使用集成mems及cmos器件的片上系统的制作方法

专利名称:使用集成mems及cmos器件的片上系统的制作方法
技术领域：
本实用新型大体上涉及集成装置。更具体地，本实用新型提供了一种用于集成至少两个不同的微电子机械系统(MEMS)器件与一个或多个互补金属氧化物半导体(CMOS)器 件的系统和方法。这种MEMS器件可提供加速计、回转仪、磁性传感器、压力传感器、扩音器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感器、惯性传感器以及其它众所周知的MEMS器件。
背景技术：
—直在进行对于集成微电子学的研究和开发,从而在CMOS和MEMS方面产生了惊人的进步。CMOS技术已经成为用于集成电路(IC)的主要制造技术。然而，MEMS仍依赖于传统的加工技术。在外行人看来，微电子IC是提供决策能力的集成装置的“大脑”，而MEMS是提供对于环境进行感测和控制的能力的“眼睛”和“手臂”。这些技术的广泛应用的实例是射频(RF)天线系统中的开关，诸如加利福尼亚州的库比蒂诺的苹果公司的iPhone 装置以及加拿大、安大略的Waterloo的Motion有限公司研究的Blackberry 电话中的那些开关；以及装配有传感器的游戏机中的加速计，诸如由日本的任天堂有限公司制造的Wii 控制器中的加速计。虽然它们通常不容易被辨识，但是这些技术在社会上每天都被更普遍地使用。
除了消费性电子产品，IC和MEMS的使用在模块化测量装置(诸如加速计、回转仪、致动器和传感器)中具有无限制的应用。在常规车辆中，加速计和回转仪分别用于调动气囊和触发器动态稳定性控制功能。MEMS回转仪也可用于录像机和照相机中的图像稳定系统，以及飞机和鱼雷中的自动转向系统。生物MEMS (Bio-MEMS)实现用于片上实验室应用的生物传感器和化学传感器，其仅在单个毫米大小的芯片上集成一个或多个实验室功能。其它应用包括互联网和电话网络、证券和金融应用以及卫生和医疗系统中。如前所述，IC和MEMS可用于实际地参与到各种类型的环境交互中。
虽然很成功，但是1C，特别是MEMS仍然具有局限性。与IC开发一样，关注于提高性能、减小尺寸和降低成本的MEMS开发仍面临挑战。此外，MEMS的应用通常日益需要复杂的微系统(其需要更高的计算能力)。然而，这种应用程序通常不存在。在本说明书通篇以及下面更具体地描述了常规MEMS和IC的这些和其它局限。[0007]通过以上所述，发现迫切需要提高集成电路装置和MEMS的操作的技术。

实用新型内容

根据本实用新型，提供了大体上涉及集成装置的技术。更具体地，本实用新型提供了一种用于将至少两个不同的微电子机械系统(MEMS)器件与一个或多个互补金属氧化物半导体(CMOS)器件(但也可以是其它器件)集成的系统和方法。仅通过示例的方式，MEMS器件可至少包括加速计、回转仪、磁性传感器、压力传感器、扩音器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感器、惯性传感器等。但是应意识到，本实用新型具有更广泛的应用范围。
在一个或多个实施方式中，本实用新型提供了一种集成系统，其包括衬底层、半导体层、集成装置以及封装层(encapsulation layer)。在具体实施方式
中，每个装置都与半导体层集成并由封装层覆盖。半导体层形成界面区，CMOS和MEMS器件可被构造在其上。在各个实施方式中，一层或多层掩膜层可用于在界面区之上同时形成两个以上MEMS器件，诸如加速计和回转仪、回转仪和压力传感器等。
在优选的实施方式中，集成系统可包括硅衬底层、CMOS层、MEMS和CMOS器件，以及晶圆级封装(WLP, wafer level packaging)层。CMOS层可形成界面区,任何数量的CMOS和MEMS器件可被构造在其上。CMOS层可沉积在硅衬底上，且可包括任何数量的金属层并可根据任何类型的设计规则(诸如0. 18微米或更小的设计规则)来设置。此外，集成CMOS器件可由铸造兼容工艺(foundry compatible process)来构造。集成MEMS器件可包括但不限于以下类型的传感器的任何组合磁性传感器、压力传感器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感器或惯性传感器。这些MEMS器件也可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料或对于这种MEMS器件唯一的或对于其它MEMS器件共同的其它材料。此外，覆盖WLP层可被构造为气密密封任何数量的这些集成装置。
相比于常规技术，通过本实用新型可以获得多个益处。例如，本实用新型技术使得更加容易地使用依赖常规制造技术的工艺。在一些实施方式中，由于采用集成方法，这些方法使每个晶圆的裸晶产量更高。而且，在不对常规制造设备和工艺进行实质性改动的情况下，这些方法可提供与常规工艺技术兼容的工艺和系统。这些技术的各个实施方式可减少片外连接，这使得批量生产更小且更薄的单元成为可能。此外，通过使由于共同(例如，同步)制造CMOS和MEMS器件，且特别是，CMOS和多个(例如，不同)MEMS器件所导致的寄生电阻和电容最小化或减小，本文中描述的集成CM0S-MEMS技术的各个实施方式能够实现高精度。


图1为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化透视图；
图2为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化顶视图；
图3为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图；
图4为根据本实用新型的另一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图；
图5为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图；
