Mems器件中的应力释放机构及其制造方法

专利名称：Mems器件中的应力释放机构及其制造方法
技术领域：
本发明一般地涉及微机电系统("MEMS")，并且更具体地 涉及用于应用在MEMS器件的电极或锚上的应力释放机构。
背景技术：
许多器件和系统包括许多不同类型的执行各种监测和/或 控制功能的传感器。在微机械加工和其它微制造工艺中的进步已经使 微机电系统(MEMS)的广大多样性的制造成为可能。最近几年，用来 执行监测和/或控制功能的许多传感器已经应用在MEMS器件中。—种特定类型的MEMS器件是加速计。MEMS加速计可以形 成在包括处理层(handle layer)、在处理层上的由氧化物构成的绝缘 牺牲层、以及在绝缘层上的有源层的绝缘体上硅("SOI")晶片上。SOI MEMS加速计包括形成在有源层中的摆片(proof mass)。在摆片的另 一部分可以一般经由一组柔性梁弹簧悬挂在晶片上的同时，摆片的一 部分可以经由绝缘层的一部分锚定到晶片的一部分上。当MEMS加速计 遭受加速度时摆片运动，并且该运动经由电子技术转换成具有基于加 速度的参量(例如电压、电流、频率等)的信号。典型地，在装运给客户之前时要对MEMS传感器进行严格的 测试。测试可以包括从预定的高度落下传感器。该测试模拟当客户处 理器件时可能出现的机械振动。在大部分情况中，当前配置的MEMS 传感器足够坚固以至于能够经受住这种下落测试。然而，在一些情况 中，测试可能破坏MEMS传感器。具体地，锚定在晶片上的部分摆片可 能变得与处理晶片分离。结果是，MEMS传感器可能变得不能使用。
因而，需要提供一种足够坚固的MEMS传感器来经受应用在 其上的应力。此外，需要具有简单和相对廉价的工艺，以用来制造所 需的不需要额外的装置和工艺的MEMS传感器。更进一步地，从随后的 结合附图和前述的技术领域和背景的详细说明和所附权利要求，本发 明的其它所需的特色和特征将变得明显。


本发明下文中将结合以下图形来描述，其中相同的标记表示
相同的元件，并且附图1是一个示例SOIMEMS传感器的横截面图；
附图2是附图1描述的示例SOIMEMS传感器的顶视图；
附图3是可以用来制造附图1和2描述的SOI MEMS传感器
的示例衬底的横截面图；附图4是可以形成在附图3的衬底上的示例图案的部分顶视
图；附图5是可以形成在附图3的衬底上的另一示例图案的部分 顶视图；附图6是在用来制造在附图1和2中描述的SOI MEMS传感 器的方法的步骤期间附图3的示例衬底的横截面图。
具体实施例方式下述详细说明实质上仅仅是示例性的并且不能意指限定本 发明或本发明的应用和使用。此外，虽然本发明在此描述为实现绝缘 体上硅晶片，但是可以理解本发明可以有选择地实现其它任何合适类 型的晶片。此外，在此无意通过前述的技术领域、背景技术、发明内 容或下述的详细说明书中任何表述或暗示的理论来进行限定。在这点 上，虽然本发明在上下文中描写和描述为加速计，但是可以理解，本 发明至少对于包括在衬底表面上可移动地悬挂的摆片的众多器件中的 任何一个都可以使用。
现在开始描述，附图1是一个示例微机电系统(MEMS)器 件100的横截面图。MEMS器件IOO是一个惯性传感器，例如加速计， 并且包括形成在晶片106上的锚区域102和传感器区域104。晶片106 可以是多种类型的传统使用的晶片中的每一个。例如，并且如附图1 所述，晶片106可以是S01 ("绝缘体上硅")晶片。在这种情况下，晶 片106—般包括处理层108、有源层112、和设置在处理层108和有源 层112之间的绝缘层114。锚区域102和传感器区域104都形成在有源 层112中。锚区域102是经由绝缘层114保持粘附到处理层108的、 有源层112的区域。相反地，传感器区域104在连接到锚区域102的 同时，也部分地从处理层108释放。尤其是，通过除去在传感器区域 104下的部分绝缘层114来部分地底切有源层104。该底切形成一个将 部分传感器区域104从处理层108释放的释放槽116。传感器区域104 的被释放的区域因而悬挂在处理层108的上方。