CN102401706B - Mems压力传感器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统(MEMS)压力传感器件(20、62)及其制造方法。该器件包括其中形成有腔(32、68)的衬底结构(22、64)和其中形成有基准元件(36)的衬底结构(24)。感测元件(44)置于衬底结构(22、24)之间并且与基准元件(36)隔开。感测元件(44)经由腔(68)和基准元件(36)中形成的多个开口(38)中的一个而暴露于外部环境(48)。感测元件(44)能够响应于来自环境(48)的压力激励(54)而相对于基准元件(36)移动。制造方法(76)涉及形成(78)具有腔(32、68)的衬底结构(22、64)、制造(84)包括感测元件(44)的衬底结构(24)、耦接(92)衬底结构和随后在衬底结构(24)中形成(96)基准元件(36)。

Description

MEMS压力传感器件及其制造方法
相关发明
本发明与由YizhenLin、WooTaePark、MarkE.Schlarmann和HemantD.Desai在与本申请的同一天所提交的“MEMSSensorDeviceWithMulti-stimulusSensingandMethodofFabricatingSame”相关，该申请在此通过引用而被并入。
技术领域
本发明总体上涉及微机电(MEMS)传感器件。更具体地，本发明涉及制造MEMS压力传感器件的方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)器件是嵌入有机械零件的半导体器件。MEMS器件被使用在诸如汽车安全气囊系统、汽车中的控制应用、导航、显示系统、喷墨盒等等的产品中。由于电容感测式MEMS器件设计的低温度灵敏性、小尺寸以及适于低成本大批量生产，所以其正是小型化器件中的操作所期望的。这样的一种MEMS器件是在很多应用中用于控制和监控的测量(典型地，气体或者液体的)压力的压力传感器。一种压力传感器结构使用膜片(diaphragm)和压力腔来生成可变电容器以检测对某一区域施加的压力所引起的应变(或者偏转)。一般的制造技术使用金属、陶瓷和/或硅膜片。一些现有制造技术产生这样的结构，其不合要求的厚，并且因此不适于用作能够检测由施加的压力所引起的应变的可移动膜片。据此，这些结构可能具有不期望的低灵敏度。
附图说明
当结合附图进行考虑时，参考下面的详细说明和权利要求可以更充分地理解本发明，其中相同的附图标记在所有附图中表示相同的条目，并且：
图1显示了根据一个实施例的微机电系统(MEMS)压力传感器件的侧面剖视图；
图2显示了根据另一个实施例的MEMS压力传感器件的侧面剖视图；
图3显示了根据另一个实施例的用于制造图1和2的MEMS压力传感器件的制造工艺的流程图；
图4显示了根据图3的工艺制造的用于并入图1的MEMS压力传感器件的衬底结构的侧面剖视图；
图5显示了根据图3的工艺制造的用于并入图1的MEMS压力传感器件的另一种衬底结构的侧面剖视图；
图6显示了在处理的后续阶段耦接在一块的图4和图5的衬底结构的侧面剖视图；
图7显示了处理的后续阶段中图6的结构的侧面剖视图；
图8显示了根据图3的工艺制造的用于并入图2的MEMS压力传感器件的衬底结构的侧面剖视图；
图9显示了在处理的后续阶段耦接在一块的图5和图8的衬底结构的侧面剖视图；以及
图10显示了处理的后续阶段中图9的结构的侧面剖视图。
具体实施方式
随着对MEMS压力传感器件的使用的持续增长和多样化，日益增长的重点放在对具有提高的灵敏度的先进硅压力传感器的开发上。此外，日益增长的重点放在实现了该提高的灵敏度而又无需增加制造成本和复杂度以及无需牺牲部分性能的MEMS压力传感器件的制造方法上。这些努力主要由汽车、医疗、商业和消费产品中已有和可能的高容量应用来驱动。
