专利名称：单片集成传感器装置及形成方法和形成其腔体结构的方法
技术领域：
本发明总体涉及微机电系统(MEMS)装置，更特别地，涉及单个晶片上的MEMS装置和电子器件(electrical device)。
背景技术：
MEMS装置(例如传感器)以及相关电子器件(例如专用集成电路(ASIC)) —般都设置在单独的芯片上，因为两者的制造工艺彼此不兼容。例如，在现代CMOS技术中，关键的是要避免高温以保护掺杂分布，而在电子器件的制造过程中，可能需要高温步骤。双芯片解决方案存在许多缺点，例如，包装更复杂和昂贵的封装，以及无法实施要求对非常小的信号进行处理的应用。
近来开发了所谓的“MEMS first”的工艺，用于将MEMS与电子器件集成在单个芯片上。但是，这种工艺仍然存在缺陷和不足，仍有改进余地。因此，需要能够使MEMS和电子器件设置在单个晶片上的改进系统和方法。
发明内容
实施例涉及单片集成MEMS传感器装置和电子器件以及相关的方法。在一个实施例中，方法包括通过以下步骤在衬底上形成微机电系统(MEMS)装置在衬底上形成牺牲层，在牺牲层上沉积第一硅层，所述第一硅层具有至少一个释放孔，通过所述至少一个释放孔在牺牲层内形成腔体，并且通过沉积第二硅层而密封腔体；以及在衬底上形成电子器件。在一个实施例中，单片集成传感器装置包括形成于衬底上的微机电系统(MEMS)传感器，所述MEMS传感器包括通过至少一个释放孔形成于牺牲层内并由硅层密封的腔体；以及形成于衬底上的电子器件。在一个实施例中，方法包括获得娃衬底；在娃衬底上形成植入层；在植入层上图案化一单晶牺牲层；在牺牲层上沉积第一硅层，所述第一硅层具有至少一个释放孔；通过释放孔蚀刻牺牲层，以形成腔体；以及通过在第一硅层上沉积第二硅层而密封腔体。
根据下文结合附图对本发明各个实施例的详细说明，可更完整地理解本发明，附图中图IA至图IE示出根据一个实施例的集成有电子器件的电容式MEMS装置的制造步骤。图2A至图2D示出根据一个实施例的集成有电子器件的电容式MEMS装置的制造步骤。图3示出根据一个实施例的集成有电子器件的压阻式MEMS装置。图4A至图4G示出根据一个实施例的集成有电子器件的电容式MEMS装置的制造步骤。图5示出根据一个实施例的集成有电子器件的压阻式MEMS装置。可对本发明进行各种修改且本发明可具有替代形式，但其特定实施例在附图中以示例的形式示出并将详细说明。但是，应理解的是，其目的并不是将本发明限制于所述的特定实施例。相反，本发明旨在覆盖落在由所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。
具体实施例方式实施例涉及MEMS装置，特别涉及在单个晶片上集成有相关电子器件的MEMS装置。实施例利用模块化工艺流程概念作为MEMS-first方法的一部分，能够利用新颖的腔体密封工艺。因此减少或消除了由于MEMS加工对电子器件的影响和潜在有害作用。同时，提供 了高度灵活的解决方案，能够实施各种测量原理，包括电容式和压阻式。因此，各种传感器应用可具有改进的性能和质量，同时保持成本高效。图I示出具有局部牺牲层(例如氧化物)的电容式MEMS装置100的制造步骤。图IA示出具有植入层104的硅衬底102。在一个实施例中，衬底102为p型衬底，并且层104为η型植入层，从而形成pn结。层104上形成有图案化的牺牲层106。在一个实施例中，牺牲层106包括氧化物。在图IB中，沉积硅层108，例如，通过一个实施例中的外延生长进行沉积。硅层108包括释放孔110，穿过所述释放孔通过牺牲层蚀刻而形成腔体112。在实施例中，腔体112为约50纳米(nm)至约IOOnm高(相对于页面上附图的方向)。沉积并蚀刻可选的腔体钝化层114，例如氧化硅或氮化硅，以有助于随后的腔体密封。在图IC中，通过外延生长而沉积的硅层116来密封腔体112。如果在实施例中设置有可选的腔体钝化层114，可有助于防止硅在一定工艺条件下在腔体112中生长。