• / 19
  • 下載費用:30 金幣  

生成具有降低的環境溫度依賴性的換能信號的壓力傳感器及其制造方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510857502.0

申請日:

2015.11.30

公開號:

CN106257254A

公開日:

2016.12.28

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01L 9/00申請日:20151130|||公開
IPC分類號: G01L9/00; G01L9/06 主分類號: G01L9/00
申請人: 意法半導體股份有限公司
發明人: E·杜奇; S·康蒂; S·克斯坦蒂尼
地址: 意大利阿格拉布里安扎
優先權: 2015.06.22 IT 102015000026237
專利代理機構: 北京市金杜律師事務所 11256 代理人: 王茂華
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201510857502.0

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.01.25|||2016.12.28

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及生成具有降低的環境溫度依賴性的換能信號的壓力傳感器及其制造方法。被設計為檢測壓力傳感器外部的環境的環境壓力值(PA)的壓力傳感器(31)包括:第一基板(12),具有掩埋腔(16)和懸掛在掩埋腔之上的膜(18);第二基板(14),具有凹部(14’),凹部氣密耦合到第一基板(12),使得凹部限定密封腔(24),密封腔的內部壓力值提供壓力基準值(PREF);以及通道(32),至少部分地形成在第一基板(12)中,并且被配置為將掩埋腔(16)布置為與壓力傳感器外部的環境連通。膜經受根據密封腔(24)中的壓力基準值(PREF)和掩埋腔中的環境壓力值(PA)之間的壓力差的偏斜。

