具有微机械结构的MEMS压力传感器的制作方法

本实用新型涉及用于制造MEMS(微机电系统)压力传感器的方法和相应的MEMS压力传感器。

背景技术：

使用微机械技术(通常为MEMS)制造的集成半导体压力传感器是公知的。

这些传感器例如被使用在便携式或可穿戴电子装置内，或者被使用在汽车领域中例如用于气压计应用。

特别地，压阻式压力传感器是公知的，其操作基于压电电阻率，即基于当对一些材料施加机械应力以使它们经受改变时，这些材料修改它们的电阻率的能力。例如，当压缩应力被施加时电阻率减小，而当拉伸应力被施加时电阻率增大。

压阻式压力传感器一般包括薄膜(或隔膜)，其被悬挂在半导体材料的本体中的腔上方并且在存在来自外部环境的进入压力波的情况下经历变形。

(一般由植入的或扩散的掺杂区构成的)压阻式元件被提供在薄膜的表面区域中并且采用惠斯登电桥(Wheatstone-bridge)配置电连接到彼此。

薄膜的变形引发惠斯登电桥的不平衡，其能够由(耦合到传感器的微机械结构的)专门提供的电子电路、所谓的ASIC(专用集成电路)检测到，其从所述不平衡中导出作用于薄膜的压力的值。

即使这些压阻式压力传感器被广泛地且成功地使用，申请人已经意识到它们至少针对某些应用具有一些缺点。

特别地，申请人已经意识到这种类型的传感器大体具有根据温度的非线性响应，即高热系数(TCO)。此外，检测灵敏度取决于温度 并且一般当温度增大时变差。

因此，将这些传感器用于面对高工作温度或者大体广泛的温度变化的应用可能是不适当的。

此外，制造方法相当复杂且昂贵，因为需要若干植入或扩散掩模，例如以获得用于形成薄膜内的压阻式元件的掺杂区。

另外，这些压阻式传感器不允许用于在操作期间测试其正常功能的自测试流程的方便实现。

在这一点上，已知的是在例如汽车领域中的应用的一些背景下，明确要求电子系统的自测试能力以便防止错误和故障。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要至少部分地克服已知类型的MEMS压力传感器的问题。为此，本实用新型提供一种具有微机械结构的MEMS压力传感器，其能够被应用于不用的应用环境，例如高温环境中，并且能够简单且高效地实现对于该MEMS压力传感器的在操作期间的自测试流程。

根据实用新型的一个方面，提供一种具有微机械结构的MEMS压力传感器，包括：本体，包括半导体材料并且具有顶表面；掩埋腔，被完全包含在所述本体内并且由悬挂在所述掩埋腔上方的薄膜与所述顶表面分隔开；流体连通通路，用于所述薄膜与外部环境的流体连通，所述流体连通通路被设定在必须要确定其值的压力上；板区，由导电材料制成、被悬挂在所述薄膜上方并且由空白空间与所述薄膜分隔开；以及电接触元件，用于所述薄膜和所述板区的电连接，所述电接触元件被设计为形成感测电容器的板，所述感测电容器的电容值指示要被检测的压力的值。

根据本实用新型的一个实施例，所述板区包括在所述本体的所述顶表面上方生长的外延多晶硅的层。

根据本实用新型的一个实施例，朝向所述外部环境的所述薄膜的流体连通通路包括穿过所述板区制造的多个孔，所述孔具有与外部流 体连通的第一端和与在所述薄膜上方的所述空白空间流体连通的第二端。

根据本实用新型的一个实施例，朝向所述外部环境的所述薄膜的流体连通通路包括掩埋通路沟道，所述掩埋通路沟道在距所述前表面的一定距离处被包含在所述本体内，并且具有与所述掩埋腔流体连通的第一开口和在所述本体的外侧壁处与所述外部环境连通的第二开口。

根据本实用新型的一个实施例，所述电接触元件包括：电连接到所述薄膜的第一电接触元件和电连接到所述板区的第二电接触元件；所述第一电接触元件和所述第二电接触元件由分隔沟槽分隔开。

