專利名稱：表面微型機械加工的絕對壓力傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及所附權(quán)利要求1前序部分中所述的電容式壓力傳感器及其制造方法。
傳統(tǒng)上，微型機械加工的壓力傳感器依其制造方法分為兩類。當(dāng)壓力傳感器是用表面微型機械加工技術(shù)制造時，它便分類為表面微型機械加工的傳感器，而當(dāng)依據(jù)舊式的整體微型機械加工技術(shù)制造傳感器時便用到所謂的整體微型機械加工設(shè)備。
根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，壓力傳感器取決于它是對壓差還是對絕對壓力作出響應(yīng)也可分為兩類。本專利申請公開了表面微型機械加工的(micromechanical)絕對壓力傳感器及其制造方法。
在K.Kasten等《傳感器與致動器A》，Vol.85(2000)，147～152頁中，描述了已有技術(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)。在該文說明的傳感器結(jié)構(gòu)中，底電極是由SIMOX基片上的單晶硅層形成。此結(jié)構(gòu)的項電極則是由多晶硅形成。在制造過程中所需的所謂犧牲層通過位于上述電極邊緣處的槽完全除去。然后，在制造過程中，蝕刻此保護氧化物層而遺留下的孔洞則采用PECVD(化學(xué)氣相淀積)法通過在其上淀積氮化硅而封閉。這樣便在這兩個電容電極之間形成了由此PECVD法的壓力所確定的部分真空。
Kasten等提出的這種結(jié)構(gòu)的缺點是明顯的。既然犧牲層已從該結(jié)構(gòu)之內(nèi)全部蝕刻掉，就會在此犧牲層邊緣處的柔性膜片上保留階梯式的躍變。因此必須將柔性膜片的張應(yīng)力控制到極低，以免此膜片由于固有的張應(yīng)力彎曲而同底電極接觸。結(jié)果，這類電容元件必須要制造得很小。由于實用的傳感器結(jié)構(gòu)需有約10pF的電容，就需用大量的電容元件。因此，可變電容相對于總電容的相對比保持很低，這是由于在這種大量的小型元件中的元件邊緣結(jié)構(gòu)增加了雜散電容的比例，使得該雜散電容高于在便于應(yīng)用較大電容元件的傳感器結(jié)構(gòu)中所能達到的雜散電容。
同時，Kasten所提出的絕對壓力傳感器構(gòu)造中的參考結(jié)構(gòu)也是有問題的。這里，增強參考元件電極是以通過在參考元件上保留LPCVD法淀積的一厚層氧化物的方式實現(xiàn)，由于元素硅與其氧化物的熱膨脹系數(shù)相互不同，上面這種增強設(shè)計形式就有可能賦予這種參考元件相對于參考元件結(jié)構(gòu)的高溫相關(guān)性。原理上說，傳感與參考結(jié)構(gòu)的溫度/濕度相關(guān)性應(yīng)分別盡可能地一致。
本發(fā)明的一個目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的方法中存在的問題，并提供一種完全新穎形式的絕對壓力傳感器。
本發(fā)明的目的是通過將多孔性多晶硅層用作這種傳感器結(jié)構(gòu)中柔性膜片的一部分而達到的。
更具體地說，本發(fā)明的絕對壓力傳感器的特征是由所附權(quán)利要求1的特征部分表述。
本發(fā)明的方法的特征則是由所附權(quán)利要求10的特征部分表述。
本發(fā)明的優(yōu)點是明顯的。
本發(fā)明能實現(xiàn)滿足從大氣壓范圍到約數(shù)百巴(bar)壓力需要的壓力傳感器。各個電容元件的大小足以在即令是于大氣壓的壓力下也能將雜散電容的相對比例保持到合理的低范圍內(nèi)。將蝕刻掉的犧牲層可以由光刻技術(shù)確定，這樣可以改進制造公差。起到犧牲層作用的一部分氧化物可以留下來不蝕刻掉。結(jié)果使柔性膜片的邊緣保持直線形狀。于是可以將隔片的內(nèi)部張應(yīng)力調(diào)高以便于應(yīng)用大尺寸的元件。本發(fā)明的參考結(jié)構(gòu)以與壓力響應(yīng)結(jié)構(gòu)完全相同的方式響應(yīng)環(huán)境溫度以及例如濕度的變化。因此，傳感器的整體結(jié)構(gòu)可以使之非常穩(wěn)定，而導(dǎo)致過大的溫度漂移和對于環(huán)境濕度依軟性等次要因素則可迅速補償。