權利要求書

1.一種壓力傳感器(11;31),適于檢測所述壓力傳感器外部
的環境的環境壓力值(PA),所述壓力傳感器包括:
-第一半導體本體(12),具有內部掩埋腔(16)和懸置在所述
掩埋腔之上的膜(18);
-第二半導體本體(14),具有凹部(14’),所述凹部氣密耦合
到所述第一半導體本體(12),使得所述凹部(14’)面對所述膜(18),
從而限定密封腔(24),所述密封腔的內部壓力值提供壓力基準值
(PREF);以及
-通道(26;32),至少部分地形成在所述第一半導體本體(12)
中,并且被配置為將所述掩埋腔(16)設置為與所述壓力傳感器外部
的所述環境流體連通,
所述膜(18)被配置為經受根據所述密封腔(24)中的所述壓力
基準值(PREF)和所述掩埋腔(16)中的所述環境壓力值(PA)之間
的壓力差的偏斜。
2.根據權利要求1所述的壓力傳感器,其中所述膜(18)容納
換能器組件(28),所述換能器組件被配置為根據所述膜(18)的所
述偏斜生成換能電信號,所述換能器組件被布置在所述膜(18)的面
對所述密封腔(24)內部的表面部分中。
3.根據權利要求1或2所述的壓力傳感器,其中所述通道(26;
32)在與所述掩埋腔(16)的位置平面相同的位置平面中延伸作為所
述掩埋腔(16)的部分延長,從而到達所述第一半導體本體(12)的
與所述位置平面正交的側壁。
4.根據權利要求1或2所述的壓力傳感器,其中所述通道(26;
32)部分沿著屬于所述掩埋腔(16)的位置平面的第一方向(X;Y)
并且部分沿著與所述第一方向正交的第二方向(Z)延伸作為所述掩
埋腔(16)的部分延長,從而到達所述第一半導體本體(12)的暴露
于外部環境的側面(12a;12b)。
5.根據權利要求1或2所述的壓力傳感器,其中所述通道(26;
32)部分沿著屬于所述掩埋腔(16)的位置平面的第一方向(X;Y)
并且部分沿著與所述第一方向正交的第二方向(Z)在所述第一半導
體本體(12)中延伸作為所述掩埋腔(16)的部分延長,從而到達所
述第一半導體本體(12)的面對所述第二半導體本體(14)的側面
(12a),
并且其中所述通道(26;32)進一步完全地延伸通過所述第二半
導體本體(14),從而將所述掩埋腔(16)設置為通過所述第二半導
體本體(14)與外部環境流體連通。
6.根據權利要求4或5所述的壓力傳感器,進一步包括完全圍
繞所述膜(18)的耦合區域(20),所述第一半導體本體(12)和所
述第二半導體本體(14)經由所述耦合區域(20)氣密耦合在一起,
其中所述通道(32)在所述第一半導體本體(12)的在所述耦合
區域(20)外部的部分中沿著所述第二方向(Z)延伸。
7.根據權利要求5所述的壓力傳感器,進一步包括完全圍繞所
述膜(18)的耦合區域(20),所述第一半導體本體(12)和所述第
二半導體本體(14)經由所述耦合區域(20)氣密耦合在一起,
其中所述通道(32)進一步在所述第二方向(Z)上延伸通過所
述耦合區域(20)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的壓力傳感器,其中所述凹
部(14’)容納吸氣劑層(22),所述吸氣劑層被配置為當被活化時
降低所述密封腔(24)內部的壓力值。
9.一種用于制造壓力傳感器(11;31)的方法,所述壓力傳感
器(11;31)適于檢測所述壓力傳感器外部的環境的環境壓力值(PA),
所述方法包括以下步驟:
-在第一半導體本體(12)中,形成掩埋腔(16)和懸置在所述
掩埋腔之上的膜(18);
-在第二半導體本體(14)中,形成凹部(14’);
-將所述第二半導體本體(14)氣密耦合到所述第一半導體本體
(12),使得所述凹部(14’)面對所述膜(18),從而限定密封腔
(24),所述密封腔的內部壓力值提供壓力基準值(PREF);
-至少部分地在所述第一半導體本體(12)中形成通道(26;32);
以及
-將所述掩埋腔(16)布置為經由所述通道(26;32)與所述壓
力傳感器外部的所述環境流體連通。
10.根據權利要求9所述的方法,進一步包括在所述膜(18)的
面對所述密封腔(24)內部的表面區域中形成換能器組件(28)的步
驟,所述換能器組件被配置為根據所述膜(18)的偏斜生成換能電信
號。
11.根據權利要求9所述的方法,其中同時執行在所述第一半導
體本體(12)中形成所述掩埋腔(16)和形成所述通道(26;32)的
所述步驟。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法,其中形成所述通道
(26;32)的所述步驟包括:
-在與所述掩埋腔(16)的位置平面相同的位置平面中,刻蝕所
述第一半導體本體(12)作為所述掩埋腔(16)的部分延長;以及
-切割所述第一半導體本體(12)以便在所述第一半導體本體
(12)的與所述位置平面正交的側壁處暴露所述通道(26;32)。
13.根據權利要求9或10所述的方法,其中形成所述通道(32)
的所述步驟包括:
-在屬于所述掩埋腔(16)的位置平面的第一方向(X;Y)上刻
蝕所述第一半導體本體(12)作為所述掩埋腔(16)的部分延長,以
形成第一子通道(32’);以及
-在與所述第一方向正交的第二方向(Z)上刻蝕所述第一半導
體本體(12),以將所述第一子通道(32’)與所述第一半導體本體
(12)的暴露于外部環境的側面(12a;12b)流體連接,以形成第二
子通道(32”)。
14.根據權利要求9或10所述的方法,其中形成所述通道(32)
的所述步驟包括:
-沿著屬于所述掩埋腔(16)的位置平面的第一方向(X;Y),
刻蝕所述第一半導體本體(12)作為所述掩埋腔(16)的部分延長,
以形成第一子通道(32’);
-沿著與所述第一方向正交的第二方向(Z)刻蝕所述第一半導
體本體(12),以將所述第一子通道(32’)與所述第一半導體本體
(12)的面對所述第二半導體本體(14)的側面(12a)流體連接,
以形成第二子通道(32”);以及
-刻蝕所述第二半導體本體(14)以形成通孔,所述通孔經由所
述第一子通道(32’)和所述第二子通道(32”)流體連接到所述掩埋
腔(16)。
15.根據權利要求13或14所述的方法,進一步包括以下步驟:
-形成完全圍繞所述膜(18)的耦合區域(20);以及
-經由所述耦合區域(20)將所述第一半導體本體(12)和所述
第二半導體本體(14)氣密耦合在一起,
其中形成所述第二子通道(32”)的所述步驟包括在所述耦合區
域(20)之外刻蝕所述第一半導體本體(12)。
16.根據權利要求14所述的方法,進一步包括以下步驟:
-形成完全圍繞所述膜(18)的耦合區域(20);
-在所述耦合區域(20)中形成通孔;以及
-經由所述耦合區域(20)將所述第一半導體本體(12)和所述
第二半導體本體(14)氣密耦合在一起,
其中形成所述第二子通道(32”)的所述步驟包括在與所述耦合
區域(20)的所述通孔對應的區域中刻蝕所述第一半導體本體(12)
和所述第二半導體本體(14)。
17.根據權利要求9-16中任一項所述的方法,其中形成所述膜
(18)和所述掩埋腔(16)的所述步驟包括以下步驟:
-在所述第一半導體本體(12)中刻蝕第一溝槽(106),所述
第一溝槽在其之間界定半導體材料的第一壁(107);
-從所述第一壁(107)開始外延生長半導體材料的封閉層(110),
所述封閉層在頂部封閉所述第一溝槽(106)以形成所述膜(18);
以及
-執行熱處理,以便引起所述第一壁(107)的所述半導體材料
的遷移并且形成所述掩埋腔(16)。
18.根據權利要求17所述的方法,其中形成所述通道(26)的
所述步驟包括在所述第一半導體本體(12)中刻蝕第二溝槽(108)
作為所述第一溝槽(107)的部分延長的步驟,所述第二溝槽在其之
間界定半導體材料的第二壁;
其中外延生長所述封閉層(110)的所述步驟進一步包括在頂部
封閉所述第二溝槽(106);以及
其中執行所述熱處理的所述步驟進一步包括引起所述第二壁的
所述半導體材料的遷移并且形成所述通道(26)。

