容性mems传感器装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 所公开的实施例涉及容性微机电系统（MEMS)传感器装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 已知的MEMS工艺在制造成本有效、小尺寸的封装MEMS传感器装置方面，以及限定 包含常规释放层（releaselayer)的稳健集成方案面临挑战。此外，在常规释放之后，MEMS 传感器装置中的MEMS传感器单元（一个或更多）需要在低压下真空密封以提供期望的高 Q传感器性能，这提出进一步的挑战。
【发明内容】
[0003] 所公开的实施例描述通过增加穿透衬底通孔（TSV)(例如，在硅衬底的情况下，是 穿透硅通孔）解决常规容性微机电系统（MEMS)传感器装置的、由于使用释放层密封传感器 单元（一个或更多个）的MEMS空腔导致的问题的解决方案。TSV提供从MEMS传感器装置 的底侧到固定电极和释放的MEMS电极的入口。每个感测单元的MEMS空腔被密封（例如， 通过真空熔化键合）到容性MEMS传感器装置的完全释放的MEMS电极（一个或更多个）上 方的另一个衬底（例如，晶片）（被称为第三"覆盖"衬底），这消除了对常规钝化层的需要。 在工艺结束时，完成的容性MEMS传感器装置本身将提供封装。
【附图说明】
[0004] 图1A是根据一个示例性实施例的示例性容性MEMS装置的顶视图，该MEMS装置被 示为具有单个容性MEMS传感器单元的容性MEMS元件，其中第三覆盖衬底被移除以示出下 面的特征件以及下列描述的截面图的剖切线。
[0005] 图1B是沿着剖切线A-A'示出的图1A中示出的示例性容性MEMS装置/元件/单 元的截面图；
[0006] 图1C是根据一个示例性实施例的示例性容性MEMS装置的顶视图，该MEMS装置被 示为具有音叉谐振器单元的容性MEMS元件，其中第三覆盖衬底被移除以示出下面的特征 件。
[0007] 图1D是根据一个示例性实施例的示例性容性MEMS装置的顶视图，该MEMS装置被 示为具有音叉谐振器单元的两个单元容性MEMS元件，其中第三覆盖衬底被移除以示出下 面的特征件。
[0008] 图2A-2H是根据一个示例性实施例形成容性MEMS传感器装置的示例性方法的处 理过程的截面图。
[0009] 图3是根据一个示例性实施例的示例性容性MEMS装置的顶视图，该MEMS装置包 括多个容性MEMS元件，每个容性MEMS元件包括多个图1A和图1B中所示的MEMS单元，所 述多个MEMS单元在每个元件中被親合在一起。
【具体实施方式】
[0010] 容性MEMS传感器单位实体是容性MEMS传感器单元。多个容性MEMS传感器单元 能够并联连接，例如，在管芯上使用电共用MEMS电极120b连接（通常通过在顶部上具有 金属的膜层120)以形成容性MEMS传感器元件。容性MEMS传感器元件能够具有任意数量 (大于等于1)的容性MEMS传感器单元。通常，元件中的容性MEMS传感器单元越多，元件能 够响应于给定激励生成的输出越大。容性MEMS传感器阵列（装置/管芯）能够具有任意 数量的容性MEMS传感器单元元件。各个CMUT元件的电极之一（例如，顶部电极）能够与 其他CMUT元件的其他电极（例如，顶部电极）电气隔离以允许每个CMUT元件独立连接从 而允许单独可寻址性。例如，如本文描述的，每个容性MEMS传感器元件的电共用MEMS电极 120b能够通过单个TSV寻址。
[0011] 图1A示出根据一个示例性实施例的示例性封装的容性MEMS传感器装置（管 芯）100,该MEMS传感器装置100被示为具有单个容性MEMS传感器单元100a(被示为盘谐 振器）的容性MEMS元件。下文描述的第三覆盖衬底在图中被移除或为透明的以显示下面的 特征件。所示剖切线A-A'被用于下文描述的一些截面图，包括图1B中示出的截面图。尽 管图1A和图1B中的容性MEMS传感器单元100a被示为圆形特征几何形状（盘），但是可以 使用其他特征几何形状，例如，矩形。
[0012] 容性MEMS传感器装置100/单元100a包括第一衬底101，其具有顶侧102,顶侧 102包括在其上的图案化电介质层，所述图案化电介质层包括如图1B中所示的厚电介质区 域106和薄电介质区域107,它们形成MEMS空腔114的底表面。容性MEMS传感器单元110a 包括多个TSV，所述多个TSV至少包括第一TSV111和第二TSV112,如图1B中所示，它们 被暴露在第一衬底101的底侧103上并延伸第一衬底101的整个厚度。第一TSV111和第 二TSV112被示出分别包括突出的TSV尖端111a和112a。TSV111和TSV112包括TSV 电介质内衬131。
