用于测量环境力的器件及其制造方法

专利名称：用于测量环境力的器件及其制造方法
技术领域：
本文公开的主题涉及基于半导体微机电的传感器(MEMS)，它们可用于检测从例如机械应力、化学机械应力、热应力、电磁场等的环境因素所生成的小力或挠曲。更具体地说，本文公开的主题涉及用于感测压力的器件及其制造方法。
背景技术：
基于半导体微电子的传感器的发展极大地帮助了减小此类传感器的尺寸和成本。娃微传感器的电性质和机械性质，以及娃显微机械加工和半导体微电子技术已经有所改进。例如，微机械加工硅压力传感器、加速度传感器、流量传感器、湿度传感器、麦克风、机械振荡器、光和RF开关和衰减器、微阀、喷墨打印头、原子力显微镜尖端等广泛地已知为在医疗、航天、工业和汽车市场中具有多种应用。硅的高屈服强度、室温下的弹性和硬度特性使它成为共振结构(例如，可用于传感器结构)的理想基础材料。甚至例如手表、斯库巴潜水 设备和手持轮胎压力计的消费商品可结合硅微机械加工传感器。不断扩大的使用领域中对硅传感器的需求继续激发以下的需要针对特定环境和应用进行优化的新的和不同的硅微传感器几何形状和配置。一般的微机电器件以及特别用于测量环境力(例如，压力)的传感器的这些不断扩大的使用领域已经引起对更小器件的需求。然而，在生产还对压力的微小变化高度灵敏的更小器件方面一直存在困难。由于器件的小尺寸和所使用几何形状的薄性质，常规技术难以保持所需的严格公差，特别是在大量制造期间。另外，制造期间结构可在此类MEMS器件中扩散或注入的深度限制限制了此类器件的设计和操作特性。提供一种用于制造不仅尺寸小而且可有效地大量生产的高度灵敏压力传感器的方法是有利的。上述讨论仅提供用作一般背景信息且无意用作帮助确定要求权益的主题的范围。

发明内容
公开一种测量环境力的器件及其制造方法，该器件包括器件晶圆，器件晶圆包括通过第一绝缘层与第二器件层分隔的第一器件层。第一器件晶圆接合到蚀刻的衬底晶圆以创建悬浮隔膜和凸耳，其挠曲由嵌入的感测元件确定。在实践所述器件和制造方法的一些实施例中可实现的一个优点是，基于MEMS的压力传感器的隔膜和凸耳结构的厚度都能够使用大量平面制造技术精确地控制。这些精确的厚度又确定了传感器的操作特性，导致提高的性能和更低的位置灵敏度，特别是在低压环境中，例如低于一个大气压。在一个示范实施例中，公开了一种器件，该器件包括具有器件晶圆的第一器件层的一部分的凸耳，该器件晶圆包括第一器件层和第二器件层，通过第一绝缘层将第一器件层与第二器件层分隔；位于衬底晶圆顶面上的隔膜空腔，衬底晶圆的顶面接合到第一器件层的顶面以在隔膜空腔上形成隔膜，该隔膜包括第二器件层的一部分，并且凸耳从隔膜延伸；以及位于第二器件层中用于感测隔膜中的挠曲的感测元件。
在另一个示范实施例中，公开了一种用于制造器件的方法，包括以下步骤在衬底晶圆的第一器件层的顶面上形成凸耳空腔以形成凸耳，该器件晶圆包括第一器件层，通过第一绝缘层与第一器件层分隔的第二器件层，以及通过第二绝缘层与第二器件层分隔的处理层；在衬底晶圆的顶面上形成隔膜空腔；将第一器件层的顶面接合到衬底晶圆的顶面以在隔膜空腔上形成隔膜，该隔膜包括第二器件层的一部分，并且凸耳从隔膜延伸；从器件晶圆去除处理层和第二绝缘层；以及在第二器件层中放置感测元件以感测隔膜中的挠曲。本发明的概述仅意在根据一个或多个说明性实施例提供本文所公开主题的简要概览，而并非用作解释权利要求的指南或者定义或限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求定义。提供本概述以便以简化形式介绍概念的说明性选择，下面在详细描述中进一步描述这些概念。本概述不是要识别要求权益的主题的关键特征或基本特征，也不是意在用于帮助确定要求权益的主题的范围。要求权益的主题并不局限于解决背景技术中注意的任何或所有缺点的实现。



