具体实施方式

至少在某些具体实施例中，本公开认出且应付侦测半导体装置未对准问题。各种半导体装置可包括经形成或以其他方式安置成彼此相叠的多层。如果半导体装置的设计不正确，或是如果诸层之间的未对准超过容许量，则可能产生效能和/或可靠性问题。公开系统及方法提供一种未对准传感器，它可并入半导体装置以使能未对准的快速非破坏性测量。公开未对准传感器便于以在最小的附加面积或电路与现有半导体结构整合。

参考附图，图1是根据本公开的一个或多个具体实施例描绘用于测量半导体装置的诸层之间的未对准的系统100。如图示，系统100包括半导体装置，其包括第一导电层10、中间层20及第二导电层30。所述层如系统100所示地形成和/或以其他方式安置成中间层20的第一表面(例如，顶面)邻接第一导电层10的第一表面(例如，底面)，且中间层20与第一表面相对的第二表面(例如，底面)邻接第二导电层30的第一表面(例如，顶面)。尽管图示于系统100的层10、20、30的取向是从上到下的堆叠方式，然而应了解，系统100的层10、20、30的取向可为任何其他适当方式，例如，第二导电层30可位于中间层20上面，且第一导电层10可位于中间层20下面。其他方式也有可能。

在各种具体实施例中，中间层20可为导电层或者是非导电层以便支持被给定实际操作所利用的特定感测方法及相关电气性质。以下进一步详述利用导电及非导电中间层的各个具体实施例。

进一步如图1所示，第一导电层10有嵌在其中的一个或多个第一电极40，且第二导电层30有嵌在其中的一个或多个第二电极50。尽管图1图示两个第一电极40与两个第二电极50，然而应了解，导电层10、30各自可具有嵌在其中且有任何适当个数的电极。一个或多个第一电极40与一个或多个第二电极50之间的电气连接形成适当网络(例如，单端型网络、半桥或全桥)，其展现的的电气性质(例如，电容、电荷、电导等等)随着第一导电层10与第二导电层30朝面内方向的未对准的函数而改变。

在一方面中，电极40、50电气耦合至感测电路60，它可为电路和/或用于测量电极40、50的电气性质的任何其他适当构件。在各种具体实施例中，感测电路60可为单端型感测电路、差分感测电路，和/或适用于测量由电极40、50或各个相关层10、30中的一个或多个形成的网络的电气性质的任何其他组件。

在一些具体实施例中，系统100可为或包括传感器装置的至少一部分的机能，例如加速度计、气体传感器、温度传感器、压力传感器、或其类似物。在一方面中，传感器装置可由根据一个或多个半导体制造技术黏合在一起的一个或多个层10、20、30构成，如图1所示及以上所述。层10、20、30的组合物对于特定传感器装置可基于装置的所需机能和/或其他因素而有所不同。在实施例中，第一导电层10可为一层微机电系统(MEMS)晶片，且第二导电层30可为一层互补金属氧化物半导体(CMOS)晶片，反过来说也是如此。也可运用其他的层类型。

在一方面中，可将由层10、20、30构成的传感器装置设计成可包容给定未对准量。参考图2，横截面图200及202图示有层10、20、30的半导体装置，在此层10及30受未对准公差210支配。在一非限定性实施例中，图示于附图200的未对准公差210对应至导致层10及30的各个特征在可接受程度内互相对准的最大未对准。例如，图2中的横截面图202图示以下情景：第一导电层10的给定组件在两个组件的一边与第二导电层30的对应组件对准致使导电层10、30之间的任何进一步未对准会导致组件不再完全对准。不过，应了解，前例只是可使用的未对准公差210的非限定性实施例且其他的未对准公差也有可能。

