專利名稱：傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文的主旨大體上涉及基于半導體微機電(MEMQ的傳感器配置，其可以用于檢測從機械應力、化學-機械應力、熱應力、電磁場等產(chǎn)生的小的力或撓曲(flexure)。更具體地，本文公開的主旨涉及基于MEMS的壓力傳感器和用于制造其的方法。
背景技術(shù)：
基于半導體微電子和MEMS的傳感器中的發(fā)展對減小這樣的傳感器的尺寸和成本起很大的作用。硅微傳感器的電和機械性能被很好地記入史冊。硅微加工和半導體微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為具有許多實際應用的極重要的傳感器工業(yè)。例如，普遍已知微加工硅壓力傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、麥克風、機械振蕩器、光學和RF開關(guān)和衰減器、微閥、噴墨打印頭、原子力顯微鏡尖端等已經(jīng)找到它們進入大量醫(yī)療、航空航天、工業(yè)和汽車市場中的各種應用中的方式。硅的高的強度、彈性和回彈性使它成為可例如對電子頻率控制或傳感器結(jié)構(gòu)是有用的諧振結(jié)構(gòu)的理想基材。甚至例如手表、水肺潛水設(shè)備和手持式輪胎壓力計等消費品可包含硅微加工傳感器。在不斷擴大的使用領(lǐng)域中對硅傳感器的需求繼續(xù)激起對特定環(huán)境和應用優(yōu)化的新的和不同的硅微傳感器幾何結(jié)構(gòu)和配置的需要。遺憾地，傳統(tǒng)的塊體硅微加工技術(shù)的缺點是所得的硅微結(jié)構(gòu)的輪廓和幾何結(jié)構(gòu)顯著受制造方法的限制。例如，用常規(guī)蝕刻技術(shù)蝕刻硅結(jié)構(gòu)部分受到硅襯底的晶體取向約束，其限制許多期望的結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)和小型化努力。越來越多使用微傳感器測量壓力促進了用作例如電容器并且用于產(chǎn)生靜電力的小硅板結(jié)構(gòu)的發(fā)展。例如，存在使用相互交錯的多晶硅板的陣列測量電容的微傳感器。相似地，存在使用分層板的陣列產(chǎn)生靜電力的微傳感器。此外，存在響應于例如壓力或加速度等力測量硅結(jié)構(gòu)的撓曲或彎曲的微傳感器。使用微傳感器測量生物參數(shù)對診斷和患者監(jiān)護兩個目的變得日益普遍和重要。在一些應用中，活體內(nèi)導管尖端壓力傳感器用于測量絕對壓力或基于給定參考壓力(例如大氣壓力等)的差分壓力。例如，差分導管尖端壓力傳感器可以用于基于呼吸系統(tǒng)內(nèi)關(guān)于大氣壓力的壓力變化測量人類的呼吸。一般地微機電裝置和特別地導管尖端壓力傳感器的不斷擴大的使用領(lǐng)域已經(jīng)形成對越來越小的裝置的需求。遺憾地，已經(jīng)存在生產(chǎn)對壓力中的小變化也高度靈敏的更小的裝置(其可以大量有效制造)的困難。通過常規(guī)制造技術(shù)制造的傳感器關(guān)于它們的尺寸和封裝受到限制。例如，導管尖端壓力傳感器的細長性質(zhì)要求電連接從傳感器的一端(典型地沒有插入的端)延伸到裝置的感測部分。這些連接可不利地影響所得裝置的尺寸和形狀。另外，因為使用的裝置的小尺寸和幾何結(jié)構(gòu)的薄性質(zhì)，用于生產(chǎn)這樣的微機械裝置的常規(guī)技術(shù)風險在于在制造過程期間破損和在現(xiàn)場潛在降低可靠性。例如，因為差分導管尖端壓力傳感器測量相對于參考壓力的壓力，必須提供從傳感器到外部參考壓力的通氣孔。這典型地通過與沿著芯片的背面的電連接平行地通往導管尖端的細毛細管完成。然而，該配置可以導致傳感器更厚的封裝并且可以導致通氣孔在測量期間箍縮。其他的制造技術(shù)采用側(cè)面通氣孔配置，其通過位于芯片邊緣中的一個邊緣的通氣孔口從芯片出口，但其需要另外的處理步驟以形成該通氣孔口，例如鋸切等，這可導致碎片進入通氣孔口并且降低準確度和可靠性。提供用于制造不僅尺寸小而且可以大量有效生產(chǎn)的高度靈敏的壓力傳感器的方法將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