下面借助附圖闡明的示例性實施形式來更詳細地研究本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明的傳感器元件的橫剖圖。
圖2是由圖1中所示傳感器元件(25個)組成的電容壓力傳感器的俯視圖。
圖3是本發(fā)明的參考傳感器元件的橫剖圖。
圖4是本發(fā)明電容式壓力傳感器的參考元件區(qū)的俯視圖。
圖5是本發(fā)明的完整的電容式壓力傳感器的示意性俯視圖。
圖6是本發(fā)明的傳感器元件另一實施形式的橫剖圖。
圖7是本發(fā)明的傳感器元件第二實施形式的橫剖圖。
圖8是本發(fā)明的傳感器制造方法中制造步驟的簡要說明表。
參看圖2，本發(fā)明的絕對壓力傳感器的傳感器元件包括淀積在形成于硅基片1上的介質(zhì)層2之上的多晶硅層3，進行了導(dǎo)電性摻雜且在上面淀積有另一介質(zhì)層4。在上述這些層之上則淀積多晶硅層5，后者之上再淀積含有極多小直徑孔洞的多晶硅層6。層5在此整個結(jié)構(gòu)中是供選擇的，要是上述犧牲層6的清晰度能夠在淀積上述多孔層后通過光刻技術(shù)產(chǎn)生，層5就可省去。層5也可延伸到區(qū)域10上方的部位中。此時，層5可有一個或多個讓層6與區(qū)域10連通的開口。于多孔硅層之上還再淀積上一層均勻的硅層7用作金屬化層8的基片。從此電容元件的中央與邊緣區(qū)除去介質(zhì)層4與多晶硅層5。于此元件的邊緣區(qū)在導(dǎo)電性的多晶硅層上淀積金屬化層9。除接觸區(qū)域與柔性膜片外，傳感器結(jié)構(gòu)的區(qū)域10覆蓋以鈍化層11。
介質(zhì)層2最好是典型厚度500～200nm的二氧化硅層。多晶硅層3通過摻雜例如磷或硼而具導(dǎo)電性。層4是由介質(zhì)材料最好是二氧化硅制成。層5最好由摻雜的多晶硅形成。層6是厚約100nm的多孔摻雜多晶硅層。淀積于層6上的導(dǎo)電性多晶硅層7通常厚約100～5000nm。與電容元件的內(nèi)部張應(yīng)力相結(jié)合，層7的厚度在確定傳感器元件的尺寸方面起著關(guān)鍵作用。淀積多孔硅層(具有高密度孔)的技術(shù)，例如描述于Y.Kageyama、T.Tsuchiya、H.Funabashi與J.Sakata的“氫氟酸可滲透的用于氧化物蝕刻底層與真空密封的多晶硅薄膜”，J.Vac.Sci.Technol.A18(4)，7月/8月，2000。層6結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵因素是它的孔非常小(平均最小直徑小于10nm)。
金屬化層8與9對層3與7形成電接觸。金屬化層8與9最好通過濺射1000nm厚的鋁層形成。由這種結(jié)構(gòu)的中心區(qū)中的區(qū)域10限定的傳感器腔處于部分真空態(tài)下。層6與7的撓曲程度由上述腔區(qū)域10與環(huán)境壓力壓差決定。區(qū)域10的形狀與尺寸結(jié)合層6與7的厚度和張應(yīng)力決定此傳感器的適用壓力范圍。
形成這種結(jié)構(gòu)最上層的鈍化層11最好用氮化硅形成，或是采用氮化硅與二氧化硅的多層結(jié)構(gòu)。典型地，該鈍化層11約為500nm厚。
在圖2所示的壓力傳感器實施例中，所有電容式傳感器元件的底電極都在此傳感器右下邊緣處的接觸區(qū)中并聯(lián)連接。所有的頂電極則在此傳感器左上側(cè)中的接觸區(qū)處分別由金屬化層連接。因此，在此底電極接點與頂電極接點間的電容，則是其值取決于環(huán)境壓力傳遞媒質(zhì)與此傳感器的抽成部分真空的內(nèi)部空間之間的壓差的所有電容元件的總電容。結(jié)果是測量此總電容就足以根據(jù)傳感器的校正數(shù)據(jù)確定環(huán)境壓力。
