具有內置校準能力的壓力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明通常涉及微機電系統(MEMS)器件。更具體地說，本發明涉及估計由工藝變化導致的MEMS壓力傳感器的靈敏度。
【背景技術】
[0002]微機電系統(MEMS)器件是具有嵌入式機械兀件的半導體器件。MEMS器件被用于各種各樣的產品，例如，汽車安全氣囊系統、汽車中的控制應用、導航、顯示系統、噴墨盒等等。MEMS器件包括，例如，壓力傳感器、加速器計、陀螺儀、麥克風、數字鏡像顯示器、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的隔膜。在某些配置中，兩個板(其中兩個板之一是可動隔膜)之間的距離的變化建立了可變電容器以檢測由于在區域上施加的壓力而造成的應力(或偏轉)。
【附圖說明】
[0003]當結合附圖并參照詳細說明書以及權利要求書時，對本發明會有比較完整的理解。其中在附圖中，類似的參考符號表示類似的項目，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構的側視圖；
[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構的側視圖；
[0007]圖4顯示了根據一個實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根據另一個實施例，顯示了制造過程的流程圖；
[0011]圖8顯示了用于估計圖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顯示了根據另一個實施例的校準過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]在醫學應用、替代能源、發動機控制(例如，天然氣和燃料入口壓力)和汽車安全應用例如輪胎監測系統中的關鍵系統需要壓力傳感器，其中該壓力傳感器在其壽命范圍內傳遞準確和可預測的輸出以在這些改變變得臨界之前追蹤操作的變化。由于結構緊湊并且由于在高產量中相對低廉的成本，微機電系統(MEMS)壓力傳感器是一種常用的壓力傳感器技術。
[0014]然而，隨著正在進行的微型化，MEMS壓力傳感器產生了問題。這些問題涉及不靈敏性、不準確性和信號漂移。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。關鍵設計參數(例如MEMS壓力傳感器隔膜的寬度)的工藝變化會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導致相對于壓力傳感器的預定標稱、或設計、靈敏度的大的靈敏度差異。
[0015]由于關鍵設計參數的工藝變化，沒有兩個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MEMS壓力傳感器的靈敏度通常在工廠測試期間被校準以消除由于工藝變化的任何信號不一致。MEMS壓力傳感器可以在工業制造環境中通過使用處理機/測試器設備被校準。處理機/測試器設備可以將已知物理刺激校準信號施加于壓力傳感器。壓力傳感器的輸出可以被測量并且與已知校準信號的值進行比較。隨后，校準信息可以被用于糾正后續壓力傳感器讀數。在工業生產環境中，測量單個器件參數是不現實的，例如，相對于外部力的偏轉分布。即，由于需要處理機/測試器設備來強加校準信號，這種傳統技術成本高并且費時。
[0016]實施例涉及包括內置校準能力的MEMS壓力傳感器、用于制造MEMS壓力傳感器的方法、和用于校準MEMS壓力傳感器的方法。該壓力傳感器包括位于由相同設計參數和工藝制造的單一管芯上的多個傳感和測試單元。因此，每個傳感和測試單元理想地對強加的壓力刺激具有相同的靈敏度。密封結構與一個或多個測試單元的一個或多個測試腔相通。該密封結構被配置為被弄破裂以改變測試腔內的壓力。在破裂密封結構之前和之后，測試單元的靈敏度可以通過獲取壓力讀數被計算。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可以被用于估計傳感單元的靈敏度。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行靈敏度估計和相關傳感器校準，而無需強加物理刺激校準信號。
[0017]參照圖1-圖3，圖1顯示了示例的現有技術壓力傳感器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的傳感結構22的一部分的側視圖，以及圖3顯示了沿圖1的剖面線3-3的壓力傳感器20的參考結構24的一部分的側視圖。通常，傳感結構22對環境壓力敏感，其中環境壓力在圖2中由箭頭26表示并且標示為PA。相反，參考結構24在很大程度上對環境壓力26不敏感。傳感結構22包括一個或多個使用沉積、圖案化和蝕刻的常規操作在襯底32上的結構層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的任何暴露區域而形成。傳感結構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工藝形成。在犧牲層37適當地被形成之后，另一個結構層38上覆犧牲層37和在下面的氮化層34和/或襯底32的任何暴露區域而形成。結構層38被處理為形成通過腔36與在下面的傳感電極28間隔開的傳感結構22的一個或多個隔膜40。此后，腔36內的犧牲層37可以通過每次常規工藝的蝕刻開口 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構22中的腔36內。因此，一條虛線從參考符號37指向腔36的內部以表示犧牲層37在被移除之前曾存在的位置。
[0019]參考結構24與傳感結構22相似。因此，參考結構24包括在襯底32上的結構層30中形成的一個或多個參考電極44、上覆參考電極44的至少若干部分和在下面的襯底32的任何暴露區域而形成的氮化層34以及腔46。結構層38如上所述被處理并且位于腔46內的犧牲層37被移除以形成一個或多個通過腔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構24中的腔46內。因此，一條虛線從參考符號37指向腔46的內部以表示在犧牲層37被移除之前曾存在的位置。保護層(caplayer) 50與隔膜48接觸地形成。保護層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腔內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被制造為使得每個腔36和46內并且在圖2和圖3中標示為Pc的初始腔壓力51明顯小于環境壓力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構22的電極28。虛線拉長橢圓形也表示參考結構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的結構層38的那些部分，例如壓力腔36、46的側壁52 (另見圖2-圖3)。即，側壁52 (另見圖2-圖3)是耦合于氮化層34的結構層38的部分以形成各自傳感和參考結構22、24的個體腔36、46。由圖1中的點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構22、24的隔膜40、48 (最好另見圖2-圖3)。應記得，保護層50不在隔膜40上形成使得隔膜40對環境壓力26敏感。因此，在圖1中的實線圖形示出的正方形53表示保護層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元件或特征的尺寸，而是表示每個元件或特征的堆疊關系。
[0022]通常，傳感結構22在隔膜40和傳感電極28的每個之間形成了電容器。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，該傳感電容響應于環境壓力26發生變化。參考結構24也在每個參考電極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，由于保護層50的存在，該參考電容不響應于環境壓力26發生變化。隔膜40和參考電極48可以被互連以在傳感結構22和參考結構24的每個之間形成共同節點58。控制電路60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。這個值可以被轉換為表示壓力26的量度。
[0023]在示出的實施例中，傳感結構22的關鍵尺寸是隔膜40的寬度62(見圖2)。為了獲得希望的靈敏度，為寬度62建立預定的設計值。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內的犧牲層被移除的釋放過程期間的工藝變化會導