CN106644247A - 具有复合腔体的压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种压力传感器包括：一基底结构，具有一感测电路；一第一电极板，形成于基底结构上或之中；以及一盖体结构，设置于第一电极板的上方。一腔体形成于盖体结构与第一电极板之间，盖体结构具有一第二电极板，盖体结构受到一流体的压力而变形，进而改变第二电极板与第一电极板之间的距离，感测电路通过感测第一电极板与第二电极板之间的电容值变化来感测压力变化。腔体包括：一中间腔，位于第一电极板与第二电极板之间；及至少一外围腔，位于中间腔周围，外围腔的高度大于中间腔的高度。上述压力传感器的制造方法也一并提供。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器及其制造方法，且特别涉及一种具有复合腔体的压力传感器及其制造方法。
背景技术
压力传感器可以用来检测流体压力的大小，也可以用来检测气压的大小，气体压力感测是工业应用最广且十分重要的技术，目前已有许多不同类型的产品，其中如布尔登(Bourdon)管型气压计、簧片变形计(diaphragm-type strain gauge)等。这些传统的压力传感器皆是以气压差来产生元件上的相对物理变形或位移量，进而计算转换成流体压力的大小，也可以用来检测气压的大小，传统的气压传感器体积庞大而且精确度不高，大部分应用于工业界例如气体管路压力的监控。
为此，一种利用微机电技术(MEMS)制作的压阻(piezo-resistive)式压力传感器因应而生，其可以达到微小化及更高的精度，例如达到100Pa～10Pa的精度。但是，利用压阻效应感测技术，对于温度是敏感的，量测精度因此受限，可应用于胎压感测(约100Pa的灵敏度)，或血压检测(约10Pa的灵敏度)，但却不适合应用在譬如手机的移动装置上来量测高度(小于1Pa的灵敏度)，这应用可以让使用者将2D GPS定位扩展至3D定位，通过应用程序完成各种应用，例如室内导航(in-door navigation)。
另外，也有电容式压力传感器，但是这种传感器通常会受到寄生电容的影响。为解决此问题，通常需要将电容式压力传感器设计成单石体(monolithic)的结构，才能提供优于压阻式传感器的精度。
再者，将压力传感器电连接到电路板时，其封装基板与焊接电路板之间利用表面安装技术制造工艺(Surface Mount Technology(SMT)process)所导致的热应力也会干扰量测的精度，以上问题都是本发明欲解决的问题。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有复合腔体的压力传感器及其制造方法，通过增大压力传感器内的腔体的容积，并使腔体维持在接近真空的压力，来提高感测结果，降低温度变化对于感测结果的影响。
本发明的另一目的是提供一种具有复合腔体的压力传感器及其制造方法，可以有效阻绝电路板焊接的应力传达至压力感测单元。
本发明的又另一目的是提供一种具有复合腔体的压力传感器及其制造方法，可以利用晶圆级封装技术来制作，以便提高产能，降低制造成本。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种压力传感器，包括：一基底结构，具有一感测电路；一第一电极板，形成于该基底结构上或之中；以及一盖体结构，设置于该第一电极板的上方，其中一腔体形成于该盖体结构与该第一电极板之间，该盖体结构具有一第二电极板，该盖体结构受到一流体的压力而变形，进而改变该第二电极板与该第一电极板之间的距离，该感测电路通过感测该第一电极板与该第二电极板之间的电容值变化来感测压力变化，其中该腔体包括：一中间腔，位于该第一电极板与该第二电极板之间；及至少一外围腔，位于该中间腔周围，该外围腔的高度大于该中间腔的高度。
在上述压力传感器中，该基底结构包括：一基板，该感测电路形成于该基板中；以及一连线层，位于该基板与该第一电极板之间，并将该感测电路电连接至该第一电极板。该基底结构还包括一绝缘层，形成于该连线层及该第一电极板上，其中该第二电极板通过该中间腔以及该绝缘层来与该第一电极板相对。
在上述压力传感器中，该盖体结构的一截面包括：两个支撑结构，设置于该基底结构上；以及至少两个弯折结构，具有两个分别连接至两个支撑结构的第一端，以及两个共同连接至该第一电极板的第二端。各支撑结构包括：一第一接合层，位于该基底结构上；及一第二接合层，接合至该第一接合层上。各支撑结构还包括一多晶硅层，位于该第二接合层上，其中该第二电极板与该多晶硅层具有相同材料，并位于同一平面上。
在上述压力传感器中，该第二电极板具有暴露至流体的一上表面及暴露至该腔体的一下表面。
