用于防止在加工过程中和使用中出现粘附的混合mems凸块设计的制作方法
【专利摘要】用于防止在加工过程中和使用中出现粘附的混合MEMS凸块设计。提供了一种微机电系统(MEMS)器件和用于形成MEMS器件的方法。质量块通过支轴悬挂在衬底表面上方的一距离处。一对感应板被设置在衬底上且位于支轴的相对侧上。金属凸块与每个感应板相关联并且被设置成接近质量块的相应末端。每个金属凸块从衬底的表面延伸并且通常抑制与质量块相关的电荷导致的粘附。氧化物凸块与该对感应板中的每一个都相关联并且被设置成位于相应的感应板和支轴之间。每个氧化物凸块比金属凸块从衬底的第一表面延伸更大的距离并且通过阻止质量块的末端在冲击加载期间接触金属凸块而充当缓冲器。
【专利说明】用于防止在加工过程中和使用中出现粘附的混合MEMS凸块设计
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造，更具体而言，涉及微机电系统(MEMS)器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002]在半导体制造中，在半导体晶圆上形成微机电系统(MEMS)使用先前已经开发用于集成电路(IC)产业的工具和技术来构建微型机械。可以在晶圆的整个表面同时构建这些MEMS器件，从而需要少量的组装甚至不需要组装。
[0003]体微机械加工是通过从硅晶圆开始，然后蚀刻掉不想要的部分，并留下有用的机械器件来构建机械元件的制造技术。通常利用体微机械加工形成MEMS器件，其中在MEMS制造中利用光刻工艺。在这种体微机械加工中，图案化硅晶圆，随后将其浸没在液体蚀刻剂中以便溶解任何暴露出来的硅。剩余的硅或其他材料通常形成MEMS器件。
[0004]举例来说，通常采用MEMS制造技术形成各种压力传感器、位置传感器和加速度传感器。这些MEMS器件相对于传统传感器具有诸多优势，如它们通常具有更高的能效比、更可靠、相对更易于生产，并且器件之间通常具有非常好的重复性。
[0005]但是，对于MEMS器件通常所观察到的一个可靠性问题是粘附，或由于表面力引起的接触表面粘着。通常，粘附是为了使相互接触的静止物体能够相对运动所需要克服的静摩擦力。当具有低于测微计量程的区域的两个表面极为接近时，诸如MEMS器件中显示的，它们可能粘附在一起，从而限制MEMS器件的可靠性。在该数值范围下，MEMS器件的两个主要故障因素是静电粘附或电荷导致的粘附和/或范德华力导致的粘附。这些粘附问题示出了迄今为止难以解决的各种问题。
【发明内容】
[0006]下面提出简要总结以提供对本发明的一个或多个方面的基本理解。这个总结不是本发明的广泛概述，并且本义不是确定本发明的重要元件或关键元件，也不是划定本发明的范围。而是，该总结的主要目的是以作为后面呈现的更详细描述的简化形式来呈现本发明的一些概念。
[0007]在一个实施例中，本发明涉及一种微机电系统(MEMS)器件。举例来说，MEMS器件包括通过支轴悬挂在衬底的第一表面上方第一距离处的质量块。举例来说，支轴从质量块的重心移开。质量块被配置成绕着支轴旋转。
[0008]一对感应板被设置成位于衬底的第一表面上，其中感应板被设置成位于支轴的相对侧上。举例来说，该对感应板和质量块形成当在一个方向上诱导衬底加速时发生变化的电容。
[0009]根据一个示例性方面，金属凸块与每个感应板相关联并且被设置成接近质量块的相应末端。举例来说，每个金属凸块从衬底的第一表面延伸一距离并且通常抑制与质量块相关的电荷导致的粘附。在另一实例中，每一个金属凸块通常抑制与质量块相关的范德华力粘附。在又一实例中，金属凸块被布置成位于质量块的每个相应角部处的衬底的第一表面上。
[0010]根据一个方面,氧化物凸块与该对感应板中的每一个都相关并且位于相应的感应板和支轴之间。每个氧化物凸块比金属凸块从衬底的第一表面延伸更大的距离，并且通过阻止质量块的末端在冲击加载期间接触金属凸块而充当缓冲器。在一个实例中，多个氧化物凸块与该对感应板中的每一个相关联，其中多个氧化物凸块通常被布置成位于衬底的第一表面上且平行于支轴。