公開傳感器和用于制造傳感器的方法，傳感器在一個實施例中包括襯底晶片中的從襯底晶片的頂面延伸到襯底晶片的外表面的通氣孔腔、第一器件層(其中該第一器件層的底面接合到所述襯底晶片的頂面)、延伸通過該第一器件層到該通氣孔腔的膜片腔、第二器件層(其中該第二器件層的底面接合到該第一器件層的頂面以在該膜片腔上形成膜片) 和接近該膜片在該第二器件層中用于感測該膜片中的撓曲的感測元件。


因此可以理解本發(fā)明的特征所采用的方式、本發(fā)明的詳細說明可通過參考某些實施例(其中一些在附圖中圖示)進行。然而，要注意圖僅圖示本發(fā)明的某些實施例并且因此不認為限制它的范圍，因為本發(fā)明的范圍涵蓋其他同等有效的實施例。圖不必按比例繪制，重點一般放在圖示發(fā)明的某些實施例的特征上。從而，對于本發(fā)明的進一步理解，可以參考連同圖閱讀的下列詳細說明，圖中圖1是本發(fā)明的一個實施例中的示范性差分壓力傳感器的橫截面視圖。圖2是本發(fā)明的一個實施例中用于制造差分壓力傳感器的兩個示范性絕緣體上硅器件晶片和示范性襯底晶片的橫截面視圖。圖3是本發(fā)明的一個實施例中圖示嵌入通氣孔的差分壓力傳感器的示范性頂視圖。圖4是本發(fā)明的一個實施例中的具有接合到第一器件層(具有接合到第二器件晶片的膜片腔)的通氣孔的示范性襯底晶片。圖5是本發(fā)明的一個實施例中的具有蝕刻的側(cè)面通氣孔的示范性襯底晶片。圖6是本發(fā)明的一個實施例中的具有蝕刻的側(cè)面和底部通氣孔的示范性襯底晶片。圖7是本發(fā)明的一個實施例中的具有蝕刻的底部通氣孔的示范性襯底晶片。圖8是本發(fā)明的一個實施例中的具有接合到第一器件層(具有接合到具有互連通道、感測元件和互連的第二器件層的膜片腔)的通氣孔的示范性襯底晶片。圖9是本發(fā)明的一個實施例中的用于制造差分壓力傳感器的示范性工藝流程。圖10是本發(fā)明的一個實施例中的差分壓力傳感器的接近側(cè)的示范性橫截面視圖。圖11是本發(fā)明的一個實施例中的示范性絕對壓力傳感器。圖12是本發(fā)明的一個實施例中的用于制造絕對壓力傳感器的示范性工藝流程。圖13是本發(fā)明的一個實施例中的絕對壓力傳感器的接近側(cè)的示范性橫截面視圖。
具體實施例方式示范性微加工壓力傳感器可以通過在硅結(jié)構(gòu)內(nèi)形成腔和鄰近該腔的膜片來制作。 在差分壓力傳感器實施例中，該腔連接到通氣孔，其提供通過傳感器的側(cè)面、底部或組合側(cè)面和底部從傳感器外面到腔的通路。對于絕對壓力傳感器，其中相對于選擇的參考壓力做出測量，腔可以保持在真空或選擇的內(nèi)壓力中。該壓力傳感器通過感測膜片的撓曲而測量壓力，該撓曲例如是作用在膜片的前側(cè)的壓力將膜片向內(nèi)彎曲的程度。靠近膜片的邊緣形成的一個或多個感測元件典型地感測膜片的撓曲或彎曲。圖1是本發(fā)明的一個實施例中的具有底部通氣孔腔330的差分壓力傳感器10的示范性橫截面視圖。壓力傳感器10可以具有包含該器件的壓力感測元件的遠端50，它們在一個實施例中構(gòu)成導管的尖端，其可以可插入例如患者的呼吸系統(tǒng)的介質(zhì)中用于取得壓力測量。壓力傳感器10還可以具有近端75，其可以能夠與用于讀取和處理壓力測量的其他裝置電耦合。壓力傳感器10可以使用一起被處理和接合的三個晶片制造，例如兩個絕緣體上硅(SOI)半導體晶片和雙面拋光(DSP)半導體晶片或三個SOI晶片。圖2示出在本發(fā)明的一個實施例中的三個示范性起始晶片。