專利名稱：高溫下應(yīng)用的介質(zhì)兼容型電隔離壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及壓力傳感裝置，更具體而言，涉及在高溫下處于惡性及/或電傳導(dǎo)加壓介質(zhì)中的壓力傳感元件。
背景技術(shù)：
隔膜式壓力傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，其中加壓介質(zhì)所施加的壓力使隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且被耦合至該隔膜的傳感元件(諸如應(yīng)變儀)對該偏轉(zhuǎn)進行檢測，并且向用以校正隔膜傾斜的信號提供一定的壓力。主要有兩種類型的壓力傳感器。第一種類型被稱作差壓傳感器，該差壓傳感器測量相對于大氣壓的壓力。第二種類型被稱作絕對壓力傳感器，該絕對壓力傳感器通常測量相對于真空或者零壓力的壓力。圖 IA 和圖 IB 分別示出了由 Silicon Microstructures, Inc. of Milpitas，CA (壓力傳感器型號為SM510》制造的傳統(tǒng)差壓傳感器100和傳統(tǒng)絕對壓力傳感器110。這兩種壓力傳感器100和110均使用了帶有隔膜的硅微機械結(jié)構(gòu)(也被稱作測量晶片(gauge wafer))，其中該隔膜具有位于其上方或者外表面上的傳感元件(未示出)。該微機械結(jié)構(gòu)被安裝在支撐結(jié)構(gòu)上(也被稱作墊片)。壓力傳感器的一般維度用mm表示。這兩種壓力傳感器100和110均為頂側(cè)式壓力傳感器，即加壓介質(zhì)到達隔膜的頂側(cè)或者外側(cè)。差壓傳感器100中的支撐結(jié)構(gòu)具有開口，以將隔膜的相對側(cè)(即，底側(cè)或者內(nèi)側(cè))暴露到大氣壓中。 另一方面，絕對壓力傳感器110中的支撐結(jié)構(gòu)沒有開口，并且界定該隔膜下方的真空參照腔室。當(dāng)傳感元件上的保護涂層發(fā)生損壞而使隔膜頂側(cè)上的傳感元件接觸到惡性的加壓介質(zhì)時，這兩種壓力傳感器100和110并不適合牽涉到惡性壓力介質(zhì)(諸如染料混合物和酸溶液等)。差壓傳感器讀取相對于大氣壓的壓力。大氣壓會隨海拔和氣候條件發(fā)生變化。因此，當(dāng)需求較高的精度時，往往優(yōu)選絕對壓力傳感器。例如，壓差讀數(shù)可能隨大氣壓的變化而改變2-3psi。因此，如果全量程為IOOpsi時，則壓力讀數(shù)中會存在2%至3%的誤差。在 500psi以下使用的大多數(shù)新的壓力傳感器在其可操作溫度范圍、可操作壓力范圍內(nèi)以及在產(chǎn)品的整個壽命期間，要求+/-1%的精確度。因此，絕對壓力傳感器在上述應(yīng)用中變得非常重要。圖 2 示出了由 Silicon Microstructures, Inc. of Milpitas，CA(壓力傳感器型號為SM51U)制造的傳統(tǒng)絕對壓力傳感器200。壓力傳感器200使用了帶有微機械隔膜的硅測量晶片。被封閉到該測量晶片的硼硅玻璃罩在該隔膜上方產(chǎn)生了參照真空腔室。加壓介質(zhì)從該隔膜的底側(cè)施加壓力。支撐結(jié)構(gòu)(墊片)由硼硅玻璃制成，其中該硼硅玻璃在其中心處具有鉆孔，以使加壓介質(zhì)能夠到達該隔膜的底側(cè)。該隔膜的頂側(cè)具有應(yīng)變傳感元件、互連擴散電阻和電互連鍍金屬，藉以引出來自應(yīng)變傳感元件的電信號。當(dāng)傳感元件與加壓介質(zhì)分離時，該構(gòu)造比較適合牽涉到惡性加壓介質(zhì)。但是，將硼硅玻璃罩晶片粘貼到測量晶片以產(chǎn)生真空腔室的過程是一個非常昂貴的過程。
壓力傳感器200所遭遇的另一問題便是不能耐受高溫，這是因為傳感元件中存在漏電現(xiàn)象。壓力傳感器200將壓敏電阻器作為傳感元件(被構(gòu)造為測量晶片)。在經(jīng)典的壓敏電阻應(yīng)變儀中，在隔膜上方的惠斯通電橋構(gòu)造(見圖4)中連接有四個壓敏電阻器。當(dāng)被施加的壓力使隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，隔膜中的誘導(dǎo)應(yīng)力會使這些壓敏電阻器改變其對應(yīng)的電阻值，從而導(dǎo)致惠斯通電橋不平衡。不平衡的壓敏電阻器電橋會產(chǎn)生與被施加的壓力成比例的電信號輸出。在硅隔膜中，可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻法以較低的成本來集成上述壓敏電阻器。如圖3所示(在此只示出了測量晶片)，可以將壓敏電阻器定義為相對極性區(qū)域的擴散井，其中相對極性區(qū)域嵌入在隔膜的基體材料中。在圖3的插圖中，通過光刻法在頂絕緣體層中開有窗口，則會在η型基體硅隔膜中生成ρ型擴散壓敏電阻器，然后通過摻雜P型材料(例如硼)，藉以產(chǎn)生期望的薄層電阻率。如圖4中的等效電路所示，壓敏電阻器產(chǎn)生了帶有隔膜襯墊的、類似于二極管的ρ-η結(jié)點。在超過約125°C的溫度下，p-n結(jié)點類似于漏電二極管，即當(dāng)溫度升高時，漏電流以指數(shù)方式增加。如圖4所示，如果周圍的加壓介質(zhì)能夠被電傳導(dǎo)，則電流通過加壓介質(zhì)(用等效電路中的電阻R表示)漏向地面。在較高的溫度下，漏電量較大，這會導(dǎo)致傳感失靈，并且可能會導(dǎo)致不可挽回的機械損壞。