在上述压力传感器中，该盖体结构的一截面包括：两个垂直支撑结构，设置于该基底结构上；以及一个水平支撑结构，设置于两个垂直支撑结构上，该第二电极板设置于该水平支撑结构的一下表面上。各垂直支撑结构包括：一第一接合层，位于该基底结构上；一第二接合层，接合至该第一接合层上；及一第一多晶硅层，位于该第二接合层上。各水平支撑结构包括：一第二多晶硅层，位于该第一多晶硅层上。
在上述压力传感器中，还包括：一输入输出结构，设置于该基底结构上，并位于该盖体结构的周围。该输入输出结构具有一应力缓冲结构，垂直连接至该基底结构，并可在水平方向变形，以吸收外来的应力。该输入输出结构包括：一第一接合层，位于该基底结构上；一第二接合层，接合至该第一接合层上；一个半导体层，该半导体层位于该第二接合层上方；以及多个焊垫，位于该半导体层上。此外，该外围腔的高度与该中间腔的高度的比值介于10与30之间，该第二电极板的最小厚度介于2至5微米之间。
本发明提供一种压力传感器的制造方法，包括以下步骤：提供一第一电极结构，具有多个第一接合层、一第一电极板及一感测电路，该感测电路电连接至该第一电极板；提供一第二电极结构，具有多个第二接合层以及一第二电极板；将此些第一接合层与此些第二接合层接合在一起；移除该第二电极结构的一部分，以便形成一盖体结构于该第一电极板的上方，其中一腔体形成于该盖体结构与该第一电极板之间，该盖体结构具有第二电极板，该盖体结构受到一流体的压力而变形，进而改变该第二电极板与该第一电极板之间的距离，该感测电路通过感测该第一电极板与该第二电极板之间的电容值变化来感测压力变化。该腔体包括：一中间腔，位于该第一电极板与该第二电极板之间；及一外围腔，位于该中间腔周围，并且不位于该第一电极板与该第二电极板之间，该外围腔的高度大于该中间腔的高度。
在上述制造方法中，移除该第二电极结构的一部分的步骤包括：在该第二电极结构的一第一表面上形成多个焊垫；在该第二电极结构的第一表面以及此些焊垫上形成一上绝缘层；移除部分的上绝缘层，以露出此些焊垫；以该上绝缘层作为遮罩来刻蚀该第二电极结构的一个半导体层，刻蚀停止于该第二电极结构的一下绝缘层上；以及移除露出的该下绝缘层，以形成该盖体结构与位于该盖体结构周围的一输入输出结构。
在上述制造方法中，移除该第二电极结构的一部分的步骤还包括：移除该半导体层的另一部分以及该第二电极板上的下绝缘层，以露出该第二电极板。
在上述制造方法中，提供该第二电极结构的步骤包括：在一个半导体基板上形成一图案化的绝缘层；在图案化的该绝缘层上形成一第二多晶硅层；在该第二多晶硅层上形成一图案化的牺牲绝缘层；在图案化的该牺牲绝缘层上形成一第一多晶硅层；在该第一多晶硅层上形成此些第二接合层；以及移除部分的半导体基板，以形成一沟槽来露出该牺牲绝缘层，该沟槽作为腔体的一部分。
本发明的有益效果是：通过本发明的上述实施例，可以通过增大压力传感器内的腔体的容积，并使腔体维持在接近真空的压力，来提高感测结果，降低温度变化对于感测结果的影响。另外，通过应力阻绝结构，可以有效阻绝电路板焊接的应力传达至压力感测单元。再者，这种压力传感器可以利用晶圆级封装技术来制作，以便提高产能，降低制造成本。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A显示依据本发明第一实施例的压力传感器的示意图。
图1B显示依据本发明第一实施例的压力传感器与电路板结合的示意图。
图1C显示依据本发明第一实施例的压力传感器的俯视示意图。
图1D显示依据本发明第一实施例的压力传感器的输入输出结构的俯视示意图。
图2A至图2F以及图3A至图3F显示依据本发明第一实施例的压力传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。
图4A至图4F以及图5A至图5F显示依据本发明第二实施例的压力传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。
图6A至图6G显示适用于本发明各实施例的第一电极结构的多个例子的示意图。
图7A至图7G以及图8A至图8D显示依据本发明第三实施例的压力传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。
图9显示依据本发明第四实施例的压力传感器的局部示意剖面图。