根据本实用新型的一个实施例，所述微机械结构在所述本体内除了包括压力感测结构之外还包括参考结构。

根据本实用新型的一个实施例，所述参考结构包括：相应的板区，由导电材料制成、被悬挂在相对于所述薄膜横向地设定的所述本体的表面部分上方并且由相应的空白空间与所述表面部分分隔开；相应的流体连通通路，用于所述相应的空白空间与所述外部环境的流体连通；用于所述表面部分和所述相应的板区的电连接的相应的电接触元件，所述相应的电接触元件被设计为形成参考电容器的板，所述参考电容器的电容值与要被检测的压力的值无关。

根据本实用新型的一个实施例，传感器还包括被设定在所述薄膜的表面部分中的掺杂区。

根据本实用新型的一个实施例，传感器与所述微机械结构集成在一起的附加微机械感测结构，以用于提供与陀螺仪、加速度计或麦克风组合的压力传感器。

本实用新型的具有微机械结构的MEMS压力传感器能够被应用于不用的应用环境，例如高温环境中，并且能够简单且高效地实现对于该MEMS压力传感器的在操作期间的自测试流程。

附图说明

为了更好地理解本实用新型，现在仅仅通过非限制性示例的方式并且参考附图描述本实用新型的优选实施例，其中：

-图1是根据本技术方案的第一实施例的在相应的制造方法的初始步骤中的MEMS压力传感器的微机械结构的示意性横截面视图；

-图2A是在制造方法的后续步骤中的微机械结构的示意性顶部平面图；

-图2B是与图2A的顶部平面图相对应的示意性横截面视图；

-图3-9是在制造方法的后续步骤中的微机械结构的示意性横截面视图；

-图10是图9的微机械结构的示意性顶部平面图；

-图11是根据本技术方案的第二实施例的在相应的制造方法的最终步骤中的MEMS压力传感器的微机械结构的示意性横截面视图；

-图12是图11的微机械结构的示意性顶部平面图；

-图13是根据本技术方案的第三实施例的在相应的制造方法的最终步骤中的MEMS压力传感器的微机械结构的示意性横截面视图；

-图14是图13的微机械结构的示意性顶部平面图；

-图15示出了将根据本技术方案的MEMS压力传感器的温度系数的绘图与已知类型的压阻式压力传感器的温度系数的绘图进行比较的曲线图；

-图16是根据本技术方案的另一方面的包含MEMS压力传感器的电子设备的总体框图；以及

-图17是MEMS压力传感器的变型实施例的总体框图。

具体实施方式

首先参考图1，现在描述根据本技术方案的一个实施例的用于制造电容类型的MEMS压力传感器的制造方法。

在制造方法的初始步骤中，提供了半导体材料(例如单晶硅)的晶片1，其包括例如具有n型(或等效地p型)掺杂的并且具有前表面2a和后表面2b的衬底2。

制造方法继续进行利用例如在以本申请人的名字提交的EP 1 324382B1中详细描述的技术对掩埋腔的形成，该掩埋腔被完全包含在晶片1内、由薄膜覆盖。

如图2A和图2B(与其他附图一样，其不一定是按比例绘制的)所示，第一蚀刻掩模3被提供在衬底2的例如由光敏材料(所谓的“光阻剂”)制成的前表面2a上。

第一蚀刻掩模3限定(参见图2A的放大细节)蚀刻区域，其在该示例中大致为方形(但是可以同样为圆形或一般地为多边形)，并且包括多个掩模部分3a，例如六边形，其限定晶格，例如蜂窝晶格。

如在随后的内容中显而易见的，第一蚀刻掩模3的蚀刻区域与将由掩埋腔占有的区域相对应并且具有与将被形成在相同的掩埋腔上方的薄膜的延伸相对应的延伸。

之后(参见与图2B类似的图3，为了图示的清楚的原因而仅仅表现晶片1的放大部分)，使用第一蚀刻掩模3，执行衬底2的各向异性化学蚀刻，在其之后形成沟槽6，其彼此进行连通并且界定由硅制成的多个柱7。