[0011]根据另一方面，提供了一种用于形成MEMS器件的方法。在一个实例中，该方法包括在衬底上方形成金属层，并图案化金属层以形成一对感应板和多个金属凸块。举例来说，在衬底上沉积或者以其他方式形成金属层。在该对感应板之间限定质量块的枢轴，并且多个金属凸块中的每一个被设置成接近质量块的相应末端。因此，每个金属凸块通常抑制与质量块相关的电荷导致的粘附。
[0012]在衬底上方进一步形成氧化物层，并图案化氧化物层以形成与该对感应板中的每一个都相关联的氧化物凸块。举例来说，每个氧化物凸块被设置成位于相应的感应板和枢轴之间，其中每个氧化物凸块通常通过阻止质量块的末端在冲击加载期间接触金属凸块而充当缓冲器。举例来说，每个氧化物凸块比金属凸块从衬底延伸更大的距离。
[0013]根据另一实例，进一步在衬底上方形成质量块，其中质量块的下表面通过与枢轴相关联的支轴悬挂在衬底的第一表面上方的第一距离处。在一个实例中，质量块包括矩形杆，并且其中每个金属凸块都与矩形杆的相应角部相关联。
[0014]根据本发明的一个方面，提供了一种微机电系统(MEMS)器件,包括:衬底，具有第一表面；质量块，具有支轴，其中，所述质量块的下表面通过所述支轴悬挂在所述衬底的第一表面上方的第一距离处，并且，所述质量块被配置成绕着所述支轴旋转；一对感应板，与所述衬底的第一表面相关联并且被设置成位于所述支轴的相对侧上；金属凸块，与所述一对感应板中的每一个相关联并且被设置成接近所述质量块的相应末端，其中，每个金属凸块从所述衬底的第一表面延伸第二距离；以及氧化物凸块，与所述一对感应板中的每一个相关联并且被设置成位于相应的所述感应板和所述支轴之间，其中，每个氧化物凸块从所述衬底的第一表面延伸第三距离。
[0015]所述的MEMS器件还包括与所述一对感应板中的每一个相关联的多个金属凸块，其中，所述多个金属凸块被布置成位于所述衬底的第一表面上且位于所述质量块的相应角部处。
[0016]所述的MEMS器件还包括与所述一对感应板中的每一个相关联的多个氧化物凸块，其中，所述多个氧化物凸块通常被布置成平行于所述支轴且位于所述衬底的第一表面上。
[0017]在所述的MEMS器件中，所述衬底包含硅。
[0018]在所述的MEMS器件中，所述衬底包含硅，其中，所述衬底还包括形成在所述硅上方的氧化物层和金属层中的一种或多种，在其中限定出所述衬底的第一表面。
[0019]在所述的MEMS器件中，所述金属凸块中的每一个均抑制与所述质量块相关的范德华力粘附。[0020]在所述的MEMS器件中，所述支轴从所述质量块的重心移开。
[0021]在所述的MEMS器件中，所述一对感应板和所述质量块形成随着在一个方向上诱导所述衬底加速而发生变化的电容。
[0022]根据本发明的另一方面，提供了一种形成微机电系统(MEMS)器件的方法，所述方法包括:提供衬底；在所述衬底上方形成金属层；图案化所述金属层以形成一对感应板和多个金属凸块，其中，在所述一对感应板之间限定出质量块的枢轴，并且，所述多个金属凸块中的每一个被设置成接近所述质量块的相应末端，并且，每个金属凸块均抑制与所述质量块相关的电荷导致的粘附；在所述衬底上方形成氧化物层；以及图案化所述氧化物层以形成与所述一对感应板中的每一个相关联的氧化物凸块，其中，每个氧化物凸块被设置在相应的所述感应板和所述枢轴之间，并且，每个氧化物凸块均通过阻止所述质量块的末端在冲击加载期间接触所述金属凸块而充当缓冲器。
[0023]所述的方法还包括在所述衬底上方形成所述质量块，其中，所述质量块的下表面通过与所述枢轴相关联的支轴悬挂在所述衬底的第一表面上方第一距离处。
[0024]所述的方法还包括在所述衬底上方形成所述质量块，其中，所述质量块的下表面通过与所述枢轴相关联的支轴悬挂在所述衬底的第一表面上方第一距离处，其中，所述质量块包括矩形杆，并且，每个金属凸块与所述矩形杆的相应角部相关联。
