微机电系统器件及其形成方法与流程

本发明实施例涉及微机电系统器件及其形成方法。

背景技术：

微机电系统(micro-electromechanicalsystem，mems)器件包括使用半导体技术而制作的器件以形成机械特征及电特征。mems器件可包括具有微米级或亚微米级尺寸的移动部件及用于将移动部件电耦合到电信号的机构，电信号可为引发移动部件的移动的输入信号或因移动部件的移动而产生的输出信号。mems器件是可与例如半导体器件等其他器件整合以充当传感器或致动器的有用器件。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，提供一种微机电系统器件，包括：微机电系统支撑结构，通过基质层(matrixlayer)结合到顶盖结构；第一可移动元件，位于在侧向上通过所述基质层限界的第一密封腔室内部；至少一个垂直延伸沟槽(vertically-extendingtrench)，延伸到所述微机电系统支撑结构中或者所述顶盖结构的面对所述基质层的部分中，且包括相应的垂直延伸出气材料部分，所述垂直延伸出气材料部分(vertically-extendingoutgassingmaterial)具有与相应的垂直延伸空腔(vertically-extendingcavity)接触的表面，其中所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分具有在实体上暴露于所述第一密封腔室的表面。

根据本公开的实施例，提供一种半导体芯片，包括：微机电系统支撑结构，通过基质层结合到顶盖结构；微机电系统器件，包括位于在侧向上通过所述基质层限界的第一密封腔室内部的第一可移动元件；半导体电路，位于所述微机电系统支撑结构及所述顶盖结构中的一者中，且被配置成感测或控制所述微机电系统器件；至少一个垂直延伸沟槽，延伸到所述微机电系统支撑结构中或者所述顶盖结构的面对所述基质层的部分中，且包括相应的垂直延伸出气材料部分，所述垂直延伸出气材料部分具有与相应的垂直延伸空腔接触的表面。

根据本公开的又一方面，提供一种形成微机电系统器件的方法，包括：提供微机电系统支撑结构及顶盖结构；在所述微机电系统支撑结构或所述顶盖结构中形成至少一个垂直延伸沟槽；在所述至少一个垂直延伸沟槽中的每一者中形成具有在实体上暴露于相应的垂直延伸空腔的表面的垂直延伸出气材料部分；将基质材料层贴合到所述微机电系统支撑结构；通过将所述基质材料层图案化来形成第一可移动元件，所述第一可移动元件在侧向上限定在基质层内；以及将所述基质层结合到所述顶盖结构，其中形成包含所述第一可移动元件的第一密封腔室，且所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分具有在实体上暴露于所述第一密封腔室的表面。

附图说明

结合附图阅读以下详细说明，会更好地理解本公开的方面。注意，根据本工业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1a是根据本公开第一实施例，在形成例如场效晶体管等半导体器件之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1b是根据本公开第一实施例，在形成内连线级介电材料层及金属内连线结构之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1c是根据本公开第一实施例，在形成蚀刻终止介电材料层及结合级(bonding-level)介电材料层之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1d是根据本公开第一实施例，在形成结合级金属内连线结构之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1e是根据本公开第一实施例，在形成凹陷区之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1f是根据本公开第一实施例，在形成垂直延伸沟槽之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1g是根据本公开第一实施例，在形成含出气材料层之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1h是根据本公开第一实施例，在移除含出气材料层的水平延伸部分之后的mems支撑结构的垂直横截面图。

图1i是根据本公开第一实施例，用于在形成mems支撑结构与基质材料层的组装件之后形成mems器件的示例性结构的垂直横截面形状。

图1j是根据本公开第一实施例，在将基质材料层薄化之后的示例性结构的垂直横截面图。

图1k是根据本公开第一实施例，在将基质材料层图案化成可移动元件及基质层之后的示例性结构的垂直横截面图。

图2a是根据本公开第一实施例，用于在形成结合材料层之后形成顶盖结构的示例性结构的垂直横截面图。

图2b是根据本公开第一实施例，在形成顶盖表面之后的顶盖结构的垂直横截面图。

图3是根据本公开第一实施例的第一示例性微机电系统(mems)器件的垂直横截面图。

图4是根据本公开第二实施例的第二示例性mems器件的垂直横截面图。

图5是根据本公开第三实施例的第三示例性mems器件的垂直横截面图。

图6a是根据本公开第四实施例的第四示例性mems器件的第一示例性配置的垂直横截面图。

图6b是根据本公开第四实施例的第四示例性mems器件的第二示例性配置的垂直横截面图。

图7a至图7c示出可用于本公开实施例中的任一个实施例的垂直延伸沟槽的各种水平横截面图。

图8a是根据本公开第五实施例的第五示例性mems器件的第一示例性配置的垂直横截面图。

图8b是根据本公开第五实施例的第五示例性mems器件的第二示例性配置的垂直横截面图。

图9a是根据本公开第六实施例的第六示例性mems器件的第一示例性配置的垂直横截面图。

图9b是第六示例性mems器件在图9a所示基质层的水平高度处的水平横截面图。

图10是根据本公开第七实施例的第七示例性mems器件的垂直横截面图。

图11是根据本公开第八实施例，用于形成mems器件的示例性结构的垂直横截面图。

图12a是根据本公开第八实施例，用于在形成结合材料层之后形成顶盖结构的示例性结构的垂直横截面图。

图12b是根据本公开第八实施例，用于在形成垂直延伸沟槽之后形成顶盖结构的示例性结构的垂直横截面图。

图12c是根据本公开第八实施例，用于在形成含出气材料层之后形成顶盖结构的示例性结构的垂直横截面图。

图12d是根据本公开第八实施例，用于在形成含出气材料部分之后形成顶盖结构的示例性结构的垂直横截面图。

图12e是根据本公开第八实施例的顶盖结构的垂直横截面图。

图13是根据本公开第八实施例的第八示例性mems器件的垂直横截面图。

图14是示出根据本公开实施例，可被执行用以形成mems器件的一组处理步骤的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本公开。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。例如，在以下说明中将第一特征形成在第二特征之上或第二特征上可包括第一特征与第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括在第一特征与第二特征之间可形成附加特征、从而使得第一特征与第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开可能在各种实例中重复使用参考编号和/或字母。此种重复使用是出于简单及清晰的目的，而非自身表示所论述的各种实施例和/或构造之间的关系。

此外，为易于说明，本文中可能使用例如“在...之下”、“在...下面”、“下部”、“上方”、“上部”等空间相对性用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在囊括除图中所绘示取向以外器件在使用或操作中的不同取向。装置可具有其他取向(旋转90度或其他取向)，且本文中所使用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。

本公开的实施例涉及微机电系统(mems)器件及形成mems器件的方法，mems器件包括含出气材料部分，含出气材料部分位于被配置成将气体释放到密封腔室中的垂直延伸空腔中。一些mems器件可包括包含可移动元件的密封腔室。例如，mems器件可包括记录器件的加速度或器件的角速度的移动板(即，可移动元件)或感测元件。可移动元件的最佳操作条件可包括气态气氛，气态气氛可通过包括与密封腔室连接的气体源来提供。本文中所述的各种实施例使用垂直延伸沟槽在密封腔室中提供增加的气体供应，垂直延伸沟槽包含具有在实体上被暴露出的表面的出气材料部分。垂直延伸沟槽可提供可产生气体供应的增加的表面积。气体气氛的压力的增加可为例如加速度计等一些类型的mems器件提供增强的性能。

参照图1a，示出根据本公开第一实施例的用于形成mems组装件的示例性结构。示例性结构包括衬底。衬底上可随后形成至少一个微机电系统(mems)器件。因此，衬底在本文中称为微机电系统衬底或者mems衬底50。尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而mems衬底50可具有在30微米到3mm(例如100微米到1mm)范围内的厚度。mems衬底50可为半导体衬底、导电衬底、绝缘衬底或包括多个层的复合衬底。在一个实施例中，mems衬底50可为例如直径在150mm到450mm范围内且厚度在500微米到1,000微米范围内的可商业购得的单晶硅晶片等半导体衬底。

