CN101627292B

CN101627292B - 压力传感器

Info

Publication number: CN101627292B
Application number: CN2008800073607A
Authority: CN
Inventors: 伊戈尔·格特曼; 迪特尔·施托尔塞; 英·图安·塔姆
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: US20100140725A1; US8384170B2; EP2132547A1; DE102007010913A1; ATE514065T1; EP2132547B1; CN101627292A; WO2008107427A1

Abstract

公开了一种BESOI技术中的压阻式压力传感器，其特别适于测量较小的压力并且具有较小的线性误差。压力传感器由具有第一和第二硅层(1，3)以及布置在其间的氧化层(5)的BESOI晶片制成。压力传感器具有由BESOI晶片的第一硅层(1)形成的有源层(7)，在该有源层中掺杂压阻元件(9)；压力传感器还具有由BESOI晶片的第二硅层(3)形成的膜托架(11)，其在外部围绕第二硅层(3)中的凹座(13)，通过该凹座暴露有源层(7)的以及与之连接的氧化层(5)的形成膜(15)的区域，其中，在氧化层(5)的通过凹座(13)暴露的区域(21)的外边缘中提供围绕该区域(21)的沟槽(19)。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器。

背景技术

压力传感器用于检测压力并且例如应用于工业测量技术中使用的压力测量仪表中。

在压力测量技术中，通常用作压力传感器的是所谓的半导体传感器，例如掺杂了压阻电阻元件的硅芯片。这种类型的半导体传感器包括布置在托架上的测量膜，在测量操作中它的一侧暴露于待测压力。通常，压力传感器芯片非常敏感并且因而不直接暴露于压力待记录的介质。作为代替，插入由液体填充的压力传递器件。作用于测量膜的压力使得测量膜产生依赖于压力的偏转，这由掺杂的电阻元件检测并转换为电子信号，然后该电子信号可用于进一步的处理和/或分析。

今天通常例如通过使用硅绝缘体(SOI)技术而在硅衬底上制造半导体传感器。这里，优选地BESOI(Bonded and etchback silicon oninsulator：硅片键合及反面蚀刻)晶片用作起始材料。BESOI晶片是利用“硅直接键合”而生产的。为此，两个氧化硅晶片放在一起并且在压力和高温下键合。以这种方式，获得一个三层晶片，其中，一个氧化层位于两个硅层之间。内埋的氧化层被称为BOX，其厚度为几nm直至几μm。这个复合物从一侧被打薄并抛光。这个打薄且抛光的面成为有源层。有源层可以为几μm厚并且例如被称为器件晶片或表层硅(SOL)。利用如今的制造处理，可以非常精确、均匀且具有高可复制性地生产有源层的厚度。

将BESOI晶片用于制造压力传感器的一个主要优点是，内埋的氧化层(BOX)形成可靠的蚀刻止挡。这用于制造电容式压力传感器的可移动电极。

然而，还已知一些方法将BESOI晶片应用于制造压阻式压力传感器。

在2000年出版的Journal of Mechanical Engineering第10卷第204-208行中由A.Merlos、J.Santander、M.D.Alvares和F.Campabadal撰写的文章“Optimized technology for the fabrication of piezoresistivepressure sensors”中描述了一种这样的方法。其中显示，可以利用BESOI晶片生产在膜的整个区域上具有恒定的精确限定的膜厚度的传感器芯片。特别地，可以利用非常薄的膜生产压阻式传感器，膜的最小厚度容差小于1μm。为此，在与有源层相对的硅层中蚀刻一个凹座，膜通过该凹座而暴露。这里，内埋的氧化层用作蚀刻止挡。在蚀刻步骤之后剩余的硅层外边缘在外部毗连凹座并且形成用于通过凹座而暴露的膜的托架。在这个蚀刻步骤之后，通过附加的蚀刻步骤除去氧化层的用作蚀刻止挡的区域。

