CN107894294B - 带有扩展浅多边形腔的带腔绝缘体上硅mems压力传感装置 - Google Patents

带有扩展浅多边形腔的带腔绝缘体上硅mems压力传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有扩展浅多边形腔的带腔绝缘体上硅MEMS压力传感装置。改进的微机电系统（MEMS）压力传感装置在硅支撑衬底的顶侧上具有扩展的浅多边形腔。二氧化硅埋层被形成在支撑衬底的顶侧与装置层的底侧之间。压电电阻器和结合片被形成并定位在装置层的顶侧上，并且响应对装置层施加的流体压力产生可测量的电压变化。扩展的浅多边形腔的目的在于在缩小MEMS压力传感装置芯片的芯片尺寸的时候改进灵敏度或增加量程、同时保持低的压力非线性，角部金属结合片具有排除距离以防止引线接合器弄坏薄膜。

Description

带有扩展浅多边形腔的带腔绝缘体上硅MEMS压力传感装置
背景技术
微机电系统（MEMS）压力传感装置为人熟知。例如，Kurtz等人的美国专利号4,236,137公开了半导体压力换能器。美国专利号5,178,016和美国专利号6,093,579也公开了固态压力传感器。由本申请的申请人拥有的题为“Semiconductor Sensing Device toMinimize Thermal Noise”的美国专利8,881,596公开了MEMS压力传感装置，并且其全部内容通过引用的方式被并入本文中。
已知MEMS压力传感装置受到压力非线性或“PNL”的“困扰”。PNL是硅膜挠曲的函数。然而，膜挠曲的能力也决定了MEMS压力传感装置检测压力变化的能力。当膜挠曲增加时，输出非线性也增加。例如，见2015年11月19日公开的题为“Pressure Sensor Devicewith High Sensitivity and High Accuracy”的美国授权前公开2015/0330856，其被转让给本申请人并且其全部内容通过引用的方式被并入本文中。
当膜尺寸减小时，MEMS压力传感装置的压力灵敏度变得更成问题。然而，较小的膜以及较小的MEMS压力传感装置能够使MEMS压力传感装置自身以及MEMS压力传感装置待放入其中的包装两者的制造成本降低。用以缩小MEMS压力传感装置的芯片尺寸、同时增加灵敏度并减小PNL的设备和方法将是对现有技术的改进。
发明内容
一种腔绝缘体上硅（CSOI）微机电系统（MEMS）压力传感装置，其包含：在硅支撑衬底的顶侧上并且熔融结合到二氧化硅埋层的底侧的扩展的浅多边形腔，所述二氧化硅埋层被形成在装置层的底侧处，其中，至少4个结合片被形成并定位在所述装置层的顶侧上；所述至少4个结合片与所述扩展的浅多边形腔相距排除距离（keep-out distance）。
附图说明
图1是并入MEMS压力传感装置的现有技术压力传感器的透视图；
图2是图1中绘出的压力传感器的截面图；
图3是在图1和图2中所示的压力传感器的腔内的MEMS压力传感装置和相邻的集成电路的截面图；
图4是惠斯通电桥电路的示意图；
图5是曲线图，绘出了作为输入电压和所施加的压力的函数的理想线性输出电压，并且还绘出了MEMS压力传感装置的压力非线性和灵敏度；
图6是腔绝缘体上硅（CSOI）MEMS压力传感装置的截面图；
图7A是硅支撑衬底的透视图，所述硅支撑衬底是图6中所示的CSOI MEMS压力传感装置的底部衬底，并且在其顶侧上具有扩展的浅多边形腔；
图7B绘出两个矩形形状的凹部，其“相交”以形成扩展的多边形凹部；
图8是图6中所示的CSOI MEMS压力传感装置的“装置层”的顶视图，示出了结合片的位置以及由导电迹线连接到结合片的压电电阻器的位置，所述导电迹线由装置层上的掺杂区域形成；
图9是具有扩展的浅多边形腔的硅支撑衬底的替代实施例的透视图，其角部设置成具有圆角；
图10是被构造成与图9中所示的硅支撑层的替代实施例一起使用的装置层的替代实施例的顶视图；
图11是具有通孔的CSOI MEMS压力传感装置的截面图，所述通孔延伸穿过硅支撑衬底至扩展的浅多边形腔的内部；
图12是硅支撑衬底的透视图，该硅支撑衬底的截面图被示出在图11中；
图13是曲线图，绘出了作为多边形腔的扩展的函数的来自被形成在装置层中的惠斯通电桥的输出电压量程；以及
图14绘出方法的步骤。
具体实施方式
图1是现有技术压力传感器100的透视图。压力传感器100包含总的由附图标记102标示的塑料壳体。
壳体102具有矩形形状的主体104，如图2中所示的MEMS压力传感装置204定位在该矩形形状的主体104中。流体（液体或气体）压力通过端口106施加给MEMS压力传感装置204，所述端口106从如被示出的壳体的外侧延伸至壳体102内的腔（未示出）。
