本公开涉及一种包括电容式压力传感器的MEMS器件。
背景技术：
众所周知，微电子机械(MEMS)器件越来越多地被用作换能器。这些器件包括基于半导体材料的性质的结构，以检测物理量并产生代表检测到的物理量并与之相关的电气量(电流或电压)，或者响应于电气量的应用而产生运动。
已知的换能器包括例如压力传感器、陀螺仪、加速度计等。多个相同类型的换能器在电子设备中的集成指定了专用集成电路板的使用，因此对空间的使用具有显着影响。
目前，难以在优化空间布局、表面积使用和成本的同时将不同类型的传感器集成在单个封装中。
例如，智能电话、多功能手表和其他可穿戴设备(如压力传感器和诸如加速度计和陀螺仪之类的惯性传感器)中越来越需要集成不同类型的传感器。然而，将这样的传感器包括在小型设备中是有问题的，因为对于这样的设备来说这些传感器所占的总表面积太大了。因此，希望创建占据有限表面积且容易集成的简单MEMS器件。
此外，通常，即使在给定封装中集成单个换能器的情况下，使用可容易地适应于多换能器解决方案的技术来制造所述换能器可能是有用的，例如以降低设计成本。
技术实现要素：
因此，本实用新型要解决的技术问题是如何优化传感器的空间布局、表面积使用并降低制造成本。所公开的实施例涉及包括电容式压力传感器的MEMS器件和包括MEMS器件的电子设备。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种MEMS器件。该MEMS器件包括：半导体材料的主体；所述主体中的腔室；具有第一面和第二面的半导体材料的盖，所述盖的第一面耦接到所述主体并且覆盖所述腔室，所述盖包括由所述盖中的第一腔和所述第一面界定的第一隔膜，所述盖还包括在所述第二面和所述第一腔之间或在所述第一面和所述第一腔之间延伸的第一通道；以及所述主体中的第一柱，所述第一柱位于所述腔室内部并且面对所述第一隔膜，所述第一柱和所述隔膜形成电容式压力传感器的第一电容器元件的极板。
在一种实现中，所述第一通道在所述第一面和所述第一腔之间延伸，所述MEMS器件还包括第二隔膜、第二腔、第二通道和第二柱，所述第二隔膜布置在所述第二腔和所述第二面之间，所述第二通道在所述第二面和所述第二腔之间延伸，所述第二柱位于所述腔室内部并且朝向所述第二隔膜延伸并且与所述第二隔膜一起形成第二电容器元件的极板。
在一种实现中，所述第一电容器元件是环境传感器电容器，并且所述第二电容器元件是参考电容器。
在一种实现中，所述主体包括位于所述腔室内部的惯性换能器。
在一种实现中，所述主体包括围绕所述腔室的壁，所述壁由所述半导体材料制成并且耦接到所述盖的所述第一面。
在一种实现中，该MEMS器件还包括位于所述盖的所述第一面上的导电区域，所述导电区域电耦接到所述第一隔膜和所述壁。
在一种实现中，所述导电区域与所述第一隔膜直接接触并且通过金属接触区域与所述壁接触。
在一种实现中，该MEMS器件还包括导电区域和在所述腔室内部延伸的半导体材料的第三柱，所述第三柱通过所述导电区域电耦接到所述第一隔膜。
在一种实现中，所述盖具有至少一个穿通沟槽，所述至少一个穿通沟槽围绕所述第一隔膜、所述第一腔和所述第一通道并将所述第一隔膜、所述第一腔和所述第一通道与所述盖的剩余部分电绝缘。
在一种实现中，所述主体包括基板和结构层，所述结构层形成所述壁和所述第一柱，所述基板支撑所述壁和所述第一柱，所述MEMS器件还包括电连接结构，所述电连接结构具有在所述基板和所述第一柱之间延伸的第一部分和在所述壁的外部延伸的第二部分。
在一种实现中，所述结构层包括在所述壁的外部并且从所述腔室向外的接触柱，所述接触柱与所述连接结构的所述第二部分电接触。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括：ASIC；和耦接到所述ASIC的MEMS器件，所述MEMS器件包括：具有第一表面和第二表面的第一主体，所述第一主体包括半导体材料，所述第一主体包括腔室和在所述腔室中的第一柱；以及具有第一表面和第二表面的第二主体，所述第二主体包括半导体材料，所述第二主体的所述第一表面耦接到所述第一主体的第一表面并且覆盖所述腔室，所述第二主体包括在所述第一表面处形成第一隔膜的第一腔，所述第二主体包括从所述第一腔延伸到所述第二主体的所述第一表面或所述第二表面的第一通道，所述第一隔膜面对所述第一柱并且与所述第一柱一起形成第一电容器的极板。