附图标号：D：距离；G：间隙；H42：高度；H44：高度；P：压力；T：最小厚度；10：基底结构；11：基板；12：感测电路；13：连线层；14：绝缘层；20：第一电极板；30：盖体结构；31：支撑结构；31A：第一接合层；31B：第二接合层；31C：多晶硅层；31C'：第一多晶硅层；32：第二电极板；33：弯折结构；33'：水平支撑结构；33A：第一端；33A'：第二多晶硅层；33B：第二端；33B'：绝缘层；33C'：牺牲绝缘层；36：绝缘层；40：腔体；42：中间腔；44：外围腔；44A：第一部分；44B：第二部分；44C：第三部分；44D：第四部分；44E：第五部分；50：输入输出结构；51：支撑结构；51A：第一接合层；51B：第二接合层；51C：多晶硅层；52：下绝缘层；53：半导体层；54：上绝缘层；55：焊垫；60：电路板；65：锡球；100：压力传感器；101：半导体基板；102：绝缘层；103：第二电极层；105：沟槽；106：腔体；107：腔体；110：第一电极结构；120：第二电极结构；121：第一表面；130：半导体基板；131：沟槽；321：上表面；322：下表面；331'：下表面。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种具有复合腔体的压力传感器及其制造方法，通过增大压力传感器内的腔体的容积，并使腔体维持在接近真空的压力，来提高感测结果，降低温度变化对于感测结果的影响。另外本发明的传感器是以电容感测为原理，相较于压阻式的感测方式，更进一步降低温度效应，并且为一种单石体(monolithic)电容压力传感器，有效降低寄生电容，提高感测精度。另外，本发明提供了一种应力阻绝结构，可以有效阻绝包括元件制造时或者与电路板焊接过程中的热残留应力传达至电容压力感测单元。再者，本发明更提供一种晶圆级封装技术，来降低传感器的几何尺寸并且可以降低制造成本。最后，本发明的晶圆级封装技术更可以提供一种热应力阻绝结构，当传感器焊接(譬如使用SMT)于一电路板上时，所述过程(包括SMT焊料，例如锡膏/锡球的施加或形成)所产生的热残余应力，可以被有效阻绝。
图1A显示依据本发明第一实施例的压力传感器的示意图。如图1A所示，本实施例的压力传感器100包括一基底结构10、一第一电极板20以及一盖体结构30。
基底结构10具有一感测电路12。第一电极板20形成于基底结构10上。盖体结构30设置于第一电极板20的上方。一腔体40形成于盖体结构30与第一电极板20之间，盖体结构30具有一第二电极板32，盖体结构30受到一流体的压力P而变形，进而改变第二电极板32与第一电极板20之间的距离D，感测电路12通过感测第一电极板20与第二电极板32之间的电容值变化来感测压力变化。
腔体40在制造时设计维持于一低压的状态，接近高真空状态，但是由于制造完成后的放气(outgassing)效应仍会存在有一些气体，所述残留气体会由热涨冷缩原理，而对量测造成影响。为此，本发明发明有别于传统的平行板电容压力传感器设计(其仅有类似图1A的中间腔42)，本发明有复合式腔体40设计，腔体40包括一中间腔42及一外围腔44。中间腔42位于第一电极板20与第二电极板32之间。外围腔44位于中间腔42周围，并且不位于第一电极板20与第二电极板32之间，外围腔44的高度H44大于中间腔42的高度H42(其通常为感测电容间隙)。外围腔44的数量可以是一个或多个(参见图9的说明)。高度H44与高度H42的比值大约在5与50之间，较佳是在10与30之间。这种复合腔体的设计有两个优点，说明如下，其一是可以维持低的距离D，以提高电容感测灵敏度，并且不易受放气(outgassing)效应改变腔体气压的影响(如传统单一平行板腔体，如果降低D，则体积变小，放气效应将更明显)，维持压力传感器100不易受到环境温度变化(气体热涨冷缩)的影响而产生感测值的差异。
已知理想气体方程式为pV＝nRT，其中p为理想气体的压力，V为理想气体的体积，n为气体物质的量，T为理想气体的热力学温度，R为理想气体常数。因此，本发明的复合腔体加大了V，相较于传统单一平行板腔体，可以得到更低的p，所以温度效应造成的热涨冷缩对本发明复合腔体传感器的影响较低。
在本实施例中，基底结构10包括一基板11以及一连线层13。感测电路12形成于基板11中。连线层13包括导体连接线及层间介电层(Inter-Layer Dielectric,ILD)或金属层间介电层(Inter-Metal Dielectric,IMD)，主要是提供电连接的功能。连线层13位于基板11与第一电极板20之间，并将感测电路12电连接至第一电极板20，熟悉集成电路技术者当知悉此一基底结构可以利用例如已知的CMOS技术，也或者其他已知的半导体集成电路制造技术来制作。
此外，本实施例的基底结构10还包括一绝缘层14，形成于连线层13及第一电极板20上，其中第二电极板32通过中间腔42以及绝缘层14来与第一电极板20相对。因此，本实施例的距离D大于高度H42。
