生成具有降低的环境温度依赖性的换能信号的压力传感器及其制造方法

摘要

本发明涉及生成具有降低的环境温度依赖性的换能信号的压力传感器及其制造方法。被设计为检测压力传感器外部的环境的环境压力值(PA)的压力传感器(31)包括：第一基板(12)，具有掩埋腔(16)和悬挂在掩埋腔之上的膜(18)；第二基板(14)，具有凹部(14’)，凹部气密耦合到第一基板(12)，使得凹部限定密封腔(24)，密封腔的内部压力值提供压力基准值(PREF)；以及通道(32)，至少部分地形成在第一基板(12)中，并且被配置为将掩埋腔(16)布置为与压力传感器外部的环境连通。膜经受根据密封腔(24)中的压力基准值(PREF)和掩埋腔中的环境压力值(PA)之间的压力差的偏斜。

说明书

技术领域

本发明涉及其中换能压力信号具有降低的环境温度依赖性的压力传感器，并且涉及其制造方法。

背景技术

如已知的，压力换能器或传感器是将压力的变化转换成电量(电阻或电容)的变化的设备。在半导体传感器的情况下，由于半导体材料的膜(或隔膜)的存在而检测到压力变化，半导体材料的膜(或隔膜)覆在腔的上面并且能够在作用于其上的力的存在下经受偏斜。例如，通过约束于膜本身的压阻元件来测量膜的偏斜(即，基于一些材料根据它们受到的偏斜来改变它们的电阻率的能力)。

压敏电阻器通常被提供在悬挂膜的边缘和/或一起连接成惠斯通桥配置。施加压力引起膜的偏斜，膜的偏斜转而生成桥的偏移电压的变化。通过利用适当的电路检测电压的变化，因此可能获得期望的压力信息。

压力传感器需要在柔性膜的一侧提供腔，以使得柔性膜能够偏斜。该腔形成压力基准，并且被提供为使得所述压力基准是真空压力。以这种方式，膜处于绝对压力的影响下。这种类型的压力传感器广泛应用于真空技术行业中、空间应用中、以及其中兴趣在于测量相对于最低限度地依赖于外部环境条件(例如传感器本身的工作温度)的绝对基准的大气压力的所有方面中。

然而，绝对压力传感器的生产涉及高精度技术处理，以便在真空条件下将膜完美地耦合在腔上

目前，已经提出了用于制造压力传感器的各种解决方案，其中：使用绝缘体上硅(SOI)基板；从前面湿法刻蚀(参见例如US4,766,666)；从背面湿法刻蚀；以及仍然有其它方法(参见例如US4,744,863)。

在所有已知的前述解决方案中，用于提供在悬挂结构和层下方的腔的半导体技术的使用涉及复杂、昂贵、并且在一些情况下与当前半导体行业中用于制造集成电路所使用的步骤几乎不兼容的过程。

图1是已知类型的压力传感器10的侧向剖视图，其提供了上面阐述的问题的解决方案。根据图1的实施例，膜1在例如硅的半导体材料5的晶片的一个上侧5a延伸。膜1悬挂在掩埋的腔2之上，腔2根据US 8,173,513中描述的制造方法形成。

US 8,173,513中描述的用于获得掩埋的腔2的步骤设想在控制压力(而非真空压力)的环境下高温处理晶片5。在封闭腔2(完成上覆膜1的形成)之后，接着冷却晶片5，从而生成掩埋的腔2内部的压力的降低。然而，在使用如此获得的传感器10期间，其中传感器10操作的环境的温度增加引起随之发生的掩埋的腔2内部的压力增加。同样在无要测量的环境压力的变化的情况下，由掩埋的腔2内部的压力提供的绝对基准压力的变化导致传感器10的换能输出信号的变化。输出信号的这些变化可以至少部分地在处理输出信号的步骤期间得到补偿，但是然而输出信号的这些变化是不期望的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供将克服已知解决方案的缺点的具有换能信号对温度的降低的依赖性的压力传感器及其制造方法。