压阻式压力传感器的敏感度与膜的厚度成反比。膜越薄，传感器越敏感。然而，传感器的非线性度随着膜变薄而增大。从掺杂的电阻读出的电子测量信号在理想情况中随作用于膜的压力而线性上升。膜越薄，偏离这个期望的线性关系越明显。特别是在用于测量较小压力并因而需要较薄的膜的压力传感器的情况中，这导致测量误差，或者使得为了补偿这样的测量误差而需要更高的付出。

对于这个问题的一个解决方案是为膜装备刚性的中心。这种刚性的中心例如通过合适地加工硅以提供位于中心的硅基座而在膜的远离有源层的后侧上制成。基座的高度略小于围绕基座外部的膜托架的高度。以这种方式，保证了基座仅由膜支承，并且特别地保证了基座不靠在支承膜托架的支座上。基座和膜托架通过围绕基座的圆柱形间隙而彼此分离，膜的外边缘通过该间隙而暴露。以这种方式，可以获得较高的敏感度相对于非线性度的比率。然而，刚性的中心意味着膜整体更僵硬并因而不敏感。比率的增加意味着压力传感器的敏感度降低，这特别是在测量较小压力的情况中是缺点。在这种情况中往往必须采取折中。

在US-A 2005/0274191中公开了一种方法，利用它可以增加压阻式压力传感器的敏感度。为此，有源层紧邻掺杂的压阻元件的部分被蚀刻掉，使得该元件被沟槽围绕。沟槽的深度约等于掺杂的电阻的厚度。沟槽起到应力集中器的作用并且因而使得传感器的敏感度提高，而无需增大膜或者在很大面积上减小膜的厚度。

然而，这个方法具有以下缺点：在测量操作中暴露于待测压力的膜的前侧面上会发生依赖于温度的应力状态，这种应力状态是由于硅和内埋的氧化层的不同热膨胀系数以及两个膜侧面的不同几何形状而引起的。这些应力状态依赖于温度并导致测量误差。由于这些热应力状态紧邻掺杂的压阻元件发生并且这些元件对于应力有非常敏感的反应，所以这种效果特别强烈。

发明内容

本发明的目的是提供一种BESOI技术的压阻式压力传感器，其特别适于测量较小的压力并且具有较小的线性度误差。

为此，本发明在于一种由BESOI晶片制造的压力传感器，该BESOI晶片具有第一和第二硅层以及设置在其间的氧化层，其中

-该压力传感器具有由BESOI晶片的第一硅层形成的有源层，在该有源层中掺杂有压阻元件；并且

-该压力传感器具有由BESOI晶片的第二硅层形成的膜托架，

--该膜托架在外侧围绕第二硅层中的凹座，通过该凹座暴露有源层的以及与之连接的氧化层的形成膜的区域，以及

-其中，在氧化层的通过凹座暴露的区域的外边缘中提供围绕该区域的槽。

在一个进一步发展中，槽是氧化层中的凹座，其截面具有磨圆的几何形状。

在另一进一步发展中，掺杂的压阻元件在膜中布置在膜顶面上的与槽在相对的膜底面上延伸的位置相应的位置上。

在另一进一步发展中，由有源层的区域和氧化层的与其相连的区域形成的膜具有正方形的基面，并且压阻元件布置在有源层的这个区域的拐角中。

本发明还在于一种用于从具有第一和第二硅层以及布置在其间的氧化层的BESOI晶片制造本发明的压力传感器的方法，其中：

-由第一硅层形成有源层，在该有源层中掺杂压阻元件；

-由第二硅层形成膜托架，

--该膜托架在外侧围绕第二硅层中的凹座，通过该凹座暴露有源层的以及与之连接的氧化层的形成膜的区域，其中在凹座的区域中存在的硅被利用蚀刻方法而除去，其中氧化层用作蚀刻止挡；以及