在实施例中，mems衬底50包括半导体衬底，在mems衬底50的顶表面上可形成半导体器件80。可形成在mems衬底50的顶表面上的半导体器件80包括(但不限于)场效晶体管、双极晶体管、二极管、电容器、电阻器或所属领域中已知的其他半导体器件。在实施例中，半导体器件80包括场效晶体管，每一场效晶体管可包括有源区82(例如源极区及漏极区)、栅极介电质85及栅电极86。相邻的器件之间可形成有浅沟槽隔离结构52或其他合适的隔离结构。浅沟槽隔离结构52可在mems衬底50上的各种半导体器件80之间提供电隔离。半导体器件80可包括电路，所述电路被配置成与上方随后要形成所述至少一个mems器件的各种组件介接、控制和/或感测所述各种组件。

mems衬底50与形成在其上和/或随后要形成在其上的一组结构的组合对随后要形成的所述至少一个微机电系统(mems)器件提供结构支撑。换句话说，mems衬底50与要形成在其上的一组材料部分的组合充当所述至少一个mems器件的支撑结构。因此，mems衬底50与形成在其上或要形成在其上的所述一组材料部分的组合在下文中称为微机电系统支撑结构500或mems支撑结构500。示例性结构包括随后要在其中形成第一mems器件的第一器件区101及随后要在其中形成第二mems器件的第二器件区102。在非限制性例示性实例中，用于测量线性加速度的加速度计的组件可形成在第一器件区101中，且用于测量角速度的陀螺仪可形成在第二器件区102中。在其他非限制性实施例中，结构可形成有重复的第一器件区101或第二器件区102，以形成多个相同类型的传感器。

参照图1b，半导体器件80之上可形成内连线级介电材料层20及金属内连线结构22。内连线级介电材料层20可包括多个介电材料层，所述多个介电材料层垂直堆叠以容纳可形成在不同金属内连线级处的金属内连线结构22。内连线级介电材料层20中的每一者可包含例如氧化硅、氮化硅、有机硅酸盐玻璃、多孔低介电常数(low-k)介电材料或旋涂玻璃(spin-onglass，sog)材料等介电材料。也可使用处于本公开的预期范围内的其他合适的材料。内连线级介电材料层20可通过化学气相沉积、物理气相沉积或旋转涂布来沉积。尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而每一内连线级介电材料层20的厚度可在100nm到600nm范围内。金属内连线结构22可包括在各种半导体器件80之间以及半导体器件80的各种节点及随后要形成的mems器件的节点之间提供电连接的各种金属通孔结构及各种金属线结构。在一个实施例中，第一器件区101的至少部分可不具有金属内连线结构22，以使得随后可在所述至少部分中形成垂直延伸沟槽。

参照图1c，内连线级介电材料层20之上可形成蚀刻终止介电材料层30。蚀刻终止介电材料层30可包含氮化硅或介电金属氧化物(例如氧化铝)，且尽管也可采用较小的厚度及较大的厚度，然而蚀刻终止介电材料层30可具有在30nm到100nm范围内的厚度。蚀刻终止介电材料层30之上可形成结合级介电材料层34。结合级介电材料层34可包含氧化硅，例如作为通过使原硅酸四乙酯(tetraethylorthosilicate，teos)分解而形成的氧化物材料的teos氧化物。尽管也可采用较小的厚度及较大的厚度，然而结合级介电材料层34的厚度可在200nm到3,000nm范围内。

参照图1d，结合级介电材料层34及蚀刻终止介电材料层30中可形成结合级金属内连线结构32。结合级金属内连线结构32可包括金属线结构、金属通孔结构或其组合(例如集成的线与通孔结构)。例如，结合级介电材料层34及蚀刻终止介电材料层30中可形成通孔空腔、线空腔和/或焊盘空腔，且通孔空腔、线空腔和/或焊盘空腔可填充有至少一种金属填充材料以形成结合级金属内连线结构32。

参照图1e，凹陷区37可通过使结合级介电材料层34的顶表面的部分垂直凹陷来形成。蚀刻终止介电材料层30的顶表面可用作蚀刻终止表面。凹陷区37可形成在随后可在其中形成mems器件的可移动元件的区域中。每一凹陷区37的侧向幅度(lateralextent)近似于随后可形成的相应可移动元件的侧向幅度，且尽管也可采用较小的尺寸及较大的尺寸，然而每一凹陷区37的侧向幅度可在10微米到5mm范围内。每一凹陷区37可具有相应的水平底表面，所述水平底表面可为蚀刻终止介电材料层30的顶表面。

参照图1f，蚀刻终止介电材料层30、结合级介电材料层34及结合级金属内连线结构32的在实体上被暴露出的表面之上可施加光刻胶层(未示出)。光刻胶层可被光刻图案化，以在第一器件区101的区域内形成至少一个开口。可使用图案化光刻胶层执行各向异性蚀刻工艺以形成垂直延伸沟槽69。垂直延伸沟槽69可垂直延伸穿过蚀刻终止介电材料层30且到达内连线级介电材料层20中的至少一者中。每一垂直延伸沟槽69可具有位于内连线级介电材料层20中的一者内的底表面。作为另外一种选择，每一垂直延伸沟槽69可延伸到mems衬底50中(通过浅沟槽隔离结构52)，且具有位于mems衬底50内的底表面。所述至少一个垂直延伸沟槽69可包括多个垂直延伸沟槽。尽管出于例示性目的，图1f绘示两个垂直延伸沟槽69，然而附加的垂直延伸沟槽69预期处于本公开的范围内。

每一垂直延伸沟槽69可在最顶部分处(即，与蚀刻终止介电材料层30的顶表面邻接的周边处)具有相应的宽度w。宽度w可在每一垂直延伸沟槽69的彼此面对的侧壁的相对区段的顶部边缘之间测量。例如，对于具有矩形开口的垂直延伸沟槽69，或者对于内侧壁及外侧壁位于半径不同的两个同心圆的相应圆弧上的垂直延伸沟槽，宽度w可在整个垂直延伸沟槽69中为均匀的。作为另外一种选择，所述至少一个垂直延伸沟槽69中的一者或多者可具有宽度调制(widthmodulation)。例如，具有宽度调制的垂直延伸沟槽69的最大宽度可为宽度w，且垂直延伸沟槽69可包括至少一个区具有比宽度w小的宽度。

此外，每一垂直延伸沟槽69在顶部周边与底表面之间可具有相应的深度d。对于每一垂直延伸沟槽69，深度d可为宽度w的至少两倍。在一个实施例中，每一垂直延伸沟槽69的纵横比(aspectratio)(即，深度d对宽度w的比)可在2到40(例如3到10)范围内(即，深度d为宽度w的两倍到深度d为宽度w的40倍)。在一个实施例中，每一垂直延伸沟槽69可具有竖直侧壁。在此种实施例中，每一垂直延伸沟槽69的竖直侧壁可为垂直的，或者可具有大于0度且小于45度(例如0度到10度之间)的锥角(taperangle)。作为另外一种选择，垂直延伸沟槽69的侧壁可为上凸或下凹的，宽度随着距包括蚀刻终止介电材料层30的顶表面在内的水平面的距离增加而大致减小。在非限制性例示性实例中，尽管也可使用较小的尺寸及较大的尺寸，然而每一垂直延伸沟槽69可具有在150nm到5,000nm范围内的宽度w及在300nm到10,000nm范围内的深度。每一垂直延伸沟槽69的纵横比可在1.0到60(例如1.5到10)范围内。

参照图1g，每一垂直延伸沟槽69中及蚀刻终止介电材料层30的顶表面之上可沉积含出气材料层62l。含出气材料层62l包括包含出气材料的至少一个连续层，所述至少一个连续层在本文中称为至少一个连续出气材料层。含出气材料层62l可在一些实施例中由所述至少一个连续出气材料层组成，或者可在随后要阐述的一些其他实施例中包括至少一个附加材料层。在一个实施例中，含出气材料层62l可由单个连续出气材料层或者多个连续出气材料层的堆叠组成。