說明書

生成具有降低的環境溫度依賴性的換能信號的壓力傳感器及其制造方法

技術領域

本發明涉及其中換能壓力信號具有降低的環境溫度依賴性的壓
力傳感器,并且涉及其制造方法。

背景技術

如已知的,壓力換能器或傳感器是將壓力的變化轉換成電量(電
阻或電容)的變化的設備。在半導體傳感器的情況下,由于半導體材
料的膜(或隔膜)的存在而檢測到壓力變化,半導體材料的膜(或隔
膜)覆在腔的上面并且能夠在作用于其上的力的存在下經受偏斜。例
如,通過約束于膜本身的壓阻元件來測量膜的偏斜(即,基于一些材
料根據它們受到的偏斜來改變它們的電阻率的能力)。

壓敏電阻器通常被提供在懸掛膜的邊緣和/或一起連接成惠斯通
橋配置。施加壓力引起膜的偏斜,膜的偏斜轉而生成橋的偏移電壓的
變化。通過利用適當的電路檢測電壓的變化,因此可能獲得期望的壓
力信息。

壓力傳感器需要在柔性膜的一側提供腔,以使得柔性膜能夠偏
斜。該腔形成壓力基準,并且被提供為使得所述壓力基準是真空壓力。
以這種方式,膜處于絕對壓力的影響下。這種類型的壓力傳感器廣泛
應用于真空技術行業中、空間應用中、以及其中興趣在于測量相對于
最低限度地依賴于外部環境條件(例如傳感器本身的工作溫度)的絕
對基準的大氣壓力的所有方面中。

然而,絕對壓力傳感器的生產涉及高精度技術處理,以便在真空
條件下將膜完美地耦合在腔上

目前,已經提出了用于制造壓力傳感器的各種解決方案,其中:
使用絕緣體上硅(SOI)基板;從前面濕法刻蝕(參見例如US
4,766,666);從背面濕法刻蝕;以及仍然有其它方法(參見例如US
4,744,863)。

在所有已知的前述解決方案中,用于提供在懸掛結構和層下方的
腔的半導體技術的使用涉及復雜、昂貴、并且在一些情況下與當前半
導體行業中用于制造集成電路所使用的步驟幾乎不兼容的過程。

圖1是已知類型的壓力傳感器10的側向剖視圖,其提供了上面
闡述的問題的解決方案。根據圖1的實施例,膜1在例如硅的半導體
材料5的晶片的一個上側5a延伸。膜1懸掛在掩埋的腔2之上,腔2
根據US 8,173,513中描述的制造方法形成。

