包括:将所述覆盖衬底接合至所述MEMS衬底的与所述介电层相对的一侧。
[0100]上面概述了若干实施例的特征,使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解,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现与本文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,在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。
【主权项】
1.一种单片微电子机械系统(MEMS)平台,包括:半导体衬底,包括一个或多个晶体管器件和温度传感器;介电层,设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔;MEMS衬底,布置在所述介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分,所述第二部 分与所述第一部分电断开;压力传感器,具有通过所述腔垂直分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电 极,其中,所述第二压力传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第一部分;以及气体传感器,包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物, 所述第一气体传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第二部分。2.根据权利要求1所述的单片MEMS平台,其中,所述第一压力传感器电极包括布置所 述腔的底面上金属互连层,所述金属互连层在垂直于下面的所述第一压力传感器电极的位 置处。3.根据权利要求1所述的单片MEMS平台,其中,所述第一气体传感器电极包括第一梳 状结构,并且其中,所述第二气体传感器电极包括与所述第一梳状结构相互交叉的第二梳 状结构。4.根据权利要求1所述的单片MEMS平台,其中,所述聚合物设置在所述第一气体传感 器电极上,并且其中,所述第二气体传感器电极包括设置在所述聚合物上方的金属层,所述 金属层在垂直于上面的所述第一气体传感器电极的位置处。5.根据权利要求1所述的单片MEMS平台,其中,所述MEMS衬底的所述第一部分通过间 隔的方式与所述MEMS衬底的所述第二部分空间地分离。6.根据权利要求1所述的单片MEMS平台,还包括:第一垂直互连结构,从所述半导体衬底横向延伸至所述MEMS衬底的所述第一部分;以 及第二垂直互连结构,从所述半导体衬底垂直延伸至所述MEMS衬底的所述第二部分。7.根据权利要求6所述的单片MEMS平台,还包括:覆盖衬底,设置在所述MEMS衬底上方。8.根据权利要求7所述的单片MEMS平台,还包括:衬底通孔(TSV),从所述第一垂直互连结构垂直地延伸穿过所述覆盖衬底;重分布层,电连接至所述TSV并且布置在保护层内,所述保护层设置在所述覆盖衬底 的与所述MEMS衬底相对的一侧上;以及多个焊料球,电连接至所述重分布层。9.一种单片MEMS平台,包括:半导体衬底,包括一个或多个晶体管器件和温度传感器;介电层,设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔;多个金属互连层,布置在所述介电层内并且包括沿着所述腔的底面延伸的第一压力传 感器电极;MEMS衬底,包括设置在所述介电层的上表面上的导电半导体材料,其中,所述MEMS衬 底包括设置在所述腔上方的第二压力传感器电极和与所述第二压力传感器电极电隔离的 第一气体传感器电极;以及聚合物,具有根据周围环境中的液体或气体的存在而变化的介电常数,所述聚合物设 置在所述第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间。10.—种形成单片MEMS平台的方法,包括:实施CMOS工艺以在衬底内形成温度传感器和多个器件;在所述衬底上方形成介电层,其中,所述介电层包括多个金属互连层和布置在所述介 电层的上表面内的腔;将所述MEMS衬底接合至所述介电层的所述上表面;图案化所述MEMS衬底以同时限定用于MEMS压力传感器的第二压力传感器电极和用于 MEMS气体传感器的第一气体传感器电极;以及 在所述第一气体传感器电极上方形成聚合物。
【文档编号】B81B7/02GK105967138SQ201510446511
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年7月27日
【发明人】游绍祺, 洪嘉明, 黄信锭, 陈相甫, 张华伦, 戴文川
【申请人】台湾积体电路制造股份有限公司
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