具有微機械結構的MEMS壓力傳感器的製作方法

2023-04-29 17:51:11

本實用新型涉及用於製造MEMS(微機電系統)壓力傳感器的方法和相應的MEMS壓力傳感器。

背景技術：

使用微機械技術(通常為MEMS)製造的集成半導體壓力傳感器是公知的。

這些傳感器例如被使用在可攜式或可穿戴電子裝置內，或者被使用在汽車領域中例如用於氣壓計應用。

特別地，壓阻式壓力傳感器是公知的，其操作基於壓電電阻率，即基於當對一些材料施加機械應力以使它們經受改變時，這些材料修改它們的電阻率的能力。例如，當壓縮應力被施加時電阻率減小，而當拉伸應力被施加時電阻率增大。

壓阻式壓力傳感器一般包括薄膜(或隔膜)，其被懸掛在半導體材料的本體中的腔上方並且在存在來自外部環境的進入壓力波的情況下經歷變形。

(一般由植入的或擴散的摻雜區構成的)壓阻式元件被提供在薄膜的表面區域中並且採用惠斯登電橋(Wheatstone-bridge)配置電連接到彼此。

薄膜的變形引發惠斯登電橋的不平衡，其能夠由(耦合到傳感器的微機械結構的)專門提供的電子電路、所謂的ASIC(專用集成電路)檢測到，其從所述不平衡中導出作用於薄膜的壓力的值。

即使這些壓阻式壓力傳感器被廣泛地且成功地使用，申請人已經意識到它們至少針對某些應用具有一些缺點。

特別地，申請人已經意識到這種類型的傳感器大體具有根據溫度的非線性響應，即高熱係數(TCO)。此外，檢測靈敏度取決於溫度 並且一般當溫度增大時變差。

因此，將這些傳感器用於面對高工作溫度或者大體廣泛的溫度變化的應用可能是不適當的。

此外，製造方法相當複雜且昂貴，因為需要若干植入或擴散掩模，例如以獲得用於形成薄膜內的壓阻式元件的摻雜區。

另外，這些壓阻式傳感器不允許用於在操作期間測試其正常功能的自測試流程的方便實現。

在這一點上，已知的是在例如汽車領域中的應用的一些背景下，明確要求電子系統的自測試能力以便防止錯誤和故障。

技術實現要素：

本實用新型的目的是要至少部分地克服已知類型的MEMS壓力傳感器的問題。為此，本實用新型提供一種具有微機械結構的MEMS壓力傳感器，其能夠被應用於不用的應用環境，例如高溫環境中，並且能夠簡單且高效地實現對於該MEMS壓力傳感器的在操作期間的自測試流程。

根據實用新型的一個方面，提供一種具有微機械結構的MEMS壓力傳感器，包括：本體，包括半導體材料並且具有頂表面；掩埋腔，被完全包含在所述本體內並且由懸掛在所述掩埋腔上方的薄膜與所述頂表面分隔開；流體連通通路，用於所述薄膜與外部環境的流體連通，所述流體連通通路被設定在必須要確定其值的壓力上；板區，由導電材料製成、被懸掛在所述薄膜上方並且由空白空間與所述薄膜分隔開；以及電接觸元件，用於所述薄膜和所述板區的電連接，所述電接觸元件被設計為形成感測電容器的板，所述感測電容器的電容值指示要被檢測的壓力的值。

根據本實用新型的一個實施例，所述板區包括在所述本體的所述頂表面上方生長的外延多晶矽的層。

根據本實用新型的一個實施例，朝向所述外部環境的所述薄膜的流體連通通路包括穿過所述板區製造的多個孔，所述孔具有與外部流 體連通的第一端和與在所述薄膜上方的所述空白空間流體連通的第二端。

根據本實用新型的一個實施例，朝向所述外部環境的所述薄膜的流體連通通路包括掩埋通路溝道，所述掩埋通路溝道在距所述前表面的一定距離處被包含在所述本體內，並且具有與所述掩埋腔流體連通的第一開口和在所述本體的外側壁處與所述外部環境連通的第二開口。

根據本實用新型的一個實施例，所述電接觸元件包括：電連接到所述薄膜的第一電接觸元件和電連接到所述板區的第二電接觸元件；所述第一電接觸元件和所述第二電接觸元件由分隔溝槽分隔開。