壳体102中的MEMS压力传感装置204将流体压力的变化转换成电压，该电压通过电连接件108被获得，该电连接件108定位在从壳体102向外延伸的大致管状的端口或通道110中。换言之，通过端口106施加给壳体102内的MEMS压力传感装置204的压力在被定位在壳体102的通道110的开口端内的连接终端108处产生可测量的输出电压。
图2是压力传感器100的截面图。进入端口106中的流体201对MEMS压力传感装置204施加压力202，所述MEMS压力传感装置204在壳体102内被定位在兜部206内。压力202及其任何变化通过电压变化检测，电压变化由专用集成电路（ASIC）208测量，该专用集成电路（ASIC）208通过薄的接合线210连接到MEMS压力传感装置204。表示压力变化的电信号通过其它的接合线212从ASIC 208传输到销214，销214延伸到腔216中，并且可通过销214形成到车辆的连接部。
图3是兜部206内部的“近摄”图，更加详细地示出了MEMS压力传感装置204、相邻的ASIC 208以及由在MEMS压力传感装置204与ASIC 208之间延伸的接合线210提供的互连部。MEMS压力传感装置204和ASIC 208通过粘合层304附连到衬底302。
MEMS压力传感装置204通常包含玻璃衬底306，硅衬底308在该玻璃衬底306顶上。硅衬底308按照在以上列举的专利申请（其通过引用的方式被并入）中描述的那样被处理并阳极键合以提供真空腔310，膜312在真空腔310顶上。
利用已知的工艺使膜312在局部区域中“掺杂”，以形成压电电阻器，该压电电阻器未被示出在图3中。压电电阻器以惠斯通电桥拓扑被连接在一起。膜挠曲引起压电电阻器的值变化。当这些值变化时，由它们所形成的惠斯通电桥输出的电压相应变化。
图4绘出了由压电电阻器形成的惠斯通电桥电路400。电路400包含四个压电电阻器402、404、406和408。本文中它们被视为首尾相连且彼此连接，如所示的。
两个相对的节点410和412被视为输入节点。输入节点410和412两侧的输入电压可在其它相对的角部或节点414和416两侧被测量，所述其它相对的角部或节点414和416被视为输出节点。
如果惠斯通电桥电路400的电阻中的任何的值变化，如在电阻的物理大小随着膜挠曲而变化时发生的，则来自输出节点414和416的电压也将变化。被形成到MEMS压力传感装置的膜312中的压电电阻器的电阻的变化将导致来自惠斯通电桥电路的输出电压相应变化。
图5是曲线图500，绘出了作为MEMS压力传感装置的输入压力504的函数的理想、线性输出电压502。图5还绘出了作为输入压力504的函数的实际输出电压506的表现。如在图5中可见的，来自MEMS压力的实际输出电压506不是线性的。满刻度量程（FSS）508是在最低压力P1与最高压力P2下感测到的两个压力输出V1与V2之间的电压差。偏差507是通过从实际输出电压506减去理想线性电压输出502得到的值，所述电压在从P1到P2压力范围中的压力水平下。将压力范围中的最大偏差限定为Δmax 507。由Δmax 507除以FSS 508限定压力非线性或PNL 510。MEMS压力传感装置的PNL通常被表述为满刻度量程的百分比。公知PNL 510随着膜挠曲的增加而增加。
MEMS 压力传感装置的灵敏度由满刻度电压量程508表征，其本领域普通技术人员应认识，压力范围P1-P2两侧上的输出电压V1与V2的差。
现在参考图6，以截面图示出了“腔绝缘体上硅”（CSOI） MEMS压力传感装置600。CSOI MEMS压力传感装置600包含由附图标记602标示的“扩展的浅多边形腔”，其被形成在由单晶硅制成的支撑衬底606的“顶”侧604上。
硅支撑衬底606的顶侧604被熔融结合至二氧化硅薄层610的“底”侧608，所述二氧化硅层610在本文中被称为“隐埋的”。
二氧化硅埋层610具有两个相对的表面或侧，本文中任意地称其为顶表面或顶侧以及底表面或底侧。底“侧”608被熔融结合至硅支撑衬底606的顶侧604。
二氧化硅“埋”层610的顶侧614通过熔融结合被附连到薄的硅“装置层”616。装置层616被这么称呼是因为它在局部区域中被选择性掺杂来形成压电电阻器618。以惠斯通电桥拓扑被连接的压电电阻器优选靠近扩展的浅多边形腔602的外边缘620定位，在该处，装置层616由于所施加的压力的挠曲将使压电电阻器618的变形最大，并因此引起来自所形成的惠斯通电桥电路的输出电压的最大变化。