器件晶片100和200可以是分別具有器件層110和 210、絕緣體層115和215與支撐層(handle layer) 120和220的SOI晶片。器件層110可以是單晶硅襯底，其在一個實施例中可以是1至10 μ m厚并且具有η型摻雜。器件層210可以是單晶硅襯底，其在一個實施例中可以是選擇成滿足特定設(shè)計規(guī)范的厚度，并且其可以具有η型或ρ型摻雜。SOI晶片的各種層的厚度可以使用常規(guī)SOI芯片制造技術(shù)精確地設(shè)置，并且可以選擇成使得層的精確厚度決定壓力傳感器10的隨后的操作特性，如將在下文描述的。在一個實施例中，絕緣體層115和215可以是二氧化硅并且在0.05μπι至LOym 厚之間的范圍中。支撐層120和220可以用于在制造過程期間分別抓牢器件晶片100和 200，并且可以位于使得絕緣體層115和215分別安置在器件層110和210與支撐層120和 220之間。支撐層120和220可以由例如具有200 μ m至600 μ m之間的厚度的η型或ρ型硅構(gòu)成。在一個實施例中，襯底晶片300可以是雙面拋光硅晶片，其在一個實施例中可以是 300 μ m至600 μ m厚并且具有η型或ρ型摻雜。在其他實施例中，襯底晶片300可以是第三 SOI晶片。一起，構(gòu)成壓力傳感器10的各種層的厚度可以選擇成使得在一個實施例中器件的總厚度可以是390 μ m或更少。再次參照圖1，壓力傳感器10可以由器件層110、器件層210和襯底晶片300構(gòu)成。 一個或多個例如P型壓阻感測元件的感測元件140可以策略性地在器件層110內(nèi)注入或擴散來感測硅結(jié)構(gòu)中的撓曲。壓力傳感器10還可以包括鈍化層170和470，其可以由例如二氧化硅層、氮化硅層或兩者的組合構(gòu)成。鈍化層170和470可以在制造和操作期間向壓力傳感器10提供絕緣和保護。在器件層110上形成的一個或多個互連150可以將一個或多個感測元件140電耦合于壓力傳感器10的外部，而一個或多個金屬化層160可以提供互連 150和壓力傳感器10的近端75之間的電連接性使得壓力傳感器可以通過例如引線附件電耦合于其他裝置或連接。參照圖1和3，示范性差分壓力傳感器10和其的操作在本發(fā)明的一個實施例中描述。圖3是本發(fā)明的一個實施例中圖示嵌入通氣孔腔330的差分壓力傳感器10的示范性頂視圖。在圖3中的點線描繪形成通氣孔330的壓力傳感器10內(nèi)的示范性嵌入結(jié)構(gòu)，而圖 3中的短劃線描繪嵌入壓力傳感器10內(nèi)的示范性膜片腔230。壓力傳感器10通過測量在器件層210(其接合在襯底晶片300和器件晶片110之間)中形成的膜片腔230上的器件層110中形成的減薄結(jié)構(gòu)或膜片130中的撓曲來操作。該膜片充當壓力傳感器10中的撓曲結(jié)構(gòu)。通氣孔腔330通過空心通氣孔通道333將膜片腔230連接到壓力傳感器10的外部，空心通氣孔通道333開始于連接到膜片腔230的通氣孔凹槽332并且延伸通過襯底晶片300到對外部打開的通氣孔出口 335。當膜片130上的壓力改變時，膜片130將相對于通氣孔出口 335處的壓力而朝或遠離膜片腔230撓曲。壓力傳感器10的細長結(jié)構(gòu)可以允許壓力傳感器10作為導管尖端壓力傳感器操作使得包括膜片130的壓力傳感器10的部分可以插入例如患者的呼吸系統(tǒng)或血流的介質(zhì)，同時通氣孔出口 335保持暴露于例如大氣壓力的外部壓力梯度，由此提供差分壓力測量。膜片130將采用從施加在膜片130上的壓力可預測的方式相對于膜片腔230撓曲。膜片130中的撓曲可以由在膜片130的邊緣上的或附近的器件層110中形成的一個或多個感測元件140檢測。在一個使用壓阻感測元件的實施例中，感測元件140的電阻可以憑借例如惠斯通電橋電路或其類似物等電路確定，其使用附連到一個或多個金屬化層160的一個或多個互連150互連，該金屬化層160可以從互連150延伸通過在器件層110或器件層110和210兩者中形成的互連通道400到壓力傳感器10的近端75。