如附图200、202所示，半导体装置的诸层之间的未对准可能由制程的不精密和/或其他因素引起。在制造给定半导体装置之前，容许未对准可用晶片厂和/或其他制造设施规定。如果设计没有正确地完成，或是如果制成装置的实际未对准超过此规格，则可能产生效能和/或可靠性问题。不过，用于测量制作装置的未对准的现有技术可能很耗时和/或昂贵。这意味，如果观察到效能或可靠性问题，可能难以确认或排除未对准为可能的原因。这也意味，可能难以监控晶片厂是否遵照未对准规格。

在一方面中，图示于图1的电极40、50与感测电路60作为未对准传感器，例如，可包括在装置管芯上的结构以使能未对准的快速非破坏性测量。根据下述各种具体实施例，此结构可以最小相关MEMS面积负担、额外CMOS电路或其类似物与例如传感器的半导体装置轻易整合。

在一方面中，可实际操作如本文所述的半导体未对准传感器以用于半导体结构，例如如图2的附图200、202所示的结构。在一实施例中，未对准传感器的组件可包括MEMS结构，其包括以并排方式配置且连接至各个节点的三个硅片，如附图200、202所示的层10结构。未对准传感器可进一步包括和/或关联于包括配置在MEMS结构下面的一个或多个电极(例如，一个或两个电极)的CMOS结构，如附图200、202所示的层30结构。在此方式中，所述结构起作用可经由测量CMOS结构与MEMS结构之间的电气性质(例如，电容、电荷、电导等等)。电气输入(例如，恒定电压、提供正弦波、方波或其类似物的振荡电压等等)施加至与传感器关联的一个或多个节点，且测量在一个或多个不同节点的电流或电压输出。

尽管以上说明和描述于此的各个不同具体实施例利用MEMS层与CMOS层，然而应了解，也可使用其他方式。例如，如本文所述的未对准传感器可用来测量两个或多个CMOS层(例如，CMOS互连层)、两个或多个MEMS层和/或CMOS、MEMS的任何其他组合，和/或可经由半导体装置实际操作的其他层之间的未对准。

此时参考图3至图22，其图示可根据描述于此的一个或多个具体实施例来实际操作的未对准传感器的各个方式。不过，应了解，描绘于图3至图22的方式只包含可利用的传感器方式的非穷尽清单而且其他方式也有可能。此外，尽管在特定层方式和/或类型的背景下图示图3至图22中的每一个，然而另外应了解，除非另有说明，否则与图示类似的方式可运用于其他层类型和/或方式而不脱离描述于此的具体实施例的范畴。

在以下说明中，各个具体实施例的图解及描述首先参照被各个具体实施例所用的感测技术的简化示意图，接着是，可用来实际操作如示意图所示的感测电路的一个或多个横截面图。不过，应了解，图示及描述于此的横截面图只是可利用的结构的实施例而且也可使用其他结构。

首先参考图3，其提供有单端型输入感测的单端型感测电路300的简化示意图。如图3和后续附图所示，箭头表示由未对准引起的阻抗(例如，重叠)变化。在此，外加输入电压导致输出电压。所述输出电压用来计算阻抗Z₁，接着，若有的话，用来计算相关装置诸层之间的未对准程度，例如，如图1所示的层10及30。

图4图示使用有增益校正的电路300的感测技术用于侦测包括电极401的第一导电层(例如，MEMS层等等)与包括电极411、412的第二导电层(例如，CMOS层等等)之间的未对准的系统400。例如气隙或介电材料的非导电材料(未图示)位于这两层之间。在一方面中，第一层的电极401可为如图1所示的第一电极40。此外，第二层的电极411、412可为如图1所示的各个第二电极50。

如图4所示，电极411可连接至电压源451，且在电极401所产生的电荷可用单端型感测电路461测量。接着，所产生的电荷可用来计算系统400的诸层之间的未对准，例如，包括电极401的第一层与包括电极411、412的第二层。尽管图4图示电极411与电压源451经由开关连接，然而应了解，也可使用其他切换方式。