如图IC所示，结果是，多晶硅密封膜116位于腔体112的顶部上，其余的牺牲层108和单晶硅118位于衬底102的表面的其他区域上。在图ID中，由于邻近膜结构116而形成的单晶硅，所以可在普通的CMOS或BICMOS工艺中在同一晶片102上加工电子器件，例如MOS晶体管120。可通过隔离槽122实现横向电隔离，并且可通过接触结构124实现与顶部和底部电极的电接触。在图IE中，可用金属间氧化物126、电触点128和金属喷镀层(metallization) 130进行普通晶片精加工工艺。在传感器释放132和钝化134之后，在同一晶片102上形成邻近电子器件(例如晶体管120)的电容式传感器装置136，例如一个实施例中的压力传感器。在其他实施例中，传感器装置136可包括另一种传感器技术，例如压阻式传感器，并且晶体管120可包括某些其他电子器件。虽然图I为单片集成传感器技术的一个示例，但该概念也具有灵活性，在特定应用中，如果需要或要求，可制造没有电子器件的离散传感器装置。图2示出具有局部单晶牺牲层(例如实施例中的硅锗(SiGe)或掺杂硅)的电容式MEMS装置200的制造步骤。在图2A中，硅衬底202具有植入层204。在一个实施例中，衬底202为P型衬底，并且层204为η型，从而形成垂直的pn结。在层204上图案化形成单晶牺牲层206。牺牲层206可包括掺杂类型或掺杂浓度不同于层206界面处的娃材料204的SiGe或掺杂硅。
参照图2B，牺牲层206的单晶特性允许邻近牺牲层206且在其顶部上通过外延生长形成单晶层208。一部分牺牲层206通过释放孔210去除，以形成腔体212。该工艺程序的实施例在DE 19700290中进行了说明，其整体结合于此作为参考。在实施例中，腔体212为约50nm至约IOOnm高(相对于页面上附图的方向)。参照图2C，对腔体212和释放孔210填充用于隔离的填充材料214，例如氧化物，并从晶片表面上去除。通过形成于其余牺牲层206上的释放孔216，通过另一次牺牲层蚀刻而形成腔体218。在晶片表面上沉积并蚀刻可选的腔体钝化层220，例如氧化硅或氮化硅，以有助于随后的腔体密封。参照图2D，通过外延生长而沉积的硅层222来密封腔体218。腔体钝化层220可有助于避免硅在一定工艺条件下在腔体218内生长。结果是，单晶硅密封膜224位于腔体218的顶部上，单晶硅226位于晶片表面的其他区域上。由于设置了所述单晶硅226，所以可在普通CMOS或BICMOS工艺中在同一晶片202 上形成电子器件，例如MOS晶体管228。可通过隔离槽230提供横向电隔离，通过接触结构232提供与电容式传感器装置的底部和顶部电极的电接触。可用金属间氧化物234、电触点236和金属喷镀层238进行普通晶片精加工工艺。在传感器释放240和钝化242之后，在同一晶片202上形成电容式传感器装置244 (例如压力传感器)与电子器件(例如晶体管228)。在其他实施例中，传感器装置244可包括另一种传感器技术，并且晶体管228可包括某些其他电子器件。如同图1，虽然图2为单片集成传感器技术的一个示例，但该概念也具有灵活性，在特定应用中，如果需要或要求，可制造没有电子器件的离散传感器装置。图3示出具有单晶牺牲层(例如实施例中的硅锗(SiGe)或掺杂硅)的压阻式MEMS装置300。在图3的实施例中，与图I和图2的前述电容式传感实施例不同，单晶牺牲层不需要图案化，因为在该压阻式传感实施例中不需要进行隔离。装置300包括具有植入层304的硅衬底302。在一个实施例中，衬底302为p型衬底，并且层304为η型植入层。单晶牺牲层306形成于层304上。牺牲层306可包括例如掺杂类型和/或掺杂浓度不同于层304和306的界面处的硅材料的SiGe或掺杂硅。单晶牺牲层306使得能够在层306上通过外延生长形成单晶层308。可穿过释放孔310通过牺牲蚀刻而形成腔体312，如DE19700290中所描述，其整体结合于此作为参考。在实施例中，腔体312为约50nm至约IOOnm高(相对于页面上附图的方向)。