電接口或其他這樣的裝置可以附連到金屬化層160的端部以使壓力傳感器10處于與另一個裝置電通信。壓阻感測元件的電阻隨膜片130的撓曲變化。從而，感測元件140的壓阻電阻的測量可以用于確定膜片130中的撓曲量，并且由此確定施加在傳感器上的壓力。用于制造像在圖1中圖示的那個的硅傳感器的示范性工藝參照圖1至10解釋。圖 9是本發(fā)明的一個實施例中的用于制造差分壓力傳感器10的示范性工藝流程。在圖9的步驟501中，一起可以形成壓力傳感器10中的通氣孔腔330的通氣孔凹槽332、通氣孔通道 333和通氣孔出口 335可以使用例如使用深反應離子蝕刻(DRIE)的干法蝕刻、利用氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲銨(TMAH)的濕法蝕刻或其他硅蝕刻劑或其類似物等標準半導體蝕刻技術(shù)在襯底晶片300的上襯底表面310上形成。在一個實施例中，做出第一蝕刻以形成通氣孔凹槽332和通氣孔通道333，接著是第二蝕刻以形成通氣孔出口 335。如在圖5至7中示出的，可以采用不同的蝕刻幾何結(jié)構(gòu)在襯底晶片300的上襯底表面310上形成凹槽以實現(xiàn)不同的通氣孔腔配置。在一個實施例中，在圖5中示出的，通氣孔腔330可以是側(cè)面通氣孔配置，其中通氣孔出口 335在襯底晶片330的側(cè)面上形成開口。 在具有底部或組合側(cè)面/底部通氣孔腔330配置的其他實施例中，后面的制造步驟可以包括將襯底晶片300減薄以將通氣孔出口 335暴露于差分壓力傳感器10的外部。例如，在底部通氣孔和側(cè)面/底部通氣孔實施例中，襯底晶片300的底部襯底表面320可以去除直到在圖6和7中示出的厚度指示線350。在圖6中示出的實施例中，當襯底晶片300的底部襯底表面320減薄到厚度指示線350時，具有在襯底晶片300的側(cè)面和底部兩者上的開口的側(cè)面/底部通氣孔腔330形成。在另一個實施例中，在圖7中示出，當襯底晶片300的底部襯底表面320減薄到厚度指示線350時，具有在襯底晶片300的底部襯底表面320上的開口的底部通氣孔形成。圖4是本發(fā)明的一個實施例中的具有接合到第一器件層210(具有接合到第二器件晶片100的膜片腔230)的通氣孔腔330的示范性襯底晶片300。參照圖4和9，制造工藝中的步驟502可以是使用常規(guī)硅熔融接合技術(shù)將器件晶片200的器件層210接合到襯底晶片300的上襯底表面310。在一個示范性熔融接合技術(shù)中，可以使相對的表面親水。即，表面可以用強氧化劑處理，其使水粘附到它們。該兩個晶片然后可以放置在高溫環(huán)境中持續(xù)由接合的質(zhì)量要求的時間段。該硅熔融接合技術(shù)將襯底晶片300和器件晶片200接合在一起而沒有使用中間粘合材料，中間粘合材料可能具有與單晶硅晶片不同的熱膨脹系數(shù)。還可以執(zhí)行熔融接合，其中氧化層在晶片中的一個或二者的接合表面上形成。在步驟503中，在襯底晶片300的上襯底表面310和器件層210已經(jīng)接合后，器件晶片200的支撐層220可以使用在絕緣體層215上停止的例如KOH或TMAH等濕法蝕刻劑去除。另外，絕緣體層215可以使用濕法或干法蝕刻技術(shù)去除，僅留下接合的器件層210，其現(xiàn)在被暴露。在步驟504中，可以是延伸通過器件層210的孔洞的膜片腔230可以使用DRIE、 用KOH或TMAH的濕法蝕刻或其他硅蝕刻劑或其類似物蝕刻進入器件層210。膜片腔230可以具有各種幾何結(jié)構(gòu)，例如方形、矩形或圓形，并且可以具有任何要求的深度，例如從小于5 微米到大于100微米，其取決于特定應用和器件層210的選擇厚度。