專利名稱：Mems器件中的應力釋放機構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及微機電系統(tǒng)("MEMS")，并且更具體地 涉及用于應用在MEMS器件的電極或錨上的應力釋放機構。
背景技術：
許多器件和系統(tǒng)包括許多不同類型的執(zhí)行各種監(jiān)測和/或 控制功能的傳感器。在微機械加工和其它微制造工藝中的進步已經(jīng)使 微機電系統(tǒng)(MEMS)的廣大多樣性的制造成為可能。最近幾年，用來 執(zhí)行監(jiān)測和/或控制功能的許多傳感器已經(jīng)應用在MEMS器件中?！N特定類型的MEMS器件是加速計。MEMS加速計可以形 成在包括處理層(handle layer)、在處理層上的由氧化物構成的絕緣 犧牲層、以及在絕緣層上的有源層的絕緣體上硅("SOI")晶片上。SOI MEMS加速計包括形成在有源層中的擺片(proof mass)。在擺片的另 一部分可以一般經(jīng)由一組柔性梁彈簧懸掛在晶片上的同時，擺片的一 部分可以經(jīng)由絕緣層的一部分錨定到晶片的一部分上。當MEMS加速計 遭受加速度時擺片運動，并且該運動經(jīng)由電子技術轉(zhuǎn)換成具有基于加 速度的參量(例如電壓、電流、頻率等)的信號。典型地，在裝運給客戶之前時要對MEMS傳感器進行嚴格的 測試。測試可以包括從預定的高度落下傳感器。該測試模擬當客戶處 理器件時可能出現(xiàn)的機械振動。在大部分情況中，當前配置的MEMS 傳感器足夠堅固以至于能夠經(jīng)受住這種下落測試。然而，在一些情況 中，測試可能破壞MEMS傳感器。具體地，錨定在晶片上的部分擺片可 能變得與處理晶片分離。結果是，MEMS傳感器可能變得不能使用。
因而，需要提供一種足夠堅固的MEMS傳感器來經(jīng)受應用在 其上的應力。此外，需要具有簡單和相對廉價的工藝，以用來制造所 需的不需要額外的裝置和工藝的MEMS傳感器。更進一步地，從隨后的 結合附圖和前述的技術領域和背景的詳細說明和所附權利要求，本發(fā) 明的其它所需的特色和特征將變得明顯。


本發(fā)明下文中將結合以下圖形來描述，其中相同的標記表示
相同的元件，并且附圖1是一個示例SOIMEMS傳感器的橫截面圖；
附圖2是附圖1描述的示例SOIMEMS傳感器的頂視圖；
附圖3是可以用來制造附圖1和2描述的SOI MEMS傳感器
的示例襯底的橫截面圖；附圖4是可以形成在附圖3的襯底上的示例圖案的部分頂視
圖；附圖5是可以形成在附圖3的襯底上的另一示例圖案的部分 頂視圖；附圖6是在用來制造在附圖1和2中描述的SOI MEMS傳感 器的方法的步驟期間附圖3的示例襯底的橫截面圖。
具體實施例方式下述詳細說明實質(zhì)上僅僅是示例性的并且不能意指限定本 發(fā)明或本發(fā)明的應用和使用。此外，雖然本發(fā)明在此描述為實現(xiàn)絕緣 體上硅晶片，但是可以理解本發(fā)明可以有選擇地實現(xiàn)其它任何合適類 型的晶片。此外，在此無意通過前述的技術領域、背景技術、發(fā)明內(nèi) 容或下述的詳細說明書中任何表述或暗示的理論來進行限定。在這點 上，雖然本發(fā)明在上下文中描寫和描述為加速計，但是可以理解，本 發(fā)明至少對于包括在襯底表面上可移動地懸掛的擺片的眾多器件中的 任何一個都可以使用。