以能够理解本发明的特征的方式，本发明的详细描述可通过参照某些实施例进行，其中一部分在附图中示出。但是要注意，附图仅示出本发明的某些实施例，并因此不是要被认为对其范围的限制，因为本发明的范围包含其它同样有效的实施例。附图不一定按照比例绘制，重点一般在于说明本发明的某些实施例的特征。在附图中，相似的标号用于在多个视图中通篇表示相似的部件。因此，为了进一步理解本发明，可结合附图参照以下详细描述，附图包括
图I是本发明的一示范实施例中的传感器的截面 图2是示出在本发明的一示范实施例中制造传感器的步骤的过程流程；
图3是本发明的一示范实施例中具有蚀刻的凸耳空腔的器件晶圆的截面图；以及图4是本发明的一示范实施例中接合到具有隔膜空腔的衬底晶圆的、具有凸耳空腔的器件晶圆的截面图。
具体实施例方式公开一种测量环境力的器件及其制造方法，该器件包括器件晶圆，器件晶圆包括通过第一绝缘层与第二器件层分隔的第一器件层。第一器件晶圆接合到蚀刻的衬底晶圆以创建悬浮隔膜和凸耳，其挠曲由嵌入的感测元件确定。在实践所述器件和制造方法的一些实施例中可实现的一个优点是，基于MEMS的压力传感器的隔膜和凸耳结构的厚度都能够使用大量平面制造技术精确地控制。这些精确的厚度又确定了传感器的操作特性，导致提高的性能和更低的位置灵敏度，特别是在低压环境中，例如低于一个大气压。示范压力传感器可通过在硅结构中形成空腔以及与空腔相邻的隔膜来制作。在绝对压力传感器实施例中，相对于选择的参考压力进行测量，空腔可保持在真空或选择的内部压力中。压力传感器通过感测隔膜中的挠曲(例如，对隔膜起作用的压力如何使隔膜朝向或背离隔膜空腔偏转)来测量压力。在隔膜的边缘附近形成的一个或多个感测元件通常感测隔膜中的挠曲或偏转。在差压传感器实施例中，其中相对于传感器所处环境压力针对对隔膜起作用的压力进行压力测量，空腔可向周围环境开放。
图I示出本发明的一示范实施例中的传感器10的截面图。传感器10可包括衬底晶圆600，其中可蚀刻隔膜空腔650。在一个实施例中，衬底晶圆600可以是双面抛光硅晶圆，它可具有n型或p型掺杂并具有适当的厚度以符合传感器10的设计和制造要求。在其它实施例中，衬底晶圆600可以是绝缘体上硅晶圆的器件层，绝缘体上硅晶圆具有位于器件层与处理层之间的绝缘层。悬浮在隔膜空腔650上的可以是隔膜500，它可包括器件晶圆的第二器件层200的一部分和第一绝缘层150的一部分，该器件晶圆具有由绝缘层分隔的两个器件层，例如双绝缘体上硅晶圆(DSOI)。从隔膜500悬浮的可以是凸耳550，它可以是通过一个或多个凸耳空腔400与其余第一器件层100分隔的器件晶圆的第一器件层100的一部分。图3是本发明的一示范实施例中具有蚀刻凸耳空腔400的器件晶圆50的截面图。如图3所示，器件晶圆50可包括第一器件层100、第一绝缘层150、第二器件层200、第二绝缘层250以及处理层300。第一器件层100可以是单晶硅衬底，其中在一个实施例中，它可具有n型或p型掺杂并具有适当的厚度以符合传感器10的操作和物理设计特性。第二器件晶圆200可以是单晶硅衬底，其中在一个实施例中，可选择它的厚度以符合特定设计规格， 并且可具有n型或p型掺杂。器件晶圆50的多种层的厚度可使用常规晶圆制造技术精确设置，并且可选择成使得各层的精确厚度确定传感器10的后续操作和物理特性，如下文所述。在一个示范实施例中，第一绝缘层和第二绝缘层150和250分别可以是二氧化硅并具有符合传感器10的制造和设计要求的适当厚度。处理层300可用于在制造过程期间夹持器件晶圆50。第一绝缘层150可位于第一器件层100与第二器件层200之间，而第二绝缘层250可位于第二器件层200与处理层300之间。处理层300可包括例如n型或p型硅并具有适当的厚度以符合传感器10的设计和制造要求。构成传感器10的多种层的厚度可共同选择，以使得器件的总厚度符合传感器10的操作和物理设计特性。具体地说，可选择衬底晶圆600的厚度以最小化传导到隔膜500的封装应力。