微机电压力传感器装置的制作方法

本实用新型涉及一种具有较低的温度灵敏度的微机电压力传感器，具体涉及一种微机电压力传感器装置。

背景技术：

如已知的，包括至少部分地由半导体材料制成的微机械结构并且具有MEMS(微机电系统)技术的传感器由于其小尺寸、低制造成本和灵活性的有利特性而越来越多地被使用。

MEMS传感器通常包括将待检测的物理或机械量转换成电量(例如，与电容的变化相关)的微机电结构和电子读取电路，该电子读取电路通常是ASIC(专用集成电路)，其执行电量的处理操作(放大和滤波之一)，并且输出电信号，该电信号是模拟信号(例如电压)或数字信号(例如PDM-脉冲密度调制信号)。在被电子接口电路进一步处理的情况下，电信号随后可用于外部电子系统，例如包含传感器的电子设备的微处理器控制电路。

在微机电结构中，通过被形成在半导体芯片中或半导体芯片上的并且被悬置在空腔上的薄膜来获得期望的物理或机械量的检测。薄膜可以布置成面向外部环境或者通过流体通道与外部环境连通。

例如，2013年6月28日提交的意大利专利申请TO2013A000540描述了一种MEMS装置，其中包括薄膜的装置的灵敏部分与芯片的其余部分分离并且被弹簧支撑。弹簧将灵敏部分与芯片的其余部分去耦并且吸收封装应力，而不将封装应力传递到灵敏部分。

图1以简化的方式示出了被形成在例如硅的半导体材料的芯片10中的MEMS传感器1，其主题涉及上面提到的专利申请TO2013A000540，本文被示出为压力传感器。帽状件11通过第一间 隔件22被固定到芯片10的第一面10A上，并且封闭区域12通过第二间隔件26被固定到芯片10的第二面10B上。

芯片10包括通过沟槽14与芯片10的外围部分18分离的悬置区域13。弹性元件(也被称为弹簧15)支撑悬置区域13并且将其机械连接到外围部分18上。悬置区域13形成在底部由掩埋空腔16限定的薄膜19。

在图1的压力传感器中，薄膜通过在掩埋空腔16上方的脱氧环境中外延生长来获得。因此，一定量的气体(通常为氢气)保留在掩埋空腔16内。随着温度变化，残余气体膨胀或收缩并可能对薄膜产生假压力。这可能导致读取错误，产生偏移。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种克服现有技术缺点的MEMS装置。

根据实施例，提供了一种微机电压力传感器装置(100)，包括：第一区域(102；103)；具有第一面(101A；101B)和第二面(101B；101A)的半导体材料的第二区域(101；500)；第一区域(102；103)面向并被固定至第二区域(101；500)的第一面(101A；101B)；在第二区域(101；500)的第一面(101A；101B)和第一区域(102；103)之间延伸的第一气隙(107；108)；在第二区域(101；500)中延伸的掩埋空腔(109)；在第二区域(101；500)内位于掩埋空腔(109)与第二区域(101；500)的第一面(101A；101B)或者第二面(101B；101A)之间的薄膜(111)；在第二区域(101；500)内延伸并且横向限定出容纳薄膜的灵敏部分(121)、支撑部分(120)和弹簧部分(122)的贯通沟槽(110)，弹簧部分将灵敏部分(121)连接至支撑部分(120)；以及在弹簧部分(122)内延伸并将掩埋空腔(109)连接至第二区域(101；500)的第一面(101A；101B)的通道(123)；在掩埋空腔和第一气隙之间的一部分被流体地连接至装置的外部，在掩埋空腔和第一气隙之间的另一部分与外部隔离。

在一个实施例中，包括在第二区域(101；500)的第一面(101A；101B)和第一区域(102；103)之间延伸的密封区域(106B；306B)，密封区域将通道(123)与第一气隙(107；108)隔离。