[0025]在所述的方法中，形成所述金属层包括在所述衬底上沉积金属。
[0026]在所述的方法中，每个氧化物凸块比每个金属凸块从所述衬底延伸更大的距离。
[0027]根据本发明的又一方面，提供了一种微机电系统(MEMS)器件，包括:衬底；质量块，通过支轴悬挂在所述衬底上方，其中，所述质量块被配置成绕着所述支轴旋转；第一感应板和第二感应板，设置在所述衬底上的支轴的相应侧上；多个金属凸块，设置在所述衬底上并且被设置成接近所述质量块的每个末端，其中，所述多个质量块中的每一个从所述衬底延伸；以及多个氧化物凸块，设置在所述衬底上并且被设置成位于相应的所述第一感应板和所述第二感应板与所述支轴之间，其中，所述多个氧化物凸块中的每一个比所述多个金属凸块从所述衬底延伸更大的距离。
[0028]在所述的MEMS器件中，所述质量块均是矩形的，并且，所述多个金属凸块被布置成位于所述衬底的表面上且接近所述质量块的相应角部。
[0029]在所述的MEMS器件中，所述多个氧化物凸块包括布置成位于所述衬底的表面上的至少两个氧化物凸块，所述至少两个氧化物凸块均平行于所述支轴并且位于所述支轴的
每一侧上。
[0030]在所述的MEMS器件中，所述多个金属凸块均抑制与所述质量块相关的范德华力粘附。
[0031]在所述的MEMS器件中，所述支轴从所述质量块的重心移开。
[0032]在所述的MEMS器件中，所述第一感应板和所述第二感应板及所述质量块形成电容，随着在一个方向上诱导所述衬底加速所述电容发生变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1A示出根据一个实例经受电荷导致的粘附的MEMS器件的截面图。
[0034]图1B示出根据另一实例具有金属刮痕问题的另一 MEMS器件的截面图。[0035]图2A示出根据本发明的一个方面的示例性MEMS器件的平面图。
[0036]图2B示出根据另一实例的图2A的MEMS器件的截面图。
[0037]图3示出根据又一实例通过金属凸块减轻电荷导致的粘附的MEMS器件的截面图。
[0038]图4示出根据又一实例通过氧化物凸块减轻冲击导致的金属刮痕的MEMS器件的截面图。
[0039]图5示出根据又一实例的另一 MEMS器件的截面图。
[0040]图6示出用于形成MEMS器件的方法的示例性流程图。
【具体实施方式】
[0041]参照附图进行本文中的描述，在所有附图中相似的参考标号通常用于表示相似的元件，并且其中各种结构不必按比例绘制。在下面的说明书中，为了阐述的目的，提出各种具体细节以便于理解。但是，本领域技术人员可以了解到，这些具体细节的一小部分可以实践本文中描述的一个或多个方面。在其他实例中，公知结构和器件以方框图示出以便于理解。
[0042]在阻止粘附设计中，当MEMS器件到达下面的衬底的表面时，可以利用氧化物凸块来防止粘附。然而，关于MEMS器件中的粘附存在两个主要故障因素；一个因素是电荷导致的粘附，另一因素是范德华力导致的粘附。
[0043]减少粘附问题的一种方式涉及通过利用氧化物凸块设计使MEMS器件和下面的衬底之间的接触面积最小。如图1A所示，用于MEMS器件12的氧化物凸块设计10提供了在衬底16上形成的小氧化物凸块14以限制MEMS器件的质量块18和衬底之间的接触。在MEMS器件12的所需操作中，当质量块18绕着枢轴22旋转时，位于衬底16上的感应板(sensingplate) 20被配置成感应电容变化。然而，因为氧化物通常是不导电的，仅使用氧化物凸块设计10的氧化物凸块14仍可能出现上面提到的故障因素。因此，当单独利用氧化物凸块设计10时，由于与质量块18和氧化物凸块14之间的接触相关的粘附问题，MEMS器件12的刚度局限于某个范围并且不能降低。