在另一方面，系统400的每个阻抗利用图1(未图示于图4)的中间层20，使得中间层的厚度变化相等地影响所述阻抗。因此，非敏感性回授阻抗Z₂缩放感测电路的增益(亦即，感测电路461的输出电压与电压源451的比例)以与感测到的阻抗Z₁及Z₂成正比。这使得感测电路的电压输出与中间层的厚度无关。

接下来参考图5，其提供有单端型回授感测的单端型感测电路500的简化示意图。在此，经由施加输入电压来得到阻抗Z₁，且若有的话，阻抗Z₁用来计算相关装置诸层之间的未对准程度，例如，如图1所示的层10及30。在一方面中，电路500的运作方式可类似图3的电路300，除了阻抗Z₁连接在感测电路的回授中以外。

图6图示使用电路500的感测技术用于侦测包括电极601的第一导电层与包括电极611、612的第二导电层之间的未对准的系统600。类似系统400，例如气隙或介电材料的非导电材料(未图示)位于这两层之间。

如图6所示，电极612可连接至电压源651，且在电极601所产生的电荷可用单端型感测电路661测量。接着，所产生的电荷可用来计算系统400的诸层之间的未对准，例如，包括电极601的第一层与包括电极611、612的第二层。尽管图6图示电极612与电压源651经由开关连接，然而应了解，也可使用其他切换方式。在另一方面，系统600用与以上在说明系统400时所述的类似方式展现增益校正。

进一步如附图所示，图7的简化示意图图示有单端型输入感测的差分感测电路700。在此，若有的话，阻抗Z₁、Z₂的差用来计算相关装置诸层之间的未对准程度，例如，如图1所示的层10及30。

参考图8，其图示使用电路700的感测技术用于侦测电子装置中多个导电层之间的未对准的系统800。在此，所述半导体装置含有包括两个电极802、804的第一导电层(例如，MEMS层等等)与包括单一电极812的第二导电层(例如，CMOS层等等)。例如气隙或介电材料的非导电材料(未图示)位于这两层之间。

如系统800所示，电极802、804可经由开关820、822连接至各个对应时变电压源830、832。在一方面中，电压源830、832所提供的电压可根据一个或多个性质而不同，例如振幅、相位或其类似物。在图8所示的实施例中，电压源830、832产生有相反相位的各个方波，例如，相差180度。也可使用其他方式。

用与上述具体实施例类似的方式，电压源830、832造成有一定数量的电荷储存于第一层的电极802、804与第二层的电极812之间，此电荷量与第一层与第二层之间朝面内方向的未对准成正比。电极812进一步电气连接至单端型感测电路840，其测量对应至电极802、804、812的半桥式结构的差分电容和/或相关电荷，以判定半导体装置的诸层之间的未对准程度。在一实施例中，可使用图8的替代切换方式。例如，电极812经由开关可连接至感测电路840，取代或除了开关820、822以外。

接下来参考图9，其提供有差分回授感测的差分感测电路900的简化示意图。如图9所示，电路900中存在源阻抗Z_S，它不需要为MEMS结构的一部分且不需要被用于未对准测量的感测电路使用。

参考图10，其图示使用处于电阻方式的电路1000的感测技术用于侦测包括电极1002、1004的第一导电层(例如，MEMS层等等)与包括电极1022、1024的第二导电层(例如，CMOS层等等)之间的未对准的系统1000。在一方面中，导电中间层1010位于与电极1002、1004、1022、1024关联的这两个导电层之间。进一步如图10所示，电路900中的源阻抗Z_S用电阻器R_S表示。在一具体实施例中，中间层1010的电导可实质大于电极1002、1004、1022、1024的电导。在另一具体实施例中，中间层1010的电导可实质小于电极1002、1004、1022、1024的电导。其他方式也有可能。