实际上，沟槽6形成(与第一蚀刻掩模3的晶格相对应的)复杂形状的开放区，(具有与掩模部分3a相对应的形状的)柱7延伸在其中。

接下来，第一蚀刻掩模3被移除并且在去氧环境中(通常，在具有高氢浓度的环境中，优选在具有三氯氢硅的环境中)执行外延生长。因此，外延层生长到柱7上方并且在顶部处封闭由沟槽6形成的上述开放区。

之后，优选在还原性环境中，通常在氢环境中，例如在1190℃执行30分钟热退火的步骤。退火步骤引起硅原子的迁移，其趋向于移动到较低能量的位置中。因此，也由于在柱7之间的短距离，硅原子完全从存在于由沟槽6形成的上述开放区内的柱7的部分迁移，并且从所述区开始，形成掩埋腔10。

如图4(与图2B和图3相比，其表示晶片1的放大部分)所示， 薄硅层保留在掩埋腔10上方，部分由外延生长的硅原子并且部分由迁移的硅原子构成，并且形成薄膜12，薄膜12是柔性的并且能够在存在外部应力的情况下弯曲。

特别地，薄膜12将掩埋腔10与衬底2的顶表面2a分隔开。通过衬底2的厚的单片区来将相同的掩埋腔10与后表面2b分隔开。

有利地，在用于形成薄膜12和掩埋腔10的步骤期间，掺杂剂原子可以被引入到衬底2内和相同的薄膜12中以便增大其导电率。

在先前已经描述的制造方法步骤的末尾，掩埋腔10因此被形成在衬底2内、被完全包含在衬底2内、由材料的连续部分与衬底2的前表面2a并且与衬底2的后表面2b两者分隔开。换言之，掩埋腔10不具有与衬底2的外部的流体连通。

如图5所示，制造方法之后继续进行在衬底2的顶表面2a上并且因此在薄膜12上形成例如由诸如氧化硅的介电材料制成的牺牲层14。该牺牲层14可以例如借助于在整个晶片1上的沉积技术(所谓的“空白”沉积，不使用掩模)来形成。

接下来，在牺牲层14上形成例如由多晶硅制成的导电层15。在该实施例中，导电层15被外延生长在牺牲层14上(同样不使用掩模)。

之后(图6)，通过第二蚀刻掩模(未示出在本文中)，执行导电层15的蚀刻，其中蚀刻停止在牺牲层14上，引起材料的移除并且形成第一焊盘沟槽15和接触开口17，其两者都在其厚度上贯穿导电层15。接触开口17横向地被设置为与第一焊盘沟槽15并排，处于相对于薄膜12的更靠外的位置中。

接下来(图7)，第二蚀刻掩模被移除并且第三蚀刻掩模(未示出在本文中)被形成在导电层15上方，通过其执行牺牲层14的蚀刻，其中在衬底2上蚀刻停止，因此移除垂直于在接触开口17处的相同的牺牲层14的部分，以便形成第二焊盘沟槽18。

第二焊盘沟槽18因此在衬底2的顶表面2a上结束并且被设置为与第一焊盘沟槽16并排，处于横向上相对于薄膜12的更靠外的位置中。

接下来(图8)，第三蚀刻掩模被移除，并且沉积掩模(未示出在本文中)被形成在导电层15上，其在垂直地与薄膜12相对应的区域处涂覆导电层15，并且代替地使第一焊盘沟槽16和第二焊盘沟槽18暴露。

在使用该沉积掩模的情况下，合适的金属材料(例如铝(或金))的金属区20之后被沉积在导电层15上。

特别地，该金属区20完全填充第一焊盘沟槽16和第二焊盘沟槽18，如图8所示，在第二焊盘沟槽18内与衬底2的顶表面2a接触，并且在第一焊盘沟槽16内与牺牲层14接触。

接下来(图9)，第四蚀刻掩模(未示出在本文中)被形成在导电层15和金属区20上，通过其执行蚀刻，其中蚀刻首先停止在牺牲层14上，其导致移除材料并形成多个孔22，多个孔22在其厚度中垂直地在与薄膜12相对应的位置中贯穿导电层15(例如，穿透类型的孔22根据如下文将说明的晶格布置来形成)。

