CN1225400C - 表面微型机械加工的绝对压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式压力传感器结构，特别是用于测量绝对压力的传感器的结构及其制造方法。这种传感器包括至少一个固定电极(3)以及至少一个与此固定电极(3)电绝缘且以空间(10)与所述固定电极(3)公开的可动电极(6，7)。依据本发明，所述可动电极(6，7)的一部分是由多孔性多晶硅层(6)所形成，而这一部分在已完工的部件中是作为所述柔性的可动电极(6，7)的整体部分保留下的。

Description

表面微型机械加工的绝对压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电容式压力传感器及其制造方法。

背景技术

传统上，微型机械加工的压力传感器依其制造方法分为两类。当压力传感器是用表面微型机械加工技术制造时，它便分类为表面微型机械加工的传感器，而当依据旧式的整体微型机械加工技术制造传感器时便用到所谓的整体微型机械加工设备。

根据其结构的不同，压力传感器取决于它是对压差还是对绝对压力作出响应也可分为两类。本专利申请公开了表面微型机械加工的(micromechanical)绝对压力传感器及其制造方法。

在K.Kasten等《传感器与致动器A》，Vol.85(2000)，147～152页中，描述了已有技术传感器的结构。在该文说明的传感器结构中，底电极是由SIMOX(注氧隔离)基片上的单晶硅层形成。此结构的顶电极则是由多晶硅形成。在制造过程中所需的所谓牺牲层通过位于上述电极边缘处的槽完全除去。然后，在制造过程中，蚀刻此休护氧化物层而遗留下的孔洞则采用PECVD(化学气相淀积)法通过在其上淀积氮化硅而封闭。这样便在这两个电容电极之间形成了由此PECVD法的压力所确定的部分真空。

Kasten等提出的这种结构的缺点是明显的。既然牺牲层已从该结构之内全部蚀刻掉，就会在此牺牲层边缘处的柔性膜片上保留阶梯式的跃变。因此必须将柔性膜片的张应力控制到极低，以免此膜片由于固有的张应力弯曲而同底电极接触。结果，这类电容元件必须要制造得很小。由于实用的传感器结构需有约10pF的电容，就需用大量的电容元件。因此，可变电容相对于总电容的相对比保持很低，这是由于在这种大量的小型元件中的元件边缘结构增加了杂散电容的比例，使得该杂散电容高于在便于应用较大电容元件的传感器结构中所能达到的杂散电容。

同时，Kasten所提出的绝对压力传感器构造中的参考结构也是有问题的。这里，增强参考元件电极是以通过在参考元件上保留LPCVD法淀积的一厚层氧化物的方式实现，由于元素硅与其氧化物的热膨胀系数相互不同，上面这种增强设计形式就有可能赋予这种参考元件相对于参考元件结构的高温相关性。原理上说，传感与参考结构的温度/湿度相关性应分别尽可能地一致。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的方法中存在的问题，并提供一种完全新颖形式的绝对压力传感器。

本发明的目的是通过将多孔性多晶硅层用作这种传感器结构中柔性膜片的一部分而达到的。

更具体地说，本发明提出的特别是绝对压力传感器的电容式压力传感器结构，此传感器包括：至少一个固定电极；以及至少一个与此固定电极电绝缘且以区域与所述固定电极分开的可动电极，其特征在于：所述可动电极的一部分是由多孔性多晶硅层所形成，而这一部分在已完工的部件中是作为所述柔性的可动电极的整体部分保留下的。

本发明的方法为制造电容式压力传感器结构的方法，其中该方法顺序包括：提供至少一个固定电极；在固定电极上淀积牺牲层；在牺牲层上淀积至少一层图案化的多孔性多晶硅层；穿过多孔性多晶硅层中的孔进行蚀刻，以将牺牲层的一部分除去，从而除去的牺牲层形成用于将多孔性多晶硅层与所述固定电极分开并且电绝缘的区域，这样在区域上的多孔性多晶硅层形成可动电极的一部分，而这一部分在已完工的部件中是作为所述柔性的可动电极的整体部分保留下的。

本发明的优点是明显的。

本发明能实现满足从大气压范围到约数百巴(bar)压力需要的压力传感器。各个电容元件的大小足以在即令是于大气压的压力下也能将杂散电容的相对比例保持到合理的低范围内。将蚀刻掉的牺牲层可以由光刻技术确定，这样可以改进制造公差。起到牺牲层作用的一部分氧化物可以留下来不蚀刻掉。结果使柔性膜片的边缘保持直线形状。于是可以将隔片的内部张应力调高以便于应用大尺寸的元件。本发明的参考结构以与压力响应结构完全相同的方式响应环境温度以及例如湿度的变化。因此，传感器的整体结构可以使之非常稳定，而导致过大的温度漂移和对于环境湿度依软性等次要因素则可迅速补偿。

