CN112384779A - 微机械压力传感器设备和相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械压力传感器设备和一种相应的制造方法。微机械压力传感器设备配备有：传感器衬底(SS)；锚固在所述传感器衬底(SS)中的膜片组件，该膜片组件具有第一膜片(M1)和与该第一膜片间隔开的第二膜片(M2)，它们在边缘区域(R；R”)中环绕地相互连接并且在形成在它们之间的内部空间(IR)中包含参考压力(P0)；和悬挂在所述内部空间(IR)中的板形的中央电极(E1)，该中央电极相对于所述第一膜片(M1)并且相对于所述第二膜片(M2)间隔开地布置，并且该中央电极与所述第一膜片(M1)形成第一电容并且与所述第二膜片(M2)形成第二电容。所述第一膜片(M1)和所述第二膜片(M1)构型成，使得它们能够在加载以外部压力(PA；PA、PA’)时朝向彼此变形。

Description

微机械压力传感器设备和相应的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械压力传感器设备和一种相应的制造方法。
背景技术
虽然可以应用于任意的微机械压力传感器设备，但本发明和基于本发明的问题参照基于硅的微机械压力传感器设备进行阐释。
在现有技术中已知具有可变形膜片的电容式微机械压力传感器设备，所述膜片具有全面环绕的膜片张紧装置，其中，膜片的偏移借助于在位于下方的衬底上的电极以电容的方式确定。在这种压力传感器设备中，膜片和固定锚固在衬底上的电极形成电容器结构，借助于该电容器结构可以测量在膜片和电极之间由于作用到膜片上的压力而引起的距离变化。因此，通过确定在膜片和电极之间的电容可以表明作用在膜片上的压力。
这种压力传感器设备通常对于耦入到膜片中的、例如通过制造过程决定的应力敏感地起反应。此外，这些压力传感器设备对于在传感器表面上的湿气敏感地起反应，例如通过形成不期望的寄生电容，因此这些压力传感器设备通常必须借助在膜片上的凝胶板运行。
US 5,332,469公开了一种具有传感器电容和参考电容的压差传感器，所述传感器电容和参考电容在侧面相邻地布置在传感器衬底中。
US 6,159,762公开了一种用于微机械压力传感器设备的制造方法，其中，应用牺牲层蚀刻过程来使膜片悬置。
US 5,450,754公开了一种压力传感器，在所述压力传感器中设置有膜片组件，所述膜片相邻地布置在传感器衬底中。
发明内容
本发明实现一种根据权利要求1的微机械压力传感器设备和相应的根据权利要求12的制造方法。
优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。
本发明能够实现，提供电容式微机械压力传感器设备，该电容式微机械压力传感器设备具有高湿气不敏感性/抗性，具有与围绕的传感器衬底非常好地应力解耦的膜片并且具有高敏感性。
本发明的核心是悬置的或张紧的膜片结构，在该膜片结构中中央电极位于两个可变形的膜片之间。两个膜片包围中央电极并且因此同样形成压力罐。在中央电极的区域外部，两个膜片平面接触，从而得出以下结构，在该结构中中央电极完全由围绕的膜片机械地和电地包围。
在该结构中，在压力加载的情况下两个膜片偏移。由此，相比于通常的仅一个膜片偏移的压力传感器设备，可以通过相同的膜片尺寸实现双倍大的电容变化。因此，由于本发明可能的是，在电容式压力传感器的膜片尺寸相同的情况下实现近似双倍大的敏感性或者在仅近似一半大的膜片面积的情况下实现相同的敏感性。通过膜片结构的悬置和仅区域式或单侧实施的张紧，还可以实现相对于压力传感器设备的围绕的材料的最大应力解耦。这又具有以下优点，例如由于结构和连接技术的类型耦入到压力传感器设备中的应力不被传递到膜片中并且不导致变形，所述变形扭曲压力测量结果。
通过中央电极借助两个膜片(由上膜片和下膜片组成)的全面包围，在压力传感器设备的灵活结构中可能的是，所有接触介质的部分敷设有相同的电势、例如接地。这具有以下优点：不会出现在具有不同电势的结构上的电化学反应和寄生电容。由于膜片结构的特定构造，还可能的是，在例如通过胶化(Vergelen)合适地保护键合垫的情况下，使膜片结构直接例如暴露给水或另外的液体。不再需要膜片例如通过大面积的凝胶板的保护，如在传统的压力传感器中部分需要的那样。
此外，本发明可以通过仅仅小的过程变型实施为OMM变型方案或块状(Bulk)硅变型方案。当压力传感器更频繁地暴露于剧烈变换的(干/潮湿/湿)介质时，后面的变型方案是有利的(更好的干燥特性)。
根据优选扩展方案，膜片组件基本上悬置地布置并且通过至少一个在侧面远离膜片组件延伸的延长区域锚固在传感器衬底中。因此，能够实现有效的应力解耦。
根据另外的优选扩展方案，膜片组件具有柱形结构，其中，设置有第一延长区域和第二延长区域，所述第一延长区域和第二延长区域在切向上在侧面远离膜片组件地延伸并且在直径上彼此相对置。这具有以下优点：在锚固部热膨胀时仅会出现膜片组件的略微扭转，但不会出现应力耦入。