图7A是硅支撑衬底606的透视图。可见顶侧604中的“X”或十字形状的凹部602。该凹部602在本文中被视为“扩展的浅多边形腔”602，因为当从顶侧604测量时该凹部602相对较浅，并且其包括延伸远离大体方形形状的“中心”凹部的凹部“扩展”。
腔602具有深度622，图6中最佳可见，该深度622从衬底606的顶侧604向下测量至腔602的大体平坦的底部710。腔的深度622优选在约5微米与约30微米之间。因此，至少当与现有技术MEMS压力传感装置中使用的400微米或更深的腔相比时，腔602是相对较浅的。
如图6中所示，二氧化硅“埋”层610使支撑衬底606与装置层616电隔离，但由于二氧化硅“埋”层610附连到装置层616，因此其也将充当装置层616的加强件。因此，二氧化硅层610优选是薄的，即优选在约0.1微米直至约2.0微米之间。为了使挠曲最大并因此使灵敏度最大，装置层616也是薄的，具有在约2.0微米直至约5.0微米之间的厚度。
参考图7B，扩展的浅多边形腔602优选利用深反应离子蚀刻（DRIE）形成，因为DRIE能够产生几乎垂直的侧壁并且蚀刻速率快于离子反应蚀刻（RIE）的蚀刻速率。也可使用湿法蚀刻，比如氢氧化钾（KOH）蚀刻，然而腔壁将稍微倾斜，但是没有另外增加芯片尺寸很多，因为腔是浅的。腔602在本文中被视为具有大体相同于如下的形状：具有大体相同深度的两个大体矩形的腔704和706，其在它们的中点708处或附近彼此“交叉”或相交。因此，交叉的矩形腔限定大体相同于（使人想起）阿拉伯字母“X”或十字（+）的形状。腔602在本文中也被视为“多边形”腔，因为其形状是多边形，公知多边形为由直线界定的闭平面图形。在本文中示出并要求保护的多边形腔602的形状与现有技术MEMS压力传感装置中所使用的腔或凹部的形状不同。
两个矩形的腔704、706的“相交部”限定大体方形形状、居中定位的共同部分710。不同矩形形状的腔704和706也被视为沿相反的方向712、714以及716和718延伸远离方形部分710短的距离。矩形形状的腔超出方形形状的共同部分710的扩展被预先确定，并且由附图标记720和722标示。矩形形状的腔延伸超过或超出方形部分710的距离720和722在本文中被视为矩形形状的腔超过方形形状的共同部分710的“扩展”。如果扩展720和722相同，则十字是对称的。如果不相同，则十字是不对称的。扩展720和722具有边缘724，该边缘724限定扩展的浅多边形腔602的界限。
图8绘出了装置层616的顶视图。装置层包含结合片800，该结合片800通过如下被形成：打开层间介电层（IDL）和钝化层，并且将比如铝的金属淀积到装置层616的局部掺杂的导电区域801上。导电结合片800通过导电迹线804以及结合片800下方的导电区域801的方式电连接到压电电阻器802。通过利用本领域普通技术人员公知的工艺向装置层616的顶表面掺杂，压电电阻器和导电区域801两者以及导电迹线804被形成。
在图8中，由附图标记810标示的虚线是在支撑衬底606的顶侧上的扩展的浅多边形腔602的轮廓线，该扩展的浅多边形腔602处在装置层616的下方。由附图标记812标示的方形的或大体方形形状的线绘出了腔602的大体方形形状的共同部分的边界。
被形成在装置层616中的压电电阻器802在装置层616中被定位在腔602的扩展722上方。为了最高的灵敏度，它们优选靠近扩展的边缘724被定位。
在扩展的浅多边形腔602之上的膜810由装置层616的定位在腔602正上方的部分限定。因此，膜810也由通过附图标记810标示的折线或虚线标示。
图9绘出了硅支撑衬底900的替代实施例。其顶表面902设置有扩展的浅多边形腔904，该扩展的浅多边形腔904与图7A中所示的支撑衬底的不同在于凹进的圆角906的形成，在该凹进的圆角906处原本定位了交叉的矩形腔的相邻的角部908。
图10示出了被形成在图9中所示的支撑衬底900上方的装置层1000的顶视图。就图8中所示的装置层而言，压电电阻器1002靠近腔904的扩展910的边缘1004被形成。对利用图9中所示的衬底形成的CSOI MEMS压力传感装置的计算机建模显示，量程电压从约87毫伏增加达到约93毫伏。因此，图9和图10中所示的替代实施例具有稍微改进的最大量程电压。
图11示出了CSOI MEMS压力传感装置1100的截面图1101，该CSOI MEMS压力传感装置1100构造成感测压力差。膜1101由在扩展的浅多边形腔1108上方的装置层1116和二氧化硅埋层的一部分组成。装置层1116和二氧化硅埋层定位在支撑衬底1102的顶表面1110上。
