用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种单片MEMS(微电子机械系统)平台和相关的形成方法，单片MEMS平台包括温度传感器、压力传感器和气体传感器。在一些实施例中，MEMS平台包括：具有一个或多个晶体管器件和温度传感器的半导体衬底。介电层设置在半导体衬底上方。腔设置在介电层的上表面内。MEMS衬底布置在介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分。压力传感器具有通过腔与第二压力传感器电极垂直地分离的第一压力传感器电极，第二压力传感器电极位于MEMS衬底的第一部分内。气体传感器包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物，第一气体传感器电极位于MEMS衬底的第二部分内。本发明专利技术实施例涉及用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施例涉及用于集成压力、温度和气体传感器的单片微电子机械系统平台。
技术介绍
已发现MEMS(微电子机械系统)器件在许多现代电子器件中广泛使用。例如，MEMS器件常见于汽车(例如，在安全气囊布局系统中)、平板电脑或智能手机。近年来，将微电子机械系统(MEMS)并入通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成的集成芯片内越来越普遍。将MEMS(例如，传感器，集成光学元件、生物芯片等)并入通过CMOS工艺形成的集成芯片内允许广泛使用高产量地制造的MEMS。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，根据本专利技术的一个实施例，提供了一种单片微电子机械系统(MEMS)平台，包括：半导体衬底，包括一个或多个晶体管器件和温度传感器；介电层，设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔；MEMS衬底，布置在所述介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分，所述第二部分与所述第一部分电断开；压力传感器，具有通过所述腔垂直分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电极，其中，所述第二压力传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第一部分；以及气体传感器，包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物，所述第一气体传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第二部分。根据本专利技术的另一实施例，提供了一种单片MEMS平台，包括：半导体衬底，包括一个或多个晶体管器件和温度传感器；介电层，设置在所述
半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔；多个金属互连层，布置在所述介电层内并且包括沿着所述腔的底面延伸的第一压力传感器电极；MEMS衬底，包括设置在所述介电层的上表面上的导电半导体材料，其中，所述MEMS衬底包括设置在所述腔上方的第二压力传感器电极和与所述第二压力传感器电极电隔离的第一气体传感器电极；以及聚合物，具有根据周围环境中的液体或气体的存在而变化的介电常数，所述聚合物设置在所述第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间。根据本专利技术的又一实施例，还提供了一种形成单片MEMS平台的方法，包括：实施CMOS工艺以在衬底内形成温度传感器和多个器件；在所述衬底上方形成介电层，其中，所述介电层包括多个金属互连层和布置在所述介电层的上表面内的腔；将所述MEMS衬底接合至所述介电层的所述上表面；图案化所述MEMS衬底以同时限定用于MEMS压力传感器的第二压力传感器电极和用于MEMS气体传感器的第一气体传感器电极；以及在所述第一气体传感器电极上方形成聚合物。附图说明当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本专利技术的各方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。图1A至图1B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些实施例。图2A至图2B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些额外的实施例。图3A至图3B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些额外的实施例。图4示出了所公开的具有晶圆级封装(WLP)的单片MEMS平台的一些实施例的截面图。图5示出了所公开的具有晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)的单片MEMS平台的一些额外的实施例的截面图。图6示出了所公开的具有晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)的单片MEMS平台的一些额外的实施例的截面图。图7示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台的一些额外的实施例的流程图。图8至图14示出了截面图的一些实施例，截面图示出了形成包括单片MEMS平台的集成芯片的方法，单片MEMS平台具有压力传感器、温度传感器和气体传感器。具体实施方式以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本专利技术。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本专利技术可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而在此使用的空间相对描述符可以同样地作相应的解释。现代电子器件通常包括多个感测元件，感测元件用于向CMOS衬底(即，具有通过CMOS工艺形成的逻辑器件的衬底)内的常见处理器提供不同的信息。一些这样的感测元件可以很容易地集成到CMOS衬底内。例如，根据传统的CMOS工艺，可以在CMOS衬底内形成温度传感器。然而，MEMS器件通常包括不存在于CMOS工艺中的结构部件。因此，MEMS器件和CMOS衬底通常形成在单独的衬底(即，管芯)上，这些单独的衬底横向