本发明的实施例涉及使用膜片和压力腔来生成可变电容器以检测对某一区域施加的压力所引起的应变(或者偏转)的微机电系统(MEMS)压力传感器件。MEMS压力传感器件的制造方法涉及将膜片形成为两个衬底结构之间的介入层的两个衬底结构的堆叠配置。在一个实施例中，压力传感器包括在一个衬底结构中制造的埋入式压力腔(也称为基准腔)。在另一个实施例中，通过耦接帽晶片(capwafer)和衬底结构中的一个来形成密封腔以形成基准腔。该制造方法产生耐用的并且能够使用已有制造技术低成本地制造的具有提高的灵敏度的MEMS压力传感器件。
图1显示了根据本发明一个实施例的微机电系统(MEMS)压力传感器件20的侧面剖视图。图1以及后面的图2和4-10被示为使用各种阴影和/或剖面线来区分MEMS压力传感器件20的不同元件，如下面将要描述的那样。可以使用沉积、图形化、蚀刻等等已有和即将有的微机械加工工艺制造结构层中的这些不同元件。
压力传感器件20包括第一衬底结构22、耦接第一衬底结构22的第二衬底结构24和附接于第二衬底结构24的帽26。在此使用的术语“第一”和“第二”不涉及可数的一系列元件中元件的顺序或者优先次序。相对照地，为了清楚讨论，术语“第一”和“第二”用来区分具体元件。
第一衬底结构22包括第一侧28和第二侧30。腔32从第一衬底结构22的第二侧30向内延伸。在所示的实施例中，腔32具有比第一衬底结构22的厚度35小的深度34。因此，腔32没有完全延伸穿过第一衬底结构22。
基准元件36形成在第二衬底结构24中并且与腔32对准。基准元件36包括延伸穿过第二衬底结构24的多个开口38。第二衬底结构24进一步包括第一侧40和第二侧42。感测元件44被设置在第二衬底结构24的第一侧40上并且与基准元件36对准。因而，当分别耦接第一和第二衬底结构22和24时，在第一和第二衬底结构22和24之间插入感测元件44，并且感测元件44还与腔32对准。
将帽26附接于第二衬底结构24的第二侧42以形成基准元件36位于其中的室46。帽26包括延伸穿过帽26的端口47，以便感测元件44暴露在MEMS压力传感器件20的外部环境48中。
MEMS传感器件20可以附加地包括依照器件20的设计要求可以与MEMS压力传感器件20的其他部件同时形成的一个或更多个内部连接位置(未示出)、导电迹线(未示出)、导电通孔50和/或一个或更多个外部连接位置52(显示了其中的一个)。
MEMS压力传感器件20被构造成感测来自MEMS压力传感器件20的外部环境48的压力激励(P)(由箭头54表示)。感测元件44(以下被称为膜片44)经由延伸穿过帽26的端口47并且随后经由基准元件36中的开口38而暴露在外部环境48中。膜片44与基准元件36隔开以形成感测元件44和基准元件36之间的间隙56。膜片44能够响应于压力激励54而按照通常与第二衬底结构24的平面(例如，第二衬底结构24的第一侧40)垂直的方向58移动。
压力传感器件20使用膜片44和腔32中的压力(通常小于大气压力)来生成可变电容器以检测施加的压力(即，压力激励54)所引起的应变。据此，压力传感器件20根据膜片44相对于基准元件36的移动感测环境48的压力激励54。与压力激励54有关的基准元件36和膜片44之间的电容60的变化可以由感测电路(未示出)记录并且被转换为表示压力激励54的输出信号。压力传感器20的基准元件36能够提供附加功能。也就是说，膜片44上面的基准元件36可以用作当MEMS压力传感器件20遭受恶劣条件时限制膜片44在方向58上的移动的越程停止装置(over-travelstop)，以便限制或者防止对膜片44的损坏和/或防止错误信号。
图2显示了根据另一个实施例的MEMS压力传感器件62的侧面剖视图。压力传感器件62包括第一衬底结构64、耦接第一衬底结构64的第二衬底结构(即，第二衬底结构24)和附接于第二衬底结构24的帽66。器件62的第一衬底结构64与器件20的第一衬底结构22之间的不同在于第一衬底结构64具有完全延伸穿过第一衬底结构64的厚度35的腔68。而在MEMS传感器件20和62的每一个中实施相同的第二衬底结构24。因此，不需要与压力传感器件62的描述相关联地来重复第二衬底结构24的详细描述。
