专利名称：利用晶片结合和电化学蚀刻停止的小型表压传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及表压传感器。本发明也涉及利用结合和电化学蚀刻停止构造表
压传感器的技术。
背景技术：
微机械加工压力传感器被广泛结合到各种设备中，例如医疗、实验室和工业设备
以及汽车电路。在医疗、分析、工业领域中，新一代的设备需要更小、更精确的压力传感器，
而为了达到有竞争力的价格上的优势，这些压力传感器必须保持低廉的成本。 典型的微机械加工压力传感器通过在硅晶片背面形成空腔而构造。通过将两个晶
片结合到一起，采用半导体工艺制作的硅表压传感器可具有更小的尺寸。新的且新颖的方
法利用结合到一起的两个晶片产生膜片。在该方法中，第一晶片具有空腔，该空腔形成于第
一硅片的一侧以设置膜片的尺寸。然后第二晶片在空腔上方结合到第一晶片上。第二晶片
可以是需要的膜片厚度，或者可被变薄至需要的厚度。在测量表压或压差的微机械加工压
力传感器中，第一晶片中的空腔在加工过程中必须是开口的，或者在加工过程中某些点处
是开口的，以提供通向膜片背面的通道，这对于测量表压或压差是必需的。来自加工过程中
的灰尘或碎屑可能会进入并残留在空腔中，当膜片弯曲时其将会干扰膜片，这会导致压力
传感器提供由该压力传感器测量的压力的不准确读数。 通过在所有的前侧处理都结束了之后形成背侧增压管，可以避免当成形表压传感器时由于微小颗粒的存留导致的干扰。在此最终的蚀刻步骤中的挑战在于确保薄的膜片和支撑薄的膜片的空腔壁的完整。换言之，一旦背侧的增压管被完全蚀刻，蚀刻应当立即在薄膜片上停止，此时薄膜片暴露在蚀刻化学处理下。 例如，在一现有技术布置中，通过在第一晶片中形成空腔，然后在氧化环境下在第一晶片上熔融接合第二晶片来制作硅表压传感器。当蚀刻背侧增压管时，薄的氧化物可以用作在蚀刻到膜片时的蚀刻停止层。氧化物将以较低的速率被蚀刻，但是如果晶片没有快速地从蚀刻中移出，氧化物将破损，膜片将被过度蚀刻。 基于上面的叙述，申请人认为需要一种解决这些问题的电化学蚀刻停止方法。申请人相信这里公开的系统和方法，通过利用在执行最终蚀刻时提供蚀刻何时到膜片的电信号的电化学蚀刻停止方法，提供了这些问题的解决方案。
发明内容
提供下面的概要以便于理解所公开的本发明实施例所独具的一些创新特征，并且下面的概要并不意图是完整的描述。将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体，可以得到本发明各方面的完整的理解。 因此，本发明的一方面提供一种改进的硅表压传感器。 本发明的另一个方面提供一种利用晶片结合和电化学蚀刻停止来构造表压传感器的方法。
前面提到的方面以及其他目的和优点现在可以如本说明书所描述的那样获得。本 说明书描述了表压传感器装置及其制造方法。通常，这种压力传感器可以这样构造部分蚀 刻约束(constraint)晶片以设置膜片的尺寸，然后结合到上部晶片。上部晶片的厚度是期 望的膜片厚度，或者在结合后变薄为期望厚度。随后，在为了打开压力介质通道的最后蚀刻 完成前，可以将诸如压阻元件或电容元件的元件制作在上部膜片晶片上。上部晶片和约束 晶片的晶片结合使能够采用电化学蚀刻停止确定所述最后蚀刻何时完成。这样的构造和加 工防止膜片被蚀刻。另外，与可以通过从背侧蚀刻设置膜片尺寸的管芯相比，这允许管芯的 尺寸更小。
下面附图中，贯穿不同视图相似的附图标记表示相同的或功能类似的元件，所述 附图被引入说明书作为说明书的一部分，进一步说明了本发明实施方式，其和具体实施方 式一起用于对此处公开的本发明进行解释。