根据另外的优选扩展方案，中央电极悬置地布置并且通过所述至少一个延长区域锚固在传感器衬底中。通过悬置的锚固可以实现中央电极与压力传感器设备的围绕的材料的最大化的应力解耦。
根据另外的优选扩展方案，中央电极通过张紧区域至少区域式地张紧在内部空间中。这有助于中央电极的稳定。
根据另外的优选扩展方案，膜片组件在边缘区域处通过至少一个弹性弹簧装置张紧在传感器衬底中。这有助于膜片组件的稳定。
根据另外的优选扩展方案，第一膜片和第二膜片通过边缘区域能导电地相互连接。
根据另外的优选扩展方案，第一膜片和第二膜片通过边缘区域电绝缘地相互连接。
根据另外的优选扩展方案，第一膜片通过腔朝向传感器衬底的第一侧或第二侧地向外露出并且第二膜片朝向传感器衬底的第二侧地向外露出。
根据另外的优选扩展方案，第一膜片通过电绝缘的连接区域与中央电极连接，使得中央电极可以在以外部压力加载第一膜片时与第一膜片共同地变形并且由此形成参考电容。
根据另外的优选扩展方案，第二膜片通过电绝缘的连接区域与中央电极连接，使得中央电极可以在以外部压力加载第二膜片时与第二膜片共同地变形并且由此形成参考电容。
根据另外的优选扩展方案，在侧面与膜片组件间隔开地形成在传感器衬底中的单独的参考电容。
附图说明
下面参照实施方式结合附图阐释本发明的另外的特征和优点。
在附图中：
图1a)至k)示出用于阐释根据本发明的第一实施方式的用于微机械压力传感器设备的制造方法和相应的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图2a)、b)示出根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图，其中，图2b)示出图2a)的局部放大图；
图3a)至d)示意性示出用于阐释根据本发明的所述实施方式的微机械压力传感器设备的不同锚固变型方案的水平横截面视图；
图4示出根据本发明的第三实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图5a)在d)示出用于阐释根据本发明的所述实施方式的微机械压力传感器设备的不同张紧变型方案的示意性垂直横截面视图；
图6示出根据本发明的第四实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图7示出根据本发明的第五实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图8示出根据本发明的第六实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图9a)至d)示出用于阐释根据本发明的第七实施方式的用于微机械压力传感器设备的制造方法和相应的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图10示出根据本发明的第八实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；
图11示出根据本发明的第九实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图；和
图12示出根据本发明的第十实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表明相同的或功能相同的元件。
图1a)至k)是用于阐释根据本发明的第一实施方式的用于微机械压力传感器设备的制造方法和相应的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
根据图1a)，在基础衬底S、例如硅衬底上构造有或沉积有第一绝缘层O1、例如氧化硅层。在第一绝缘层O1上沉积有第一导电层P1、例如多晶硅层，这例如可以通过LPCVD方法实现。随后将第一导电层P1这样结构化，使得产生导体轨结构或另外的结构。
下面将第二绝缘层O2、例如氧化硅层沉积到该层复合部上。在下面的过程步骤中，将第一绝缘层O1和第二绝缘层O2通过标准蚀刻方法、例如等离子蚀刻或湿蚀刻结构化。在此，有利的是选择以下蚀刻方法，该蚀刻方法相对于第一导电层P1并且相对于基础衬底S、即在此关于硅具有高蚀刻选择性。在结构化第一和第二绝缘层O1、O2时形成孔L1至L5，所述孔用于将接下来的层P2连接到相应的位于所述层下方的层上，即在这里孔L1、L2用于连接到基础衬底S上并且孔L3、L4、L5用于连接到第一导电层P1上。
根据图1b)，在第一和第二绝缘层O1、O2结构化之后将第二导电层P2、例如多晶硅层沉积在根据图1a)的结构上面并且结构化。该第二导电层P2一方面用于产生横向的蚀刻停止结构ES(参见图1g)和1j))，另一方面用于第一导电层P1的电连接并且也用于产生下面的第一膜片M1。
在结构化第二导电层P2时形成孔L6至L12，所述孔在下面的过程步骤中要填充以第三绝缘层O3。
