Mems器件及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電領(lǐng)域,特別涉及一種MEMS器件及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS (Micro Electro Mechanical System,微機(jī)電裝置)技術(shù)是今年來(lái)高速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù),是對(duì)微米/納米(micro/nanotechnology)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。目前,在市場(chǎng)上應(yīng)用比較普遍的MEMS器件包括加速度傳感器和壓力傳感器。
[0003]MEMS加速度傳感器是一種利用慣性進(jìn)行測(cè)量的裝置。根據(jù)傳感原理不同,主要有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等。MEMS加速度傳感器在消費(fèi)電子類(lèi)領(lǐng)域主要應(yīng)用在手機(jī)、游戲機(jī)等便攜式設(shè)備中;在汽車(chē)領(lǐng)域,主要應(yīng)用于汽車(chē)電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或者ESC)比如汽車(chē)安全氣囊、車(chē)輛姿態(tài)測(cè)量等、或GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng);在軍用或者宇航領(lǐng)域,主要應(yīng)用于通訊衛(wèi)星無(wú)線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等。
[0004]另外所述MEMS壓力傳感器是一種用于檢測(cè)壓力的裝置,目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器,兩者都是在硅片上生成的微機(jī)電傳感器。MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子比如TPMS(輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)),消費(fèi)電子比如胎壓計(jì)、血壓計(jì),工業(yè)電子比如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱(chēng)重等領(lǐng)域?,F(xiàn)有的MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)包括:半導(dǎo)體基底;位于半導(dǎo)體基底上的下電極;位于下電極上的敏感膜(上電極),敏感膜與下電極之間具有空腔;位于半導(dǎo)體基底上的支撐所述敏感膜的支撐結(jié)構(gòu)。
[0005]如前所述,各種傳感器在消費(fèi)類(lèi)電子、汽車(chē)電子以及工業(yè)電子中均有廣泛的應(yīng)用,但由于各種傳感器的制作與封裝方法之間的明顯差異,迄今為止仍未有集成化傳感器產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。目前MEMS加速度傳感器和MEMS壓力傳感器已經(jīng)在汽車(chē)輪胎的TPMS(輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng))中有所應(yīng)用,然而現(xiàn)在的加速度傳感器、壓力傳感器芯片是分開(kāi)設(shè)計(jì)制作,然后封裝再一起的。由于各種傳感器分別設(shè)計(jì)制作并封裝在一起,這使得現(xiàn)有的集成多種傳感器的MEMS器件的工藝復(fù)雜、體積較大、成本較高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明解決的問(wèn)題是怎樣使得提高M(jìn)EMS器件的體積以及使得加速度傳感器的制作工藝與壓力傳感器的制作工藝兼容。
[0007]為解決上述問(wèn)題,本發(fā)明提供一種MEMS器件的形成方法,包括:提供襯底,所述襯底中形成有集成電路;在所述襯底上形成第一介質(zhì)層,在所述第一介質(zhì)層中形成有若干第一金屬連接端和第二金屬連接端,第一金屬連接端和第二金屬連接端與集成電路電相連;在第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層,所述第二介質(zhì)層中形成有加速度傳感器,所述加速度傳感器與第一金屬連接端電連接;在第二介質(zhì)層中形成若干第一金屬插塞,第一金屬插塞與第二金屬連接端電連接;在第二介質(zhì)層上形成壓力傳感器,所述壓力傳感器與第一金屬插塞電連接。
[0008]可選的,所述加速度傳感器和壓力傳感器形成的具體過(guò)程為:在第一金屬連接端上形成第一電極材料層,相鄰第一電極材料層之間具有第一開(kāi)口 ;在第一開(kāi)口內(nèi)和部分第一介質(zhì)層上形成第一子介質(zhì)層,第一子介質(zhì)層的表面低于第一電極材料層的表面;在第一開(kāi)口內(nèi)的第一子介質(zhì)層表面形成第一犧牲層,第一犧牲層的表面與第一電極材料層的表面齊平;形成覆蓋所述第一子介質(zhì)層的第二子介質(zhì)層,所述第二子介質(zhì)層中具有第二開(kāi)口,所述第二開(kāi)口底部暴露出第一犧牲層和第一電極材料層的表面;在所述第二開(kāi)口中填充滿第二電極材料層;刻蝕所述第一犧牲層上的部分第二電極材料層,形成懸臂,所述懸臂作為加速度傳感器的可動(dòng)電極,第一電極材料層上剩余的第二電極材料層構(gòu)成加速度傳感器的固定電極,懸臂與固定電極之間形成空腔;形成填充滿空腔的第二犧牲層;在所述懸臂、第二犧牲層和第二子介質(zhì)層上形成第三子介質(zhì)層,第一子介質(zhì)層、第二子介質(zhì)層和第三子介質(zhì)層構(gòu)成第二介質(zhì)層;在所述第二犧牲層上方的第三子介質(zhì)層表面上形成下電極金屬層,所述下電極金屬層作為壓力傳感器的下電極;刻蝕所述下電極金屬層和第三子介質(zhì)層,在下電極金屬層中第三子介質(zhì)層中形成若干第三開(kāi)口,所述第三開(kāi)口暴露出第二犧牲層,所述第三開(kāi)口的位置與空腔的位置相對(duì)應(yīng);在所述下電極金屬層上形成第三犧牲層,所述第三犧牲層填充第三開(kāi)口 ;在所述第三犧牲層側(cè)壁和頂部表面上形成第三電極材料層,所述第三電極材料層作為壓力傳感器的敏感膜;刻蝕所述第三電極材料層,在所述第三電極材料層中形成若干第四開(kāi)口,所述第四開(kāi)口暴露出第三犧牲層;沿第四開(kāi)口去除所述第三犧牲層,形成第二空腔,去除所述第二犧牲層和第一犧牲層,形成第一空腔,釋放出懸臂。
[0009]可選的,所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層的材料為無(wú)定形碳。
[0010]可選的,去除所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層的工藝為低溫爐管氧化工藝。
[0011]可選的,所述低溫爐管氧化工藝米用的氣體為氧氣,溫度為180?250攝氏度。
[0012]可選的,所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的材料為摻雜的硅鍺。
[0013]可選的,所述硅鍺中摻雜的離子為P型雜質(zhì)離子和N型雜質(zhì)離子。
[0014]可選的,所述P型雜質(zhì)離子為硼離子、鎵離子或銦離子中的一種或幾種,所述N型雜質(zhì)離子為磷離子、砷離子、銻離子中的一種或幾種。
[0015]可選的,所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的應(yīng)力為 _20Mpa ?20Mpa。
[0016]可選的,形成所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的工藝為低溫低壓爐管沉積工藝,所述低溫低壓爐管沉積工藝采用的硅源氣體為GeH4或Si2H6,鍺源氣體為GeH2,腔室溫度為420?450攝氏度,腔室壓力為200?600毫托。
[0017]可選的,所述下電極金屬層通過(guò)第三介質(zhì)層中的刻蝕孔與懸臂電連接。
[0018]可選的,所述第一電極材料層的厚度為4500?5500埃,所述第二電極材料層的厚度為19000?21000埃,所述第三電極材料層的厚度為3500?4500埃。
[0019]可選的,所述第一子介質(zhì)層、第二子介質(zhì)層、第三子介質(zhì)層的材料為氧化硅。
[0020]可選的,所述懸臂包括第一懸臂和第二懸臂,第一懸臂沿第一方向排布,第二懸臂沿第二方向排布,第一方向與第二方向垂直。
[0021 ] 可選的,在所述第三電極材料層上形成第三介質(zhì)層,在第三介質(zhì)層上形成鈍化層。
[0022]可選的,所述第一介質(zhì)層中還形成有第三金屬連接端,所述第二介質(zhì)層和第三介質(zhì)層中還形成有第二金屬插塞,第二金屬插塞與第三金屬連接端電連接,所述第二金屬插塞上形成有第一外接焊盤(pán)。
[0023]本發(fā)明還提供了一種MEMS器件,包括:襯底,所述襯底中形成有集成電路;位于襯底上的第一介質(zhì)層,所述第一介質(zhì)層中形成有若干第一金屬連接端和第二金屬連接端,第一金屬連接端和第二金屬連接端與集成電路電相連;位于第一介質(zhì)層上的第二介質(zhì)層,所述第二介質(zhì)層中形成有加速度傳感器,所述加速度傳感器與第一金屬連接端電連接;位于第二介質(zhì)層中若干第一金屬插塞,第一金屬插塞與第二金屬連接端電連接;位于第二介質(zhì)層上的壓力傳感器,所述壓力傳感器與第一金屬插塞電連接。
[0024]可選的,所述加速度傳感器包括若干固定電極,相鄰固定電極之間具有第一空腔,第一空腔內(nèi)具有懸臂,所述固定電極與第一金屬連接端相連。
[0025]可選的,所述壓力傳感器包括下電極金屬層,位于下電極金屬層上的敏感膜,所述敏感膜和下電極金屬層之間具有第二空腔,所述下電極金屬層中具有若干開(kāi)口,所述開(kāi)口的位置與第一空腔的位置相對(duì)應(yīng),第一空腔和第二空腔通過(guò)開(kāi)口相通。
[0026]可選的,所述下電極金屬層與固定電極之間具有隔離層,所述下電極金屬層通過(guò)隔離層中的刻蝕孔與懸臂電連接。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0028]所述MEMS器件的形成方法,提供形成有集成電路的襯底;在所述襯底上形成第一介質(zhì)層,在所述第一介質(zhì)層中形成有若干第一金屬連接端和第二金屬連接端,第一金屬連接端和第二金屬連接端與集成電路電相連;在第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層,所述第二介質(zhì)層中形成有加速度傳感器,所述加速度傳感器與第一金屬連接端電連接;在第二介質(zhì)層中形成若干第一金屬插塞,第一金屬插塞與第二金屬連接端電連接;在第二介質(zhì)層上形成壓力傳感器,所述壓力傳感器與第一金屬插塞電連接。通過(guò)垂直整合的方式將加速度傳感器和壓力傳感器形成在襯底上,加速度傳感器和壓力傳感器分別與襯底中的集成電路電連接,實(shí)現(xiàn)兩者的集成制作,壓力傳感器位于加速度傳感器上方,加速度傳感器和壓力傳感器在工作時(shí)不會(huì)受到相互影響,并且減小了 MEMS器件的體積。
[0029]進(jìn)一步,所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層的材料為無(wú)定形碳,第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層的材料為無(wú)定形碳時(shí),可以通過(guò)低溫爐管氧化工藝去除所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層,防止高溫工藝對(duì)集成電路的影響。另外,由于MEMS器件的形成過(guò)程中會(huì)形成很多空腔,采用低溫爐管氧化工藝去除第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層,也可以防止采用濕法刻蝕去除第一犧牲層時(shí),刻蝕溶液不易排布而殘留在空腔內(nèi)對(duì)MEMS器件造成腐蝕。
[0030]進(jìn)一步,所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的材料為硅鍺,可以采用低溫低壓的爐管工藝形成所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層,在形成的過(guò)程中防止高溫工藝對(duì)底部的集成電路造成損害,并且形成的第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的應(yīng)力較小,防止第二電極材料層形成的可動(dòng)電極和固定電極以及第三電極材料層形成的敏感膜在由于應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生變形,另外硅鍺材料制成的懸臂檢測(cè)過(guò)程中受作用力產(chǎn)生偏移后,在作用力消除時(shí)具有良好的原位復(fù)位性能,硅鍺材料制成的敏感膜在檢測(cè)過(guò)程中受作用力產(chǎn)生偏移后,在作用力消除時(shí)具有良好的原位復(fù)位性能。
[0031]進(jìn)一步,形成所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的工藝為低溫低壓爐管沉積工藝,所述低溫低壓爐管沉積工藝采用的硅源氣體為GeH4或Si2H6,鍺源氣體為GeH2,腔室溫度為420?450攝氏度,腔室壓力為200?600毫托,使形成的所述第一電極材料層、第二電極材料層和第三電極材料層的應(yīng)力為_(kāi)20Mp