現(xiàn)在開始描述，附圖1是一個示例微機電系統(tǒng)(MEMS)器 件100的橫截面圖。MEMS器件IOO是一個慣性傳感器，例如加速計， 并且包括形成在晶片106上的錨區(qū)域102和傳感器區(qū)域104。晶片106 可以是多種類型的傳統(tǒng)使用的晶片中的每一個。例如，并且如附圖1 所述，晶片106可以是S01 ("絕緣體上硅")晶片。在這種情況下，晶 片106—般包括處理層108、有源層112、和設置在處理層108和有源 層112之間的絕緣層114。錨區(qū)域102和傳感器區(qū)域104都形成在有源 層112中。錨區(qū)域102是經(jīng)由絕緣層114保持粘附到處理層108的、 有源層112的區(qū)域。相反地，傳感器區(qū)域104在連接到錨區(qū)域102的 同時，也部分地從處理層108釋放。尤其是，通過除去在傳感器區(qū)域 104下的部分絕緣層114來部分地底切有源層104。該底切形成一個將 部分傳感器區(qū)域104從處理層108釋放的釋放槽116。傳感器區(qū)域104 的被釋放的區(qū)域因而懸掛在處理層108的上方。傳感器區(qū)域104包括多個傳感器元件，其可以取決于例如被 實施的特定的MEMS器件100而改變。然而，在所描述的其中MEMS 器件IOO為加速計的實施例中，傳感器元件包括懸掛條122，至少一個 移動電極126，以及至少一個固定電極128。懸掛條122能彈性地將移 動電極126懸掛到處理層108上并且優(yōu)選地構造為相對柔韌。懸掛條 122和移動電極126每一個位于釋放槽116上，并且從處理層108釋放， 并懸掛于處理層108之上。然而，固定電極128仍然經(jīng)由，例如，形 成在絕緣層114中的或由其構成的錨130保持粘附到晶片106。為了清楚和容易地說明，可以理解傳感器區(qū)域104在附圖1 中描述以包括兩個懸掛條122、兩個移動電極126，以及四個固定電極 128。然而，在詳細的在附圖2中更清楚的顯示，以及將更詳細地描述 的物理執(zhí)行中，傳感器區(qū)域104包括四個懸掛條122，多個移動電極 126，和多個固定電極128。保護部件132鄰近懸掛條122并經(jīng)由末端 錨134和中部條錨136保持固定到襯底106。末端錨134和中部條錨 136每一個在有源區(qū)112中形成或由其形成，并且經(jīng)由絕緣層114固定到晶片106。懸掛條122每一個連接在保護部件132和移動電極126之間 以及，如先前記載的，當釋放時，能彈性地將移動電極126懸掛在處 理層108之上。如附圖2也顯示，移動電極126每一個設置在固定電 極128之間。如上面描述的，固定電極128不被釋放。更合適，固定 電極128經(jīng)由多個電極錨130仍然錨定到晶片106 (如附圖1所示)。在附圖1和2中描述的MEMS器件100實現(xiàn)為電容性類型加 速計。因而，當MEMS器件IOO遭受加速度時，移動電極126將相對固 定電極128移動與經(jīng)受的加速度的量級成比例的距離。移動電極126 和固定電極128 —起形成可變微分電容器。因而，當MEMS器件100 經(jīng)歷加速度時，移動電極126可以朝著或遠離給定的固定電極128移 動。移動電極126移動的距離將導致在固定電極128和移動電極126 之間的電容的改變。這種電容的改變可以測量并用來確定加速度的量 級。為了釋放可能通過末端錨134、中間部分條錨136、以及固 定電極128經(jīng)歷的應力，可以包括應力釋放機構204， 222。應力釋放 機構204， 222每一個包括優(yōu)選形成在MEMS器件100組件中并設置成 基本垂直于可以通過MEMS器件100組件接收的分力的狹槽。