图1示出了现有技术中制作微机械加工的表压传感器的方法。 图2到图5示出了可以根据优选实施方式实施的构造硅表压传感器的简化工艺流。 图6示出了操作的高级流程图，其描述可以根据优选实施方式实施的构造硅表压 传感器的逻辑操作步骤。
具体实施例方式
在这些非限制性的例子中描述的特定的数值和结构可能会变化，他们仅仅用来说 明至少一个实施方式，并不意图限制其范围。 图1示出了现有技术中的一种微机械加工的表压传感器100。图1所示现有技术 装置100中，可利用各向异性反向蚀刻(back etch)工艺来对单个晶片100进行蚀刻，并暴 露在硅框架110上被支撑的薄的硅膜片120。随后从背面蚀刻晶片100以形成薄膜片120， 在薄膜片120上利用注入和扩散技术形成压敏电阻。然而，在这里，管芯尺寸显著大于最小 的期望几何尺寸。 图2-5示出了根据优选实施方式构造硅表压传感器200的简化的工艺流；硅表压 传感器200可以利用P型基板晶片210制作。P型基板晶片210可以通过蚀刻被图案化。 蚀刻形成空腔220，该空腔具有壁，所述壁大致从P型基板晶片210的表面向空腔220的底 部会聚。空腔220的深度可以通过调整蚀刻时间来控制。如图2所示，可以支撑N型膜片 晶片330的表面225处的空腔220的长度和宽度或者直径，可以基于期望的N型膜片晶片 330的长度和宽度或者直径进行选择。 图3示出了根据优选实施方式为了构造硅表压传感器200，与N型膜片晶片330熔 融接合后的P型基板晶片210的侧视图。注意，图2-5中相同的或相似的部分或元件由相 同的附图标记表示。P型基板晶片210可以通过硅熔融接合结合到N型膜片晶片330。通 过将N型上部晶片330熔融接合到P型基板晶片210上，可以形成PN结340。 N型晶片和 P型约束晶片的熔融接合为执行最后蚀刻时的电化学蚀刻停止产生PN结。
图4示出了根据优选实施方式为了构造硅表压传感器200，与P型基板晶片210熔融接合后制作有压阻元件的N型膜片晶片的侧视图。可以提供绝缘层460以防止N型膜片晶片330及其中的电学特征的退化。然后，可以制作一个或多个压敏电阻450以及半导体器件中用到的其它元件。(包括说明性的和其它相关元件和电路的顶侧工艺并不是本发明的主题，因此在此不详细叙述。)构造硅表压传感器的最后步骤是电化学蚀刻约束硅片的背面。 图5示出了根据优选实施方式构造的硅表压传感器200的侧视图。该视图包括结合到顶侧加工过的N型膜片基板晶片330的P型基板晶片210。 PN结340允许通过P型约束晶片210的背侧蚀刻介质通道570，并且提供表示蚀刻已经到达膜片晶片330的电信号。这种结构防止了 N型膜片晶片330被蚀刻。防止N型膜片晶片330被蚀刻的其它方法需要额外的处理并且增加成本。本发明所公开的实施方式使得管芯的尺寸能够由在P型约束晶片210中蚀刻的膜片侧长度设置，因此使得管芯尺寸能够比从背侧蚀刻膜片所能实现的管芯尺寸更小。本发明与现有方法相比的另一个优点是对于同样的管芯附着面积，管芯的尺寸相对更小。 图6示出了操作的高级流程图，其描述根据优选实施方式构造硅表压传感器200的方法300的逻辑操作步骤。如框610处所示，可以蚀刻P型约束硅晶片210以形成空腔220。下一步，如框620处所示，N型硅晶片330可以熔融接合到P型约束晶片210，从而形成进行最后蚀刻时用于电化学蚀刻停止的PN结340。下一步，如框630处所示，可以执行顶侧的制造。这一步包括构造半导体器件的常规制作步骤，其中加工了压敏电阻和其他元件和层。下一步，如框640处所示，可以穿过P型约束晶片210的背侧蚀刻介质通道，并且该蚀刻可以电化学地停止。这防止了 N型膜片晶片330被蚀刻。 可以理解，上面所述的特征和其他特征和功能的变型，或者其替代方式，可期望地组合成多种其他不同的系统或应用。此外，本领域熟练技术人员可以接着进行各种当前无法预料或不曾料到的替代、修改、变形或者其中的改进，这些也意图被下面的权利要求所包括。