类似于压力传感器件20(图1)，压力传感器件62的基准元件36与第一衬底结构64的腔68对准，而膜片44与基准元件36对准。将帽66附接于第二衬底结构24的第二侧42以形成基准元件36位于其中的室70。在所示的实施例中，帽66不包括端口。而膜片44经由腔68暴露在外部环境48中，而室70是用作真空或者接近真空的基准压力腔的密封腔。因而，膜片44和室70相互配合地用来生成可变电容器以检测施加的压力(即，压力激励54)所引起的应变。
参考图1和2，MEMS压力传感器件20和62的制造方法(下面讨论)产生的膜片44具有明显比基准元件36的厚度74小的厚度72。在一些实施例中，膜片44的厚度72可以小于基准元件36的厚度74的15％。在一个更具体的实施例中，膜片44的厚度72可以是大约2微米而基准元件36的厚度74可以是大约25微米。这种配置使得膜片44响应于压力激励54而相对于基准元件36发生偏转。
图3显示了根据另一个实施例的用于制造MEMS压力传感器件20和62(图1和2)中的任何一个的制造工艺76的流程图。制造工艺76实施已知的和正在研发的MEMS微机械加工技术来低成本地产生具有提高的压力传感灵敏度的MEMS压力传感器件20和62。下面与单个MEMS压力传感器件20相关联地描述制造工艺76。然而，本领域技术人员应当理解，以下工艺允许多个MEMS压力传感器件20(或者替代地，MEMS压力传感器件62)的晶片级并发制造。接下来，可以按照传统方式分离、分割或者切割单个器件20以提供能够封装和集成至终端应用中的单个MEMS压力传感器件20。
MEMS传感器件制造工艺76开始于动作78。在动作78，执行与第一衬底结构22的形成有关的制造工艺。
参考与动作78相关的图4，图4显示了依照工艺76制造的用于并入MEMS压力传感器件20(图1)的第一衬底结构22的侧面剖视图。在动作78，使用例如深反应离子蚀刻(DRIE)工艺、氢氧化钾(KOH)蚀刻工艺或者任何适当的处理在硅片80中形成腔32，使得晶片80中形成的腔的深度小于晶片80的厚度。在各个附图中使用方向向右和向上的宽阴影线图形来表示晶片80。
随后可以向晶片80提供一个或更多个绝缘或导电层。在图4中通过提供例如二氧化硅的绝缘垫层82来例示该分层。可以通过执行区域性硅片氧化(LOCOS)微细加工工艺或者任何其它适当的工艺在第一和第二侧28和30中的每一个上以及在腔32中形成绝缘层82。在各个附图中使用小点画图形来表示绝缘层82。可以按照传统方式执行为了清楚描述而没有在此讨论或例示的其它制造工艺。因此，在动作78，在第一衬底结构22制造具有比第一衬底结构22的最终厚度35小的深度34的腔32。
返回参考图3，通过动作84继续制造工艺76。在动作84，执行与第二衬底结构24的形成相关的制造工艺。
现在参考与动作84相关的图5，图5显示了依照工艺76的动作84制造的用于并入MEMS压力传感器件20(图1)的第二衬底结构24的侧面剖视图。当然，MEMS压力传感器件62(图2)使用与第二衬底结构24相同的结构。因而，第二衬底结构24(依照工艺76制造)可以替代地被并入MEMS压力传感器件62(图2)中。
依照动作84，第二衬底结构24的制造涉及晶片88上例如氧化硅、磷硅玻璃(PSG)和类似物的绝缘层(在此被称为牺牲层86)的沉积。在各个附图中使用方向向右和向下的宽阴影线图形来表示晶片88，并且在各个附图中再次使用小点画图形来表示牺牲层86。
