具有应力结构的MEMS薄膜

本申请要求于2020年1月15日提交的美国临时申请专利No.62/961,510的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及微型传感器，并且特别地涉及微机电系统(MEMS)压力传感器。

背景技术

存在许多需要感测压力的应用。本领域已知使用悬置膜作为压力传感器。然而，这种传感器在灵敏度和范围方面的性能并不是最佳的。本领域存在对具有经改善的灵敏度和范围的压力传感器的需要，尤其是对微机电系统(MEMS)类型的一种压力传感器的需要。

发明内容

在一个实施例中，传感器包括：半导体基底，具有顶表面和底表面，并且在底表面中包括盲孔，盲孔从基底框架限定了悬置的薄膜，其中薄膜具有顶侧表面和底侧表面；应力结构，被安装到薄膜的顶侧表面或底侧表面中的一者，以引起薄膜的弯曲，这限定针对薄膜的正常状态；以及多个压电电阻器，由薄膜支撑。

在一个实施例中，压力传感器包括：半导体框架，围绕开口；半导体膜，在开口上方从半导体框架悬置；多个压电电阻器，由半导体膜支撑；以及应力结构，安装在半导体膜的顶侧表面并且被配置为引起半导体膜弯曲以产生凸的底侧表面，这限定针对半导体膜的正常状态；其中半导体膜通过在远离施加的压力的方向上从正常状态变形，来响应在凸的底侧表面处的施加的压力；其中多个压电电阻器的电阻响应于半导体膜的变形而变化。

在一个实施例中，压力传感器包括：半导体框架，围绕开口；半导体膜，在开口上方从半导体框架悬置；多个压电电阻器，由半导体膜支撑；以及应力结构，安装在半导体膜的底侧表面并且被配置为引起半导体膜弯曲以产生凸的顶侧表面，这限定半导体膜的正常状态；其中半导体膜通过在远离施加的压力的方向上从正常状态变形，来响应在凸的顶侧表面处的施加的压力；其中多个压电电阻器的电阻响应于半导体膜的变形而变化。

附图说明

为了更好地理解实施例，现在仅通过示例的方式参考附图，其中：

图1至图3示出了用于形成微机电系统(MEMS)压力传感器的过程的步骤；

图4至图5图示了图3的传感器对压力的施加的响应；

图6至图10B示出了用于形成微机电系统(MEMS)压力传感器的过程的步骤；

图11A和图11B分别图示了图10A和图10B的传感器对压力的施加的响应；以及

图12A至图12C是示出了用于传感器的在桥电路配置中具有压电电阻器的应力结构的示例布局的平面图。

参考图1至图3，图1至图3示出了在用于形成微机电系统(MEMS)压力传感器100的过程中的步骤。图1示出了例如由硅制成的半导体基底10。基底10可以(如果需要)用第一导电类型(例如，n型)的掺杂剂轻掺杂，或者可以作为本征半导体材料。基底10包括顶表面12和底表面14。使用常规的光刻工艺，在基底10中的顶表面12处形成多个掺杂区域16。例如，掺杂区域16可以使用第二导电类型(例如，p型)的掺杂剂的掩蔽植入和活化来形成。作为示例，掺杂区域16具有适于形成电阻性半导体结构的掺杂剂浓度。结果如图2所示。然后对基底10的底表面14进行微机械加工，以便选择性地减薄基底10，并且形成从底表面14延伸到基底中的盲孔(或腔体)20，其中盲孔在顶表面12处限定薄膜22。薄膜22具有一厚度，该厚度允许薄膜22响应于待感测的压力的施加而弯曲。多个掺杂区域16位于顶表面12处的薄膜22区域内。结果如图3所示。未被减薄的基底10的部分形成基底框架26，薄膜22从该基底框架26悬置。如图3所示的薄膜22的大致平坦形状是传感器100的正常或初始状态。