图6为根据本实用新型的再一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图；[0018]图7为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图；
图8为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图；
图9为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的组件的简化顶视图；
图10为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的组件的简化顶视图；
图11为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的组件的简化顶视图；
图12为合并了本实用新型的各个实施方式的装置的简化框图。
具体实施方式
根据本实用新型，提供了大体上涉及集成装置和系统的技术。更具体地，本实用新 型提供了一种用于将一个或多个MEMS器件与构造在至少CMOS集成电路装置上的其它系统应用集成的系统和方法。仅通过示例的方式，MEMS器件可至少包括加速计、回转仪、磁性传感器、压力传感器、扩音器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感器、惯性传感器等。此外，其它应用至少包括传感器应用、系统应用和宽带应用等。
图I为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化透视图。该图仅为示例，其不应对本文中权利要求
的范围进行不恰当地限制。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统100包括衬底层110、半导体层120、集成装置140-143和封装层150。在具体实施方式
中，装置140-143中的每一个可包括MEMS器件。在图I的实例中，MEMS器件包括加速计140、回转仪141、磁性传感器142和压力传感器143。这些MEMS器件可基本上同时制造，并与公共衬底层110的顶部的公共半导体层120集成。换言之，多个MEMS器件可在相同的制造掩膜内被图案化，并在制造期间利用相同的沉积材料层或工艺。此外，MEMS器件无需利用相同的掩膜、相同的沉积材料或相同的制造工艺。
如图所示，这些MEMS器件通常由封装层150覆盖。在一个实施方式中，公共半导体层120可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层120可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。在各个实施方式中，CMOS层120产生了形成界面区130的表面区，装置140-143可构造或制造在其之上。
在另一个实施方式中，MEMS器件140-143可包括MEMS器件的任何组合。这些可包括加速计、回转仪、扩音器和传感器。尽管不是排他地，但是传感器可以是任何以下的类型磁性的、压力的、湿度的、温度的、化学的、生物的或惯性的。在其它实施方式中，集成系统100中可包括或制造任何数量的MEMS器件。这些装置中的每个可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料或也用于集成系统100中制造的其它MEMS器件或对于该MEMS器件独特的其它材料。
在另一个实施方式中，半导体层120可包括由任意数量的金属层构成的CMOS层，且可根据任何类型的设计规则(诸如O. 18微米或更小的设计规则)来设置。而且，由半导体层形成的界面区130可与任何数量的CMOS器件集成，其可由铸造兼容工艺来构造。在界面区130的分离部分中，装置140-143 (以及可能额外的装置)都可单独地或与其它装置140-143同时地被构造或制造。在其它实施方式中，MEMS器件140-143以及额外的装置包括了与CMOS层120和CMOS器件相背离的上表面区。
在又一个实施方式中，覆盖封装层150可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为圆晶级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为是适当的话，则可替换为任何其它的CSP方法。此外，CSP层150可被构造为气密密封界面区130上的任何数量的集成器件。
本技术为使用依赖常规技术的工艺提供了便利。该技术可减少片外连接，这使得批量生产更小且更薄的单元成为可能。此外，通过使由于联合制造所导致的寄生电阻和电容最小化或减小，集成CM0S-MEM S技术可实现高精度。在一些实施方式中，用于集成CMOS和MEMS器件的新颖方法使每个晶圆的裸晶产量更高。此外，在不对常规半导体制造设备和工艺进行实质性改动的情况下，本方法提供了与常规半导体制造工艺技术兼容的工艺和系统。
图2为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化顶视图。该图仅为示例，其不应不适当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统200包括半导体层210、装置220-223和界面区230。在具体实施方式
中，装置220-223中的每个装置都可包括MEMS器件；图2描绘了具有加速计220、回转仪221、磁性传感器222和压力传感器223的集成系统200。这些MEMS器件与公共半导体层210集成。在一个实施方式中，公共半导体层210可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层210可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。CMOS层210产生了形成界面区130的表面区，装置220-223可构造在其之上。