按照应用情况可以有利的是，第二导电层P2具有多个微米的厚度。为了实现这种方案，可以在当前示例中将另外的多晶硅层外延地施加到由多晶硅组成的第二导电层P2上并且同时与位于所述另外的多晶硅层下方的第二导电层P2结构化。该可选的外延施加的另外的多晶硅层也可以由多次单独沉积制造，以便使对于第一膜片M1的层应力和之后的弯曲的影响最小化。
此外，参照图1c)，在结构化的第二导电层P2上沉积第三绝缘层O3并且使所述第三绝缘层结构化。在结构化第三绝缘层O3时形成孔L13至L19，所述孔一方面用于另外地构造横向的蚀刻停止结构ES(L13和L14)，另一方面用于构造电接触结构(L15至L19)。
如在图1d)中示出，在第三绝缘层O3的结构化之后进行第三导电层P3、例如同样为多晶硅层的沉积和结构化。在结构化时，蚀刻停止结构ES和电接触结构延续。尤其由第三导电层P3形成中央电极E1。在这里，第三导电层P3的形成也可以可选地包括借助于另外的外延施加的多晶硅层的增厚。在中央电极E1中设置有蚀刻孔V1，所述蚀刻孔在之后应能够实现，在中央电极E1下方移除第三绝缘层O3。通过蚀刻孔V1的位置可以进一步影响，在移除绝缘层时蚀刻前部如何并且在哪里相互接触并且绝缘层O3的移除如何局部地实现。以该方式能够有针对性地控制中央电极E1的之后的悬置。
如在图1e)中示出，将第四绝缘层O4沉积到结构化的第三导电层P3和露出的第三绝缘层O3上并且结构化所述第四绝缘层，该第四绝缘层例如同样由氧化硅组成。在结构化时形成孔L20至L25，所述孔用于横向的蚀刻停止结构ES(L20、L21)的延续并且用于电接触部(L22至L25)的延续。
参照图1f)，然后将例如同样由多晶硅组成的第四导电层P4沉积在结构化的第四绝缘层O4上。
第四导电层P4同样用于蚀刻停止结构ES和电接触部的延续以及也用于上面的第二膜片M2的制造。如在之前描述的导电层P2和P3中那样，第四导电层P4也可以借助于另外的外延施加的多晶硅层增厚。
在第二膜片M2内部又设置有蚀刻孔V2，所述蚀刻孔能够借助于标准过程、如HF气相蚀刻实现第二膜片M2以及中央电极E1的下部蚀刻，以便在相关区域中移除第三绝缘层O3和第四绝缘层O4。
下部蚀刻步骤在图1g)中示出。通过下部蚀刻步骤得到在一个空间中悬置的中央电极E1，该空间基本上由第一膜片M1、第二膜片M2和横向的蚀刻停止结构ES限界。
在图1h)中示出的随后的过程步骤中，在第四导电层P4上沉积例如同样由多晶硅组成的第五导电层P5，由此封闭蚀刻孔V2并且因此封闭内部空间IR(参见图1k))，中央电极E1位于该内部空间中。在该步骤中可以在内部空间IR中包含预先确定的参考压力P0，如之后详细阐释的那样。可选地能够通过另外的外延施加的多晶硅层增厚第五导电层P5(参见上文)。
为了避免在第二膜片M2和中央电极E1之间形成可能的短路，在该步骤中可能有利的是，通过沉积例如由氧化硅和/或氮化硅组成的绝缘层和/或通过沉积外延的多晶硅层实现蚀刻孔V2的封闭。
如果作为用于蚀刻孔V2的封闭层使用一个绝缘层或多个绝缘层的组合，那么所述绝缘层之后可以被结构化或平面化并且借助由多晶硅组成的第五导电层P5整面地遮盖。
作为蚀刻孔V2尤其有利的是在上面的膜片M2中的具有小横向尺寸的蚀刻孔，因为通过在施加外延的多晶硅层时的高沉积速率可以快速地封闭该蚀刻孔并且由此可以简单地避免短路。在借助绝缘层封闭蚀刻孔V2时也有利的是具有小横向尺寸的蚀刻孔，因为由此实现孔的快速封闭并且可以避免在膜片M2和中央电极E1之间的机械连接。
如在图1i)中示出，在封闭蚀刻孔V2之后进行例如由铝组成的键合垫金属化部的沉积和结构化，以用于形成键合垫B1、B2。在该过程步骤或随后的过程步骤中，还可以结构化第四和第五导电层P4、P5，以便在以下区域中形成孔L30、L31和L32，所述区域为了具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件的之后的悬置是必需的并且所述区域为了中央电极E1的电连接部AE和第二膜片M2的电连接部AM的悬置是必需的。
参照图1j)，从基础衬底S的一侧开始在具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件的区域中进行基础衬底S的沟槽蚀刻，以便设置腔KR。然而该沟槽蚀刻步骤是可选的。
最后，参照图1k)，在具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件下方可选地形成腔KR之后，在蚀刻停止结构ES的区域中移除露出的第一至第四绝缘层O1、O2、O3、O4，在膜片组件M1、M2下方移除第一和第二绝缘层O1、O2，并且可选地在电连接部AE、AM的区域中在孔L31、L32内部移除第二、第三和第四绝缘层O2、O3、O4。这同样可以借助于标准过程、如HF气相蚀刻、湿蚀刻或者等离子蚀刻实现。
横向的蚀刻停止结构ES有助于，在层复合部中移除第一至第四绝缘层O1至O4的仅精确限定的氧化硅区域。
因此，图1k)示出完成的根据第一实施方式的微机械压力传感器设备，其中，涉及绝对压力传感器设备，该绝对压力传感器设备构型成用于感测外部压力PA，该外部压力相对于在膜片组件M1、M2的内部空间IR内部的参考压力P0起作用。