在一种实现中，所述MEMS器件的所述第一通道从所述第一腔延伸到所述第一表面，并且使所述第一腔与所述第一主体的所述腔室流体连通，所述第二主体包括在所述第一表面处形成第二隔膜的第二腔并且包括第二通道，所述第二通道从所述第二腔延伸到所述第二表面并且使所述第二腔与所述MEMS器件外部的环境流体连通，所述第二隔膜面对所述第二柱并与所述第二柱一起形成第二电容器的极板。
在一种实现中，所述MEMS器件的所述第一主体包括所述腔室中的惯性传感器。
在一种实现中，所述电子设备是以下各项中的至少一项：移动通信设备、蜂窝电话、智能电话、PDA、计算机、语音记录器、音频文件读取器、可穿戴设备、智能手表或视频游戏机。
利用本公开的方案，能够最小化MEMS器件集成所需的空间并降低制造成本，并且使其能够根据需要适应不同的布局，易于集成到不同的设备中，从而最大化组件之间的结构共享。
附图说明
下面将参考纯粹作为非限制性实例提供的优选实施例以及附图进一步描述本公开，其中：
图1是本MEMS器件的实施例沿着图2中的线I-I截取的横截面图，
图2是图1中的设备的可能实现的俯视图，具有一些透明部分，
图3-7示出了当加工半导体材料的第一晶片(wafer)时MEMS器件的连续制造阶段，
图8-11示出了当加工半导体材料的第二晶片时，图3-7中的MEMS器件的连续制造阶段，
图12是在接合了第一和第二晶片之后的图3-11中的MEMS器件的横截面，
图13是本MEMS器件的不同实施例沿着图14中的线XIII-XIII截取的横截面图，
图14是图13中的设备的可能实现的俯视图，具有一些透明部分，
图15-19示出了当加工半导体材料的第二晶片时，图13中的MEMS器件的连续制造阶段，其类似于图8-11中的那些，以及
图20是包括本MEMS器件的电子设备的示意图。
具体实施方式
图1示出了包含压差传感器11和换能器12的MEMS器件10，例如示意性地示出了诸如加速度计或陀螺仪的惯性传感器。在这种情况下，压差传感器11包括包含第一电容器元件C1的环境传感器结构13和包含第二电容器元件C2的参考结构14。
如图1中详细所示的，MEMS器件10由接合在一起的主体15和盖16形成。
主体15是单片的并且由半导体材料的第一晶片形成，盖16是单片的并且由半导体材料的第二晶片形成。
更具体地，主体15包括以下层叠在一起的各个部分：半导体材料(例如单晶硅)的基板25、由诸如氧化硅(SiO2)的电绝缘材料制成的第一绝缘层21和结构层24(例如外延生长的N型掺杂多晶硅(也称为“epipoly”))。
盖16包括一个布置在另一个顶部的半导体材料(例如单晶硅)的盖层26和第二绝缘层22(例如氧化硅)。盖16具有由盖层26形成的外表面16A和由第二绝缘层22形成的内表面16B。
结构层24形成从上方(图2)观察时具有闭合形状的壁23，并且横向界定腔室20。腔室20的下方还被第一绝缘层21界定，上方被第二绝缘层22界定。
结构层24还形成惯性换能器12、第一柱27和第二柱28，它们都容纳在腔室20内。第一柱27形成环境传感器结构13的第一电容器元件C1的第一极板，第二柱28形成参考结构14的第二电容器元件C2的第一极板。
盖16包含第一腔30和第二腔31。第一腔30布置成与第一柱27垂直对准(沿平行于笛卡尔坐标系XYZ的轴线Z的方向)，并与第二绝缘层22一起界定盖16的形成第一隔膜35的一部分。因此，第一隔膜35面向第一柱27并形成第一电容器元件C1的第二极板。此外，第二腔31布置成与第二柱28垂直对准，并且与第二绝缘层22一起界定盖16的形成第二隔膜36的一部分。因此，第二隔膜36面向第二柱28并形成第二电容器元件C2的第二极板。
盖16还具有第一通道37和第二通道38。特别地，第一通道37在盖16的外表面16A与第一腔30之间延伸，并将第一腔30与外部环境流体连接。第二通道38在盖16的内表面16B和第二腔31之间延伸，并且将第二腔31与腔室20流体连接。