蚀刻，例如化学湿蚀刻之后通过孔22在下面的牺牲层14中继续进行，其中蚀刻停止在衬底2的顶表面2a上，导致移除牺牲层14的材料并且形成在薄膜12上方的空白空间24。

特别地，该空白空间24经由穿过导电层15的孔22将薄膜12设置为与外部环境流体连通。孔22实际上具有与外界流体连通的第一端22a和与在薄膜12上方的空白空间24流体连通的第二端22b。

通过相同的第四蚀刻掩模，蚀刻(首先是金属区20和导电层15的蚀刻，然后是牺牲层14的蚀刻)导致形成分隔开口29，其贯穿金属区20、导电层15和牺牲层14的整个厚度直到达到衬底2的顶表面2a。

分隔开口29被设置在先前由上述第一焊盘沟槽16和第二焊盘沟槽18呈现的位置之间的中间的位置中并且限定：从导电层15开始，覆盖空白空间24和薄膜12的板区30；并且此外，从金属区20开始，两个不同的焊盘30a、30b并且尤其是设置为与衬底2接触的第一焊盘30a，在其内部构成第二焊盘沟槽18，并且设置为板区30接触的 第二焊盘30b，在其内部构成第一焊盘沟槽16。

制造方法之后终止于用于限定裸片32的锯开晶片1的步骤，每个裸片32包括(由从锯开晶片1得到的衬底2的单片部分构成的)半导体材料34的本体，MEMS压力传感器的整体上由35表示的微机械结构被集成在本体中。

图10是在制造方法的结束的相同的微机械结构35的示意性顶部平面图；该顶部平面图具体地示出穿过板区30制作的孔22的晶格(或阵列)布置。

详细地，微机械结构35因此包括：掩埋腔10，其被完全包含在半导体材料34制成的本体内；以及薄膜12，其被设置在掩埋腔10上方并且将相同的掩埋腔10与半导体材料34的本体的顶表面2a分隔开；在薄膜12上方的空白空间24，其使得能够在存在进入的压力波的情况下使薄膜12变形；垂直地设置在薄膜12上方的板区30，由空白空间24将其与薄膜12分隔开，其中对应的孔22将相同的空白空间24(和薄膜12)设置为与MEMS压力传感器外部的环境连通并且因此使得上述压力波能够进入；以及此外，第一焊盘30a，其与半导体材料34的本体(以及因此薄膜12)电接触，以及第二焊盘30b，其与板区30电接触。

特别地，微机械结构35限定感测电容器C(示意性地示出在图9中)，其具有作为第一板或电极的板区30(因此由从下面的衬底释放的外延多晶硅区构成)和作为第二板的薄膜12，第一板和第二板由空白空间24(其构成感测电容器C的电介质)分隔开。

在操作期间，由外部环境在薄膜12上施加的压力引起其变形和感测电容器C的电容变化。该电容变化可以例如由被设计为适当地接收电容变化和(例如通过放大和滤波操作)处理其的MEMS压力传感器的适当的ASIC通过到第一焊盘30a和第二焊盘30b的电连接检测到以供应指示检测到的压力的值的感测信号。

参考图11和图12，现在描述MEMS电容压力传感器的第二实施例。

在该第二实施例中，板区30不具有用于将薄膜12设置为与外部环境流体连通的孔22；相同的板区30实际上由没有任何开口的实心区构成。

换言之，空白空间24在这种情况下与外部环境隔离、被封闭在顶部的板区30与底部的薄膜12之间(此外横向上由牺牲层14的在用于释放板区30的化学蚀刻之后保留的部分界定)。

实际上，申请人已知意识到至少在一些应用中，使薄膜12与外部环境直接流体可能不利的。实际上，保护薄膜12免受污染、杂质和/或湿气影响可能是有用的。

在这种情况下，制造方法设想孔22(再次被提供用于通过经由下面的牺牲层14的化学蚀刻的移除来使板区30释放)后来借助于晶片1的热氧化的步骤来填充，其导致形成在图11中由36表示的在导电层15的暴露表面上的涂覆层。具体地，该涂覆层36完全填充孔22。

