CN1105908C - 微力学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微力学传感器，其中，在一种衬底的体硅层(3)上设置了膜片层(5)。在衬底的背面上有一个缺口(9)，该缺口通过体硅层中的各开口(10)与膜片和体硅层之间的空腔(6)相连。因此，当膜片层(5)偏移时，通过这些开口(10)可以实现空腔中的压力平衡。通过定量掺杂的膜片层(5)和在体硅层(3)中构成的掺杂区(8)的电气连接(12，13)电容性地进行测量。

Description

微力学传感器
对于不同的应用场合各种大大微型化的传感器是受欢迎的，人们借助这些传感器可以测量压力差和压力波动。例如当要确定一个封入在一个第一容积中的气体与一个封入在一个第二容积中的气体相比的相对压力时，才可考虑采用来作为用于测量压力差的相对压力传感器。在一种这样的情况下可以分别测量在这些气体容积中存在的两种压力，并且互相比较这些绝对测量。但是当同一个压力传感器与两个气体容积处于连接中时和存在的压力差因此立即对由此传感器提供的各测量值有影响时，此测量则变得特别简单和合理。
这样传感器的一种其它应用可能性是测量短时压力波动，尤其是声波的测量，此传感器对于这些声波则是一种用于将声波转换为电信号的声音转换器，意即传声器。约从12年来将各种传声器制作为硅制微力学元件。在传感器与传动装置 A44，1-11页(1994)的P.R.Scheeper及其它著者的概论文章：“硅传声器评论”中包含了发展的概况。当在一种CMOS方法的范围中制作为传声器控制电路设置的这些电子元件时，即使对此过程兼容地制作传声器的各微力学组件时，这也是有利的。如果对此传声器相对于固定地设置在芯片上的对应电极而设置导电传声器膜片的容性测量的话，迄今采用两个互相连接的芯片。带有膜片的微力学传感器结构位于其中之一的芯片上，在其另外的芯片上设置了对应电极。例如在传感器与传动装置 A，231，149至152页(1992)的T.Bourouina及其它著者的发表物：“带P+硅膜的新型容性传声器”里描述了这样的传声器。
在微力学传声器上产生的一种问题在于，只能微小地偏移各种小的膜片，并且因此对空气压力波动显示出微小的灵敏度。此外，由于不能足够迅速和强烈地压缩空气，介于各测量电极之间的空气是膜片的强大阻尼。由此降低了传声器的灵敏度。因此有必要使得各测量电极间的空气的压力平衡成为可能。
本发明的任务是说明一种用于确定压力差或压力波动的微力学传感器，这种传感器是可简单制造的并且能以简单方式与电子控制电路连接。
此任务通过本发明的具有下述特征的传感器解决的：在带有体硅层、绝缘层和块状硅层的SOI衬底上的微力学传感器，其特征在于，
-一个间隔层存在于体硅层上，而在此间隔层上存在一个膜片层，
-为了构成一个膜片在此间隔层中存在一个空腔，以致于在膜片层的形成此膜片的一个区域中去除了此间隔层，
-在形成膜片的区域的至少一个部分中导电地构成了此膜片层，或者此膜片层是用一个导电层配备的，并且存在着电气连接用的一个所属的接点，
-在体硅层中膜片的针对各层平面的垂直的投影图中构成了一个掺杂区，并且存在着一个电气连接用的所属接点，
-在膜片的针对各层平面垂直的投影图中去除了绝缘层的材料和块状硅层的材料，使得在那里存在一个缺口，并且
-在膜片的针对各层平面垂直的投影图中体硅层具有使空腔与缺口连接的各开口。
根据本发明的一个方面，用于运行此传感器的电子电路的各元件(11)是一体化在体硅层中的。
根据本发明的另一个方面，在衬底上存在另一个传感器作为参照传感器，其中，在该另一个传感器中间隔层(4)的至少一部分也是存在于构成膜片的膜片层的区域中，并且防止了膜片的偏移，否则，该另一个传感器的微力学结构与该传感器的微力学结构一致。