根据本发明，提供了压力传感器及其制造方法，如在所附权利要求中限定的那样。

附图说明

为了理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图来描述其优选实施例，在附图中：

-图1示出已知类型的压力传感器的横截面；

-图2和图3分别在侧向剖视图和俯视图中示出根据本公开的一个实施例的压力传感器；

-图4和图5分别在侧向剖视图和俯视图中示出根据本公开的又一实施例的压力传感器；

-图6在侧向剖视图中示出根据本公开的又一实施例的压力传感器；

-图7在侧向剖视图中示出根据本公开的又一实施例的压力传感器；

-图8A至图14在侧向剖视图中示出图2和图3的压力传感器的制造步骤；并且

-图15示出用于获得图4和图5的压力传感器的中间制造步骤。

具体实施方式

图2示出根据本公开的一个方面的以MEMS技术获得的压力换能器或传感器11的侧向剖视图。图2的横截面被表示在相互正交的笛卡尔轴X、Y和Z的系统中，并且沿着图3所示的区段III-III的线取得。压力传感器11包括本体，本体包括耦合到盖部14的诸如硅的半导体材料的基板12，盖部14也是诸如硅的半导体材料的。基板12具有沿着轴Z彼此相对的第一面12a和第二面12b。腔16延伸在基板12内、通过基板12的薄部分与第一面12a分开，该薄部分形成悬挂在腔16之上的膜18。膜18具有沿着轴Z的包括在4μm和40μm之间(例如6μm)的厚度。

腔16具有沿着轴Z的比基板12沿Z的厚度小的厚度。换言之，腔16在基板12内、在第一面12a和第二面12b之间掩埋延伸。根据一个实施例，在平面XY的视图中，腔16具有圆形或多边形形状，例如具有350μm的边的正方形。沿Z，腔16具有包括在1μm和6μm之间(例如4μm)的深度。

盖部14在膜18的外围区域通过耦合区域20耦合到基板12的第一面12a。由于耦合区域20布置在膜18的外围部分中，在使用期间，膜18自由经受偏斜，而不会经受由耦合区域20的存在所引起的干扰。耦合区域20沿着膜18的整个周界延伸，并且例如是玻璃熔块类型的。可以使用其它类型的键合，诸如例如金属键合(例如金-金)、共晶键合(例如Al-Ge)。

盖部14具有直接面对膜18的凹部14’。凹部14’容纳吸气剂层22。吸气剂层22具有在使用中并且当密封凹部14’时(即，当盖部14通过耦合区域20耦合到基板12时)生成凹部14’内的基准压力P_REF的功能，基准压力P_REF不同于(特别地，低于)凹部14’之外的环境中存在的压力P_A。用作吸气剂层22的材料是已知的，并且包括例如金属或对应混合物或合金，金属诸如铝(Al)、钡(Ba)、锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、铁(Fe)，对应混合物或合金诸如锆-铝、锆-钒-铁、锆-镍、和锆-钴(特别地，Zr/Co/O的合金)。根据一个实施例，吸气剂层22是非可蒸发吸气剂(NEG)类型的，在将盖部14耦合到基板12的步骤前的制造步骤中，以凹部14’的暴露表面上的层的形式来提供。如已知的，在形成吸气剂层22的步骤期间，制成吸气剂层22的材料与周围空气反应，从而使得形成钝化层(通常为氧化物或氧化物/氮化物)，钝化层完全涂覆吸气剂层22的表面面积，从而致使吸气剂层22无活性。通过温度的局部活化而发生吸气剂层22的活化(在气密密封凹部14’之后)，以便去除已形成在吸气剂层22的表面上的钝化层。以这种方式，吸气剂层22被活化，并且通过与凹部14’内的残余气体反应并且使得能够降低相对于环境压力PA的基准压力P_REF，而以已知的方式操作。基准压力P_REF表示真空压力。

明显的是，在其中密封凹部14’的步骤发生在控制气氛和压力下的情况下，吸气剂层22可以省略。

凹部14’沿着轴X、Y和Z的延伸被选择为使得在将盖部与基板12耦合之后生成具有包括在1e-13m³和50e-13m³之间(例如10e-13m³)的体积的基准腔24。基准腔24内部的压力P_REF是用于由压力传感器11测量绝对压力的基准压力。因此对于耦合区域20而言气密密封基准腔24是重要的，从而阻止与外部环境压力P_A的任何交换。在使用中，即在控制气氛和压力下，密封应当发生在吸气剂层22的活化之后或者在密封凹部14’的步骤之后，当在近似25℃的环境温度下测量时，基准腔24内部的基准压力P_REF具有近似0mbar的值。