US 8,173,513中描述的用于獲得掩埋的腔2的步驟設想在控制壓
力(而非真空壓力)的環境下高溫處理晶片5。在封閉腔2(完成上
覆膜1的形成)之后,接著冷卻晶片5,從而生成掩埋的腔2內部的
壓力的降低。然而,在使用如此獲得的傳感器10期間,其中傳感器
10操作的環境的溫度增加引起隨之發生的掩埋的腔2內部的壓力增
加。同樣在無要測量的環境壓力的變化的情況下,由掩埋的腔2內部
的壓力提供的絕對基準壓力的變化導致傳感器10的換能輸出信號的
變化。輸出信號的這些變化可以至少部分地在處理輸出信號的步驟期
間得到補償,但是然而輸出信號的這些變化是不期望的。

發明內容

因此,本發明的目的是提供將克服已知解決方案的缺點的具有換
能信號對溫度的降低的依賴性的壓力傳感器及其制造方法。

根據本發明,提供了壓力傳感器及其制造方法,如在所附權利要
求中限定的那樣。

附圖說明

為了理解本發明,現在僅通過非限制性示例的方式、參照附圖來
描述其優選實施例,在附圖中:

-圖1示出已知類型的壓力傳感器的橫截面;

-圖2和圖3分別在側向剖視圖和俯視圖中示出根據本公開的一
個實施例的壓力傳感器;

-圖4和圖5分別在側向剖視圖和俯視圖中示出根據本公開的又
一實施例的壓力傳感器;

-圖6在側向剖視圖中示出根據本公開的又一實施例的壓力傳感
器;

-圖7在側向剖視圖中示出根據本公開的又一實施例的壓力傳感
器;

-圖8A至圖14在側向剖視圖中示出圖2和圖3的壓力傳感器的
制造步驟;并且

-圖15示出用于獲得圖4和圖5的壓力傳感器的中間制造步驟。

具體實施方式

圖2示出根據本公開的一個方面的以MEMS技術獲得的壓力換
能器或傳感器11的側向剖視圖。圖2的橫截面被表示在相互正交的
笛卡爾軸X、Y和Z的系統中,并且沿著圖3所示的區段III-III的線
取得。壓力傳感器11包括本體,本體包括耦合到蓋部14的諸如硅的
半導體材料的基板12,蓋部14也是諸如硅的半導體材料的。基板12
具有沿著軸Z彼此相對的第一面12a和第二面12b。腔16延伸在基板
12內、通過基板12的薄部分與第一面12a分開,該薄部分形成懸掛
在腔16之上的膜18。膜18具有沿著軸Z的包括在4μm和40μm之
間(例如6μm)的厚度。

腔16具有沿著軸Z的比基板12沿Z的厚度小的厚度。換言之,
腔16在基板12內、在第一面12a和第二面12b之間掩埋延伸。根據
一個實施例,在平面XY的視圖中,腔16具有圓形或多邊形形狀,
例如具有350μm的邊的正方形。沿Z,腔16具有包括在1μm和6μm
之間(例如4μm)的深度。

蓋部14在膜18的外圍區域通過耦合區域20耦合到基板12的第
一面12a。由于耦合區域20布置在膜18的外圍部分中,在使用期間,
膜18自由經受偏斜,而不會經受由耦合區域20的存在所引起的干擾。
耦合區域20沿著膜18的整個周界延伸,并且例如是玻璃熔塊類型的。
可以使用其它類型的鍵合,諸如例如金屬鍵合(例如金-金)、共晶
鍵合(例如Al-Ge)。