再参照图I，一个或多个感测元件850，例如压阻感测元件，可在第二器件层200中策略性注入或扩散以感测由作用于传感器10上的环境力(例如，压力)造成的硅结构挠曲，特别是传感器10中悬浮在开放隔膜空腔650上的隔膜500中的挠曲。传感器10还可包括钝化层700，它可由例如二氧化硅层、氮化硅层或其组合构成。钝化层700可在制造和操作期间为传感器10提供电绝缘和保护。衬底晶圆600的非接合外侧上也可以沉积钝化层(未示出)。在第二器件层200中形成的一个或多个互连825可将一个或多个感测元件850电耦合到传感器10的外表面，而一个或多个金属化层800可在互连825与传感器10上的外部触点之间提供电连接性，以使得传感器10可通过例如引线附连而电耦合到其它器件或连接。参照图1，在本发明的一个实施例中描述示范传感器10及其操作。传感器10可通过测量薄化结构即隔膜500中的挠曲来操作，隔膜500在衬底晶圆600的顶面中形成的隔膜空腔650之上的第二器件层200中形成，它可接合到器件晶圆的第一器件层100。隔膜500可用作传感器10中的挠曲结构。当隔膜空腔650中与隔膜500之上的压力不同时，隔膜500将朝向或背离隔膜空腔650弯曲。隔膜500中的挠曲可由一个或多个感测元件850来检测，其中感测元件850可放置在隔膜500的边缘之上或附近的第二器件层200中。在使用压阻感测元件的一个实施例中，感测元件850的电阻可使用例如惠斯登电桥电路等电路来确定，它们使用附连到一个或多个金属化层800的一个或多个互连825进行互连。电接口或其它此类器件可附连到金属化层800的末端以使传感器10与另一器件进行电通信。压阻感测元件850的电阻随隔膜500中的挠曲而改变。因此，感测元件850的压阻电阻的测量可用于确定隔膜500中的挠曲量，并且由此确定施加到传感器10上的压力。参照图I至图4解释了用于制造如图I所示的硅传感器的示范过程。图2是在本发明的一实施例中用于制造传感器10的示范过程流程900。参照图2和图3，在图2的过程步骤910中，可在器件晶圆50的第一器件层100中蚀刻一个或多个凸耳空腔400以形成凸耳550。凸耳550可用作附连到隔膜500和从隔膜500延伸的凸耳，它集中隔膜500上的物理应力以提高传感器的压力响应和灵敏度。凸耳550的形状由一个或多个凸耳空腔400确定，可选择以符合设计规格。具体地说，凸耳550可用于提高传感器10的压力响应的线性度，尤其是在利用薄隔膜500测量低压的实施例中。此外，凸耳550的尺寸、厚度和质量可基于第一器件层100的厚度进行精确控制，由此最小化传感器10的位置灵敏度。使用干法或湿法蚀刻技术，例如DRIE、带有KOH或TMAH湿法蚀刻或其它硅蚀刻剂等，可将凸耳空腔 400蚀刻进第一器件层100向下到达第一绝缘层150。同样使用湿法或干法去除技术，可将第一绝缘层150保留或蚀刻掉。凸耳空腔400的表面可以是例如裸硅、氧化硅、掺杂硅，或者它可涂敷有能够耐受后续晶圆接合和处理温度的任何其它薄膜。图4是本发明的一示范实施例中接合到具有隔膜空腔650的衬底晶圆600的、具有凸耳空腔400的器件晶圆50的截面图。参照图4，在图2的过程步骤920中，使用干法或湿法蚀刻技术，例如DRIE、带有KOH或TMAH湿法蚀刻或其它硅蚀刻剂等，可将隔膜空腔650蚀刻到衬底晶圆600中。隔膜空腔650可具有多种几何形状，例如方形、矩形或圆形，并可具有任何所需的深度以符合传感器10的物理和操作设计要求，而物理和操作设计要求又可取决于传感器的设计和操作特性和/或衬底晶圆600的选择的厚度。隔膜空腔650的表面可以是例如裸硅、氧化硅、掺杂硅，或者它可涂敷有能够耐受后续晶圆接合和处理温度的任何其它薄膜。在衬底晶圆600包括绝缘体上硅晶圆的器件层的实施例中，可选择形成隔膜空腔650的蚀刻以使其在绝缘层停止。另外，在制造期间可精确控制绝缘体上硅晶圆的器件层的厚度，由此允许对衬底晶圆600的所得厚度进行精确控制。