在一个实施例中，通道(123)距第二区域(101；500)的第一面(101A；101B)一定距离而延伸，并且开口(124；324)在第二区域(101；500)内在第一面(101A；101B)和通道(123)之间延伸，密封区域(106B；306B)具有围绕腔室(126；326)的闭合形状，腔室(126；326)在第一区域和第二区域(102；103，101)之间延伸并且被连接至开口(124；324)。

在一个实施例中，第一区域(102；103)具有外表面(102A；103A)和内表面(102B；103B)，内表面(102B；103B)面向第二区域(101；500)，并且其中至少一个通孔(125；325)在腔室(126；326)外部的第一区域(102；103)的内表面(102B；103B)和外表面(102A；103A)之间延伸并且连接第一气隙(107；108)与第一区域(102；103)的外表面(102A；103A)。

在一个实施例中，还包括面向第二区域(101)的第二面(101A；101B)的第三区域(102；103)以及在第二区域(101)的第二面(101A；101B)和第三区域(102；103)之间延伸的第二气隙(107；108)，其中第三区域(102；103)具有外表面和内表面，内表面面向第二区域(101)，并且其中至少一个通孔(125；325)在第三区域(102；103)的内表面和外表面之间延伸，并且终止于第二气隙(107；108)，连接第二气隙(107；108)与第二区域(102；103)的外表面。

在一个实施例中，第一区域(102；103)具有外表面(102A；103A)和内表面(102B和103B)，内表面面向第二区域(101)，并且其中通孔(225；425)在密封区域(106B)内在第一区域(102；103)的外表面(102A；103A)和内表面(102B和103B)之间延伸，第一气隙(107；108)通过密封区域(106B；306B)与通孔(225；425)隔离。

在一个实施例中，第一区域(102；103)和第二区域(101；500) 通过包括密封区域(106B；306B)并限定第一气隙(107；108)的接合结构(104；105)被接合到一起。

在一个实施例中，还包括面向第二区域(101)的第二面(101A；101B)的第三区域(102；103)以及在第二区域(101)的第二面(101A；101B)和第三区域(102；103)之间延伸的第二气隙(107；108)，其中第三区域(102；103)和第二区域(101)通过限定第二气隙(107；108)的接合层(104；105)被接合到一起。

在一个实施例中，还包括具有半导体材料并且与第二区域(101)一体的第三区域(102；103)以及在第二区域(101)和第三区域(102；103)之间延伸的第二气隙(107；108)。

在一个实施例中，包括形成在第一区域(102；103)上的吸气剂区域(128；228)，吸气剂区域(128；228)面向在掩埋空腔和与外界隔离的第一气隙之间的一部分。