进一步如系统1000所示，电极1002、1004可经由开关连接至电压源1030的各个极点。尽管图10的电压源1030为DC电压源，然而可使用时变电压源或其他适当电压源。在接合时，电压源1030造成在第一层的各个电极1002、1004与第二层的电极1022、1024之间的中间层1010中有差分电流量。在一方面中，所产生的差分电导量与第一层和第二层之间朝面内方向的未对准成正比或以其他方式相关。在一方面中，电极1002、1004进一步电气连接至差分感测电路1040，其测量半桥式结构的差分电流，以判定半导体装置诸层之间的未对准程度。进一步如系统1000所示，与未对准成正比的差分电导连接在感测电路1040的回授位置中。

图11的系统1100图示系统1000的具体实施例的替代方式，其具有在第一导电层中的两个电极1102、1104与在第二导电层中的两个电极1022、1024。对比于系统1000，若有的话，系统1100利用电容感测来判定第一及第二导电层之间的未对准程度。照这样，诸如气隙之类的非导电层位于这两个导电层之间，且时变输入电压1130、1132各自施加至电极1122、1124。差分感测电路电气连接至第二导电层的电极1102、1104，其为基于感测到的差分电容用来判定第一及第二导电层之间朝面内方向的未对准程度。

接下来参考图12，其为有差分输入感测的半桥式感测电路1200的简化示意图。在感测电路可观察到各个阻抗Z₁及Z₂的差异且用来计算结构的诸层之间的未对准。

图13根据电路1200的感测技术图示用于侦测包括电极1302、1304、1306的第一导电层(例如，MEMS层等等)与包括电极1312的第二导电层(例如，CMOS层等等)之间的未对准的系统1300。例如气隙或介电材料的非导电材料(未图示)位于这两层之间。在此，第一层的电极1302及1304与感测节点关联，且第一层的电极1306在有些具体实施例中可用作辅助感测节点，如下述。替换地，第一导电层可只包括电极1302及1304。

进一步如系统1300所示，电极1312可经由开关1320连接至时变电压源1322(例如，方波电压产生器等等)。在接合时，电压源1322造成有一定数量的电荷储存于第一层的电极1302、1304与第二层的电极1312之间。在一方面中，各个电荷量差异与第一层、第二层之间朝面内方向的未对准成正比。此储存电荷差异对应至第一层的电极1302、1304与第二层的电极1312的电容差，为求清楚图解说明，这在图13图示为等价电容器。以此方式，电极1302、1304、1312有效地形成差分电容与底下半导体装置的诸层之间的未对准成正比的电容半桥式结构(capacitive half-bridge structure)。另外，如系统1300所示，电极1302、1304电气连接至差分感测电路1330，其测量半桥式结构的差分电容和/或相关电荷以判定半导体装置的诸层之间的未对准程度。

在一方面中，电极1306可用来计算与第一及第二导电层关联的比电容(亦即，每单位面积的电容)，用它可导出在第一及第二导电层之间的中间层的近似厚度。例如，电极1306可连接至与感测电路1330不同的单端型感测电路(未图示)。所述单端型感测电路从上述程序产生的输出可与中间层的厚度成正比或成反比，它可与测得电荷结合用来判定第一及第二层之间的电容。

尽管图13图示电极1312与电压源1322经由开关1320连接，然而应了解，也可使用其他切换方式。例如，感测电极1302、1304与感测电路1330之间的各个连接可用类似切换机构控制，取代或除了使电极1312连接至电压源1322的开关1320以外。

接下来参考第14图，其图示用于使用电路1200的感测技术来侦测半导体装置的导电层之间的未对准的另一系统1400，在此，第一导电层(例如，MEMS层等等)包括电极1402且第二导电层(例如，CMOS层等等)包括两个电极1412、1414。与系统1300类似，例如气隙或介电材料的非导电材料(未图示)位于这两层之间。

进一步如系统1400所示，电极1402可连接至时变电压源1420(例如，方波电压产生器等等)，其造成有一定数量的电荷储存于第一层的电极1402与第二层的电极1410、1412之间。类似上述系统1300，各个电荷量差异可与第一层、第二层之间朝面内方向的未对准成正比，致使电极1402、1412、1414运作的方式与系统1300的电容半桥式结构类似。另外，如系统1400所示，第二层的电极1412、1414可经由各个开关1432、1434电气连接至差分感测电路1440，其测量半桥式结构的电容和/或相关电荷以判定半导体装置诸层之间的未对准程度。