此外，如图1A所示，盖体结构30的一示意截面包括两个支撑结构31以及至少两个弯折结构33(以盖体结构30的立体图来看，实际为一密封的3D结构，通过支撑结构31的环状布局而形成一密闭的真空空间)。弯折结构33在本实施例中为一个倒U形结构。两个支撑结构31设置于基底结构10上。各弯折结构33的材料为半导体材料，譬如是硅。两个弯折结构33具有两个分别连接至两个支撑结构31的第一端33A，以及两个共同连接至第一电极板20的第二端33B。值得注意的是，在实体上，支撑结构31可以是单一结构，譬如是一个矩形环、圆形环、椭圆形环或其他的环状结构。此外，弯折结构33也可以是单一或多个环状结构，是因为在截面的呈现上会呈现两个或多个结构。
各支撑结构31包括一第一接合层31A、一第二接合层31B及一多晶硅层31C。第一接合层31A位于基底结构10上。第二接合层31B接合至第一接合层31A上。第一接合层31A与第二接合层31B的材料可以是选自于铝、铜、锗、金、锡、铟、硅等等所组成的群组。举例而言，第一接合层31A的材料为铝，而第二接合层31B的材料为锗，其中铝和锗可以在约420℃形成共晶接合(eutectic bonding)，并且这两种材料与CMOS制造工艺相容，更适合应用于本实施例具有集成电路整合的设计。多晶硅层31C位于第二接合层31B上。在本实施例中，第二电极板32与多晶硅层31C具有相同材料，譬如是多晶硅，并位于同一平面上，可以在制作时同时完成。另外有种情况，多晶硅层31C不是必要的，多晶硅本身就可以是第二接合层31B的材料，而此时第一接合层31A可以是金(Au)。另外值得注意的是，本发明的多晶硅层及各弯折结构33的材料为半导体材料，以及半导体层53(说明于后)的半导体材料都是具有高导电性及低阻值特性，因此在本发明中，半导体材料本身就可以做为导电连接，这也是本发明的特色之一，通过高导电的半导体材料取代传统金属的电连接，才能构成本发明所提出的结构设计，也可以藉此节省多余的制造工艺，降低成本。
另一方面，第二电极板32具有暴露至流体的一上表面321及暴露至腔体40的一下表面322。在本实施力中所述倒U型仅显示单一弯折的盖体结构30，但是本发明是可以延伸到更多重的弯折结构。如此，可以形成多重弯折的盖体结构30，让盖体结构30在受微小压力变化时也会有所改变，提高感测灵敏度，可以参见图9的说明。
图1B显示依据本发明第一实施例的压力传感器与电路板结合的示意图。如图1A与图1B所示，压力传感器100还包括一输入输出结构50，设置于基底结构10上，并位于盖体结构30的周围。
输入输出结构50包括一第一接合层51A、一第二接合层51B、一多晶硅层51C、一下绝缘层52、一个半导体层53、一上绝缘层54以及多个焊垫55。第一接合层51A位于基底结构10上。第二接合层51B接合至第一接合层51A上。多晶硅层51C位于第二接合层51B上。下绝缘层52局部包围多晶硅层51C，但是下绝缘层52并非是必要元件，也可不存在于其他实施例中。半导体层53位于下绝缘层52与多晶硅层51C上。在多晶硅层31C不存在的上述情况下，多晶硅层51C也不存在。此时，多晶硅本身就可以是第二接合层51B的材料，而此时第一接合层51A可以是金(Au)，在此情况下，半导体层53位于第二接合层51B上方。上绝缘层54位于半导体层53上，但是上绝缘层54并非是必要元件，也可不存在于其他实施例中。焊垫55位于半导体层53上，熟悉所述技艺的人当熟知包括上绝缘层54及焊垫55并不限定于单一材料，其可以为复合层，例如为了制作锡球65于其上，焊垫可以是镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、Au等的组合。在本实施例中，第一接合层51A、第二接合层51B与多晶硅层51C的材料分别与第一接合层31A、第二接合层31B与多晶硅层31C相同。
压力传感器最终是要电连接至电路板，因此，也可以将电路板视为是压力传感器100的一部分。因此，压力传感器100还包括一电路板60，设置于输入输出结构50上，并电连接至输入输出结构50，电路板60与盖体结构30之间具有一间隙G。在本实施例中，电路板60通过多个锡球65电连接至输入输出结构50。在其他实施例中，也可以通过打线接合的方式达成电连接。