根据本实用新型，如所附权利要求所限定的MEMS装置和相应的制造方法被提供。

附图说明

为了更好地理解本实用新型，现在仅通过非限制性示例的方式参考附图描述其优选实施例，其中：

图1是已知的MEMS压力传感器的截面图；

图2是该压力传感器的实施例的具有重影(ghost)部分的俯视图；

图3是沿剖面III-III截取的图2的压力传感器的截面图；

图4是沿剖面IV-IV截取的图2的压力传感器的截面图；

图5A-图10A、图11、图12示出了在图2的传感器的连续制造步骤中对应于图3的截面图；

图5B-图10B示出了与图5A-图10A相同的制造步骤中对应于图4的截面图；

图13是该压力传感器的不同实施例的具有重影部分的俯视图；

图14是沿剖面XIV-XIV截取的图13的压力传感器的截面图；

图15是沿剖面XV-XV截取的图13的压力传感器的截面图；以及

图16-图20示出了该压力传感器的变型的截面图的细节。

图21示出了根据本实施例的框图。

具体实施方式

图2-图4示出了根据MEMS技术制造的压力传感器100的实施例。这里，压力传感器100包括具有第一面101A和第二面101B的传感器区域101。压力传感器100还包括面向传感器区域101的第一面101A的第一帽状件区域102和面向传感器区域101的第二面101B的第二帽状件区域103。第一帽状件区域102通过第一接合结构104被接合到传感器区域101的第一面101A上，并且第二帽状件区域103通过第二接合结构105被接合到传感器区域101的第二面101B上。第一接合结构104在这里由外围区域106A和密封区域106B形成，外围区域106A和密封区域106B在这里部分相同但可以完全不同。由于下面解释的原因，外围区域106A和密封区域106B具有封闭的形状，并且还形成了间隔件。例如，接合结构104、105可以由诸如金的热压材料、诸如铝-锗、锡、铜的共晶材料、聚合材料或玻璃料基材料制成。

第一气隙107在传感器区域101的第一面101A和在那里延伸的第一帽状件区域102之间延伸，并且第二气隙108在传感器区域101的第二面101B和第二帽状件区域103之间延伸。

沟槽110在传感器区域101内的第一气隙107和第二气隙108之间延伸，将它们流体连接。沟槽110具有五个边的方形螺旋形状，并且限定了在其外部的支撑部分120、在其内的灵敏部分121和将支撑部分120连接到灵敏部分121的弹簧部分122。以这种方式，灵敏部分121被容纳在由第一气隙107、第二气隙108和沟槽110形成的腔室中并且自由移动，从支撑部分120被机械地去耦。

灵敏部分121形成在底部由掩埋空腔109限定的薄膜111。薄膜111在此被包括在掩埋空腔109和第一气隙107之间并且面向第一帽状件区域102。

如图3-图4的部分所示，并且在图2的俯视平面图中(其中，为了清楚起见，第一帽状件区域102被示出为重影区域)以虚线示出，通道123在弹簧区域122内在掩埋空腔109和被形成在支撑区域120中的井部112之间延伸。继而，井部112通过开口124被连接到第一气隙107，开口124延伸穿过传感器区域101的第一面101A和井部112(特别地参见图4)之间的传感器区域101。如从图2和图4可以注意到的，密封区域106B在井部112上方延伸并且围绕开口124，限定出腔室126，腔室126因此与井部112连通并且通过密封区域106B与第一气隙107隔离。

掩埋空腔109、通道123和井部112被形成在传感器区域101的第一面101A下方的同一水平面上，具有大致相同的高度并且被同时获得，如下文详细解释的。

如图2和图3所示，具有外表面102A和内表面102B的第一帽状件区域102具有至少一个连通孔，这里是两个连通孔125，所述连通孔在第一帽状件区域102的外表面102A和内表面102B之间延伸。连通孔125将第一气隙107流体地连接到压力传感器100外部的环境，并且由此以本身已知的方式将薄膜111暴露于外部压力，使得能够对其进行检测。

吸气剂(getter)区域128在第一帽状件区域102面向腔室126的内表面102B上延伸。吸气剂区域128由例如钡、铟、镁、钙或钠的金属薄层形成，其目的是收集在第一帽状件区域102接合到传感器区域101期间可能释放的残余气体。

在下文中，将描述本制造方法以形成单个灵敏结构，其中应当理解，在切割之前，以本领域技术人员本身已知的方式，该结构在晶片中被复制多次。

图2中的压力传感器100从例如单晶硅的半导体材料的第一晶 片130开始被制造，如图5A-图5B所示。如图6A-图6B所示，例如使用EP1577656(对应于US 8,173,513)中描述的制造方法，在第一晶片130中形成掩埋空腔109、通道123和井部112。该工艺包括形成具有适当深度、形状和宽度的多个沟槽，然后在还原环境中进行外延生长。以这种方式，硅层在第一晶片130上生长，在顶部封闭沟槽并形成薄膜111。随后，执行热退火，这导致倾向于移动到较低能量位置中的硅原子的迁移。以这种方式，形成掩埋空腔109、通道123和井部112，它们都被形成了薄膜111的硅层掩埋和覆盖。如果提供，则进行进一步的外延生长，直到薄膜111达到期望的厚度。

