Z轴静摩擦减小的MEMS装置和制造工艺的制作方法

本公开大体上涉及半导体装置领域。在一个方面中，本公开涉及mems装置和用于制造mems装置的方法。

背景技术：

1、微机电系统(mems)技术越来越多地用于通过微制造技术将机械元件、传感器、致动器和电子器件集成在共同硅衬底上。例如，惯性传感器可以用mems装置形成在集成电路晶片衬底上以形成各种应用，例如用于测量线性加速度的加速度计、用于测量角速度的陀螺仪、光学装置、压力传感器、开关等等。常规mems装置通常包括可移动元件，例如检验质量块、隔板、镜等，它们是柔性或可移动的，且附接到装置的其余部分。此可移动元件与装置的其余部分之间的相对运动由致动器驱动和/或由传感器以各种方式感测，具体取决于装置设计。据观察，在现有半导体处理技术的情况下加速，z轴加速度计装置更易出现静摩擦。原因之一是，在单晶硅检验质量块的极光滑接触表面与多晶硅电极表面的极光滑接触表面之间出现静摩擦的可能性更高。虽然已经提出将抗静摩擦涂层用于形成加速度计传感器，但此类涂层可能会干扰用于形成陀螺测试仪传感器的共晶接合工艺。因此，集成电路mems传感器的现有设计、操作和可制造性在实际层面上实施起来极其困难。

技术实现思路

1、本文中已提供mems传感器装置和用于制造mems传感器装置的相关联方法。所公开的mems传感器装置包括形成于多层半导体结构中的第一惯性变换器元件。在选定实施例中，第一惯性变换器元件是z轴加速度计传感器。所公开的mems传感器装置还包括接合到多层半导体结构以保护第一惯性变换器元件免受周围环境条件影响的顶盖装置。在选定实施例中，顶盖装置利用高温共晶密封环接合结构接合到多层半导体结构，以在容纳第一惯性变换器元件的第一传感器腔中形成真空。如所公开，第一惯性变换器元件包括彼此分离开空气感测间隙的第一单晶半导体检验质量块元件和第二导电电极元件。在选定实施例中，第一单晶半导体检验质量块元件是锚定到多层半导体结构的悬臂式单晶硅横杆。另外，第二导电电极元件可包括形成于多层半导体结构中的导电层(例如，导电多晶层)，所述导电层将定位成与悬臂式单晶硅横杆对准但分离。在所公开的第一惯性变换器元件中，至少第一单晶半导体检验质量块元件的第一感测间隙表面是已被选择性地蚀刻以减小第一单晶半导体检验质量块元件与第二导电电极元件之间的静摩擦的第一粗糙表面。在选定实施例中，至少第二导电电极元件的第二感测间隙表面是已被选择性地蚀刻以减小第一单晶半导体检验质量块元件与第二导电电极元件之间的静摩擦的第二粗糙表面。在其它选定实施例中，至少第一单晶半导体检验质量块元件的第一感测间隙表面包括已被选择性地蚀刻以在至少第一感测间隙表面上形成第一粗糙表面的不均匀的沉积聚合物层。在其它选定实施例中，至少第二导电电极元件的第二感测间隙表面包括已被选择性地蚀刻以在至少第二感测间隙表面上形成第二粗糙表面的不均匀的沉积聚合物层。

2、在另一形式中，提供一种变换器和用于制造变换器的相关联方法。在所公开的方法中，提供一种mems晶片结构，包括第一半导体电极和形成于第一半导体电极上的第一半导体层。在选定实施例中，第一半导体电极形成为多晶硅电极，且第一半导体层形成为第一单晶半导体层。在其它实施例中，第一半导体电极形成为多晶硅电极，且第一半导体层形成为第一多晶半导体层。所公开的方法还包括选择性地蚀刻第一半导体层以形成第一mems惯性变换器元件和周围框架支撑元件。在选定实施例中，通过用深反应离子蚀刻工艺蚀刻第一半导体层以将第一mems惯性变换器元件形成为高纵横比检验质量块变换器元件(例如，z轴加速度计传感器)来选择性地蚀刻第一半导体层。另外，所公开的方法包括施加结构释放蚀刻工艺，以释放第一mems惯性变换器元件并且暴露第一mems惯性变换器元件的第一感测间隙表面和第一半导体电极的第二感测间隙表面。在选定实施例中，可使用蒸汽释放蚀刻来施加结构释放蚀刻工艺，以去除形成于半导体电极与第一半导体层之间的牺牲电介质层。所公开的方法还包括施加表面磨损蚀刻工艺，以使第一mems惯性变换器元件的第一感测间隙表面或第一半导体电极的第二感测间隙表面中的一个或两个粗糙化，由此减小第一mems惯性变换器元件与第一半导体电极之间的静摩擦。在选定实施例中，可使用非均相等离子体蚀刻施加表面磨损蚀刻工艺，所述非均相等离子体蚀刻会相比于第一mems惯性变换器元件或第一半导体电极中的任一个或两个中的非边界区更快地蚀刻第一mems惯性变换器元件或第一半导体电极中的任一个或两个中的晶体晶界区。在其它选定实施例中，可通过以下施加表面磨损蚀刻工艺：在至少第一感测间隙表面和第二感测间隙表面上沉积不均匀聚合物层；以及施加半导体蚀刻工艺，所述半导体蚀刻工艺通过选择性地蚀刻未受不均匀聚合物层保护的第一mems惯性变换器元件和第一半导体电极来使第一感测间隙表面和第二感测间隙表面粗糙化。另外，所公开的方法包括使用第一接合工艺将第一顶盖晶片结构附接到mems晶片结构。在选定实施例中，可通过利用高温共晶密封环接合结构将第一顶盖晶片结构接合到mems晶片结构以在顶盖晶片结构的容纳第一mems惯性变换器元件的第一传感器腔中形成真空，来将第一顶盖晶片结构附接到mems晶片结构。