尽管第14图图示电极1412、1414经由各个开关1432、1434连接至感测电路1440，然而应了解，也可使用其他切换方式。例如，电极1402经由开关可连接至电压源1420，取代或除了开关1432、1434以外。

接下来参考图15，其图示使用根据电路1200的感测技术的电阻半桥式结构(resistive half-bridge structure)用于侦测包括电极1502、1504、1506的第一导电层(例如，MEMS层等等)与包括电极1512的第二导电层(例如，CMOS层等等)之间的未对准的系统1500。导电中间层1510位于与电极1502、1504、1506、1512关联的两个导电层之间。

进一步如系统1500所示，电极1512可经由开关1520连接至电压源1522。尽管图15的电压源1522为DC电压源，然而可使用其他电压源，例如以上在说明图13至第14图时提及的时变电压源1522。在接合时，电压源1522造成在第一层的电极1502、1504与第二层的电极1512之间的中间层1510中有差分电流量。在一方面中，所产生的差分电导量与第一层、第二层之间朝面内方向的未对准成正比。在一方面中，电极1502、1504电气连接至差分感测电路1530，其测量半桥式结构的差分电导以判定半导体装置的诸层之间的未对准程度。

接下来参考图16，其图示有差分输入感测及增益校正的半桥式感测电路1600。在一方面中，电路1600的每个阻抗利用中间层，使得中间层的厚度的变化相等地影响所述阻抗。因此，非敏感性回授阻抗Z_N1及Z_N2缩放感测电路的增益以与感测到的阻抗Z₁及Z₂成正比。这使得感测电路的电压输出与中间层的厚度无关。

图17根据电路1600的感测技术图示用于侦测包括电极1701、1702的第一导电层与包括电极1711、1712、1713的第二导电层之间的未对准的系统1700。如图17所示，电极1711可连接至电压源1751，且在电极1701、1702所产生的电荷可用差分感测电路1761测量。

参考图18，其图示有差分回授感测及增益校正的半桥式感测电路1800。在一方面中，电路1800可运用与电路1600类似有增益校正的半桥式差分感测电路，与电路1600不同的地方在于阻抗Z₁及Z₂的位置与Z_N1及Z_N2的位置互换。

图19根据电路1800的感测技术图示用于侦测包括电极1901、1902的第一导电层与包括电极1911、1912、1913的第二导电层之间的未对准的系统1900。如图19所示，电极1911可连接至电压源1951，且在电极1911、1912所产生的电荷可用差分感测电路1961测量。

接下来参考图20的简化示意图，其提供有差分输入感测的全桥式感测电路2000。在一方面中，可由根据上述一个或多个具体实施例的两个半桥式结构构成所述全桥式结构。接着，所述半桥式结构可对应至半导体装置的各个部分和/或各个导电层。例如，第一半桥式结构可对应至第一传感器或实际操作于半导体晶片上的其他装置或电路，同时第二半桥可对应至第二个不同装置或电路。其他方式也有可能。进一步如图20所示，第一半桥对应至阻抗Z₁及Z₂，且第二半桥对应至阻抗Z₃及Z₄。

接下来参考图21，根据电路2000的感测技术用于测量半导体装置的未对准的系统2100包括实体上或电气上分成两个不同部分的两个导电层。电极2102及2104与第一导电层的第一部分关联，且电极2112与第二导电层的第一部分关联。同样，电极2122及2124与第一导电层的第二部分关联，且电极2132与第二导电层的第二部分关联。

在一方面中，电极2102、2104经由第一开关2150连接至第一时变电压源2140。同样，电极2122、2124经由第二开关2152连接至第二时变电压源2142。例如，如图21所示，电压源2140、2142为有相反相位的两个不同方波产生器。也可使用其他的方式、波型等等。