在该第二实施例中，薄膜12与到微机械结构35的半导体材料34的本体的外部环境的流体连通由掩埋通路沟道37确保，掩埋通路沟道37横向地向上连接到半导体材料34的本体内的掩埋腔10。

特别地，掩埋通路沟道37延伸在与半导体材料34的本体的顶表面平行的深度处，并且具有与掩埋腔10流体连通的第一开口37a和在半导体材料34的本体的侧壁34'处与外部环境的第二开口37b连通(该侧壁34'垂直于半导体材料34的本体的前表面和后表面延伸)。

掩埋通路沟道37利用导致形成掩埋腔10的相同的方法步骤来形成。

特别地，(先前参考图2A和图2B描述的)掩模3在这种情况下具有横向延长部分，该横向延长部分具有针对掩埋通路沟道37的期望构造，并且此外，锯开晶片1的步骤以使得划片线限定掩埋通路沟道37的上述第二开口37b的方式来执行以便向外部环境打开掩埋通路沟道37。

在该第二实施例中，压力波因此从第二开口37b进入掩埋通路沟道37并且撞击在薄膜12的设定为掩埋腔10接触的内表面上，引起 薄膜12的变形和感测电容器C的电容变化(除了该差别，其以与针对第一实施例描述的内容全部相似的方式来形成)。

参考图13和图14，现在描述电容类型的MEMS压力传感器的第三实施例。

在该第三实施例中，微机械结构32包括参考结构，其被集成在用于检测外部环境的压力的结构被形成在其中的半导体材料34的相同本体中；参考结构被设计为允许不同类型的压力检测(即，相对于已知压力参考，具有相对于要检测的压力的不变性的特性)。

在该第三实施例中，由38a表示的压力感测结构以完全与先前参考图9和图10详细讨论的微机械结构35相似的方式来提供(其具有穿过板区30的孔22以将薄膜12与外界流体连通)。

由38b表示的参考结构包括微机械结构，其除了其不包括掩埋腔10和薄膜12之外也完全与微机械结构35相似。

特别地，该参考结构38b包括：相应的板区30'，其由导电材料制成、被悬挂在相对于感测结构38a的薄膜12横向地设定的半导体材料的本体34的表面部分34a上方并且由相应的空白空间24'与相同的表面部分34a分隔开；穿过相应的板区30'的多个相应的孔(22')，其用于相应的空白空间24'与外部环境的流体连通；以及相应的衬底30a'、30b'，其用于上述表面部分34a和相应的板区30'与外部的电连接，其形成参考电容器C_ref的板。

电容器C_ref的电容值因此不受要检测的压力影响(在这个程度上，半导体材料34的本体的表面部分34a不经历根据该压力的变形)，并且代替地受例如在存在湿气的情况下损害感测结构38a的相同干扰现象影响。

相应的制造方法因此设想用于提供感测结构38a和参考结构38b的完全相似的(同时执行的)方法步骤，除了缺少形成针对参考结构38b的掩埋腔的初始步骤。

与微机械结构相关联的ASIC在这种情况下借助于感测结构38a的第一焊盘30a和第二焊盘30b并且借助于参考结构38b的相似的第 一焊盘30a'和第二焊盘30b'接收感测电容器C和参考电容器C_ref两者的电容变化。

ASIC有利地以不同的方式处理感测电容器C和参考电容器C_ref的这些电容变化以便消除例如由于湿气的干扰对检测到压力值的影响。

如图13所示，掺杂区39、39'可以此外存在于感测结构38a和参考结构38b两者中，在空白空间24、24'下面的半导体材料34的本体的表面部分中(针对感测结构35a，被设定在与薄膜12相对应的位置中并且形成相同薄膜12的表面部分)。

掺杂区39、39'可以通过在形成掩埋腔10后将掺杂剂植入或扩散到专用掩模中来形成，并且在这种情况下有助于构成感测电容器C和参考电容器C_ref的第二板；有利地，该掺杂区39、39'的存在使得能够增大上述第二板的导电率并且改进感测特性。