盡管為了清楚起見，圖3中并未示出，但是本發(fā)明的普通技術(shù)人員現(xiàn)在應(yīng)該理解，在高溫下，被耦合至應(yīng)變壓敏電阻器的互連擴散電阻(圖2中所示)將會導(dǎo)致漏電。此外，在較低的溫度甚至室溫下。制造過程中的污染物可能會使二極管漏電。在先前描述的示例中，使用了帶有集成傳感元件的硅隔膜。硅隔膜和集成傳感元件深受歡迎，這是因為它們便于批量處理制造。但是，取決于特殊的應(yīng)用，在一些傳統(tǒng)的壓力傳感器中，隔膜和傳感器可以分開。當(dāng)隔膜可以由耐腐蝕性材料如不銹鋼制成，并且傳感元件可以由硅制成并且與暴露在封閉腔室中的加壓介質(zhì)保持隔離時，其中該封閉腔室用額外的壓力轉(zhuǎn)換介質(zhì)填充，從惡性加壓介質(zhì)的兼容性立場出發(fā)，這是有益的。這種類型的傳感器的一個示例是油填充型傳感器，其中壓力轉(zhuǎn)換介質(zhì)是油。這種方法可能相對比較昂貴，因為油填充必須在真空下執(zhí)行。上述方法中的誤差也會增加，這是因為在封閉之后，腔室中通常會存在少量的殘余空氣。油容積的熱效應(yīng)和氣泡也會使壓力讀數(shù)出現(xiàn)誤差。為了便于參照，期望讀者能夠閱讀Bang等人所著的美國專利6，311，561。在耐腐蝕性金屬隔膜的情況下，通常在該隔膜上沉積有金屬薄膜并且使其圖案化來界定應(yīng)變儀。例如，可以在涂覆有不銹鋼隔膜的二氧化硅上沉積含氧的氮化鈦(TiON)應(yīng)變層。但是，通常意義上，這種類型的應(yīng)變儀與微機械硅壓敏電阻應(yīng)變儀相比，具有較低的應(yīng)變系數(shù)，這會影響壓力的測量精度。通過采用其中微機械硅壓敏電阻應(yīng)變儀與涂覆有氧化物的金屬隔膜結(jié)合的混合構(gòu)造，就能解決應(yīng)變系數(shù)變低的問題。但是，混合壓力傳感器遇到了傳感元件與隔膜之間的熱膨脹不匹配的問題。此外，該混合構(gòu)造并不利于批量處理。在傳感元件的上方添加真空封閉腔室可能會導(dǎo)致成本過于昂貴。甚至在不銹鋼隔膜上沉積氧化物也要求昂貴的細磨拋光處理。在混合壓力傳感器中，可操作溫度通常被限制在140°c。絕對壓力傳感器，其中傳感元件被包圍在封閉的參照腔室中，提供了保護傳感元件免受惡性加壓介質(zhì)腐蝕的優(yōu)勢。但是，為了將來自傳感元件的電連接引到封閉腔室外側(cè)， 要求特殊的設(shè)計和處理步驟，即傳感器的封裝成本變高。美國專利5，929，497和6，109，113 示出了一種引出真空腔室電連接的途徑。該方法比較復(fù)雜，并且使用了電容式傳感器和多晶硅連接。通過使用靜電結(jié)合技術(shù)使晶片結(jié)合。美國專利6，713，擬8描述了具有附加電路的相同技術(shù)。上述技術(shù)適合用于外界及摩托車中的次大氣壓級。因此，期望一種新的壓力傳感器，該壓力傳感器提供可以多個期望特征的結(jié)合，其中該多個期望特征包括但不限于，絕對壓力傳感精度高、壓力范圍較寬、與惡性加壓介質(zhì)的電化學(xué)兼容性、在包括高溫的所有溫度范圍內(nèi)的操作可靠、便于制造和封裝、尺寸緊湊并且成本低等。

發(fā)明內(nèi)容
_描述了一種帶有傳感元件的壓力傳感器，其中該傳感元件與加壓介質(zhì)電物理隔離。一種絕對壓力傳感器具有參照腔室，其中該參照腔室能夠處于真空下或者零壓力下，并且包圍該傳感元件。該參照腔室通過使帶有測量晶片的帽蓋晶片與微機械隔膜結(jié)合而形成。傳感元件配置在該隔膜的第一側(cè)上。加壓介質(zhì)到達隔膜的第二側(cè)，其中第二側(cè)與配置有傳感元件的第一側(cè)相對。墊片晶片可以用于該測量晶片的結(jié)構(gòu)支撐和應(yīng)力釋放。在一個實施例中，豎直的穿過晶片的導(dǎo)電過孔被用來將來自傳感元件的電連接引到參照腔室的外側(cè)。在可替換的實施例中，位于測量晶片上的外圍結(jié)合襯墊被用來將來自傳感元件的電連接引到參照腔室的外側(cè)。在各種實施例中，可以將規(guī)則的絕緣體上硅晶片或者上層絕緣體上硅晶片用作測量晶片，并且采用合適的微機械步驟來界定該隔膜。在某些實施例中，在加壓介質(zhì)到達的隔膜的表面上沉積耐腐蝕性材料層。


附圖包含在本說明書中并且構(gòu)成了本說明書的一部分，它們與示例性實施例的描述一起示出了實施例的一個或多個示例，并且用以解釋實施例的原理和補充說明。在附圖中圖1A-1B示出了傳統(tǒng)的頂側(cè)式壓力傳感器。圖2解釋了帶有未被電隔離的傳感元件的傳統(tǒng)絕對壓力傳感器的示例。圖3解釋了傳統(tǒng)的微機械硅壓力傳感器的未被電分離的傳感元件(壓敏電阻器) 的細節(jié)。圖4示出了解釋圖3所示構(gòu)造所遇到的漏電問題的等效電路。圖5示出了其中傳感元件與隔膜電隔離的一個實施例。圖6示出了利用穿過晶片的豎直過孔引出來自傳感元件的電連接的一個實施例。圖7A-圖7E示出了在一個實施例中使用的用于制造圖6所示的壓力傳感器的各個處理步驟。圖7F示出了利用穿過晶片的豎直過孔引出來自與圖6所示的壓力傳感器類似的傳感元件的電連接，并且將雙層的絕緣體-上-硅晶片用作測量晶片的一個實施例。圖8示出了利用外圍結(jié)合襯墊引出來自傳感元件的電連接的一個實施例。圖9A-9D示出了在一個實施例中用以制造如圖8所示的壓力傳感器的各種處理步
馬聚ο
7
圖10示出了在平常汽車中所看見的各種溫度分布輪廓，其中可以使用本文所公開的壓力傳感器的各種實施例。圖11示出了用于本文所公開的壓力傳感器的各種實施例的一般操作條件的表格。