蓋部14具有直接面對膜18的凹部14’。凹部14’容納吸氣劑層
22。吸氣劑層22具有在使用中并且當密封凹部14’時(即,當蓋部
14通過耦合區域20耦合到基板12時)生成凹部14’內的基準壓力PREF
的功能,基準壓力PREF不同于(特別地,低于)凹部14’之外的環境
中存在的壓力PA。用作吸氣劑層22的材料是已知的,并且包括例如
金屬或對應混合物或合金,金屬諸如鋁(Al)、鋇(Ba)、鋯(Zr)、
鈦(Ti)、釩(V)、鐵(Fe),對應混合物或合金諸如鋯-鋁、鋯-
釩-鐵、鋯-鎳、和鋯-鈷(特別地,Zr/Co/O的合金)。根據一個實施
例,吸氣劑層22是非可蒸發吸氣劑(NEG)類型的,在將蓋部14耦
合到基板12的步驟前的制造步驟中,以凹部14’的暴露表面上的層的
形式來提供。如已知的,在形成吸氣劑層22的步驟期間,制成吸氣
劑層22的材料與周圍空氣反應,從而使得形成鈍化層(通常為氧化
物或氧化物/氮化物),鈍化層完全涂覆吸氣劑層22的表面面積,從
而致使吸氣劑層22無活性。通過溫度的局部活化而發生吸氣劑層22
的活化(在氣密密封凹部14’之后),以便去除已形成在吸氣劑層22
的表面上的鈍化層。以這種方式,吸氣劑層22被活化,并且通過與
凹部14’內的殘余氣體反應并且使得能夠降低相對于環境壓力PA的
基準壓力PREF,而以已知的方式操作。基準壓力PREF表示真空壓力。

明顯的是,在其中密封凹部14’的步驟發生在控制氣氛和壓力下
的情況下,吸氣劑層22可以省略。

凹部14’沿著軸X、Y和Z的延伸被選擇為使得在將蓋部與基板
12耦合之后生成具有包括在1e-13m3和50e-13m3之間(例如10e-13m3)
的體積的基準腔24。基準腔24內部的壓力PREF是用于由壓力傳感器
11測量絕對壓力的基準壓力。因此對于耦合區域20而言氣密密封基
準腔24是重要的,從而阻止與外部環境壓力PA的任何交換。在使用
中,即在控制氣氛和壓力下,密封應當發生在吸氣劑層22的活化之
后或者在密封凹部14’的步驟之后,當在近似25℃的環境溫度下測量
時,基準腔24內部的基準壓力PREF具有近似0mbar的值。

在使用中,腔16內部的壓力等于要測量的環境壓力PA。為了該
目的,腔16流體地耦合到壓力傳感器11外部的環境,使得其內部壓
力穩定在環境壓力PA(在該上下文中,并且在說明書的后續部分中,
考慮的流體是空氣)。為了該目的,根據本發明的一個方面,基板12
具有將腔16與壓力傳感器11外部的環境連接的一個或多個通道26
(圖2中用虛線圖示了兩個通道26,到目前為止它們沿著圖3的區段
III-III的線不可見)。通道26因此通過在基板12中提供的孔。

根據圖2的實施例,通道26具有:例如100μm的沿著軸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的對應尺寸,
以便不會生成基板12的不期望的結構弱點。

根據一個實施例,通道26沿Y的尺寸不是恒定的,而是在接近
基板12的側向面12c、12d時較大(其基本上被成形為像擠壓漏斗,
或者具有擠壓截頭圓錐的形狀,其中具有較小面積的開口直接面對腔
16,并且具有較大面積的開口面對壓力傳感器11的外部)。以這種
方式,阻止了例如在用于形成集成壓力傳感器11的切片的切割步驟
期間由源自基板12外部的材料對通道26的任何可能阻塞。

例如,在創建腔16的相同步驟期間使用相同制造過程(例如,
US 8,173,513中所描述的制造過程)形成通道16。

以這種方式,腔16與外部環境流體連接,并且腔16內部的壓力
是要測量的環境壓力PA。

圖3是圖2的壓力傳感器11在平面XY中的俯視圖。如可以從
圖3更充分理解的,根據該實施例,存在四個通道26,它們從腔16
的相應區域對稱地分支出來,并且將后者與傳感器11外部連接。