接下来，通过例如化学气相沉积、物理气相沉积或者任何其它适当的工艺在牺牲层86上形成材料层90。接下来，可以选择性地图形化和蚀刻材料层90以至少形成MEMS压力传感器件20(图1)的膜片44。材料层90可以是例如多晶体硅(还被称为多晶硅)或者单晶，尽管可以替代地使用其它适当的材料来形成材料层90。可以附加地执行例如化学-机械平整化(CMP)或者其它适当的工艺来薄化和研磨材料层90以产生具有例如2毫米的厚度72的膜片44。在各个附图中使用方向向右和向下的窄阴影线图形来表示材料层90。
返回参考图3，在制造动作78和84之后，通过动作92继续MEMS器件制造工艺76。在动作92，耦接第二衬底结构24(图5)和第一衬底结构22(图4)。
现在参考与动作92相关的图6，图6显示了在处理的后续阶段94中耦接的第一和第二衬底结构22和24的侧面剖视图。在一个实施例中，在真空中使用例如硅片直接键合工艺将第一和第二衬底结构22和24键合在一块。在一个实施例中，通过机械泵控制耦接第一和第二衬底结构22和24时晶片键合机内的压力，从而在腔32内产生所限定(即，预定)的腔压力。因此，一旦键合，感测元件44分别置于第一和第二衬底结构22和24之间，并且将腔32形成为具有抽空压力的埋入式腔。也就是说，腔32内的压力明显小于环境或者大气压力。
返回参考图3，在动作92之后，通过动作96继续MEMS器件制造工艺76。在动作96，在第二衬底结构24中形成基准元件36(图1)。
参考与动作96相关的图7，图7显示了处理的后续阶段98中图6的结构的侧面剖视图。在一个实施例中，动作96涉及将第二衬底结构24的第二侧42研磨或者平整化至例如大约25毫米的最终厚度74。通过例如DRIE或者KOH蚀刻对第二衬底结构24的晶片88进行图形化，从而在位于膜片44和腔32上面的基准元件36中创建开口38。在所示的实施例中，基准元件36中的开口38用作压力排气孔，从而膜片44暴露在环境48(图1)中(有或者不具有帽26(图1))以检测压力激励54(图1)。可能与动作96相关联的其它工艺可以包括根据器件20的设计需求图形化、蚀刻和沉积适当的材料以形成导电通孔50、外部连接位置52、内部连接位置(未示出)、导电迹线(未示出)。
返回参考图3，在动作96之后，通过动作100继续MEMS传感器件制造工艺76。在动作100，去除基准元件36下面的牺牲层86。
再次参考图7，在处理的阶段98，已经从基准元件36和膜片44之间去除了牺牲层86，从而在基准元件36和膜片44之间形成间隙56。基准元件36中的开口38使得蚀刻材料或者蚀刻剂通过，以在动作100去除下面的牺牲层86。在一个实施例中，在动作100的牺牲层86的蚀刻基本上去除了基准元件36和膜片44之间的整个牺牲层86，从而基准元件36和膜片44由间隙56相互隔开。通过动作100的牺牲层86的去除，膜片44响应于外部压力激励54(图1)沿方向58自由移动。
返回参考图3，在动作100之后，通过动作102继续MEMS器件制造工艺76。在动作102，具有端口47(图1)的帽26(图1)可以附接于第二衬底结构24的第二侧42。可以使用例如玻璃熔融键合、金属共晶键合以及类似方式来完成帽26到第二衬底结构24的附接。
可以通过其它传统制造动作(未示出)来继续工艺76。这些附加的制造动作可以包括封装、形成电气互连、测试、分离等等。在MEMS压力传感器件20(图1)的制造之后，制造工艺76结束，并具有使用已有的、低成本的MEMS制造操作以及使用晶片键合技术形成的埋入式腔32和薄、高灵敏度的膜片44。
参考图8-10，图8显示了依照MEMS器件制造工艺76(图3)制造的用于并入MEMS压力传感器件62(图2)的第一衬底结构64的侧面剖视图。图9显示了在处理的后续阶段104中耦接的第一衬底结构64和第二衬底结构24的侧面剖视图。图10显示了在处理的后续阶段106中图9的结构的侧面剖视图。
