具有内置校准能力的压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及微机电系统(MEMS)器件。更具体地说，本发明涉及估计由工艺变化导致的MEMS压力传感器的灵敏度。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)器件是具有嵌入式机械兀件的半导体器件。MEMS器件被用于各种各样的产品，例如，汽车安全气囊系统、汽车中的控制应用、导航、显示系统、喷墨盒等等。MEMS器件包括，例如，压力传感器、加速器计、陀螺仪、麦克风、数字镜像显示器、微流体器件等等。MEMS压力传感器通常使用压力腔和膜元件，该膜元件是指在压力下偏转的隔膜。在某些配置中，两个板(其中两个板之一是可动隔膜)之间的距离的变化建立了可变电容器以检测由于在区域上施加的压力而造成的应力(或偏转)。
【附图说明】
[0003]当结合附图并参照详细说明书以及权利要求书时，对本发明会有比较完整的理解。其中在附图中，类似的参考符号表示类似的项目，附图不一定按比例绘制，并且:
[0004]图1显示了示例的压力传感器的简化俯视图；
[0005]图2显示了沿图1的剖面线2-2的压力传感器的传感结构的侧视图；
[0006]图3显示了沿图1的剖面线3-3的压力传感器的参考结构的侧视图；
[0007]图4显示了根据一个实施例的压力传感器的简化俯视图；
[0008]图5显示了沿图4的剖面线5-5的压力传感器的侧视图；
[0009]图6显示了在处理的中间阶段的图4的压力传感器的部分俯视图；
[0010]图7根据另一个实施例，显示了制造过程的流程图；
[0011]图8显示了用于估计图4的压力传感器的灵敏度的测试配置的简化方框图；以及
[0012]图9显示了根据另一个实施例的校准过程的流程图。
【具体实施方式】
[0013]在医学应用、替代能源、发动机控制(例如，天然气和燃料入口压力)和汽车安全应用例如轮胎监测系统中的关键系统需要压力传感器，其中该压力传感器在其寿命范围内传递准确和可预测的输出以在这些改变变得临界之前追踪操作的变化。由于结构紧凑并且由于在高产量中相对低廉的成本，微机电系统(MEMS)压力传感器是一种常用的压力传感器技术。
[0014]然而，随着正在进行的微型化，MEMS压力传感器产生了问题。这些问题涉及不灵敏性、不准确性和信号漂移。特别是，很难确保所有MEMS器件均匀地被沉积或具有相同的几何形状。关键设计参数(例如MEMS压力传感器隔膜的宽度)的工艺变化会影响压力传感器的灵敏度。例如，MEMS压力传感器隔膜的宽度的微小差异会导致相对于压力传感器的预定标称、或设计、灵敏度的大的灵敏度差异。
[0015]由于关键设计参数的工艺变化，没有两个MEMS压力传感器是完全一样的。因此，在板安装之前和/或在板安装之后，每个MEMS压力传感器的灵敏度通常在工厂测试期间被校准以消除由于工艺变化的任何信号不一致。MEMS压力传感器可以在工业制造环境中通过使用处理机/测试器设备被校准。处理机/测试器设备可以将已知物理刺激校准信号施加于压力传感器。压力传感器的输出可以被测量并且与已知校准信号的值进行比较。随后，校准信息可以被用于纠正后续压力传感器读数。在工业生产环境中，测量单个器件参数是不现实的，例如，相对于外部力的偏转分布。即，由于需要处理机/测试器设备来强加校准信号，这种传统技术成本高并且费时。
[0016]实施例涉及包括内置校准能力的MEMS压力传感器、用于制造MEMS压力传感器的方法、和用于校准MEMS压力传感器的方法。该压力传感器包括位于由相同设计参数和工艺制造的单一管芯上的多个传感和测试单元。因此，每个传感和测试单元理想地对强加的压力刺激具有相同的灵敏度。密封结构与一个或多个测试单元的一个或多个测试腔相通。该密封结构被配置为被弄破裂以改变测试腔内的压力。在破裂密封结构之前和之后，测试单元的灵敏度可以通过获取压力读数被计算。由于测试和传感单元被假定为具有相同的灵敏度，来自测试单元的传感信号可以被用于估计传感单元的灵敏度。这样的压力传感器和方法可以降低测试成本并且使得能够进行灵敏度估计和相关传感器校准，而无需强加物理刺激校准信号。