含出气材料层62l内的每一连续出气材料层包含能够在高于室温的温度下排出气体的出气材料。在例示性实例中，含出气材料层62l可包括连续出气材料层，所述连续出气材料层接触使用氧化硅沉积工艺沉积、随后排出气体的氧化硅材料。各种类型的氧化硅材料可采用例如溅镀(物理气相沉积)、等离子体增强型化学气相沉积(plasma-enhancedchemicalvapordeposition，pecvd)、高密度等离子体化学气相沉积(highdensityplasmachemicalvapordeposition，hdpcvd)及热氧化硅沉积等沉积工艺来沉积。含出气材料层62l的每一垂直部分在相应垂直延伸沟槽69的开口处的侧向厚度t小于相应垂直延伸沟槽69的宽度w的一半。例如，尽管也可使用较小的侧向厚度及较大的侧向厚度，然而含出气材料层62l的每一垂直部分的侧向厚度t可在50nm到2,500nm范围内。一般来说，含出气材料层62l的每一垂直部分的侧向厚度t足够厚(例如，大于50nm)以包含显著量的出气材料，且足够薄(例如，小于2,500nm)以使得能够通过例如化学气相沉积等可商业购得的膜沉积技术进行沉积。每一垂直延伸沟槽69的中心区内存在垂直延伸空腔69’。因此，含出气材料层62l的每一垂直延伸部分可在实体上暴露于相应的垂直延伸沟槽69。含出气材料层62l的垂直延伸部分的每一在实体上被暴露出的表面可包括垂直延伸表面(即，沿垂直方向延伸的表面)，且可具有竖直侧壁、下凹侧壁或上凸侧壁。如果含出气材料层62l的垂直延伸部分的在实体上被暴露出的表面具有竖直侧壁，则所述竖直侧壁可为垂直的或锥形的(tapered)。

氧化硅材料的气体含量及出气速率可通过改变例如腔室压力、气体流速及射频(radio-frequency，rf)功率等沉积工艺参数来调节。作为另外一种选择，含出气材料层62l可由例如(但不限于)聚酰亚胺、聚(对二甲苯)衍生物及其他有机化合物等能够排出气体的任何材料构成。在一个实施例中，含出气材料层62l可包括其中的至少一个材料层能够排出气体的多个材料层，和/或可由其中的至少一个材料层能够排出气体的多个材料层组成。

用于沉积含出气材料层62l的沉积工艺包括(但不限于)等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)、高密度等离子体化学气相沉积(hdpcvd)、低压化学气相沉积(lowerpressurechemicalvapordeposition，lpcvd)、磁控管溅镀(magnetronsputtering)、热蒸镀(thermalevaporation)、电子束蒸镀(e-beamevaporation)及原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)。

参照图1h，含出气材料层62l的上覆在包括蚀刻终止介电材料层30的顶表面在内的水平表面之上的水平部分可通过平坦化工艺移除。例如，可执行各向异性蚀刻工艺以移除含出气材料层62l的上覆在包括蚀刻终止介电材料层30的顶表面在内的水平表面之上的水平部分。可选地，在各向异性蚀刻工艺期间，可采用图案化光刻胶层(未示出)来覆盖包括垂直延伸沟槽69的区域。光刻胶层可随后例如通过灰化(ashing)来移除。含出气材料层62l的位于相应的垂直延伸沟槽69内的每一其余部分构成含出气材料部分62。

一般来说，含出气材料层62l内的连续出气材料层的水平部分可在包括所述至少一个垂直延伸沟槽69的区外部进行移除。含出气材料层62l内的连续出气材料层的水平部分可通过不使用任何蚀刻掩模层的各向异性蚀刻工艺或使用覆盖包括所述至少一个垂直延伸沟槽69的区的图案化光刻胶层的各向异性蚀刻工艺来移除。在一个实施例中，含出气材料层62l可被从包括蚀刻终止介电材料层30的顶表面在内的水平面上方整体地移除，或者仅在未被图案化光刻胶层覆盖的区域外部进行移除。如果使用图案化光刻胶层，则图案化光刻胶层可在所述至少一个垂直延伸沟槽69的整个区域之上连续地延伸。

每一含出气材料部分62可包括具有垂直延伸表面的垂直延伸出气材料部分。含出气材料部分62的每一垂直延伸表面可具有竖直侧壁、下凹侧壁或上凸侧壁。如果含出气材料部分62具有竖直侧壁，则所述竖直侧壁可为垂直的或锥形的。垂直延伸出气材料部分的每一垂直延伸表面可在实体上暴露于、且因此可接触位于相应垂直延伸沟槽69中的相应垂直延伸空腔69’。

含出气材料部分62的每一垂直延伸外侧壁的上部周边可与本文中称为水平参考表面的同一水平表面邻接。在一个实施例中，水平参考表面可为蚀刻终止介电材料层30的顶部水平表面。在一个实施例中，含出气材料部分62的每一垂直延伸出气材料部分的垂直幅度可大于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者在参考水平面的水平高度处的侧向尺寸(例如宽度w)。在一个实施例中，含出气材料部分62的每一垂直延伸出气材料部分的侧向厚度t可小于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者的侧向尺寸(例如宽度w)的一半。

参照图1i，可提供基质材料层10l。基质材料层10l可包含半导体材料，所述半导体材料可为硅、锗、硅-锗合金、可被掺杂以局部地更改电导率的化合物半导体材料或者任何其他半导体材料。在一个实施例中，尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而基质材料层10l可具有在30微米到1mm范围内的厚度。在一个实施例中，基质材料层10l可包括氢植入层，以提供对基质材料层10l的后续切割(cleaving)。在此种实施例中，尽管也可使用较小的深度及较大的深度，然而氢植入层相对于基质材料层10l的主表面的深度可在100nm到3微米(例如300nm到1,000nm)范围内。

基质材料层10l可贴合到mems支撑结构500。在一个实施例中，基质材料层10l可例如通过氧化物到半导体结合而结合到mems支撑结构500的结合级介电材料层34。例如，基质材料层10l可压抵结合级介电材料层34的顶表面，且可在150摄氏度到400摄氏度范围内的温度下进行退火，以在结合级介电材料层34与基质材料层10l之间引发结合。可形成mems支撑结构500与基质材料层10l的结合组装件。蚀刻终止介电材料层30与基质材料层10l之间可形成侧向延伸空腔39。垂直延伸空腔69’中的每一者可连接到侧向延伸空腔39中的相应一者。

参照图1j，基质材料层10l可被薄化以提供薄化基质材料层10t。尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而薄化基质材料层10t的厚度可在100nm到50微米(例如2微米到20微米)范围内。在一个实施例中，基质材料层10l的薄化可通过研磨、抛光、各向同性蚀刻工艺、各向异性蚀刻工艺或其组合执行。在其中可在基质材料层10l内提供氢植入层的实施例中，可使用切割工艺移除基质材料层10l的与氢植入层相比距mems衬底50更远的远端部分。在采用切割工艺的实施例中，对于切割工艺，可执行以400摄氏度到600摄氏度范围内的升温过程进行的退火，以在基质材料层10l内的氢植入层的水平高度处引发氢原子的鼓泡(bubbling)。一般来说，mems支撑结构500之上可形成例如薄化基质材料层10t等包含半导体材料的基质材料层。

参照图1k，薄化基质材料层10t之上可施加光刻胶层(未示出)，且光刻胶层可被光刻图案化，以在于随后要从薄化基质材料层10t中图案化出的可移动元件与基质层之间定义间隙19的区域中形成开口。换句话说，光刻胶层中的开口的图案可包括随后要从薄化基质材料层10t中图案化出的可移动元件与基质层之间的间隙19的图案。

可执行各向异性蚀刻工艺以经由薄化基质材料层10t转移光刻胶层中的开口的图案。薄化基质材料层10t可被划分成多个部分，所述多个部分包括可移动元件(10a、10b)及侧向环绕可移动元件(10a、10b)中的每一者的基质层10。一般来说，可移动元件(10a、10b)可包括能够弯曲、振动、变形、移位、旋转、扭曲及进行任何其他类型的形状、位置和/或取向上的变化的任何元件。在例示性实例中，可移动元件(10a、10b)可包括形成在第一器件区101中的第一可移动元件10a及形成在第二器件区102中的第二可移动元件10b。例如，第一可移动元件10a可用于加速度计，且第二可移动元件10b可用于陀螺仪。一般来说，第一可移动元件10a可被配置成在比第二可移动元件10b高的气氛压力下进行操作。换句话说，包括第一可移动元件10a的mems器件的最佳操作压力可高于包括第二可移动元件10b的mems器件的最佳操作压力。

根据本公开的方面，垂直延伸沟槽69及含出气材料部分62可仅形成在第一器件区101的区域中，且不形成在第二器件区102的区域中。根据本公开的另一方面，垂直延伸沟槽69及含出气材料部分62可以比在第二器件区102的区域中高的区域密度形成在第一器件区101的区域中。