在此所示的图8-10用来演示制造MEMS压力传感器件62的MEMS器件制造工艺76(图3)的实现。特别是，在该实施例中，将腔68制造成延伸穿过整个第一衬底结构64。而在动作84(图3)制造第二衬底结构24、在动作92(图3)耦接第一和第二衬底结构64和24、在动作96(图3)在第二衬底结构24中形成基准元件36、在动作100(图3)去除牺牲层86和在动作102(图3)将帽66(图2)附接于第二衬底结构24的剩余操作大部分保持未变。
同样，在MEMS压力传感器件62(图2)的制造之后，制造工艺76结束，并具有低成本生产的器件62，器件62具有薄、高灵敏度的膜片44、用作压力端口的腔68和用来形成密封腔70(图2)的帽66。而且，还使用已有的、低成本的MEMS制造操作以及使用晶片键合工艺来形成MEMS压力传感器件62。
在此描述的实施例包括使用膜片和压力腔来生成可变电容器以检测对某一区域施加的压力所引起的应变(或者偏转)的紧凑型MEMS压力传感器件。MEMS压力传感器件的制造方法涉及将膜片形成为两个衬底结构之间的介入层的两个衬底结构的堆叠配置。在一个实施例中，MEMS压力传感器包括在一个衬底结构中制造的埋入式基准腔。在另一个实施例中，通过将帽晶片耦接至衬底结构中的一个来形成密封腔以形成基准腔。该制造方法导致了针对压力激励的提高的灵敏度的薄膜片、密封基准压力室的高效生产和低成本的已有MEMS批处理技术的实现。此外，MEMS压力传感器件和制造方法实现了性能好、尺寸小和功耗低的附加优点。
尽管已经详细地描述了本发明的优选实施例，但对于本领域技术人员而言易于明白的是，在不脱离本发明的实质或者所附权利要求的范围的前提下可以在其中做出各种修改。

Claims (20)

1.一种制造微机电系统传感器件的方法，包括：
形成具有腔的第一衬底结构；
由第二衬底结构的材料层形成感测元件；
耦接所述第二衬底结构和所述第一衬底结构，使得所述感测元件置于所述第一和第二衬底结构之间并且与所述腔对准；以及
在所述第二衬底结构中形成与所述感测元件对准的基准元件，所述基准元件包括延伸穿过所述第二衬底结构的多个开口，其中所述感测元件经由所述腔或所述多个开口而暴露于所述微机电系统传感器件外部的环境，其中所述微机电系统传感器件是压力传感器，并且所述感测元件是膜片。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述形成所述感测元件包括在晶片衬底的表面上沉积牺牲层和在所述牺牲层上沉积所述材料层；以及
所述方法进一步包括在所述耦接操作之后经由所述基准元件中的所述多个开口去除所述基准元件和所述感测元件之间的所述牺牲层，所述去除操作产生所述基准元件和所述感测元件之间的间隙。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述形成所述感测元件包括产生具有比所述基准元件的第二厚度小的第一厚度的所述感测元件。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述感测元件的所述第一厚度小于所述基准元件的所述第二厚度的15％。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述形成所述第一衬底结构产生具有比所述第一衬底结构的厚度小的深度的所述腔，并且所述感测元件经由所述多个开口暴露于所述环境。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述耦接操作包括控制所述腔的腔压力，使得所述腔压力小于大气压力。
7.如权利要求6所述的方法，其中在所述第二衬底结构的第一侧上沉积所述材料层，并且所述方法进一步包括：将帽附接于所述第二衬底结构的第二侧来形成所述基准元件位于其中的室；以及
提供延伸穿过所述帽的端口，使得所述感测元件经由所述端口暴露于所述环境。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述形成所述第一衬底结构产生穿过所述第一衬底结构的厚度的所述腔，并且所述感测元件经由所述腔暴露于所述环境。