根據本實用新型的一個實施例，所述微機械結構在所述本體內除了包括壓力感測結構之外還包括參考結構。

根據本實用新型的一個實施例，所述參考結構包括：相應的板區，由導電材料製成、被懸掛在相對於所述薄膜橫向地設定的所述本體的表面部分上方並且由相應的空白空間與所述表面部分分隔開；相應的流體連通通路，用於所述相應的空白空間與所述外部環境的流體連通；用於所述表面部分和所述相應的板區的電連接的相應的電接觸元件，所述相應的電接觸元件被設計為形成參考電容器的板，所述參考電容器的電容值與要被檢測的壓力的值無關。

根據本實用新型的一個實施例，傳感器還包括被設定在所述薄膜的表面部分中的摻雜區。

根據本實用新型的一個實施例，傳感器與所述微機械結構集成在一起的附加微機械感測結構，以用於提供與陀螺儀、加速度計或麥克風組合的壓力傳感器。

本實用新型的具有微機械結構的MEMS壓力傳感器能夠被應用於不用的應用環境，例如高溫環境中，並且能夠簡單且高效地實現對於該MEMS壓力傳感器的在操作期間的自測試流程。

附圖說明

為了更好地理解本實用新型，現在僅僅通過非限制性示例的方式並且參考附圖描述本實用新型的優選實施例，其中：

-圖1是根據本技術方案的第一實施例的在相應的製造方法的初始步驟中的MEMS壓力傳感器的微機械結構的示意性橫截面視圖；

-圖2A是在製造方法的後續步驟中的微機械結構的示意性頂部平面圖；

-圖2B是與圖2A的頂部平面圖相對應的示意性橫截面視圖；

-圖3-9是在製造方法的後續步驟中的微機械結構的示意性橫截面視圖；

-圖10是圖9的微機械結構的示意性頂部平面圖；

-圖11是根據本技術方案的第二實施例的在相應的製造方法的最終步驟中的MEMS壓力傳感器的微機械結構的示意性橫截面視圖；

-圖12是圖11的微機械結構的示意性頂部平面圖；

-圖13是根據本技術方案的第三實施例的在相應的製造方法的最終步驟中的MEMS壓力傳感器的微機械結構的示意性橫截面視圖；

-圖14是圖13的微機械結構的示意性頂部平面圖；

-圖15示出了將根據本技術方案的MEMS壓力傳感器的溫度係數的繪圖與已知類型的壓阻式壓力傳感器的溫度係數的繪圖進行比較的曲線圖；

-圖16是根據本技術方案的另一方面的包含MEMS壓力傳感器的電子設備的總體框圖；以及

-圖17是MEMS壓力傳感器的變型實施例的總體框圖。

具體實施方式

首先參考圖1，現在描述根據本技術方案的一個實施例的用於製造電容類型的MEMS壓力傳感器的製造方法。

在製造方法的初始步驟中，提供了半導體材料(例如單晶矽)的晶片1，其包括例如具有n型(或等效地p型)摻雜的並且具有前表面2a和後表面2b的襯底2。

製造方法繼續進行利用例如在以本申請人的名字提交的EP 1 324382B1中詳細描述的技術對掩埋腔的形成，該掩埋腔被完全包含在晶片1內、由薄膜覆蓋。

如圖2A和圖2B(與其他附圖一樣，其不一定是按比例繪製的)所示，第一蝕刻掩模3被提供在襯底2的例如由光敏材料(所謂的「光阻劑」)製成的前表面2a上。

第一蝕刻掩模3限定(參見圖2A的放大細節)蝕刻區域，其在該示例中大致為方形(但是可以同樣為圓形或一般地為多邊形)，並且包括多個掩模部分3a，例如六邊形，其限定晶格，例如蜂窩晶格。

如在隨後的內容中顯而易見的，第一蝕刻掩模3的蝕刻區域與將由掩埋腔佔有的區域相對應並且具有與將被形成在相同的掩埋腔上方的薄膜的延伸相對應的延伸。

之後(參見與圖2B類似的圖3，為了圖示的清楚的原因而僅僅表現晶片1的放大部分)，使用第一蝕刻掩模3，執行襯底2的各向異性化學蝕刻，在其之後形成溝槽6，其彼此進行連通並且界定由矽製成的多個柱7。