衬底层1102设置有通孔1104，该通孔1104从支撑衬底1102的底部1106延伸至被形成到支撑衬底顶表面1110中的扩展的浅多边形腔1108。通孔1104允许流体（液体或气体）对膜的“背”侧或底部施加压力。被形成在装置层1116的顶表面1114中的压电电阻的惠斯通电桥电路1112将产生与施加给膜1101的顶侧和底侧的压力的差成比例的输出电压。
图12是支撑衬底1102的透视图，该支撑衬底1102是CSOI MEMS压力传感装置1100的底部衬底并且限定图11中所示的膜1101的尺寸和形状。扩展的浅多边形腔1108靠近两个矩形形状腔原本彼此相交所在的角部具有凹进的圆角1204。通孔1104从底表面1106延伸到腔1108中。
现在参考图13，可优化矩形形状腔的扩展的尺寸，以产生最大量程输出电压。如以上描述的，矩形腔的扩展被视为超过共同部分的距离。计算机建模显示，从200×200um的方形膜的腔的约50微米的扩展使输出量程电压最大，达约87毫伏。伴随着在窄的扩展区域上的更多限制，进一步的扩展没有增加量程，反而减小量程。倒圆角另外使量程稍微改进了约7%达到约94毫伏。
如图14中所示的，形成以上所述及附图中所示的CSOI MEMS压力传感装置的方法包括在硅装置衬底1402的一侧上生长热氧化层。在步骤1404中，蚀刻硅支撑衬底，优选通过离子反应蚀刻，因为DRIE形成的腔的侧壁相对较为垂直或笔直并且蚀刻速率快于RIE。
在蚀刻硅支撑衬底以形成扩展的浅多边形腔之后，在步骤1406处，将支撑衬底熔融结合至硅装置衬底，热氧化层在它们中间。因此，热氧化层被视为“隐埋”在支撑衬底与生长氧化层的硅装置衬底之间。
在将硅装置衬底和氧化埋层结合到支撑衬底之后，在步骤1408处，蚀刻装置衬底或使装置衬底变薄成薄层，在此之后，在步骤1410处，在装置层的顶表面上形成压电电阻器、导电区域、导电迹线、结合片。
以上描述仅出于示例的目的。本发明的真正范围被陈述在所附的权利要求中。

Claims (10)

1.一种腔绝缘体上硅（CSOI）微机电系统（MEMS）压力传感装置，其包含：
在硅支撑衬底的顶侧上并且熔融结合到二氧化硅埋层的底侧的扩展的浅多边形腔，所述二氧化硅埋层被形成在装置层的底侧处，其中，至少4个结合片被形成并定位在所述装置层的顶侧上；所述至少4个结合片与所述扩展的浅多边形腔相距排除距离，
所述压力传感装置还包括位于所述浅多边形腔上方的膜，且所述膜设置有压电电阻器，
其中，所述扩展的浅多边形腔包含两个矩形的腔，所述两个矩形的腔具有相同的深度并且在两个腔的中点处或附近彼此交叉，所述膜具有由所述多边形腔的形状限定的形状以及与所述多边形腔的尺寸相等的尺寸。
2.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述扩展的浅多边形腔具有在五微米至三十微米之间的深度，所述深度从所述硅支撑衬底的顶侧测量。
3.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述二氧化硅埋层具有0.1微米至2.0微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述装置层具有2.0微米至5.0微米的厚度。
5.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述两个矩形的腔彼此相交以限定所述多边形腔的方形形状的共同部分，两个矩形腔中的每个沿相反的方向向外延伸超过所述共同部分预定的距离，所述预定的距离限定所述矩形的腔的超过所述共同部分的扩展。
6.根据权利要求5所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述压电电阻器在所述膜中被定位在所述矩形腔的所述扩展上方。
7.根据权利要求6所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述压电电阻器在所述膜中被定位在所述矩形腔的所述扩展的边缘上方。
8.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，在交叉的矩形腔的相邻角部之间的所述硅支撑衬底的材料被去除以形成凹进的圆角，所述凹进的圆角延伸到所述腔中。
9.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述两个矩形的腔是不对称的。
10.根据权利要求1所述的腔绝缘体上硅微机电系统压力传感装置，其中，所述硅支撑衬底还包含通孔，所述通孔从所述硅支撑衬底的底侧穿过所述硅支撑衬底延伸到所述扩展的浅多边形腔，用于压力差感测。
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