具有第一膜片M1和第二膜片M2的膜片组件M1、M2基本上悬置地布置并且仅通过在侧面远离膜片组件M1、M2延伸的延长区域VL锚固在传感器衬底SS中，其中，传感器衬底SS表明在图1k)中整个示出的组件。锚固区域标有附图标记VA1、VA2、VA3，其中，第一锚固区域VA1包含到基础衬底S上的电连接部，第二锚固区域VA2形成到第一导电层P1上的电连接部并且第三锚固区域VA3形成到第二绝缘层O2上的机械的电绝缘的连接部。
在边缘区域R中，第一膜片M1和第二膜片M2环绕地相互连接并且同样能导电地相互连接，使得所述第一膜片和第二膜片处于相同的电势上并且因此形成具有悬挂在内部空间IR中的板形的中央电极E1的折叠的电容器组件，该中央电极相对于第一膜片M1和第二膜片M2间隔开地悬挂并且与第一膜片形成第一电容并且与第二膜片M2形成第二电容。
第一膜片M1和第二膜片M2这样构型，使得所述第一膜片和第二膜片可以在加载以外部压力PA时朝向彼此变形(虚线)，由此在压力加载时得出仅在单个膜片时的两倍大的电容变化，而不明显增大结构空间。
膜片组件M1、M2的边缘区域R相对于围绕的传感器衬底SS的边缘区域R’通过中间空间Z1间隔开。
键合垫B1用于第一和第二膜片M1、M2的电接触，所述第一和第二膜片能导电地相互连接，并且键合垫B2用于中央电极E1的电接触。
在该实施方式中，基础衬底S与第一膜片M1能传导地连接，然而，如果在期望的情况下可以通过设置第一绝缘层O1的另外的绝缘区域使该连接电绝缘地进行。
图2a)、b)是根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图，其中，图2b)示出图2a)的局部放大图。
在第二实施方式中，设置有相比于第一实施方式改型的蚀刻停止结构ES’，该蚀刻停止结构在第一导电层P1上方仅由第四和第五导电层P4、P5形成。由此能够减小在键合垫B2和第一导电层P1之间的供应电阻。原则上也可以考虑，在键合垫B2下方移除第五导电层P5，使得仅第四导电层P4用作为通向第一导电层P1的电供应轨。
此外，第二实施方式相对于第一实施方式的区别在于第一膜片M1’、第二膜片M2’和中央电极E1’的构造。这尤其在图2b)中示出，该图示出图2a)的所示出区域VD的局部放大图。
第一膜片M1’由导电层P2a和导电层P2b形成，第二膜片M2’由第四导电层P4、另外的导电层P5a和另外的导电层P5b形成，并且中央电极E1’由导电层P3a和另外的导电层P3b形成。
导电层P2a、P2b或P3a、P3b或P4、P5b、P5b布置成嵌入在附加层ZW或层组合部之间，所述附加层例如包括氧化硅、氮化硅、碳化硅等并且所述附加层有助于影响各个层堆叠的弯曲，以便产生尽可能平面的层堆叠。为了能够确保在相邻的导电层之间的电连接，还可以结构化附加层ZW。在图2b)中示出的层和层组合部的数量示例性地理解并且可以任意地扩展。
图3a)至d)是用于阐释根据本发明的所述实施方式的微机械压力传感器设备的不同锚固变型方案的示意性水平横截面视图。
尤其地，在图3a)至3d)中示出各个中央电极E1、E1”、E1”’或E1””的横截面。
图3a)相应于在图1k)中示出的组件，其中，具有第一和第二膜片M1、M2的柱形的罐形膜片组件和中央电极E1通过延长区域VL成角度地引导至锚固区域VA1、VA2和VA3。这能够实现相对于围绕的传感器衬底SS的有效的应力解耦。
根据图3b)，膜片组件同样具有如根据图3a)那样的构造，然而设置有第一延长区域VL1和第二延长区域VL2，它们在切向上远离具有第一和第二膜片M1”、M2”的膜片组件延伸。中央电极E1”也具有相应的延长部。根据图3b)，仅中央电极E1”的延长区域VL1电连接到第一导电层P1上。延长区域VL1、VL2在直径上彼此相对置。
具有第一和第二膜片M1”、M2”的膜片组件的切向连接具有以下优点：在锚固部VL1、VL2热膨胀时仅会出现膜片组件的稍微扭转、但不会出现应力耦入。
在根据图3c)的实施变型方案中，具有第一和第二膜片M1”’、M2”’的膜片组件的延长区域VL1如根据图3b)的延长区域VL1那样构型，但在延长区域VL2中中央电极E1”’不引导至锚固部，而是所述锚固部通过第一和第二膜片M1”’、M2”’的层实现。
最后，在第四实施变型方案中，延长区域VL1与根据图3b)的那一个延长区域那样构型，但是相比于图3b)中央电极E1””中断并且具有不点连接的区域VE，这在过程技术上可以带来优点。
膜片M1””、M2””同样通过延长区域VL1、VL2悬置，如结合图3a)所述那样。
膜片组件的切向连接部的数量不局限于在图3b)至3d)所示出的锚固部VL1和VL2，而是可以包括任意的数量。
图4是根据本发明的第三实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