此外，所述区域为部分抽真空并且在区域的边缘处留剩有牺牲层的部分材料，这种留剩是通过不将这种材料沿横向完全蚀刻掉而实现的。

保留在上述多孔性多晶硅层之下的结构是通过在其下设置上面有开口的均匀硅层而加固。

传感器用作参考元件，在参考元件的部分抽真空的区域内通过留剩下某些部分的未蚀刻层而形成柱垫。

柔性膜片的中央形成较厚的部分用以提高此结构中央区的强度。

在柔性的多孔性多晶硅层之上淀积多晶硅层。

这种传感器结构包括多个相互并联或串联连接的单个传感器元件。

这种传感器结构是用硅微型机械加工技术制造。

此传感器结构是绝对压力传感器。

下面借助附图阐明的示例性实施形式来更详细地研究本发明。

附图说明

图1是本发明的传感器元件的横剖图。

图2是由图1中所示传感器元件(25个)组成的电容压力传感器的俯视图。

图3是本发明的参考传感器元件的横剖图。

图4是本发明电容式压力传感器的参考元件区的俯视图。

图5是本发明的完整的电容式压力传感器的示意性俯视图。

图6是本发明的传感器元件另一实施形式的横剖图。

图7是本发明的传感器元件第二实施形式的横剖图。

图8是本发明的传感器制造方法中制造步骤的简要说明表。

具体实施方式

参看图2，本发明的绝对压力传感器的传感器元件包括淀积在形成于硅基片1上的介质层2之上的多晶硅层3，进行了导电性掺杂且在上面淀积有另一介质层4。在上述这些层之上则淀积多晶硅层5，后者之上再淀积含有极多小直径孔洞的多晶硅层6。层5在此整个结构中是供选择的，要是上述牺牲层6的清晰度能够在淀积上述多孔层后通过光刻技术产生，层5就可省去。层5也可延伸到区域10上方的部位中。此时，层5可有一个或多个让层6与区域10连通的开口。于多孔硅层之上还再淀积上一层均匀的硅层7用作金属化层8的基片。从此电容元件的中央与边缘区除去介质层4与多晶硅层5。于此元件的边缘区在导电性的多晶硅层上淀积金属化层9。除接触区域与柔性膜片外，传感器结构的区域10覆盖以钝化层11。

介质层2最好是典型厚度500～200nm的二氧化硅层。多晶硅层3通过掺杂例如磷或硼而具导电性。层4是由介质材料最好是二氧化硅制成。层5最好由掺杂的多晶硅形成。层6是厚约100nm的多孔掺杂多晶硅层。淀积于层6上的导电性多晶硅层7通常厚约100～5000nm。与电容元件的内部张应力相结合，层7的厚度在确定传感器元件的尺寸方面起着关键作用。淀积多孔硅层(具有高密度孔)的技术，例如描述于Y.Kageyama、T.Tsuchiya、H.Funabashi与J.Sakata的“氢氟酸可渗透的用于氧化物蚀刻底层与真空密封的多晶硅薄膜”，J.Vac.Sci.Technol.A18(4)，7月/8月，2000。层6结构中的关键因素是它的孔非常小(平均最小直径小于10nm)。

金属化层8与9对层3与7形成电接触。金属化层8与9最好通过溅射1000nm厚的铝层形成。由这种结构的中心区中的区域10限定的传感器腔处于部分真空态下。层6与7的挠曲程度由上述腔区域10与环境压力压差决定。区域10的形状与尺寸结合层6与7的厚度和张应力决定此传感器的适用压力范围。

形成这种结构最上层的钝化层11最好用氮化硅形成，或是采用氮化硅与二氧化硅的多层结构。典型地，该钝化层11约为500nm厚。

在图2所示的压力传感器实施例中，所有电容式传感器元件的底电极都在此传感器右下边缘处的接触区中并联连接。所有的顶电极则在此传感器左上侧中的接触区处分别由金属化层连接。因此，在此底电极接点与顶电极接点间的电容，则是其值取决于环境压力传递媒质与此传感器的抽成部分真空的内部空间之间的压差的所有电容元件的总电容。结果是测量此总电容就足以根据传感器的校正数据确定环境压力。