在另一个实施方式中，MEMS器件220-223可包括MEMS器件的任何组合。这些可包括加速计、回转仪、扩音器和传感器。尽管不是排他地，但是传感器可以是任何以下的类型磁性的、压力的、湿度的、温度的、化学的、生物的或惯性的。在其它实施方式中，在集成系统200中可包括任何数量的MEMS器件，并且这些装置中的每个都可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料等。
在另一个实施方式中，半导体层210可包括由任何数量的金属层构成的CMOS层，并可以根据任何类型的设计规则(诸如0. 18微米或更小的设计规则)来设置。而且，由半导体层形成的界面区230可与任何数量的CMOS器件集成，其可由铸造兼容工艺来构造。装置220-223 (以及可能是额外的装置)都可单独构造在界面区230的分离部分中。在其它实施方式中，MEMS器件220-223以及额外的装置包括背离CMOS层210和装置的上表面区。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
图3为根据本实用新型的实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图。该图仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统300包括衬底层310、半导体层320和封装层340。半导体层320覆盖衬底层310，同时也产生了形成界面区330的表面区。在一个实施方式中，公共半导体层320可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层320可包括CMOS层或对于实现微电子产品来说任何其它适当的层。
在另一个实施方式中，半导体层320可包括由任何数量的金属层构成的CMOS层，并可根据任何类型的设计规则(诸如0. 18微米或更小的设计规则)来设置。而且，由半导体层形成的界面区330可与任何数量的MEMS器件和CMOS器件集成；CM0S器件可由铸造兼容工艺来构造。MEMS器件和CMOS器件都可单独构造在界面区330的分离部分中。
在又一个实施方式中，覆盖封装层340可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为晶圆级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为适当的话，则可替换任何其它的CSP方法。此外，CSP层340可被构造为气密密封界面区330上任何数量的集成器件。
图4为根据本实用新型的另一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图。该图仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统400包括衬底层410、半导体层420、集成器件440和封装层450。半导体层420覆盖衬底层410，同时也产生了形成界面区430的表面区。在一个实施方式中，公共半导体层420可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层420可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。
在另一个实施方式中，半导体层420可包括由任何数量的金属层构成的CMOS层， 并可根据任何类型的设计规则(诸如O. 18微米或更小的设计规则)来设置。而且，由半导体层形成的界面区430可与任何数量的MEMS器件和CMOS器件集成；CM0S器件可由铸造兼容工艺来构造。MEMS器件和CMOS器件都可单独构造在界面区430的分离部分中。
在具体实施方式
中，集成器件440可为加速计。在其它实施方式中，任何数量的MEMS器件可包括在集成系统400中，且这些器件中的每个器件都可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料等。
在又一个实施方式中，覆盖封装层440可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为晶圆级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为适当的话，则可替换任何其它的CSP方法。此外，CSP层440可被构造为气密密封界面区430上的任何数量的集成装置。此外，存在着多种其它变化、修改和替换。
图5为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图。该图仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统500包括衬底层510、半导体层520、集成器件540和封装层550。半导体层520覆盖衬底层510，同时也产生了形成界面区530的表面区。在一个实施方式中，公共半导体层520可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层520可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。
在另一个实施方式中，半导体层520可包括由任意数量的金属层构成的CMOS层，并可根据任何类型的设计规则(诸如0. 18微米或更小的设计规则)设置。而且，由半导体层形成的界面区530可与任何数量的MEMS器件和CMOS器件集成；CM0S器件可由铸造兼容工艺来构造。MEMS器件和CMOS器件都可单独构造在界面区530的分离部分中。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
在具体实施方式
中，集成器件540可为回转仪。在其它实施方式中，任何数量的MEMS器件都可包括在集成系统500中，并且这些器件中的每个器件都可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料等。