具體實施例方式本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該意識到，下面的描述僅是示例性的，并不意為對任何方法的限制。其它實施例會向技術(shù)人員，輕松表明本發(fā)明的益處?，F(xiàn)在將參考附圖所述的示例性實施例，詳細進行說明。相同的標(biāo)號將會貫穿附圖，并且下面的描述激將會參考相同或者類似的序號。根據(jù)本發(fā)明，可以使用各種類型的半導(dǎo)體制造設(shè)備來實施本文所述的構(gòu)件和方法步驟。應(yīng)理解，術(shù)語“實施例”包括不止一個實施例，因此并不限于一個實施例。實施例描述了能夠用在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)，包括汽車領(lǐng)域范圍內(nèi)的壓力傳感器，如相對于圖10及圖11所述。盡管為了示例性目的，詳細描述了絕對壓力傳感器，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，類似的方法可以用來制造其它類型的壓力傳感器，如差壓傳感器。在絕對壓力傳感器中，可以使參照腔室處于實際的真空或者零壓力下，或者在公知的參照壓力下，利用化學(xué)兼容性流體(如氣體或者液體)填充該參照腔室，并且校準(zhǔn)該參照腔室，以確定絕對壓力。盡管硅經(jīng)常被示為用以制造微機械測量晶片和帽蓋晶片的材料，其中該微機械測量晶片包括隔膜，該帽蓋晶片在該隔膜的上方產(chǎn)生了參照腔室，但是材料的選擇并不會限制本發(fā)明的范圍。類似地，盡管該墊片可以由硅或派熱克斯玻璃(Pyrex)或其它類型的玻璃或陶瓷材料制成，但是墊片材料的選擇并不意在限制本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員現(xiàn)在應(yīng)該理解，如果測量晶片的材料和傳感元件的材料具有類似的熱膨脹系數(shù)，則本發(fā)明的實施例很有可能具有較好的熱性能和較長的壽命。圖5示出了本發(fā)明的壓力傳感器實施例500，其中傳感元件502與加壓介質(zhì)電物理隔離，該加壓介質(zhì)從隔膜506的底側(cè)施加壓力。測量晶片518由塊硅制成。隔膜506可以通過各種微機械技術(shù)來界定，這些微機械技術(shù)包括但不限于各向異性濕法化學(xué)蝕刻和干法蝕刻(例如高深度反應(yīng)離子蝕刻)。在未被蝕刻的基座部分508保持完整并且提供結(jié)構(gòu)支撐的同時，通過微機械使測量晶片518的中心部分變薄。在一個實施例中，隔膜506可以約為27微米厚。但是，隔膜的厚度取決于要被測量的壓力范圍。壓力介質(zhì)到達微機械結(jié)構(gòu)/ 測量晶片518的隔膜區(qū)域的內(nèi)表面507，其中壓力介質(zhì)使隔膜506偏轉(zhuǎn)。在微機械結(jié)構(gòu)/測量晶片518的隔膜區(qū)域的外表面509上沉積或者熱生長電絕緣材料層504。絕緣材料504 可以是二氧化硅或者其它合適的絕緣材料。在實施例500中并未形成p-n結(jié)點，具體如插圖所示，所以當(dāng)在圖3所示的傳統(tǒng)壓力傳感器的情況下，在高溫下不會發(fā)生漏電的可能性。 因此，該構(gòu)造適合用于高溫操作(350°C或者更高)，即使壓力介質(zhì)是電傳導(dǎo)的。在參照腔室沒有包圍傳感元件502的情況下示出了實施例500。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員現(xiàn)在應(yīng)該能夠修改實施例500中所述的結(jié)構(gòu)，藉以產(chǎn)生絕對壓力傳感器。同樣地，在該視圖中，為了清楚起見，并未示出引出來自傳感元件502的電信號的互連裝置。傳感元件502可以是配置在電子構(gòu)造中作為壓敏電阻應(yīng)變儀的壓敏電阻器?？商鎿Q地，在不偏離本發(fā)明保護范疇的情況下，可以使用其它類型的應(yīng)變儀。傳感元件502可以由單晶體硅或多晶體硅、或被薄化的塊硅或者其它類型的應(yīng)變材料如TiON制成。但是，對于硅測量晶片518來說，硅傳感元件502是合乎邏輯的材料選擇?？梢酝ㄟ^使用低壓化學(xué)汽相沉積法(LPCVD)在被熱生長硅的二氧化硅層504上形成多晶體硅(用于傳感元件502層)。通常來講，單晶體硅與多晶體硅相比，具有較高的應(yīng)變系數(shù)。多晶體硅的應(yīng)變系數(shù)取決于其粒度。為了形成絕緣體上硅(silicon-on-insulator， SOI)測量晶片，可以通過注氧隔離(SIMOX)法或者通過熔接法形成單晶體硅。在SIMOX法中，穿過薄硅層注入氧離子，然后對其進行熱處理以使其在單晶體硅的薄膜上方轉(zhuǎn)換為二氧化硅。也可以通過熔接法(直接結(jié)合法)將犧牲硅晶片結(jié)合到另一涂覆有氧化物的硅晶片，來形成絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)。隨后，使?fàn)奚佑|、搭接及/或拋光到氧化物絕緣層上方的相對較薄的薄膜。接著，通過使用離子注入法或者熱擴散法使較薄的單晶體硅或者多晶體硅摻雜有硼(或者其它摻雜物)，藉以實現(xiàn)必要的薄層阻抗。光刻法或者反應(yīng)離子蝕刻(RIE)法用以使單晶體或者多晶體硅薄膜圖案化，以形成傳感元件502。被圖案化的金屬薄膜(未示出)與傳感元件502連接，形成了惠斯通電橋。傳感元件502的溫度膨脹因此與硅隔膜506良好地匹配，使得不存在顯著的熱誘導(dǎo)應(yīng)力。