接下来(如图7A-图7B)，通过掩蔽和蚀刻步骤形成开口124，并且开口124通过井部112和通道123将掩埋空腔109流体地连接到第一晶片130的外部。

随后(如图8A、图8B)，使用掩蔽层(未示出)在第一晶片130中进行深硅蚀刻，从而在掩埋空腔109外部和周围形成沟槽110，这里仍然是不贯通的。根据一个替代实施例，图8中的步骤可以在图7A和图7B中的步骤之前执行，即，可以首先形成沟槽110，然后形成开口124，使用例如辊子类型的非液体抗蚀剂，作为开口124的掩模。

接下来(如图9A、图9B)，例如单晶硅的半导体材料的第二晶片131被蚀刻以形成连通孔125，连通孔125在这里仍是不贯通的。进一步，通过沉积和限定合适材料的层，在待接合到第一晶片130的第二晶片131的面131B上形成吸收剂区域128。

如图10A和图10B所示，第二晶片131随后被翻转并通过第一接合结构106在薄膜111的侧面上接合到第一晶片130上。以这种方式，如上所述，外围区域106A限定出第一气隙107，并且密封区域106B围绕开口124以及在开口124上方限定出腔室126。

将第二晶片131接合到第一晶片130是在真空中进行的，因此掩埋空腔109、通道123、井部112、开口124和腔室126保持在真空条件下。在该步骤中，吸气剂区域128吸收由于接合引起的任何 可能的残余气体，进一步减小了掩埋空腔109中的压力。

接下来(如图11)，第一晶片130和第二晶片131被减薄。具体地，在暴露侧执行第一晶片130的减薄，直到到达沟槽110的底部，沟槽110由此变成贯通沟槽，并且在暴露侧执行第二晶片131的减薄，直到到达连通孔125的底部，连通孔125由此变成通孔。以这种方式，形成传感器区域101和第一帽状件区域102；进一步，沟槽110延伸穿过传感器区域101的厚度，并且连通孔125将第一气隙107连接到外部环境。

如图12所示，例如单晶硅的半导体材料的第三晶片132随后通过第二接合层105被接合到传感器区域101的第二面101B上，从而在传感器区域101和第三晶片132之间限定出第二气隙108。第三晶片132随后被减薄，由此形成第二帽状件区域103。

以这种方式，在外延生长期间被收集在掩埋空腔109中(以及通道123和井部112中)的气体可以通过开口124离开。进一步，在接合期间，通过在真空条件下被执行，任何可能被保留的气体被排出。密封区域106保持掩埋空腔109内的真空以及随后仍保持通道123和井部112中的真空，同时连通孔125将第一气隙107与外部环境流体地连接，使得能够检测外部压力。以这种方式，压力检测的线性度显著改进，由此通过处理压力传感器提供的信号的ASIC的任何可能的补偿变得更简单，并且减少了测试时间。

利用所述的压力传感器，可以减小覆盖薄膜111的钝化的厚度。以这种方式，获得灵敏度的增加。

根据一个不同的实施例，如图13-图15，第一帽状件区域102具有在第一帽状件区域102的外表面102A和内表面102B之间延伸的连通孔225。进一步，没有通孔将第一气隙107或第二气隙108连接到压力传感器外部的环境。在图13-图15中，连通孔225在此被布置在开口124和井部112上方，并且将压力传感器的外部连接到腔室126以及掩埋空腔109，所述压力传感器在这里用200表示。后者由此被流体地连接到压力传感器200周围的环境。替代地，由 于没有连通孔将第一气隙107连接到外部，掩埋空腔109通过密封区域106B与周围环境隔离。因此，在该实施例中，由于第二晶片131的接合的结果，第一气隙107处于真空状态。薄膜111由此也在这里暴露于第一侧(图14中的下侧)上的外部压力，以及在第二侧(图14中的上侧)处的极低压力(真空)下，并且由此能够以类似于图2-图4的实施例的方式工作。