图1C显示依据本发明第一实施例的压力传感器的俯视示意图。图1D显示依据本发明第一实施例的压力传感器的输入输出结构的俯视示意图。图1A的剖面结构相当于是从图1C的基底结构10的对角线所剖出(尺寸上不作特别限制)。如图1C与图1D所示，压力传感器具有譬如四个输入输出结构50，各输入输出结构50通过譬如四个多晶硅层51C、第一接合层51A及第二接合层51B(及相关的电路单元，图中未示)电性连结于基底结构10上，同时向上通过高导电性的半导体层53电性连结至输入输出结构50，当然也可以通过标准的半导体制造工艺的导线(譬如是多重连续弯折的导线)或导体层来实施，在此不再赘述。多晶硅层51C与半导体层53(或通过设计可以只有半导体层53)可以被等效成弹簧结构或是缓冲结构，也即多晶硅层51C与半导体层53被垂直刻蚀成具有应力缓冲的结构，而位于所述应力缓冲结构的一端为固定于基底结构10上方的支撑结构51，另一端则是悬浮于基底结构10上方的输入输出结构50(其间隙约相同于H42(也可以由设计微调)，应力缓冲结构垂直连接至基底结构10，并可在水平方向变形，以吸收外来的应力。如此，在焊垫55被焊接至电路板时，热应力会被弹簧结构或是缓冲结构隔绝在外，而不会传递到基底结构10，至此可以发现，本发明提供了两种应力削减结构，其一为弯折结构33可以削减制造工艺中及支撑结构31接合过程中的热残余应力对第二电极板32的影响，另外一种结构就是具有应力缓冲结构的输入输出结构50，削减SMT过程中对基底结构10的应力影响，结合两者可以完成最完美的高灵敏度电容式压力传感器，并且这样的结构制造工艺都是通过晶圆级制造方式完成的，而不是单一元件的制造，这种晶圆级感测元件制造同时完成晶圆级封装技术(元件51至55)，也是本发明重要特色，不仅节省了封装成本，也让元件尺寸大幅缩小(因为采用晶圆级芯片封装(WaferLevel Chip Scale Package,WLCSP))，适合未来轻薄短小应用的需求。
换句话说，输入输出结构50通过支撑结构51而在Z方向(垂直于X方向与Y方向)连结至基底结构10，多晶硅层51C与半导体层53被刻蚀成具有削薄的弹性结构(所述弹性结构在图1D中仅为说明的一种实施例，任何形状结构都不受限)而连接至基底结构10，使得所述削薄的弹性结构有在X方向与Y方向弹性移动的特性，提供应力缓冲的效果，有效阻绝热残余应力对基底结构10的影响。
图2A至图2F以及图3A至图3F显示依据本发明第一实施例的压力传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。压力传感器100的制造方法，包括以下步骤。
如图2A至图2F所示，提供一第二电极结构120，具有多个第二接合层51B以及一第二电极板32。详言之，提供一个半导体基板101，譬如是硅基板，如图2A所示。然后，在半导体基板101上形成一个图案化的绝缘层102，譬如是二氧化硅层但不限定于此，如图2B所示。接着，如图2C所示，在绝缘层102以及半导体基板101上形成一个第二电极层103，譬如是导电多晶硅层，当然也可以包括一化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing,CMP)制造工艺以控制所述多晶硅层表面的平坦，最后位于所述绝缘层102上方的多晶硅层的厚度(相当于是第二电极板32的最小厚度T(参见图1A))介于1至10um(微米)间，较佳实施例为2至5um之间，第二电极板32为第二电极层103的一部分。然后，如图2D所示，在第二电极层103上形成多个第二接合层51B、31B。接着，如图2E所示，移除一部分的第二电极层103，以露出部分的绝缘层102。然后，如图2F所示，移除另一部分的第二电极层103，以露出部分的绝缘层102，以形成一沟槽105，所述沟槽105的深度介于5至50um间，较佳实施例为20至40um。
如图3A与图1A所示，提供一第一电极结构110，具有多个第一接合层31A/51A、一第一电极板20及一感测电路12，感测电路12电连接至第一电极板20。在本实施例中，第一电极板20也可以是设置于绝缘层14上方，且其材料可以为一另外的导电材料，例如氮化钛(TiN)、钛(Ti)、Au等等。
如图3B所示，将此些第一接合层51A与此些第二接合层51B接合在一起，以形成多个腔体106、107及40。值得注意的是，本发明为一晶圆制造流程，也即多个相同的第一电极结构110与多个第二电极结构120一起接合，同时达成晶圆级的元件制造，以及晶圆级的封装，降低制造成本，这样的设计及制造是从未出现的，也是本发明的另一特色。
如图3C至图3F与图1A所示，移除第二电极结构120的一部分，以便形成一盖体结构30于第一电极板20的上方，其中腔体40形成于盖体结构30与第一电极板20之间，盖体结构30具有第二电极板32，盖体结构30受到一流体的压力P而变形，进而改变第二电极板32与第一电极板20之间的距离D，感测电路12通过感测第一电极板20与第二电极板32之间的电容值来感测距离D，来感测压力变化。