在晶片表面上沉积并蚀刻可选的腔体钝化层314，例如氧化硅、氮化硅或某些其他适当的材料，以有助于随后的腔体密封。通过外延生长而沉积的硅层316来密封腔体312，如果存在腔体钝化层314，则有助于防止硅在一定工艺条件下在腔体312内生长。迄今得到位于腔体312顶部上的单晶硅密封膜316，单晶硅还位于晶片表面的所有其他区域上。单晶膜316上的压电电阻器318的植入提供了压阻式传感器装置320。单晶硅316使得能够通过普通CMOS或BICMOS加工概念在同一晶片302上加工电子器件，例如MOS晶体管322。可用金属间氧化物334、电触点336和金属喷镀层338进行普通晶片精加工工艺。在传感器释放330和钝化332之后，在同一晶片302上形成邻近电子器件(例如晶体管322)的压阻式传感器装置334，例如压力传感器。在其他实施例中，传感器装置334可包括另一种传感器技术，并且晶体管322可包括某些其他电子器件。如同图I和图2，虽然图3为单片集成传感器技术的一个示例，单该概念也具有灵活性，在特定应用中，如果需要或要求，可在同一晶片上制造没有电子器件的离散传感器装置，和/或制造电容式和压阻式传感器装置两者。图4示出在绝缘体上硅(SOI)衬底上形成电容式MEMS装置400的制造步骤。虽然SOI可能比其他技术更昂贵，但在实施例中可提供简化的工艺流程。参照图4A，SOI衬底包括硅衬底402、隐埋(box)氧化物层404和薄硅装置层406。在实施例中，层406为约IOOnm至约400nm厚。在图4B中，在隐埋氧化物层404下方通过高能植入形成掺杂层408。因此，层408可形成用于MEMS装置的底部电极。在图4C中，通过外延生长形成单晶硅层410。
在图4D中，穿过释放孔414通过牺牲层蚀刻而形成腔体412。在实施例中，腔体412为约50nm至约IOOnm高(相对于页面上附图的方向)。在晶片表面上沉积并蚀刻可选的腔体钝化层416，例如氧化硅、氮化硅或某些其他适当的材料，这随后会有助于腔体密封。在图4E中，硅层418通过外延生长而沉积并密封腔体412。腔体钝化层416可有助于防止硅在一定工艺条件下在腔体412内生长。结果是，单晶硅密封膜418位于腔体412的顶部上，单晶硅418还位于晶片表面的所有其他区域上。在图4F中，由于单晶硅418，能够在同一晶片402上通过普通CMOS或BICMOS工艺形成MOS晶体管420或另一电子器件。可通过隔离槽422在MEMS装置与晶体管420之间实现横向电隔离。可通过接触结构424实现与传感器装置的顶部和底部电极的电接触。在图4G中，可用金属间氧化物426、电触点428和金属喷镀层430进行普通晶片精加工工艺。在传感器释放432和钝化434之后，在同一晶片上于电子器件(例如晶体管420)的旁边形成电容式传感器装置436，例如压力传感器。在其他实施例中，传感器装置436可包括另一种传感器技术，并且晶体管420可包括某些其他电子器件。如同图I至图3，虽然图4为单片集成传感器技术的一个示例，但该概念也具有灵活性，在特定应用中，如果需要或要求，可在同一晶片上制造没有电子器件的离散传感器装置。图5示出形成于SOI衬底上的压阻式MEMS装置500的步骤。虽然SOI可能比其他技术更昂贵，但在实施例中可提供简化的工艺流程。SOI衬底502具有形成于其上的隐埋氧化物层504和硅装置层506。在实施例中，层506为约IOOnm至约400nm厚。在层504上通过外延生长形成单晶硅层508。穿过释放孔510通过牺牲层蚀刻而形成腔体512。在实施例中，腔体512为约50nm至约IOOnm高(相对于页面上附图的方向)。在晶片表面上沉积并蚀刻可选的腔体钝化层514，例如氧化硅、氮化硅或某些其他适当的材料，以有助于随后的腔体密封。随后，硅层516通过外延生长而沉积并密封腔体512。腔体钝化层514可有助于防止硅在一定工艺条件下在腔体512内生长。结果是，单晶硅密封膜516位于腔体512上，单晶硅位于晶片表面的所有其他区域上。单晶膜516上的压电电阻器518的植入形成压阻式传感器装置520。