通過使用熔接法、陽極結(jié)合法、共晶結(jié)合法、焊錫結(jié)合法、玻璃熔接法或者可替換的結(jié)合技術(shù)使微機械測量晶片518結(jié)合到墊片晶片520。這些結(jié)合方法能夠維持高溫操作或者結(jié)合完成之后的任何隨后處理或者封裝步驟。如圖5所示，結(jié)合表面包括微機械測量晶片518的基座508的底面510和墊片520的頂面512。通常意義上，陽極結(jié)合法適用于派熱克斯墊片晶片，并且熔接法、玻璃熔接法、共晶結(jié)合法或者熱壓接結(jié)合法適用于硅墊片晶片。在不偏離本發(fā)明保護范疇的情況下，可以采用其它類型的墊片材料和結(jié)合方法。當(dāng)將測量晶片安裝在外殼或者封裝中時，墊片可以提供應(yīng)力釋放，其中該包裝具有不同于測量晶片的熱膨脹系數(shù)。絕對壓力傳感器的示例性實施例#1圖6示出了本發(fā)明的第一實施例600。圖6所示的絕對壓力傳感器600與圖5所示的壓力傳感器500類似，但是示出了圖5未示出的附加結(jié)構(gòu)構(gòu)件。壓力傳感器600包括三個主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件測量晶片518、帽蓋晶片530和墊片晶片 520。測量晶片厚度的示例性維度b = 0. 4mm，墊片晶片的厚度c = 0. 5mm，帽蓋晶片的厚度 a = 0. 5mm。其它維度，例如測量晶片的寬度g、墊片晶片的內(nèi)、外直徑(分別是e和(e+2f)) 和隔膜區(qū)域的寬度d等通常也在毫米級的范圍之內(nèi)。被薄化的硅隔膜的示例性厚度為27 微米。其它維度可能取決于材料和構(gòu)造。測量晶片518可以包括硅互連器503、平坦化/鈍化層558、屏蔽金屬層556和結(jié)合金屬層陽4?；ミB器503通常由與傳感元件502相同的材料制成。層554的通常組分為金，其厚度為1 μ m。屏蔽金屬層556可以是2000A厚的Ti/Pt或者Ti/W。在圖6所示的實施例中，共晶金結(jié)合法用以使帽蓋晶片530與測量晶片518耦合。根據(jù)該結(jié)合方法，可以使用其它結(jié)合技術(shù)，并且可以根據(jù)該結(jié)合技術(shù)采用其它界面層。平坦化/鈍化層558可以是 500人厚的二氧化硅和2000A厚的氮化硅。如圖6所示，在平坦化/鈍化層558中開有窗口，以與晶片上的硅互連器503接觸。傳感元件502可以是露在外面的，如圖6所示，或者可以被平坦化/鈍化層858覆蓋，如圖8所示。
外部金屬層560可以沉積在隔膜506的底部。例如，如果墊片晶片520是被涂覆為與外殼/包裝(未示出)結(jié)合的厚層，其中該外殼/包裝容納壓力傳感器600，則可以沉積500A/1000A/1500人厚的Ti/Pt/Au金屬層。該外殼可以由與加壓介質(zhì)兼容的科瓦鐵鎳鈷合金或者其它材料制成。當(dāng)帽蓋晶片530結(jié)合到測量晶片518時，便會產(chǎn)生參照腔室535。帽蓋晶片530 具有底面537，其中底面537包括凹槽532。該凹槽532的位置和維度使得其包圍傳感元件 502。帽蓋晶片530包括被電傳導(dǎo)的嵌入式過孔550。如果帽蓋晶片由電傳導(dǎo)材料制成，則過孔550可以具有絕緣側(cè)壁552。如相對于圖7A所述，在一個實施例中，過孔可以被界定為電傳導(dǎo)帽蓋晶片的一部分，其中該導(dǎo)電帽蓋晶片被絕緣側(cè)壁包圍。在其它實施例中，帽蓋晶片可以是電絕緣材料，并且過孔是穿過帽蓋晶片的導(dǎo)電通路。傳感元件502的電連接通過過孔550被引到帽蓋晶片530的外表面Ml。帽蓋晶片的外表面541具有絕緣層M2，其中絕緣層討2中界定了窗口，以使金屬襯墊MO圖案化。金屬襯墊540可以由1 μ m厚的Al/ Si/Cu或者其它互連或者金和金屬材料制成。在圖6所示的示例中，帽蓋晶片的材料為硅。各過孔550的側(cè)壁552確保過孔穿過帽蓋530的塊硅主體時不會短路。當(dāng)穿過晶片的硅過孔被用來從真空腔室中引出電連接時，帽蓋晶片530使用了體電阻率較低的硅材料。也可以將其它類型的導(dǎo)電材料用于帽蓋
曰曰/To墊片晶片520具有使加壓介質(zhì)到達隔膜的中心孔562?？?62可以具有任意的幾何形狀，包括圓形、正方形、長方向和多邊形等。圖7A示出了形成帽蓋晶片530的方法示例。在圖7A中，在步驟1中，對硅晶片530A 進行干法蝕刻，以界定深槽710a-b。深槽710a是環(huán)繞過孔550a的連續(xù)深槽，并且深槽710b 是環(huán)繞過孔550b的連續(xù)深槽。在步驟2中，利用電絕緣體如二氧化硅填充深槽710a-b，以產(chǎn)生絕緣側(cè)壁55h-b。在步驟3中，對晶片530A的下部732進行拋光或者蝕刻，完成穿過晶片的過孔。在步驟4中，通過其它蝕刻步驟來界定中心凹槽532。圖7B示出了形成墊片晶片520的方法示例。在步驟1中，將硅/派熱克斯玻璃或者其它材料的晶片520A拋光至所期望的厚度C。在步驟2中，在中心處形成孔562?？梢酝ㄟ^鉆孔法或者蝕刻法來形成穿過晶片的該孔。頂面512可以被進一步處理為與測量晶片 518結(jié)合。注意，在將墊片晶片520A結(jié)合到測量晶片518之后，可以對其進行拋光。圖7C示出了形成測量晶片518的步驟示例。測量晶片518的處理可以開始于絕緣體上硅晶片518A，其中絕緣體上硅晶片518A具有位于二氧化硅層504上的硅層502A?？商鎿Q地，在步驟1中，可以在涂覆有氧化物的硅晶片上方形成層502A，如參考圖5所示。