CN106986301A - 微机械压力传感器装置的制造方法和相应的微机械压力传感器装置 - Google Patents

微机械压力传感器装置的制造方法和相应的微机械压力传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微机械传感器装置的制造方法和一种相应的微机械传感器装置。该方法包括下述步骤：提供具有至少第一至第四槽的基底，所述至少第一至第四槽从基底的正面出发平行地延伸并且彼此隔开间距；将一个层沉积到正面上，其中，所述至少第一至第四槽被封闭，并且使所述层结构化，其中，在所述层中在第二和第四槽的上方构造接触结构；将接触结构以及第二和第四槽的向外暴露的侧面至少部分地氧化；使第一金属接触材料沉积并且结构化，其中，将所述接触结构至少部分地以第一金属接触材料填充；打开第二槽和第四槽；将第二金属接触材料电沉积到所述第二和第四槽中，由此，形成压敏电容性的电容器结构；并且从所述基底的正面打开所述第一槽。

Description

微机械压力传感器装置的制造方法和相应的微机械压力传感 器装置
技术领域
本发明涉及一种微机械压力传感器装置的制造方法和一种相应的微机械压力传感器装置。
背景技术
基于MEMS技术的压力传感器可以包括平行于芯片正面延伸的电容器结构和/或膜片。这种压力传感器的尺寸缩小或者简化是研究和开发中的挑战。
具有平行的探测结构的压力传感器占据特别是芯片面的直至大于70％。为了缩小探测结构，特别是也需要减小相应的层厚度。然而在相应的膜片中减小层厚度变得很困难，因为较小的膜片可能具有降低的灵敏度。这个可以特别是导致，这种压力传感器不满足ASIC或相应的分析电路的灵敏度要求。
此外，压力传感器的膜片尺寸或结构必须应用特定地改变。这导致，对于具有宽的应用范围的压力传感器而言需要复杂的和耗费的方法。
EP 0 515 416 B1描述了一种用于制造能集成的电容压力传感器的方法。
发明内容
本发明提出一种根据权利要求1所述的微机械压力传感器装置的制造方法和一种根据权利要求9所述的相应的微机械压力传感器装置。
优选的扩展方案是相应的从属权利要求的内容。
本发明所基于的构思在于，通过这里所述的方法特别是提供基底层面(Substratlevel)上的压敏电容性的电容器结构。在此，压敏电容性的电容器结构或者膜片结构横向于、特别是垂直于基底的正面延伸。由此，这里所述的微机械压力传感器装置特别是包括一个或者多个压敏电容性 的电容器结构，所述一个或者多个压敏电容性的电容器结构横向于、特别是垂直于基底的正面延伸。由此，在此制造或提供的微机械压力传感器组件是特别节省空间的。
换句话说，相应地减小用于制造微机械压力传感器装置所需的在基底层面上的空间。此外，在这里所述的方法中而且在相应的微机械压力传感器装置中，压敏电容性的电容器结构的灵敏度特别是与该方法的侧面平板印刷的精度有关，从而可以制造或提供非常小的微机械压力传感器装置。此外，这里所述的微机械压力传感器装置基于电容原理是高效节能的。
通过在这里所制造的压敏电容性的电容器结构和用于压敏电容性的电容器结构的至少一个压力通道之间提供真空，这里所述的微机械压力传感器装置特别是稳定地抵抗尤其在微机械压力传感器装置内部的机械压力，所述机械压力可以通过构造和连接技术或者在运行中产生。
此外，通过这里所述的微机械压力传感器装置可以测量不同的压力范围，其中，微机械压力传感器装置的空间尺寸不必被改变。由此，产生统一的指纹，所述指纹例如能够用于整个芯片代。
根据本发明的一个方面，在制造方法的步骤A中，提供具有至少第一至第四槽的基底。至少第一至第四槽从基底的正面出发彼此平行地延伸，其中，至少第一至第四槽彼此具有间距。此外，这里所述的槽横向于、特别是垂直于基底的正面延伸。至少第一至第四槽在基底中不相交。
在步骤B中，将一个层沉积到基底的正面上，其中，将至少第一至第四槽封闭。通过将所述层结构化，在所述层中将在第二和第四槽的上方构造接触结构。接触结构不具有所述层的材料并且从所述层的背离基底的正面的面出发使第二和第四槽暴露。接触结构在侧面的方向上特别是由邻接的第一槽和第三槽侧面地限界并且不伸入到第一和第三槽的区域中。