用与以上所述的类似方式，电压源2140造成有一定差额的电荷储存于第一层的电极2102、2104与第二层的电极2112之间。同样，电压源2142造成有一定差额的电荷储存于第一层的电极2122、2124与第二层的电极2132之间。第一层的电极2102、2124连接至差分感测电路2160的第一输入，且第一层的电极2104、2122连接至差分感测电路2160的第二输入。接着，差分感测电路2160依据储存电荷和/或其相关电容来判定第一及第二导电层之间的未对准程度，和/或与导电层关联的各个组件电极、感测节点或其他特征。

图22的系统2200为系统2100的具体实施例的替代方式，其中，半导体装置的第一部分包括在第一导电层中的单一电极2202与在第二导电层中的两个电极2212、2214，且半导体装置的第二部分包括在第一导电层中的单一电极2222与在第二导电层中的两个电极2232、2234。如图22所示，第二层的电极2212、2234经由第一开关2250连接至第一时变电压2240，且第二层的电极2214、2232经由第二开关2252连接至第二时变电压2242。时变电压2240、2242可用与时变电压640、642类似的方式和/或用任何其他合适方式改变相位和/或其他特性。进一步如系统2200所示，第一层的电极2202、2222连接至差分感测电路2260的各个输入，差分感测电路2260依据储存电荷和/或其相关电容来判定第一及第二导电层之间的未对准程度，和/或与导电层关联的各个组件电极、感测节点或其他特征。

图23的流程图根据本公开的一个或多个具体实施例图示用于侦测半导体装置诸层之间的未对准的示范方法2300。在区块2302，施加输入电压至与半导体装置的第一导电层(例如，导电层10)关联的一个或多个第一电极(例如，第一电极40)中的每一个。

在区块2304，响应在区块2302施加输入电压，感测(例如，经由感测电路60)与半导体装置的第二导电层(例如，导电层30)关联的一个或多个第二电极(例如，第二电极50)的电气性质。在区块2304感测到的电气性质可包括但不限于：电荷、电导、电容等等。在一方面中，感测所述电气性质可经由首先测量与所述一个或多个第二电极关联的输出电压，且随后从测得的输出电压来判定所述电气性质。

在区块2306，依据在区块2304感测到的电气性质来计算半导体装置的第一及第二导电层之间例如朝面内方向的未对准。

在本专利说明书中，用语“或”旨在意指相容“或”而不是互斥“或”。亦即，除非另有说明，或从上下文可明白，“X使用A或B”旨在意指自然包容性排列中的任一。亦即，如果X使用A；X使用B；或X使用A与B两者，则以上任一实例都满足“X使用A或B”。此外，使用于本专利说明书及附图的冠词“一(a及an)”应大体被视为意指“一个或多个”，除非另有说明，或从上下文可明白它是指向单数形式。

此外，用语“示范”及“例如”用于本文的意思是用作实例或例证。描述于此作为“示范”或与“例如”子句有关的任何具体实施例或设计不一定被视为与其他具体实施例或设计相比为较佳或有利。反而，使用用语“示范”或“例如”旨在以具体形式来陈述概念。用语“第一”、“第二”、“第三”等等，在使用于权利要求及说明时，除非上下文另有明示，只是为求清楚说明，且不一定明示或暗示任何时间顺序。

以上所述包括本公开的一个或多个具体实施例的实施例。当然，为了描述这些实施例，不可能描述组件或方法中每一个可想到的组合，且可认识到这些具体实施例的许多进一步组合及排列是有可能的。因此，公开和/或主张于本文的具体实施例旨在涵盖落在详细说明及申请专利范围的精神及范畴内的所有此类变更、修改及变体。此外，倘若用语“包括(include)”使用于详细说明或者是权利要求中的话，在解释用作权利要求中的过渡词的“包含(comprising)”时，此用语旨在与用语“包含”有一样的包容性。