[0013] 容性MEMS传感器单元100a包括提供膜层120的第二衬底，所述膜层在厚电介质 区域106上并在薄电介质区域107上方。本文所用的膜层是指半导体层（例如，硅），其被 限定以形成容性MEMS传感器单元100a的固定电极120a和MEMS电极120b，并且膜层能够 可选地也在具有多个MEMS传感器元件的容性MEMS传感器装置的容性MEMS传感器元件内 的各个MEMES传感器单元的MEMS电极120b之间提供互连线（通常在其上具有金属层）。 膜层120不需要包括任何集成电路元件（例如，晶体管）。
[0014] 膜层120包括提供固定电极120a的固定部分并包括封闭穿孔123,封闭穿孔123 在MEMS空腔114上方释放膜层120以提供可移动MEMS电极120b，所述可移动MEMS电极 120b用作容性MEMS传感器单元100a的谐振元件。多个TSV还延伸膜层120的整个厚度， 包括延伸通过MEMS电极120b的顶侧的第一TSV111和延伸通过固定电极120a的顶部的 第二TSV112。图案化金属层251包括在第一TSV111的顶部上的金属盖件132和在第二 TSV112上方的另一个金属盖件133。
[0015] 如图1B所示，封装的容性MEMS传感器装置100/容性MEMS传感器单元100a包括 第三覆盖衬底140,其充当盖件以密封MEMS电极120b，具有底侧142,底侧142包括凹陷的 内部空腔144和给内部空腔144加框的外部突出部分146。第三覆盖衬底140与其底侧142 向下键合，其中如图所示，突出部分146键合（例如，真空熔化键合）到厚电介质区域106。 因此，容性MEMS传感器单元100a的最终空腔由第三覆盖衬底140和第一衬底101 (例如， 在制造期间由2个晶片）限定。第三覆盖衬底140与第一衬底101 -起能够真空密封MEMS 电极120b，从而第三覆盖衬底140完成封装的容性MEMS传感器装置100。
[0016] 图1C示出根据一个示例性实施例的示例性封装的容性MEMS传感器装置180,该 MEMS传感器装置被示为具有音叉谐振器容性传感器单元180a的容性MEMS元件，其中第三 覆盖衬底140依然被移除以显示下面的特征件。封装的容性MEMS传感器装置180/音叉 谐振器容性感测单元170a包括MEMS空腔172和三个电极，它们被示为电极1 (170a)，电极 2 (170b)以及电极3 (用于第一衬底101)，电极170a和电极170b是多手指电极，其中MEMS 空腔172是位于电极1 (170a)和电极2(170b)的外边缘之间的横向空腔，而电极3由第一 衬底101提供。与图1A和图1B中示出的封装的容性MEMS装置/单元100类似，TSV176 和TSV177分别延伸通过它们各自的电极--电极1 (170a)和电极2 (170b)的顶侧。
[0017] 对于所公开的封装的容性MEMS传感器装置，不总是需要第三电极（电极3)。如 果容性MEMS装置仅是2D运动传感器，两个TSV提供的连接足以用于传感器操作。低电阻 率第一衬底101能够用作装置（比如封装的容性MEMS传感器装置180/音叉谐振器容性 传感器单元180a)的第三电极以能够实现3D运动检测。对于图1A和图1B中示出的容性 MEMS装置100,第三电极允许将MEMS电极120b(例如硅盘）的摇摆运动或竖直偏斜检测为 MEMS电极120b和低电阻率第一衬底101之间的电容变化。还能够检测第一衬底101和电 极1 (170a)的下侧和电极2 (170b)之间的电容变化。上下运动将导致电极1 (170a)和电极 2 (170b)的手指在竖直方向上弯曲。
[0018] 图1D示出根据一个示例性实施例的示例性容性MEMS装置190,该装置被示为具有 音叉谐振器单元配置的两个单元容性MEMS元件（包括单元190a和190b)，其中第三覆盖衬 底140被移除以显示下面的特征件。音叉谐振器容性感测单元190a和190b各自包括它们 自己的MEMS空腔172a和172b。容性MEMS装置190具有三个电极，被示为电极1 (195a)， 电极2 (195b)和可选电极3 (来自第一衬底101)，其中195a和195b是多手指电极。电极 195a和195b包括膜层120,该膜层上可以具有可选金属（针对低电阻），该金属将单元190a 和190b的电极195a和195b耦合在一起。与图1A-B中示出的封装容性MEMS装置/单元 100以及图1C中示出的MEMS装置/单元180类似，TS