-在氧化层的通过凹座暴露的区域的外边缘中，利用各向同性的蚀刻方法蚀刻出围绕该区域的槽。

在方法的进一步发展中，这样产生槽：

-利用光刻法施加光掩膜；

-使用化学活性气体，特别是使用CF₄+O₂或SF₆+O₂，利用纯等离子蚀刻在氧化层中蚀刻出槽；以及

-除去光掩膜。

在方法的第一变型中，这样产生槽：

-利用光刻法施加光掩膜；

-利用各向同性的湿法化学过程，特别是使用对于硅和氧化硅具有不同蚀刻速率的氢氟酸、硝酸和乙酸构成的蚀刻溶液，在氧化层中蚀刻出槽；以及

-除去光掩膜。

在方法的第二变型中，这样产生槽：

-利用光刻法施加光掩膜；

-利用各向同性的湿法化学蚀刻过程与各向同性的干法化学蚀刻过程的结合，在氧化层中蚀刻出槽，其中湿法化学蚀刻过程特别地使用利用氟化铵缓冲的氢氟酸(BHF)，干法化学蚀刻特别地是深反应离子蚀刻(DRIE)；以及

-除去光掩膜。

本发明的压力传感器提供以下优点：在为了测量较小的压力(特别是压力小于100mbar)而需要20μm量级的较小膜厚度的情况下，压力传感器由于设置在膜底面上的氧化层而具有较小的线性度误差。这里，氧化层以与刚性中心相同的方式影响线性度，而并不由此显著降低传感器的敏感度。原因在于以下事实：氧化层与膜相比非常薄，并且因而膜的硬度仅不显著地增加。相反，刚性中心具有在膜上成形的支柱并且支柱的结构高度通常比膜厚度大许多倍，这导致敏感度显著降低。

本发明的另一优点是，通过围绕氧化层暴露区域的槽，本发明的压力传感器的敏感度显著提高，因为由作用的压力实现的机械应力被槽集中在掺杂的压阻元件的位置处。

因此，本发明使得能够以较高的测量精度测量小于100mbar的极低压力。

附图说明

现在根据附图详细解释本发明及其优点，附图中给出了两个实施例。相同的元件在附图中具有相同的附图标记。附图中：

图1是BESOI晶片的剖面；

图2是图1的BESOI晶片的一个剖面，其中已经从第一硅层形成了有源层；

图3是图1的BESOI晶片的一个剖面，其中已经从第二硅层形成了膜托架；

图4是本发明的压力传感器的一个剖面；

图5是在本发明的压力传感器的第一变型中，膜后侧面的视图；

图6是在本发明的压力传感器的第二变型中，膜后侧面的视图；和

图7是三个在膜的区域中具有不同氧化层厚度的压力传感器的线性度误差随作用于压力传感器的压力的变化。

具体实施方式

本发明的压力传感器是一种在硅衬底上的半导体传感器，其是通过使用硅绝缘体(SOI)技术而生产的。这里，用作起始材料的是传统的BESOI(Bonded and etchback silicon on insulator：硅片键合及反面蚀刻)晶片。BESOI晶片例如是由两个氧化硅晶片生产的，这两个氧化硅晶片相对地定向并且在压力和高温下键合。以这种方式，获得一个如图1所示的三层晶片，其具有第一和第二硅层1、3。氧化层5位于第一和第二硅层1、3之间。这个内埋的氧化层5被称为BOX(Buriedoxide layer)，其厚度为几nm直至几μm。

这个复合物从一侧被打薄并抛光。打薄且抛光的面形成有源层7。有源层可以为几μm厚并且在英语术语中例如被称为device wafer或silicon overlayer(SOL)。利用如今的制造处理，可以非常精确、均匀且具有高可复制性地生产有源层的厚度。

正如在传统的压力传感器中那样，压阻元件9被掺杂在有源层7中。半导体技术中已知合适的制造方法，因而这里不详细解释。图2显示了晶片的剖面，该晶片具有掺杂有压阻元件9的有源层7。压阻元件9优选地是电阻器，其将作用于其上的压力或者作用于其上的机械应力转化为电子信号，该电子信号可以经由有源层7中提供的合适的连接线(未显示)而供应给进一步的处理和/或分析。这里，元件9可以作为单独元件或者组合成桥接电路。