在又一个实施方式中，覆盖封装层540可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为晶圆级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为适当的话，则可替换任何其它的CSP方法。此外，CSP层540可被构造为气密密封界面区530上的任何数量的集成器件。此外，存在着多种其它变化、修改和替换。
图6为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图。该图仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统600包括衬底层610、半导体层620、集成器件640和封装层650。半导体层620覆盖衬底层610，同时也产生了形成界面区630的表面区。在一个实施方式中，公共半导体层620可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层620可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。
在另一个实施方式中，半导 体层620可包括由任何数量的金属层构成的CMOS层，并可根据任何类型的设计规则(诸如O. 18微米或更小的设计规则)来设置。而且，由半导体层形成的界面区630可与任何数量的MEMS器件和CMOS器件集成；CM0S器件可由铸造兼容工艺来构造。MEMS器件和CMOS器件都可单独构造在界面区630的分离部分中。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
在具体实施方式
中，集成器件640可为磁性传感器。在其它实施方式中,任何数量的MEMS器件可包括在集成系统600中，并且这些器件中的每个器件都可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料等。
在又一个实施方式中，覆盖封装层640可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为晶圆级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为是适当的话，则可替换任何其它的CSP方法。此外，CSP层640可被构造为气密密封界面区630上的任何数量的集成器件。此外，存在着许多其它的变化、修改和替换。
图7为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图。该图仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统700包括衬底层710、半导体层720、集成器件740和封装层750。半导体层720覆盖衬底层710，同时也产生了形成界面区730的表面区。在一个实施方式中，公共半导体层720可由硅材料或任何适当的半导体制成。半导体层720可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。
在另一个实施方式中，半导体层720可包括由任意数量的金属层构成的CMOS层，并可根据任何类型的设计规则(诸如0. 18微米或更小的设计规则)来设置。而且，由半导体层形成的界面区730可与任何数量的MEMS器件和CMOS器件集成；CM0S器件可由铸造兼容工艺来构造。MEMS器件和CMOS器件都可单独构造在界面区730的分离部分中。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
在具体实施方式
中，集成器件740可为压力传感器。在其它实施方式中，任何数量的MEMS器件可包括在集成系统700中，并且这些器件中的每个器件都可包括一种或多种沉积材料、一种或多种粘合材料等。
在又一个实施方式中，覆盖封装层740可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为晶圆级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为适当的话，则可替换任何其它的CSP方法。此外，CSP层740可被构造为气密密封界面区730上的任何数量的集成器件。此外，存在着多种其它变化、修改和替换。
图8为根据本实用新型的又一个实施方式的集成CM0S-MEMS系统的简化侧视图。该图仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，系统800包括衬底层810、半导体层820、CMOS器件840和封装层850。半导体层820覆盖衬底层810，同时也产生了形成界面区830的表面区。在一个实施方式中，公共半导体层820可由硅材料或任何其他适当的半导体制成。半导体层820可包括CMOS层或用于实现微电子产品的任何其它适当的层。
在另一个实施方式中，半导体层820可包括由任何数量的金属层构成的CMOS层，并可根据任何类型的设计规则(诸如O. 18微米或更小的设计规则)来设置。CMOS器件840可集成至构造有界面区830的CMOS层820。而且，CMOS器件可由铸造兼容工艺来构造。而且，由半导体层形成的界面区830可与任何数量的MEMS器件和CMOS器件集成；CM0S器件可由铸造兼容工艺来构造。在各个实施方式中，任何数量的MEMS器件可基本上同时制造在界面区830之上。例如，可以使用或不使用与其它MEMS器件相同的掩膜来图案化MEMS器件，可以使用或不使用用于其它MEMS器件的沉积材料来制造MEMS器件，可以使用或不使用用于制造其它MEMS器件的相同工艺步骤来制造MEMS器件，等等。使用这样的实施方式，可在界面区830之上并行地制造一个以上不同的MEMS类型器件，从而与串行制造这类MEMS器件相比，节省了时间。图9至图11示出可以使用上述技术近似并行制造的一些MEMS器件 的实例。CMOS和MEMS器件都可单独构造在界面区830的分离部分中。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