详言之，如图3C所示，将半导体基板101磨薄到一定的厚度。然后，如图3D所示，在第二电极结构120的一第一表面121上形成多个焊垫55，然后，在第二电极结构120的第一表面121以及此些焊垫55上形成一上绝缘层54，接着，移除部分的上绝缘层54，以露出此些焊垫55。然后，如图3E所示，以上绝缘层54作为遮罩来刻蚀第二电极结构120的半导体基板101，刻蚀停止于第二电极结构120的绝缘层102(对应于图1A的下绝缘层52)上。接着，如图3F所示，移除露出的绝缘层102，以形成盖体结构30与位于盖体结构30周围的输入输出结构50，此时腔体107已经被破坏掉，腔体106也被打通成非密闭空间。图3F的结构即可作为压力传感器。在此情况下，两个弯折结构33结合形成一E形结构，E形结构与第二电极板32之间的空间填满一绝缘层36。
但是，移除第二电极结构120的一部分的步骤可以还包括移除半导体基板101的另一部分，甚至是第二电极板32上的绝缘层102，以露出第二电极板32，如图1A所示。当然，在另一例子中，第二电极板32上的绝缘层102也可被保留。
图4A至图4F以及图5A至图5F显示依据本发明第二实施例的压力传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。本实施例类似于第一实施例，不同点在于绝缘层102的图案不同，而造就不同的压力传感器的结构。
如图4A至图4F所示，提供一第二电极结构120，具有多个第二接合层51B以及一第二电极板32。详言之，提供一个半导体基板101，譬如是硅基板，如图4A所示。然后，在半导体基板101上形成一个图案化的绝缘层102，譬如是二氧化硅层，如图4B所示。接着，如图4C所示，在绝缘层102以及半导体基板101上形成一个第二电极层103，譬如是多晶硅层，第二电极板32为第二电极层103的一部分。然后，如图4D所示，在第二电极层103上形成多个第二接合层51B。接着，如图4E所示，移除一部分的第二电极层103，以露出部分的绝缘层102。然后，如图4F所示，移除另一部分的第二电极层103，以露出部分的绝缘层102，以形成一沟槽105。
如图5A与图1A所示，提供一第一电极结构110，此类似于第一实施例，不再赘述。
如图5B所示，将此些第一接合层51A与此些第二接合层51B接合在一起，以形成多个腔体106、107及40。值得注意的是，可以将多个第一电极结构110与多个第二电极结构120一起接合，达成晶圆级的封装，降低制造成本。
如图5C至图5F所示，移除第二电极结构120的一部分，以便形成一盖体结构30于第一电极板20的上方，其中腔体40形成于盖体结构30与第一电极板20之间，盖体结构30具有第二电极板32，盖体结构30受到一流体的压力P而变形，进而改变第二电极板32与第一电极板20之间的距离D，感测电路12通过感测第一电极板20与第二电极板32之间的电容值来感测距离D，来感测压力变化。
详言之，如图5C所示，将半导体基板101磨薄到一定的厚度。然后，如图5D所示，刻蚀第二电极结构120的半导体基板101，刻蚀停止于第二电极结构120的绝缘层102上。接着，如图5E所示，移除露出的绝缘层102，以形成盖体结构30与位于盖体结构30周围的一残留结构109，此时腔体107与106已经被破坏掉。图5E的结构即可作为压力传感器。但是，可以更移除半导体基板101的另一部分以及绝缘层102，以露出第二电极板32，如图5F所示。
图6A至图6G显示适用于本发明各实施例的第一电极结构110的多个例子的示意图。如图3A所示，第一电极结构110的第一接合层51A与第一电极板20是位于不同的平面上，且第一电极板20被绝缘层14所覆盖。如图6A所示，第一接合层51A与第一电极板20位于同一平面上，可以是由最顶层的金属所制成，在此情况下，第一电极板20是形成于基底结构10之中。如图6B所示，第一电极板20与第一接合层51A都是位于绝缘层14上，在如此所制造出的压力传感器100中，第一电极板20直接暴露至腔体40中。如图6C所示，第一电极板20'与第一接合层51A位于同一平面上，但是第一电极板20'的材料(譬如是TiN)不同于第一接合层51A的材料(譬如是铝(Al))。图6A至图6C适用于图3A至图3F的制造工艺。图6D至图6G适用于图5A至图5F的制造工艺。图6D的结构类似于图6A，图6E的结构类似于图3A，图6F的结构类似于图6B，图6G的结构类似于图6C，不同点仅在于两侧的第一接合层51A的初始图案。
图7A至图7G以及图8A至图8D显示依据本发明第三实施例的压力传感器的制造方法的各步骤的结构示意图。本实施例类似于第一实施例，不同点在于提供第二电极结构120的步骤如下。