从薄化基质材料层10t中可图案化出附加的可移动元件(未示出)。在侧向上环绕可移动元件(10a、10b)中的每一者的薄化基质材料层10t的连续其余部分构成mems器件的静止部分，可相对于所述静止部分来测量可移动元件(10a、10b)的相对移动。mems器件的静止其余部分在本文中称为基质层10。可移动元件(10a、10b)与基质层10可包含相同的材料。在一个实施例中，可移动元件(10a、10b)与基质层10可包含相同的半导体材料，所述半导体材料在本文中称为第一半导体材料。可移动元件(10a、10b)的子集和/或部分可视需要掺杂有p型掺杂剂和/或n型掺杂剂。基质层10与各种可移动元件(10a、10b)之间可形成向下延伸到侧向延伸空腔39的间隙19。

可移动元件(10a、10b)可通过间隙19从基质层10上拆离。提供mems组装件，mems组装件可包括mems支撑结构500、基质层10及在侧向上通过基质层10限定的至少一个可移动元件(10a、10b)。mems支撑结构500包括mems衬底50、内连线级介电材料层20、蚀刻终止介电材料层30、结合级介电材料层34、结合级金属内连线结构32及含出气材料部分62，内连线级介电材料层20位于mems衬底50与基质层10之间且具有形成在内连线级介电材料层20内的金属内连线结构22，含出气材料部分62位于垂直延伸沟槽69内。一般来说，至少一个可移动元件(10a、10b)可在侧向上限定在上覆在mems支撑结构500之上的基质层10内。含出气材料部分62可形成在mems支撑结构500中、基质层10与mems衬底50之间。图1k中所示结构包括mems组装件，mems组装件可随后结合到顶盖结构以形成mems器件。

参照图2a，示出顶盖结构700，在进一步图案化时，顶盖结构700可随后结合到图1k所示基质层10。顶盖结构700包括在本文中称为顶盖衬底70的衬底。顶盖衬底70可包含半导体材料、绝缘材料和/或导电材料。在一个实施例中，顶盖衬底70可包含在本文中称为第二半导体材料的半导体材料。例如，顶盖衬底70可包括硅衬底。尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而顶盖衬底70的厚度可在60微米到1mm范围内。可选地，顶盖结构700的背侧上可设置有例如场效晶体管(未示出)等互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，cmos)器件。

顶盖结构700可具有以图1k中所示mems组装件的各种器件区(第一器件区101、第二器件区102)的图案的镜像图案排列的多个器件区。例如，顶盖结构700可包括第一器件区201、第二器件区202及可选的附加器件区(未示出)。顶盖结构700的第一器件区201可具有图1k所示mems组装件的第一器件区101的镜像形状，且顶盖结构700的第二器件区202可具有图1k所示mems组装件的第二器件区102的镜像形状。

顶盖衬底70的顶侧上可沉积结合材料以形成结合材料层72。结合材料层72的结合材料可包括可与基质层10的半导体材料结合的任何材料。例如，结合材料层72可包含可与基质层10的半导体材料形成硅-氧化硅结合的氧化硅、可与基质层10的半导体材料形成共晶结合(eutecticbonding)的金属材料(例如铝、铝-硅合金或铝-锗合金)或者可与基质层10的半导体材料形成真空气密密封的任何其他粘合材料。作为另外一种选择，在图1j所示处理步骤之后且在图1k所示处理步骤之前，薄化基质材料层10t的表面部分可通过等离子体氧化工艺而氧化，以在可移动元件(10a、10b)中的每一者的顶部上及基质层10的顶部上提供氧化硅表面部分，且结合材料层72可包含氧化硅，所述氧化硅随后用于与上覆在基质层10之上的氧化硅表面层进行氧化硅-氧化硅结合。

在一个实施例中，结合材料层72可包含氧化硅，且尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而结合材料层72可具有在30nm到300nm范围内的厚度。结合材料层72可共形地或非共形地沉积。例如，结合材料层72可包含通过使原硅酸四乙酯分解而形成的未经掺杂硅酸盐玻璃。在另一个实施例中，尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而结合材料层72可包含具有在20nm到2000nm范围内的厚度的铝、铝-硅合金或硅-锗合金。

参照图2b，顶盖结构700的顶表面可使用光刻图案化工艺与蚀刻工艺的至少一种组合来图案化。在每一光刻图案化工艺中，在顶盖结构700的顶表面之上施加光刻胶层，且将光刻胶层光刻曝光及显影以形成充当蚀刻掩模层的图案化光刻胶层。在每一蚀刻工艺中，使用图案化光刻胶层作为蚀刻掩模层移除顶盖结构700的未被遮掩的表面部分。蚀刻工艺可包括各向同性蚀刻工艺(例如湿蚀刻工艺)或各向异性蚀刻工艺(例如反应性离子蚀刻工艺)。可选择蚀刻工艺的持续时间以控制通过蚀刻工艺形成的凹陷的深度。在蚀刻工艺之后可例如通过灰化移除光刻胶层。

第一器件区201中可形成具有第一凹陷表面的第一凹陷区177，且第二器件区202中可形成具有第二凹陷表面的第二凹陷区277。第一凹陷表面随后用作第一可移动元件10a的第一顶盖表面，且第二凹陷表面随后用作第二可移动元件10b的第二顶盖表面。可执行光刻图案化工艺与蚀刻工艺的多种组合以在各种器件区上提供具有不同深度的各种凹陷表面。例如，第一器件区201中的凹陷表面可具有与第二器件区202中的凹陷表面不同的凹陷深度。此外，凹陷表面中的至少一者可具有台阶，以在相应的凹陷表面中提供图案。对于要在各种器件区中形成的每一mems器件，可优化每一凹陷表面的图案及深度。尽管也可使用较小的深度及较大的深度，然而如从结合材料层72的顶表面测量的凹陷表面的深度可在50nm到50微米范围内。

参照图3，图2b所示顶盖结构700可结合到图1k所示mems组装件，以形成示例性微机电系统(mems)器件300，示例性微机电系统(mems)器件300在本文中称为第一示例性mems器件300。第一示例性mems器件300可具有第一器件区301及第二器件区302。在此所示实施例中，顶盖结构700可结合到基质层10，从而使得顶盖结构700的前侧(即，如图2b中所示的上侧)面对基质层10(将图2b中所示的顶盖结构700有效地上下翻转)。在一个实施例中，顶盖结构700到基质层10的结合可通过将基质层10结合到结合材料层72来实现。视结合材料层72的材料组合物而定，所述结合可使用硅到氧化硅结合、基质层10的金属与半导体材料之间的共晶结合或者氧化硅到氧化硅结合(在此种情形中，氧化硅层设置在基质层10的顶表面上且结合到结合材料层72的氧化硅材料)。

在将顶盖结构700结合到基质层10期间，可通过在第一可移动元件10a之上对准顶盖结构700的第一凹陷区来形成包括第一可移动元件10a的第一密封腔室109。第一密封腔室109包括上覆在第一可移动元件10a之上的第一头部体积，且第二密封腔室209包括上覆在第二可移动元件10b之上的第二头部体积。第一密封腔室109可在侧向上通过基质层10限界(bound)，且可在垂直方向上通过上覆在第一可移动元件10a之上的第一顶盖表面限界。第一mems器件100包括第一可移动元件10a、第一密封腔室109及第一顶盖表面。第一mems器件100可形成加速度计。

在将顶盖结构700结合到基质层10期间，可通过在第二可移动元件10b之上对准顶盖结构700的第二凹陷区来形成包括第二可移动元件10b的第二密封腔室209。第二密封腔室209可包括上覆在第二可移动元件10b之上的第二头部体积。第二密封腔室209可在垂直方向上通过上覆在第二可移动元件10b之上的第二顶盖表面限界。第二顶盖表面可包括位于第二凹陷区内的顶盖结构700的平坦水平表面。第二密封腔室209可在垂直方向上通过上覆在第二可移动元件10b之上的第二顶盖表面限界。第二mems器件200包括第二可移动元件10b、第二密封腔室209及第二顶盖表面。本公开的mems器件可为包括第一mems器件100(其可包括加速度计)及第二mems器件200(其可包括陀螺仪)的复合mems器件。