在步驟2中，使層502A圖案化，以界定傳感元件502和互連器503。在傳感元件上方沉積鈍化層705，以保護該傳感元件，并且通過濕法蝕刻法其底部開有寬度為dl的窗口。鈍化層可以具有氮化硅，并且用作濕法蝕刻外罩。寬度dl由所期望的隔膜區(qū)域的最終寬度d確定。在步驟3的濕法蝕刻過程中，KOH溶液被用于硅的各向異性蝕刻。精確地控制濕法蝕刻的時間，得到所期望的隔膜厚度(例如27μπι)。注意，也可以使用干法蝕刻來界定隔膜(如圖 7F所示)。在步驟4中，腐蝕掉鈍化層。圖7D示出了測量晶片518與墊片晶片520彼此結(jié)合的結(jié)合體720。如上所述，可以使用各種結(jié)合技術(shù)，如陽極結(jié)合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、焊錫結(jié)合法或者熱壓接結(jié)合法，并且相應(yīng)地完成用于測量晶片和墊片晶片的界面預(yù)備處理。圖7E示出了如何將測量-墊片結(jié)合體720結(jié)合到帽蓋晶片530。在步驟1中，形成了平坦化/鈍化層558，并且在互連器503上開有窗口 750，以引出來自傳感元件502的電連接。在步驟2中，形成了屏蔽金屬層556和結(jié)合金屬層554。層554的通常組分為金， 其厚度為lym。屏蔽金屬層556可以是2000A厚的Ti/Pt或者Ti/W。這些步驟均適合使用共晶結(jié)合法。在其它形式的結(jié)合方法如焊錫結(jié)合法、熔接法、倒裝焊接、熱壓接結(jié)合法中， 需要不同的界面預(yù)備處理。應(yīng)該注意，結(jié)合方法應(yīng)該足夠可靠，藉以產(chǎn)生和維持真空參照腔室535。在步驟3中，將被處理過的帽蓋晶片530結(jié)合到測量晶片518。在本發(fā)明的保護范疇之內(nèi)，上述結(jié)構(gòu)及處理步驟的各種替代是可行的。例如，在圖 7E的步驟3中，可以在隔膜背側(cè)上沉積耐腐蝕性層762，例如氧化鋁。層762將會保護隔膜背側(cè)506免受腐蝕性較強的加壓介質(zhì)的腐蝕。必須在形成金屬層560之前完成耐腐蝕性金屬層762的沉積(如圖6所示)?？梢岳靡合喑练e法或者其它類型的沉積方法來沉積氧化鋁。盡管圖7E中未示出，但是可以在絕緣層542的上方添加金屬結(jié)構(gòu)540并且添加金屬層560以產(chǎn)生與壓力傳感器600類似的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在上述處理過程中，僅僅示出并描述了一種示例。必要時，可以添加或者刪除中間步驟。處理步驟的次序并不限制本發(fā)明的保護范圍。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，首先可以使測量晶片518與帽蓋晶片530結(jié)合，然后將該帽蓋-測量結(jié)合體結(jié)合到墊片晶片520。 在此情況下，可以使用高溫結(jié)合法(例如，共晶結(jié)合法)使帽蓋晶片與測量晶片結(jié)合，而該結(jié)合體在通過使用相對較低的低溫結(jié)合法(例如，焊錫結(jié)合法)使測量晶片與墊片晶片結(jié)合的同時會保持完整。但是，低溫結(jié)合法應(yīng)該仍然能夠維持加壓介質(zhì)的操作溫度。同樣地， 在將帽蓋晶片結(jié)合到測量晶片之后，可以完成測量晶片的濕法蝕刻(以界定隔膜)。圖7F示出了與圖6中的壓力傳感器600類似的另一壓力傳感器700，除了如何來使測量晶片微機械化以界定隔膜506之外。在本示例性實施例中，選擇雙上硅絕緣體(SOI) 晶片718作為測量晶片。晶片718的上硅層718A夾置在兩層氧化物504與704之間。層 718A的厚度由所期望的隔膜厚度確定。對晶片718的下硅層718B進行干法蝕刻，以產(chǎn)生開口，其中加壓介質(zhì)通過該開口到達隔膜506的底側(cè)?？梢酝ㄟ^深層反應(yīng)離子蝕刻法來蝕刻穿過層718B，其中層718B具有用作蝕刻終止層的氧化物層704。耐腐蝕性層762的使用或者不使用取決于其應(yīng)用。絕對壓力傳感器的示例性實施例#2圖8示出了壓力傳感器的另一示例性實施例800，其中外圍結(jié)合襯墊840代替豎直過孔，用以引出從傳感元件502的電信號。當(dāng)通過使用帽蓋830并未完成電連接時，圖8 中的帽蓋晶片830不需要由諸如硅之類的導(dǎo)電材料制成。但是，從批量處理的觀點出發(fā)，硅晶片用作帽蓋是有益的。帽蓋晶片830在其底面中具有凹槽832。帽蓋晶片830具有側(cè)壁 831，其中側(cè)壁831可以是或者可以不是傾斜的或者歪斜的。當(dāng)帽蓋晶片830與測量晶片 518結(jié)合時，產(chǎn)生了封閉的參照腔室835。帽蓋晶片可以具有結(jié)合層860，其中該結(jié)合層860 與測量晶片上方的平坦化層858匹配。與壓力傳感器600和700 —樣，壓力傳感器800也沒有采用p_n結(jié)點，并且適合于高溫應(yīng)用，另外，當(dāng)傳感元件502不與加壓介質(zhì)直接接觸時，該構(gòu)造可與惡性加壓介質(zhì)相容，這與壓力傳感器600和700類似。圖9A示出了形成壓力傳感器800中所述的測量晶片518的方法步驟示例。在步驟1中，在硅晶片518A上形成氧化物層504。在步驟2中，形成傳感元件層502A，并且向其中摻雜有摻雜物，藉以得到期望的薄層阻抗。在步驟3中，利用光刻法使傳感元件502和互連器503圖案化。