第三实施方式与第一实施方式的区别在于，中央电极E1通过张紧区域EE张紧在内部空间IR中，即不无支承地悬置。张紧区域EE包括蚀刻的第三和第四绝缘层O3、O4的剩余部分。具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件的边缘区域R也不悬置、而是通过省去中间空间Z1闭合，使得在该实施方式中需要腔KR，以便对第一膜片M1加载以外部压力PA。通过压力传感器芯片的合适构造进一步可能的是，也对膜片M2加载以压力PA，以便实现压力敏感性的加倍。
此外，在中央电极E1的下侧上布置有突起部N1并且在第二膜片M2的下侧上布置有第二突起部N2，所述突起部应防止第一膜片M1粘在中央电极E1上并且防止第二膜片M2粘在中央电极E1上。
在该实施方式中，也不移除在电连接部AE、EM的区域中的第三和第四绝缘层O3、O4。
在其他方面第三实施方式相应于上面描述的第一实施方式。
张紧区域EE可以是环绕的或者局部延伸的。通过所述张紧区域能够减小在中央电极E1和膜片M1、M2之间的例如由于压力传感器设备的加速所导致的相对运动。
在张紧区域EE的环绕构型中，根据第三实施方式的压力传感器设备也作为压差传感器运行(对此也参见图6))。
图5a)至d)是用于阐释根据本发明的所述实施方式的微机械压力传感器设备的不同张紧变型方案的示意性垂直横截面视图。
在图5a)至d)中的示图示出，具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件可以要么部分地要么环绕地张紧在上述中间空间Z1内部。为了张紧使用相应的弹性弹簧装置F1、F2、F3或F4。根据图5a)的弹簧装置F1梯级形地实施，而根据图5b)的弹簧装置F2仅通过第二导电层P2形成。根据图5c)的弹簧装置F3通过第四和第五导电层P4、P5形成，并且根据图5d)的弹簧装置F4通过第三导电层P3形成。
当然，也可以考虑所示出的弹簧装置F1至F4的组合或另外的几何构造。
为了制造弹簧装置F1至F4需要附加的合适结构化的蚀刻停止结构，如上所述。
因为弹簧装置F1至F4由导电层P1至P5的多晶硅制造，通过所述弹簧装置也可以考虑第一和第二膜片M1、M2的电连接。
此外，弹簧装置F1至F4能够以任意角度连接/锚固到膜片组件上并且以任何角度连接/锚固到环绕膜片组件的衬底上。
图6是根据本发明的第四实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
根据图6的微机械压力传感器设备基于根据图4的微机械压力传感器设备。区别在于，具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件的边缘区域R"电绝缘地构型，使得第一膜片M1和第二膜片M2相互电绝缘地连接并且附加地环绕张紧。中央电极E1也通过张紧区域EE借助第三和第四绝缘层O3、O4张紧。
附加地设置有第三键合垫B3，通过该第三键合垫可以使第一膜片M1相对于第二膜片M2分开地电接触。因此，该压力传感器设备构型为绝对压力传感器，该绝对压力传感器可以感测在第一外部压力PA和第二外部压力PA’之间的压差。在该示例中，通过第三键合垫B3既电接触膜片M1也电接触衬底S。可选地可能的是，膜片M1不与衬底电连接，而是相对于衬底绝缘地实施。以该方式，衬底S和膜片M1可以位于不同的电势上。
图7是根据本发明的第五实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
在根据图7的实施方式中，中央电极E1可以通过第二导电层P2经由电连接部AE’电接触。第二膜片M2可以通过第三、第四和第五导电层P3、P4、P5经由电连接部AM’电接触并且锚固在第三绝缘层O3上。
图8是根据本发明的第六实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
在根据图8的第六实施方式中，中央电极E1可以通过第三、第四和第五导电层P3、P4、P5经由电连接部AE“电接触，并且第二膜片M2通过电连接部AM“电接触，该电连接部跨越第四和第五导电层P4、P5走向。
同样可能且未示出的是，电键合垫B2直接施加到用于中央电极的电接触的第三导电层P3上。
图9a)至d)是用于阐释根据本发明的第七实施方式的用于微机械压力传感器设备的制造方法和相应的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
这样描述微机械压力传感器设备的前述实施方式，使得这些微机械压力传感器设备可以在块状微机械中制成。通过少量的设计和过程变化，该原理性构造也可以用于制造电容式表面微机械压力传感器。
表面微机械压力传感器具有以下优点：所述表面微机械压力传感器仅从一侧开始被加工，这可以防止膜片组件由于在块状微机械中出现的面朝下加工而引起的损坏。不同于块状微机械压力传感器，在表面微机械压力传感器中第二导电层P2在膜片M1的膜片区域中设有贯通孔V10并且位于下方的第一和第二绝缘层O1、O2在早期的过程阶段中在使用该蚀刻孔V10的情况下通过蚀刻过程部分地或完全地移除。