权利要求
一种构造压力传感器装置的方法，包括蚀刻约束晶片以形成空腔，其中所述空腔具有壁和通向所述约束晶片的至少一个表面的开口；通过将上部晶片结合到所述约束晶片使得所述上部晶片的一部分覆盖所述约束晶片的所述空腔的所述开口，形成复合结构；和反向蚀刻所述复合结构以在所述复合结构中形成介质通道，其中所述介质通道向所述复合结构的表面开口以提供所述压力传感器装置。
2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括顶部处理所述上部晶片以具有多个压敏电阻 和相关电路和元件。
3. 如权利要求1所述的方法，其中将所述约束晶片结合到所述上部晶片形成结，该结 使得能够进行电化学蚀刻并当其蚀刻应当停止时提供电信号。
4. 如权利要求1所述的方法，进一步包括构造所述压力传感器装置，以使膜片侧长度 能够由所述约束晶片中的蚀刻来设置，从而允许在形成所述压力传感器装置时使用更小的 管芯尺寸。
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述压力传感器装置包括表压传感器。
6. —种构造压力传感器装置的方法，包括蚀刻约束晶片以形成空腔，其中所述空腔具有壁和通向所述约束晶片的至少一个表面 的开口 ；通过将所述约束晶片结合到上部晶片使得所述上部晶片的一部分覆盖所述约束晶片 的所述空腔的所述开口，形成复合结构；顶部处理具有多个电学元件的所述上部晶片；禾口反向蚀刻所述复合结构，以在所述复合结构中形成介质通道，其中所述介质通道向所 述复合结构的表面开口以提供所述压力传感器装置。
7. —种压力传感器装置，包括约束晶片，其被蚀刻以在其内形成空腔，其中所述空腔具有壁和朝向所述约束晶片的至少一表面的开口 ；禾口复合结构，其通过将所述约束晶片结合到上部晶片使得所述上部晶片的一部分覆盖所述约束晶片的所述空腔的所述开口而形成，并且其中反向蚀刻所述复合结构以在所述复合 结构中形成介质通道，其中所述介质通道朝向所述复合结构的表面开口，以提供所述压力 传感器装置。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述上部晶片包括多个压敏电阻和相关电路和元件。
9. 如权利要求7所述的装置，其中所述约束晶片被结合到所述上部晶片以形成一接合 结，该结使得能够进行电化学蚀刻，并当所述电化学蚀刻应当停止时提供电信号。
10. 如权利要求7所述的装置，其中所述压力传感器装置被构造成使得膜片侧长度能 够由所述约束晶片中的所述电化学蚀刻来设置，从而允许在形成所述压力传感器装置时采 用更小的管芯尺寸。
全文摘要
本发明涉及一种表压传感器装置及其制作方法。对约束晶片进行部分蚀刻以设置膜片尺寸，然后结合到一上部晶片。上部晶片的厚度可以是期望的膜片厚度，或者在结合后减薄为期望厚度。上部晶片和约束晶片的结合使得能够进行电化学蚀刻停止。这允许通过约束晶片的背侧来蚀刻介质通道，并且当蚀刻到达膜片时产生电信号。该工艺防止膜片过蚀刻。与通过从背侧蚀刻设置膜片尺寸的情况下的管芯相比，本发明允许管芯的尺寸更小。
文档编号H01L29/84GK101743637SQ200880023226
公开日2010年6月16日 申请日期2008年7月2日 优先权日2007年7月5日
发明者C·E·斯图尔特, G·莫雷尔斯, R·A·戴维斯 申请人:霍尼韦尔国际公司