在步驟4中，形成平坦化層858 (例如PSG)，以封裝傳感元件502和互連器503。使層858平坦化。在步驟5中，在平坦化層858中開有窗口 859，使得將來自傳感元件502的電連接從真空腔室中弓I到互連器503。在步驟6中，形成外周接合襯墊840以與互連器503接觸，由此可從真空腔引出來自傳感元件502的電連接。在步驟7中，通過濕法 KOH蝕刻來界定隔膜506。也可以使用干法蝕刻來界定隔膜?？梢詫⒌锿庹?05用作濕法蝕刻外罩。盡管步驟7中未示出，但是在濕法蝕刻過程中，氮化物外罩可以保護金屬襯墊 840。圖9B示出了形成帽蓋晶片830的方法步驟示例。在步驟1中，在硅晶片830A上形成氧化物層842。在步驟2中，通過干法蝕刻或者濕法蝕刻來界定凹槽832。在步驟3中， 通過蝕刻法去除晶片830A的一部分。該處理可以產(chǎn)生傾斜的側(cè)壁831。在步驟4中，使晶片830A重新被氧化。在步驟5中，如果采用了玻璃熔接法，則沉積玻璃溶解層860。至于其它結(jié)合技術(shù)，可以使用其它類型的界面預(yù)備處理。圖9C示出了準(zhǔn)備墊片晶片520的步驟。該步驟與圖7B中所述的步驟相同。圖9D概要地示出了如何組裝帽蓋晶片830、測量晶片518和墊片晶片520，以產(chǎn)生壓力傳感器實施例800。如上所述，結(jié)合次序并不會限制本發(fā)明的范圍，但是有必要設(shè)計流程步驟，以支持結(jié)合技術(shù)及次序。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員現(xiàn)在應(yīng)該理解，在實施例800中也可以使用雙層的SOI測量晶片(如圖7F所示)，用以界定隔膜506。此外，在隔膜506的底面上可以使用耐腐蝕性層762(如圖7E-7F所示)。本發(fā)明的實施例可以應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，如進氣歧管中、傳動線路中、排氣管中、輪胎中或者輪胎附近、發(fā)動機中或者發(fā)動機附近等。也可以用在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的生物醫(yī)學(xué)儀器、航空航天、國防等其它領(lǐng)域。車輛電子產(chǎn)品的環(huán)境因其車輛內(nèi)的位置的不同而不同。通常來講，與用在溫馨家庭或者辦公室環(huán)境中的用戶電子產(chǎn)品相比，上述環(huán)境更加惡劣。這些惡劣因素來源于較高的溫度、較高的濕度和振動等。圖10示出了在車輛防護罩下的不同位置處通常遇到的高溫 (參考全國電子設(shè)備制造聯(lián)合體(National Electronics Manufacturing Initiative, NEMI)路標(biāo)，2000 年 12 月)。圖11中的表-1示出了汽車壓力傳感器隨其在汽車中的位置而變化的溫度極限。 所示的溫度為傳感器封裝表面的溫度。傳感器電子構(gòu)件的內(nèi)部溫度通常比基板溫度高10 至15°C。如今，在每個新產(chǎn)品年度，有越來越多的電子配件被安裝到汽車中。當(dāng)防護罩下的溫度成為爭議的焦點，并且可靠性成為主要的關(guān)注點時，許多汽車公司便將產(chǎn)品規(guī)格從0°C 至25°C改為-40°C至+125°C?，F(xiàn)在，許多電子構(gòu)件，包括汽車壓力傳感器，必須在140°C或者更高的溫度下通過極其長的操作性試驗。本發(fā)明的實施例是下意識地隨較高的溫度和腐蝕性的加壓介質(zhì)(排氣和傳動流體等)不斷發(fā)展。
盡管已經(jīng)示出并描述了實施例及其應(yīng)用，但是本發(fā)明的益處對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，即在不違背本文所公開的創(chuàng)造性概念的情況下，可以作出比以上描述更多的修改例。因此，本發(fā)明并沒有被限制在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微電子機械系統(tǒng)(MEMQ壓力傳感器，所述MEMS壓力傳感器包括測量晶片，所述測量晶片包括微機械結(jié)構(gòu)，所述微機械結(jié)構(gòu)包括隔膜區(qū)域和基座區(qū)域，其中所述隔膜區(qū)域的第一表面被構(gòu)造為加壓介質(zhì)可以到達，其中所述加壓介質(zhì)施加壓力，進而導(dǎo)致所述隔膜區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)；電絕緣層，所述電絕緣層配置在所述隔膜區(qū)域的第二表面上，所述第二表面與所述第一表面相對；以及多個傳感元件，所述多個傳感元件在所述電絕緣層上被圖案化，所述電絕緣層配置在所述隔膜區(qū)域的所述第二表面上，其中所述傳感元件的熱膨脹系數(shù)與所述測量晶片的熱膨脹系數(shù)大致匹配；帽蓋晶片，所述帽蓋晶片被耦合至所述測量晶片，所述帽蓋晶片包括凹槽，所述凹槽位于所述帽蓋晶片的面對所述測量晶片的內(nèi)表面上，所述測量晶片界定封閉的參照腔室，所述封閉的參照腔室包圍所述傳感元件并且阻止所述傳感元件暴露給外部環(huán)境；多個穿過晶片的嵌入式過孔，所述多個穿過晶片的嵌入式過孔由導(dǎo)電材料制成，以將來自所述傳感元件的電連接引到所述帽蓋晶片的外表面，所述外表面與凹槽的所述內(nèi)表面相對；以及墊片晶片，所述墊片晶片具有中心孔，其中所述中心孔與所述隔膜區(qū)域?qū)?zhǔn)，并且與所述微