實際上，溝槽6形成(與第一蝕刻掩模3的晶格相對應的)複雜形狀的開放區，(具有與掩模部分3a相對應的形狀的)柱7延伸在其中。

接下來，第一蝕刻掩模3被移除並且在去氧環境中(通常，在具有高氫濃度的環境中，優選在具有三氯氫矽的環境中)執行外延生長。因此，外延層生長到柱7上方並且在頂部處封閉由溝槽6形成的上述開放區。

之後，優選在還原性環境中，通常在氫環境中，例如在1190℃執行30分鐘熱退火的步驟。退火步驟引起矽原子的遷移，其趨向於移動到較低能量的位置中。因此，也由於在柱7之間的短距離，矽原子完全從存在於由溝槽6形成的上述開放區內的柱7的部分遷移，並且從所述區開始，形成掩埋腔10。

如圖4(與圖2B和圖3相比，其表示晶片1的放大部分)所示， 薄矽層保留在掩埋腔10上方，部分由外延生長的矽原子並且部分由遷移的矽原子構成，並且形成薄膜12，薄膜12是柔性的並且能夠在存在外部應力的情況下彎曲。

特別地，薄膜12將掩埋腔10與襯底2的頂表面2a分隔開。通過襯底2的厚的單片區來將相同的掩埋腔10與後表面2b分隔開。

有利地，在用於形成薄膜12和掩埋腔10的步驟期間，摻雜劑原子可以被引入到襯底2內和相同的薄膜12中以便增大其導電率。

在先前已經描述的製造方法步驟的末尾，掩埋腔10因此被形成在襯底2內、被完全包含在襯底2內、由材料的連續部分與襯底2的前表面2a並且與襯底2的後表面2b兩者分隔開。換言之，掩埋腔10不具有與襯底2的外部的流體連通。

如圖5所示，製造方法之後繼續進行在襯底2的頂表面2a上並且因此在薄膜12上形成例如由諸如氧化矽的介電材料製成的犧牲層14。該犧牲層14可以例如藉助於在整個晶片1上的沉積技術(所謂的「空白」沉積，不使用掩模)來形成。

接下來，在犧牲層14上形成例如由多晶矽製成的導電層15。在該實施例中，導電層15被外延生長在犧牲層14上(同樣不使用掩模)。

之後(圖6)，通過第二蝕刻掩模(未示出在本文中)，執行導電層15的蝕刻，其中蝕刻停止在犧牲層14上，引起材料的移除並且形成第一焊盤溝槽15和接觸開口17，其兩者都在其厚度上貫穿導電層15。接觸開口17橫向地被設置為與第一焊盤溝槽15並排，處於相對於薄膜12的更靠外的位置中。

接下來(圖7)，第二蝕刻掩模被移除並且第三蝕刻掩模(未示出在本文中)被形成在導電層15上方，通過其執行犧牲層14的蝕刻，其中在襯底2上蝕刻停止，因此移除垂直於在接觸開口17處的相同的犧牲層14的部分，以便形成第二焊盤溝槽18。

第二焊盤溝槽18因此在襯底2的頂表面2a上結束並且被設置為與第一焊盤溝槽16並排，處於橫向上相對於薄膜12的更靠外的位置中。

接下來(圖8)，第三蝕刻掩模被移除，並且沉積掩模(未示出在本文中)被形成在導電層15上，其在垂直地與薄膜12相對應的區域處塗覆導電層15，並且代替地使第一焊盤溝槽16和第二焊盤溝槽18暴露。

在使用該沉積掩模的情況下，合適的金屬材料(例如鋁(或金))的金屬區20之後被沉積在導電層15上。

特別地，該金屬區20完全填充第一焊盤溝槽16和第二焊盤溝槽18，如圖8所示，在第二焊盤溝槽18內與襯底2的頂表面2a接觸，並且在第一焊盤溝槽16內與犧牲層14接觸。

接下來(圖9)，第四蝕刻掩模(未示出在本文中)被形成在導電層15和金屬區20上，通過其執行蝕刻，其中蝕刻首先停止在犧牲層14上，其導致移除材料並形成多個孔22，多個孔22在其厚度中垂直地在與薄膜12相對應的位置中貫穿導電層15(例如，穿透類型的孔22根據如下文將說明的晶格布置來形成)。