这在图9a)中示出，该图与之前描述的图1b)相对应。在蚀刻孔V10合适地定位的情况下可能的是，首先产生第一和第二绝缘层O1、O2的局部的岛状部I。这些岛状部I在之后的过程步骤中、例如在抛光步骤(CMP)中支持第一膜片M1以防大面积的弯曲。借助于例如由多晶硅组成的另外的导电层P2’或者外延沉积的硅，在形成岛状部I之后封闭蚀刻孔V10，所述另外的导电层同样能够可选地通过另外的导电层增厚。为了能够避免在第一膜片M1和基础衬底S之间的短路，蚀刻孔V10应具有尽可能小的横向尺寸，以便可以快速地封闭所述蚀刻孔，或者所述蚀刻孔能够可选地在所述另外的导电层P2’的沉积之前首先借助于绝缘层、例如氧化硅或氮化硅或它们的组合物封闭并且随后借助于例如PECVD层沉积、LPCVD层沉积或者外延层沉积施加所述另外的导电层P2’。
在具有附加的绝缘层的变型方案中，封闭层还可以在沉积之后这样结构化，使得随后沉积的多晶硅层完全包围在膜片层上的封闭塞。这在图9b)中作为替代方案示出，其中，示出具有附图标记NP的封闭塞。可选地，封闭氧化物也可以这样结构化，使得仅在限定的部位上产生接触孔，所述接触孔能够实现在层P2和P2’之间的电接触。此外，绝缘层也可以这样结构化，使得该绝缘层完全由导电层P2和P2’包围。
此外，根据图9c)和9d)进行已经阐释的层沉积和结构化。在上面的第二膜片M2结构化之后，在表面微机械变型方案中通过例如移除第一至第四绝缘层O1至O4实现膜片组件的悬置，如已经阐释的那样。通过开始时为了稳定第一膜片M1而产生的、由氧化硅组成的硅岛状部I，现在也可以通过合适的蚀刻介质实现在第一膜片M1下方的要移除的第一和第二绝缘层O1、O2的快速穿透。在这里，借助于横向的蚀刻停止结构ES(参见图1j))也可以移除明确限定的绝缘区域。
在该实施方式中，存在于第一膜片M1下面的腔KR’不朝着基础衬底S的后侧敞开。
图10是根据本发明的第八实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
因为在湿化学时刻中存在以下危险：悬置的膜片结构可能通过第一膜片M1面式地粘附在位于下方的基础衬底S上，因此在第八实施方式中在合适地设计第一导电层P1和第二绝缘层O2的情况下能够可选地制造在第一膜片M1的下侧上的止挡，如在图10中示出并且标有附图标记N3。
在没有第一导电层P1的变型方案中(参见图7和8)，所述止挡例如也可以通过时间蚀刻
Figure BDA0002888966960000131
在第二绝缘层O2中产生。
在表面微机械变型方案中，也可能的是所有已经在块状微机械中关于设计和过程构型方面所描述的变型方案、可选方案。因为在表面微机械变型方案中之后分开的压力传感器芯片在后侧上不具有腔，在此能够面式地粘接压力传感器芯片。
图11是根据本发明的第九实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
相比于根据图10的第八实施方式，在根据图11的实施方式中，第一膜片M1通过第三绝缘层O3的电绝缘的连接区域VK与中央电极E1连接。由此中央电极E1能够在给第一膜片M1加载以外部压力PA时与第一膜片M1共同地变型，由此形成参考电容CR1。可选地，参考电容CR1也可以这样形成，在所述参考电容中第四绝缘层O4的电绝缘的连接区域VK位于中央电极E1和膜片M2之间并且使它们机械连接。
图12是根据本发明的第十实施方式的微机械压力传感器设备的示意性垂直横截面视图。
在根据图12的实施方式中，在侧面与具有第一和第二膜片M1、M2的膜片组件间隔开地形成在传感器衬底SS中的单独的参考电容CR2。该参考电容包括第一膜片M1的导电层P2、P2’、中央电极E1的第三导电层P3和第二膜片M2的第四及第五导电层P4、P5以及第三绝缘层O3中的连接区域VK2以及第四绝缘层O4中的连接区域VK2’，所述连接区域分别构造在电容器板之间以用于稳定和固定。可选地，在这里参考电容也可以这样形成，在所述参考电容中仅制造连接区域VK2或者仅制造连接区域VK2’。如果仅制造连接区域VK2那么中央电极E1的层P3和膜片M1的层P2、P2’形成参考电容。如果仅制造连接区域VK2’，那么中央电极E1的层P3和膜片M2的层P4、P5形成参考电容。用于实现参考电容的另外的可选方案在于，不设置连接区域VK2、VK2’。如果第二膜片M2的第四和第五导电层P4、P5不与中央电极E1的第三导电层P3机械耦合，那么作用在第四和第五导电层P4、P5上的压力PA仅引起这些层的变形，但不引起中央电极E1的第三导电层P3的变形。因此，在以压力PA加载压力时，在中央电极E1的层P3和膜片1的层P2、P2’之间的距离不改变。因此，在没有连接区域VK2、VK2’的传感器衬底SS中也可以形成参考电容CR2。虽然已经参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此。尤其地，所提到的材料和拓扑仅是示例性的并且不局限于所阐释的示例。