除了有源區(qū)的可變電容外，能在整個傳感器上測量的總電容包括此傳感器結(jié)構(gòu)的稱作為雜散電容的固有電容。一般地說，在整個傳感器結(jié)構(gòu)上測得的雜散電容值是與組分的溫度以及例如環(huán)境濕度有關(guān)。由于通常不可能對單一組份進行測量以使可變電容部分能同雜散電容分開測定，因而最好是在同一硅片上再集成一可用于消除雜散電容對壓力測量值影響的獨立結(jié)構(gòu)。這樣一種不響應(yīng)壓力的電容的參考結(jié)構(gòu)最好構(gòu)造成在其對環(huán)境參數(shù)(例如溫度與濕度)相關(guān)的電容方面，盡可能與響應(yīng)壓力測量的傳感器一致。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人顯然可知，這種參考電容也可構(gòu)造于獨立的硅片上，用適當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)來實現(xiàn)壓力傳感器與整個參考結(jié)構(gòu)的集成。
圖3中示明本發(fā)明的參考元件結(jié)構(gòu)的橫剖圖。從圖中可見，犧牲層于區(qū)域10中包含許多由層4與5形成的許多柱墊14。這些柱墊是用來增強頂電極以消除參考傳感器電容的壓力響應(yīng)性。通常，這種結(jié)構(gòu)中所需的圓柱墊的直徑約1～10μm。用來增強由層6與7形成的頂電極(減小了它的壓力響應(yīng)性)的柱墊數(shù)可以是每個電容元件1～100，至于傳感器的尺寸，最好是使參考傳感器上單一電容元件的區(qū)域10上形成的柱墊的總面積明顯地小于傳感器元件的總面積，以使此參考傳感器元件除了它對壓力變化不響應(yīng)的這部分外，與實際的響應(yīng)壓力傳感器的對應(yīng)元件盡可能地一致。
用來減少參考傳感器對壓力響應(yīng)性的其他技術(shù)，可以是相對于實際壓力響應(yīng)元件提高層6的厚度以及提高層6與7的內(nèi)部張應(yīng)力。
圖4是壓力傳感器的參考區(qū)的俯視圖。此圖中所示參考元件在蝕刻掉的犧牲層的區(qū)域10上共有16個支承柱墊，以增強由層6與7形成的膜片。
本技術(shù)領(lǐng)域的人顯然可知能夠這樣地對上述結(jié)構(gòu)進行補充，即可以將所謂保護電極的一附加電極置于此頂電極與底電極之間，用以消除由表面漏泄電流造成的測量誤差。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人也完全知道，如果需要將硅基片單獨用作底電極，則可以從結(jié)構(gòu)中省略最下面的多晶硅層(底電極)3與介質(zhì)層2。
上述傳感器結(jié)構(gòu)的可選擇的實施形式壓力響應(yīng)電容相對于總電容的相對比例，可以通過使電容元件在其中央?yún)^(qū)較厚而加以提高。這樣，在此種結(jié)構(gòu)中，在外力作用下彎曲的膜層在其邊緣處要比在其中央壓彎得更多。由于此中央?yún)^(qū)在任何壓力下都在壓力測量的整個工作范圍內(nèi)保持為基本平整的形式，因而此壓力響應(yīng)電容相對于總電容的比例便會增大。在具體實現(xiàn)這種傳感器時，圖6所示的較厚部分12最好是由多晶硅(類似于層7)制成。這種柔性膜片的較厚區(qū)域也可以在淀積多孔性多晶硅層之前形成。但是然后此區(qū)域必須圖案化成具有許多開口，得以有效地將其下的犧牲層蝕刻掉。
此傳感器的基本結(jié)構(gòu)(圖3)也可以通過將層5延伸到整個柔性膜片區(qū)上加以改進。圖7示明這種結(jié)構(gòu)的一種變型的橫剖圖。在此變型結(jié)構(gòu)中，上述膜片的剛性由最好具有與層7相同的材料(即多晶硅)的層5加以改進。在該傳感器結(jié)構(gòu)的實施例中，為了能合適地蝕刻掉該犧牲層，層5上需設(shè)一或多個開口13。
由于這種傳感器結(jié)構(gòu)的另一實施形式也可以理解為省略了最下面的多晶硅層(底電極)3與介質(zhì)層2的結(jié)構(gòu)，于是此底電極也可以由進行了導(dǎo)電性摻雜的硅基片1形成。
傳感器的尺寸選定傳感器的尺寸(包括膜層厚度、幾何結(jié)構(gòu)與張應(yīng)力等)可以用商用的FEM軟件選定。在以圓形區(qū)作為這種傳感器元件柔性部分的最簡單情形，可以借助下面寫出的分析工具[3]對其進行定尺寸。