通过在两个不同的、间隔开的位置处制成到掺杂区域16的电连接，每个掺杂区域16可以形成半导体电阻器(例如，压电型)，使得在两个电连接之间的电阻根据薄膜22的位移(即，弯曲)而变化。如图4所示，响应于在底表面14的方向上施加的压力30，薄膜22可以在第一方向上弯曲，远离正常状态或初始状态。薄膜22被弯曲的位移量Xpos是施加的压力30的量的函数，并且由被包括的掺杂区域16形成的压电电阻器的电阻的变化将会对应地根据施加的压力30的量而变化。如图5所示，薄膜22还可以在第二方向上弯曲(与第一方向相对)，远离正常或初始状态，以响应施加在顶表面12上的压力32。薄膜22被弯曲的位移量Xneg是施加的压力32的量的函数，并且由被包括的掺杂区域16形成的压电电阻器的电阻的变化将会对应地根据施加的压力32的量而变化。应当注意，用于传感器100的灵敏度范围受到由于薄膜22的弯曲而产生的位移量(Xpos或Xneg)的最大值的限制。

参考图6至图10B，图6至图10B示出了在用于形成微机电系统(MEMS)压力传感器200的过程中的步骤。图6示出了例如由硅制成的半导体基底10。基底10可以(如果需要)用第一导电类型(例如，n型)的掺杂剂轻掺杂，或者可以作为本征半导体材料。基底10包括顶表面12和底表面14。使用常规的光刻工艺，在基底10中的顶表面12处形成多个掺杂区域16。例如，掺杂区域16可以使用第二导电类型(例如，p型)的掺杂剂的掩蔽植入和活化来形成。作为示例，掺杂区域16具有适于形成电阻性半导体结构的掺杂剂浓度。结果如图7所示。然后对基底10的底表面14进行微机械加工，以便选择性地减薄基底10，并且形成从底表面14延伸到基底中的盲孔(或腔体)20，其中盲孔在顶表面12处限定薄膜22。薄膜22具有一厚度，该厚度允许薄膜22响应于待感测的压力的施加而弯曲。多个掺杂区域16位于顶表面12处的薄膜22的区域内。结果如图8所示。未被减薄的基底10的部分形成基底框架26，薄膜22从该基底框架26悬置。接着，在薄膜22的中间区域的薄膜22的顶侧表面203上沉积材料层202。沉积材料可以例如包括聚酰亚胺。由层202占据的区域小于薄膜22的区域。结果如图9A所示。然后相对于层202执行固化工艺，并且作为结果，层202收缩以形成应力结构206，该应力结构206由于剩余应力而引起薄膜22变形，该变形在薄膜22的底侧表面204上具有凸形(并且在薄膜22的顶侧表面203上具有凹形)。结果如图10A所示。如图10A所示的薄膜22的变形形状是传感器200的正常或初始状态。固化工艺可以包括，在层202的沉积之后，预烘焙(例如，在约240℃的温度下)，接着在接触对准器中暴露于紫外线(剂量约420mj)，接着大气烘箱烘焙(例如，在约350℃的温度下)。

在备选实施例中，材料层202被沉积在薄膜22的中间区域中的在薄膜22底侧表面204上的开口20内。再次地，沉积材料可以包括聚酰亚胺，并且由层202占据的区域小于薄膜22的区域。结果如图9B所示。然后执行如上所述的固化工艺，以形成应力结构206，该应力结构206由于剩余应力而引起薄膜22变形，该变形在薄膜22的顶侧表面203上具有凸形(并且在薄膜22的底侧表面204上具有凹形)。结果如图10B所示。如图10B所示的薄膜22的变形形状是传感器200的正常或初始状态。

应注意的是，在传感器200的正常或初始状态下，对于由图10A和图10B所示出的每个实施例，应力结构206位于薄膜22的表面上，作为来自应力结构的剩余应力的结果，薄膜22与凹形相关联。与凸形相关联的薄膜22的相对表面形成传感器200的压力感测表面。因此，在图10A的实施例中，薄膜22的底侧表面204是压力感测表面，而在图10B实施例中，薄膜22的顶侧表面203是压力感测表面。应力结构206的使用形成了传感器，其中薄膜22被偏置为用于正常或初始状态的变形形状，薄膜22响应于在凸形表面处施加的压力而从该变形形状偏转(在与该变形形状相反的方向上)，并且薄膜22具有弹性以便在压力被移除时返回到该变形形状。