在步骤C中，将接触结构以及第二和第四槽的向外暴露的侧面至少部分地氧化。在此，构造一个电绝缘层，所述电绝缘层涂覆在侧面和相同的接触结构上。此外，接触结构以及第二和第四槽在步骤C期间不封闭。所述至少部分的氧化特别是可以在硅基底上进行。在此，二氧化硅 形成相应的侧面。替代地，接触结构以及第二和第四槽可以涂覆有介电层。为此可以使用例如氧化铝、二氧化铪或氮化物层。
在步骤D中，使第一金属接触材料沉积并且结构化。在此，将接触结构至少部分地以第一金属接触材料填充。第一金属接触材料在此特别是可以在基底的正面上齐平地封闭。第一金属接触材料这样结构化，以使得在第二和第四槽的上方特别是构造电极。所述电极特别是用于之后与压敏电容性的电容器结构接触。此外，特别是将焊盘(bondpad)以及金属导线线路构造在所述层的背离基底的正面的侧上。金属导线线路可以特别是彼此电绝缘地使焊盘与第二和第四槽的电极彼此连接。也就是说，在第二槽上方的接触结构与在第四槽上方的接触结构彼此电绝缘地制造。金属导线线路在步骤D中以及与所述金属导线线路连接的焊盘与芯片区域之外的导线线路连接，由此使第一金属接触材料保持在相同的电势上。在电镀过程之后在步骤F中，去除芯片区域之外的导线线路，由此使芯片区域之内的导线线路彼此不电接触。
在步骤E中，从基底的背面打开第二槽和第四槽。所述打开特别是可以通过沟槽蚀刻来进行。第二槽与第四槽由此从基底的正面直至背面完全地穿过基底。在步骤B中沉积的层可以特别是理解为承载的或者稳定化的层。
在步骤F中，将第二金属接触材料经过基底的背面电沉积到第二和第四槽中。在此，第二金属接触材料沉积在经氧化的侧面上，由此形成压敏电容性的电容器结构。对于第二金属接触材料可以使用例如镍、铜、金或者其他适合的贵金属。
换句话说，这里所述的压敏电容性的电容器结构特别是包括第二槽与第四槽，其中，在第二槽和第四槽之间构造第三槽。在制造方法的步骤B中在第三槽中构造真空。因此，通过这里所述的制造方法，在与基底的正面垂直的方向上构造压敏电容性的电容器结构。
在步骤G中，从基底的正面打开第一槽，其中，形成用于压敏电容性的电容器结构的压力通道。通过压力通道特别是可以使气体到达第一槽中，其中，通过进入到第一槽中的气体使第三槽中的真空变形，由此能够测量在压敏电容性的电容器结构上的电流/电压改变。此外，可以特 别是在焊盘或电极上量取压敏电容性的电容器结构上的电流/电压改变。通过所述电流/电压改变可以推断例如第一槽中的压力。此外，这里所述的压力通道可以用于补偿构造和连接技术的和/或在这里所制造的微机械压力传感器装置运行期间的机械压力。
根据一个优选的扩展方案，为了构造至少第一至第四槽，在基底的正面上实施N-格栅。特别是可以通过提供多孔硅有利于N-格栅的实施，从而在所述层沉积时所述层的材料不沉积到至少第一至第四槽中。此外，N-格栅有利于在第三槽中构造气密封闭的真空。
根据一个另外的优选的扩展方案，对于基底使用多孔硅。因此，能够以简单的方式和方法在基底中构造至少第一至第四槽。为了构造这里所述的槽特别是可以至少部分地使用APSM(Advanced Porous Silicon Membrane)方法。
根据一个另外的优选的扩展方案，将分析电子装置例如CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor；互补金属氧化物半导体)和/或双极处理器集成到基底层面上。这里所述的基底可以例如在构造这里所述的槽之前包括分析电子装置和/或双极处理器。因此，可以将具有分析电子装置的微机械压力传感器装置提供到基底层面上，其中，可以取消耗费的晶片-晶片粘合方法。
根据一个另外的优选的扩展方案，对于所述层使用单晶硅。通过单晶硅可以气密地封闭至少第一至第四槽。此外，单晶硅的材料特定的特性有利于微机械压力传感器装置的灵敏度。单晶硅尤其可以特别均匀地沉积。