[0044]因而，图1A的氧化物凸块设计10出现可能由充电以及范德华力所导致的粘附问题。然而，虽然氧化物凸块设计10出现粘附，但它通过了冲击试验，因为氧化物凸块14在冲击加载期间为MEMS器件12提供足够的缓冲。在图1B的金属凸块设计26中，改善了粘附问题，但是在冲击试验期间，金属凸块24可能引发刮痕问题。
[0045]因此，根据本发明，提供了混合凸块设计，其中接近MEMS器件12的边缘设置金属凸块以减轻电荷导致的粘附和加工过程中的粘附，同时接近枢轴22设置氧化物凸块以减轻冲击试验期间的粘附，并且防止上述刮痕问题。
[0046]现参照图2A和图2B，提供了示例性MEMS器件100。如图2A中可见的，举例来说，提供了具有第一表面104的衬底102。举例来说，衬底102包含诸如硅的半导电基础材料106，并且还可以包括在其上方形成的一个或多个其他层108。举例来说，一个或多个其他层108包括金属间介电(MD)层，诸如氧化物、氮化物或其他类似层。
[0047]根据一个实例，提供具有与其相关联的支轴112的质量块110，其中质量块的下表面114通过支轴悬挂在衬底102的第一表面104上方的第一距离116处。质量块110因而被配置成绕着支轴112旋转，诸如在MEMS器件100以通常垂直于第一表面104的方向加速期间。举例来说，支轴112进一步从质量块的重心移开。举例来说，质量块110以本领域普通技术人员公知的方式由诸如氧化物的非导电材料形成。
[0048]举例来说，一对感应板118与衬底102的第一表面104相连接，其中该对感应板通常位于支轴112的相对侧上。举例来说，该对感应板118由导电金属形成，其中该对感应板和质量块110形成当在一个或多个方向上诱导衬底102加速时发生变化的电容。
[0049]根据另一实例，一个或多个金属凸块120与该对感应板118中的每一个都相关联，其中，每个金属凸块被设置成接近质量块110的相应末端122。多个金属凸块120可以与该对感应板118中的每一个都相关联，诸如图2B的实例中所示出的，其中多个金属凸块被布置成位于质量块110的相应角部123处的衬底102的第一表面104上。举例来说，如图2A所示，每个金属凸块120从衬底102的第一表面104延伸第二距离124并且通常抑制与质量块110相关的电荷导致的粘附，如图3所示。并且，金属凸块120通常抑制上述与质量块110相关的范德华力粘附。举例来说，由金属层(未示出)图案化和/或以其他方式形成一个或多个金属凸块120。
[0050]举例来说，一个或多个氧化物凸块126还与每一个感应板118相关联并且设置在相应的感应板和支轴112之间。举例来说，一个或多个氧化物凸块126中的每一个从衬底102的第一表面104延伸第三距离128，其中，一个或多个氧化物凸块通常通过阻止质量块110的末端122在冲击加载130期间接触金属凸块120而充当缓冲器，如图4所示。举例来说，多个氧化物凸块126都可以与该对感应板118中的每一个相关联，其中多个氧化物凸块通常被布置成平行于支轴112且位于衬底102的第一表面104上。举例来说，每个氧化物凸块126由诸如氧化物层或氮化物层的钝化层(例如，介电层)形成。
[0051]图5示出结合上述MEMS器件100的示例性CMOS封装件132。举例来说，CMOS封装件132包括金属凸块120和氧化物凸块126，其通常防止质量块110和衬底102之间出现粘附，也减轻上述的冲击导致的金属刮痕。本领域普通技术人员将理解，CMOS封装件132通常通过保护盖顶134来保护MEMS器件。
[0052]根据另一个实施例，在图6中提供了用于形成MEMS器件的示例性方法200，进一步提供了诸如上文在图2至图5中描述的MEMS器件100。如图6所示，方法200包括:在动作202中，提供衬底，诸如硅衬底。在动作204中，在衬底上方形成金属层，诸如通过在衬底上沉积金属而形成金属层，以及在动作206中图案化金属层以形成一对感应板和多个金属凸块。在该对感应板之间限定出质量块的枢轴，诸如图2A中示出的，其中在图6的动作206中形成的多个金属凸块中的每一个都被设置成接近质量块的相应末端。每个金属凸块通常抑制与质量块相关的电荷导致的粘附。