除了有源区的可变电容外，能在整个传感器上测量的总电容包括此传感器结构的称作为杂散电容的固有电容。一般地说，在整个传感器结构上测得的杂散电容值是与组分的温度以及例如环境湿度有关。由于通常不可能对单一组份进行测量以使可变电容部分能同杂散电容分开测定，因而最好是在同一硅片上再集成一可用于消除杂散电容对压力测量值影响的独立结构。这样一种不响应压力的电容的参考结构最好构造成在其对环境参数(例如温度与湿度)相关的电容方面，尽可能与响应压力测量的传感器一致。

熟悉本技术领域的人显然可知，这种参考电容也可构造于独立的硅片上，用适当的封装技术来实现压力传感器与整个参考结构的集成。

图3中示明本发明的参考元件结构的横剖图。从图中可见，牺牲层于区域10中包含许多由层4与5形成的许多柱垫14。这些柱垫是用来增强顶电极以消除参考传感器电容的压力响应性。通常，这种结构中所需的圆柱垫的直径约1～10μm。用来增强由层6与7形成的顶电极(减小了它的压力响应性)的柱垫数可以是每个电容元件1～100，至于传感器的尺寸，最好是使参考传感器上单一电容元件的区域10上形成的柱垫的总面积明显地小于传感器元件的总面积，以使此参考传感器元件除了它对压力变化不响应的这部分外，与实际的响应压力传感器的对应元件尽可能地一致。

用来减少参考传感器对压力响应性的其他技术，可以是相对于实际压力响应元件提高层6的厚度以及提高层6与7的内部张应力。

图4是压力传感器的参考区的俯视图。此图中所示参考元件在蚀刻掉的牺牲层的区域10上共有16个支承柱垫，以增强由层6与7形成的膜片。

本技术领域的人显然可知：能够这样地对上述结构进行补充，即可以将所谓保护电极的一附加电极置于此顶电极与底电极之间，用以消除由表面漏泄电流造成的测量误差。熟悉本技术领域的人也完全知道，如果需要将硅基片单独用作底电极，则可以从结构中省略最下面的多晶硅层(底电极)3与介质层2。

上述传感器结构的可选择的实施形式

压力响应电容相对于总电容的相对比例，可以通过使电容元件在其中央区较厚而加以提高。这样，在此种结构中，在外力作用下弯曲的膜层在其边缘处要比在其中央压弯得更多。由于此中央区在任何压力下都在压力测量的整个工作范围内保持为基本平整的形式，因而此压力响应电容相对于总电容的比例便会增大。在具体实现这种传感器时，图6所示的较厚部分12最好是由多晶硅(类似于层7)制成。这种柔性膜片的较厚区域也可以在淀积多孔性多晶硅层之前形成。但是然后此区域必须图案化成具有许多开口，得以有效地将其下的牺牲层蚀刻掉。

此传感器的基本结构(图3)也可以通过将层5延伸到整个柔性膜片区上加以改进。图7示明这种结构的一种变型的横剖图。在此变型结构中，上述膜片的刚性由最好具有与层7相同的材料(即多晶硅)的层5加以改进。在该传感器结构的实施例中，为了能合适地蚀刻掉该牺牲层，层5上需设一或多个开口13。

由于这种传感器结构的另一实施形式也可以理解为省略了最下面的多晶硅层(底电极)3与介质层2的结构，于是此底电极也可以由进行了导电性掺杂的硅基片1形成。

传感器的尺寸选定

传感器的尺寸(包括膜层厚度、几何结构与张应力等)可以用商用的FEM软件选定。在以圆形区作为这种传感器元件柔性部分的最简单情形，可以借助下面写出的分析工具[3]对其进行定尺寸。

圆形膜片(鼓式膜片)的弯曲：

$Z\left(r\right)=\frac{p\·R^2}{4\·\mathrm{\σ}\·h}\left[\begin{array}{c}1-\frac{r^2}{R^2}\end{array}\right]$

式中

p＝压力

R＝未蚀刻的膜片区的半径

σ＝膜片的张应力

h＝柔性膜片的厚度

r＝膜片中心点的距离

例子：p＝1×10⁵Pa

h＝1μm(柔性多晶硅层的厚度)

σ＝(于3000ppm应变下)＝0.03×160×10⁹Pa

(多晶硅膜片于700℃热处理1小时后的膜片的张应力)；

上述方程的解为Z(0)＝0.5μm，当R＝98μm时(在此，此膜片在

1×10⁵Pa压力、牺牲层厚度du为1μm下的挠曲是传感器空气

间隙的一半)。

在上述例子中的各个值之下，1mm²上约安装有25个元件。

作为压力函数的传感器(具有N个元件)的总电容：

$C_e=\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\frac{2\·N\·\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\πr}}{d_u-\frac{p\·R^2}{4\·\mathrm{\σ}\·h}(1-\frac{r^2}{R^2})}\mathrm{dr}$