如图7A与图7B所示，在一个半导体基板130上形成一图案化的绝缘层33B'。如图7C所示，在图案化的绝缘层33B'上形成一第二多晶硅层33A'，并在第二多晶硅层33A'上形成一图案化的牺牲绝缘层33C'。如图7D所示，在图案化的牺牲绝缘层33C'上形成一第一多晶硅层31C'。如图7E所示，在第一多晶硅层31C'上形成此些第二接合层51B、31B。如图7F所示，移除部分的半导体基板130，以形成一沟槽131来露出牺牲绝缘层33C'，沟槽131作为腔体40的一部分。如图7G所示，移除沟槽131中的部分的牺牲绝缘层33C'。值得注意的是，可以使用干刻蚀技术来移除半导体基板130及牺牲绝缘层33C'，以形成沟槽131。或者，也可使用湿刻蚀技术来移除半导体基板130及牺牲绝缘层33C'，以形成沟槽131，在此情况下，沟槽131中不存在有牺牲绝缘层33C'。
然后，如图8A所示，提供一个第一电极结构110，类似于图3A与图5A。如图8B所示，将第一电极结构110与第二电极结构120接合在一起，类似于图3B与图5B。然后，可将第二电极结构120磨薄后形成上绝缘层54与焊垫55，类似于图3D。接着，移除第二电极结构120的一部分，类似于图3E与图3F，以形成图8D的结构。
如图8D所示，盖体结构30'的一截面包括两个垂直支撑结构31'以及一个水平支撑结构33'。两个垂直支撑结构31'设置于基底结构10上。水平支撑结构33'设置于两个垂直支撑结构31'上，第二电极板32'设置于水平支撑结构33'的一下表面331'上。
各垂直支撑结构31'包括一第一接合层31A'、一第二接合层31B'及一第一多晶硅层31C'。第一接合层31A'位于基底结构10上。第二接合层31B'接合至第一接合层31A'上。第一多晶硅层31C'位于第二接合层31B'上。
水平支撑结构33'包括一第二多晶硅层33A'及一绝缘层33B'。第二多晶硅层33A'位于第一多晶硅层31C'上。绝缘层33B'位于第二多晶硅层33A'上。然而，本发明并未受限于此，绝缘层33B'也可在最后被去除。输入输出结构50'设置于基底结构10上，并位于盖体结构30的周围，类似于图1A的输入输出结构50。
图9显示依据本发明第四实施例的压力传感器的局部示意剖面图。如图9所示，弯折结构33为一个连续的多重弯折结构，使得外围腔44具有不同于图1的形状，因此，外围腔44可以被分为第一部分44A、第二部分44B、第三部分44C、第四部分44D及第五部分44E。因此，可以将外围腔视为是一个或多个。如此可以得到更加的感测灵敏度及应力阻绝效果。这种结构也可以被应用至图8D的结构，在此不再赘述。
通过本发明的上述实施例，可以通过增大压力传感器内的腔体的容积，并使腔体维持在接近真空的压力，来提高感测结果，降低温度变化对于感测结果的影响。另外，通过应力阻绝结构，可以有效阻绝电路板焊接的应力传达至压力感测单元。再者，这种压力传感器可以利用晶圆级封装技术来制作，以便提高产能，降低制造成本。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。
Claims (18)
1.一种压力传感器，其特征在于，它包括：
一基底结构，具有一感测电路；
一第一电极板，形成于该基底结构上或之中；以及
一盖体结构，设置于该第一电极板的上方，其中一腔体形成于该盖体结构与该第一电极板之间，该盖体结构具有一第二电极板，该盖体结构受到一流体的压力而变形，进而改变该第二电极板与该第一电极板之间的距离，该感测电路通过感测该第一电极板与该第二电极板之间的电容值变化来感测压力变化，其中该腔体包括：
一中间腔，位于该第一电极板与该第二电极板之间；及
至少一外围腔，位于该中间腔周围，该外围腔的高度大于该中间腔的高度。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述基底结构包括：
一基板，所述感测电路形成于所述基板中；以及
一连线层，位于该基板与所述第一电极板之间，并将该感测电路电连接至该第一电极板。
3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述基底结构还包括一绝缘层，形成于所述连线层及所述第一电极板上，其中所述第二电极板通过所述中间腔以及所述绝缘层来与该第一电极板相对。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述盖体结构的一截面包括：
两个支撑结构，设置于所述基底结构上；以及
至少两个弯折结构，具有两个分别连接至所述两个支撑结构的第一端，以及两个共同连接至所述第一电极板的第二端。
5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，各所述支撑结构包括：
一第一接合层，位于所述基底结构上；及
一第二接合层，接合至所述第一接合层上。