機械結(jié)構(gòu)的所述基座區(qū)域結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中所述微機械結(jié)構(gòu)由硅制成，并且包含所述傳感元件的層由摻雜質(zhì)的硅制成以實現(xiàn)期望的薄層阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中所述帽蓋晶片由導(dǎo)電材料制成，其中所述帽蓋晶片的部分被用作所述嵌入式過孔，并且所述嵌入式過孔具有電絕緣的側(cè)壁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中所述包含所述傳感元件的層是多晶體硅層、單晶體硅層、或者在去除犧牲晶片的主體部分之后，通過熔接法在所述電絕緣層上方結(jié)合所述犧牲晶片所形成的層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中所述墊片晶片由派熱克斯玻璃或者硅制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中所述墊片晶片和所述微機械結(jié)構(gòu)通過下列方法之一結(jié)合，其中所述方法包括陽極結(jié)合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、焊錫結(jié)合法和熱壓接結(jié)合法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中所述帽蓋晶片通過玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、焊錫結(jié)合法、倒裝結(jié)合法、熔接法、和熱壓接結(jié)合法被耦合至所述測量晶片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓力傳感器，其中在所述加壓介質(zhì)到達的所述隔膜區(qū)域的所述第一表面上沉積耐腐蝕性材料層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MEMS壓力傳感器，其中所述耐腐蝕性材料為氧化鋁。
10.一種制造微電子機械系統(tǒng)(MEMQ壓力傳感器的方法，所述方法包括形成微機械結(jié)構(gòu)，所述微機械結(jié)構(gòu)包括隔膜區(qū)域和基座區(qū)域，其中所述微機械結(jié)構(gòu)的第一表面被構(gòu)造為通過加壓介質(zhì)可以到達，其中所述加壓介質(zhì)施加壓力，進而導(dǎo)致所述隔膜區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)；形成電絕緣層，所述電絕緣層配置在所述隔膜區(qū)域的第二表面上，所述第二表面與所述第一表面相對；以及形成多個傳感元件，所述多個傳感元件在所述電絕緣層上被圖案化，所述電絕緣層配置在所述隔膜區(qū)域的所述第二表面上，其中所述傳感元件的熱膨脹系數(shù)與所述測量晶片的熱膨脹系數(shù)大致匹配；形成帽蓋晶片，所述帽蓋晶片具有位于內(nèi)表面中的中心凹槽；在所述帽蓋晶片中形成多個穿過晶片的嵌入式過孔，所述多個穿過晶片的嵌入式過孔由電傳導(dǎo)材料制成；通過將所述帽蓋晶片的所述內(nèi)凹槽表面耦合至所述測量晶片，產(chǎn)生封閉的腔室，使得所述傳感元件被包圍在所述凹槽中，并且通過所述電傳導(dǎo)穿過晶片的嵌入式過孔將來自所述傳感元件的電連接引出到與所述帽蓋晶片的外表面，其中所述外表面與所述內(nèi)凹入表面相對；形成帶有中心孔的墊片晶片；以及將所述墊片晶片連接到帶有所述中心孔的所述微機械結(jié)構(gòu)的所述基座區(qū)域，其中所述中心孔與所述隔膜區(qū)域?qū)?zhǔn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述微機械結(jié)構(gòu)由硅制成，并且包含所述傳感元件的層由摻雜質(zhì)的硅制成以實現(xiàn)期望的薄層阻抗。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成所述多個穿過晶片的過孔的步驟包括選擇電導(dǎo)性的帽蓋晶片材料；將包圍所述帽蓋晶片的部分的深槽限定為過孔區(qū)域；以及使用電絕緣材料填充所述深槽。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述包含所述傳感元件的層是多晶體硅層、單晶體硅層、或者在去除犧牲晶片的主體部分之后，通過熔接法在所述電絕緣層上方結(jié)合所述犧牲晶片所形成的層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述墊片晶片由派熱克斯玻璃或者硅制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中連接所述墊片晶片的方法包括使用下列方法之一，其中所述方法包括陽極結(jié)合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、焊錫結(jié)合法和熱壓接結(jié)合法。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述帽蓋晶片通過玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、熔接法、焊錫結(jié)合法、倒裝結(jié)合法、熔接法、和熱壓接結(jié)合法被耦合至所述測量晶片。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述方法還包括在所述加壓介質(zhì)到達的所述隔膜區(qū)域的所述第一表面上沉積耐腐蝕性材料層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述耐腐蝕性材料為氧化鋁。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中還包括使所述測量晶片的外表面的平坦化部分與所述帽蓋晶片匹配。