按本发明的传感器采用一个SOI衬底，在此SOI衬底上一个较厚的块状硅层是通过一个例如可以是氧化硅的绝缘层从一个薄的体硅层隔开的。传感器膜片是在体硅层之上设置在一个具有空腔的间隔层上的，此空腔能使膜片振动。此空腔是通过体硅层中的各开口和绝缘层和块状硅层中的一个大缺口与环境连接的，以致能进行压力平衡。因此在由于空气通过体硅层中的各开口流入和流出而引起膜片的偏移时可以放大或缩小封入膜片之下的空气容积，而不会出现重大的压力变化。因此在此传感器上此膜片是仅微弱阻尼的。由此提高了传感器的灵敏度，使得传感器适合于应用在传声器中。当要测量膜片之上和膜片之下的介质之间的压力差时，同样可采用此传感器结构作为相对压力传感器。膜片的背面由于通向空腔的各开口也可受到外界的空气压力，由此使这一点成为可能。
以下用附图更确切地说明按本发明的传感器。在此图中以截面图表示了一种按本发明的微力学传感器，作为实例此传感器是与一个MOSFET一体化的。例如可以在CMOS处理的范围中制作此MOSFET。
所采用的SOI衬底包括一个优选为硅的和称为块状硅层1的厚的载体层。一个优先为二氧化硅的绝缘层2位于其上。为了制作这些元件设置了位于其上的，所谓体硅层3的薄硅层。一个承载着膜片层5的间隔层位于此体硅层3上。一种能使膜片振动的空腔6位于此间隔层中。此膜片7是由膜片层5的一个区域形成的，此区域是向外开放的和因此可以受到外界的空气压力。此间隔层4优先是一种相对于膜片层5的材料可选择地刻蚀的材料。当膜片层5为(晶体的)硅或多晶硅时，则优先由氧化硅制作该间隔层。然后此间隔层可以是一个在体硅层3的上侧面上的由局部热氧化(LOCOS)制作的氧化层在间隔层4和安放于其上的膜片层5之间可以设置一个薄的TEOS层。
一个掺杂区8是构成在体硅层3中的。要么导电地掺杂膜片层5要么用例如汽相渗镀金属层的薄而导电的其它层配备此膜片层5。在掺杂区8和膜片层5上设置了作为接点12、13的各电气接头用于容性测量。当膜片7振动和因此改变其对作为对应电极起作用的掺杂区8的距离时，传感器的电容在改变。借助连接的分析电路，当施加电压到各电极上时，可将此电容变化转换成可测量的电信号(电压、电流)，例如转换成由电容变化引起的电流。
在膜片的垂直于层平面的投影图中在膜片的背面存在一个缺口9。由块状硅层1中和绝缘层2中的一个开口形成了此缺口9。将膜片下的空腔6与此缺口9连接的各开口10位于体硅层3中。这些开口10是如此之大和如此之多，以致于通过空气或其它气体穿过这些开口10流进或流出可以在空腔6中实现对于此种应用场合足够良好的压力平衡。为了表明微力学传感器与同一衬底上的各电子元件的可能的一体化，在图中作为实例画入一个MOSFET 11。因此在CMOS处理的范围内可以与同一芯片上的按本发明的传感器一体化地制作控制电路所需的这些组件。
在制作此传感器时从SOI衬底出发。通过已经在开始时将各孔刻蚀进体硅层3中可以以简单的方式制作应在体硅层中制作的这些开口10，这些孔向下一直延伸到绝缘层2并用二氧化硅填满这些孔。制作例如通过掺杂物扩散进去的掺杂层8和为间隔层4的制作而设置的辅助层(牺牲层)。最好通过用LOCOS将体硅层3的上侧面氧化成氧化硅的办法来制作辅助层。必要时析出一个薄的TEOS层到此辅助层的上侧面上，并在此上安放一个多晶硅层。优先不厚于1μm地制作为膜片而设置的这个多晶硅层。当此层仅约为500nm厚时，传感器的灵敏度则相对地提高。例如可在一个过程步骤中与为MOSFET设置的各栅电极一起析出膜片层5的多晶硅，以传统方式(以传统VLSI处理，CMOS处理)制作体硅层中的这些电子元件。例如用BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)平面化各元件的上侧面。在此平面化层中制作各接点孔，并且为了各单个要连接区域的电气连接用接点金属充填这些接点孔。制作和结构化由各电介层互相隔开的不同的金属化平面。