3、在又一形式中，提供一种高纵横比变换器和用于制造高纵横比变换器的方法。所公开的变换器包括第一顶盖结构，其包括衬底、多个第一金属互连接合间隔物结构和形成于衬底中以限定第一惯性变换器空间的高度真空腔。所公开的变换器还包括第一半导体衬底结构，其附接到多个第一金属互连接合间隔物结构，其中第一半导体衬底结构包括：第一表面，第二图案化金属层在所述第一表面上形成且第二图案化金属层接合到多个第一金属互连接合间隔物结构，与第一惯性变换器空间对准的第一高纵横比检验质量块元件，以及第二表面，多个间隔物结构形成在所述第二表面上以限定平面外半导体感测电极空间。另外，所公开的变换器包括第二半导体衬底结构，其附接到多个间隔物结构且包括与第一高纵横比检验质量块元件对准的平面外半导体感测电极。在所公开的变换器中，至少第一高纵横比检验质量块元件的第一感测间隙表面是已被选择性地蚀刻以减小第一高纵横比检验质量块元件与平面外半导体感测电极之间的静摩擦的第一粗糙表面。在选定实施例中，第一高纵横比检验质量块元件是锚定到第一半导体衬底结构的悬臂式单晶硅横杆，且平面外半导体感测电极是形成于第二半导体衬底结构中的多晶硅电极层。在其它选定实施例中，至少平面外半导体感测电极的第二感测间隙表面是已被选择性地蚀刻以减小第一高纵横比检验质量块元件与平面外半导体感测电极之间的静摩擦的第二粗糙表面。

技术特征：

1.一种mems传感器装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems传感器装置，其特征在于，至少所述第二导电电极元件的第二感测间隙表面是已被选择性地蚀刻以减小所述第一单晶半导体检验质量块元件与所述第二导电电极元件之间的静摩擦的第二粗糙表面。

3.根据权利要求1所述的mems传感器装置，其特征在于，所述第一惯性变换器元件包括z轴加速度计传感器。

4.根据权利要求1所述的mems传感器装置，其特征在于，所述第一单晶半导体检验质量块元件包括锚定到所述多层半导体结构的悬臂式单晶硅横杆。

5.根据权利要求4所述的mems传感器装置，其特征在于，所述第二导电电极元件包括形成于所述多层半导体结构中的导电多晶硅层，所述导电多晶硅层将定位成与所述悬臂式单晶硅横杆对准但分离。

6.根据权利要求1所述的mems传感器装置，其特征在于，所述顶盖装置利用高温共晶密封环接合结构接合到所述多层半导体结构，以在容纳所述第一惯性变换器元件的第一传感器腔中形成真空。

7.根据权利要求1所述的mems传感器装置，其特征在于，至少所述第一单晶半导体检验质量块元件的所述第一感测间隙表面包括已被选择性地蚀刻以形成所述第一粗糙表面的不均匀沉积聚合物层。

8.根据权利要求2所述的mems传感器装置，其特征在于，至少所述第二导电电极元件的所述第二感测间隙表面包括已被选择性地蚀刻以形成所述第二粗糙表面的不均匀沉积聚合物层。

9.一种用于制造变换器的方法，其特征在于，包括：

10.一种高纵横比变换器，其特征在于，包括：

技术总结描述一种用于制造高纵横比MEMS传感器装置的方法和设备，所述高纵横比MEMS传感器装置具有形成于多层半导体结构中的惯性变换器元件，其中第一惯性变换器元件包括彼此分离开空气感测间隙的第一单晶半导体检验质量块元件和第二导电电极元件，并且其中至少所述第一单晶半导体检验质量块元件的第一感测间隙表面是已被选择性地蚀刻以减小所述第一单晶半导体检验质量块元件与所述第二导电电极元件之间的静摩擦的第一粗糙表面。技术研发人员：柳连俊,约翰·斯莱顿·麦基洛普受保护的技术使用者：恩智浦美国有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/14