圓形膜片(鼓式膜片)的彎曲Z(r)=p·R24·σ·h[1-r2R2],]]>式中p＝壓力R＝未蝕刻的膜片區(qū)的半徑σ＝膜片的張應(yīng)力h＝柔性膜片的厚度r＝至膜片中心點的距離例子p＝1×105Pa
h＝1μm(柔性多晶硅層的厚度)σ＝(于3000ppm應(yīng)變下)＝0.03×160×109Pa(多晶硅膜片于700℃熱處理1小時后的膜片的張應(yīng)力)；上述方程的解為Z(0)＝0.5μm，當(dāng)R＝98μm時(在此，此膜片在1×105Pa壓力、犧牲層厚度du為1μm下的撓曲是傳感器空氣間隙的一半)。
在上述例子中的各個值之下，1mm2上約安裝有25個元件。
作為壓力函數(shù)的傳感器(具有N個元件)的總電容Cd=∫0R2·N·ϵ·π·rdu-p·R24·σ·h(1-r2R2)dr]]>參看圖8，本發(fā)明的方法按執(zhí)行順序包括以下各步驟1.氧化物層生長2.無定形硅層生長(輔助以例如在現(xiàn)場以硼摻雜)3.熱處理4.多晶硅層的圖案化5.犧牲層(LTO)的淀積6.無定形硅層生長(輔助以例如在現(xiàn)場以硼摻雜)7.無定形硅層圖案化8.無定形硅層生長(以硼摻雜，多孔化/設(shè)有開口，厚100nm)9.熱處理10.犧牲層蝕刻11.多晶硅層生長(輔助以例如在現(xiàn)場以硼摻雜)12.多晶硅層圖案化13.LTO層圖案化14.金屬化層淀積15.金屬化層圖案化16.氮化硅層的PECVD生長17.PECVD生長的氮化硅層的圖案化。
一般地說，多孔層6應(yīng)理解為可透過蝕刻用化合物但不透過隨后沉積于其上的層7材料的層。
參考文獻1.K.Kasten等《傳感器與致動器A》，Vol.85(2000)，147～452頁。
2.Y.Kageyama，T.Tsuchiya，H.Funabashi與J.Sakata“氫氟酸可滲透的用于氧化物蝕刻底層與真空密封的多晶硅薄膜”，J.Vac.Sci.Technol.A 18(4)，July/Aag.2000。
3.George S.K.Wong等《電容式傳聲器，理論、校正與測量的AIP手冊》，AIP出版社，New York，1955 41-42頁。
權(quán)利要求
1.電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，特別是用于測量絕對壓力的傳感器結(jié)構(gòu)，此傳感器包括至少一個固定電極(3)以及至少一個與此固定電極(3)電絕緣且以空間(10)與所述固定電極(3)分開的可動電極(6，7)，其特征在于所述可動電極(6，7)的一部分是由多孔性多晶硅層(6)所形成，而這一部分在已完工的部件中是作為所述柔性的可動電極(6，7)的整體部分保留下的。
2.如權(quán)利要求1所述的絕對壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在部分抽真空的空間(10)的邊緣處留剩有犧牲層(4)的部分材料，這種留剩是通過不將這種材料沿橫向完全蝕刻掉而實現(xiàn)的。
3.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，保留在上述多孔性多晶硅層(6)之下的結(jié)構(gòu)是通過在其下設(shè)置上面有開口(13)的均勻硅層(5)而加固。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在參考元件的部分抽真空的空間(10)內(nèi)，通過留剩下某些部分的未蝕刻層而形成柱墊(14)。
5.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，柔性膜片(6，7)的中央形成較厚的部分(12)用以提高此結(jié)構(gòu)中央?yún)^(qū)的強度。
6.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在柔性的多孔性多晶硅層(6)之上淀積多晶硅層(7)，使這樣的復(fù)合層結(jié)構(gòu)不透過氣體。
7.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，這種傳感器結(jié)構(gòu)包括多個相互并聯(lián)或串聯(lián)連接的單個傳感器元件。