在使用中，腔16内部的压力等于要测量的环境压力P_A。为了该目的，腔16流体地耦合到压力传感器11外部的环境，使得其内部压力稳定在环境压力P_A(在该上下文中，并且在说明书的后续部分中，考虑的流体是空气)。为了该目的，根据本发明的一个方面，基板12具有将腔16与压力传感器11外部的环境连接的一个或多个通道26(图2中用虚线图示了两个通道26，到目前为止它们沿着图3的区段III-III的线不可见)。通道26因此通过在基板12中提供的孔。

根据图2的实施例，通道26具有：例如100μm的沿着轴X的主延伸；例如4μm的沿Z的厚度，其等于腔16沿Z的厚度；以及例如10μm的沿Y的尺寸。通道26的沿Y的尺寸小于腔16的对应尺寸，以便不会生成基板12的不期望的结构弱点。

根据一个实施例，通道26沿Y的尺寸不是恒定的，而是在接近基板12的侧向面12c、12d时较大(其基本上被成形为像挤压漏斗，或者具有挤压截头圆锥的形状，其中具有较小面积的开口直接面对腔16，并且具有较大面积的开口面对压力传感器11的外部)。以这种方式，阻止了例如在用于形成集成压力传感器11的切片的切割步骤期间由源自基板12外部的材料对通道26的任何可能阻塞。

例如，在创建腔16的相同步骤期间使用相同制造过程(例如，US 8,173,513中所描述的制造过程)形成通道16。

以这种方式，腔16与外部环境流体连接，并且腔16内部的压力是要测量的环境压力P_A。

图3是图2的压力传感器11在平面XY中的俯视图。如可以从图3更充分理解的，根据该实施例，存在四个通道26，它们从腔16的相应区域对称地分支出来，并且将后者与传感器11外部连接。

膜18还具有布置在膜18的外围区域中并且面对基准腔24的内部的一个或多个压阻元件28。换言之，压阻元件28被形成在制造步骤结束时包含在基准腔24内的面12a的区域中。压阻元件28可以由电介质薄层(例如，具有近似0.5μm或更小的厚度的氮化硅)保护，或者可以面对、或者直接暴露于基准腔24的内部。在这种情况下，由于基准腔起保护压阻元件28的作用，所以它们不会受到由压力传感器11在其中操作的环境中存在的气氛媒介引起的劣化。因此，利用这些压阻元件28被有效地容纳在膜18的表面部分中的优点，不必要提供压阻元件28的保护层，在使用期间膜18的表面部分更多地受到应力。因此提高了压力传感器11的灵敏度。

根据一个实施例，压阻元件被提供为通过在基板12的侧面12a上植入掺杂剂原子而形成的P型区域，而基板12形成膜的部分是具有N型掺杂的硅。在图3中，存在以惠斯通桥配置电连接在一起的四个压敏电阻器28。为了简化表示，压敏电阻器28之间的互连(例如，延伸在绝缘层之上的金属区域)(虽然存在)未在图中专门地表示。作为对所述内容的替代，压敏电阻器28可以由沉积在膜18上的例如具有P型掺杂的多晶硅制成。多个接触焊盘30在膜18和耦合区域20之外的压力传感器区域中延伸。接触焊盘30是诸如金属的导电材料的，并且形成用于与传感器外部电连接的接口，例如以获取由压敏电阻器28形成的惠斯通桥电路在输出处供应的换能信号。

如已知的，在生产过程期间，在半导体材料的晶片上形成图2和图3所示类型的多个压力传感器11。最后的处理步骤设想切割以形成切片，每个切片容纳相应压力传感器11。在其中在形成腔16的相同步骤期间形成通道26的情况下，可能发生的是，在切割期间，一个或多个通道26由源自切割步骤本身的废料堵塞。该效应明显是不期望的。为了克服该缺点，本公开的一个实施例设想用于连接腔16与外部的通道被提供在盖部14的区域中的顶部。在图4和图5中图示了该实施例。具体地，图4是沿着图5的区段V-V的线取得的图5的压力传感器的剖视图。

参考图4，压力传感器31图示在侧向区段中。与图2的压力传感器11的那些元件一样的压力传感器31的元件由相同的附图标记指定，并且本文中不再进一步描述。一个或多个通道32(在图4中用虚线表示了两个通道32，到目前为止它们沿着区段V-V的线不可见)从腔16开始延伸在基板12中，与腔16流体连接，一个或多个通道32在平面XZ中的剖视图中具有L形状或上下翻转的T的形状。每个通道32的第一部分32’沿着轴X延伸作为腔16的部分延长(第一部分32’与图2和图3的通道26相似)，而每个通道32的第二部分32”沿着轴Z从第一部分32’开始延伸通过基板12的面12a、并且完全通过盖部14。以这种方式，提供开口36，其与腔16流体连接，在盖部14的上表面14a上，暴露于外部环境并且因此处于要测量的压力P_A下。例如，通过诸如深反应离子刻蚀(DRIE)的各向异性刻蚀，形成通道32的第二部分32”，而例如在形成腔16的相同步骤(例如，根据US>