膜托架11由第二硅层3形成。这在图3中示出。膜托架11是与氧化层5的外边缘固定相连的框架，该框架在外侧包围第二硅层3中的凹座13。凹座13暴露有源层7以及与其相连的氧化层5的由框架约束的区域，由此形成膜15。优选地，凹座13的内侧面17沿朝向氧化层5的方向锥形收缩变细。这种形状的优点是，压力传感器的机械稳定性提高。

作用于膜15的远离氧化层5的顶面的压力导致膜15依赖于压力的挠曲，这被利用有源层7的顶面中掺杂的压阻元件9而检测并转化为依赖于压力的电子信号。

通过蚀刻方法产生凹座13，利用该蚀刻方法除去在凹座13的区域中存在的硅。这里，内埋的氧化层5用作蚀刻止挡。硅层3在蚀刻步骤之后剩余的外边缘在外侧约束凹座13并且形成用于通过凹座13而暴露的膜15的膜托架11。这个步骤的优点是，由此制造的膜15具有精确限定的且在膜的整个区域上恒定的膜厚度。特别地，可以以小于1μm的最小厚度容差制造非常薄的膜15。

根据本发明，在氧化层5的由凹座13暴露的区域的外边缘中提供围绕该区域的槽19。图4显示了本发明的具有槽19的压力传感器。与膜15的厚度相比，氧化层5的由槽19围绕的区域21非常薄并且在其整个面积上具有非常均一的厚度。氧化层5的厚度例如为1～2μm。膜15的厚度例如为20μm。

优选地，掺杂在膜15中的压阻元件9布置在膜顶面上，在这些位置，槽19在相对的膜底面上延伸。这导致压力传感器更高的敏感度，因为由作用于膜顶面的压力引起的机械应力由于槽19而特别是集中在压阻元件9所处的位置。槽19在膜底面上的布置的一个主要优点是，膜顶面在掺杂的压阻元件9的周围均匀。以这种方式，期望的依赖于压力的机械应力在压阻元件9的区域中得到放大，而在紧邻元件9的地方不会发生与槽19相关联的热应力。原因是槽19位于膜底面上并且因而与位于膜顶面上的压阻元件9相间隔。这导致与现有技术相比，依赖于温度的测量误差明显减小，在现有技术中，应力集中器位于紧邻压阻元件的膜顶面上。

当通过有源层7的区域以及与之相连的氧化层5的区域形成的膜15具有矩形或正方形基面并且压阻元件9布置在有源层7的这个区域的拐角中时，由压力引起的机械应力的集中效果特别大。然而，本发明自然还可结合具有其他形状的基面的膜而使用。一个例子是具有圆形基面的膜。而且在膜基面的其他几何形状方面，氧化层也实现了线性度误差的明显减小。

图5和6在这方面显示了两个实施例。每一视图都示出了压力传感器的远离有源层7的底面。

在图5中显示的实施例中，显示了具有方形基面的膜15a，该方形基面安装在具有凹座13的方形膜托架11中，而该凹座的横截面为方形。这样设置膜15a，使得其外侧面平行于膜托架11的外侧面延伸。它被在氧化层5中蚀刻的槽19a围绕，槽19a的基面是围绕膜15a的方形框架的形状。以虚线绘出压阻元件9在相对的膜顶面上的位置。它们在膜顶面上的位置是槽在相对的膜底面上延伸的位置。在图5中示出的实施例中，槽19a具有四个等同的直的部分，它们共同形成方形框架。四个压阻元件9位于膜顶面上，在这些位置，是位于相对的膜底面上的槽19a在其下延伸的的部分的中点。

在图6示出的实施例中，膜15b同样具有方形的基面，其安装在具有凹座13的方形膜托架11中，该凹座的截面为方形。与图5所示的实施例不同，膜15b这样设置，使得膜15b的方形基面的拐角指向膜托架11的各个外侧面的中点M。两个实施例中的膜托架11和凹座13相同。在氧化层5中延伸的槽19b在这里具有与膜15b的朝向相匹配的基面。这里在膜顶面上也提供了四个压阻元件9，并且槽19b也在压阻元件9之下在相对的底面上延伸。与图5所示的实施例不同，压阻元件9在这里布置在膜15b的四个拐角中。这种布置导致在压阻元件9所处的位置处由压力引起的机械应力特别显著的集中，并且因而导致压力传感器的敏感度大大提高。

