一种集成多档位的压力传感器及其制造方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种集成多档位的压力传感器及其制造方法。

背景技术：

压力传感器根据不同的应用需求，往往采用不同的性能和类型。

例如，同样用于胎压监测的压力传感器，用于家用轿车和卡车的量程和精度需求完全不同，前者量程约为1-4大气压，而后者甚至高达10大气压；同样，用于测量海拔高度的压力传感器，其量程约为0.1-2大气压，然而精度要求则高出很多。

因此，在现有技术中，针对不同的应用需求，需开发不同类型和性能的压力传感器；在应用选型时，往往需要在量程和测量精度之间做取舍，无法兼得。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

本申请的发明人发现，在现有技术中，一款压力传感器具有特定的量程和精度，其往往只能用于某些特定的场合，使用的范围较小。

本申请提供一种集成多档位的压力传感器及其制造方法，在该集成多档位的压力传感器中，具有横跨各类应用的量程、精度的压力传感器能够被集成到单一的芯片上，在实际应用中，可以根据不同的需求对所使用的压力传感器进行切换和选择，因此，可以大幅降低产品开发和维护费用，使压力传感器具有更广阔的应用市场。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种集成多档位的压力传感器的制造方法，该制造方法包括：

在基片中形成至少两组开孔，所述开孔具有第一深度；

在所述开孔的侧壁和底部沉积保护层；

刻蚀所述开孔的底部的保护层；

对所述开孔的底部的基片材料进行再次刻蚀，以从所述开孔的底部起形成附加开孔，所述附加开孔具有第二深度；

对于每组开孔，腐蚀掉该组开孔的各所述附加开孔之间的基片材料，形成空腔，以在所述空腔上方形成基片材料膜，所述基片材料膜的厚度与所述第一深度相同；

其中，在同一组开孔中，各所述开孔的第一深度相同，在至少两组开孔中，不同组开孔的第一深度彼此不同。

根据本实施例的另一方面，其中，在同一组开孔中，各所述开孔的横向尺寸相同，在至少两组开孔中，不同组开孔的横向尺寸彼此不同。

根据本实施例的另一方面，其中，在形成至少两组所述开孔的步骤中，对各开孔刻蚀同时进行，并且刻蚀时间一样长。

根据本实施例的另一方面，其中，所述基片是(111)取向的硅基底，在所述基片的表面除所述开孔之外的位置都覆盖有掩膜层，在形成所述空腔的步骤中，对所述附加开孔的侧壁进行湿法腐蚀，并且，所述掩膜层和所述保护层作为所述湿法腐蚀的掩膜。

根据本实施例的另一方面，其中，湿法腐蚀的溶液为氢氧化钾(KOH)，或者四甲基氢氧化铵(TMAH)。

根据本实施例的另一方面，其中，该制造方法还包括：在形成所述空腔之后，填充所述开孔以对所述开孔进行密封，并形成与所述压力感测元件电连接的外围电路引线。

根据本实施例的另一方面，其中，该制造方法还包括：

在所述基片中形成至少两个压力感测元件，用于测量所述空腔上方的所述基片材料膜的形变量，并输出与所述形变量对应的压力值。

根据本实施例的再一方面，提供一种集成多档位的压力传感器，该压力传感器包括：

至少两个压力感测元件，其形成在基片中；

至少两个基片材料膜，其形成在所述基片中，并且，所述基片材料膜与所述压力感测元件的位置对应；以及

至少两个空腔，其形成在所述基片中，位于所述基片材料膜的下方；

其中，在至少两个基片材料膜中，所述基片材料膜的厚度彼此不同。

根据本实施例的另一方面，其中，在至少两个空腔中，所述空腔的深度彼此不同。

根据本实施例的另一方面，其中，该压力传感器还包括：外围电路引线，其与所述压力感测元件电连接。

本申请的有益效果在于：具有横跨各类应用的量程、精度的压力传感器能够被集成到单一的芯片上，在实际应用中，可以根据不同的需求对所使用的压力传感器进行切换和选择，因此，可以大幅降低产品开发和维护费用，使压力传感器具有更广阔的应用市场。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本实施例的集成多档位的压力传感器的制造方法的一个流程示意图；

图2(a)-图2(f)分别是压力传感器的制造方法的每个步骤所对应的基片的剖面示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，将基片的设置压力感测元件的面称为“正面”，将基片的与该“正面”相对的面称为“背面”，由此，“上”方向是指从“背面”指向“正面”的方向，“下”方向与“上”方向相反；并且，将与该“正面”平行的方向称为“横向”，将与该“正面”垂直的方向成为纵向。在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表第一基片在制造和使用时的方位。