在又一个实施方式中，覆盖封装层850可包括芯片尺寸封装(CSP )层，诸如晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)，也被称为晶圆级封装(WLP)。如果本技术领域：
的技术人员认为适当的话，则可替换任何其它的CSP方法。此外，CSP层850可被构造为气密密封界面区830上的任何数量的集成器件。此外，可存在着多种其它变化、修改和替换。
图9为根据本实用新型的实施方式的集成MEMS-CM0S系统的组件的简化顶视图。更具体地，组件可为换能设备，其可为惯性感测装置的组件，诸如加速计。如图所示，设备900包括可移动的底座结构910、至少一个中间锚固结构920和至少一个中间弹簧结构930。在一个实施方式中，设备900可被构造为改进外部变形公差。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
在各个实施方式中，可移动底座结构910可具有外表面区，且具有移动以形成至少一个内表面区902的至少一个部分。在具体实施方式
中，可移动的底座结构910可由单晶硅、多晶硅或非晶硅材料制成。可移动底座结构910也可包括聚合物的厚度或金属材料的厚度。在其它实施方式中，可移动底座结构910可包括其它材料或其组合。在具体实施方式
中，可移动底座结构910可为矩形可移动底座结构、图案化的多边形底座结构等。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。
在各个实施方式中，中间锚固结构920可在空间上设置在可移动底座结构的内表面区902附近。在具体实施方式
中，中间锚固结构920可由单晶硅、多晶硅、非晶硅材料等形成。中间锚固结构920也可包括聚合物或金属材料，或其它材料或其组合。
在一个实施方式中，中间弹簧结构930可操作地耦接至中间锚固结构920和可移动底座结构910的内表面区902的至少一部分。在具体实施方式
中，中间弹簧结构930可由单晶硅、多晶硅、非晶硅材料等形成。中间弹簧结构930还可包括聚合物或金属材料，或其它材料或其组合。在具体实施方式
中，中间弹簧结构930可在空间上被定向为与裸晶边缘基本上成45度或基本上成(pi/4)弧度。中间弹簧结构可具有至少一段，其具有段长度。为了确定弹簧的定向，折叠连接的弹簧段作为参考。这些段可被定位为使得这些段垂直于对角线901。确定弹簧定向的另一方法可以是通过画连接弹簧从锚固器至可移动底座的触点(即，弹簧的端点)的“线”来进行。在这种情况下，弹簧的适当定向将使“线”与裸晶边缘(沿对角线901对准)形成基本为45度或(pi/4)弧度角。
在一个实施方式中，设备900可包括至少一个空间上设置在可移动底座结构910的内表面区902附近的电容器元件。电容器元件可包括固定的电容器元件以及可移动的电容器兀件。可移动的电容器兀件通常设置在可移动的底座结构910的一部分中。在具体实施方式
中，响应于外部变形，设备900的物理基础(physical basis)使固定的电容器元件的平均位移与可移动的电容器元件的平均位移匹配。
在一个实施方式中，设备900可耦接至另一个MEMS器件或电子装置。在具体实施方式
中，设备900可被构造为容许外部变形。设备900可为换能器设备，其减小锚固器和弹簧所需的面积，并为其它MEMS元件提供了更多面积。也可有其它变化、修改和替换。
图10为根据本实用新型的多种实施方式的集成MEMS-CM0S系统的组件的简化顶视图。更具体地，该组件可为惯性感测装置，诸如回转仪。如图所示，装置1000 (其可设置在具有表面区的衬底之上)包括至少一个锚固结构1010、至少一个框架结构1020、至少一个可移动结构、至少一个第一柔性构件和至少一个第二柔性构件。在一个实施方式中，可移动结构可包括至少一个外围可移动结构1030和至少一个中心可移动结构1040。第一柔性构件可包括柔性锚固构件1050，第二柔性构件可包括至少一个柔性框架构件1060和/或至少一个柔性结构构件1070。
在具体实施方式
中，衬底可包括隐埋氧化物(BOX)衬底。衬底可包括外延(EPI)材料。在其它实施方式中，衬底可具有硅、单晶硅或多晶硅材料。衬底也可包括介电材料、金属材料、金属合金，或其它材料或其组合。在具体实施方式
中，衬底可具有集成电路层，诸如CMOS器件层，形成为覆盖该衬底。
在各个实施方式中，衬底包括表面区。至少一个锚固结构1010可形成为覆盖该表面区。至少一个柔性锚固构件1050耦接至锚固结构的至少一部分。在各个实施方式中，锚固结构1010和柔性锚固构件1050可包括硅、电介质、金属、合金，或其它材料或其组合。在具体实施方式
中，柔性锚固构件1050可包括扭力弹簧或弯曲弹簧。在其它实施方式中，锚固结构1010和柔性锚固构件1050可在同一制造过程期间一起形成或通过执行湿法或干法蚀刻或机械工艺而单独地形成。
在一个实施方式中，框架结构1020可形成为具有至少一部分是耦接至柔性锚固构件1050。柔性框架结构1060可形成并耦接至框架结构1020的至少一部分。在形成多于一个的框架结构1020的实施方式中，至少一个柔性耦接构件280可形成为耦接框架结构1020。在各个实施方式中，框架结构1020、柔性耦接构件1080和柔性框架结构1060可包括硅、电介质、金属、合金，或其它材料或其组合。在具体实施方式
中，柔性框架结构1060和柔性耦接构件1080可包括扭力弹簧或弯曲弹簧。在其它实施方式中，框架结构1020、柔性耦接构件1080和柔性框架结构1060可在同一制造过程期间一起形成或通过执行湿法或干法蚀刻或机械工艺而单独地形成。
在各个实施方式中，外围可移动结构1030可形成为覆盖衬底，具有至少一部分耦接至柔性框架结构1060。可移动结构(其可为外围可移动结构1030)可具有至少一个柔性倾斜构件。柔性结构构件1070可形成并耦接至外围可移动结构1030的至少一部分。而且，柔性结构构件1070可耦接至中心可移动结构1040，其可形成为覆盖该衬底。在各个实施方式中，外围可移动结构1030、中心可移动结构1040、柔性结构和倾斜构件(指柔性结构构件1070)可包括硅、电介质、金属、合金，或其它材料或其组合。在具体实施方式