传感器区域104包括多个传感器元件，其可以取决于例如被 实施的特定的MEMS器件100而改变。然而，在所描述的其中MEMS 器件IOO为加速计的实施例中，传感器元件包括悬挂条122，至少一个 移动电极126，以及至少一个固定电极128。悬挂条122能弹性地将移 动电极126悬挂到处理层108上并且优选地构造为相对柔韧。悬挂条 122和移动电极126每一个位于释放槽116上，并且从处理层108释放， 并悬挂于处理层108之上。然而，固定电极128仍然经由，例如，形 成在绝缘层114中的或由其构成的锚130保持粘附到晶片106。为了清楚和容易地说明，可以理解传感器区域104在附图1 中描述以包括两个悬挂条122、两个移动电极126，以及四个固定电极 128。然而，在详细的在附图2中更清楚的显示，以及将更详细地描述 的物理执行中，传感器区域104包括四个悬挂条122，多个移动电极 126，和多个固定电极128。保护部件132邻近悬挂条122并经由末端 锚134和中部条锚136保持固定到衬底106。末端锚134和中部条锚 136每一个在有源区112中形成或由其形成，并且经由绝缘层114固定到晶片106。悬挂条122每一个连接在保护部件132和移动电极126之间 以及，如先前记载的，当释放时，能弹性地将移动电极126悬挂在处 理层108之上。如附图2也显示，移动电极126每一个设置在固定电 极128之间。如上面描述的，固定电极128不被释放。更合适，固定 电极128经由多个电极锚130仍然锚定到晶片106 (如附图1所示)。在附图1和2中描述的MEMS器件100实现为电容性类型加 速计。因而，当MEMS器件IOO遭受加速度时，移动电极126将相对固 定电极128移动与经受的加速度的量级成比例的距离。移动电极126 和固定电极128 —起形成可变微分电容器。因而，当MEMS器件100 经历加速度时，移动电极126可以朝着或远离给定的固定电极128移 动。移动电极126移动的距离将导致在固定电极128和移动电极126 之间的电容的改变。这种电容的改变可以测量并用来确定加速度的量 级。为了释放可能通过末端锚134、中间部分条锚136、以及固 定电极128经历的应力，可以包括应力释放机构204， 222。应力释放 机构204， 222每一个包括优选形成在MEMS器件100组件中并设置成 基本垂直于可以通过MEMS器件100组件接收的分力的狭槽。在一个示 例实施例中，电极应力释放机构204整体地形成在一个或多个固定电 极128中，并且包括基本垂直地通过固定电极128延伸来在那里形成S 形的两个狭槽208和210。例如，如附图2所示，第一狭槽208从固定 电极128的第一侧部212到固定电极128的第二侧部214至少部分地 延伸，以及第二狭槽210从电极第二侧部214到电极第一侧部212至 少部分地延伸。在附图2中，所有的固定电极128描述为包括电极应 力释放机构204;然而，可以理解多个这种应力释放机构可以有选择地 包含在一个固定电极128中或者在其它实施例中，应力释放结构204 可以包括在仅仅一些固定电极128中。
在另一个示例实施例中，在中间条锚136中形成双向连接锚 应力释放机构222。在这种情况下，锚136包括第一侧部230和与第一 侧部230相对的第二侧部232。第一狭槽234紧邻中间部分锚第一侧部 230形成，以及第二狭槽236紧邻中间部分锚第二侧部232形成。可以理解虽然一个或两个狭槽被并入为应力释放机构204、 222的部分，但是可以有选择地包括更少或更多的狭槽。此外，可以理 解应力释放机构204， 222可以被合并在需要应力释放的传感器100的 任何其它部分。已经从结构角度描述了MEMS器件100的一个实施例，现在 将描述形成所述MEMS器件100的一个特别优选的工艺。恰当地，应该 参考附图3-6。可以理解，为了清楚和容易地解释，类似于在附图1中 显示的，将采用简单化的截面图来描写和描述该工艺。然而，可以进 一步地明白该工艺适用于在附图2中描述的实际的物理MEMS器件 100，并且如上所述，也适用于任何一个可以实现的众多其它MEMS传 感器。