20.一種微電子機械系統(tǒng)(MEMQ壓力傳感器，所述MEMS壓力傳感器包括測量晶片，所述測量晶片包括微機械結(jié)構(gòu)，所述微機械結(jié)構(gòu)包括隔膜區(qū)域和基座區(qū)域，其中所述隔膜區(qū)域的第一表面被構(gòu)造為通過加壓介質(zhì)可以到達，其中所述加壓介質(zhì)施加壓力，進而導(dǎo)致所述隔膜區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)；電絕緣層，所述電絕緣層配置在所述隔膜區(qū)域的第二表面上，所述第二表面與所述第一表面相對；以及多個傳感元件，所述多個傳感元件在所述電絕緣層上被圖案化，所述電絕緣層配置在所述隔膜區(qū)域的所述第二表面上，其中所述傳感元件的熱膨脹系數(shù)與所述測量晶片的熱膨脹系數(shù)大致匹配；帽蓋晶片，所述帽蓋晶片被耦合至所述測量晶片，所述帽蓋晶片包括凹槽，所述凹槽位于所述帽蓋晶片的面對所述測量晶片的內(nèi)表面上，所述測量晶片界定封閉的參照腔室，所述封閉的參照腔室包圍所述傳感元件并且阻止所述傳感元件暴露給外部環(huán)境；外圍結(jié)合襯墊，所述外圍結(jié)合襯墊被界定在所述測量晶片上，以將來自所述傳感元件的電連接引到所述封閉參照腔室的外側(cè)；以及墊片晶片，所述墊片晶片具有中心孔，其中所述中心孔與所述隔膜區(qū)域?qū)?zhǔn)，并且與所述微機械結(jié)構(gòu)的所述基座區(qū)域結(jié)合。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS壓力傳感器，其中所述微機械結(jié)構(gòu)由硅制成，并且包含所述傳感元件的層由摻雜質(zhì)的硅制成以實現(xiàn)期望的薄層阻抗。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS壓力傳感器，其中所述包含所述傳感元件的層是多晶體硅層、單晶體硅層、或者在去除犧牲晶片的主體部分之后，通過熔接法在所述電絕緣層上方結(jié)合所述犧牲晶片所形成的層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS壓力傳感器，其中所述墊片晶片由派熱克斯玻璃或者硅制成。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS壓力傳感器，其中所述墊片晶片和所述微機械結(jié)構(gòu)通過下列方法之一使結(jié)合，其中所述方法包括陽極結(jié)合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、 焊錫結(jié)合法和熱壓接結(jié)合法。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS壓力傳感器，其中所述帽蓋晶片通過玻璃熔接法、共晶結(jié)合法、焊錫結(jié)合法、倒裝結(jié)合法、熔接法、和熱壓接結(jié)合法被耦合至所述測量晶片。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS壓力傳感器，其中在所述加壓介質(zhì)到達的所述隔膜區(qū)域的所述第一表面上沉積耐腐蝕性材料層。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的MEMS壓力傳感器，其中所述耐腐蝕性材料為氧化鋁。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種帶有傳感元件的壓力傳感器，其中該傳感元件與加壓介質(zhì)電且物理隔離。一種絕對壓力傳感器具有包圍該傳感元件的參照腔室，其中該參照腔室能夠處于真空下或者零壓力下。該參照腔室通過使帶有測量晶片的帽蓋晶片與微機械隔膜結(jié)合而形成。該傳感元件配置在該隔膜的第一側(cè)上。加壓介質(zhì)到達隔膜的第二側(cè)，其中第二側(cè)與配置有傳感元件的第一側(cè)相對。墊片晶片可以用于該測量晶片的結(jié)構(gòu)支撐和應(yīng)力釋放。在一個實施例中，豎直的穿過晶片的導(dǎo)電過孔被用來將來自傳感元件的電連接引到參照腔室的外側(cè)。在可替換的實施例中，位于測量晶片上的外圍結(jié)合襯墊被用來將來自傳感元件的電連接引到參照腔室的外側(cè)。在各種實施例中，可以將規(guī)則的絕緣體上硅晶片或者雙層絕緣體上硅晶片用作測量晶片，并且采用合適的微機械步驟來界定該隔膜。在加壓介質(zhì)所到達的隔膜的表面上沉積耐腐蝕性材料層。
文檔編號G01L9/06GK102341685SQ201080010485
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者穆罕默德·于納斯, 詹姆斯·錢蒙·薩敏圖 申請人:S3C公司