优选地，槽19是在氧化层5中的凹座，其截面具有磨圆的几何形状。在图4所示的实施例中，槽19的截面具有圆弓形形状。槽19的这个磨圆形状的优点是，由此提高压力传感器的耐内压强度。

在本发明的压力传感器的制造中，槽19的磨圆形截面形状优选地是通过应用各向同性的蚀刻方法生产的。各向同性蚀刻可以利用干法化学蚀刻方法实现。干法化学蚀刻处理的一个例子是Bosch方法。然而，由于对于槽19所需的优选为1～2μm的较小蚀刻深度，也可以使用复杂度大大降低并且成本低廉的湿法化学蚀刻方法。

优选地，槽19的蚀刻利用纯等离子蚀刻进行。这里，在第一处理步骤中，利用光刻法施加光掩膜。然后，使用化学反应气体，特别是使用CF₄+O₂或SF₆+O₂，利用纯等离子蚀刻在氧化层5中蚀刻槽19。这个方法的优点是，可以很自由地构造槽19的几何形状，并且在硅和氧化硅之间的蚀刻选择度非常大。随后，除去光掩膜。

作为替代，根据本发明的另一方法可以产生槽19，其中，在第一处理步骤中，利用光刻法施加光掩膜。然后，利用各向同性的湿法化学过程，特别是使用对于硅和氧化硅具有不同蚀刻速率的氢氟酸、硝酸和乙酸的蚀刻溶液，在氧化层5中蚀刻出槽19。随后，除去光掩膜。

在另一替代方法中，利用光刻法施加光掩膜；并且利用各向同性的湿法化学蚀刻过程与各向同性的干法化学蚀刻过程的结合，在氧化层5中蚀刻出槽19。其中湿法化学蚀刻过程可以例如是通过使用利用氟化铵缓冲的氢氟酸(BHF)而进行的。干法化学蚀刻过程例如使用深反应离子蚀刻(DRIE)。在这种方法中，将较高反应活性的气体(例如，SF₆)引入压力传感器位于其中的反应器。通过产生高能量的高频等离子并在电场中加速离子，引发各向同性的化学及物理蚀刻反应。随后，除去光掩膜。

尽管在传统的压力传感器的情况中氧化层5在膜15的区域中被完全除去，但是在本发明的压力传感器的情况中以及在其制造方法中，氧化层5的由槽19环绕的区域21得以保留。这个区域21实现了压力传感器的线性度误差L的显著减小。这在下面基于有限元计算而对于三个不同压力传感器显示出来。图7以百分比(％)显示了三个压力传感器的相对线性度误差L1、L2、L3随作用于其上的压力p的变化，其中压力在压力传感器的测量范围上被规则化在-1～1的范围中。所有三个压力传感器构造相同，只是膜15的区域中的氧化层5的厚度不同，并且三个压力传感器都具有20μm的膜厚度。计算基于图4和6中显示的结构形式。

在膜15的区域中，第一压力传感器没有氧化层。对于这个压力传感器计算的线性度误差L1的曲线在图7中以菱形测量点显示。

在第二压力传感器的情况中，氧化层5的由槽19环绕的区域21得以保留并且厚度为1μm。对于这个压力传感器计算的线性度误差L2的曲线在图7中以方形测量点显示。

在第三压力传感器的情况中，氧化层5的由槽19环绕的区域21同样得以保留并且厚度为2μm。对于这个压力传感器计算的线性度误差L3的曲线在图7中以三角形测量点显示。

三个压力传感器的线性度误差L的曲线的比较显示，在氧化层厚度为1μm的情况中已经获得了线性度误差的明显减小。氧化层厚度增至2μm引发进一步的减小。同时，在膜底面上提供的槽19实现了压力传感器的敏感度提高，因为槽19在压阻元件9上产生了依赖于压力的机械应力的集中。