描述的技术方案的优点从前面的描述中清楚地显现。

特别地，基于电容检测的原理的MEMS压力传感器具有比基于压阻式感测原理的已知技术方案的相对于温度的变化和非线性低得多的相对于温度的变化和非线性。

在这一点上，图15将根据本技术方案的电容类型的MEMS压力传感器的温度系数TCO(被表示为全尺度FS的百分数)的绘图与压阻式类型的已知压力传感器的温度系数TCO'进行比较。

从绘图的比较，根据本技术方案的MEMS压力传感器的温度的更高的稳定性是显而易见的，如其响应的更大的线性一样。

具体地，申请人已经发现，针对已知的压力传感器的2mbar/℃(即，0.2％FS/℃)的温度系数TCO'，根据本技术方案的MEMS压力传感器的温度系数TCO为0.4mbar/℃(即，0.04％FS/℃)。

由于缺少专用于处理对应的压阻式元件的扩散的方法的掩模，根据本技术方案的用于制造MEMS压力传感器的方法有利地是没有已知类型(具体是压阻式类型)的压力传感器的方法复杂和昂贵。

特别地，申请人已经注意到由制造方法需要的掩模的数量的减 少，如针对要求例如九个掩模的用于制造压阻式压力传感器的方法，掩模的数量在所描述的实施例中可以仅仅为五个(四个蚀刻掩模和一个沉积掩模)。

另外，所描述的技术方案有利地实现例如通过从外部借助于第一焊盘30a和第二焊盘30b将适当的电偏置信号应用到感测电容器C的板在MEMS压力传感器中的自测试操作的简单且高效的实现方式。上述特性是特别有利的，如先前所强调的，例如对于汽车领域中的应用。

总体上，上述特性使得在电子设备50中对MEMS压力传感器的使用特别有利，例如对于如图16中示意性地示出的汽车领域中的气压计应用。

特别地，在图16中，MEMS压力传感器由42表示，包括先前描述的微机械结构35和ASIC 43，其提供对应的读取接口(并且可以被提供在与微机械结构35的裸片相同的裸片32中或者被提供在不同的裸片中，其可以在任何情况下被容纳在同一个封装中)。

电子设备50一般能够处理、存储和/或发送并接收信号和信息，并且包括：微处理器44，其接收由MEMS压力传感器42检测到的信号；连接到微处理器44的输入/输出接口45；以及非易失性类型的内部存储器46。

电子设备50在汽车领域中使用时可以根据检测到的压力值例如控制发动机中的燃烧的空气/燃料混合或者否则控制气囊的打开。

最后，清楚的是，可以在不脱离附加的附权利要求中限定的本实用新型的范围的情况下对本文已经描述和说明的内容进行修改和变型。

具体地，显而易见可以对用于制造MEMS压力传感器42的材料进行修改，不同的金属材料能够例如用于提供焊盘30a、30b或者否则不同的介电材料用于提供牺牲层14。

另外，显而易见MEMS压力传感器42可以有利地也被用于不同的应用，其中期望获得便携式或可穿戴设备(例如智能电话、平板电 脑、智能手表、等等)中或者在其中达到(例如，在从-40℃到175℃的范围中的)高温的工业应用中具有与温度无关的特性的压力的检测。

此外，由于使用的制造方法的兼容性，MEMS压力传感器可以有利地与另一MEMS内部传感器和/或麦克风集成。

在这一点上，图17是由62表示的组合的MEMS传感器的示意性图示，包括由64表示的组合的类型的微机械感测结构，其有利地将在先前针对压力检测详细描述的微机械结构35以及此外例如用于检测加速度、角速度或声波的已知类型的另一微机械感测结构65集成在半导体材料的同一个本体中。微机械机构35、65有利地利用所有兼容的制造方法来制作。

组合的MEMS传感器62还包括再次由43表示的ASIC，其操作耦合到微机械机构35并且耦合到另一微机械感测机构65，以便提供组合的感测结构(即，与压力传感器组合的加速度计、陀螺仪、或麦克风)。