[0017]参照图1-图3，图1显示了示例的现有技术压力传感器20的简化俯视图，图2显示了沿图1的剖面线2-2的压力传感器20的传感结构22的一部分的侧视图，以及图3显示了沿图1的剖面线3-3的压力传感器20的参考结构24的一部分的侧视图。通常，传感结构22对环境压力敏感，其中环境压力在图2中由箭头26表示并且标示为PA。相反，参考结构24在很大程度上对环境压力26不敏感。传感结构22包括一个或多个使用沉积、图案化和蚀刻的常规操作在衬底32上的结构层30中形成的传感电极28。
[0018]绝缘层，例如，氮化层34可以上覆传感电极28的至少若干部分和在下面的衬底32的任何暴露区域而形成。传感结构22包括腔36，该腔可以由牺牲层37，例如聚硅酸玻璃(PSG)的沉积、图案化和蚀刻的常规工艺形成。在牺牲层37适当地被形成之后，另一个结构层38上覆牺牲层37和在下面的氮化层34和/或衬底32的任何暴露区域而形成。结构层38被处理为形成通过腔36与在下面的传感电极28间隔开的传感结构22的一个或多个隔膜40。此后，腔36内的牺牲层37可以通过每次常规工艺的蚀刻开口 42被移除。牺牲层37不再存在于图2所示的所制造的传感结构22中的腔36内。因此，一条虚线从参考符号37指向腔36的内部以表示牺牲层37在被移除之前曾存在的位置。
[0019]参考结构24与传感结构22相似。因此，参考结构24包括在衬底32上的结构层30中形成的一个或多个参考电极44、上覆参考电极44的至少若干部分和在下面的衬底32的任何暴露区域而形成的氮化层34以及腔46。结构层38如上所述被处理并且位于腔46内的牺牲层37被移除以形成一个或多个通过腔46与参考电极44间隔开的隔膜48。此外，牺牲层37不再存在于图3所示的所制造的参考结构24中的腔46内。因此，一条虚线从参考符号37指向腔46的内部以表示在牺牲层37被移除之前曾存在的位置。保护层(caplayer) 50与隔膜48接触地形成。保护层50可以例如是正硅酸乙酯(TEOS)的相对厚的层，它使隔膜48在很大程度上对压力不敏感。因此,隔膜48可以在下文被称为参考电极48。
[0020]MEMS压力传感器通常被制造为使得在其每个腔内的压力低于大气压力，并且更具体地说接近真空。因此，压力传感器20被制造为使得每个腔36和46内并且在图2和图3中标示为Pc的初始腔压力51明显小于环境压力26。例如，初始腔压力51大约接近真空。
[0021]在图1中，使用了虚线图形示出的拉长椭圆形表示传感结构22的电极28。虚线拉长椭圆形也表示参考结构24的电极44。此外，包括了窄拉长椭圆形以及围绕电极28的广义矩形的虚线图形表示耦合于氮化层34的结构层38的那些部分，例如压力腔36、46的侧壁52 (另见图2-图3)。即，侧壁52 (另见图2-图3)是耦合于氮化层34的结构层38的部分以形成各自传感和参考结构22、24的个体腔36、46。由图1中的点划线图形示出的正方形表示电容器极板的外边缘，即，图2和图3中的层38，其分别包括传感和参考结构22、24的隔膜40、48 (最好另见图2-图3)。应记得，保护层50不在隔膜40上形成使得隔膜40对环境压力26敏感。因此，在图1中的实线图形示出的正方形53表示保护层50的窗口或空缺，使得隔膜40被暴露于压力26。这些各种图案形状并不表示相对于彼此的每个元件或特征的尺寸，而是表示每个元件或特征的堆叠关系。
[0022]通常，传感结构22在隔膜40和传感电极28的每个之间形成了电容器。即，传感电容54，Cs，在隔膜40和传感电极28之间(即，Cs+和Cs_之间的差)形成，该传感电容响应于环境压力26发生变化。参考结构24也在每个参考电极48和参考电极44之间形成了电容器。因此，参考电容56, Ck,在参考电极48和44之间(即，CkIPCk之间的差)形成，由于保护层50的存在，该参考电容不响应于环境压力26发生变化。隔膜40和参考电极48可以被互连以在传感结构22和参考结构24的每个之间形成共同节点58。控制电路60被配置为测量传感电容54与参考电容56的比值(即CS/CK)。较高压力26增加了传感电容54，Cs，但对参考电容56，Ck影响不大。因此，传感电容54与参考电容56的比值(S卩，CS/CK)随着压力26的增大而增大。这个值可以被转换为表示压力26的量度。
[0023]在示出的实施例中，传感结构22的关键尺寸是隔膜40的宽度62(见图2)。为了获得希望的灵敏度，为宽度62建立预定的设计值。然而，在例如牺牲层的沉积/图案化/蚀刻期间和/或在腔36和46内的牺牲层被移除的释放过程期间的工艺变化会导