第一电连接层40在第一绝缘层21和结构层24之间延伸。特别地，第一电连接层40形成在壁23下方延伸并与壁23电连接的第一连接区域40A、在第一柱27下方延伸并与第一柱27电连接的第二连接区域40B、在换能器12下方延伸并且与换能器12电连接的第三连接区域40C(仅示出一个)、在第二柱28下方延伸并与第二柱28电连接的第四连接区域40D，以及在接触柱51下方延伸并与接触柱51电连接的第五连接区域40F。第四和第五连接区域40D、40F经由布置在第一绝缘层21内部的导体(未示出)连接结构体27、28和接触柱51。连接区域40B-40D经由布置在第一绝缘层21内部的导体(未示出)将各个结构体27、28和12连接到外部，第一绝缘层21可以以已知方式由多层制成，未详细示出。此外，如本领域技术人员所知，第三连接区域40C(其电耦接到换能器12)可以包括多个区域和导体，这取决于所制造的换能器的类型。
由诸如金属(例如金或金合金(Au或Au-Sn)或铝-锗合金(Al-Ge))的导电材料制成的接触区域55A在壁23上方围绕壁23的整个周边延伸，并且如当从上方观察时也具有闭合形状。由与接触区域55A相同的材料制成的接触区域55B在接触柱51上方延伸。
由诸如金属(例如铝Al或金Au)的导电材料制成的第二电连接层41在第二绝缘层22的下面延伸并形成接合和连接区域41A。接合和连接区域41A可以具有与接触区域55A的形状类似的闭合形状(尽管其表面积通常更大)并且与接触区域55A本身重叠(沿与轴线Z平行的方向)并与之接合。因此，连接区域41A和接触区域55A形成将腔室20与设备10的外部绝缘的密封区域。接合和连接区域41A还经由穿过第二绝缘层22的接触部分与第一和第二隔膜35、36直接接触。因此，隔膜35、36经由接合和连接区域41A和壁23电连接到第一连接区域40A。
此外，盖16的内表面16B可以包括吸收器元件17，也称为“吸气剂(getter)”。
吸收器元件17用于吸收腔室20内部的特定气体分子，并且在换能器12是陀螺仪的实施例中提供。吸收器元件17可以由金属(如铝(Al)、钡(Ba)、锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、铁(Fe))或其混合物或合金(如锆铝、锆-钒-铁、锆-镍、锆-钴(特别是Zr/Co/O合金))制成。
在MEMS器件10中，由于第一腔30与外部连接，环境传感器结构13的第一隔膜35可以随着外部压力而偏转。此外，第一隔膜35在腔室20内部的压力的作用下被偏转。电容变化可以被检测为经由连接区域40B、40A提供给外部的第一电容器元件C1两端的电压的变化。相反地，参考结构14的第二隔膜36不受外部压力的影响，而是在腔室20内部的压力作用下被偏转。此外，第一和第二隔膜35、36可能由于MEMS器件10内部的内应力而被偏转。所有这些偏转都可以被检测为第一隔膜35和第一柱27之间的距离的变化以及第二隔膜36和第二柱28之间的距离的变化。这种距离变化确定了第一电容器元件C1和第二电容器元件C2中相应的电容变化。然后，可以经由接触柱51将由连接区域40A、40B、40D提供的电气量提供给外部电路，例如桥式电路，以提供补偿的压力值。特别地，可以通过向另一个极板施加电压阶梯来测量电容器元件C1和2C的一个极板上的电荷变化。施加的外部压力是通过从对第一电容器元件C1获得的测量值中减去在第二电容器元件C2上获得的测量值而获得的，从而消除了腔室20内部的压力和应力的影响。
图2是包括一对环境传感器结构13和一对参考结构14的MEMS器件10的实施例的俯视图。在该图中，腔30、31，柱27、28，壁23和第二通道38使用虚线示出，第一通道37是可见的。
下面参考图3-11描述图1中的MEMS器件10的制造步骤。下面的描述涉及单个器件10的制造，尽管如本领域技术人员已知的，其他相邻器件是在制造步骤结束时通过切削或切割同时制造和分离的。因此，图3-11示出了使用相同的附图标记指示的与设备15相邻的设备的部分。
参照图3，在包括基板125的第一晶片115上生长第一绝缘层21，所述第一绝缘层21覆盖基板125的整个上表面。覆盖第一绝缘层21的整个上表面的第一电连接层40然后被沉积在第一绝缘层21的上表面上。然后使用已知的掩模和蚀刻技术对由诸如N型多晶硅的导电材料制成的第一电连接层40塑形以形成连接区域40A-40F。
如图4所示，使用已知的沉积和塑形技术来沉积和塑形氮化硅层(未示出)。更具体地，氮化硅层用作用于换能器12的结构的后续释放步骤的蚀刻停止层。
然后通常由氧化硅制成的牺牲层50被沉积在氮化硅层上，并且所述牺牲层50被限定为形成多个牺牲区域50A-50B。