6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，各所述支撑结构还包括一多晶硅层，位于所述第二接合层上，其中所述第二电极板与所述多晶硅层具有相同材料，并位于同一平面上。
7.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述第二电极板具有暴露至所述流体的一上表面及暴露至所述腔体的一下表面。
8.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述盖体结构的一截面包括：
两个垂直支撑结构，设置于所述基底结构上；以及
一个水平支撑结构，设置于所述两个垂直支撑结构上，所述第二电极板设置于该水平支撑结构的一下表面上。
9.如权利要求8所述的压力传感器，其特征在于：
各所述垂直支撑结构包括：
一第一接合层，位于所述基底结构上；
一第二接合层，接合至所述第一接合层上；及
一第一多晶硅层，位于所述第二接合层上；以及
所述水平支撑结构包括：
一第二多晶硅层，位于所述第一多晶硅层上。
10.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括：
一输入输出结构，设置于所述基底结构上，并位于所述盖体结构的周围。
11.如权利要求10所述的压力传感器，其特征在于，所述输入输出结构具有一应力缓冲结构，垂直连接至所述基底结构，并可在水平方向变形，以吸收外来的应力。
12.如权利要求10所述的压力传感器，其特征在于，所述输入输出结构包括：
一第一接合层，位于所述基底结构上；
一第二接合层，接合至所述第一接合层上；
一个半导体层，所述半导体层位于所述第二接合层上方；以及
多个焊垫，位于该半导体层上。
13.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述外围腔的所述高度与所述中间腔的所述高度的比值介于10与30之间。
14.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二电极板的最小厚度介于2至5微米之间。
15.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一第一电极结构，具有多个第一接合层、一第一电极板及一感测电路，该感测电路电连接至该第一电极板；
提供一第二电极结构，具有多个第二接合层以及一第二电极板；
将该多个第一接合层与该多个第二接合层接合在一起；
移除该第二电极结构的一部分，以便形成一盖体结构于该第一电极板的上方，其中一腔体形成于该盖体结构与该第一电极板之间，该盖体结构具有该第二电极板，该盖体结构受到一流体的压力而变形，进而改变该第二电极板与该第一电极板之间的距离，该感测电路通过感测该第一电极板与该第二电极板之间的电容值变化来感测压力变化，其中该腔体包括：
一中间腔，位于该第一电极板与该第二电极板之间；及
一外围腔，位于该中间腔周围，并且不位于该第一电极板与该第二电极板之间，该外围腔的高度大于该中间腔的高度。
16.如权利要求15所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，移除所述第二电极结构的一部分的步骤包括：
在所述第二电极结构的一第一表面上形成多个焊垫；
在该第二电极结构的所述第一表面以及所述的多个焊垫上形成一上绝缘层；
移除部分的所述上绝缘层，以露出所述的多个焊垫；
以该上绝缘层作为遮罩来刻蚀该第二电极结构的一个半导体层，刻蚀停止于该第二电极结构的一下绝缘层上；以及
移除露出的所述下绝缘层，以形成所述盖体结构与位于该盖体结构周围的一输入输出结构。
17.如权利要求16所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，移除所述第二电极结构的一部分的步骤还包括：
移除所述半导体层的另一部分以及所述第二电极板上的所述下绝缘层，以露出该第二电极板。
18.如权利要求15所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，提供所述第二电极结构的步骤包括：
在一个半导体基板上形成一图案化的绝缘层；
在所述图案化的绝缘层上形成一第二多晶硅层；
在所述第二多晶硅层上形成一图案化的牺牲绝缘层；
在所述图案化的牺牲绝缘层上形成一第一多晶硅层；
在所述第一多晶硅层上形成所述的多个第二接合层；以及
移除部分的所述半导体基板，以形成一沟槽来露出该牺牲绝缘层，所述沟槽作为所述腔体的一部分。
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