根据一个另外的优选的扩展方案，至少部分地氧化的侧面用于第一金属接触材料和第二金属接触材料的沉积。因此，第一金属接触材料和第二金属接触材料可以确定地沉积到用于制造压敏电容性的电容器结构的预定区域上，其中，特别是可以通过较小的开口直径阻止第一金属接触材料沉积到第二和第四槽中。
根据一个另外的优选的扩展方案，在第一金属接触材料沉积和结构化时至少部分地构造金属导线线路，并且将金属导线线路用于第二金属接触材料的电沉积。因此，基于金属导线线路可以在基底上同时制造多 个微机械压力传感器装置。此外，可以简单地并且节能高效地实现同时使第二金属接触材料电沉积。
根据一个另外的优选的扩展方案，在第二金属接触材料电沉积之后至少部分地去除所述金属导线线路。因此，各个微机械压力传感器装置可以呈单个传感器的形式彼此分开，而不必附加地将金属导线线路切断。
根据本发明的另一方面，提供一种微机械压力传感器装置。微机械压力传感器装置包括具有至少第一至第四槽的基底，其中，至少第一至第四槽从基底的正面出发彼此平行地延伸，其中，在第三槽中构造真空。第二槽和第四槽穿过所述基底并且具有第二金属接触材料。借助于至少部分地与第一槽和第四槽的第二金属接触材料接触的电极，能够电容地测量第一槽中的压力改变。
根据一个优选的扩展方案，第二槽和第四槽的电极至少部分地伸入到第二和第四槽中并且与第二金属接触材料接触。因此，可以保护压敏电容性的电容器结构免受外部的影响。
根据一个优选的扩展方案，第一槽补偿在运行中产生的机械压力和/或者用作压力通道。除了第一槽作为压力通道的功能以外，所述第一槽附加地可以减小或补偿机械应力。由此可以给第一槽配置两种功能。
这里所述的微机械压力传感器装置的制造方法的特征也对于相应的微机械压力传感器装置是公开的以及反之亦然。
附图说明
下面根据实施方式参考附图说明本发明的其他特征和优点。附图中：
图1A-8A示出用于说明微机械压力传感器装置的制造方法和根据本发明的第一实施方式的相应的微机械压力传感器装置的示意性的横截面图；
图1B，3B-5B，7B和8B示出对应于相应的图1A，3A-5A，7A和8A的示意性的俯视图；
图4A’，4B’，7A’示出相应的图4A和图7A的示意性的放大图；
图9示出用于说明根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器装置的示意性的俯视图；和
图10A-13A示出用于说明基于APSM技术制造示例性的第一槽和示例性的第二槽的方法的示意性的横截面图，其中，图10B-13B是图10A-13A的相应的俯视图；
图14A示出用于微机械压力传感器装置的制造方法所提供的基底的示意性的侧视图；和
图14B示出图14A中的基底的相应的俯视图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相同的元件。
附图中所示的微机械压力传感器装置的制造方法的步骤示出至少第一至第五槽G1；G2；G3；G4；G5。这应该理解为微机械压力传感器装置的一个另外的实施方式。通过第一槽G1和第五槽G5对称的构造，特别是可以进行均匀的压力测量。此外，可以均匀地补偿在微机械压力传感器装置运行期间的机械压力。
图1A-8A是用于说明微机械压力传感器装置的制造方法和根据本发明的第一实施方式的相应的微机械压力传感器装置的示意性的横截面图。
在图1A中，附图标记1表示具有至少第一至第五槽G1；G2；G3；G4；G5的基底。所述槽G1；G2；G3；G4；G5从基底1的正面V1出发彼此平行地延伸。如图1A和图1B中所示地，至少第一至第五槽G1；G2；G3；G4；G5从基底1的正面V1可自由地到达。在基底1的正面V1上特别是可以实施N-格栅N1(见图10A-13A)。
在图2A中，附图标记1表示替换的基底1’，所述替代的基底在其正面上具有分析电子装置A1。替代地，分析电子装置A1可以与双极处理器A1’组合或者由双极处理器A1’替代。
如图3A和3B中所示地，一个层S1沉积到基底1的正面V1上。在此，将至少第一至第五槽G1；G2；G3；G4；G5封闭。在此，封闭也可以理解为至少第一至第五槽G1；G2；G3；G4；G5的气密的封闭。