在图13-图15的实施例中，吸气剂区域(在图14中用228表示)被布置成面向气隙107。

除了关于第二晶片131(如图9)的穿孔之外，图13-15中的压力传感器200类似于图2-图4的压力传感器100被制造。实际上，对于压力传感器200，连通孔被形成，旨在垂直对准腔室126和开口124，并且由此在由密封区域106B限定的区域内，而不是在第一气隙107上方。

本文所述的压力传感器100、200能够解决在其形成期间收集在掩埋空腔109中的气体的问题。事实上，在图2-图4的压力传感器100中，如上所述，掩埋空腔109处于真空下，由此不存在上面解释的偏移问题。

在图13-图15的压力传感器200中，代替地，连通孔225将外部环境流体地连接到掩埋空腔109，而密封区域106隔离在真空下的第一气隙107。因此，同样在这种情况下，没有气体被收集在与薄膜111接触的腔室中，这可能使外部压力的读取失真。

最后，显然的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本实用新型的范围的情况下，可以对本文所描述和示出的装置和制造方法进行修改和变化。

例如，图16和图17示出了图2-图4中的压力传感器100的变型。在图16和图17中，将掩埋空腔109、通道123和井部112连接到传感器区域101的外表面以便在第一晶片130的接合期间产生真空的开口在井部112和传感器区域101的第二面101B之间延伸，所述开口在这里用324表示。进一步，密封区域被形成在传感器区域 101和第二帽状件区域103的内表面103B之间，例如作为第二密封结构105的一部分，并且围绕被形成在传感器区域101和第二帽状件区域103之间的腔室326，所述密封区域在这里用306B表示。以这种方式，在第三晶片132接合到第一晶片130的期间，掩埋空腔109中的真空被建立。

进一步，如图17和图18所示，连接压力传感器100中的第一气隙107的连通孔可以被形成在第二帽状件区域103中，而不是形成在第一帽状件区域102中。这里，一个或多个连通孔325(由虚线表示，只要它们在这些图的截面图中不可见)在第二帽状件区域103的外表面103A和内表面103B之间延伸，并将薄膜111连接到外部，这是由于沟槽110(其也由虚线表示)将第一和第二气隙107、108流体地连接在一起。具体来说，图17涉及一个实施例，其具有在井部112和传感器区域101的第二面101B之间延伸的开口324，以及延伸穿过第二帽状件区域103的一个或多个连通孔325。图18涉及一个实施例，其具有在井112和传感器区域101的第一面101A之间延伸的开口124，以及延伸穿过第二帽状件区域103的一个或多个连通孔325。

此外，图13-图15的传感器200可以被修改，以便穿过第二帽状件区域103通过开口324(在井部112和传感器区域101的第二面101B之间延伸)、腔室326(被形成在传感器区域101和第二帽状件区域103之间)和连通孔425(在第二帽状件区域103中)将掩埋空腔109连接到外部。如图19的细节所示。

连通孔125、225、325、425的数量可以变化。

最后，在图2-图4、图13-图15以及图18的实施例中，可以与传感器区域101一起形成第二整体帽状件区域103，在形成传感器区域101之前，使用与掩埋空腔109中使用的相同工艺形成第二气隙108。例如，图20示出了形成传感器区域101和第二帽状件区域103的单个基板500。这里，气隙107被连接到外部，如图3-图5中的实施例所示。对于图13-图15和图18的实施例，类似的变型是可能的。

作为替代并且以双重方式，可以在图16、图17和图19的实施例中，与传感器区域101一起形成第一整体帽状件区域102，使用与掩埋空腔109中使用的相同工艺形成第一气隙107。

以这种方式，压力传感器可以用比目前更少数量的晶片制造，因为第一或第二气隙107、108被形成在同一单片基板中，而不是两个晶片的接合。