单晶层516使得能够通过普通CMOS或BICMOS在同一晶片502上加工电子器件，例如MOS晶体管522。可用金属间氧化物524、电触点526和金属喷镀层528进行普通晶片精加工工艺。在传感器释放530和钝化532之后，在同一晶片502上于电子器件(例如晶体管522或某些其他装置)是旁边形成压阻式传感器装置520，例如压力传感器。在其他实施例中，传感器装置520可包括另一种传感器技术，并且晶体管522可包括某些其他电子器件。如同图I至图4，虽然图5为单片集成传感器技术的一个示例，但该概念也具有灵活性，在特定应用中，如果需要或要求，可在同一晶片上制造没有电子器件的离散传感器装置，和/或制造电容式和压阻式传感器装置两者。因此，实施例为现代CMOS和BICMOS技术中的MEMS结构的单片集成提供了成本高效、灵活的解决方案。通过利用新颖的腔体密封工艺，至少部分地避免了 MEMS与电气加工步骤之间的负面相互作用。可在实施例中实施的较小的腔体尺寸还提高了装置的坚固性(robustness),降低了过应力的风险。进一步地，通过利用外加电压替代物理压力或加速负荷，实施例中还在制造测试阶段提供了优点，因此降低了测试复杂性和尝试。至少部分原因是因为更窄的腔体。基于同一 MEMS技术平台，对于各种传感原理(例如电容式和压阻式)提供了高度灵活性。本文对系统、装置和方法的各个实施例进行了说明。这些实施例仅通过示例来给 出，并非用于限制本发明的范围。另外，应理解的是，所述实施例的各个特征可以各种形式组合，以生产多种附加实施例。另外，与所公开的实施例一起使用还说明了各种材料、尺寸、形状、配置和位置等，但是，只要不超出本发明的范围，也可利用公开之外的材料、尺寸、形状、配置和位置等。相关领域的普通技术人员应理解的是,本发明可包括比上述任何单个实施例中示出的特征更少的特征。本文所述的实施例并不意味着对本发明的各个特征进行组合的方法的穷举示例。因此，所述实施例并非互相排除这些特征的组合；相反，本发明可包括选自不同单个实施例的不同单个特征的组合，如本领域的普通技术人员应理解的。上文中作为参考而纳入本文的文件限制为，与本文的明确公开相反的主题名称不应纳入本文。上文中作为参考而纳入本文的文件进一步限制为，这些文件中所包括的权利要求不纳入本文作为参考。上文中作为参考而纳入本文的文件进一步限制为，这些文件中提供的任何定义不纳入本文作为参考，除非明确包含在本文中。为了理解本发明的权利要求，明显地，不应实施35U. S. C.第112节第六段的条款，除非权利要求中包含特定术语“的方法”或“的步骤”。
权利要求
1.一种形成单片集成传感器装置的方法，包括 通过以下步骤在衬底上形成微机电系统装置在所述衬底上形成牺牲层；在所述牺牲层上沉积第一硅层，所述第一硅层包括至少一个释放孔；通过所述至少一个释放孔在所述牺牲层内形成腔体；并且通过沉积第二硅层而密封所述腔体；以及在所述衬底上形成电子器件。
2.根据权利要求I所述的方法，进一步包括在所述腔体中沉积腔体钝化层。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，形成所述牺牲层的步骤包括图案化所述牺牲层。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，形成所述牺牲层的步骤包括形成单晶牺牲层。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，形成所述电子器件的步骤进一步包括利用所述单晶牺牲层。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，密封所述腔体的步骤进一步包括沉积包括单晶硅的第二硅层。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，形成微机电系统装置的步骤包括形成传感器装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成传感器装置的步骤包括形成电容式传感器装置或压阻式传感器装置的至少其中之一。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，形成电子器件的步骤包括形成至少一个晶体管。