如图4A和图4B中所示地，所述层S1被结构化，其中，在所述层S1中，在第二和第四槽G2；G4上方构造接触结构20；30。
图4A’是图4A的相应的放大图。如图4A’中所示地，接触结构20；30这样构造在第二和第四槽G2；G4上方，以使得接触结构20；30不延伸到第一槽G1、第三槽G3和第五槽G5中。
图4B’示出图4A’的进一步的放大图(通过图4A’的第四槽G4的区域中的椭圆示出)。
图4B’示出接触结构20；30以及第二和第四槽G2；G4的相应的向外暴露的侧面40。在接触结构20；30以及第二和第四槽G2；G4的侧面40上产生的氧化层例如可以是二氧化硅。
如图5A中所示地，第一金属接触材料M1被沉积并且结构化。在此，接触结构20；30至少部分地以第一金属接触材料M1填充。
如图5A和5B中所示地，在第一金属接触材料M1沉积之后，至少部分地构造金属导线线路LB1，其中，金属导线线路LB1可以用于之后使第二金属接触材料M2电沉积。此外，在第一金属接触材料M1结构化期间，在层S1上构造焊盘P1和电极E2；E4。金属导线线路LB1彼此电绝缘并且分别与电极E2；E4接触，所述电极在第一金属接触材料M1结构化时被制造。
如图6A中所示地，从基底1的背面R1打开第二槽G2和第四槽G4。这可以特别是通过沟槽蚀刻进行。换句话说，第一槽G1、第三槽G3和第五槽G5保持封闭或者具有真空。
如图7A或图7A’中所示地，第二金属接触材料M2经过基底1的背面R1电沉积到第二和第四槽G2；G4中。在此，第二金属接触材料M2沉积在经氧化的侧面40上(也参见图4B’)，由此形成压敏电容性的电容器结构K1。
如图7B中所示地，第二槽或第四槽G4的接触结构20；30彼此电隔离。
如图8A中所示地，从基底1的正面V1打开第一槽G1和第五槽G5，其中，形成用于压敏电容性的电容器结构K1的压力通道D1；D5。
如图8B中所示地，相应的压力通道D1；D5在第一槽G1或第五槽G5上方并且相对于压敏电容性的电容器结构K1平行地并且隔开间距地延伸，其中，压敏电容性的电容器结构K1位于压力通道D1；D5之间。
图9是用于说明根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器装置的示意性的俯视图。
如图9中所示地，微机械压力传感器装置100具有四个串联的压敏 电容性的电容器结构K1；K2；K3；K4。这四个串联的压敏电容性的电容器结构K1；K2；K3；K4分别包括相应的压力通道D1；D5。
本身可理解的是，这里所述的制造方法可以特别是用来制造具有多个串联和/或并联的压敏电容性的电容器结构的微机械压力传感器装置。
图10A-13A是用于说明根据本发明的第一或第二实施方式的用于基于APSM技术制造示例性的第一槽和示例性的第二槽的方法的示意性的横截面图，其中，图10B-13B是图10A-13A的相应的俯视图。
图10A示出具有正面V1的基底1，其中，在正面V1上实施N-格栅N1。
为了提供第一槽G1和第二槽G2，将所述正面相应地预结构化(切口60)，从而如图12A中所示地借助于阳极氧化处理产生横向于或者特别是垂直于基底的正面V1的肉眼可见的细孔或槽。在此，可以保留特别是基底1的材料剩余物70。
如图13A中所示地，当材料剩余物70’足够薄时，通过氧化或者相应地通过烧结来去除该材料剩余物70(参见从图13A至图14A的转变过程)。然而在此，具有带相应壁厚的材料剩余物70的区域保持不损坏并且形成第一槽G1和第二槽G2。
如图14A中所示地，用于这里所述的微机械压力传感器装置100的制造方法所提供的基底1包括N-格栅N1以及示例性地示出的第一槽G1和第二槽G2。图10B至14B是示意性的侧视图的相应的俯视图。
换句话说，槽的制造特别是基于APSM方法。
利用这里所述的微机械压力传感器装置可以特别是测量大约1000毫巴的压力。所述压力范围特别是关注于用户应用。
虽然根据优选的实施例来说明本发明，但是本发明不局限于此。所述的材料和电路拓扑仅仅是示例性的并且不局限于所述的实例。

Claims (12)

