具有內(nèi)置校準(zhǔn)能力的壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件。更具體地說，本發(fā)明涉及估計(jì)由工藝變化導(dǎo)致的MEMS壓力傳感器的靈敏度。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件是具有嵌入式機(jī)械兀件的半導(dǎo)體器件。MEMS器件被用于各種各樣的產(chǎn)品，例如，汽車安全氣囊系統(tǒng)、汽車中的控制應(yīng)用、導(dǎo)航、顯示系統(tǒng)、噴墨盒等等。MEMS器件包括，例如，壓力傳感器、加速器計(jì)、陀螺儀、麥克風(fēng)、數(shù)字鏡像顯示器、微流體器件等等。MEMS壓力傳感器通常使用壓力腔和膜元件，該膜元件是指在壓力下偏轉(zhuǎn)的隔膜。在某些配置中，兩個(gè)板(其中兩個(gè)板之一是可動(dòng)隔膜)之間的距離的變化建立了可變電容器以檢測由于在區(qū)域上施加的壓力而造成的應(yīng)力(或偏轉(zhuǎn))。
【附圖說明】
[0003]當(dāng)結(jié)合附圖并參照詳細(xì)說明書以及權(quán)利要求書時(shí)，對本發(fā)明會(huì)有比較完整的理解。其中在附圖中，類似的參考符號(hào)表示類似的項(xiàng)目，附圖不一定按比例繪制，并且:
[0004]圖1顯示了示例的壓力傳感器的簡化俯視圖；
[0005]圖2顯示了沿圖1的剖面線2-2的壓力傳感器的傳感結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0006]圖3顯示了沿圖1的剖面線3-3的壓力傳感器的參考結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0007]圖4顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的壓力傳感器的簡化俯視圖；
[0008]圖5顯示了沿圖4的剖面線5-5的壓力傳感器的側(cè)視圖；
[0009]圖6顯示了在處理的中間階段的圖4的壓力傳感器的部分俯視圖；
[0010]圖7根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，顯示了制造過程的流程圖；
[0011]圖8顯示了用于估計(jì)圖4的壓力傳感器的靈敏度的測試配置的簡化方框圖；以及
[0012]圖9顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的校準(zhǔn)過程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在醫(yī)學(xué)應(yīng)用、替代能源、發(fā)動(dòng)機(jī)控制(例如，天然氣和燃料入口壓力)和汽車安全應(yīng)用例如輪胎監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)需要壓力傳感器，其中該壓力傳感器在其壽命范圍內(nèi)傳遞準(zhǔn)確和可預(yù)測的輸出以在這些改變變得臨界之前追蹤操作的變化。由于結(jié)構(gòu)緊湊并且由于在高產(chǎn)量中相對低廉的成本，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)壓力傳感器是一種常用的壓力傳感器技術(shù)。
[0014]然而，隨著正在進(jìn)行的微型化，MEMS壓力傳感器產(chǎn)生了問題。這些問題涉及不靈敏性、不準(zhǔn)確性和信號(hào)漂移。特別是，很難確保所有MEMS器件均勻地被沉積或具有相同的幾何形狀。關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)(例如MEMS壓力傳感器隔膜的寬度)的工藝變化會(huì)影響壓力傳感器的靈敏度。例如，MEMS壓力傳感器隔膜的寬度的微小差異會(huì)導(dǎo)致相對于壓力傳感器的預(yù)定標(biāo)稱、或設(shè)計(jì)、靈敏度的大的靈敏度差異。