虽然在上述实施方式中没有描述，但在每次所述层沉积之后可以借助于抛光步骤(例如CMP抛光步骤)实现衬底表面的平面化。此外可以考虑，沉积的导电层由多晶硅或类似物掺杂或注入，以便改善导电性能。在这里，这种掺杂例如可以在层沉积之后或者局部地在层沉积期间进行。
这里所述的压力传感器设备基于用于膜片和电极结构的硅层的使用。原则上也可以考虑，借助于金属或另外的导电层实现这些结构。
在这里描述的压力传感器设备中存在由导电层、例如多晶硅制成的横向的蚀刻停止结构。在过程技术方面可能的是，该横向的蚀刻停止结构可选地也由电绝缘层实施或者由多晶硅和绝缘层的层序列实施。也可以考虑将能导电的和电绝缘的蚀刻停止结构同时装在传感器芯片上。在选择绝缘层时要注意，所述绝缘层相对于蚀刻过程是有化学抗性的，通过所述蚀刻过程局部地移除绝缘层O1、O2、O3、O4。如果绝缘层O1、O2、O3、O4例如由氧化硅组成，那么对于在蚀刻停止结构中的使用而言由例如碳化硅、氮化硅和这里特定富含硅的氮化硅组成的绝缘层证明是有利的。
虽然在上面的示例中延长区域在切向上远离膜片组件地延伸，但可能的是，延长区域以任意角度远离膜片组件、但也以任意角度远离围绕的传感器衬底地延伸。
参考电容尤其能够形成在中央电极和第一膜片之间。当在中央电极和第二膜片之间设置有电绝缘的连接区域时，也可以形成参考电容。第一膜片和第二膜片也可以借助于连接区域耦合到中央电极上。

Claims (15)

1.微机械压力传感器设备，具有：
传感器衬底(SS)；
锚固在所述传感器衬底(SS)中的膜片组件，该膜片组件具有第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)和与该第一膜片间隔开的第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)，所述第一膜片和所述第二膜片在边缘区域(R；R”)中环绕地相互连接并且在形成在它们之间的内部空间(IR)中包含参考压力(P0)；和
悬挂在所述内部空间(IR)中的板形的中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)，该中央电极相对于所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)并且相对于所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)间隔开地布置，并且该中央电极与所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)形成第一电容并且与所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)形成第二电容；
其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)和所述第二膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)构型成，使得所述第一膜片和所述第二膜片能够在加载以外部压力(PA；PA、PA’)时朝向彼此变形。
2.根据权利要求1所述的微机械压力传感器设备，其中，所述膜片组件基本上悬置地布置并且通过在侧面远离所述膜片组件延伸的至少一个延长区域(VL；VL1、VL2)锚固在所述传感器衬底(SS)中。
3.根据权利要求2所述的微机械压力传感器设备，其中，所述膜片组件具有柱形结构并且设置有第一延长区域(VL1)和第二延长区域(VL2)，所述第一延长区域和所述第二延长区域在切向上远离所述膜片组件地延伸并且在直径上彼此相对置。
4.根据权利要求2或3所述的微机械压力传感器设备，其中，所述中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)悬置地布置并且通过所述至少一个延长区域(VL；VL1、VL2)锚固在所述传感器衬底(SS)中。
5.根据权利要求2或3所述的微机械压力传感器设备，其中，所述中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)通过张紧区域(EE)至少区域式地张紧在所述内部空间(IR)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述膜片组件在所述边缘区域(R；R”)处通过至少一个弹性弹簧装置(F1；F2；F3；F4)张紧在所述传感器衬底(SS)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)和所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)通过所述边缘区域(R’)能导电地相互连接。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)和所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)通过所述边缘区域(R’)电绝缘地相互连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)通过腔(KR)朝向所述传感器衬底(SS)的第一侧或第二侧地向外露出并且所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)朝向所述传感器衬底(SS)的第二侧地向外露出。