中，柔性结构和倾斜构件(指柔性结构构件1070)可包括扭力弹簧或弯曲弹簧。其它扭力弹簧或弯曲弹簧也可形成于中心可移动结构1040的至少一部分中，诸如覆于该衬底的中心可移动结构的下面240。
可移动结构可形成在框架结构1020内。在图10所示的实例中，四个外围可移动结构1030和两个中心可移动结构1040被示为形成于两个框架结构1020内。每个框架结构1020耦接至两个外围可移动结构1030和一个中心可移动结构1040。外围可移动 结构1030和中心可移动结构1040可为检测质量，其可为测量装置中使用的预定测试质量。在其它实施方式中，外围可移动结构1030和中心可移动结构1040和柔性结构及倾斜构件(指柔性结构构件1070)可通过执行湿法或干法蚀刻或机械工艺来单独地形成或一起形成。此夕卜，存在着多种其它变化、修改和替换。
至少一个梳状结构1090可被形成并耦接至至少一部分框架结构1020。在各个实施方式中，梳状结构1090可为反相驱动梳状结构，其可包括硅、电介质、金属、合金，或其它材料或其组合。此外，外围可移动结构1030和中心可移动结构1040可具有止位结构1001，其可用于设定任何振动、移动或移位的边界。外围可移动结构1030和中心可移动结构1040的一部分可移动。在具体实施方式
中，外围可移动结构1030和中心可移动结构1040在穿孔线或穿孔阵列中穿孔。在一些实施方式中，可通过进行蚀刻工艺或机械工艺来形成穿孔。在各个实施方式中，所有前面提到的元件都可通过在一个晶圆或材料上执行蚀刻工艺来形成。
图11为根据本实用新型的实施方式的集成MEMS-CM0S系统的组件的简化顶视图。该图(其可部分显示形成的三轴磁场传感器装置或双轴磁场传感器装置)仅为示例，其不应不恰当地限制本文中权利要求
的范围。本技术领域：
的普通技术人员应意识到其它变化、修改和替换。如图所示，装置1100包括衬底1110、集成电路(IC)层1120、第一磁场传感器元件1130和第二磁场传感器元件1140。
在一个实施方式中，衬底1110可具有表面区。在具体实施方式
中，衬底1110可包括隐埋氧化物(BOX)衬底。衬底1110可包括绝缘体上衬底(SOT)衬底。在另一个具体实施方式
中，衬底1110可包括外延(EPI)材料。在其它实施方式中，衬底1110可具有硅、单晶硅或多晶硅材料。衬底1110也可包括金属、电介质、聚合物和其它材料及其组合。
在一个实施方式中，IC层1120可形成为覆盖至少一部分表面区。在具体实施方式
中，IC层1120可包括专用集成电路(ASIC)层，或其它类型的IC层或其组合。IC层1120可包括至少一个IC装置、CMOS器件或其它装置。IC层1120可耦接至第一磁场传感器元件1130和第二磁场传感器兀件1140。
在一个实施方式中，第一磁场传感器兀件1130和第二磁场传感器兀件1140可形成为覆盖至少一部分表面区。磁场传感器元件1130和1140可包括普通磁阻(OMR)器件、各向异性磁阻(AMR)器件、巨型磁阻(GMR)器件或隧道结磁阻(TMR)器件。元件1130和1140也可为其它类型的磁场传感器设备、传感器或其组合。在具体实施方式
中，磁场传感器元件1130和1140可包括薄膜器件，该器件可被设置为覆盖至少部分表面区。可通过溅射工艺或电镀工艺来沉积该薄膜器件。在具体实施方式
中，磁场传感器元件1130和1140形成为单臂电桥、半桥或单个元件构造。在一个实施方式中，磁场传感器元件1130和1140可包括至少一层介电材料和/或金属材料。
图12示出了本实用新型的各个实施方式的装置的功能框图。在图12中，计算装置1200通常包括应用程序处理器1210、存储器1220、触摸屏显示器1230和驱动器1240、图像采集装置1250、音频输入/输出装置1260等。通常经由有线接口 1270、GPS/Wi-Fi/蓝牙接口 1280、RF接口 1290和驱动器1300等来提供与计算装置进行的其它通信。而且包括在各个实施方式中的为物理传感器1 310。
在各个实施方式中，计算装置1200可为手持计算装置(例如，苹果iPad、苹果iTouch、戴尔 Mini Slate/Streak、联想 Skylight/IdeaPad、三星Galaxy Tab、华硕 EBE 系列产品、惠普Slate、Notion Ink Adam)、便携式电话(例如，苹果iPhone、摩托罗拉Droid、谷歌Nexus One> HTC Incredible/EVO 4G> Palm Pre 系列产品、诺基亚 N900)、便携式计算机(例如，上网本、笔记本电脑)、媒体播放器(例如，微软Zune、苹果iPod)、阅读装置(例如，亚马逊Kindle、Barnes 以及 Noble Nook)等。
通常，计算装置1200可包括一个或多个处理器1210。这类处理器1210也可称为应用程序处理器，且可包括处理器内核、视频/图形内核或其它内核。处理器1210可为来自以下的处理器Apple (A4)> Intel (Atom)、NVidia (Tegra 2)>Marvell (Armada)>Qualcomm(Snapdragon)>Samsung>TI (OMAP)等。在各个实施方式中，处理器内核可为Intel处理器、ARMHoldings处理器，诸如Cortex_A、-Μ、-R或ARM系列处理器等。此外，在各个实施方式中，视频 / 图形内核可为 Imagination Technologies 处理器 Power VR在各个实施方式中，存储器1220可包括不同类型的存储器(包括存储器控制器)，诸如闪存盘(例如，NOR、NAND)、虚拟SRAM、DDRSDRAM等。存储器1220可固定在计算装置1200中，或可移动(例如，SD、SDHC、MMC、MINI SD, MICRO SD、CF、SM)。以上为可用于存储本实用新型的实施方式的计算机可读有形介质的实例，诸如计算机可执行软件代码(例如，固件、应用程序)、应用程序数据、操作系统数据等。预期其它现有的和/或后来开发的存储器和存储器技术可用于本实用新型的各个实施方式中。