如图5所示，结构层24在牺牲层50和连接区域40A-40F上外延生长。随后并且如图6所示，结构层24使用已知的掩蔽和蚀刻技术塑形，以限定换能器12(其中示出了锚定柱53和多个悬置电极60)并且形成第一和第二柱27、28和壁23。此外，接触柱51也在该步骤中限定，所述柱布置在由壁23限定的区域的外部。
结构层24例如使用化学机械抛光(CMP)技术被平坦化，以提供具有低粗糙度上表面的致密层。
金属层55通过溅射沉积在结构层24的上表面上。该金属层55使用适当的光刻和蚀刻技术来限定，以在接触柱51上方形成接触区域55A和接触区域55B。
如图7所示，使用已知的去除技术来去除牺牲区域50A-50B以释放换能器12(特别是悬置电极60)的悬置结构。
图8-11涉及用于加工半导体材料(例如硅)的第二晶片126以制造盖16的阶段。
如图8所示，使用已知的掩模和蚀刻技术(例如使用化学各向异性蚀刻)来加工具有第一和第二表面126A、126B的第二晶片126，以形成从第二晶片126的第一表面126A延伸的多个沟槽62、63。
特别地，沟槽62、63的位置与第二晶片126的、被设计来接收图1中的腔30、31的区域重合。
使用已知的时间和温度设置进行热处理步骤(“退火”)，例如在1190℃下进行30分钟。该退火步骤导致趋向于向较低能量位置移动的硅原子的迁移，形成图9中的腔30、31。外延生长步骤在第二晶片126的主表面126A上进行，其使用附图标记126A'在图中标记。参考图9，然后在腔30、31下方形成隔膜35、36。
如图10所示，已知的沉积技术(例如“溅射”)用于将第二电连接层41沉积在第二晶片126的第一表面126A'上。第二电连接层41以已知的方式限定，例如形成接合和连接区域41A。
在形成接合和连接区域41A之前或之后，在第二晶片126中制造第二通道38。第二通道38例如使用各向异性蚀刻技术由第一表面126A'形成。第二通道38足够深以到达腔31。
随后，如图11所示，可以执行第二晶片126的变薄步骤。该步骤例如使用磨削工艺在第二晶片126的第二表面126B上进行。新的第二表面使用附图标记126B'在图11中示出。
第一通道37由第二表面126B'制成。特别地，使用已知的掩模和蚀刻技术制造第一通道37，直到达到腔30，使得所述腔与第二晶片126的外部连通。
随后或者在第二晶片126变薄之前，可以使用已知的沉积技术将吸收器元件17沉积在第一表面126A'上。
如图12所示，第一晶片115和第二晶片126被接合在一起，第二晶片126的第一表面126A'朝向换能器12和结构23、27、28。
例如，使用已知的焊接或接合技术将第一晶片115和第二晶片126耦接在一起。在所示的示例中，第一晶片115和第二晶片126通过接触区域55A和接合和连接区域41A之间的金属连接而耦接在一起。
使用已知的掩模和蚀刻技术去除第二晶片126在接触柱51上方的部分，以在第二晶片中形成穿通孔。因此，接触柱51可以从MEMS器件的外部接近并且可以用于将MEMS器件10(图12)与外部环境或诸如专用集成电路(ASIC)的其它器件连接。在其他实施例中，可以在将第二晶片和第一晶片接合在一起之前形成第二晶片中的穿通孔。
特别地，接触柱51使隔膜35、36能够偏置。类似的接触柱(未示出)使得MEMS器件10的其它区域能够被偏置，包括柱27、28和换能器12。
图12中的复合晶片沿着图12中用虚线示出的切割线T切割，以制造多个MEMS器件10，如图1所示。
图13示出了根据不同实施例的MEMS器件210。除了如下所述的部分，MEMS器件210类似于图1中的MEMS器件10。因此，MEMS器件210的与MEMS器件10的部件相似的部件已经使用增加了200的参考符号来表示，这里不再进一步讨论。
在这种情况下，结构层224除了柱227、228和换能器212之外还形成第一和第二偏置柱270、271。结构层224还形成从上方观察时闭合并且侧向地界定腔室220的壁272(图14)。
在该实施例中，盖216具有延伸穿过盖216的整个厚度并且填充有绝缘材料的多个沟槽239。特别地，如图13所示，第一沟槽239A围绕盖216的包含第一腔230、第一隔膜235和第一通道237的部分。第二沟槽239B围绕盖216的包含第二腔231、第二隔膜236和第二通道238的部分。因此，盖216的包含隔膜235、236，腔230、231和通道237、238的部分与盖216的其余部分电隔离。