[0015]由于關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的工藝變化，沒有兩個(gè)MEMS壓力傳感器是完全一樣的。因此，在板安裝之前和/或在板安裝之后，每個(gè)MEMS壓力傳感器的靈敏度通常在工廠測試期間被校準(zhǔn)以消除由于工藝變化的任何信號(hào)不一致。MEMS壓力傳感器可以在工業(yè)制造環(huán)境中通過使用處理機(jī)/測試器設(shè)備被校準(zhǔn)。處理機(jī)/測試器設(shè)備可以將已知物理刺激校準(zhǔn)信號(hào)施加于壓力傳感器。壓力傳感器的輸出可以被測量并且與已知校準(zhǔn)信號(hào)的值進(jìn)行比較。隨后，校準(zhǔn)信息可以被用于糾正后續(xù)壓力傳感器讀數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，測量單個(gè)器件參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，例如，相對于外部力的偏轉(zhuǎn)分布。即，由于需要處理機(jī)/測試器設(shè)備來強(qiáng)加校準(zhǔn)信號(hào)，這種傳統(tǒng)技術(shù)成本高并且費(fèi)時(shí)。
[0016]實(shí)施例涉及包括內(nèi)置校準(zhǔn)能力的MEMS壓力傳感器、用于制造MEMS壓力傳感器的方法、和用于校準(zhǔn)MEMS壓力傳感器的方法。該壓力傳感器包括位于由相同設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝制造的單一管芯上的多個(gè)傳感和測試單元。因此，每個(gè)傳感和測試單元理想地對強(qiáng)加的壓力刺激具有相同的靈敏度。密封結(jié)構(gòu)與一個(gè)或多個(gè)測試單元的一個(gè)或多個(gè)測試腔相通。該密封結(jié)構(gòu)被配置為被弄破裂以改變測試腔內(nèi)的壓力。在破裂密封結(jié)構(gòu)之前和之后，測試單元的靈敏度可以通過獲取壓力讀數(shù)被計(jì)算。由于測試和傳感單元被假定為具有相同的靈敏度，來自測試單元的傳感信號(hào)可以被用于估計(jì)傳感單元的靈敏度。這樣的壓力傳感器和方法可以降低測試成本并且使得能夠進(jìn)行靈敏度估計(jì)和相關(guān)傳感器校準(zhǔn)，而無需強(qiáng)加物理刺激校準(zhǔn)信號(hào)。
[0017]參照圖1-圖3，圖1顯示了示例的現(xiàn)有技術(shù)壓力傳感器20的簡化俯視圖，圖2顯示了沿圖1的剖面線2-2的壓力傳感器20的傳感結(jié)構(gòu)22的一部分的側(cè)視圖，以及圖3顯示了沿圖1的剖面線3-3的壓力傳感器20的參考結(jié)構(gòu)24的一部分的側(cè)視圖。通常，傳感結(jié)構(gòu)22對環(huán)境壓力敏感，其中環(huán)境壓力在圖2中由箭頭26表示并且標(biāo)示為PA。相反，參考結(jié)構(gòu)24在很大程度上對環(huán)境壓力26不敏感。傳感結(jié)構(gòu)22包括一個(gè)或多個(gè)使用沉積、圖案化和蝕刻的常規(guī)操作在襯底32上的結(jié)構(gòu)層30中形成的傳感電極28。
[0018]絕緣層，例如，氮化層34可以上覆傳感電極28的至少若干部分和在下面的襯底32的任何暴露區(qū)域而形成。傳感結(jié)構(gòu)22包括腔36，該腔可以由犧牲層37，例如聚硅酸玻璃(PSG)的沉積、圖案化和蝕刻的常規(guī)工藝形成。在犧牲層37適當(dāng)?shù)乇恍纬芍?，另一個(gè)結(jié)構(gòu)層38上覆犧牲層37和在下面的氮化層34和/或襯底32的任何暴露區(qū)域而形成。結(jié)構(gòu)層38被處理為形成通過腔36與在下面的傳感電極28間隔開的傳感結(jié)構(gòu)22的一個(gè)或多個(gè)隔膜40。此后，腔36內(nèi)的犧牲層37可以通過每次常規(guī)工藝的蝕刻開口 42被移除。犧牲層37不再存在于圖2所示的所制造的傳感結(jié)構(gòu)22中的腔36內(nèi)。因此，一條虛線從參考符號(hào)37指向腔36的內(nèi)部以表示犧牲層37在被移除之前曾存在的位置。