膜18還具有布置在膜18的外圍區域中并且面對基準腔24的內
部的一個或多個壓阻元件28。換言之,壓阻元件28被形成在制造步
驟結束時包含在基準腔24內的面12a的區域中。壓阻元件28可以由
電介質薄層(例如,具有近似0.5μm或更小的厚度的氮化硅)保護,
或者可以面對、或者直接暴露于基準腔24的內部。在這種情況下,
由于基準腔起保護壓阻元件28的作用,所以它們不會受到由壓力傳
感器11在其中操作的環境中存在的氣氛媒介引起的劣化。因此,利
用這些壓阻元件28被有效地容納在膜18的表面部分中的優點,不必
要提供壓阻元件28的保護層,在使用期間膜18的表面部分更多地受
到應力。因此提高了壓力傳感器11的靈敏度。

根據一個實施例,壓阻元件被提供為通過在基板12的側面12a
上植入摻雜劑原子而形成的P型區域,而基板12形成膜的部分是具
有N型摻雜的硅。在圖3中,存在以惠斯通橋配置電連接在一起的四
個壓敏電阻器28。為了簡化表示,壓敏電阻器28之間的互連(例如,
延伸在絕緣層之上的金屬區域)(雖然存在)未在圖中專門地表示。
作為對所述內容的替代,壓敏電阻器28可以由沉積在膜18上的例如
具有P型摻雜的多晶硅制成。多個接觸焊盤30在膜18和耦合區域20
之外的壓力傳感器區域中延伸。接觸焊盤30是諸如金屬的導電材料
的,并且形成用于與傳感器外部電連接的接口,例如以獲取由壓敏電
阻器28形成的惠斯通橋電路在輸出處供應的換能信號。

如已知的,在生產過程期間,在半導體材料的晶片上形成圖2和
圖3所示類型的多個壓力傳感器11。最后的處理步驟設想切割以形成
切片,每個切片容納相應壓力傳感器11。在其中在形成腔16的相同
步驟期間形成通道26的情況下,可能發生的是,在切割期間,一個
或多個通道26由源自切割步驟本身的廢料堵塞。該效應明顯是不期
望的。為了克服該缺點,本公開的一個實施例設想用于連接腔16與
外部的通道被提供在蓋部14的區域中的頂部。在圖4和圖5中圖示
了該實施例。具體地,圖4是沿著圖5的區段V-V的線取得的圖5
的壓力傳感器的剖視圖。

參考圖4,壓力傳感器31圖示在側向區段中。與圖2的壓力傳感
器11的那些元件一樣的壓力傳感器31的元件由相同的附圖標記指
定,并且本文中不再進一步描述。一個或多個通道32(在圖4中用虛
線表示了兩個通道32,到目前為止它們沿著區段V-V的線不可見)
從腔16開始延伸在基板12中,與腔16流體連接,一個或多個通道
32在平面XZ中的剖視圖中具有L形狀或上下翻轉的T的形狀。每個
通道32的第一部分32’沿著軸X延伸作為腔16的部分延長(第一部
分32’與圖2和圖3的通道26相似),而每個通道32的第二部分32”
沿著軸Z從第一部分32’開始延伸通過基板12的面12a、并且完全通
過蓋部14。以這種方式,提供開口36,其與腔16流體連接,在蓋部
14的上表面14a上,暴露于外部環境并且因此處于要測量的壓力PA
下。例如,通過諸如深反應離子刻蝕(DRIE)的各向異性刻蝕,形
成通道32的第二部分32”,而例如在形成腔16的相同步驟(例如,
根據US 8,173,513中描述的過程)期間,或者使用一些其它技術,形
成通道32的第一部分32’。

圖5在平面XY中的俯視圖中示出圖4的壓力傳感器。如可以從
圖5注意到的,四個開口36存在于壓力傳感器31的正面,相對于耦
合區域20側向形成。

根據圖4和圖5的實施例,通道32的第二部分32”延伸到耦合區
域20之外。根據圖6所示的又一實施例,壓力傳感器39包括通道32
的延伸通過耦合區域20的第二部分32”。在這種情況下,在形成耦合
區域20的步驟期間,貫通開口40可以被提供在耦合區域20的部分
中,其中將形成相應通道32的相應第二部分32”。