在一個示 例實施例中，電極應力釋放機構204整體地形成在一個或多個固定電 極128中，并且包括基本垂直地通過固定電極128延伸來在那里形成S 形的兩個狹槽208和210。例如，如附圖2所示，第一狹槽208從固定 電極128的第一側部212到固定電極128的第二側部214至少部分地 延伸，以及第二狹槽210從電極第二側部214到電極第一側部212至 少部分地延伸。在附圖2中，所有的固定電極128描述為包括電極應 力釋放機構204;然而，可以理解多個這種應力釋放機構可以有選擇地 包含在一個固定電極128中或者在其它實施例中，應力釋放結構204 可以包括在僅僅一些固定電極128中。
在另一個示例實施例中，在中間條錨136中形成雙向連接錨 應力釋放機構222。在這種情況下，錨136包括第一側部230和與第一 側部230相對的第二側部232。第一狹槽234緊鄰中間部分錨第一側部 230形成，以及第二狹槽236緊鄰中間部分錨第二側部232形成?？梢岳斫怆m然一個或兩個狹槽被并入為應力釋放機構204、 222的部分，但是可以有選擇地包括更少或更多的狹槽。此外，可以理 解應力釋放機構204， 222可以被合并在需要應力釋放的傳感器100的 任何其它部分。已經(jīng)從結構角度描述了MEMS器件100的一個實施例，現(xiàn)在 將描述形成所述MEMS器件100的一個特別優(yōu)選的工藝。恰當?shù)?，應?參考附圖3-6?？梢岳斫猓瑸榱饲宄腿菀椎亟忉?，類似于在附圖1中 顯示的，將采用簡單化的截面圖來描寫和描述該工藝。然而，可以進 一步地明白該工藝適用于在附圖2中描述的實際的物理MEMS器件 100，并且如上所述，也適用于任何一個可以實現(xiàn)的眾多其它MEMS傳 感器?？梢灶~外地明白，雖然本方法為了方便采用特殊的步驟順序來 描述，但是本方法也可以以不同的順序或采用與下面描述的相比不同 類型的步驟來執(zhí)行。根據(jù)在頭腦中的上述背景，并且首先參考附圖3，可以看到 對于工藝的優(yōu)選的開始材料302是SOI晶片106。作為選擇地，開始材 料302可以為包括具有處理層108、有源層112、和中間絕緣層114的 物品的多種物品中的任何一個。不管開始材料的具體類型，處理層108 和有源層112每一個優(yōu)先由硅形成，盡管可以理解這些層能由其他材 料形成?？梢岳斫庥性磳?12可以是，例如，單晶或多晶硅，或任何 其它形成MEMS傳感器器件100的材料。絕緣層114優(yōu)選由能被容易地 蝕刻以從處理層108釋放至少一些傳感器元件的材料形成，例如氧化 硅、摻雜氧化物、和摻雜硅酸鹽玻璃，僅僅指出了一些?？梢悦靼?，當被獲得時開始材料302可以包括處理層108、有源層112和絕緣層 114，或這些層的一個或多個可以作為整個工藝的一部分形成。已經(jīng)獲得(或制備)了開始材料302，然后圖案化并蝕刻有 源層112來在那里定義錨區(qū)域102和傳感器區(qū)域104?？梢悦靼?，可以 采用多種合適的用來圖案化和蝕刻的工藝的任何一種。在一個示例實 施例中，在有源層112上形成保護層。例如，保護材料可以淀積在整 個有源層112上，并且將期望的圖案顯影或蝕刻進保護材料。在另一 個示例實施例中，具有期望的圖案的輪廓的蔭罩掩模設置在有源層112 上并且保護材料被淀積在掩模和有源層112上。當移除蔭罩掩模時， 保留保護材料以使得期望的圖案被設置在有源層112上。期望的圖案可以是任何用來形成包括應力釋放機構204 ， 222的MEMS器件100的恰當?shù)貓D案。在附圖4中描述了部分示例圖案 400。圖案400包括具有拐角404的第一電極部分402，具有拐角408 的第二電極部分406、以及條410。