10.根据权利要求I所述的方法，其中，形成电子器件的步骤包括利用CMOS或BICMOS工艺的其中之一。
11.根据权利要求I所述的方法，其中，形成微机电系统装置的步骤进一步包括通过至少一个释放孔填充所述腔体的一部分。
12.根据权利要求I所述的方法，进一步包括在所述微机电系统装置与所述电子器件之间形成隔离槽。
13.一种单片集成传感器装置，包括 形成于衬底上的微机电系统传感器，所述微机电系统传感器包括通过至少一个释放孔形成于牺牲层中并由硅层密封的腔体；以及形成于所述衬底上的电子器件。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述硅层包括单晶硅层。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述单晶硅层形成所述电子器件的一部分。
16.根据权利要求13所述的装置，进一步包括形成于所述微机电系统传感器与所述电子器件之间的隔离槽。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，所述微机电系统传感器是电容式传感器或压阻式传感器的其中之一。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电子器件包括晶体管。
19.根据权利要求13所述的装置，进一步包括所述腔体内的腔体钝化层。
20.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述硅层包括膜。
21.—种形成单片集成传感器的腔体结构的方法，包括获得娃衬底； 在所述硅衬底上形成植入层； 在所述植入层上图案化一单晶牺牲层； 在所述牺牲层上沉积第一硅层，所述第一硅层具有至少一个释放孔； 通过所述释放孔蚀刻所述牺牲层，以形成腔体；以及 通过在所述第一硅层上沉积第二硅层而密封所述腔体。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括通过执行所述获得、形成、图案化、沉积、蚀刻和密封步骤而形成微机电系统传感器。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括通过在所述衬底上形成电子器件而形成单片集成传感器装置。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，形成电子器件的步骤进一步包括利用所述第二硅层。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，形成微机电系统传感器的步骤进一步包括形成电容式微机电系统传感器或压阻式微机电系统传感器的至少其中之一，并且其中，形成电子器件的步骤进一步包括形成晶体管。
全文摘要
本发明公开了单片集成传感器装置及形成方法和形成其腔体结构的方法。实施例涉及MEMS装置，具体涉及单个晶片上的集成有相关电子器件的MEMS装置。实施例利用模块化工艺流程概念作为MEMS-first方法的一部分，从而能够利用新颖的腔体密封工艺。因此减少或消除了由于MEMS加工对电子器件的影响和潜在有害作用。同时，提供了高度灵活的解决方案，能够实施各种测量原理，包括电容式和压阻式。因此，各种传感器应用可具有改进的性能和质量，同时保持成本高效。
文档编号B81C1/00GK102674237SQ201210038129
公开日2012年9月19日 申请日期2012年2月17日 优先权日2011年2月22日
发明者伯恩哈德·温克勒, 克莱门斯·普鲁格尔, 安德烈亚斯·桑克尔, 斯特凡·科尔贝 申请人:英飞凌科技股份有限公司