图5在平面XY中的俯视图中示出图4的压力传感器。如可以从图5注意到的，四个开口36存在于压力传感器31的正面，相对于耦合区域20侧向形成。

根据图4和图5的实施例，通道32的第二部分32”延伸到耦合区域20之外。根据图6所示的又一实施例，压力传感器39包括通道32的延伸通过耦合区域20的第二部分32”。在这种情况下，在形成耦合区域20的步骤期间，贯通开口40可以被提供在耦合区域20的部分中，其中将形成相应通道32的相应第二部分32”。

根据图7所示的又一实施例，压力传感器41包括排他地在基板12中延伸(并且也不通过盖部14)的通道32。在这种情况下，用于流体接入到腔16的开口44相对于耦合区域20侧向地并且在基准腔24之外被提供在基板12的面12a上。根据该实施例，在形成耦合区域20并且在基板12和盖部14之间的耦合的步骤前，执行通道32的形成。为了防止形成耦合区域20的步骤引起如此形成的通道32的不期望的阻塞，有利的是，在距离其中要形成耦合区域20的面12a的部分的足够距离处、例如在玻璃熔块的情况下在沿着轴X测量的100μm的距离处(在使用例如金属键合的一些其它键合技术的情况下，该距离可以是不同的，更小或更大)提供通道32。为了阻止用于玻璃熔块的材料以不期望的方式在基板12的表面12a上扩大，在其中要形成耦合区域20的表面区域的旁边，可以提供例如以通过刻蚀表面12a的选择部分而获得的沟槽(未图示的)形式的围堵区域。

下面描述的是用于制造图2和图3的压力传感器的方法。

图8A是在制造压力传感器11的初始步骤期间特别地由单晶硅制成的半导体晶片的剖视图。参照图8A，半导体晶片包括N型的基板12。在基板12的表面上提供抗蚀剂掩模103。如图8B(其示出图8A的晶片的未按比例的定性俯视图)中可以看到的，掩模103具有圆形或大体多边形的传感器区域103’(例如，如图8B所示的正方形)，并且同样具有伸长区域103”，伸长区域103”从传感器区域103’离开并且在形状和尺寸方面限定要形成的通道26。掩模103限定蜂窝状格子(如可以从图8C的放大部分更清楚地注意到的)，其表示彼此靠近起来布置的六边形形状的掩模区域。

使用掩模103(图9)，执行对基板12的刻蚀以形成沟槽106，沟槽106具有例如近似10μm的若干微米的深度，并且限定硅柱107，硅柱107彼此相同并具有与掩模103限定的蜂窝状区域的形状对应的形状。同样在图9中图示(用虚线)了沟槽108，沟槽108在随后的处理步骤中将会导致通道26的形成。

接着(图10)，去除掩模103，并且在脱氧环境中(通常，在优选地使用三氯硅烷–SiHCl₃而呈现高浓度的氢的气氛中)执行外延生长。因此，N型的外延层110(下文中不与基板12区分并且由相同的附图标记12指定)生长在硅柱107的上方并且在顶部封闭沟槽106，从而困住其中存在的气体(此处为氢分子–H₂)。外延层110的厚度是若干微米，例如在1μm和40μm之间。

然后执行退火步骤，例如在1190℃下30分钟。退火步骤以本身已知的方式引起(图11)硅原子的迁移，硅原子趋向于移动到较低能量的位置中。因此，在其中硅柱被布置为彼此靠近的沟槽106和108的区域中，硅原子完全迁移，并且分别形成在顶部由膜18封闭的腔16和在顶部也由膜18旁边的硅区域封闭的通道26。由于腔16的存在，膜18是柔性的并且可以经受偏斜。

优选地，在H₂气氛中执行退火，以用于阻止沟槽106中存在的氢通过外延层110向外逃逸，并且在其中在外延生长步骤期间困住的氢不够的情况下，用于增加腔16和通道26中存在的氢的浓度。替代地，可以在氮环境中执行退火。