第一電極部分402的拐角404優(yōu)選 與第二電極部分406的拐角408以對角的方式形成，并且條410通過 拐角404和408使第一和第二電極部分402和406彼此結合。因而， 第一電極部分402、條410、和第二電極部分406形成S狀。條410優(yōu) 選地充分窄，以允許電極部分402和406之間的相對運動。雖然僅僅 描述了兩對電極部分402和406，但是可以理解圖案400可以包括用于 器件100上的多個固定電極128的形成的多個電極部分。可以理解， 期望的圖案優(yōu)先形成在其中將要形成電極應力釋放機構204的有源層 112的一部分上。在附圖5中顯示了示例圖案400的另一部分。圖案400的所 述部分包括錨部分412、第一連接部分414、第二連接部分416、和兩 個條418， 420。錨部分412包括兩個相鄰的拐角422、 424，每一個條 418， 420的末端連接到該拐角422、 424。從條418， 420的另一端延 伸的是第一和第二連接部分414， 416?？梢岳斫?，圖案的所述部分優(yōu)選形成在其中將要形成雙向連接錨應力釋放機構222的部分有源層112上。在期望的圖案400形成在有源層112上之后，移除不被保護 材料保護的材料。這個步驟可以采用多種技術的任何一個來執(zhí)行；然 而，在一個優(yōu)選實施例中，采用反應離子蝕刻(RIE)工藝。如附圖7 進一步顯示，不管采用的具體的工藝，它導致多個溝道702形成在定 義了單個傳感器元件的結構特征傳感器區(qū)域104中。不管具體的位置， 每一個溝道702提供到絕緣層114的通路，由此實現(xiàn)了部分傳感器區(qū) 域104的釋放。至少部分地選擇均位于傳感器元件中和之間的溝道702 的尺寸和數(shù)量，以實現(xiàn)期望的傳感器元件的釋放的順序和/或時序。此 外，選擇蝕刻開口的數(shù)量和間隔以獲得，期望的響應特征。然后，可以采用犧牲蝕刻工藝底切并釋放所形成的傳感器區(qū) 域104的這些部分。在這種情況中，可以采用化學蝕刻(例如各向同 性干或濕蝕刻)。優(yōu)選地，所述工藝側向地蝕刻至少部分絕緣層114， 從而從晶片106釋放懸掛條122和移動電極126，并形成附圖1中顯示 的MEMS器件100。如上所述，雖然上述的MEMS器件IOO是加速計，在此描述 的制造工藝并不限于加速計或任何其它類型的傳感器。它對于包括若 干種通過一個或多個條彈性地懸掛的結構類型的多種MEMS器件中的 任何一個都是適用的。這種器件的非限定例子包括各種類型的陀螺儀 和開關?，F(xiàn)在已經(jīng)提供MEMS器件和用來形成器件的方法。在一個示 例實施例中，MEMS器件包括具有表面的襯底，具有連接到襯底表面 的第一部分和在襯底表面上可移動懸掛的第二部分的電極，以及設置 在電極第二部分上的應力釋放機構，應力釋放機構包括整體地形成在 電極中的第一狹槽。在器件的另一個實施例中，電極包括第一側部和
1第二側部，并且第一狹槽從電極第一側部至少部分地延伸到電極第二 側部。在器件的又另一個實施例中，應力釋放機構包括整體地形成在 電極中的第二狹槽。在器件的又另一個實施例中，第二狹槽從電極第 二側部至少部分地延伸到電極第一側部。在器件的另一個實施例中，襯底包括絕緣層和形成在絕緣層