地彼此紧邻地布置在封装件内的印刷电路板(PCB)上。单独的衬底通过一条或多条接合引线彼此电连接。应当理解，具有布置在共享封装件内的多个管芯的传感器系统具有许多缺点。例如，这些传感器系统具有相对较大的形状因数(即，尺寸)。此外，由于感测元件形成在不同的衬底上，这种传感器系统的制造和封装工艺增加了额外的复杂性和成本。因此，本专利技术针对一种包括温度传感器、压力传感器和气体传感器的单片MEMS(微电子机械系统)平台以及相关的形成方法，温度传感器、压力传感器和气体传感器布置在共享的半导体管芯内。在一些实施例中，单片MEMS平台包括半导体衬底，半导体衬底包括一个或多个晶体管器件和温度传感器。介电层设置在半导体衬底上方。包括掺杂的半导体材料的MEMS衬底布置在介电层上方。MEMS衬底包括与横向邻近的第一气体传感器电极电断开的第二压力传感器电极。设置在介电层的上表面内的腔配置为将第二压力传感器电极与第一压力传感器电极垂直分离以形成MEMS压力传感器。聚合物设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间以形成MEMS气体传感器。通过在共享的半导体管芯内形成温度传感器、气体传感器和压力传感器，所公开的单片MEMS平台提供了具有较小形状因数的低成本的传感器系统。图1A至图1B示出了具有压力传感器、温度传感器和气体传感器的单片MEMS平台100的一些实施例。单片MEMS平台100包括半导体衬底102，半导体衬底102含有多个半导体器件104(例如，MOSFET器件)。介电层108布置在半导体衬底102上方。腔111布置在介电层108的上表面108u内。MEMS衬底110布置在介电层108上方。在一些实施例中，MEMS衬底110包括掺杂的导电半导体材料(例如，掺杂的非晶硅或掺杂的多晶硅)。MEMS衬底110具有第一部分110a和第二部分110b，第二部分110b横向地邻近第一部分110a。第一部分110a通过间隔109与第二部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单片微电子机械系统(MEMS)平台，包括：半导体衬底，包括一个或多个晶体管器件和温度传感器；介电层，设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔；MEMS衬底，布置在所述介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分，所述第二部分与所述第一部分电断开；压力传感器，具有通过所述腔垂直分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电极，其中，所述第二压力传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第一部分；以及气体传感器，包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物，所述第一气体传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第二部分。

【技术特征摘要】
2015.03.12 US 14/645,8261.一种单片微电子机械系统(MEMS)平台，包括：半导体衬底，包括一个或多个晶体管器件和温度传感器；介电层，设置在所述半导体衬底上方并且具有设置在所述介电层的上表面内的腔；MEMS衬底，布置在所述介电层的上表面上并且具有第一部分和第二部分，所述第二部分与所述第一部分电断开；压力传感器，具有通过所述腔垂直分离的第一压力传感器电极和第二压力传感器电极，其中，所述第二压力传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第一部分；以及气体传感器，包括设置在第一气体传感器电极和第二气体传感器电极之间的聚合物，所述第一气体传感器电极包括所述MEMS衬底的所述第二部分。2.根据权利要求1所述的单片MEMS平台，其中，所述第一压力传感器电极包括布置所述腔的底面上金属互连层，所述金属互连层在垂直于下面的所述第一压力传感器电极的位置处。3.根据权利要求1所述的单片MEMS平台，其中，所述第一气体传感器电极包括第一梳状结构，并且其中，所述第二气体传感器电极包括与所述第一梳状结构相互交叉的第二梳状结构。4.根据权利要求1所述的单片MEMS平台，其中，所述聚合物设置在所述第一气体传感器电极上，并且其中，所述第二气体传感器电极包括设置在所述聚合物上方的金属层，所述金属层在垂直于上面的所述第一气体传感器电极的位置处。5.根据权利要求1所述的单片MEMS平台，其中，所述MEMS衬底的所述第一部分通过间隔的方式与所述MEMS衬底的所述第二部分空间地分离。6.根据权利要求1所述的单片MEMS平台，还包括：第一垂直互连结构，从所述半导体衬底横向延伸至所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：游绍祺，洪嘉明，黄信锭，陈相甫，张华伦，戴文川，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71