在各个实施方式中，触摸屏显示器1230和驱动器1240可基于各种后来开发的或现有的触摸屏技术，其包括电阻显示器、电容显示器、光学传感器显示器、电磁共振等。此夕卜，触摸屏显示器1230可包括单触摸或多触摸感测能力。任何后来开发的或常规的输出显示器技术可用于输出显示器，诸如TFT-IXD、0LED、等离子、半穿透式(Pixel Qi)、电子墨水(例如，电泳、电湿润、干涉调制)。在各个实施方式中，可基于工程或非工程因素(例如，销售和营销)来设置这种显示器的分辨率和这种触摸传感器的分辨率。在本实用新型的一些实施方式中，也可包括显示器输出端口，诸如基于HDMI的端口或基于DVI的端口。
在本实用新型的一些实施方式中，图像采集装置1250可包括传感器、驱动器、镜头等。传感器可基于任何后来开发的或常规的传感器技术，诸如CM0S、CCD等。在本实用新型的各个实施方式中，提供了图像识别软件程序来处理图像数据。例如，这种软件可提供诸如面部识别、头部跟踪、相机参数控制等功能。
在各个实施方式中，音频输入/输出1260可包括常规的扩音器/扬声器。在本实用新型的一些实施方式中，包括了三线或四线音频连接器端口，从而使用户能够使用外部音频装置，诸如外部扬声器、耳机或耳机/扩音器的组合。在各个实施方式中，可为应用程序处理器1210提供语音处理和/或识别软件，使得用户能够通过说明语音命令来操作计算装置1200。此外，可在各个实施方式中提供语言引擎，从而使计算装置1200能够提供音频状态消息、音频响应消息等。
在各个实施方式中，有线接口 1270可用于在计算装置1200和外源(诸如计算机、远程服务器、存储网络、另一计算装置1200等)之间提供数据传输。这种数据可包括应用程序数据、操作系统数据、固件等。实施方式可包括任何后来开发的或常规物理接口 /协议，诸如=USB 2. 0、3· O、微 USB、迷你 USB、Firewire、Apple iPod 连接器、以太网、POTS 等。此夕卜，通常提供能够在这些网络上进行通信的软件。
在各个实施方式中，也可提供无线接口 1280，以在计算装置1200和外源(诸如计算机、存储网络、耳机、扩音器、相机等)之间提供无线数据传输。如图12中所示，无线协议可包括 Wi-Fi (例如，IEEE 802. lla/b/g/n、WiMax)、Bluetooth、IR 等。
虽然还可在本实用新型的各个实施方式中包括GPS接收能力，但不是不需的。如图12中所示，仅为了方便的目的而将GPS功能包含为无线接口 1280的一部分，而在实现中，当前是由不同于Wi-Fi电路并且不同于Bluetooth电路的电路来执行这种功能。
在各个实施方式中，附加的无线通信可经由RF接口 1290和驱动器1300来提供。在各个实施方式中，RF接口 1290可支持任何未来开发的或常规射频通信协议，诸如基于CDMA的协议(例如，WCDMA)、基于GSM的协议、基于HSUPA的协议等。在所示的实施方式中，驱动器1300被示为与应用程序处理器1210不同。然而，在一些实施方式中，这些功能可提供在单个IC封装体上，例如Marvel PXA330处理器等。预期计算装置1200的一些实施方式无需包括RF接口 1290和驱动1300器所提供的RF功能。
图12也示出计算装置1200包括物理传感器1310。在本实用新型的各个实施方式中，物理传感器1310可为基于单轴或多轴微电子机械系统(MEMS)的装置，其由本专利申请的受让人M-cube开发。物理传感器1310可包括加速计、回转仪、压力传感器、磁场传感器、生物传感器等。在各个实施方式中，可使用如上所述的组合的CMOS MEMS制造技术来制造物理传感器1310。更具体地，可使用公共掩膜、层和工艺来近似并行地在衬底上制造一个或多个MEMS器件。在各个实施方式中，衬底可位于CMOS器件的顶部。使用铸造兼容工艺来制造CMOS和MEMS器件这两者。在本实用新型的其它实施方式中，可使用Bosch、STMicroelectronics、Analog Devices、Kionix 等的常规物理传感器 1310。
在各个实施方式中，可支持任何数量的未来开发的或现有的操作系统，诸如iPhone OS (例如，iOS)、WindowsMobile (例如，7)、Google Android (例如，2. 2)、Symbian等。在本实用新型的各个实施方式中，操作系统可为多线程多任务操作系统。因此，可以并行处理线程来处理与触摸屏显示器1230和驱动1240的输入和/或输出以及与物理传感器1310的输入和/或输出。在其它实施方式中，可串行处理或以其它方式处理这种事件或输出。在本实用新型的其它实施方式中，诸如图像采集装置1250和物理传感器1310，也可并行或串行处理与其它功能块的输入和输出。[0086]图12代表能够体现本实用新型的一个计算装置1200。对于本技术领域：
的普通技术人员显而易见的是，很多其它硬件和软件构造适用于与本实用新型一起使用。本实用新型的实施方式可包括至少一些但无需包括图12中所示的所有功能块。例如，在各个实施方式中，计算装置1200可能会缺少图像采集单元1250或RF接口 1290和/或驱动器1300或GPS能力等。其它功能也可加入计算装置1200的各个实施方式中，诸如物理键盘、附加的图像采集装置、触控球或触控板、操纵杆等。此外，应理解，多个功能块可呈现在单个物理封装 体或装置中，各个功能块可分开，并可在分离的物理封装体或装置中进行。
还应理解，本文所描述的实例和实施方式用于示例目的，且将对本技术领域：
的技术人员暗示对其进行的各种修改或变化，且该修改或变化包括在所附权利要求
的该过程和范围的精神和范围内。
权利要求
1.一种系统，包括 半导体衬底； 至少一个CMOS器件，覆盖所述半导体衬底，所述CMOS器件被构造为提供逻辑阵列和存储器阵列； 表面区，覆盖所述CMOS器件，所述表面区形成界面区； 被构造为感测第一物理扰动的至少一第一微电子机械系统(MEMS),被构造在第一区中，所述第一区覆盖所述界面区的第一部分；以及 被构造为感测不同于所述第一物理扰动的第二物理扰动的第二 MEMS，被构造在第二区中，所述第二区覆盖所述界面区的第二部分。