可以额外地明白，虽然本方法为了方便采用特殊的步骤顺序来 描述，但是本方法也可以以不同的顺序或采用与下面描述的相比不同 类型的步骤来执行。根据在头脑中的上述背景，并且首先参考附图3，可以看到 对于工艺的优选的开始材料302是SOI晶片106。作为选择地，开始材 料302可以为包括具有处理层108、有源层112、和中间绝缘层114的 物品的多种物品中的任何一个。不管开始材料的具体类型，处理层108 和有源层112每一个优先由硅形成，尽管可以理解这些层能由其他材 料形成。可以理解有源层112可以是，例如，单晶或多晶硅，或任何 其它形成MEMS传感器器件100的材料。绝缘层114优选由能被容易地 蚀刻以从处理层108释放至少一些传感器元件的材料形成，例如氧化 硅、掺杂氧化物、和掺杂硅酸盐玻璃，仅仅指出了一些。可以明白，当被获得时开始材料302可以包括处理层108、有源层112和绝缘层 114，或这些层的一个或多个可以作为整个工艺的一部分形成。已经获得(或制备)了开始材料302，然后图案化并蚀刻有 源层112来在那里定义锚区域102和传感器区域104。可以明白，可以 采用多种合适的用来图案化和蚀刻的工艺的任何一种。在一个示例实 施例中，在有源层112上形成保护层。例如，保护材料可以淀积在整 个有源层112上，并且将期望的图案显影或蚀刻进保护材料。在另一 个示例实施例中，具有期望的图案的轮廓的荫罩掩模设置在有源层112 上并且保护材料被淀积在掩模和有源层112上。当移除荫罩掩模时， 保留保护材料以使得期望的图案被设置在有源层112上。期望的图案可以是任何用来形成包括应力释放机构204 ， 222的MEMS器件100的恰当地图案。在附图4中描述了部分示例图案 400。图案400包括具有拐角404的第一电极部分402，具有拐角408 的第二电极部分406、以及条410。第一电极部分402的拐角404优选 与第二电极部分406的拐角408以对角的方式形成，并且条410通过 拐角404和408使第一和第二电极部分402和406彼此结合。因而， 第一电极部分402、条410、和第二电极部分406形成S状。条410优 选地充分窄，以允许电极部分402和406之间的相对运动。虽然仅仅 描述了两对电极部分402和406，但是可以理解图案400可以包括用于 器件100上的多个固定电极128的形成的多个电极部分。可以理解， 期望的图案优先形成在其中将要形成电极应力释放机构204的有源层 112的一部分上。在附图5中显示了示例图案400的另一部分。图案400的所 述部分包括锚部分412、第一连接部分414、第二连接部分416、和两 个条418， 420。锚部分412包括两个相邻的拐角422、 424，每一个条 418， 420的末端连接到该拐角422、 424。从条418， 420的另一端延 伸的是第一和第二连接部分414， 416。可以理解，图案的所述部分优选形成在其中将要形成双向连接锚应力释放机构222的部分有源层112上。在期望的图案400形成在有源层112上之后，移除不被保护 材料保护的材料。这个步骤可以采用多种技术的任何一个来执行；然 而，在一个优选实施例中，采用反应离子蚀刻(RIE)工艺。如附图7 进一步显示，不管采用的具体的工艺，它导致多个沟道702形成在定 义了单个传感器元件的结构特征传感器区域104中。不管具体的位置， 每一个沟道702提供到绝缘层114的通路，由此实现了部分传感器区 域104的释放。至少部分地选择均位于传感器元件中和之间的沟道702 的尺寸和数量，以实现期望的传感器元件的释放的顺序和/或时序。此 外，选择蚀刻开口的数量和间隔以获得，期望的响应特征。然后，可以采用牺牲蚀刻工艺底切并释放所形成的传感器区 域104的这些部分。在这种情况中，可以采用化学蚀刻(例如各向同 性干或湿蚀刻)。优选地，所述工艺侧向地蚀刻至少部分绝缘层114， 从而从晶片106释放悬挂条122和移动电极126，并形成附图1中显示 的MEMS器件100。如上所述，虽然上述的MEMS器件IOO是加速计，在此描述 的制造工艺并不限于加速计或任何其它类型的传感器。它对于包括若 干种通过一个或多个条弹性地悬挂的结构类型的多种MEMS器件中的 任何一个都是适用的。这种器件的非限定例子包括各种类型的陀螺仪 和开关。现在已经提供MEMS器件和用来形成器件的方法。在一个示 例实施例中，MEMS器件包括具有表面的衬底，具有连接到衬底表面 的第一部分和在衬底表面上可移动悬挂的第二部分的电极，以及设置 在电极第二部分上的应力释放机构，应力释放机构包括整体地形成在 电极中的第一狭槽。在器件的另一个实施例中，电极包括第一侧部和