在本申请中，基片可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶圆等，本申请对此并不限制。

实施例1

本申请实施例1提供一种集成多档位的压力传感器的制造方法。图1是该制造方法的一个流程示意图，如图1所示，该制造方法包括：

S101、在基片中形成至少两个压力感测元件；

S102、在该基片中形成至少两组开孔，该开孔具有第一深度，并且每组开孔的位置与至少一个相应的压力感测元件的位置对应；

S103、在开孔的侧壁和底部沉积保护层；

S104、刻蚀开孔的底部的保护层；

S105、对开孔的底部的基片材料进行再次刻蚀，以从开孔的底部起形成附加开孔，该附加开孔具有第二深度；

S106、对于每组开孔，腐蚀掉该组开孔的各附加开孔之间的基片材料，形成空腔，以在所述空腔上方形成基片材料膜，所述基片材料膜的厚度与所述第一深度相同。

根据本实施例，压力感测元件的位置与基片材料膜的位置对应，由此，一个压力感测元件与相应位置处的基片材料膜能够形成一个压力传感器单元，并且，在外界压力使基片材料膜发生形变的情况下，相应位置的压力感测元件能够输出与基片材料膜的形变对应的压力感测信号，从而检测外界压力。

在本实施例中，在同一组开孔中，各开孔的第一深度相同，由此，使得在每一个基片材料膜中，基片材料膜的厚度能够保持均匀，由此，使该压力传感器单元的输出更稳定。

在本实施例中，在至少两组开孔中，不同组开孔的第一深度彼此不同，由此，对于该至少两组开孔而言，基片材料膜的厚度不同。由于基片材料膜的厚度决定了相应的压力感测元件所输出的压力感测信号的量程和精度，因此，该至少两组开孔对应的压力传感器单元所具有的量程和精度分别不同。

通过本实施例，能够在一个基片上同时制造至少两个具有不同量程和不同精度的压力传感器单元，从而形成集成多档位的压力传感器，该集成多档位的压力传感器能够被应用于对压力检测有不同量程需求和精度需求的场合，拓宽了其应用领域，并可大幅降低压力传感器的开发和维护费用。

例如，本申请的集成多档位的压力传感器可以在一个压力传感器中形成有用于检测家用轿车胎压的压力传感器单元和用于检测卡车胎压的压力传感器单元，在不同的使用场合下，可以选择从不同的压力传感器单元输出的压力感测信号，从而满足在不同使用场合下的量程需求和精度需求。

在本实施例的步骤S101中，可以利用离子注入和光刻的方法来形成该压力感测元件，其中，该压力感测元件例如可以是惠斯通电桥，其具体的形成方法可以参考现有技术，本实施例不再赘述。需要说明的是，该步骤S101也可以不设置在步骤S102之前，而是设置在如下所述的步骤S107之后，本申请的实施例对此并不限制。

在本实施例的步骤S102中，可以在与每个压力感测元件对应的位置处，形成一组开孔，由此，形成至少两组开孔。关于各组开孔的形状，可以相同或相似，具体的形状可以参考现有技术，例如，各开孔可以是长条形、或圆形等。

在本申请中，可以在基片表面沉积掩膜层，在掩膜层上形成开孔图形，通过采用干法刻蚀等刻蚀方法对从开孔图形中露出的基片进行刻蚀，从而形成具有第一深度的开孔。开孔图形的横向尺寸与刻蚀后形成的开孔的横向尺寸基本相同。在经历相同的刻蚀条件的情况下，如果开孔的横向尺寸较大，被刻蚀区域与反应气体反应较为充分，纵向刻蚀的速度就较快，该开孔的第一深度就大，反之，如果开孔的横向尺寸较小，纵向刻蚀的速度就较慢，该开孔的第一深度就小。由此，通过设置各开孔的横向尺寸的差异，就能够达到通过同一刻蚀过程来控制各开孔的第一深度的差异这一效果。

在本实施例中，在同一组开孔中，各开孔的横向尺寸相同，因此，各开孔的第一深度相同；在对应不同量程和精度的至少两组开孔中，不同组开孔的横向尺寸彼此不同，因此，不同组的开孔的第一深度不同。由此，在步骤S102中，可以对各开孔同时进行刻蚀，并且刻蚀时间一样长，从而得到至少两组具有不同第一深度的开孔。

在本实施例中，开孔的横向尺寸例如可以是指开孔的宽度和/或长度、或半径等。

在本实施例中，在步骤S103中，在开孔的侧壁和底部沉积保护层，同时也可以在基片的表面同时沉积保护层，该保护层例如可以是氧化硅或氮化硅等。

在本实施的步骤S104中，可以对整个基片的保护层都进行刻蚀，由此，开孔的底部的保护层被刻蚀掉，同时基片表面的保护层也被刻蚀掉。并且，该刻蚀可以具有方向性，因此，开孔的侧壁的保护层依然保留。该步骤S104的刻蚀可以使干法刻蚀，例如ICP刻蚀，或者RIE，或者离子束刻蚀等。

在本实施例的步骤S105中，可以对开孔的底部的基片材料进行再次刻蚀，以从开孔的底部起刻蚀形成附加开孔，该附加开孔具有第二深度，该再次刻蚀例如可以是DRIE干法刻蚀等刻蚀方法。同样，该步骤S105中可以对各开孔同时进行，并且刻蚀时间一样长，其中，各开孔的横向尺寸的差异，决定了各附加开孔的第二深度的差异。