在一个实施例中，第一密封腔室109可通过顶盖结构700的面对基质层10的部分的水平顶盖表面限界。含出气材料部分62的每一垂直延伸出气材料部分可具有在实体上暴露于第一密封腔室109的表面。至少一个垂直延伸沟槽69延伸到内连线级介电材料层20中，且包括具有接触(且因此，在实体上暴露于)相应垂直延伸空腔69’的表面的相应垂直延伸出气材料部分。每一垂直延伸空腔69’可为第一密封腔室109的部分。在一个实施例中，每一垂直延伸出气材料部分可具有在实体上暴露于第一密封腔室109的表面。通过包括具有形成在第一密封腔室109的侧上但不形成在第二密封腔室209中的含出气材料部分62的所述至少一个垂直延伸沟槽69，可在第一密封腔室109、第二密封腔室209中的每一者中实现不同的压力。

在一个实施例中，内连线级介电材料层20可设置在mems衬底50与基质层10之间。内连线级介电材料层20中及结合级介电材料层34中可形成金属内连线结构(22、32)。在一个实施例中，所述至少一个垂直延伸沟槽69延伸穿过内连线级介电材料层20中的至少一者。在一个实施例中，每一垂直延伸出气材料部分整体地位于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者的体积内。

在一个实施例中，mems衬底50上的半导体器件80之间可设置有对第一mems器件100及第二mems器件200中的每一者进行控制的cmos电路。作为另外一种选择，或者另外，在顶盖结构700中或顶盖结构700上可设置有对mems器件(100、200)中的一者或多者进行控制的半导体器件。

参照图4，示出根据本公开第二实施例的第二示例性mems器件300。第二示例性mems器件可通过修改所述至少一个垂直延伸沟槽69的深度d、且因此修改每一含出气材料部分62的垂直幅度而从图4所示第一示例性mems器件衍生出。具体来说，形成所述至少一个垂直延伸沟槽69的各向异性蚀刻工艺可被修改成使得所述至少一个垂直延伸沟槽69垂直地延伸穿过内连线级介电材料层20中的每一者且到达mems衬底50的上部部分中。含出气材料部分62的每一垂直延伸出气材料部分可整体地位于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者的体积内。在一个实施例中，垂直延伸沟槽69中的每一含出气材料部分62可形成为其中无孔洞穿过的单个连续材料部分。

参照图5，示出根据本公开第三实施例的第三示例性mems器件300。本公开的第三示例性mems器件300可通过使用包括图1h所示处理步骤处的蚀刻工艺在内的光刻图案化工艺与图案转移工艺的组合将含出气材料层62l图案化而从本公开的第一示例性mems器件300或第二示例性mems器件衍生出。具体来说，可在含出气材料层62l之上施加光刻胶层，且可将光刻胶层光刻图案化以移除位于包括所述至少一个垂直延伸沟槽69的区外部的含出气材料层62l的水平部分。光刻胶层的其余部分可在所述至少一个垂直延伸沟槽69之上延伸，且可覆盖所述至少一个垂直延伸沟槽69中的每一者。被图案化光刻胶层覆盖的区域可完全地位于第一器件区101的区域内。含出气材料层62l的未被图案化光刻胶层覆盖的部分可通过蚀刻工艺移除，所述蚀刻工艺相对于薄化基质材料层10t的材料选择性地蚀刻含出气材料层62l的材料。光刻胶层可例如通过灰化来移除。含出气材料部分62可形成为无任何孔洞穿过的单个连续材料部分。如果存在多个垂直延伸沟槽69，则含出气材料部分62可包括多个垂直延伸出气材料部分，所述多个垂直延伸出气材料部分与和蚀刻终止介电材料层30的水平表面(即，顶表面)接触的水平延伸出气材料部分邻接。第三示例性mems器件300的所述至少一个垂直延伸出气材料部分可包括含出气材料部分62的部分，所述部分包括和蚀刻终止介电材料层30的水平表面接触的水平延伸部分。在其中可在顶盖结构700中形成所述至少一个含出气材料部分62的替代性实施例中，第三示例性mems器件300的所述至少一个垂直延伸出气材料部分可包括水平延伸部分，所述水平延伸部分接触顶盖结构700的面对基质层10的部分的水平表面。

参照图6a及图6b，示出根据本公开第四实施例的第四示例性mems器件300的配置。在此种实施例中，每一垂直延伸沟槽69的侧壁可包括如图6a中所示的至少一个锥形表面，和/或如图6b中所示的至少一个反锥形(retro-tapered)和/或下凹表面。基于在1g所示处理步骤处的各向异性蚀刻工艺期间聚合光刻胶材料的形成，可通过执行引发图案化光刻胶层中的光刻胶材料与垂直延伸沟槽69的侧壁涂层的聚合的各向异性蚀刻工艺来形成垂直延伸沟槽69的锥形表面。在实施例中，可提供图6a中所示配置。作为另外一种选择，可通过执行一系列处理步骤而非图1f所示各向异性蚀刻工艺来形成包括反锥形表面和/或具有瓶形状(bottleshape)的垂直延伸沟槽69。例如，在图1f所示处理步骤之后，可相对于蚀刻终止介电材料层30的材料选择性地蚀刻内连线级介电材料层20的材料。在此种实施例中，内连线级介电材料层20的材料可通过经由垂直延伸沟槽69的上部部分提供至少一种各向同性蚀刻剂来各向同性地蚀刻。垂直延伸沟槽69可在侧向上扩展以提供图6b中所示的瓶形轮廓和/或反锥形表面。

参照图7a至图7c，示出可用于本公开实施例中的任一者的垂直延伸沟槽69的各种水平横截面图(其可与相应的俯视图相同)。在一些实施例中，垂直延伸沟槽69可具有如图7a中所示的环形矩形形状或任何其他多边形或曲线环形形状。在一些实施例中，如图7b及图7c中所示，垂直延伸沟槽69可具有非环形多边形形状或拥有相应单个周边的大致为曲线的形状。图1f中所示的宽度w可对应于每一对相面对的侧壁区段之间的侧向距离。例如，图1f中所示的宽度w可对应于具有圆形状或圆直径的矩形部分的纵向侧壁之间的侧向分离距离。在其中不存在一对相面对的侧壁区段的实施例中，例如在为三角形形状的实施例中，图1f中所示的宽度w可界定在多边形的竖直侧壁与远端顶点之间。一般来说，每一含出气材料部分62的侧向厚度可被控制成使得在图1h所示处理步骤处在每一垂直延伸沟槽69内形成垂直延伸空腔69’。

参照图8a，示出根据本公开第五实施例的第五示例性mems器件300的第一示例性配置。第一示例性mems器件300可通过沉积含出气材料层62l的多个层而从上述第一至第四示例性mems器件300中的任一者衍生出。例如，含出气材料层62l可通过依序沉积出气材料层622、粘合促进材料层623及疏水涂布层624来形成。出气材料层622包含通过高密度等离子体化学气相沉积工艺形成的出气材料(例如氧化硅)或者上述其他出气材料中的任一种。处于本公开的预期范围内的其他合适的材料。

粘合促进材料层623包含使疏水涂布层624的材料与出气材料层622的粘合增强的材料。粘合促进材料层623防止疏水涂布层624从出气材料层622剥落，且因此防止产生微粒且防止可移动元件在经包封空腔中的移动受阻。在例示性实例中，粘合促进材料层623可包含具有与出气材料层622的材料不同的材料组合物的氧化硅材料，且提供充当疏水涂布层624的材料的更好成核表面(nucleationsurface)的连续氧化硅表面。例如，粘合促进材料层623可包含通过等离子体增强型化学气相沉积工艺或通过原子层沉积工艺形成的氧化硅。尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而粘合促进材料层623的厚度可在1nm到20nm范围内。在实施例中，粘合促进材料层623可足够厚(例如，厚度大于1nm)以形成连续材料层，且可足够薄(例如，小于20nm)以使粘合促进材料层623所占用的体积最小化且为出气材料层提供更多空间。

疏水涂布层624可包含提供疏水表面的材料。在一个实施例中，疏水涂布层624可包含具有在实体上暴露于气氛的疏水官能基的自组装聚合物材料，和/或本质上由自组装聚合物材料组成。在一个实施例中，疏水涂布层624可包含可涂布在粘合促进材料层623的表面上的自组装聚合物材料。例如，比如cf3(cf2)5(ch2)2sicl3(fots)、cf3(cf2)5(ch2)2si(oc2h5)3(fotes)、cf3(cf2)5(ch2)2si(ch3)c12(fomds)、cf3(cf2)5(ch2)2si(ch3)2c1(fomms)、cf3(cf2)7(ch2)2sic13(fdts)或ch3(ch2)17(ch2)2sicl3(ots)等有机硅烷前体。处于本公开的预期范围内的其他合适的材料。用于形成具有在实体上被暴露出的疏水官能基的自组装聚合物材料层的工艺是已知的，例如见于庄(zhuang)等人的“mems中的抗粘连应用的气相自组装单层(vapor-phaseself-assembledmonolayersforanti-stictionapplicationsinmems)”，《微机电系统期刊》16(6):1451-1460，2008年1月。