膜片腔230和通氣孔腔330的表面可是裸硅、氧化硅、摻雜硅，或它們可以涂覆有能夠經(jīng)受隨后的晶片接合和處理溫度的任何其他薄膜。在步驟505中，器件晶片100的器件層110可以使用常規(guī)硅熔融接合技術(shù)接合到器件晶片200的器件層210以形成器件對450。在一個示范性熔融接合技術(shù)中，可以使相對的表面親水。即，表面可以用強氧化劑處理，其使水粘附到它們。該兩個晶片然后可以放置在高溫環(huán)境中持續(xù)由接合的質(zhì)量要求的時間段。該硅熔融接合技術(shù)將器件晶片100和器件晶片200接合在一起而沒有使用中間粘合材料，中間粘合材料可能具有與單晶硅晶片不同的熱膨脹系數(shù)。還可以執(zhí)行熔融接合，其中氧化層在晶片中的一個或二者的接合表面中形成。在步驟506中，在器件層210和器件110的相對表面已經(jīng)接合后，器件晶片100的支撐層120可以使用在絕緣體層115上停止的例如KOH或TMAH等濕法蝕刻劑去除。另外， 絕緣體層115可以使用濕法或干法蝕刻技術(shù)去除，留下暴露的未接合器件層110。圖8是本發(fā)明的一個實施例中的具有接合到第一器件層210(具有接合到具有互連通道400、感測元件140和互連150的第二器件層110的膜片腔230)的通氣孔腔330的示范性襯底晶片300。參照圖8和9，在步驟507中，鈍化層170可以使用例如二氧化硅層、 氮化硅層或兩者的組合沉積在器件層110的未接合表面上以在制造過程和操作期間適當?shù)厥蛊骷?10絕緣并且對其保護。在步驟508中，一個或多個感測元件140可以通過在使用壓阻感測元件的一個優(yōu)選實施例中將低摻雜P型材料靠近膜片130的邊緣地擴散或離子注入到摻雜η型器件層110來添加，其可以形成為器件層110的一部分。例如，在高溫下的硼注入和擴散可在器件層110內(nèi)形成一個或多個壓阻感測元件。該壓阻感測元件可以安置成感測膜片130中的撓曲。應該注意可采用任何數(shù)目的壓阻感測元件并且它們相對于膜片130的確切布置可是不同的，其取決于特定應用、預期的壓力、靈敏度要求等。另外，可以提供到感測元件140的導電性的一個或多個互連150可以通過將高摻雜ρ型材料擴散或離子注入到摻雜η型器件層110以與感測元件140重疊來添加。感測元件140和互連150的擴散或注入可以在個體步驟或在單個步驟中完成。在步驟509中，向?qū)w提供沿壓力傳感器10的通路的一個或多個互連通道400在一個實施例中可以蝕刻進入器件層110和210。如在圖8中示出的，鈍化層170可以使用干法或濕法蝕刻技術(shù)蝕刻以限定互連通道400在壓力傳感器10的近端75上的位置。一旦鈍化層170已經(jīng)去除，一個或多個互連通道400可以通過例如使用KOH或TMAH的濕法蝕刻技術(shù)蝕刻進入器件層110和可選地器件層210。在一個實施例中，互連通道400蝕刻以形成一系列間隔開的ν型槽，如在圖10中示出的壓力傳感器10的近端75的示范性橫截面中示出的?；ミB通道400可以便于后面一個或多個導體到壓力傳感器10的近端75的附連同時維持對于例如導管尖端壓力傳感器等一些應用要求的小的細長封裝。參照圖9和10，在步驟510中鈍化層470可以使用例如二氧化硅層、氮化硅層或兩者的組合沉積在互連通道400的表面上以在制造過程和操作期間適當?shù)厥够ミB通道400 絕緣并且對其保護。另外，鈍化層170可以使用干法或濕法蝕刻技術(shù)蝕刻以接入互連150。 在步驟511中，可以添加金屬化層160，其提供通過互連150從壓力傳感器10的近端75到感測元件140的導電性。金屬化層160可以用例如金或鋁形成，并且可以形成到期望的厚度以適合器件設(shè)計需要。在實施例中，其中襯底晶片300是SOI晶片，襯底晶片300的支撐層可以使用在絕緣體層上停止的例如KOH或TMAH等濕法蝕刻劑去除。另外，絕緣體層可以使用濕法或干法蝕刻技術(shù)去除，僅留下包含接合到器件層210的通氣孔300的SOI晶片的器件層。