蝕刻，例如化學溼蝕刻之後通過孔22在下面的犧牲層14中繼續進行，其中蝕刻停止在襯底2的頂表面2a上，導致移除犧牲層14的材料並且形成在薄膜12上方的空白空間24。

特別地，該空白空間24經由穿過導電層15的孔22將薄膜12設置為與外部環境流體連通。孔22實際上具有與外界流體連通的第一端22a和與在薄膜12上方的空白空間24流體連通的第二端22b。

通過相同的第四蝕刻掩模，蝕刻(首先是金屬區20和導電層15的蝕刻，然後是犧牲層14的蝕刻)導致形成分隔開口29，其貫穿金屬區20、導電層15和犧牲層14的整個厚度直到達到襯底2的頂表面2a。

分隔開口29被設置在先前由上述第一焊盤溝槽16和第二焊盤溝槽18呈現的位置之間的中間的位置中並且限定：從導電層15開始，覆蓋空白空間24和薄膜12的板區30；並且此外，從金屬區20開始，兩個不同的焊盤30a、30b並且尤其是設置為與襯底2接觸的第一焊盤30a，在其內部構成第二焊盤溝槽18，並且設置為板區30接觸的 第二焊盤30b，在其內部構成第一焊盤溝槽16。

製造方法之後終止於用於限定裸片32的鋸開晶片1的步驟，每個裸片32包括(由從鋸開晶片1得到的襯底2的單片部分構成的)半導體材料34的本體，MEMS壓力傳感器的整體上由35表示的微機械結構被集成在本體中。

圖10是在製造方法的結束的相同的微機械結構35的示意性頂部平面圖；該頂部平面圖具體地示出穿過板區30製作的孔22的晶格(或陣列)布置。

詳細地，微機械結構35因此包括：掩埋腔10，其被完全包含在半導體材料34製成的本體內；以及薄膜12，其被設置在掩埋腔10上方並且將相同的掩埋腔10與半導體材料34的本體的頂表面2a分隔開；在薄膜12上方的空白空間24，其使得能夠在存在進入的壓力波的情況下使薄膜12變形；垂直地設置在薄膜12上方的板區30，由空白空間24將其與薄膜12分隔開，其中對應的孔22將相同的空白空間24(和薄膜12)設置為與MEMS壓力傳感器外部的環境連通並且因此使得上述壓力波能夠進入；以及此外，第一焊盤30a，其與半導體材料34的本體(以及因此薄膜12)電接觸，以及第二焊盤30b，其與板區30電接觸。

特別地，微機械結構35限定感測電容器C(示意性地示出在圖9中)，其具有作為第一板或電極的板區30(因此由從下面的襯底釋放的外延多晶矽區構成)和作為第二板的薄膜12，第一板和第二板由空白空間24(其構成感測電容器C的電介質)分隔開。

在操作期間，由外部環境在薄膜12上施加的壓力引起其變形和感測電容器C的電容變化。該電容變化可以例如由被設計為適當地接收電容變化和(例如通過放大和濾波操作)處理其的MEMS壓力傳感器的適當的ASIC通過到第一焊盤30a和第二焊盤30b的電連接檢測到以供應指示檢測到的壓力的值的感測信號。

參考圖11和圖12，現在描述MEMS電容壓力傳感器的第二實施例。

在該第二實施例中，板區30不具有用於將薄膜12設置為與外部環境流體連通的孔22；相同的板區30實際上由沒有任何開口的實心區構成。

換言之，空白空間24在這種情況下與外部環境隔離、被封閉在頂部的板區30與底部的薄膜12之間(此外橫向上由犧牲層14的在用於釋放板區30的化學蝕刻之後保留的部分界定)。

實際上，申請人已知意識到至少在一些應用中，使薄膜12與外部環境直接流體可能不利的。實際上，保護薄膜12免受汙染、雜質和/或溼氣影響可能是有用的。

在這種情況下，製造方法設想孔22(再次被提供用於通過經由下面的犧牲層14的化學蝕刻的移除來使板區30釋放)後來藉助於晶片1的熱氧化的步驟來填充，其導致形成在圖11中由36表示的在導電層15的暴露表面上的塗覆層。具體地，該塗覆層36完全填充孔22。