疏水涂布层624及粘合促进材料层623可在出气材料层622在图1h所示处理步骤处或用于将含出气材料层62l图案化的任何等效处理步骤处进行图案化的同时被图案化。第五示例性mems器件300的第一示例性配置可包括位于出气材料层622的每一部分(包括每一垂直延伸出气材料部分)之上的粘合促进材料层623以及位于粘合促进材料层623上的疏水涂布层624。在此种实施例中，含出气材料部分62内的每一垂直延伸出气材料部分(包括出气材料层622)可接触与相应疏水涂布层624接触的相应粘合促进材料层623。

参照图8b，第五例示性mems器件300的第二例示性配置可通过使用胶水材料层621增强出气材料层622对基质层10和/或对内连线级介电材料层20的粘合而从第五示例性mems器件300的第一示例性配置衍生出。在一个实施例中，胶水材料层621可包含所含气体少于出气材料层622的氧化硅材料。例如，胶水材料层621可包含通过等离子体增强型化学气相沉积工艺或通过原子层沉积工艺形成的氧化硅。尽管也可使用较小的厚度及较大的厚度，然而胶水材料层621的厚度可在3nm到6nm范围内。在此种实施例中，含出气材料部分62内的每一垂直延伸出气材料部分(包括出气材料层622)可通过相应的胶水材料层621贴合到基质层10。每一疏水涂布层624可包含具有在实体上暴露于第一密封腔室109的疏水官能基的自组装聚合物材料，和/或可本质上由自组装聚合物材料组成。

在替代实施例中，所述至少一个垂直延伸沟槽69可形成在顶盖结构700中，且可垂直地延伸穿过上覆在第一密封腔室109之上的第一顶盖表面。在此种实施例中，含出气材料部分62内的每一垂直延伸出气材料部分(包括出气材料层622)可形成在顶盖结构700中，且可通过相应的胶水材料层621贴合到顶盖结构700的面对基质层10的部分。每一疏水涂布层624可包含具有在实体上暴露于第一密封腔室109的疏水官能基的自组装聚合物材料，和/或可本质上由自组装聚合物材料组成。

参照图8a及图8b中所示实施例，通过为出气膜提供多个层(例如疏水涂布层624)，可移动元件10a、10b的粘连风险可降低。

参照图9a及图9b，第六示例性mems器件300可通过形成与第一密封腔室109及作为第一密封腔室109的部分的至少一个垂直延伸空腔69’间隔开的至少一个经包封垂直延伸空腔169’而从本公开的前述示例性mems器件300中的任一者衍生出。例如，所述至少一个经包封垂直延伸空腔169’可通过含出气材料部分62的位于相应垂直延伸沟槽69的开口处的区与第一密封腔室109断开连接，且所述至少一个垂直延伸空腔69’可通过相应垂直延伸沟槽69的所述开口连接到第一密封腔室109的第一头部体积。

参照图10，示出根据本公开第七实施例的第七示例性mems器件300。在此实施例中，进行例如反应性离子蚀刻工艺等各向异性蚀刻工艺。每一含出气材料部分62可形成为侧壁间隔壁。每一垂直延伸沟槽69的底表面可在各向异性蚀刻工艺之后在实体上暴露出。含出气材料部分62可包含以上所述的任何材料组合物和/或任何层堆叠。

含出气材料部分62的垂直延伸表面可在实体上暴露于作为第一密封腔室109的部分的垂直延伸空腔69’。每一垂直延伸沟槽69的顶表面可在实体上暴露于第一密封腔室109。在垂直延伸沟槽69延伸到mems衬底50中的实施例中，垂直延伸沟槽69的底表面可为内连线级介电材料层20的表面或mems衬底50的表面，或者在垂直延伸沟槽69形成到顶盖结构700中的实施例中，垂直延伸沟槽69的底表面可为顶盖结构700的表面。

参照图11，提供根据本公开第八实施例的用于形成mems组装件的示例性结构，所述示例性结构可根据图1f所示示例性结构，通过省略图1f、图1g及图1h所示处理步骤且通过执行图1i、图1j及图1k所示处理步骤来提供。换句话说，垂直延伸沟槽69及含出气材料部分62不形成到mems支撑结构500中。

参照图12a，示出在顶盖衬底70的顶表面上形成结合材料层72之后根据本公开第八实施例的顶盖结构700。图12a所示示例性结构可与图2a所示示例性结构相同。

参照图12b，结合材料层72之上可施加光刻胶层(未示出)，且光刻胶层可被光刻图案化，以在第一器件区201的区域内形成至少一个开口。可使用图案化光刻胶层执行各向异性蚀刻工艺，以形成垂直延伸沟槽69。垂直延伸沟槽69可垂直地延伸穿过顶盖结构700的上部部分。每一垂直延伸沟槽69可具有位于顶盖结构700内的底表面。所述至少一个垂直延伸沟槽69可包括多个垂直延伸沟槽69。

每一垂直延伸沟槽69在最顶部分处(即，在与基质层10的顶表面邻接的周边处)可具有相应的宽度w。宽度w可在每一垂直延伸沟槽69的彼此面对的侧壁的相对区段的顶部边缘之间测量。例如，对于具有矩形开口的垂直延伸沟槽69，或者对于内侧壁及外侧壁位于半径不同的两个同心圆的相应圆弧上的垂直延伸沟槽，宽度w可在整个垂直延伸沟槽69中为均匀的。作为另外一种选择，所述至少一个垂直延伸沟槽69中的一者或多者可具有宽度调制。例如，具有宽度调制的垂直延伸沟槽69的最大宽度可为宽度w，且垂直延伸沟槽69可包括至少一个区具有比宽度w小的宽度。

此外，每一垂直延伸沟槽69在顶部周边与底表面之间可具有相应的深度d。对于每一垂直延伸沟槽69，深度d可为宽度w的至少两倍。在一个实施例中，每一垂直延伸沟槽69的纵横比(即，深度d对宽度w的比)可在2到40(例如3到10)范围内。在一个实施例中，每一垂直延伸沟槽69可具有竖直侧壁。在此种实施例中，每一垂直延伸沟槽69的竖直侧壁可为垂直的，或者可具有大于0度且小于45度(例如0度到10度之间)的锥角。作为另外一种选择，垂直延伸沟槽69的侧壁可为上凸或下凹的，宽度随着距包括顶盖结构700的顶表面在内的水平面的距离增加而大致减小。在非限制性例示性实例中，尽管也可使用较小的尺寸及较大的尺寸，然而每一垂直延伸沟槽69可具有在150nm到5,000nm范围内的宽度w及在300nm到10,000nm范围内的深度。

参照图12c，每一垂直延伸沟槽69中及结合材料层72的顶表面之上可沉积含出气材料层62l。含出气材料层62l包括包含出气材料的至少一个连续层，所述至少一个连续层在本文中称为至少一个连续出气材料层。含出气材料层62l可在一些实施例中由所述至少一个连续出气材料层组成，或者可在随后要阐述的一些其他实施例中包括至少一个附加材料层。在一个实施例中，含出气材料层62l可由单个连续出气材料层或者多个连续出气材料层的堆叠组成。

含出气材料层62l内的每一连续出气材料层包含能够在高于室温的温度下排出气体的出气材料。任何出气材料或包含上述出气材料的层堆叠可用于形成含出气材料层62l。含出气材料层62l的每一垂直部分在相应垂直延伸沟槽69的开口处的侧向厚度t小于相应垂直延伸沟槽69的宽度w的一半。例如，尽管也可使用较小的侧向厚度及较大的侧向厚度，然而含出气材料层62l的每一垂直部分的侧向厚度t可在50nm到2,500nm范围内。一般来说，含出气材料层62l的每一垂直部分的侧向厚度t可足够厚(例如，大于50nm)以包含显著量的出气材料，且可足够薄(例如，小于2,500nm)以使得能够通过例如化学气相沉积等可商业购得的膜沉积技术进行沉积。每一垂直延伸沟槽69的中心区内存在垂直延伸空腔69’。因此，含出气材料层62l的每一垂直延伸部分可在实体上暴露于相应的垂直延伸沟槽69。含出气材料层62l的垂直延伸部分的每一在实体上被暴露出的表面可包括垂直延伸表面(即，沿垂直方向延伸的表面)，且可具有竖直侧壁、下凹侧壁或上凸侧壁。如果含出气材料层62l的垂直延伸部分的在实体上被暴露出的表面具有竖直侧壁，则所述竖直侧壁可为垂直的或锥形的。