最后，如果壓力傳感器10是底部或側(cè)面/底部通氣孔實施例，在步驟512中襯底晶片300可以使用干法蝕刻或濕法蝕刻技術(shù)(例如使用KOH或TMAH)變薄以將通氣孔出口 335暴露在壓力傳感器10的外部上。圖11示出一個示范性實施例，其中壓力傳感器10可以制造成使得在膜片腔230 內(nèi)形成真空或其他選擇的壓力，使得壓力傳感器10是絕對壓力傳感器。在該實施例中，壓力測量不相對于傳感器的外部壓力取得，使得傳感器內(nèi)的通氣孔的制造是沒有必要的。圖 12是本發(fā)明的一個實施例中示出可以執(zhí)行以制造絕對壓力傳感器10的步驟的示范性工藝流程。采用的技術(shù)與在制造差分壓力傳感器中的那些相似，但因為該實施例不需要通氣孔， 壓力傳感器10可以僅使用兩個晶片制造并且因此一些制造步驟可以排除。在一個實施例中，絕對壓力傳感器10可以包括SOI器件晶片100和DSP襯底晶片300。在另一個實施例中，絕對壓力傳感器10可以包括第一 SOI器件晶片100并且襯底晶片300可以包括第二 SOI器件晶片。參照圖11和12，在步驟601中，膜片腔230可以使用DRIE、用KOH或TMAH的濕法蝕刻或其他硅蝕刻劑或其類似物直接蝕刻進入襯底晶片300。膜片腔230可以具有各種幾何結(jié)構(gòu)，例如方形、矩形或圓形，并且可以具有任何要求的深度，例如從小于5微米到大于 100微米，其取決于特定應用和襯底晶片300的選擇厚度。膜片腔230的表面可是裸硅、氧化硅、摻雜硅，或它可以涂覆有能夠經(jīng)受隨后的晶片接合和處理溫度的任何其他薄膜。在步驟602中，器件晶片100的器件層110使用常規(guī)硅熔融接合技術(shù)接合到襯底晶片300的表面以形成器件對450。在一個示范性熔融接合技術(shù)中，可以使相對的表面親水。即，表面可以用強氧化劑處理，其使水粘附到它們。該兩個晶片然后可以放置在高溫環(huán)境中持續(xù)由接合的質(zhì)量要求的時間段。上文描述的硅熔融接合技術(shù)將襯底晶片300和器件晶片100接合在一起而沒有使用中間粘合材料，中間粘合材料可能具有與單晶硅晶片不同的熱膨脹系數(shù)。還可以執(zhí)行熔融接合，其中氧化層在晶片中的一個或二者的接合表面上形成。在步驟603中，在襯底晶片300和器件層110的相對表面已經(jīng)接合后，器件晶片 100的支撐層120可以使用在絕緣體層115上停止的例如KOH或TMAH等濕法蝕刻劑去除。 另外，絕緣體層115可以使用濕法或干法蝕刻技術(shù)去除，僅留下接合的器件層110，其的未接合頂面現(xiàn)在被暴露。另外，在步驟604中，鈍化層170可以使用例如二氧化硅、氮化硅層或兩者的組合沉積在器件層110的未接合頂面上以在制造過程和操作期間適當?shù)厥蛊骷?10絕緣并且對其保護。參照圖12的步驟605，一個或多個感測元件140可以通過在使用壓阻感測元件的一個優(yōu)選實施例中將低摻雜P型材料靠近膜片130的邊緣地擴散或離子注入到摻雜η型器件層110來添加，其可以形成作為器件層110的一部分。例如，在高溫下的硼注入和擴散可在器件層110內(nèi)形成壓阻感測元件140。該感測元件140可以安置來感測膜片130中的撓曲。應該注意可采用任何數(shù)目的感測元件140并且它們相對于膜片130的確切布置可是不同的，其取決于特定應用、預期的壓力、靈敏度要求等。另外，可以提供到感測元件140的導電性的一個或多個互連150可以通過將高摻雜ρ型材料擴散或離子注入摻雜η型器件層 110以與感測元件140重疊來添加。在步驟606中，向各種導體提供沿壓力傳感器10的通路的一個或多個互連通道 400在一個實施例中可以蝕刻進入器件層110和210。首先，如在圖11中示出的，鈍化層 170使用干法或濕法蝕刻技術(shù)蝕刻以限定互連通道400在與包括膜片的端相對的壓力傳感器的近端上的位置。