继续参照图4，在图2的过程步骤930中，使用常规硅熔融接合技术，将器件晶圆50的顶面(即具有蚀刻的凸耳空腔400的第一器件层100的顶面)接合到衬底晶圆600的顶面(即已蚀刻出隔膜空腔650的表面)。在一个示范熔融接合技术中，可使相对表面亲水，也就是说，表面可采用使水依附于其上的强氧化剂来处理。然后，可将两个晶圆放置于高温环境中以形成接合,接合质量可由晶圆暴露于高温环境的时间长短来确定。上述硅熔融接合技术将第一器件层100和衬底晶圆600接合在一起，而无需使用可能具有与单晶硅晶圆不同的热膨胀系数的中间粘合材料。可接合器件晶圆50与衬底晶圆600以使得隔膜500在隔膜空腔650上形成，而凸耳550从隔膜500延伸。在图2的过程步骤940中，可使用在第二绝缘层250上停止的例如KOH或TMAH的湿法蚀刻剂，去除器件晶圆50的处理层300。另外，可使用湿法或干法蚀刻技术去除第二绝缘层250，使第二器件层200暴露出来。在其它实施例中，可使用物理薄化技术(例如，研磨)去除和/或薄化处理层300和第二绝缘层250两者。
在图2的过程步骤950中，并且再参照图I，可使用例如二氧化硅、氮化硅层或其组合在第二器件层200的暴露顶面上沉积钝化层700。作为过程步骤950的一部分，衬底晶圆600的非接合外侧上也可以沉积钝化层(未示出)。在图2的过程步骤960中，可通过将低掺杂P型材料扩散或离子注入到相对于隔膜500的预定义位置中的掺杂n型第二器件层200中，将一个或多个感测元件850(在一个实施例中使用压阻感测元件)放置到第二器件层200中，隔膜500可作为第二器件层200的一部分形成。例如，在高温的硼注入和扩散可在第二器件层200中形成压阻感测元件850。感测元件850可定位成感测隔膜500中的挠曲。应当注意，可采用任何数量的感测元件850，并且它们相对隔膜500的准确定位可根据特定应用、预计压力、灵敏度要求等而有所不同。另外，可通过将例如高掺杂P型材料扩散或离子注入到掺杂n型第二器件层200中来添加一个或多个互连825。互连825可向感测元件850提供电导率，并可与感测元件850以重叠配置放置。在过程步骤960扩散或注入的组件可使用单个过程执行，或使用多个过程分离地注入或扩散。随后，在过程步骤970中，可添加金属化层800，从而通过互连825将电导率从传感 器10的外表面提供给感测元件850。为了提供对互连825的接入，可使用湿法或干法蚀刻技术在钝化层700中制作开口。然后，金属化层800可由例如金或铝来添加和形成，并且可被创建到预期厚度以适合器件设计和制造要求。如图I所示，传感器10可配置成提供相对于在隔膜空腔650中建立的参考压力的绝对压力测量。然而，如果需要差压传感器，可通过使用DRIE、K0H或TMAH湿法蚀刻或其它硅蚀刻剂等去除或薄化衬底晶圆600的底面的一部分，以使得隔膜空腔650完全贯穿衬底晶圆600。在一些实施例中，可使用物理薄化技术(例如，研磨)去除和/或薄化衬底晶圆600的底部。在衬底晶圆600包括绝缘体上硅晶圆的实施例中，通过按需要执行的器件层的额外薄化，可去除绝缘体上硅晶圆的处理层和绝缘层。在又一些实施例中，薄化过程后可在衬底晶圆600的底部添加钝化层。参照本文所述的实施例，取决于特定应用，在传感器10的制造期间进行的每次蚀 刻可具有任何选择的几何形状，并且可具有任何所需深度。可选择各蚀刻的所选深度和几何形状以变更所得传感器10的设计特性。另外，可选择第二器件层200的厚度以及由隔膜空腔650决定的隔膜500的尺寸和形状以确定所得传感器10的灵敏度。第二器件层200的选择的厚度，在制造器件晶圆时可任意选择和精确控制，导致对隔膜500的挠性的改进控制，并由此改进了对所得传感器10的性能特性的控制。类似地，与使用传统蚀刻和/或注入技术相比，第一器件层100的厚度可更精确地确定凸耳550的厚度、质量和操作特性。另外，平面制造过程对制造目的来说是理想的并且不仅可增大制造产量，还可增加所得器件的整体可靠性和长期性能。相应地，可实现对传感器10的性能特性的一致控制。