具有多刺激感测的mems传感器器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及微机电(MEMS)传感器器件。更具体地说，本发明涉及一种具有多刺激(stimulus)感测能力的MEMS传感器器件以及制作该MEMS传感器器件的方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)器件是具有嵌入式机械组件的半导体器件。MEMS器件包括,例如，压力传感器、加速计、陀螺仪、麦克风、数字镜像显示器(digital mirror display)、微流控器件(micro fluidic device)等等。MEMS器件被用于各种产品中,例如汽车安全气囊系统、汽车中的控制应用、导航、显示系统、墨盒等等。
【附图说明】
[0003]结合附图并参阅详细说明书以及权利要求，对本发明可以有一个更加完整的理解，其中在附图中相似的参考符号表示相似的元件，附图不一定按比例绘制，以及:
[0004]图1根据一个实施例，示出了具有多刺激感测能力的微机电系统(MEMS)传感器器件的截面侧视图；
[0005]图2根据另一个实施例，示出了 MEMS器件制作过程的流程图；
[0006]图3根据图2的过程，示出了在初始处理阶段的MEMS传感器器件的器件结构的截面侧视图；
[0007]图4示出了在后续处理阶段的图3的器件结构的截面侧视图；
[0008]图5示出了在后续处理阶段的图4的器件结构的截面侧视图；
[0009]图6示出了在后续处理阶段的图5的器件结构的截面侧视图；
[0010]图7示出了在后续处理阶段的图6的器件结构的截面侧视图；
[0011]图8示出了在后续处理阶段的图7的器件结构的截面侧视图；
[0012]图9示出了在后续处理阶段的图8的器件结构的截面侧视图；
[0013]图10示出了在后续处理阶段的图9的器件结构的截面侧视图；
[0014]图11根据图2的过程，示出了在初始处理阶段的MEMS传感器器件的帽结构(capstructure)的截面侧视图；
[0015]图12示出了在后续处理阶段，耦合于图10的器件结构的图11的帽结构的截面侧视图；
[0016]图13示出了在后续处理阶段的图12的器件结构和帽结构的截面侧视图；
[0017]图14示出了在后续处理阶段的图13的器件结构和帽结构的截面侧视图；
[0018]图15示出了在后续处理阶段的图14的器件结构和帽结构的截面侧视图；
[0019]图16示出了在后续处理阶段的图15的器件结构和帽结构的截面侧视图；以及
[0020]图17示出了根据图2的过程制作的MEMS传感器器件的密封结构的截面侧视图。
【具体实施方式】
[0021]随着MEMS传感器器件的使用持续增长和多样化，越来越多的重点被放在先进的硅MEMS传感器器件的开发上，其中该器件能够以增强的灵敏度感测不同物理刺激并且将这些传感器集成到相同的封装中。此外，越来越多的重点放在MEMS传感器器件的制作方法上，其中该方法可以在不增加制作成本和复杂性以及不牺牲部件性能的情况下实现多刺激感测能力。在小型化封装中形成具有多刺激感测能力的传感器已经被寻求用于多个应用中。实际上，这些努力主要是由汽车、医疗、商业和消费产品中的现有和潜在的大量应用所驱动的。
[0022]实施例包含能够感测不同物理刺激的微机电系统(MEMS)传感器器件。尤其，该MEMS传感器器件包括横向间隔开的集成传感器，其中每个传感器可以感测不同的物理刺激。在实施例中，MEMS传感器器件中的一个传感器是使用了隔膜和压力腔以形成(create)可变电容器从而检测由于施加在区域上的压力而造成应变(或偏转)的压力传感器。MEMS传感器器件中的其它传感器可以是惯性传感器，例如能够形成可变电容以响应于感测到的移动刺激的加速计、陀螺仪等等。具有多刺激感测能力的MEMS传感器器件可以在用于汽车、医疗、商业和工业市场的要求六个或更多的自由度的应用中被实现。
[0023]MEMS传感器器件的制作方法包含三个结构的堆叠配置，其中横向间隔开的传感器置于两个结构之间。横向间隔开的传感器可以包括例如压力传感器、加速计和/或角速率传感器的任何合适的组合。然而，其它传感器和MEMS器件也可以被结合。在一个实施例中，制作方法使得传感器位于单独的隔离腔内，其中该腔对于每个传感器的最佳操作表现出不同的腔压力。硅通孔可以被实现以去除一些MEMS传感器器件的接合盘架(bond padshelf)，从而缩小了 MEMS传感器器件的尺寸并且实现了芯片级封装。因此，本发明所描述的制作方法可以产生具有增强的灵敏度、减小的尺寸、耐用的MEMS多刺激传感器器件，并且该MEMS多刺激传感器器件可以利用现有的制造技术来成本有效地制作。