一旦鈍化層170已經(jīng)去除，一個或多個互連通道400可以通過例如使用KOH或TMAH的濕法蝕刻技術(shù)蝕刻進入器件層110和可選地器件層210。在一個實施例中，互連通道400蝕刻以形成一系列間隔開的ν型槽，如在圖13中示出的壓力傳感器10的近端75的示范性橫截面中示出的?；ミB通道400允許后面一個或多個導體到壓力傳感器 10的近端75的連接同時維持對于例如導管尖端壓力傳感器等一些應用要求的小的細長封裝。參照圖11和12，在步驟607中鈍化層470可以使用例如二氧化硅層、氮化硅層或兩者的組合沉積在互連通道400的表面上以在制造過程和操作期間適當?shù)厥够ミB通道400 絕緣并且對其保護。另外，鈍化層170可以使用干法或濕法蝕刻技術(shù)蝕刻以暴露互連150。 在步驟608中，可以添加金屬化層160，其提供通過互連150從壓力傳感器10的近端75到感測元件140的導電性。金屬化層160可以用例如金或鋁形成，并且可以形成到期望的厚度以適合器件設(shè)計需要。襯底晶片300可以使用常規(guī)蝕刻技術(shù)減薄以順應壓力傳感器10的給定設(shè)計規(guī)范和厚度要求。另外，在實施例中，其中襯底晶片300是SOI晶片，襯底晶片300的支撐層可以使用在絕緣體層上停止的例如KOH或TMAH等濕法蝕刻劑去除。另外，絕緣體層可以使用濕法或干法蝕刻技術(shù)去除，僅留下包含接合到器件層110的通氣孔300的SOI晶片的器件層。參考本文描述的差分壓力和絕對壓力傳感器實施例兩者，在壓力傳感器10的制造期間做出的每個蝕刻可以具有任何選擇的幾何結(jié)構(gòu)并且可以具有任何需要的深度，其取決于特定應用。另外，蝕刻不需要具有單個一致深度，并且所得的蝕刻可以是各向同性或各向異性的。每個蝕刻的選擇的深度和幾何結(jié)構(gòu)可以選擇成改變所得壓力傳感器10的設(shè)計特性。例如，器件層110的厚度和由膜片腔230規(guī)定的膜片130的尺寸和形狀可以選擇成決定所得壓力傳感器10的靈敏度?？梢栽谥圃霺OI晶片中任意選擇并且精確控制的器件層110的選擇的厚度引起對膜片130的撓曲性的改進控制，并且因此引起對所得壓力傳感器10的性能特性的改進控制。另外，平面制造工藝對制造目的是理想的并且不僅可以增加制造良率，還可以增加所得器件的總可靠性和長期性能。因此，可以實現(xiàn)對壓力傳感器10 的性能特性的一致控制。上文的詳細描述被提供以說明示范性實施例并且不意在限制性的。盡管用于制造傳感器的方法已經(jīng)示出并且關(guān)于測量壓力的實施例描述，相似的技術(shù)可以用于制造能夠測量其他參數(shù)的傳感器對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將是明顯的。例如，應該認識到盡管本文公開的傳感器和關(guān)聯(lián)的制造方法的各種示范性實施例已經(jīng)參考各種導管尖端醫(yī)學應用描述，該設(shè)備和制造方法在本文沒有明確描述的很多種其他應用中是有用的。在本發(fā)明的范圍內(nèi)的許多修改和變化是可能的，這對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員也將是明顯的。此外，許多其他材料和工藝可以在描述的示范性方法和結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)使用，如將由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員認識到的。 例如，應該認識到本文描述的P型和η型材料可以采用備選方式使用，例如通過對η型材料替換P型材料并且反之亦然。另外，在各種示范性實施例中識別并且描述的步驟的序列不需要按描述的序列出現(xiàn)，并且在其他實施例中各種步驟可以組合、按不同的順序或并行執(zhí)行并且仍然實現(xiàn)相同的結(jié)果，這對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將是明顯的。