在該第二實施例中，薄膜12與到微機械結構35的半導體材料34的本體的外部環境的流體連通由掩埋通路溝道37確保，掩埋通路溝道37橫向地向上連接到半導體材料34的本體內的掩埋腔10。

特別地，掩埋通路溝道37延伸在與半導體材料34的本體的頂表面平行的深度處，並且具有與掩埋腔10流體連通的第一開口37a和在半導體材料34的本體的側壁34'處與外部環境的第二開口37b連通(該側壁34'垂直於半導體材料34的本體的前表面和後表面延伸)。

掩埋通路溝道37利用導致形成掩埋腔10的相同的方法步驟來形成。

特別地，(先前參考圖2A和圖2B描述的)掩模3在這種情況下具有橫向延長部分，該橫向延長部分具有針對掩埋通路溝道37的期望構造，並且此外，鋸開晶片1的步驟以使得劃片線限定掩埋通路溝道37的上述第二開口37b的方式來執行以便向外部環境打開掩埋通路溝道37。

在該第二實施例中，壓力波因此從第二開口37b進入掩埋通路溝道37並且撞擊在薄膜12的設定為掩埋腔10接觸的內表面上，引起 薄膜12的變形和感測電容器C的電容變化(除了該差別，其以與針對第一實施例描述的內容全部相似的方式來形成)。

參考圖13和圖14，現在描述電容類型的MEMS壓力傳感器的第三實施例。

在該第三實施例中，微機械結構32包括參考結構，其被集成在用於檢測外部環境的壓力的結構被形成在其中的半導體材料34的相同本體中；參考結構被設計為允許不同類型的壓力檢測(即，相對於已知壓力參考，具有相對於要檢測的壓力的不變性的特性)。

在該第三實施例中，由38a表示的壓力感測結構以完全與先前參考圖9和圖10詳細討論的微機械結構35相似的方式來提供(其具有穿過板區30的孔22以將薄膜12與外界流體連通)。

由38b表示的參考結構包括微機械結構，其除了其不包括掩埋腔10和薄膜12之外也完全與微機械結構35相似。

特別地，該參考結構38b包括：相應的板區30'，其由導電材料製成、被懸掛在相對於感測結構38a的薄膜12橫向地設定的半導體材料的本體34的表面部分34a上方並且由相應的空白空間24'與相同的表面部分34a分隔開；穿過相應的板區30'的多個相應的孔(22')，其用於相應的空白空間24'與外部環境的流體連通；以及相應的襯底30a'、30b'，其用於上述表面部分34a和相應的板區30'與外部的電連接，其形成參考電容器Cref的板。

電容器Cref的電容值因此不受要檢測的壓力影響(在這個程度上，半導體材料34的本體的表面部分34a不經歷根據該壓力的變形)，並且代替地受例如在存在溼氣的情況下損害感測結構38a的相同幹擾現象影響。

相應的製造方法因此設想用於提供感測結構38a和參考結構38b的完全相似的(同時執行的)方法步驟，除了缺少形成針對參考結構38b的掩埋腔的初始步驟。

與微機械結構相關聯的ASIC在這種情況下藉助於感測結構38a的第一焊盤30a和第二焊盤30b並且藉助於參考結構38b的相似的第 一焊盤30a'和第二焊盤30b'接收感測電容器C和參考電容器Cref兩者的電容變化。

ASIC有利地以不同的方式處理感測電容器C和參考電容器Cref的這些電容變化以便消除例如由於溼氣的幹擾對檢測到壓力值的影響。

如圖13所示，摻雜區39、39'可以此外存在於感測結構38a和參考結構38b兩者中，在空白空間24、24'下面的半導體材料34的本體的表面部分中(針對感測結構35a，被設定在與薄膜12相對應的位置中並且形成相同薄膜12的表面部分)。

摻雜區39、39'可以通過在形成掩埋腔10後將摻雜劑植入或擴散到專用掩模中來形成，並且在這種情況下有助於構成感測電容器C和參考電容器Cref的第二板；有利地，該摻雜區39、39'的存在使得能夠增大上述第二板的導電率並且改進感測特性。