参看图8，本发明的方法按执行顺序包括以下各步骤：

1.氧化物层生长

2.无定形硅层生长(辅助以例如在现场以硼掺杂)

3.热处理

4.多晶硅层的图案化

5.牺牲层(LTO)的淀积

6.无定形硅层生长(辅助以例如在现场以硼掺杂)

7.无定形硅层图案化

8.无定形硅层生长(以硼掺杂，多孔化/设有开口，厚100nm)

9.热处理

10.牺牲层蚀刻

11.多晶硅层生长(辅助以例如在现场以硼掺杂)

12.多晶硅层图案化

13.LTO层图案化

14.金属化层淀积

15.金属化层图案化

16.氮化硅层的PECVD生长

17.PECVD生长的氮化硅层的图案化。

一般地说，多孔层6应理解为可透过蚀刻用化合物但不透过随后沉积于其上的层7材料的层。

参考文献：

1.K.Kasten等：《传感器与致动器A》，Vol.85(2000)，147～452页。

2.Y.Kageyama，T.Tsuchiya，H.Funabashi与J.Sakata：“氢氟酸可渗透的用于氧化物蚀刻底层与真空密封的多晶硅薄膜”，J.Vac.Sci.Technol.A 18(4)，July/Aag.2000。

3.George S.K.Wong等：《电容式传声器，理论、校正与测量的AIP手册》，AIP出版社，New York，1955 41-42页。

Claims (17)

1.电容式压力传感器结构，此传感器包括：

至少一个固定电极(3)；以及

至少一个与此固定电极(3)电绝缘且以区域(10)与所述固定电极(3)分开的可动电极(6，7)，

其特征在于：所述可动电极(6，7)的一部分是由多孔性多晶硅层(6)所形成，而这一部分在已完工的部件中是作为所述柔性的可动电极(6，7)的整体部分保留下的。

2.如权利要求1所述的传感器结构，其特征在于，所述区域(10)为部分抽真空并且在区域(10)的边缘处留剩有牺牲层(4)的部分材料，这种留剩是通过不将这种材料沿横向完全蚀刻掉而实现的。

3.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，保留在上述多孔性多晶硅层(6)之下的结构是通过在其下设置上面有开口(13)的均匀硅层(5)而加固。

4.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，传感器用作参考元件，在参考元件的部分抽真空的区域(10)内通过留剩下某些部分的未蚀刻层而形成柱垫(14)。

5.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，柔性膜片(6，7)的中央形成较厚的部分(12)用以提高此结构中央区的强度。

6.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，在柔性的多孔性多晶硅层(6)之上淀积多晶硅层(7)。

7.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，这种传感器结构包括多个相互并联或串联连接的单个传感器元件。

8.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，这种传感器结构是用硅微型机械加工技术制造。

9.如权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，此传感器结构是绝对压力传感器。

10.制造电容式压力传感器结构的方法，其中该方法顺序包括：

提供至少一个固定电极(3)；

在固定电极上淀积牺牲层(4)；

在牺牲层上淀积至少一层图案化的多孔性多晶硅层(6)；

穿过多孔性多晶硅层(6)中的孔进行蚀刻，以将牺牲层(4)的一部分除去，从而除去的牺牲层形成用于将多孔性多晶硅层与所述固定电极分开并且电绝缘的区域(10)，这样在区域(10)上的多孔性多晶硅层(6)形成可动电极的一部分，而这一部分在已完工的部件中是作为所述柔性的可动电极的整体部分保留下的。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，区域(10)被部分抽真空并且在区域(10)的边缘处留剩有牺牲层(4)的部分材料，这种留剩是通过不将这种材料沿横向完全蚀刻掉而实现的。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，保留在上述多孔性多晶层(6)之下的结构是通过在其下设置上面有开口(13)的均匀硅层(5)而加固。

13.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，传感器用作参考元件，在参考元件的部分抽真空的区域(10)内通过留剩下某些部分的未蚀刻层而形成柱垫(14)。

14.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，柔性膜片(6，7)的中央形成较厚的部分(12)用以提高此结构中央区的强度。

15.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在柔性的多孔性多晶硅层(6)之上淀积多晶硅层(7)。

16.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，这种传感器结构包括多个相互并联或串联连接的单个传感器元件。

17.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，这种传感器结构是用硅微型机械加工技术制造。

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