参照图12d，含出气材料层62l的上覆在包括结合材料层72的顶表面在内的水平表面之上的水平部分可通过平坦化工艺来移除。例如，可执行化学机械平坦化(chemicalmechanicalplanarization，cmp)工艺，以移除含出气材料层62l的上覆在包括结合材料层72的顶表面在内的水平表面之上的水平部分。含出气材料层62l的位于相应垂直延伸沟槽69内的每一其余部分构成含出气材料部分62。

一般来说，含出气材料层62l内的连续出气材料层的水平部分是在包括所述至少一个垂直延伸沟槽69的区外部进行移除。含出气材料层62l内的连续出气材料层的水平部分可通过化学机械平坦化工艺、不使用任何蚀刻掩模层的各向异性蚀刻工艺或使用覆盖包括所述至少一个垂直延伸沟槽69的区的蚀刻掩模层(例如图案化光刻胶层)的各向异性蚀刻工艺来移除。因此，含出气材料层62l可被从包括结合材料层72的顶表面在内的水平面上方整体地移除，或者仅在未被蚀刻掩模层覆盖的区域外部进行移除。如果使用蚀刻掩模层，则蚀刻掩模层可在所述至少一个垂直延伸沟槽69的整个区域之上连续地延伸。

每一含出气材料部分62可包括具有垂直延伸表面的垂直延伸出气材料部分。含出气材料部分62的每一垂直延伸表面可具有竖直侧壁、下凹侧壁或上凸侧壁。如果含出气材料部分62具有竖直侧壁，则所述竖直侧壁可为垂直的或锥形的。垂直延伸出气材料部分的每一垂直延伸表面可在实体上暴露于位于相应垂直延伸沟槽69中的相应垂直延伸空腔69’。

参照图12e，顶盖结构700的顶表面可使用光刻图案化工艺与蚀刻工艺的至少一种组合来图案化。在每一光刻图案化工艺中，在顶盖结构的顶表面之上施加光刻胶层，且将光刻胶层光刻曝光及显影以形成充当蚀刻掩模层的图案化光刻胶层。在每一蚀刻工艺中，使用图案化光刻胶层作为蚀刻掩模层来使顶盖结构700及含出气材料部分62的未被遮掩的表面部分在垂直方向上凹陷。蚀刻工艺可包括各向异性蚀刻工艺(例如反应性离子蚀刻工艺)。可选择蚀刻工艺的持续时间以控制通过蚀刻工艺形成的凹陷的深度。在蚀刻工艺之后可移除光刻胶层。

第一器件区201中可形成具有第一凹陷表面的第一凹陷区177，且第二器件区202中可形成具有第二凹陷表面的第二凹陷区277。第一凹陷表面随后用作第一可移动元件10a的第一顶盖表面，且第二凹陷表面随后用作第二可移动元件10b的第二顶盖表面。可执行光刻图案化工艺与蚀刻工艺的多种组合以在各种器件区上提供具有不同深度的各种凹陷表面。例如，第一器件区201中的凹陷表面可具有与第二器件区202中的凹陷表面不同的凹陷深度。此外，凹陷表面中的至少一者可具有台阶，以在相应的凹陷表面中提供图案。对于要在各种器件区中形成的每一mems器件，可优化每一凹陷表面的图案及深度。尽管也可使用较小的深度及较大的深度，然而如从结合材料层72的顶表面测量的凹陷表面的深度可在50nm到1微米范围内。

含出气材料部分62的每一垂直延伸外侧壁的上部周边可与本文中称为水平参考表面的同一水平表面邻接。在一个实施例中，水平参考表面可为顶盖结构700的凹陷水平表面(即，第一顶盖表面)。

在一个实施例中，位于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者内部的每一垂直延伸出气材料部分(含出气材料部分62)可具有与作为顶盖结构700的水平表面的水平参考表面邻接的外侧壁。在一个实施例中，含出气材料部分62的每一垂直延伸出气材料部分的垂直幅度可大于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者在参考水平面的水平高度处的侧向尺寸(例如宽度w)。在一个实施例中，含出气材料部分62的每一垂直延伸出气材料部分的侧向厚度t可小于所述至少一个垂直延伸沟槽69中的相应一者的侧向尺寸(例如宽度w)的一半。

参照图13，图12e所示示例性结构可结合到图11所示mems组装件以形成第八示例性mems器件300。上述结合方法中的任一种可用于将顶盖结构700结合到mems组装件。

在将顶盖结构700结合到基质层10期间，可通过在第一可移动元件10a之上对准顶盖结构700的第一凹陷区来形成包括第一可移动元件10a的第一密封腔室109。第一密封腔室109包括上覆在第一可移动元件10a之上的第一头部体积，且第二密封腔室209包括上覆在第二可移动元件10b之上的第二头部体积。第一密封腔室109可在侧向上通过基质层10限界，且可在垂直方向上通过上覆在第一可移动元件10a之上的第一顶盖表面限界。第一mems器件100包括第一可移动元件10a、第一密封腔室109及第一顶盖表面。第一mems器件100可形成加速度计。

在将顶盖结构700结合到基质层10期间，可通过在第二可移动元件10b之上对准顶盖结构700的第二凹陷区来形成包括第二可移动元件10b的第二密封腔室209。第二密封腔室209可包括上覆在第二可移动元件10b之上的第二头部体积。第二密封腔室209可在垂直方向上通过上覆在第二可移动元件10b之上的第二顶盖表面限界。第二顶盖表面可包括位于第二凹陷区内的顶盖结构700的平坦水平表面。第二密封腔室209可在垂直方向上通过上覆在第二可移动元件10b之上的第二顶盖表面限界。第二mems器件200可包括第二可移动元件10b、第二密封腔室209及第二顶盖表面。本公开的mems器件可为包括第一mems器件100(其可包括加速度计)及第二mems器件200(其可包括陀螺仪)的复合mems器件。

含出气材料部分62可包含任何出气材料或包含上述出气材料的层堆叠。在一个实施例中，含出气材料部分62的每一相应垂直延伸出气材料部分可整体地位于相应垂直延伸沟槽69的体积内。在一些实施例中，每一垂直延伸出气材料部分可接触与相应疏水涂布层624接触的相应粘合促进材料层623。在一些实施例中，每一垂直延伸出气材料部分通过相应的胶水材料层621贴合到顶盖结构700的面对基质层10的部分。在一些实施例中，每一疏水涂布层624包含具有在实体上暴露于第一密封腔室109的疏水官能基的自组装聚合物材料。

参照图14，示出流程图1400，流程图1400示出一组处理步骤。所述一组处理步骤可被执行用以形成根据本公开实施例的mems器件。

在步骤1410处，可提供mems支撑结构500及顶盖结构700。在步骤1420处，可在mems支撑结构500或顶盖结构700中形成至少一个垂直延伸沟槽69。在步骤1430处，可在所述至少一个垂直延伸沟槽69中的每一者中形成具有在实体上暴露于相应的垂直延伸空腔69’(即，接触相应垂直延伸空腔69’)的表面的垂直延伸出气材料部分(其可设置在相应含出气材料部分62内)。在步骤1440处，可例如通过结合基质材料层10l且可选地对基质材料层10l进行薄化以形成薄化基质材料层10t来将基质材料层10l贴合到mems支撑结构500。在步骤1450处，可通过将基质材料层10l(或薄化基质材料层10t)图案化来形成在侧向上限定在基质层10内的第一可移动元件10a。在步骤1460处，可将基质层10结合到顶盖结构700。形成包含第一可移动元件10a的第一密封腔室109。每一垂直延伸出气材料部分具有在实体上暴露于第一密封腔室109的表面，所述表面可包括暴露于垂直延伸空腔69’的垂直延伸表面和/或暴露于垂直延伸空腔69’或包括经包封垂直延伸空腔169’的含出气材料部分62的水平表面。