2.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS选自由以下各项组成的组加速计、回转仪、磁性传感器、压力传感器、扩音器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感器、惯性传感器。
3.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第二MEMS选自由以下各项组成的组加速计、回转仪、磁性传感器、压力传感器、扩音器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感器、惯性传感器。
4.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS由用于制造所述第二MEMS的沉积材料制造。
5.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS是使用用于制造所述第二MEMS的掩膜层制造的。
6.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS是使用用于制造所述第二MEMS的半导体工艺制造的。
7.根据权利要求
I所述的系统，其中，一个或多个所述CMOS器件进一步被构造为一个或多个处理装置。
8.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述界面区的所述第一部分在空间上与所述界面区的所述第二部分分离。
9.根据权利要求
I所述的系统，还包括被构造在一个或多个第三区中的第三MEMS，以及被构造在一个或多个第四区中的第四MEMS ;其中，所述第三MEMS不同于所述第四MEMS。
10.根据权利要求
9所述的系统，其中，所述第一MEMS包括加速计，所述第二MEMS包括回转仪，所述第三MEMS包括磁性传感器，以及所述第四MEMS包括压力传感器。
11.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS和所述第二 MEMS包含一种或多种沉积材料。
12.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS和所述第二 MEMS包含一种或多种粘合材料。
13.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述界面区与一个或多个所述CMOS器件集成。
14.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS包括背离一个或多个所述CMOS器件的上表面区。
15.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第二MEMS包括背离一个或多个所述CMOS器件的上表面区。
16.根据权利要求
I所述的系统，其中，一个或多个所述CMOS器件包括至少四层金属层。
17.根据权利要求
I所述的系统，其中，一个或多个所述CMOS器件是根据O.18微米或更小的设计规则所设置的。
18.根据权利要求
I所述的系统，其中，一个或多个所述CMOS器件包括至少六层金属层。
19.根据权利要求
I所述的系统，还包括覆盖所述第一MEMS和所述第二 MEMS的封装结构。
20.根据权利要求
I所述的系统，还包括封闭所述第一MEMS和所述第二 MEMS的晶圆级封装结构。
21.根据权利要求
I所述的系统，还包括晶圆级封装结构，封闭所述第一MEMS和所述第二 MEMS并被构造为气密密封所述第一 MEMS和所述第二 MEMS。
22.根据权利要求
I所述的系统，还包括晶圆级封装结构，封闭所述第一MEMS和所述第二 MEMS并被构造为密封所述第一 MEMS和所述第二 MEMS。
23.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS至少为三轴加速计，所述第二MEMS至少为六轴惯性感测装置。
24.根据权利要求
23所述的系统，其中，所述六轴惯性感测装置被构造为检测X方向、y方向、z方向、直线运动和角运动。
25.根据权利要求
I所述的系统，其中，所述第一MEMS包括磁性传感器，所述磁性传感器包括第一电极、铁磁材料和第二电极。
26.根据权利要求
I所述的系统，其中，一个或多个所述CMOS器件是由铸造兼容工艺构造的。
27.根据权利要求
I所述的系统， 其中，所述半导体衬底被封装在封装体内，以及 其中，所述系统还包括 存储可执行指令的存储器； 向用户输出数据的显示器；以及 处理器，电耦接至所述存储器和所述封装体，其中，所述处理器被构造为执行来自所述存储器的可执行指令，其中，所述处理器被构造为接收来自所述第一 MEMS的响应于所述第一物理扰动的信号，其中，所述处理器被构造为响应于来自所述第一 MEMS器件的信号执行一项或多项任务，其中，所述处理器被构造为接收来自所述第二 MEMS器件的响应于所述第二物理扰动的信号，且其中，所述处理器被构造为响应来自所述第二 MEMS器件的信号执行一项或多项任务。
专利摘要
使用集成MEMS及CMOS器件的片上系统，一种CMOS和MEMS器件设置在其中从而形成集成CMOS-MEMS系统的集成MEMS系统。该系统可包括硅衬底层、CMOS层、MEMS和CMOS器件以及晶圆级封装(WLP)层。CMOS层可形成界面区，在该界面区上可构造任意数量的CMOS MEMS器件。
文档编号H01L21/00GKCN202717577SQ201090001412
公开日2013年2月6日 申请日期2010年10月28日
发明者杨晓 申请人:穆克波有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan