本發(fā)明涉及mems器件和生產(chǎn)mems器件的方法。更具體地，本發(fā)明涉及包括兩個(gè)器件層的mems器件和用于制造雙層mems器件的方法。

背景技術(shù)：

1、使用硅基技術(shù)制造的微機(jī)電系統(tǒng)(mems)器件是普遍的。mems器件的典型應(yīng)用是慣性傳感器，其檢測(cè)加速度和角速度中的至少一個(gè)。該類(lèi)型的mems器件廣泛用于消費(fèi)、汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中。

2、mems器件中的電容感測(cè)通過(guò)檢測(cè)由兩個(gè)電極之間的距離變化引起的電容變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，在可移動(dòng)電極與一個(gè)或更多個(gè)靜態(tài)電極之間感測(cè)電容。

3、在用于慣性感測(cè)的典型電容mems器件中，在諸如處理晶片或蓋晶片的襯底上設(shè)置靜態(tài)電極。例如，可以在襯底晶片的表面上設(shè)置金屬電極。mems器件經(jīng)受各種應(yīng)力源。在部件的封裝期間，諸如模制的制造方法的一些步驟對(duì)襯底施加壓力。不同的材料具有不同的熱特性，并且因此，由于mems器件封裝內(nèi)的材料的熱膨脹的差異，襯底也可能經(jīng)受壓力。mems器件也可能經(jīng)受各種外力，從而引起襯底的形狀的變化。使用mems器件的環(huán)境可能經(jīng)受大的溫度變化、振動(dòng)、撞擊等，所有這些都在mems器件上引起應(yīng)力。當(dāng)靜態(tài)電極附接至襯底時(shí)，由應(yīng)力引起的襯底的形式的任何變化也可能影響靜態(tài)電極與相應(yīng)的可移動(dòng)電極之間的距離。這引起電容感測(cè)的準(zhǔn)確性劣化的風(fēng)險(xiǎn)。

4、在下面的描述中，將提及慣性mems傳感器及其制造的問(wèn)題。然而，本公開(kāi)內(nèi)容通常適用于其他類(lèi)型的mems器件。例如，mems器件可以包括以下結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或更多個(gè)、單個(gè)或彼此組合：加速度計(jì)、陀螺儀、地震檢波器、傾角儀和諧振器。此外，mems器件還可以是mems執(zhí)行器。

5、相關(guān)技術(shù)的描述

6、專(zhuān)利us10830590公開(kāi)了具有襯底的微機(jī)械傳感器，該襯底包括由單晶硅制成的機(jī)械功能層以及電極器件。具有鋁或鎢布線的導(dǎo)電布線層。

7、專(zhuān)利申請(qǐng)us20200156930公開(kāi)了具有中空體的雙側(cè)電容感測(cè)mems器件。該器件是通過(guò)多晶硅(poly-si)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)制造的。

8、專(zhuān)利us9463976公開(kāi)了用于產(chǎn)生集成mems器件的豎直堆疊的mems器件晶片組件，該集成mems器件具有豎直堆疊的慣性換能器元件，每個(gè)慣性換能器元件在多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不同層中。不同的mems換能器結(jié)構(gòu)與周?chē)h(huán)境密封地隔離并且彼此密封地隔離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、目的是提供方法和裝置，以解決如下問(wèn)題：降低mems器件的材料成本，同時(shí)利用器件層之間更寬的間隙和更小的信號(hào)路徑來(lái)提高mems器件的魯棒性。本發(fā)明的目的是利用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的mems器件和根據(jù)本發(fā)明的第二方面的制造mems器件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2、還公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。

3、根據(jù)第一方面，提供了一種微機(jī)電系統(tǒng)(mems)器件。mems器件按從底部到頂部的順序包括：i)處理層，其包括至少一個(gè)腔和至少一個(gè)懸置結(jié)構(gòu)；ii)第一電絕緣層；iii)第一器件層，其通過(guò)對(duì)沉積的多晶硅(poly-si)層進(jìn)行圖案化而形成，其中，第一器件層中的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件通過(guò)至少一個(gè)懸置結(jié)構(gòu)懸置，并且至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件可選地包括至少一個(gè)感震元件；iv)第二電絕緣層；v)第二器件層，其包括能夠移動(dòng)地懸置在第一器件層上方的至少一個(gè)感震元件，其中，第二器件層通過(guò)對(duì)單晶硅(mono-si)層進(jìn)行圖案化而形成；以及vi)蓋層。

4、處理層、第一器件層、第二器件層和蓋層、處理層與第一器件層之間的第一電絕緣層、以及第一器件層與第二器件層之間的第二電絕緣層被配置成形成殼體的壁，所述殼體包括至少一個(gè)感震元件以及用于檢測(cè)和/或引起至少一個(gè)感震元件的運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)可移動(dòng)電極和至少一個(gè)靜態(tài)電極。

5、根據(jù)一些方面，第一器件層包括至少一個(gè)多晶硅(poly-si)饋通，至少一個(gè)多晶硅饋通從第一器件層延伸至第二器件層，以用于將第一器件層的結(jié)構(gòu)元件電耦接至第二器件層的結(jié)構(gòu)元件以及/或者電耦接至設(shè)置在蓋層中的電連接。

6、根據(jù)一些方面，已在至少一個(gè)多晶硅饋通周?chē)コ诙娊^緣層中的電絕緣材料，使得至少一個(gè)多晶硅饋通是第一器件層和第二器件層的相應(yīng)結(jié)構(gòu)元件之間的唯一機(jī)械接觸。

7、根據(jù)一些方面，第一器件層包括至少一個(gè)阻止結(jié)構(gòu)，該至少一個(gè)阻止結(jié)構(gòu)在小于第二電絕緣層的厚度的距離上朝向第二器件層延伸。

8、根據(jù)一些方面，mems器件還包括在第二器件層與蓋層之間的金屬接合層，并且金屬接合層還被配置成形成殼體的所述壁的一部分。

9、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于制造mems器件的方法。該制造方法包括以下步驟：i)由單晶硅處理晶片形成處理層，處理層的形成包括形成至少一個(gè)腔并且同時(shí)在處理層的第一面上形成至少一個(gè)懸置結(jié)構(gòu)，以及用第一電絕緣層覆蓋處理層的第一面；ii)在單晶硅晶片上形成第二電絕緣層；iii)對(duì)第二電絕緣層進(jìn)行圖案化；iv)在經(jīng)圖案化的第二電絕緣層的頂部上沉積多晶硅層；v)由第一多晶硅層形成第一器件層，形成第一器件層包括：將第一多晶硅層減薄到第一厚度，以及借助于干法蝕刻形成延伸穿過(guò)第一器件層的多個(gè)第一溝槽；vi)將第一器件層熔融接合在處理層的第一面上的第一電絕緣層上；vii)由單晶硅晶片形成第二器件層，形成第二器件層包括：將單晶硅晶片減薄到第二厚度，可選地在第二單晶硅晶片中形成至少一個(gè)凹陷區(qū)域，以及干法蝕刻出延伸穿過(guò)第二單晶硅晶片的多個(gè)第二溝槽；viii)通過(guò)利用氫氟酸(hf)蝕刻去除在第一電絕緣層和第二電絕緣層的厚度上的第一電絕緣層和第二電絕緣層的暴露部分來(lái)釋放第一器件層和第二器件層的結(jié)構(gòu)元件；以及ix)通過(guò)將蓋層接合在第二器件層的頂部上，而將結(jié)構(gòu)元件封閉在殼體內(nèi)。

10、根據(jù)一些方面，對(duì)第二電絕緣層進(jìn)行圖案化的步驟包括去除在第二電絕緣層的整個(gè)厚度上的第二電絕緣層的一個(gè)或更多個(gè)部分，并且沉積多晶硅層的步驟使得通過(guò)用沉積的多晶硅填充第二電絕緣層的去除的所述部分來(lái)產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)多晶硅饋通，所述一個(gè)或更多個(gè)多晶硅饋通從第一器件層穿過(guò)第二電絕緣層延伸至第二器件層，以用于電耦接第一器件層和第二器件層的一個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)元件。

11、根據(jù)一些方面，對(duì)第二電絕緣層進(jìn)行圖案化的步驟包括在第二電絕緣層的厚度的一部分上使第二電絕緣層中的一個(gè)或更多個(gè)部分凹陷，并且沉積多晶硅層的步驟還使得通過(guò)填充第二電絕緣層的凹陷的所述一個(gè)或更多個(gè)部分來(lái)產(chǎn)生朝向第二器件層延伸的一個(gè)或更多個(gè)多晶硅阻止結(jié)構(gòu)。

12、根據(jù)一些方面，該方法還包括在將第一多晶硅層減薄到第一厚度之后并且在形成延伸穿過(guò)第一器件的多個(gè)第一溝槽之前，在單晶硅晶片中形成至少一個(gè)凹陷區(qū)域。

13、根據(jù)一些方面，該方法還包括通過(guò)金屬接合層將第二器件層與蓋層接合。

14、本發(fā)明基于在mems器件中具有兩個(gè)懸置器件層的構(gòu)思。在該背景下，將在mems器件的功能中起作用的元件稱為結(jié)構(gòu)元件。這些結(jié)構(gòu)元件可以是固定的，例如支承結(jié)構(gòu)、電連接和靜態(tài)電極。第一器件層中的結(jié)構(gòu)元件通過(guò)諸如錨的剛性懸置結(jié)構(gòu)懸置至處理層和/或經(jīng)由第二器件層懸置至蓋層。第一器件層包括用作靜態(tài)電極的結(jié)構(gòu)元件，并且第一器件層也可以用于電布線。兩個(gè)器件層都可以包括用作可移動(dòng)電極的感震塊和/或耦接至可移動(dòng)電極的感震塊。第二器件層也可以包括靜態(tài)電極。如本領(lǐng)域中已知的，感震塊的懸置通常包括諸如彈簧和梁的柔性懸置結(jié)構(gòu)，所述柔性懸置結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)感震塊的一個(gè)或更多個(gè)想要的移動(dòng)方向，但抑制感震塊的任何不想要的移動(dòng)方向。器件層中的一個(gè)器件層由單晶硅(mono-si)制成，而另一器件層由多晶硅(poly-si)制成。器件層上的圖案可以使用絕緣體上硅soi工藝來(lái)制造，該工藝?yán)梦g刻——優(yōu)選地干法蝕刻例如深反應(yīng)離子蝕刻(drie)等——來(lái)確定器件層中的結(jié)構(gòu)元件。

15、本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)，雙器件層結(jié)構(gòu)通過(guò)在mems器件內(nèi)設(shè)置針對(duì)應(yīng)力變形魯棒的機(jī)械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)提高了mems器件的準(zhǔn)確性，同時(shí)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)還有利于高的設(shè)計(jì)靈活性和小的管芯面積。由于移動(dòng)電極和靜態(tài)電極兩者可以實(shí)現(xiàn)為與襯底(處理層和蓋層)機(jī)械分離，因此影響襯底的應(yīng)力不引起器件層中的結(jié)構(gòu)元件的幾何形狀的變化。通過(guò)將兩個(gè)器件層懸置在橫向共同錨定位置上，可以進(jìn)一步提高對(duì)應(yīng)力的靈敏度。根據(jù)一些實(shí)施方式，雙硅器件分層設(shè)計(jì)可以在不需要器件層中的感震元件和/或其他結(jié)構(gòu)元件的穿孔的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，從而避免了由這樣的穿孔引起的電容和質(zhì)量的減小，這有利于更高的電容，從而提高mems器件的靈敏度。盡管與單晶硅器件層相比，多晶硅器件層在某些技術(shù)特性上可能被認(rèn)為較差，但是在大多數(shù)情況下多晶硅器件層的制造成本更低，這取決于多晶硅層的厚度。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的mems器件比包括兩個(gè)單晶硅器件層的mems器件更具成本效益。此外，與僅使用單晶硅器件層相比，兩個(gè)不同硅層的特性使得能夠提高設(shè)計(jì)自由度。