接着，以图中未图示的方式，经由例如硼的P型掺杂剂物种的植入来掺杂膜18的选择部分，以便提供压阻元件28。在膜的选择部分中形成压敏电阻器(如同样地它们的惠斯通桥连接)的步骤是本身已知的，并且因此本文中不再进一步描述。

如果期望这样，以不形成本发明主题的本身已知的方式，将构成压力传感器11的控制电路的电子部件和/或电接触焊盘(例如图3的焊盘30)集成在基板12内在膜18之外的区域中是可能的。

接着(图12)，放置具有基板120的晶片，其中要提供盖部14。为了该目的，在其面14b上刻蚀基板120以形成凹部14’，凹部14’在深度上延伸到基板120中达到比基板120本身的厚度小的厚度。凹部14’在平面XY中的尺寸使得当盖部14耦合到基板12时，凹部14’被设计为完全包围膜18和压敏电阻器28。如先前已经描述的，以本身已知的方式在凹部14’内形成吸气剂层22。

接着，如图13所示，包括基板12的晶片(在图11的处理步骤中)和包括基板120的晶片(在图12的处理步骤中)例如通过玻璃熔块技术被耦合在一起(称为“晶片到晶片键合”的步骤)以形成耦合区域20，使得凹部14’面对并且完全包围膜18(以及集成在膜18中的压敏电阻器28)。优选地，耦合区域20在基板12的面12a上延伸，使得不会相对于通道26侧向(即，沿X)突出。以这种方式，通过半导体材料的支撑部(盖部14和基板12)、而不是还通过耦合区域20，排他地执行随后的切割步骤，耦合区域20可能是与所使用的切割工具不兼容的材料的。

最后(图14)，沿着切割线53将晶片切成切片，每个切片包含如此获得的相应压力传感器11。

为了制造图4和图5的压力传感器31，在图13的步骤之后，设想图15的步骤，其中在沿Z与图9步骤期间形成的通道的相应部分对准的盖部14的顶部区域上，执行DRIE步骤(使用适当掩模，未图示)。从而形成用于接入到腔16的通道的第二部分32”(其在图15中用虚线表示，到目前为止它们沿着图8B的区段VIII-VIII的线不可见)。接着执行图14的切割步骤。

以本身已知的方式，可以设想适当对准标记，以便于促进标识沿Z与图9步骤期间形成的通道的相应部分对准的盖部14的顶部区域。

可以利用所描述的压力传感器实现的优点从前述描述中清楚地显现。

特别地，从根据所描述的任何一个实施例的压力传感器在输出处生成的换能压力信号不会依赖于必定存在于掩埋腔中的残余压力。实际上，基准压力现在由通过耦合基板的过程所获得的腔中存在的压力给出，其可以被高精度地控制(例如，使用吸气剂层)。根据本公开，基准压力不会随着压力传感器在其中工作的环境的温度而变化或者最低限度地变化。

此外，由于换能器元件(压敏电阻器)面对基准腔(其被气密封闭)的内部，它们免受任何杂质和气氛媒介(灰尘、湿度等)的影响，杂质和气氛媒介可能使它们损坏或者因此生成经换能的信号的变化，其是不可预见的并且不可以补偿的。

最后，由于所描述的制造过程，硅的压力传感器具有低的成本和减小的尺寸、以及改善的对故障的抵抗能力。实际上，由于接收环境压力的腔是掩埋类型的，不要求基板之间的耦合的其它步骤以获得它。

最后，清楚的是，可以对本文中描述和图示的压力传感器做出众多修改和变化，它们全部落在如所附权利要求所限定的发明构思的范围内。

例如，根据膜18的偏斜生成的换能信号可以通过膜18的导电区域与固定基准电极的电容耦合而生成。例如，膜18的导电区域包括通过已知类型的沉积技术形成的薄金属层。在这种情况下，压阻元件不是必要的，并且腔24还容纳固定基准电极；后者面对膜18的导电区域，使得固定基准电极和膜18形成电容器的相应板。在使用中，膜的偏斜引起如此形成的电容器的电容的变化。对电容的所述变化的测量可以与膜18的偏斜关联，膜18的偏斜转而可以与作用在其上的环境压力P_A关联。从而可以测量环境压力P_A。

此外，通过在所述面12b上提供流体接入开口，可以形成用于连接腔16与外部环境的通道，以连接腔16与基板12的面12b。形成所述开口的过程与已经参照图4和图5描述的过程相似(例如，从面12b开始的基板12的DRIE)。