[0024]图1根据一个实施例，示出了具有多刺激感测能力的微机电系统(MEMS)传感器器件20的截面侧视图。正如将在下面讨论的，图1和后续的图3-图17是通过使用不同阴影和/或剖面线来区分MEMS传感器器件20的不同元件来说明的。结构层内的这些不同元件可以通过使用沉积、图案化、蚀刻等等的当前和未来的微机械加工技术被制成。
[0025]MEMS传感器器件20包括器件结构22，耦合于器件结构22的帽结构24、以及附着于器件结构22的密封结构26。在一个实施例中，器件结构22包括衬底层28、压力传感器30、角速率传感器32以及加速计34。替代实施例可以包括不同于本发明所描述的传感器。传感器30、32、34形成于衬底层28的顶侧36上，并且横向彼此间隔开。帽结构24稱合于器件结构22，以便每个传感器30、32、34置于衬底层28和帽结构24之间。
[0026]器件结构22还包括形成于衬底层28的底侧42内的端口 38、40。更具体地说，端口 38从底侧42延伸穿过衬底层28并且与压力传感器30的感测元件44对齐，以便感测元件44完全横跨端口 38。端口 40在加速计34下面延伸穿过衬底层28。密封结构26包括延伸穿过密封结构26的外部端口 46。根据一个实施例，密封结构26被附着于衬底层28的底侧42,以便端口 40被密封结构26密封(hermetically
[0027]seal)并且外部端口 46与端口 38对齐。
[0028]在一些实施例中，帽结构24通过使用导电接合层50耦合于器件结构22的顶面48，其中接合层50在器件结构22和帽结构24之间形成了导电互连。导电接合层50可以是，例如，招锗(Al-Ge)接合层、金-锡(Au-Sn)接合层、铜-铜(Cu-Cu)接合层、铜锡(Cu-Sn)接合层、铝-硅(Al-Si)接合层等等。导电接合层50可以是适当厚的，以便帽结构24的底侧52被移置并且不接触器件结构22的顶面48，从而产生至少一个密封腔，其中传感器30、32、34位于该腔内。在一些配置中，帽结构24可以附加地具有从帽结构24的底侧52向内延伸以放大(即，加深)所述至少一个密封腔的腔区域54。
[0029]在图示的实施例中，MEMS传感器器件20包括三个物理隔离并且密封的腔56、58、60。即，导电接合层50被形成以包括限定了物理隔离的腔56、58、60之间的边界的多个部分62。在例性实施例中，压力传感器30位于腔56内，角速率传感器32位于腔58内并且加速计34位于腔60内。正如进一步说明的，帽结构24在角速率传感器32和加速计34位于其中的每个腔58，60中包括向内延伸的腔区域54。
[0030]帽结构24还可以包括至少一个导电硅通孔(TSV)64，也被称为垂直电连接(示出一个)，其从帽结构24的底侧52延伸穿过帽结构24到帽结构24的顶侧66。导电通孔64可以与导电接合层50电耦合。此外，导电通孔64可以与形成于帽结构24的顶侧66上的导电互连68电耦合。导电互连68表示任何数量的引线接合盘或通向形成于帽结构24的顶侧66上的引线接合盘的导电迹线。因此，导电互连68可以位于帽结构24的顶侧66上，以替代它们从接合盘架上的器件结构22横向偏移(即，在器件结构22旁边)的典型位置。因此，在一个实施例中，当MEMS传感器器件20在芯片倒装配置(chip flip configurat1n)中被封装时，导电互连68可以被附着于电路板上。相对于某些现有技术的MEMS传感器器件，这样的垂直集成有效地降低了 MEMS传感器器件20的面积。为了便于说明，只有一个导电通孔64被示出。然而，应了解，MEMS传感器器件20可以包括多个导电通孔64，其中各个导电通孔64被适当地电连接到导电接合层50的特定部分62。
[0031]在一个实施例中，压力传感器30被配置以感测来自MEMS传感器器件20外部的环境72的压力刺激(P)(如箭头70所示)。压力传感器30包括形成于器件结构22的结构层76内的参考元件74。参考元件74可以包括多个延伸穿过器件结构22的结构层76的开口78。压力传感器30的感测元件44，也被称为隔膜，与参考元件74对齐，并且与参考元件74间隔开，以便在感测元件44和参考元件74之间形成间隙。因此，当帽结构24、器件结构22和密封结构26以垂直堆叠排列而耦合的时候，感测元件44置于腔56内的参考元件74