在这种情况下，除了连接区域240A-240D之外，第一电连接层240形成在壁272下方延伸并电连接到壁272的第五连接区域240F。此外，在这种情况下，第一连接区域240A经由配置在第一绝缘层221内部的导体(未图示)将相应的柱270、271连接到外部。
由诸如金属的导电材料制成的接触区域255A1、255A2在柱270、271上方延伸，以通过连接区域241A将柱270、271电连接到相应的隔膜235、236。
此外，壁272经由连接区域241B(例如由与连接区域241A相同的材料制成)和接触区域255A3(例如由与接触区域255A1、255A2相同的材料制成)接合到盖216，以密封地关闭腔室220。
图14是包括一对环境传感器结构213和一对参考结构214的MEMS器件210的实施例的俯视图。在该图中，腔230、231，柱227、228，壁272和第二通道238使用虚线示出，第一通道237和沟槽239是可见的。
下面仅参考盖216的形成来描述图13中的MEMS器件210的制造步骤，因为晶片215的制造步骤类似于图3-7所示的制造阶段，不同之处仅在于柱270、271在结构层224的塑形阶段期间被限定。
参考图15，第二晶片326被加工以形成沟槽262、263。与图9类似，然后执行图16的热处理步骤(“退火”)和外延生长步骤。
随后并且如图17所示，使用已知的各向异性蚀刻技术来形成沟槽239，并且使用已知的沉积技术来沉积第二绝缘层222。第二绝缘层222完全填充沟槽239并覆盖第二晶片326的主表面326A'。特别地，第二绝缘层222由介电材料制成，如氧化硅(SiO2)。
随后如图18所示，类似于参照图10描述的那样，沉积第二电连接层241并形成第二通道238。
随后如图19所示，第二晶片326变薄。该步骤例如使用磨削工艺在第二晶片326的第二表面326B上进行。然后，使用附图标记326B'在图19中指示新的第二表面。特别地，磨削工艺使得能够从第二晶片326去除材料，直到沟槽239暴露。
随后的步骤类似于参照图11和图12所描述的步骤，包括形成第一通道237、吸收器元件217的潜在沉积、第二晶片216与第一晶片(这里未示出)的接合和切割复合晶片。
图20示出了使用上面所述的MEMS器件10；210的电子设备400。
电子设备400除了MEMS器件10；210之外还包括微处理器(CPU)401、连接到微处理器401的存储器块402，以及也连接到微处理器401的输入/输出接口403，例如键盘和/或视频装置。专用集成电路(ASIC)404也可以内置在MEMS器件10；210中或如图20所示，布置在MEMS器件10；210的外部并且可操作地耦接到MEMS器件10；210。
MEMS器件10；210经由专用集成电路(ASIC)404与微处理器401进行通信。
电子设备400例如是移动通信设备，例如蜂窝电话或智能电话，个人数字助理(PDA)或处理器(计算机)，但也可以是语音记录器、具有语音记录功能的音频文件读取器、诸如智能手表的可穿戴设备、视频游戏机等。
所描述的器件的优点从上面的描述是清楚的。
特别地，本MEMS器件容易制造并在盖中提供压力传感器。利用所示的方案，例如可以制造具有从单个晶片的两个相对表面延伸的沟槽的压差传感器，从而最小化集成所需的空间并降低制造成本。该器件可以根据需要适应不同的布局，并且易于集成到不同的设备中，从而最大化组件之间的结构共享。
在与陀螺仪相同的腔室中存在压差传感器可用于检测腔室中的密封损失(如果内部压力与外部压力相同)。
显然，可以对所描述和示出的器件和方法进行修改和变形，而不会因此超出本公开的保护范围。
特别地，该器件可以具有不同的换能器，例如可以提供加速度计而不是陀螺仪。此外，可以改变组成部件的几何形状。
最后，第一和第二晶片115、126可以使用不同的技术接合，例如通过共晶焊接接合和连接区域41A与由半导体材料制成的壁23。
可以对上面描述的各种实施例进行组合以提供进一步的实施例。可以根据上面的详细说明对实施例进行这些和其他改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应被理解为将权利要求限制为说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而是应当理解为包括符合能够实现这些权利要求的全部等同形式的范围的所有可能的实施例。因此，权利要求不被本公开所限制。