1第二侧部，并且第一狭槽从电极第一侧部至少部分地延伸到电极第二 侧部。在器件的又另一个实施例中，应力释放机构包括整体地形成在 电极中的第二狭槽。在器件的又另一个实施例中，第二狭槽从电极第 二侧部至少部分地延伸到电极第一侧部。在器件的另一个实施例中，衬底包括绝缘层和形成在绝缘层
上的有源层，以及电极形成在有源层中。作为选择地，电极包括连接 到衬底表面的第三部分，以及电极第二部分设置在第一和第三部分之 间。在又另一个实施例，应力释放机构邻近电极第一部分形成。在另一个示例实施例中，MEMS器件包括具有表面的衬底， 至少部分地连接到衬底表面的锚，以及连接到锚的应力释放机构，应 力释放机构包括邻近锚整体地形成的第一狭槽。在另一个实施例中， 锚包括第一侧部和与第一侧部相对的第二侧部，以及第一狭槽紧邻锚 第一侧部形成。在又另一个实施例中，应力释放机构包括第二狭槽， 第二狭槽接近锚第二侧部形成。在更另一个实施例中，提供了一种用来从包含绝缘层和在绝 缘层上的有源层的衬底形成微机电系统("MEMS")器件的方法。在一 个示例实施例中，该方法包括以下步骤在有源层上按照图案形成保 护层，其中，图案具有至少一个具有拐角的第一电极部分，与第一电 极部分相邻并具有与第一 电极部分拐角以对角的方式设置的拐角的第 二电极部分，以及连接第一和第二电极部分拐角的条；以及，从在其 上没有形成保护层的部分有源层和绝缘层移除材料，进而形成其中具 有狭槽的电极。作为选择地，第一电极部分具有一个侧部且第二电极 部分具有与第一电极部分侧部基本上平行的一个侧部的第二电极部
分，并且至少一部分条基本上平行于第一和第二电极部分侧部。作为 选择地，形成步骤包括将具有图案轮廓的荫罩掩模设置于有源层上。 在另一个替代实施例中，形成步骤包括将保护材料淀积在有源层的表 面上，以及将图案蚀刻进被淀积的保护材料中。在又另一个实施例中，方法进一步包括蚀刻在第一电极部分之下的绝缘层的一部分，进而 从衬底释放第一电极的至少一部分。在另一个实施例中，提供了一种用来从包含绝缘层和在绝缘 层上的有源层的衬底形成MEMS器件的方法，其中该方法包括在有源 层上按照图案形成保护层的步骤，图案具有至少一个具有第一拐角的 锚部分和从锚部分第一拐角延伸的条；以及从在其上没有形成保护层
的部分有源层和绝缘层移除材料，进而形成其中具有狭槽的锚的步骤。 在另一个实施例中，锚部分进一步包括邻近第一拐角的第二拐角，且 所述图案进一步包括从锚部分第二拐角延伸的第二条。在又另一个实 施例中，形成步骤包括将具有图案轮廓的荫罩掩模设置于有源层上。在至少一个示例实施例已经存在于本发明的先前详细的说 明中的同时，可以理解存在大量的变型。也可以理解示例实施例或者 多个示例实施例仅仅是例子，并且不意为以任何方式对本发明的范围、 适用性、或结构的限定。此外，先前详细的说明将给本领域技术人员 提供方便的用来执行本发明示例实施例的指导方针，可以明白在不超 出如在所附权利要求和它们的等价物中阐明的本发明的范围的情况 下，可以在示例实施例中描述的元件的功能和设置中作出各种改变。
权利要求
1.一种MEMS器件，包括具有表面的衬底；电极，其具有连接到所述衬底表面的第一部分和在所述衬底表面上可移动地悬挂的第二部分；以及设置在所述电极第二部分上的应力释放机构，所述应力释放机构包括整体地形成在所述电极中的第一狭槽。
2. 根据权利要求1的MEMS器件，其中，所述电极包括第一侧部和第二侧部，以及所述第一狭槽从所述电极第一侧部至少部分地延伸 到所述电极第二侧部。