提供以上详细描述以说明示范实施例，而不是要进行限制。虽然针对测量压力的实施例示出和描述了用于制造传感器的方法，但是本领域技术人员清楚地知道，类似技术可用于制造能够测量其它参数的传感器。例如，应当认识到，本文所述的设备和制造方法可用于本文没有明确描述的大量其它应用。本领域技术人员还清楚地知道，本发明的范围之内的许多修改和变化是可能的。此外，在所述的示范方法和结构的范围之内，可使用许多其它材料和过程，这是本领域技术人员将会知道的。例如，应当知道，例如通过用P型材料取代n型材料或者用n型材料取代p型材料，可通过备选方式来使用本文所述的p型和n型材料。另外，本领域技术人员清楚地知道，在多种示范实施例中识别和描述的步骤顺序不需要按所述顺序发生，并且在其它实施例中，多种步骤可结合，以不同次序，无论是连续地、不连续地或并行地执行，仍可达到相同的结果。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。配件表
10传感器
50器件晶圆
100 第一器件层 150 第一绝缘层 200 第二器件层 250 第二绝缘层 300 处理层 400 凸耳空腔 500 隔膜 550 凸耳 600 衬底晶圆 650 隔膜空腔 700 钝化层 800 金属化层 825 互连 850 感测元件 900 过程流程 910 过程步骤 920 过程步骤 930 过程步骤 940 过程步骤 950 过程步骤 960 过程步骤 970 过程步骤
权利要求
1.一种器件，包括 包括器件晶圆(50)的第一器件层(100)的一部分的凸耳(550)，所述器件晶圆(50)包括所述第一器件层(100)和第二器件层(200)，所述第一器件层(100)通过第一绝缘层(150)与所述第二器件层(200) 分隔； 位于衬底晶圆￠00)的顶面上的隔膜空腔￠50)，所述衬底晶圆￠00)的所述顶面接合到所述第一器件层(100)的顶面，以在所述隔膜空腔(650)上形成隔膜(500)，所述隔膜(500)包括所述第二器件层(200)的一部分，并且所述凸耳(550)从所述隔膜(500)延伸；以及 位于所述第二器件层(200)中的感测元件(850)，以感测所述隔膜(500)中的挠曲。
2.如权利要求I所述的器件，还包括 位于所述第二器件层(200)中的互连(825)，所述互连(825)与所述感测元件(850)电通信；以及 金属化层(800)，所述金属化层(800)提供所述器件的外表面与所述互连(825)之间的电通信。
3.如权利要求I所述的器件，其中，所述感测元件(850)包括压阻感测元件(850)。
4.如权利要求I所述的器件，其中，所述衬底晶圆(600)包括双面抛光晶圆。
5.如权利要求I所述的器件，其中，所述衬底晶圆(600)包括绝缘体上硅晶圆的器件层。
6.如权利要求I所述的器件，其中，所述器件测量绝对压力。
7.如权利要求I所述的器件，其中，所述隔膜空腔(650)完全贯穿所述衬底晶圆(600)。
8.如权利要求7所述的器件，其中，所述器件测量差压。
9.如权利要求I所述的器件，其中，所述器件测量低压。
10.如权利要求I所述的器件，其中，选择所述衬底晶圆￠00)的厚度以最小化传导到所述隔膜(500)的封装应力。
全文摘要
本发明名称为“用于测量环境力的器件及其制造方法”。公开了一种测量环境力的器件及其制造方法，该器件包括器件晶圆(50)，器件晶圆(50)包括通过第一绝缘层(150)与第二器件层(200)分隔的第一器件层(100)。第一器件晶圆(50)接合到蚀刻的衬底晶圆(600)，以创建悬浮隔膜(500)和凸耳(550)，其挠曲由嵌入的感测元件(850)确定。
文档编号B81B7/00GK102795590SQ20121016164
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者S.K.加米奇, N.V.曼特拉瓦迪 申请人:通用电气公司