使用振膜中嵌入的Ti-W引線吸氣劑的CMOS壓力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]這里所公開的多種示例實施例通常涉及用于調節(jié)(regulate)由于在壓力敏感振膜腔內的釋氣而引起的壓力變化的吸氣劑。
【背景技術】
[0002]微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力傳感器依賴于對懸置振膜(suspended membrane)(例如，硅或氮化硅)的偏斜的準確測量。通常這種傳感器具有公知的壓電電阻型或電容型讀數。參見例如Sui jlen等人題為“MEMS壓力傳感器(MEMS pressure sensor) ”的美國專利N0.8，256，298。為了令這些傳感器具有精確的參考壓力，必須將振膜下面的腔體與環(huán)境完美地密封，這對用于密封腔體的封裝提出嚴格限制。傳統(tǒng)裝置啟用昂貴的雙晶片結合技術來產生氣密密封的腔體。
[0003]具有電容型讀數的壓力傳感器相對于具有傳統(tǒng)壓電電阻型讀數的壓力傳感器具有明確優(yōu)點，包括非常低的功耗以及較高的靈敏度。例如，一些壓力傳感器使用較薄的懸置氮化硅(SiN)振膜作為電容型MEMS壓力計。為了實現必要的壓力參考，使用等離子體增強型化學氣相沉積(PECVD) SiN密封工藝來氣密地封閉SiN振膜下的腔體。器件性能主要取決于這種振膜的物理、機械和結構特性以及防止在振膜內形成孔所需的厚度。在其他性能因素中，振膜密度和成分確定釋氣行為和擴散勢皇的特性。內部應力以及壓力傳感器的靈敏度由振膜的厚度和剛性來確定，其中振膜的厚度和堅硬性是相關的。
[0004]由于當前在本領域中將吸氣劑膜用于覆蓋振膜，只有當通過將整個結構放置在加熱環(huán)境中來密封振膜時，才激活吸氣劑材料。

【發(fā)明內容】

[0005]考慮到當前需要防止不受控的釋氣并且在MEMS壓力傳感器中實現穩(wěn)定的腔體壓力，提出了對多種示例實施例的概述。在以下概述中可以進行一些簡化和省略，這是為了強調并介紹多種示例實施例的一些方面，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。以下部分示出了足以允許本領域技術人員利用并使用本發(fā)明構思的對優(yōu)選示例實施例的詳細描述。
[0006]多種示例實施例涉及一種壓力傳感器，包括:壓力敏感振膜，懸置在腔體上，其中通過一組錨結構(anchors)將所述振膜固定到襯底；以及吸氣劑材料，嵌入在所述振膜中，其中所述吸氣劑表面接觸腔體內的任何氣體，并且通過能夠將通過吸氣劑材料的電流傳導通過襯底的錨結構來將吸氣劑材料的兩端點附著到所述襯底。在備選實施例中，所述吸氣劑材料包括薄引線，在一些實施例中所述引線包括鈦(Ti)，在一些實施例中所述引線包括鎢(W)，在一些實施例中所述引線還包括氮化鈦(TiN)。在一些實施例中，引線寬度是0.7 μ m或更少，在一些實施例中，引線長度是40 μ m或更長。
[0007]在多種實施例中，所述壓力傳感器還包括通過密封通道與所述腔體相連的第二腔體，其中所述振膜懸置在兩個腔體和密封通道上，且吸氣劑材料嵌入在所述振膜中以靠近第二腔體。在一些實施例中，密封通道在一個角處從所述壓力傳感器的振膜和腔體橫向突出。在一些實施例中，密封通道小于所述振膜的橫向寬度的1/10。在一些實施例中，所述壓力傳感器還包括圍繞吸氣劑材料的隔離溝槽(trench)。在一些實施例中，所述壓力傳感器包括位置緊鄰吸氣劑材料的兩個或更多個隔熱溝槽。在備選實施例中，用氧化物或氮化物之一來密封所述振膜內的一組刻蝕孔。
[0008]多種示例實施例涉及一種制造壓力傳感器的方法，所述方法包括:將壓力敏感振膜懸置在腔體上，其中將吸氣劑引線嵌入在所述振膜中，使得所述吸氣劑引線的表面接觸腔體內的任何氣體，并且所述吸氣劑引線與電流源電連接；通過用錨結構固定所述振膜來氣密地密封所述腔體，其中通過所述錨結構來傳輸電流源；以及通過加熱所述吸氣劑引線來減小在氣密密封的腔體內的氣體壓力。在備選實施例中，所述加熱吸氣劑材料的步驟包括使來自電流源的電流流經吸氣劑材料。