1.一种微机械压力传感器装置(100)的制造方法，其具有下述步骤：
A)提供具有至少第一至第四槽(G1；G2；G3；G4)的基底(1)，所述至少第一至第四槽从所述基底(1)的正面(V1)出发平行地延伸并且彼此隔开间距；
B)将一个层(S1)沉积到所述正面(V1)上，其中，将所述至少第一至第四槽(G1；G2；G3；G4)封闭，并且将所述层(S1)结构化，其中，在所述层(S1)中在所述第二和第四槽(G2；G4)的上方构造接触结构(20；30)；
C)将所述接触结构(20；30)以及所述第二和第四槽(G2；G4)的向外暴露的侧面(40)至少部分地氧化(O1)；
D)使第一金属接触材料(M1)沉积并且结构化，其中，将所述接触结构(20；30)至少部分地以所述第一金属接触材料(M1)填充；
E)从所述基底(1)的背面(R1)打开所述第二槽(G2)和所述第四槽(G4)；
F)将第二金属接触材料(M2)经过所述基底(1)的背面(R1)电沉积到所述第二和第四槽(G2；G4)中，其中，所述第二金属接触材料(M2)沉积在经氧化的侧面(40)上，由此形成一压敏电容性的电容器结构(K1)；并且
G)从所述基底(1)的正面(V1)打开所述第一槽(G1)，其中，形成用于所述压敏电容性的电容器结构(K1)的压力通道(D1)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，为了构造所述至少第一至第四槽(G1；G2；G3；G4)，在所述基底(1)的正面(V1)上实施N-格栅(N1)。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，对于所述基底(1)使用多孔硅。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在所述基底(1)中将分析电子装置(A1)和/或双极处理器(A1’)集成到基底层面上。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，对于所述层(S1)使用单晶硅。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中，至少部分地氧化的侧面(40)用于所述第一金属接触材料(M1)和所述第二金属接触材料(M2)的沉积。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在所述第一金属接触材料(M1)沉积和结构化时至少部分地构造金属导线线路(LB1)，并且将所述金属导线线路(LB1)用于所述第二金属接触材料(M2)的电沉积。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，在所述第二金属接触材料(M2)电沉积之后至少部分地去除所述金属导线线路(LB1)。
9.一种微机械压力传感器装置(100)，其包括具有至少第一至第四槽(G1；G2；G3；G4)的基底(1)，其中，所述至少第一至第四槽(G1；G2；G3；G4)从所述基底(1)的正面(V1)出发彼此平行地延伸，其中，在所述第三槽(G3)中构造真空；
其中，所述第二槽(G2)和所述第四槽(G4)穿过所述基底(1)并且包括第二金属接触材料(M2)，借助于电极(E2；E4)能够电容地测量所述第一槽(G1)中的压力改变。
10.根据权利要求9所述的微机械压力传感器装置(100)，其中，所述基底包括分析电子装置(A1)。
11.根据权利要求9所述的微机械压力传感器装置(100)，其中，所述第二槽(G2)和所述第四槽(G4)的电极(E2；E4)至少部分地伸入到所述第二和第四槽(G2；G4)中并且与所述第二金属接触材料(M2)接触。
12.根据权利要求9所述的微机械压力传感器装置(100)，其中，所述第一槽(G1)补偿通过构造和连接技术和/或在运行中产生的机械压力和/或用作压力通道(D1)。
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