随后从背面来加工衬底。例如借助合适的光刻技术在传感器范围中刻蚀出块状硅层1。例如借助KOH可相对于SiO2选择性地去除硅。优先为SiO2的绝缘层2则对此刻蚀过程起刻蚀停止的作用。当为此缺口9从块状硅层1中刻蚀出应去除的硅时，去除此SiO2和在各应制作的开口10中置入的各SiO2成分。例如用氢氟酸(HF)对硅选择性地进行此去除。可以与此刻蚀步骤一起制作此空腔6。然后通过在此起刻蚀开口作用的各开口10去除辅助层的目前存在于空腔6的范围中的二氧化硅。替代于此，可以在平面化体硅层3的上侧面之前用BPSG刻蚀膜片层5中的，尤其是在所要制作空腔6的范围中的各刻蚀开口，并且在采用这些刻蚀开口的条件下制作此空腔6。要安置的平面化层则同时用作封闭层，用此封闭层封闭膜片层中的各刻蚀开口。也可将一个例如可以是金属的单独的封闭层安放到膜片层上。在设置这样的金属层作为封闭层的情况下，膜片的多晶硅可以保持未被掺杂，因为然后可将此金属封闭层用作为容性测量用的电极。基于在一种这样VLSI处理中可以制作的这些极其薄的层，该传感器拥有一种尤其在用作传声器时有利的高度灵敏性。
所说明的传感器也可用作为相对压力传感器。然后在两个独立气体容器之间安放带传感器的芯片。位于这两个容器中的这些气体则各自仅与膜片的上侧面或下侧面处于接触之中。这也适合于用作相对压力传感器，用于探测膜片前面之前的气体相对于膜片背面之后气体中的各种短时压力变化。因此此传感器例如适合于探测各种冲击波。在传感器用作各种液体中的相对压力传感器时应相应地适配各开口10的尺寸。为了能采集膜片的往衬底方向去的(膜片的前面上的超压)或从衬底离开的(膜片背面上的超压)偏移，在相对压力传感器上优先在同一芯片上一体化一个同样结构化的第二传感器。在此起参照传感器作用的第二传感器上这些微力学组件的结构是相同于为此测量而设置的传感器的结构。但是例如通过在空腔6中仍保留的下辅助层的余下部分避免了该参照传感器膜的偏移。在极端情况下可以取消此空腔而完全由间隔层4代替此空腔。由于由掺杂区8和膜片7所形成电容器的电介常数的由此决定的变化却建议尽量多地去除间隔层4的材料，并且仅留下一个或少数的残余量用于支承空腔6的膜片7。此膜片由此固定在正常位置上，意即在传感器前面和背面上的相同大的压力下的自由活动膜片所占有的位置上。通过与此参照传感器电容量的比较可以确定在为测量而设置的传感器上的膜片偏移。在采用比较简单的控制电路条件下可以以此方式很准确地探测一侧的超压。

Claims (3)

1.在带有体硅层(3)、绝缘层(2)和块状硅层(1)的SOI衬底上的微力学传感器，其特征在于，
-一个间隔层(4)存在于体硅层上，而在此间隔层上存在一个膜片层(5)，
-为了构成一个膜片在此间隔层中存在一个空腔(6)，以致于在膜片层的形成此膜片(7)的一个区域中去除了此间隔层，
-在形成膜片的区域的至少一个部分中导电地构成了此膜片层，或者此膜片层是用一个导电层配备的，并且存在着电气连接用的一个所属的接点(12)，
-在体硅层中膜片的针对各层平面的垂直的投影图中构成了一个掺杂区(8)，并且存在着一个电气连接用的所属接点(13)，
-在膜片的针对各层平面垂直的投影图中去除了绝缘层的材料和块状硅层的材料，使得在那里存在一个缺口(9)，并且
-在膜片的针对各层平面垂直的投影图中体硅层具有使空腔与缺口连接的各开口(10)。
2.按权利要求1的传感器，其特征在于，用于运行此传感器的电子电路的各元件(11)是一体化在体硅层中的。
3.按权利要求1或2的作为相对压力传感器的传感器，其特征在于，在衬底上存在另一个传感器作为参照传感器，其中，在该另一个传感器中间隔层(4)的至少一部分也是存在于构成膜片的膜片层的区域中，并且防止了膜片的偏移，否则，该另一个传感器的微力学结构与该传感器的微力学结构一致。
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