[0009]在其它實施例中，所述方法包括在不使用所述壓力傳感器之前，延遲對吸氣劑材料進行加熱。在其它實施例中，所述方法包括:與所述腔體內的氣體壓力無關地確定絕對外部壓力；在所述壓力傳感器的讀數與測量到的絕對壓力相等之前，對所述吸氣劑材料進行加熱。在一些備選實施例中，所述對吸氣劑材料進行加熱的步驟發(fā)生在對嵌有所述壓力傳感器的設備進行裝配的最后步驟之后。在備選實施例中，所述振膜懸置在所述腔體、第二腔體二者以及將所述腔體與第二腔體相連的密封通道上，并且將所述吸氣劑引線嵌入在所述振膜中以靠近第二腔體。
[0010]多個示例實施例涉及一種制造壓力傳感器的方法，所述方法包括:沉積金屬引線，與此同時將壓力敏感振膜懸置在腔體上，其中所述引線嵌入在所述振膜中，使得引線表面接觸所述腔體內的任何氣體；刻蝕犧牲層(sacrificial layer);用氧化物或氮化物之一來密封所述振膜中的刻蝕孔；以及通過對引線進行加熱來減小腔體內的氣體壓力，其中對引線進行加熱包括使較小的電流傳輸通過所述引線。
[0011]應該清楚的是按照這種方式，多種示例實施例能夠在MEMS壓力傳感器中實現穩(wěn)定的腔體壓力。
【附圖說明】
[0012]為了更好的理解多種示例實施例，現參考附圖，其中:
[0013]圖1示出了具有嵌入式吸氣劑材料的示例壓力敏感振膜；
[0014]圖2示出了圖1的示例壓力敏感振膜的橫截面；
[0015]圖3示出了圖1的示例壓力敏感振膜的另一橫截面；
[0016]圖4示出了模擬的在媽絲(tungsten meander)中的溫度增加；
[0017]圖5示出了針對分離腔體的備選配置；
[0018]圖6示出了闡述在不同長度下針對10mA電流和0.7x0.7橫截面的引線中心溫度的示例圖。
【具體實施方式】
[0019]如上所述，具有電容型讀數的壓力傳感器相對于具有傳統(tǒng)壓電電阻型讀數的壓力傳感器具有明確優(yōu)點:包括非常低的功耗以及較高的靈敏度。此外，當壓力敏感振膜直接構建在集成讀取電路的頂部作為單個管芯解決方案時，可以實現明顯的改善:減小了寄生電容，因此導致比獨立電容型壓力傳感器管芯更好的信噪比。此外，由于將多個冗余振膜構建在CMOS頂部，而非使用單獨的、物理分離的壓力傳感器管芯，改善了形式因子以及封裝。此夕卜，由于在管芯層面改善的匹配和校準，將性能展寬最小化。此夕卜，由于例如電磁場的芯片上屏蔽，明顯減小了環(huán)境干擾。
[0020]由于所有這些原因，電容型壓力傳感器可以構建在CMOS讀取電路的最后鈍化層的頂部上。壓力傳感器技術可以使用針對布線并屏蔽板的公共后端線(BE0L)層。設備包括彼此被腔體和隔離/刻蝕停止層分離的底部電極板和頂部電極板。傳感器的重要部件是在從外部施加的壓力下偏斜的可移動振膜。壓力改變與金屬電極層之間的電容改變直接相關。
[0021]為了產生上覆在腔體的自由懸置振膜，將犧牲層沉積在底部電極和刻蝕停止層上。在制造過程期間，可以通過使用干法刻蝕方法通過在振膜內刻蝕的微孔來去除犧牲層，其中所述干刻方法避免粘連(sticking)。在犧牲刻蝕之后，形成懸置的穿孔振膜，隨后用SiN或Si02電介質膜密封該懸置穿孔振膜。
[0022]為了校準和精度的目的，大部分傳統(tǒng)微機械加工壓力傳感器使用對參考腔體進行密封的氣密振膜，其中該參考腔體處于特定計量壓力下(在理想情況下，計量壓力是真空的)。可以確定外部壓力，這是由于外部壓力和計量壓力之間的壓力差在振膜上產生力，導致振膜偏斜。然后通過壓電電阻型、電容型或光學型傳感器來測量這種偏斜。這種類型的壓力傳感器設計存在若干相關問題。
[0023]首先，參考腔體內的氣體壓力需要是非常穩(wěn)定的，以避免傳感器輸出隨著時間而漂移，意味著該振膜應該具有非常高的密閉程度，使得空氣或氣體無法穿過所述振膜或沿著所述界面。此外，下方的互連層和密封層應具有非常低的釋氣率，然而由于PEVCD SiN振膜包含大量容易被釋放的氫氣，難以實現非常