在本实施例的步骤S106中，可以以开孔的侧壁的保护层，以及基片表面的掩膜层为蚀刻阻挡层，对基片进行腐蚀，由此，对于每组开孔，腐蚀掉该组开孔的各附加开孔之间的基片材料，形成空腔，以在所述空腔上方形成基片材料膜，并使该基片材料膜的厚度与对应开孔的第一深度相同，并且该空腔的深度与所述第二深度相同。

例如，该基片可以是(111)取向的硅基底，在该步骤S106中，可以使用腐蚀液对基片进行湿法腐蚀，从而腐蚀掉附加开孔的侧壁的硅材料，从而形成空腔，并且由于空腔的顶部和底部的硅都是〈111〉晶向，腐蚀液在空腔的顶部和底部发生腐蚀自停止，因此，能够形成基片材料膜。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括步骤S107：

S107、在形成所述空腔之后，填充所述开孔，并形成与所述压力感测元件电连接的外围电路引线。

关于S107的具体实现方式可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

此外，如上所述，在本实施例中，形成压力感测元件(例如惠斯通电桥)的步骤S101设置在步骤S102之前，也可以设置步骤S107之后，本申请的实施例对此并不 限制。

根据本实施例的制造方法，能够得到集成多档位的压力传感器，在该压力传感器中，具有横跨各类应用的量程、精度的压力传感器能够被集成到单一的芯片上，在实际应用中，可以根据不同的需求对所使用的压力传感器进行切换和选择，因此，可以大幅降低产品开发和维护费用，使压力传感器具有更广阔的应用市场。

下面，结合具体实例和图2，详细说明本实施例的集成多档位的压力传感器的制造方法的一个具体实施方式，其中，图2(a)-图2(f)分别是每个步骤所对应的基片的剖面示意图。

在该实施方式中，该基片可以是(111)取向的硅晶圆。

该实施方式的步骤如下：

(1)在(111)取向的硅基底1上，根据压力传感器的版图，先通过光刻和离子注入的步骤，形成多个惠斯通电桥(图中未示出)，用于感测压力信号。

(2)如图2(a)所示，可以在基片1表面形成硬掩膜层2，例如，可以通过氧化或气相沉积等方式，在基片1的表面形成该硬掩膜层2；然后通过光刻和刻蚀等方式，在硬掩膜层2上形成开孔图形；接下来通过干法刻蚀的方式，刻蚀形成多组开孔31、32、33等，并且对各组开孔进行干法刻蚀的时间相同；其中，各组开孔31、32、33的横向尺寸D1、D2、D3彼此不同，各组开孔31、32、33的第一深度H1、H2、H3彼此不同。

(3)如图2(b)所示，对整个基片沉积保护层4，该保护层例如可以是氧化硅或氮化硅等。

(4)如图2(c)所示，对整个基片进行各向异性的干法刻蚀，以去除开孔的底部的保护层和基片表面的保护层，同时保留开孔的侧壁的保护层4。

(5)如图2(d)所示，采用干法刻蚀，如DRIE，对开孔31、32、33的底部的基片材料进行再次刻蚀，以从开孔的底部起刻蚀形成附加开孔31a、32a、33a，该附加开孔具有第二深度L1、L2、L3；其中，该再次刻蚀的过程可以对各开孔进行相同时间的刻蚀，各开孔的横向尺寸的差异决定了各附加开孔的第二深度的差异。

(6)如图2(e)所示，以开孔的侧壁的保护层4，以及基片表面的掩膜层2为蚀刻阻挡层，采用KOH或者TMAH腐蚀液对基片1进行湿法腐蚀，该腐蚀液对于晶向为〈111〉的晶面腐蚀自停止，由此，对于每组开孔，能够腐蚀掉该组开孔的各附 加开孔之间的基片材料，形成空腔5，以在空腔5上方形成基片材料膜6，并使该基片材料膜6的厚度与对应开孔的第一深度H1、H2、H3相同，并且该空腔5的深度与对应开孔中的附加开孔的第二深度L1、L2、L3相同。

(7)如图2(f)所示，对基片1沉积介质材料7，以使介质材料7填充开孔31、32、33，并形成与压力感测元件电连接的外围电路引线(图未示出)，由此，形成一种集成多档位的压力传感器。

实施例2

本申请实施例2提供一种集成多档位的压力传感器，通过实施例1的方法制造得到。图2(f)是该压力传感器的剖面示意图，如图2(f)所示，该压力传感器包括：

至少两个压力感测元件，其形成在基片1中；

至少两个基片材料膜6，其形成在基片1中，并且，基片材料膜6与压力感测元件的位置对应；以及

至少两个空腔5，其形成在所述基片1中，位于所述基片材料膜6的下方，并且，在至少两个基片材料膜6中，所述基片材料膜6的厚度彼此不同。

此外，在本实施例中，在至少两个空腔中，空腔5的深度彼此不同。

此外，在本实施例中，该压力传感器还包括外围电路引线，其与压力感测元件电连接。

在本实施例的集成多档位的压力传感器中，具有横跨各类应用的量程、精度的压力传感器能够被集成到单一的芯片上，在实际应用中，可以根据不同的需求对所使用的压力传感器进行切换和选择，因此，可以大幅降低产品开发和维护费用，使压力传感器具有更广阔的应用市场。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。