根據圖7所示的又一實施例,壓力傳感器41包括排他地在基板
12中延伸(并且也不通過蓋部14)的通道32。在這種情況下,用于
流體接入到腔16的開口44相對于耦合區域20側向地并且在基準腔
24之外被提供在基板12的面12a上。根據該實施例,在形成耦合區
域20并且在基板12和蓋部14之間的耦合的步驟前,執行通道32的
形成。為了防止形成耦合區域20的步驟引起如此形成的通道32的不
期望的阻塞,有利的是,在距離其中要形成耦合區域20的面12a的
部分的足夠距離處、例如在玻璃熔塊的情況下在沿著軸X測量的
100μm的距離處(在使用例如金屬鍵合的一些其它鍵合技術的情況
下,該距離可以是不同的,更小或更大)提供通道32。為了阻止用于
玻璃熔塊的材料以不期望的方式在基板12的表面12a上擴大,在其
中要形成耦合區域20的表面區域的旁邊,可以提供例如以通過刻蝕
表面12a的選擇部分而獲得的溝槽(未圖示的)形式的圍堵區域。

下面描述的是用于制造圖2和圖3的壓力傳感器的方法。

圖8A是在制造壓力傳感器11的初始步驟期間特別地由單晶硅制
成的半導體晶片的剖視圖。參照圖8A,半導體晶片包括N型的基板
12。在基板12的表面上提供抗蝕劑掩模103。如圖8B(其示出圖8A
的晶片的未按比例的定性俯視圖)中可以看到的,掩模103具有圓形
或大體多邊形的傳感器區域103’(例如,如圖8B所示的正方形),
并且同樣具有伸長區域103”,伸長區域103”從傳感器區域103’離開
并且在形狀和尺寸方面限定要形成的通道26。掩模103限定蜂窩狀格
子(如可以從圖8C的放大部分更清楚地注意到的),其表示彼此靠
近起來布置的六邊形形狀的掩模區域。

使用掩模103(圖9),執行對基板12的刻蝕以形成溝槽106,
溝槽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彼此相同并具有與掩模103限定的蜂窩狀區域的形狀對應的
形狀。同樣在圖9中圖示(用虛線)了溝槽108,溝槽108在隨后的
處理步驟中將會導致通道26的形成。

接著(圖10),去除掩模103,并且在脫氧環境中(通常,在優
選地使用三氯硅烷–SiHCl3而呈現高濃度的氫的氣氛中)執行外延生
長。因此,N型的外延層110(下文中不與基板12區分并且由相同的
附圖標記12指定)生長在硅柱107的上方并且在頂部封閉溝槽106,
從而困住其中存在的氣體(此處為氫分子–H2)。外延層110的厚
度是若干微米,例如在1μm和40μm之間。

然后執行退火步驟,例如在1190℃下30分鐘。退火步驟以本身
已知的方式引起(圖11)硅原子的遷移,硅原子趨向于移動到較低能
量的位置中。因此,在其中硅柱被布置為彼此靠近的溝槽106和108
的區域中,硅原子完全遷移,并且分別形成在頂部由膜18封閉的腔
16和在頂部也由膜18旁邊的硅區域封閉的通道26。由于腔16的存
在,膜18是柔性的并且可以經受偏斜。

優選地,在H2氣氛中執行退火,以用于阻止溝槽106中存在的
氫通過外延層110向外逃逸,并且在其中在外延生長步驟期間困住的
氫不夠的情況下,用于增加腔16和通道26中存在的氫的濃度。替代
地,可以在氮環境中執行退火。

接著,以圖中未圖示的方式,經由例如硼的P型摻雜劑物種的植
入來摻雜膜18的選擇部分,以便提供壓阻元件28。在膜的選擇部分
中形成壓敏電阻器(如同樣地它們的惠斯通橋連接)的步驟是本身已
知的,并且因此本文中不再進一步描述。

如果期望這樣,以不形成本發明主題的本身已知的方式,將構成
壓力傳感器11的控制電路的電子部件和/或電接觸焊盤(例如圖3的
焊盤30)集成在基板12內在膜18之外的區域中是可能的。

接著(圖12),放置具有基板120的晶片,其中要提供蓋部14。
為了該目的,在其面14b上刻蝕基板120以形成凹部14’,凹部14’
在深度上延伸到基板120中達到比基板120本身的厚度小的厚度。凹
部14’在平面XY中的尺寸使得當蓋部14耦合到基板12時,凹部14’
被設計為完全包圍膜18和壓敏電阻器28。如先前已經描述的,以本
身已知的方式在凹部14’內形成吸氣劑層22。