8.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，這種傳感器結(jié)構(gòu)是用硅微型機械加工技術(shù)制造。
9.如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，此傳感器結(jié)構(gòu)是絕對壓力傳感器。
10.制造電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)的方法，特別是用于測量絕對壓力的傳感器結(jié)構(gòu)的方法，其中這種傳感器包括至少一個固定電極(3)以及至少一個與此固定電極(3)電絕緣且以空間(10)與所述固定電極(3)分開的可動電極(6，7)，其特征在于，所述可動電極(6，7)的一部分是由多孔性多晶硅層(6)所形成，而這一部分在已完工的部件中是作為所述柔性的可動電極(6，7)的整體部分保留下的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在部分抽真空的空間(10)的邊緣處留剩有犧牲層(4)的部分材料，這種留剩是通過不將這種材料沿橫向完全蝕刻掉而實現(xiàn)的。
12.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，保留在上述多孔性多晶層(6)之下的結(jié)構(gòu)是通過在其下設(shè)置上面有開口(13)的均勻硅層(5)而加固。
13.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在參考元件的部分抽真空的空間(10)內(nèi)，通過留剩下某些部分的未蝕刻層而形成柱墊(14)。
14.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，柔性膜片(6，7)的中央形成較厚的部分(12)用以提高此結(jié)構(gòu)中央?yún)^(qū)的強度。
15.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在柔性的多孔性多晶硅層(6)之上淀積多晶硅層(7)，使這樣的復(fù)合層結(jié)構(gòu)不透過氣體。
16.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，這種傳感器結(jié)構(gòu)包括多個相互并聯(lián)或串聯(lián)連接的單個傳感器元件。
17.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，這種傳感器結(jié)構(gòu)是用硅微型機械加工技術(shù)制造。
18.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，(犧牲層4的)固體材料是從完工的傳感器的腔內(nèi)經(jīng)部分抽真空而通過多孔性多晶硅層(6)除去。
19.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，傳感器元件的密封是通過在處理過程中在所述多孔性多晶硅層淀積另一層多晶硅層來進行，且在此淀積過程中使此傳感器元件內(nèi)部保留部分真空。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，特別是用于測量絕對壓力的傳感器的結(jié)構(gòu)及其制造方法。這種傳感器包括至少一個固定電極(3)以及至少一個與此固定電極(3)電絕緣且以空間(10)與所述固定電極(3)公開的可動電極(6，7)。依據(jù)本發(fā)明，所述可動電極(6，7)的一部分是由多孔性多晶硅層(6)所形成，而這一部分在已完工的部件中是作為所述柔性的可動電極(6，7)的整體部分保留下的。
文檔編號H01L29/84GK1486277SQ01821908
公開日2004年3月31日 申請日期2001年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者M·布洛姆伯格, M 布洛姆伯格 申請人:威易拉有限公司, 瓦爾蒂翁特克尼里倫圖基穆斯克斯庫斯公司