該書面說明使用示例以公開本發(fā)明，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權(quán)利要求的書面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書面語言無實質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件則意在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。部件列表
權(quán)利要求
1.一種用于測量環(huán)境的力的傳感器，所述傳感器包括在襯底晶片(300)中從所述襯底晶片(300)的頂面延伸到所述襯底晶片(300)的外表面的通氣孔腔(330)；第一器件層010)，其中所述第一器件層(210)的底面接合到所述襯底晶片(300)的所述頂面；延伸通過所述第一器件層(210)到所述通氣孔腔(330)的膜片腔Q30)；第二器件層(110)，其中所述第二器件層(110)的底面接合到所述第一器件層(210)的頂面以在所述膜片腔(230)上形成膜片(130)；以及接近所述膜片(130)在所述第二器件層(110)中用于感測所述膜片(130)中的撓曲的感測元件(140)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，進一步包括延伸通過所述第二器件層(110)的一部分的互連通道(400)。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，進一步包括延伸通過所述第一器件層O10)的一部分并且通過所述第二器件層(110)的一部分的互連通道000)。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述襯底晶片(300)包括來自絕緣體上硅晶片的器件層。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述環(huán)境的力是差分壓力。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述通氣孔腔(330)包括在所述傳感器內(nèi)從所述膜片腔(230)延伸通過所述襯底晶片(300)的一側(cè)的空心腔。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述通氣孔腔(330)包括在所述傳感器內(nèi)從所述膜片腔(230)延伸通過所述襯底晶片(300)的一側(cè)和所述底面的空心腔。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述通氣孔腔(330)包括在所述傳感器內(nèi)從所述膜片腔(230)延伸通過所述襯底晶片(300)的所述底面的空心腔。
全文摘要
公開傳感器和用于制造傳感器的方法，在一個實施例中將蝕刻的半導體襯底晶片(300)接合到包括絕緣體上硅晶片的蝕刻的第一器件晶片(100)，其然后接合到包括絕緣體上硅晶片的第二器件晶片(200)以形成通氣的懸置結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的撓曲由嵌入的感測元件(140)確定以測量差分壓力。在一個實施例中，嵌入該傳感器中的互連通道(400)便于器件的流水線化封裝同時滿足與其他裝置的互連性。
文檔編號G01L7/08GK102313621SQ201110175619
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者M·克利茨克, N·V·曼特拉瓦迪, S·K·加米奇, T·L·庫克森 申請人:通用電氣公司