于是，根据本发明同时获得了敏感度提高以及线性度误差减小。

附图标记列表

1	第一硅层
		3	第二硅层
5	氧化层
		7	有源层
9	压阻元件
		11	膜托架
13	凹座
		15	膜
17	侧面
		19	沟槽
21	氧化层的区域

Claims

1.由BESOI晶片制造的压力传感器，该BESOI晶片具有第一和第二硅层(1，3)以及设置在该第一和第二硅层之间的氧化层(5)，

-该压力传感器具有由BESOI晶片的第一硅层(1)形成的有源层(7)，在该有源层中掺杂有压阻元件(9)；并且

-该压力传感器具有由BESOI晶片的第二硅层(3)形成的膜托架(11)，

--该膜托架(11)在外侧围绕第二硅层(3)中的凹座(13)，通过该凹座暴露有源层(7)的以及与该有源层连接的氧化层(5)的形成膜(15)的区域，

-其中，在氧化层(5)的通过凹座(13)暴露的区域(21)的外边缘中提供围绕该区域(21)的槽(19)；其中，槽(19)是氧化层(5)中的凹座，该凹座的截面具有磨圆的几何形状；其中所述槽是利用各向同性的蚀刻方法获得的。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，掺杂的压阻元件(9)在膜(15)中布置在膜顶面上的与槽(19)在相对的膜底面上延伸的位置相应的位置上。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，由有源层(7)的区域和氧化层(5)的与该区域相连的区域(21)形成的膜(15)具有正方形的基面，并且压阻元件(9)布置在有源层(7)的这个区域的拐角中。

4.用于由BESOI晶片制造压力传感器的方法，该BESOI晶片具有第一和第二硅层(1，3)以及布置在该第一和第二硅层之间的氧化层(5)，其中

-由第一硅层(1)形成有源层(7)，在该有源层中掺杂压阻元件(9)；

-由第二硅层(3)形成膜托架(11)，

--该膜托架在外侧围绕第二硅层(3)中的凹座(13)，通过该凹座暴露有源层(7)的以及与该有源层连接的氧化层(5)的形成膜(15)的区域，其中在凹座(13)的区域中存在的硅被利用蚀刻方法而除去，其中氧化层(5)用作蚀刻止挡；以及

-在氧化层(5)的通过凹座(13)暴露的区域(21)的外边缘中，利用各向同性的蚀刻方法蚀刻出围绕该区域(21)的槽(19)，其中所述槽的截面具有磨圆的几何形状。

5.根据权利要求4所述的用于制造压力传感器的方法，其中，这样制造槽(19)：

-利用光刻法施加光掩膜；

-使用化学活性气体，利用纯等离子蚀刻在氧化层(5)中蚀刻出槽(19)；以及

-除去光掩膜。

6.根据权利要求5所述的用于制造压力传感器的方法，其中，所述化学活性气体是CF₄+O₂或SF₆+O₂。

7.根据权利要求4所述的用于制造压力传感器的方法，其中，这样制造槽(19)：

-利用光刻法施加光掩膜；

-利用各向同性的湿法化学过程，在氧化层(5)中蚀刻出槽(19)；以及

-除去光掩膜。

8.根据权利要求7所述的用于制造压力传感器的方法，其中，所述各向同性的湿法化学过程是利用对于硅和氧化硅具有不同蚀刻速率的氢氟酸、硝酸和乙酸构成的蚀刻溶液实现的。

9.根据权利要求4所述的用于制造压力传感器的方法，其中，这样制造槽(19)：

-利用光刻法施加光掩膜；

-利用各向同性的湿法化学蚀刻过程与各向同性的干法化学蚀刻过程的结合，在氧化层(5)中蚀刻出槽(19)；以及

-除去光掩膜。

10.根据权利要求9所述的用于制造压力传感器的方法，其中，所述湿法化学蚀刻过程使用利用氟化铵缓冲的氢氟酸(BHF)。

11.根据权利要求9所述的用于制造压力传感器的方法，其中，所述干法化学蚀刻过程是深反应离子蚀刻(DRIE)。