上的有源層，以及電極形成在有源層中。作為選擇地，電極包括連接 到襯底表面的第三部分，以及電極第二部分設置在第一和第三部分之 間。在又另一個實施例，應力釋放機構鄰近電極第一部分形成。在另一個示例實施例中，MEMS器件包括具有表面的襯底， 至少部分地連接到襯底表面的錨，以及連接到錨的應力釋放機構，應 力釋放機構包括鄰近錨整體地形成的第一狹槽。在另一個實施例中， 錨包括第一側部和與第一側部相對的第二側部，以及第一狹槽緊鄰錨 第一側部形成。在又另一個實施例中，應力釋放機構包括第二狹槽， 第二狹槽接近錨第二側部形成。在更另一個實施例中，提供了一種用來從包含絕緣層和在絕 緣層上的有源層的襯底形成微機電系統(tǒng)("MEMS")器件的方法。在一 個示例實施例中，該方法包括以下步驟在有源層上按照圖案形成保 護層，其中，圖案具有至少一個具有拐角的第一電極部分，與第一電 極部分相鄰并具有與第一 電極部分拐角以對角的方式設置的拐角的第 二電極部分，以及連接第一和第二電極部分拐角的條；以及，從在其 上沒有形成保護層的部分有源層和絕緣層移除材料，進而形成其中具 有狹槽的電極。作為選擇地，第一電極部分具有一個側部且第二電極 部分具有與第一電極部分側部基本上平行的一個側部的第二電極部
分，并且至少一部分條基本上平行于第一和第二電極部分側部。作為 選擇地，形成步驟包括將具有圖案輪廓的蔭罩掩模設置于有源層上。 在另一個替代實施例中，形成步驟包括將保護材料淀積在有源層的表 面上，以及將圖案蝕刻進被淀積的保護材料中。在又另一個實施例中，方法進一步包括蝕刻在第一電極部分之下的絕緣層的一部分，進而 從襯底釋放第一電極的至少一部分。在另一個實施例中，提供了一種用來從包含絕緣層和在絕緣 層上的有源層的襯底形成MEMS器件的方法，其中該方法包括在有源 層上按照圖案形成保護層的步驟，圖案具有至少一個具有第一拐角的 錨部分和從錨部分第一拐角延伸的條；以及從在其上沒有形成保護層
的部分有源層和絕緣層移除材料，進而形成其中具有狹槽的錨的步驟。 在另一個實施例中，錨部分進一步包括鄰近第一拐角的第二拐角，且 所述圖案進一步包括從錨部分第二拐角延伸的第二條。在又另一個實 施例中，形成步驟包括將具有圖案輪廓的蔭罩掩模設置于有源層上。在至少一個示例實施例已經(jīng)存在于本發(fā)明的先前詳細的說 明中的同時，可以理解存在大量的變型。也可以理解示例實施例或者 多個示例實施例僅僅是例子，并且不意為以任何方式對本發(fā)明的范圍、 適用性、或結構的限定。此外，先前詳細的說明將給本領域技術人員 提供方便的用來執(zhí)行本發(fā)明示例實施例的指導方針，可以明白在不超 出如在所附權利要求和它們的等價物中闡明的本發(fā)明的范圍的情況 下，可以在示例實施例中描述的元件的功能和設置中作出各種改變。
權利要求
1.一種MEMS器件，包括具有表面的襯底；電極，其具有連接到所述襯底表面的第一部分和在所述襯底表面上可移動地懸掛的第二部分；以及設置在所述電極第二部分上的應力釋放機構，所述應力釋放機構包括整體地形成在所述電極中的第一狹槽。
2. 根據(jù)權利要求1的MEMS器件，其中，所述電極包括第一側部和第二側部，以及所述第一狹槽從所述電極第一側部至少部分地延伸 到所述電極第二側部。
3. 根據(jù)權利要求2的MEMS器件，其中，所述應力釋放機構包括 整體地形成在所述電極中的第二狹槽。
4. 根據(jù)權利要求3的MEMS器件，其中，所述第二狹槽從所述電 極第二側部至少部分地延伸到所述電極第一側部。
5. 根據(jù)權利要求1的MEMS器件，其中所述襯底包括絕緣層和設置在所述絕緣層的上方的有源層；以及 所述電極形成在所述有源層中。
6. 根據(jù)權利要求1的MEMS器件，其中所述電極包括與所述襯底表面相連接的第三部分；以及 所述電極第二部分設置在所述第一部分和第三部分之間。
7. 根據(jù)權利要求1的MEMS器件，其中，鄰近于所述電極第一部 分形成所述應力釋放機構。