接著,如圖13所示,包括基板12的晶片(在圖11的處理步驟
中)和包括基板120的晶片(在圖12的處理步驟中)例如通過玻璃
熔塊技術被耦合在一起(稱為“晶片到晶片鍵合”的步驟)以形成耦
合區域20,使得凹部14’面對并且完全包圍膜18(以及集成在膜18
中的壓敏電阻器28)。優選地,耦合區域20在基板12的面12a上延
伸,使得不會相對于通道26側向(即,沿X)突出。以這種方式,
通過半導體材料的支撐部(蓋部14和基板12)、而不是還通過耦合
區域20,排他地執行隨后的切割步驟,耦合區域20可能是與所使用
的切割工具不兼容的材料的。

最后(圖14),沿著切割線53將晶片切成切片,每個切片包含
如此獲得的相應壓力傳感器11。

為了制造圖4和圖5的壓力傳感器31,在圖13的步驟之后,設
想圖15的步驟,其中在沿Z與圖9步驟期間形成的通道的相應部分
對準的蓋部14的頂部區域上,執行DRIE步驟(使用適當掩模,未
圖示)。從而形成用于接入到腔16的通道的第二部分32”(其在圖
15中用虛線表示,到目前為止它們沿著圖8B的區段VIII-VIII的線不
可見)。接著執行圖14的切割步驟。

以本身已知的方式,可以設想適當對準標記,以便于促進標識沿
Z與圖9步驟期間形成的通道的相應部分對準的蓋部14的頂部區域。

可以利用所描述的壓力傳感器實現的優點從前述描述中清楚地
顯現。

特別地,從根據所描述的任何一個實施例的壓力傳感器在輸出處
生成的換能壓力信號不會依賴于必定存在于掩埋腔中的殘余壓力。實
際上,基準壓力現在由通過耦合基板的過程所獲得的腔中存在的壓力
給出,其可以被高精度地控制(例如,使用吸氣劑層)。根據本公開,
基準壓力不會隨著壓力傳感器在其中工作的環境的溫度而變化或者
最低限度地變化。

此外,由于換能器元件(壓敏電阻器)面對基準腔(其被氣密封
閉)的內部,它們免受任何雜質和氣氛媒介(灰塵、濕度等)的影響,
雜質和氣氛媒介可能使它們損壞或者因此生成經換能的信號的變化,
其是不可預見的并且不可以補償的。

最后,由于所描述的制造過程,硅的壓力傳感器具有低的成本和
減小的尺寸、以及改善的對故障的抵抗能力。實際上,由于接收環境
壓力的腔是掩埋類型的,不要求基板之間的耦合的其它步驟以獲得
它。

最后,清楚的是,可以對本文中描述和圖示的壓力傳感器做出眾
多修改和變化,它們全部落在如所附權利要求所限定的發明構思的范
圍內。

例如,根據膜18的偏斜生成的換能信號可以通過膜18的導電區
域與固定基準電極的電容耦合而生成。例如,膜18的導電區域包括
通過已知類型的沉積技術形成的薄金屬層。在這種情況下,壓阻元件
不是必要的,并且腔24還容納固定基準電極;后者面對膜18的導電
區域,使得固定基準電極和膜18形成電容器的相應板。在使用中,
膜的偏斜引起如此形成的電容器的電容的變化。對電容的所述變化的
測量可以與膜18的偏斜關聯,膜18的偏斜轉而可以與作用在其上的
環境壓力PA關聯。從而可以測量環境壓力PA。

此外,通過在所述面12b上提供流體接入開口,可以形成用于連
接腔16與外部環境的通道,以連接腔16與基板12的面12b。形成所
述開口的過程與已經參照圖4和圖5描述的過程相似(例如,從面12b
開始的基板12的DRIE)。

關 鍵 詞:
生成 具有 降低 環境溫度 依賴性 信號 壓力傳感器 及其 制造 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:生成具有降低的環境溫度依賴性的換能信號的壓力傳感器及其制造方法.pdf
鏈接地址:http://www.rgyfuv.icu/p-6100642.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
山东11选5中奖结果走势图