10.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)通过电绝缘的连接区域与所述中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)连接，使得所述中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)能够在以所述外部压力(PA；PA、PA’)加载所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)时与所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)共同变形并且由此形成参考电容(CR1)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，在侧面与所述膜片组件(M1、M2；M1’、M2’)间隔开地形成在所述传感器衬底(SS)中的单独的参考电容(CR2)。
12.用于制造微机械压力传感器设备的方法，具有以下步骤：
形成锚固在传感器衬底(SS)中的膜片组件(M1、M2；M1’、M2’)，该膜片组件具有第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)和与所述第一膜片间隔开的第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)，所述第一膜片和所述第二膜片在边缘区域(R；R”)中环绕地相互连接并且在形成在它们之间的内部空间(IR)中包含参考压力(P0)；并且
形成悬挂在所述内部空间(IR)中的板形的中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)，该中央电极相对于所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)并且相对于所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)间隔开地布置，并且该中央电极与所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)形成第一电容并且与所述第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)形成第二电容；
其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)和所述第二膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)构型成，使得所述第一膜片和所述第二膜片能够在加载以外部压力(PA；PA、PA’)时朝向彼此变形。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一膜片(M1；M1’；M1”；M1’”；M1””)由沉积在基础衬底(S)上并且结构化的第一导电层(P2；P2、P2’)形成，其中，所述中央电极(E1；E1’；E1”；E1’”；E1””)由沉积在所述第一导电层(P2；P2、P2’)上并且结构化的第二导电层(P3)形成，其中，第二膜片(M2；M2’；M2”；M2’”；M2””)由沉积在所述第二导电层(P3)上并且结构化的第三和第四导电层(P4、P5)形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述内部空间(IR)通过以下方式形成，在所述内部空间(IR)中在所述第一导电层(P2；P2、P2’)和第二导电层(P3)之间沉积有第一牺牲层(O3)并且被结构化，在所述第二导电层(P3)之间沉积有第二牺牲层(O4)并且被结构化，并且在所述内部空间(IR)中在所述第三导电层(P4)穿孔之后实施牺牲层蚀刻过程以用于至少部分地移除所述第一牺牲层(O3)和所述第二牺牲层(O4)，然后通过沉积所述第四导电层(P5)封闭所述第三导电层(P4)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，在所述膜片组件之间形成相对于围绕的所述传感器衬底(SS)的中间空间(Z1)，使得膜片组件基本上悬置地布置。
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