8. —種MEMS器件，包括 具有表面的襯底；與所述襯底表面至少部分地連接的錨；以及與所述錨連接的應力釋放機構，所述應力釋放機構包括鄰近所述 錨形成的第一狹槽。
9. 根據(jù)權利要求1的MEMS器件，其中所述襯底包括絕緣層和設置在所述絕緣層的上方的有源層；以及 所述錨的至少一部分形成在所述有源層中。
10. 根據(jù)權利要求8的MEMS器件，其中所述錨包括第一側部和與所述第一側部相對的第二側部；以及 緊鄰所述錨第一側部形成所述第一狹槽。
11. 根據(jù)權利要求10的MEMS器件，其中所述應力釋放機構包括第二狹槽，緊鄰所述錨第二側部形成所述 第二狹槽。
12. —種由包含絕緣層和在所述絕緣層上的有源層的襯底來形成 微機電("MEMS")器件的的方法，所述方法包括步驟按照圖案在所述有源層的上方形成保護層，所述圖案至少具有具有拐角的第一電極部分，鄰近所述第一電極部分并且具有與所述第 一電極部分拐角以對角的方式設置的拐角的第二電極部分，以及連接所述第一和第二電極部分拐角的條；以及從其上沒有形成所述保護層的部分有源層和絕緣層移除材料，由 此形成其中具有狹槽的電極。
13. 根據(jù)權利要求12的方法，其中，所述第一電極部分具有側部， 所述第二電極部分具有基本上平行于所述第一電極部分側部的側部， 并且所述條的至少一部分基本上平行于所述第一和第二電極部分側部。
14. 根據(jù)權利要求12的方法，其中，所述形成步驟包括在所述有 源層的上方放置具有所述圖案的輪廓的蔭罩掩模。
15. 根據(jù)權利要求12的方法，其中，所述形成步驟包括 在所述有源層的表面上淀積保護材料；以及 將所述圖案蝕刻進被淀積的所述保護材料。
16. 根據(jù)權利要求12的方法，進一步包括在所述第一電極部分 之下蝕刻部分絕緣層，由此從所述襯底釋放至少一部分第一電極。
17. —種由包含絕緣層和在所述絕緣層上的有源層的襯底來形成 微機電("MEMS")器件的的方法，所述方法包括步驟按照圖案在所述有源層的上方形成保護層，所述圖案至少具有 具有第一拐角的錨部分，和從所述錨部分第一拐角延伸的條；以及從其上沒有形成所述保護層的部分有源層和絕緣層移除材料，由 此形成具有與其相鄰的狹槽的錨。
18. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述形成步驟包括 在所述有源層的表面的上方淀積保護材料；以及 將所述圖案蝕刻進被淀積的所述保護材料。
19. 根據(jù)權利要求17的方法，其中，所述錨部分進一步包括鄰近 所述第一拐角的第二拐角，并且所述圖案進一步包括從所述錨部分第 二拐角延伸的第二條。
20. 根據(jù)權利要求17的方法，其中，所述形成步驟包括在所述有 源層的上方放置具有所述圖案的輪廓的蔭罩掩模。
全文摘要
提供了一種MEMS器件(100)和形成該器件的方法。在一個示例實施例中，MEMS器件(100)包括具有表面的襯底(106)；電極(128)，其具有連接到襯底表面的第一部分，以及在襯底表面之上可移動地懸掛的第二部分；和設置在該電極第二部分上的應力釋放機構(204)，所述應力釋放機構(204)包括整體地形成在電極中的第一狹槽(208)。在另一個示例實施例中，襯底(106)包括錨(134，136)，并且鄰近錨(134，136)形成所述應力釋放機構(222)。
文檔編號H02N1/00GK101317325SQ200680027480
公開日2008年12月3日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權日2005年7月28日
發(fā)明者丹尼爾·N·小庫里, 喬納森·哈萊·哈蒙德, 加里·G·李 申請人:飛思卡爾半導體公司