本文中所公开的各种实施例提供覆盖垂直延伸沟槽69的侧壁的出气膜(含出气材料部分62)，其中垂直延伸沟槽69可形成在mems支撑结构500中或顶盖结构700中。通常，可以出气膜填充密封腔室(例如，第一密封腔室109、第二密封腔室209)中的阱。在此种配置中，出气膜可仅从顶表面排出气体。通过在垂直延伸沟槽69的侧壁上形成出气膜(含出气材料部分62)但不完全填充垂直延伸沟槽69，出气膜(含出气材料部分62)的表面积可增加。因此，可向密封腔室(例如第一密封腔室109)中提供增加的出气，以增加密封腔室(例如第一密封腔室109)内部的压力。在许多情形中，所提供的出气量可与出气膜的暴露表面积成比例。在一些实施例中，垂直延伸沟槽69的深度可大于出气膜的厚度，但小于衬底(例如mems支撑结构500或顶盖结构700)的厚度。在一些实施例中，出气膜(含出气材料部分62)可包括多个膜(胶水材料层621、出气材料层622、粘合促进材料层623、疏水涂布层624)的堆叠，以增加出气及提供附加的功能性。例如，当顶部膜(即，疏水涂布层624)是疏水的时，出气膜(含出气材料部分62)可提供出气压力，但也可降低粘连的可能性。因此，本文中所公开的各种实施例可在于衬底上使用与在传统方式中使用的占用面积(foot-print)相同的占用面积的同时使密封腔室109中的出气压力增加。因此，当仅可提供小的区域以放置出气膜时，本文中所公开的各种实施例可进一步增加出气膜(含出气材料部分62)的深度及表面积，以提供增加的排出气体量。

本公开的各种实施例可通过使用其中可沉积更多出气材料的至少一个垂直延伸沟槽69而每面积提供比现有技术出气材料结构多的出气材料。气体向包括可移动元件的密封腔室释放可通过以下方式实现：尽管可作为替代形成经包封垂直延伸空腔169’且可使用出气材料的不同表面将气体释放到密封腔室中，然而在所述至少一个垂直延伸沟槽69中提供出气材料的垂直延伸表面，从而使得垂直延伸表面在实体上暴露于作为包含可移动元件的密封腔室的部分的垂直延伸空腔69’。每面积更大的出气材料量可在mems器件的密封腔室中提供比现有技术mems器件高的腔室压力。此外，可为不同mems器件提供不同数目的垂直延伸空腔69’，以优化位于不同mems器件中的每一密封腔室的操作压力。

根据本公开的实施例，提供一种微机电系统(mems)器件，所述mems器件包括：mems支撑结构500，通过基质层10结合到顶盖结构700；第一可移动元件10a，位于在侧向上通过基质层10限界的第一密封腔室109内部；至少一个垂直延伸沟槽69，延伸到mems支撑结构中或者顶盖结构700的面对基质层10的部分中，且包括相应的垂直延伸出气材料部分(如包含在相应的含出气材料部分62中)，所述垂直延伸出气材料部分具有与相应的垂直延伸空腔(69’和/或169’)接触(且因此，在实体上暴露于所述垂直延伸空腔)的表面，其中所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分具有在实体上暴露于第一密封腔室109的表面。

在一些实施例中，位于所述至少一个垂直延伸沟槽中相应的一个垂直延伸沟槽内部的所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分具有外侧壁，所述外侧壁邻接从所述微机电系统支撑结构的水平表面及所述顶盖结构的水平表面选择的水平参考表面。在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分具有垂直幅度且具有侧向厚度，所述垂直幅度大于所述至少一个垂直延伸沟槽中相应的所述一个垂直延伸沟槽在所述水平参考表面的水平高度处的侧向尺寸，所述侧向厚度小于所述至少一个垂直延伸沟槽中相应的所述一个垂直延伸沟槽的所述侧向尺寸的一半。在一些实施例中，进一步包括：介电材料层，设置在所述微机电系统支撑结构内；以及金属内连线结构，位于所述介电材料层中，其中所述至少一个垂直延伸沟槽延伸到所述介电材料层中的至少一者中。在一些实施例中，所述微机电系统支撑结构包括微机电系统衬底；并且所述至少一个垂直延伸沟槽垂直地延伸到所述微机电系统衬底的上部部分中。在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一相应的垂直延伸出气材料部分整体地位于所述至少一个垂直延伸沟槽中相应的一个垂直延伸沟槽的体积内。在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一相应的垂直延伸出气材料部分包括含出气材料层的部分，所述含出气材料层的所述部分包括水平延伸部分，所述水平延伸部分接触所述微机电系统支撑结构的水平表面或者所述顶盖结构的面对所述基质层的所述部分的水平表面。在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分接触与相应的疏水涂布层接触的相应的粘合促进材料层。在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分通过相应的胶水材料层贴合到所述微机电系统支撑结构及所述顶盖结构的面对所述基质层的所述部分中的一者。在一些实施例中，所述疏水涂布层中的每一疏水涂布层包含具有在实体上暴露于所述第一密封腔室的疏水官能基的自组装聚合物材料。在一些实施例中，所述第一密封腔室通过所述顶盖结构的面对所述基质层的所述部分的水平顶盖表面限界；并且所述至少一个垂直延伸沟槽中的每一者延伸到所述顶盖结构的面对所述基质层的所述部分中，且具有相应的周边邻接所述水平顶盖表面。

根据本公开的实施例，提供一种半导体芯片，所述半导体芯片包括：mems支撑结构500，通过基质层10结合到顶盖结构700；mems器件100，包括位于在侧向上通过基质层10限界的第一密封腔室109内部的第一可移动元件10a；半导体电路，位于mems支撑结构500及顶盖结构700中的一者中，且被配置成感测或控制mems器件100；至少一个垂直延伸沟槽69，延伸到mems支撑结构500中或者顶盖结构700的面对基质层10的部分中，且包括相应的垂直延伸出气材料部分，所述垂直延伸出气材料部分具有与相应的垂直延伸空腔69’接触的表面。

在一些实施例中，所述垂直延伸空腔中的每一垂直延伸空腔是所述第一密封腔室的部分。在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分接触与相应的疏水涂布层接触的相应的粘合促进材料层。

根据本公开的又一方面，提供一种形成微机电系统(mems)器件的方法。可提供mems支撑结构500及顶盖结构700，以形成至少一个mems器件。可在mems支撑结构500或者顶盖结构700的部分中形成至少一个垂直延伸沟槽69。可在所述至少一个垂直延伸沟槽69内形成垂直延伸出气材料部分(含出气材料部分62)。垂直延伸出气材料部分(含出气材料部分62)可具有在实体上暴露于所述至少一个垂直延伸沟槽中的每一者中的相应的垂直延伸空腔的表面。可将基质材料层10l贴合到mems支撑结构500。可通过将基质材料层10l(或薄化基质材料层10t)图案化来形成第一可移动元件10a，第一可移动元件10a在侧向上被基质层10环绕。可将基质材料层10l结合到顶盖结构700，从而使得形成包含第一可移动元件的第一密封腔室109。当结合时，垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分(含出气材料部分62)具有在实体上暴露于第一密封腔室109的表面。

在一些实施例中，所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分是通过以下方式形成：在所述至少一个垂直延伸沟槽中的每一者中沉积连续出气材料层；以及移除位于包括所述至少一个垂直延伸沟槽的区外部的所述连续出气材料层的水平部分。在一些实施例中，所述微机电系统支撑结构上设置有多个介电材料层，且所述基质材料层形成在所述多个介电材料层上；所述至少一个垂直延伸沟槽被形成为穿过所述多个介电材料层中的至少一者。在一些实施例中，所述至少一个垂直延伸沟槽延伸到所述顶盖结构中；并且所述方法包括通过在将所述基质层结合到所述顶盖结构之前使所述顶盖结构的包括所述至少一个垂直延伸沟槽的区凹陷来形成水平顶盖表面。在一些实施例中，进一步包括：在所述垂直延伸出气材料部分中的每一垂直延伸出气材料部分之上沉积粘合促进材料层；在所述粘合促进材料层上形成疏水涂布层；以及将所述疏水涂布层及所述粘合促进材料层图案化。在一些实施例中，所述疏水涂布层中的每一疏水涂布层包含具有在实体上暴露于所述第一密封腔室的疏水官能基的自组装聚合物材料。

以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本公开的方面。所属领域中的技术人员应理解，其可容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，此种等效构造并不背离本公开的精神及范围，而且他们可在不背离本公开的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替及更改。