9.如权利要求8所述的方法，其中在所述第二衬底结构的第一侧上沉积所述材料层，并且所述方法进一步包括将帽附接于所述第二衬底结构的第二侧来形成所述基准元件位于其中的密封室。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述膜片能够响应于来自所述环境的压力激励而相对于所述基准元件移动，并且所述形成所述感测元件包括由多晶硅形成所述膜片。
11.一种微机电系统传感器件，包括：
其中形成有腔的第一衬底结构；以及
第二衬底结构，具有在所述第二衬底结构中形成的并且与所述腔对准的基准元件，所述基准元件包括延伸穿过所述第二衬底结构的多个开口；
设置在所述第二衬底结构的第一侧上并且与所述基准元件对准的感测元件，所述感测元件与所述基准元件隔开以形成所述感测元件和所述基准元件之间的间隙，所述感测元件经由所述腔或所述多个开口而暴露于所述微机电系统传感器件外部的环境，并且所述感测元件能够响应于来自所述环境的压力激励而相对于所述基准元件移动，并且
其中所述微机电系统传感器件是压力传感器，并且所述感测元件是膜片。
12.如权利要求11所述的微机电系统传感器件，其中所述感测元件呈现出第一厚度，所述第一厚度比所述基准元件的第二厚度小。
13.如权利要求12所述的微机电系统传感器件，其中所述第一厚度小于所述基准元件的所述第二厚度的15％。
14.如权利要求11所述的微机电系统传感器件，其中所述腔具有比所述第一衬底结构的厚度小的深度，并且所述感测元件经由所述多个开口暴露于所述环境。
15.如权利要求14所述的微机电系统传感器件，进一步包括附接于所述第二衬底结构的第二侧的帽以形成所述基准元件位于其中的室，所述帽包括延伸穿过所述帽的端口，使得所述感测元件经由所述端口暴露于所述环境。
16.如权利要求11所述的微机电系统传感器件，其中所述腔延伸穿过所述第一衬底结构的厚度，所述感测元件经由所述腔暴露于所述环境，并且所述微机电系统传感器件进一步包括附接于所述第二衬底结构的第二侧的帽以形成所述基准元件位于其中的密封室。
17.如权利要求11所述的微机电系统传感器件，其中所述感测元件和所述基准元件形成电容压力传感器。
18.一种制造微机电系统传感器件的方法，包括：
形成包括腔的第一衬底结构；
由第二衬底结构的第一侧上的材料层形成感测元件，所述形成所述感测元件包括在晶片衬底上沉积牺牲层以及在所述牺牲层上沉积所述材料层；
耦接所述第二衬底结构和所述第一衬底结构，使得所述感测元件置于所述第一和第二衬底结构之间并且与所述腔对准；
在所述第二衬底结构中形成与所述感测元件对准的基准元件，所述基准元件包括延伸穿过所述第二衬底的多个开口；
在所述耦接操作之后经由所述基准元件中的所述多个开口去除所述基准元件和所述感测元件之间的所述牺牲层，所述去除操作产生所述基准元件和所述感测元件之间的间隙；以及
将帽附接于所述第二衬底结构的第二侧来形成所述基准元件位于其中的室，其中所述感测元件经由所述腔和所述多个开口中的一个而暴露于所述微机电系统传感器件外部的环境，并且所述感测元件能够响应于来自所述环境的压力激励而相对于所述基准元件移动，并且
其中所述微机电系统传感器件是压力传感器，并且所述感测元件是膜片。
19.如权利要求18所述的方法，其中：
所述形成所述第一衬底结构产生具有比所述第一衬底结构的厚度小的深度的所述腔；以及
提供延伸穿过所述帽的端口，使得所述感测元件经由所述端口暴露于所述环境。
20.如权利要求18所述的方法，其中：
所述形成所述第一衬底结构产生穿过所述第一衬底结构的厚度的所述腔，所述感测元件经由所述腔暴露于所述环境；以及
所述耦接所述帽形成由所述帽和所述感测元件界定的密封室，所述基准元件位于所述密封室中。
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