[0053]在动作208中，举例来说，在衬底上方形成氧化物层，以及在动作210中，图案化氧化物层以形成与该对感应板中的每一个相关联的氧化物凸块。举例来说，在动作208和210中，形成每个氧化物凸块并且将其图案化以比每个金属凸块从衬底延伸更大的距离。举例来说，每个氧化物凸块进一步设置在相应的感应板和枢轴之间，诸如还是在图2A中所述的，其中每个氧化物凸块通常通过阻止质量块的末端在冲击加载期间接触金属凸块而充当缓冲器。
[0054]后续加工可以包括在衬底上方形成质量块，其中质量块的下表面通过与枢轴相关联的支轴悬挂在衬底的第一表面之上的第一距离处。举例来说，质量块可以包括矩形杆，诸如图2B中示出的，并且每个金属凸块与矩形杆的相应角部相连接。
[0055]因此，如本发明所述，举例来说，图2A和图2B的金属凸块120和氧化物凸块可以改善以前随先前器件(例如，诸如图1A和图1B的MEMS器件12)可见的粘附相关的不利问题，其中通过导电金属凸块120减轻电荷聚集。如图1B所示，举例来说，通过金属凸块24改善了 MEMS器件12的粘附故障率；但是，当冲击测试MEMS器件时，金属凸块可能导致金属刮痕28。(冲击测试是各种可靠性测试中的一种，特别是对MEMS器件)。金属刮痕28易于导致两个相关的不利问题；一个问题是在MEMS器件12和衬底16之间由颗粒引起的电气短路，另一问题是由金属刮痕28引起的质量块18的重量变化所带来的性能变化。本发明利用金属凸块和氧化物凸块的混合工艺，诸如图2A和图2B所示的，其中粘附问题显著减少，同时减轻在此之前所见的刮痕问题。
[0056]尽管已经详细地描述了本发明的实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员根据本发明将很容易理解，根据本发明可以利用现有的或今后开发的用于执行与本文所述相应实施例基本上相同的功能或获得基本上相同结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求应该在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。
[0057]虽然示出本文中提供的(一种或多种)方法并将其描述为一系列动作或行为，但可以理解，所示出的这些动作或行为的次序并不以限制意义进行解释。例如，一些动作可以以不同的次序进行和/或与除了本文示出和/或描述的动作或行为以外的其他动作或行为同时进行。此外，不是所有示出的动作都为实施本文描述的一个或多个方面或实施例所必需的。并且，本文描述的一个或多个动作可以以一个或多个分开的动作和/或阶段进行实施。
[0058]应当理解，虽然在整个文件中在论述本文中描述的方法的各方面，对示例性结构做出参考，这些方法并不受论述的相应结构的限制。相反，方法(和结构)被认为是相互独立的且能够独立存在，并且不管附图中描述的任何具体方面而进行实施。
[0059]同样，根据对说明书和附图的阅读和/或理解，本领域的普通技术人员可以想到等效的替换和/或修改。本发明包括所有这些修改和替换，因而通常预期并不用于限制。此夕卜，特定部件或方面可能仅参照若干实施方案中的一种进行公开，这样的部件或方面可以与可能期望的其他实施方案的一个或多个其他部件和/或方面相结合。并且，就在本文中使用的术语“包含”、“具有”、“有”、“带有”和/或它们的变型方面来说，这些术语旨在包含在如“包括”的意思中。而且，“示例性”仅意味着是实例，而不是最好的。还可以理解，为了简明和易于理解的目的，本文中描述的部件、层和/或元件用相对于另一部件、层和/或元件的具体尺寸和/或方向示出，并且实际的尺寸和/或方向可以与本文中示出的显著不同。
【权利要求】