3. 根据权利要求2的MEMS器件，其中，所述应力释放机构包括 整体地形成在所述电极中的第二狭槽。
4. 根据权利要求3的MEMS器件，其中，所述第二狭槽从所述电 极第二侧部至少部分地延伸到所述电极第一侧部。
5. 根据权利要求1的MEMS器件，其中所述衬底包括绝缘层和设置在所述绝缘层的上方的有源层；以及 所述电极形成在所述有源层中。
6. 根据权利要求1的MEMS器件，其中所述电极包括与所述衬底表面相连接的第三部分；以及 所述电极第二部分设置在所述第一部分和第三部分之间。
7. 根据权利要求1的MEMS器件，其中，邻近于所述电极第一部 分形成所述应力释放机构。
8. —种MEMS器件，包括 具有表面的衬底；与所述衬底表面至少部分地连接的锚；以及与所述锚连接的应力释放机构，所述应力释放机构包括邻近所述 锚形成的第一狭槽。
9. 根据权利要求1的MEMS器件，其中所述衬底包括绝缘层和设置在所述绝缘层的上方的有源层；以及 所述锚的至少一部分形成在所述有源层中。
10. 根据权利要求8的MEMS器件，其中所述锚包括第一侧部和与所述第一侧部相对的第二侧部；以及 紧邻所述锚第一侧部形成所述第一狭槽。
11. 根据权利要求10的MEMS器件，其中所述应力释放机构包括第二狭槽，紧邻所述锚第二侧部形成所述 第二狭槽。
12. —种由包含绝缘层和在所述绝缘层上的有源层的衬底来形成 微机电("MEMS")器件的的方法，所述方法包括步骤按照图案在所述有源层的上方形成保护层，所述图案至少具有具有拐角的第一电极部分，邻近所述第一电极部分并且具有与所述第 一电极部分拐角以对角的方式设置的拐角的第二电极部分，以及连接所述第一和第二电极部分拐角的条；以及从其上没有形成所述保护层的部分有源层和绝缘层移除材料，由 此形成其中具有狭槽的电极。
13. 根据权利要求12的方法，其中，所述第一电极部分具有侧部， 所述第二电极部分具有基本上平行于所述第一电极部分侧部的侧部， 并且所述条的至少一部分基本上平行于所述第一和第二电极部分侧部。
14. 根据权利要求12的方法，其中，所述形成步骤包括在所述有 源层的上方放置具有所述图案的轮廓的荫罩掩模。
15. 根据权利要求12的方法，其中，所述形成步骤包括 在所述有源层的表面上淀积保护材料；以及 将所述图案蚀刻进被淀积的所述保护材料。
16. 根据权利要求12的方法，进一步包括在所述第一电极部分 之下蚀刻部分绝缘层，由此从所述衬底释放至少一部分第一电极。
17. —种由包含绝缘层和在所述绝缘层上的有源层的衬底来形成 微机电("MEMS")器件的的方法，所述方法包括步骤按照图案在所述有源层的上方形成保护层，所述图案至少具有 具有第一拐角的锚部分，和从所述锚部分第一拐角延伸的条；以及从其上没有形成所述保护层的部分有源层和绝缘层移除材料，由 此形成具有与其相邻的狭槽的锚。
18. 根据权利要求17的方法，其中所述形成步骤包括 在所述有源层的表面的上方淀积保护材料；以及 将所述图案蚀刻进被淀积的所述保护材料。
19. 根据权利要求17的方法，其中，所述锚部分进一步包括邻近 所述第一拐角的第二拐角，并且所述图案进一步包括从所述锚部分第 二拐角延伸的第二条。
20. 根据权利要求17的方法，其中，所述形成步骤包括在所述有 源层的上方放置具有所述图案的轮廓的荫罩掩模。
全文摘要
提供了一种MEMS器件(100)和形成该器件的方法。在一个示例实施例中，MEMS器件(100)包括具有表面的衬底(106)；电极(128)，其具有连接到衬底表面的第一部分，以及在衬底表面之上可移动地悬挂的第二部分；和设置在该电极第二部分上的应力释放机构(204)，所述应力释放机构(204)包括整体地形成在电极中的第一狭槽(208)。在另一个示例实施例中，衬底(106)包括锚(134，136)，并且邻近锚(134，136)形成所述应力释放机构(222)。
文档编号H02N1/00GK101317325SQ200680027480
公开日2008年12月3日 申请日期2006年6月28日 优先权日2005年7月28日
发明者丹尼尔·N·小库里, 乔纳森·哈莱·哈蒙德, 加里·G·李 申请人:飞思卡尔半导体公司