描述的技術方案的優點從前面的描述中清楚地顯現。

特別地，基於電容檢測的原理的MEMS壓力傳感器具有比基於壓阻式感測原理的已知技術方案的相對於溫度的變化和非線性低得多的相對於溫度的變化和非線性。

在這一點上，圖15將根據本技術方案的電容類型的MEMS壓力傳感器的溫度係數TCO(被表示為全尺度FS的百分數)的繪圖與壓阻式類型的已知壓力傳感器的溫度係數TCO'進行比較。

從繪圖的比較，根據本技術方案的MEMS壓力傳感器的溫度的更高的穩定性是顯而易見的，如其響應的更大的線性一樣。

具體地，申請人已經發現，針對已知的壓力傳感器的2mbar/℃(即，0.2％FS/℃)的溫度係數TCO'，根據本技術方案的MEMS壓力傳感器的溫度係數TCO為0.4mbar/℃(即，0.04％FS/℃)。

由於缺少專用於處理對應的壓阻式元件的擴散的方法的掩模，根據本技術方案的用於製造MEMS壓力傳感器的方法有利地是沒有已知類型(具體是壓阻式類型)的壓力傳感器的方法複雜和昂貴。

特別地，申請人已經注意到由製造方法需要的掩模的數量的減 少，如針對要求例如九個掩模的用於製造壓阻式壓力傳感器的方法，掩模的數量在所描述的實施例中可以僅僅為五個(四個蝕刻掩模和一個沉積掩模)。

另外，所描述的技術方案有利地實現例如通過從外部藉助於第一焊盤30a和第二焊盤30b將適當的電偏置信號應用到感測電容器C的板在MEMS壓力傳感器中的自測試操作的簡單且高效的實現方式。上述特性是特別有利的，如先前所強調的，例如對於汽車領域中的應用。

總體上，上述特性使得在電子設備50中對MEMS壓力傳感器的使用特別有利，例如對於如圖16中示意性地示出的汽車領域中的氣壓計應用。

特別地，在圖16中，MEMS壓力傳感器由42表示，包括先前描述的微機械結構35和ASIC 43，其提供對應的讀取接口(並且可以被提供在與微機械結構35的裸片相同的裸片32中或者被提供在不同的裸片中，其可以在任何情況下被容納在同一個封裝中)。

電子設備50一般能夠處理、存儲和/或發送並接收信號和信息，並且包括：微處理器44，其接收由MEMS壓力傳感器42檢測到的信號；連接到微處理器44的輸入/輸出接口45；以及非易失性類型的內部存儲器46。

電子設備50在汽車領域中使用時可以根據檢測到的壓力值例如控制發動機中的燃燒的空氣/燃料混合或者否則控制氣囊的打開。

最後，清楚的是，可以在不脫離附加的附權利要求中限定的本實用新型的範圍的情況下對本文已經描述和說明的內容進行修改和變型。

具體地，顯而易見可以對用於製造MEMS壓力傳感器42的材料進行修改，不同的金屬材料能夠例如用於提供焊盤30a、30b或者否則不同的介電材料用於提供犧牲層14。

另外，顯而易見MEMS壓力傳感器42可以有利地也被用於不同的應用，其中期望獲得可攜式或可穿戴設備(例如智慧型電話、平板電 腦、智能手錶、等等)中或者在其中達到(例如，在從-40℃到175℃的範圍中的)高溫的工業應用中具有與溫度無關的特性的壓力的檢測。

此外，由於使用的製造方法的兼容性，MEMS壓力傳感器可以有利地與另一MEMS內部傳感器和/或麥克風集成。

在這一點上，圖17是由62表示的組合的MEMS傳感器的示意性圖示，包括由64表示的組合的類型的微機械感測結構，其有利地將在先前針對壓力檢測詳細描述的微機械結構35以及此外例如用於檢測加速度、角速度或聲波的已知類型的另一微機械感測結構65集成在半導體材料的同一個本體中。微機械機構35、65有利地利用所有兼容的製造方法來製作。

組合的MEMS傳感器62還包括再次由43表示的ASIC，其操作耦合到微機械機構35並且耦合到另一微機械感測機構65，以便提供組合的感測結構(即，與壓力傳感器組合的加速度計、陀螺儀、或麥克風)。