1.一种微机电系统(MEMS)器件,包括: 衬底，具有第一表面； 质量块，具有支轴，其中，所述质量块的下表面通过所述支轴悬挂在所述衬底的第一表面上方的第一距离处，并且，所述质量块被配置成绕着所述支轴旋转； 一对感应板，与所述衬底的第一表面相关联并且被设置成位于所述支轴的相对侧上；金属凸块，与所述一对感应板中的每一个相关联并且被设置成接近所述质量块的相应末端，其中，每个金属凸块从所述衬底的第一表面延伸第二距离；以及 氧化物凸块，与所述一对感应板中的每一个相关联并且被设置成位于相应的所述感应板和所述支轴之间，其中，每个氧化物凸块从所述衬底的第一表面延伸第三距离。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括与所述一对感应板中的每一个相关联的多个金属凸块，其中，所述多个金属凸块被布置成位于所述衬底的第一表面上且位于所述质量块的相应角部处。
3.根据权 利要求1所述的MEMS器件，还包括与所述一对感应板中的每一个相关联的多个氧化物凸块，其中，所述多个氧化物凸块通常被布置成平行于所述支轴且位于所述衬底的第一表面上。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述衬底包含硅。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件，其中，所述衬底还包括形成在所述硅上方的氧化物层和金属层中的一种或多种，在其中限定出所述衬底的第一表面。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述金属凸块中的每一个均抑制与所述质量块相关的范德华力粘附。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述支轴从所述质量块的重心移开。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述一对感应板和所述质量块形成随着在一个方向上诱导所述衬底加速而发生变化的电容。
9.一种形成微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括: 提供衬底； 在所述衬底上方形成金属层； 图案化所述金属层以形成一对感应板和多个金属凸块，其中，在所述一对感应板之间限定出质量块的枢轴，并且，所述多个金属凸块中的每一个被设置成接近所述质量块的相应末端，并且，每个金属凸块均抑制与所述质量块相关的电荷导致的粘附； 在所述衬底上方形成氧化物层；以及 图案化所述氧化物层以形成与所述一对感应板中的每一个相关联的氧化物凸块，其中，每个氧化物凸块被设置在相应的所述感应板和所述枢轴之间，并且，每个氧化物凸块均通过阻止所述质量块的末端在冲击加载期间接触所述金属凸块而充当缓冲器。
10.一种微机电系统(MEMS)器件,包括: 衬底； 质量块，通过支轴悬挂在所述衬底上方，其中，所述质量块被配置成绕着所述支轴旋转; 第一感应板和第二感应板，设置在所述衬底上的支轴的相应侧上； 多个金属凸块，设置在所述衬底上并且被设置成接近所述质量块的每个末端，其中，所述多个质量块中的每一个从所述衬底延伸；以及 多个氧化物凸块，设置在所述衬底上并且被设置成位于相应的所述第一感应板和所述第二感应板与所述支轴之间，其中，所述多个氧化物凸块中的每一个比所述多个金属凸块从所述衬底延伸更大的距离。
【文档编号】B81C99/00GK103569942SQ201210407222
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年10月23日 优先权日:2012年8月1日
【发明者】徐家保, 戴文川, 洪嘉明, 陈相甫 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司