重要的是要注意，基底10的减薄以形成盲孔20必须被控制，以便以允许应力结构206引起针对正常或初始状态所需的薄膜22变形程度的方式，设置薄膜22的厚度。

通过在两个不同的、间隔开的位置处制成到掺杂区域16的电连接，每个掺杂区域16可以形成半导体电阻器(例如，压电型)，使得在两个电连接之间的电阻根据薄膜22的位移(即，弯曲)而变化。如图11A所示，响应于在底表面14方向上施加的压力30，关于如图10A所示的传感器200的实施例，薄膜22可以在与由限定正常或初始状态的应力结构206引起的偏置变形相反的方向上被弯曲。薄膜22被弯曲的位移量Xpos是施加的压力30的量的函数，并且由被包括的掺杂区域16形成的压电电阻器的电阻的变化将会对应地根据施加的压力30的量而变化。应注意的是，图11A中响应于施加的压力而弯曲的位移Xpos的量，大幅度大于(例如，约2X)图4中弯曲的位移Xpos的量。因此，传感器200展现出比传感器100更大的灵敏度和范围。

关于如图10B所示的传感器200的实施例，如图11B所示，响应于在顶表面12方向上施加的压力32，薄膜22可以在与由应力结构206引起的偏置变形相反的方向上被弯曲，该应力结构206定义了正常或初始状态。薄膜22弯曲的位移量Xneg是施加的压力32的量的函数，并且由被包括的掺杂区域16形成的压电电阻器的电阻变化将会对应地根据施加的压力32的量而变化。应注意的是，图11B中弯曲的位移Xneg的量，大幅度大于(例如，约2X)图5中弯曲的位移Xneg的量。因此，传感器200展现出比传感器100更大的灵敏度和范围。

现在参考图12A，图12A是一个平面图，示出了用于传感器的在桥电路配置中具有压电电阻器的应力结构206的示例布局。该传感器包括四个掺杂区域16，形成四个相对应的压电电阻器。虚线示出了由开口20限定的薄膜22的区域。在该视图中，应力结构206被示出为，在与图10A的实现方式相对应的基底10的顶表面12上。然而，应理解的是，应力结构206可以备选地被放置在开口20中的底表面204上，如在图10B的实现方式中所示。

由应力结构206占据的区域A1小于薄膜22的区域A2。应力结构206从四个掺杂区域16偏移并且在优选的实施例中居中于四个掺杂区域16之间。实际上，在优选的实施例中，由应力结构206占据的区域A1的几何中心与由薄膜22占据的区域A2的几何中心重合。由开口20限定的薄膜22和应力结构206在平面图中可以各自具有四边形形状。四个掺杂区域16被布置成平行于应力结构206的对应侧边纵向地延伸。此外，每个掺杂区域16的纵向延伸部的中心被定位为与薄膜22的对应侧的中心对准，以便确保最大应力。

电路线220形成在基底10的顶表面12上方并且与基底10的顶表面12绝缘，这些电路线220通过通孔(未明确示出，但位于与每个掺杂区域16的间隔位置形成电接触的位置处)将传感器的电连接焊盘222互连到四个掺杂区域16。由图示的电连接形成的电路形成电阻性桥电路，并且可以使用连接到焊盘222的感测电路来感测桥电路的电阻的变化，以便感测施加的压力30、32。

图12A示出了具有四边形形状(例如，可以是矩形(如图所示)或正方形)的应力结构206的平面图。在图12B中示出的备选实现方式中，应力结构206在平面图中具有圆形形状(其中该圆形可以是圆形或椭圆形)。例如，应力结构的圆形形状在薄膜22上引起圆形剩余应力，这将改变膜对施加的压力30、32二者的响应以及压电器对该膜响应的电阻变化。在图12C所示的备选实现方式中，应力结构206在平面图中具有更复杂的形状。用于应力结构206的复杂形状包括中心区域206c(其可以具有包括四边形和圆形(如图所示)的任何期望形状)以及从中心区域206c径向延伸的一个或多个臂206a。在优选的实现方式中，每个被包括的径向延伸臂206a被定向为朝向压电电阻器中的对应一个压电电阻器的方向(该方向优选的垂直于形成压电电阻器的掺杂区域的纵向延伸部)延伸。用于应力结构206的复杂形状的优点是，臂206a从薄膜22的几何中心进一步突出剩余应力。应注意的是，可以通过包括少于四个臂206a和/或通过使被包括的臂206s具有不同的径向长度，来施加在由应力结构206引起的剩余应力中的不平衡。

虽然本发明已在附图和前述描述中详细说明和描述，但此类说明和描述被认为是说明性的、或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过对附图、本公开和所附权利要求书的研究，可以理解并实现所公开实施例的其他变型。