[0019]參考結(jié)構(gòu)24與傳感結(jié)構(gòu)22相似。因此，參考結(jié)構(gòu)24包括在襯底32上的結(jié)構(gòu)層30中形成的一個(gè)或多個(gè)參考電極44、上覆參考電極44的至少若干部分和在下面的襯底32的任何暴露區(qū)域而形成的氮化層34以及腔46。結(jié)構(gòu)層38如上所述被處理并且位于腔46內(nèi)的犧牲層37被移除以形成一個(gè)或多個(gè)通過腔46與參考電極44間隔開的隔膜48。此外，犧牲層37不再存在于圖3所示的所制造的參考結(jié)構(gòu)24中的腔46內(nèi)。因此，一條虛線從參考符號(hào)37指向腔46的內(nèi)部以表示在犧牲層37被移除之前曾存在的位置。保護(hù)層(caplayer) 50與隔膜48接觸地形成。保護(hù)層50可以例如是正硅酸乙酯(TEOS)的相對厚的層，它使隔膜48在很大程度上對壓力不敏感。因此,隔膜48可以在下文被稱為參考電極48。
[0020]MEMS壓力傳感器通常被制造為使得在其每個(gè)腔內(nèi)的壓力低于大氣壓力，并且更具體地說接近真空。因此，壓力傳感器20被制造為使得每個(gè)腔36和46內(nèi)并且在圖2和圖3中標(biāo)示為Pc的初始腔壓力51明顯小于環(huán)境壓力26。例如，初始腔壓力51大約接近真空。
[0021]在圖1中，使用了虛線圖形示出的拉長橢圓形表示傳感結(jié)構(gòu)22的電極28。虛線拉長橢圓形也表示參考結(jié)構(gòu)24的電極44。此外，包括了窄拉長橢圓形以及圍繞電極28的廣義矩形的虛線圖形表示耦合于氮化層34的結(jié)構(gòu)層38的那些部分，例如壓力腔36、46的側(cè)壁52 (另見圖2-圖3)。即，側(cè)壁52 (另見圖2-圖3)是耦合于氮化層34的結(jié)構(gòu)層38的部分以形成各自傳感和參考結(jié)構(gòu)22、24的個(gè)體腔36、46。由圖1中的點(diǎn)劃線圖形示出的正方形表示電容器極板的外邊緣，即，圖2和圖3中的層38，其分別包括傳感和參考結(jié)構(gòu)22、24的隔膜40、48 (最好另見圖2-圖3)。應(yīng)記得，保護(hù)層50不在隔膜40上形成使得隔膜40對環(huán)境壓力26敏感。因此，在圖1中的實(shí)線圖形示出的正方形53表示保護(hù)層50的窗口或空缺，使得隔膜40被暴露于壓力26。這些各種圖案形狀并不表示相對于彼此的每個(gè)元件或特征的尺寸，而是表示每個(gè)元件或特征的堆疊關(guān)系。
[0022]通常，傳感結(jié)構(gòu)22在隔膜40和傳感電極28的每個(gè)之間形成了電容器。即，傳感電容54，Cs，在隔膜40和傳感電極28之間(即，Cs+和Cs_之間的差)形成，該傳感電容響應(yīng)于環(huán)境壓力26發(fā)生變化。參考結(jié)構(gòu)24也在每個(gè)參考電極48和參考電極44之間形成了電容器。因此，參考電容56, Ck,在參考電極48和44之間(即，CkIPCk之間的差)形成，由于保護(hù)層50的存在，該參考電容不響應(yīng)于環(huán)境壓力26發(fā)生變化。隔膜40和參考電極48可以被互連以在傳感結(jié)構(gòu)22和參考結(jié)構(gòu)24的每個(gè)之間形成共同節(jié)點(diǎn)58?？刂齐娐?0被配置為測量傳感電容54與參考電容56的比值(即CS/CK)。較高壓力26增加了傳感電容54，Cs，但對參考電容56，Ck影響不大。因此，傳感電容54與參考電容56的比值(S卩，CS/CK)隨著壓力26的增大而增大。這個(gè)值可以被轉(zhuǎn)換為表示壓力26的量度。
[0023]在示出的實(shí)施例中，傳感結(jié)構(gòu)22的關(guān)鍵尺寸是隔膜40的寬度62(見圖2)。為了獲得希望的靈敏度，為寬度62建立預(yù)定的設(shè)計(jì)值。然而，在例如犧牲層的沉積/圖案化/蝕刻期間和/或在腔36和46內(nèi)的犧牲層被移除的釋放過程期間的工藝變化會(huì)導(dǎo)