Mems電容式壓力傳感器及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電容式壓力傳感器，尤其涉及MEMS電容式壓力傳感器及其制造方法。
【背景技術】
[0002] MEMS電容式壓力傳感器具有低溫漂、高靈敏度、低噪聲和較大的動態(tài)范圍等顯著 優(yōu)點而被廣泛應用。MEMS電容式壓力傳感器通常包括感測電容器和參考電容器，其中參考 電容器通常用于獲得感測電容器的靜態(tài)電容和寄生電容，以便從MEMS電容式壓力傳感器 測得的總電容中去除靜態(tài)電容和寄生電容，獲得能夠準確地反映所施加的壓力的凈電容。 靜態(tài)電容指的是感測電容在整個測量范圍內均不改變的分量，而寄生電容指的是原本沒有 設計成感測電容器的分量但卻總是無法避免的電容分量。寄生電容的示例包括結電容、金 屬化布局和襯底之間的電容等等。由于這些分量對信號沒有貢獻，因此在測量中包括這些 信號將會導致不期望的信號處理電路的動態(tài)范圍降低。
[0003] 這種情況下，要求參考電容器的電容應當恰好等于感測電容器的靜態(tài)電容和寄生 電容。然而，如果在參考電容和靜態(tài)及寄生電容之間存在差異，則有必要去除該差異。為了 去除該差異，需要對設計和工藝進行仔細校準和微調，并且如果是工藝導致的差異，則需要 針對每個器件進行這種繁瑣的校準。
[0004] 因此，期望設計出盡量與感測電容器類似的參考電容器，以使得參考電容器的電 容基本上等于感測電容器的靜態(tài)電容和寄生電容。然而，由于參考電容器應當對壓力變化 不敏感，因此很難設計出完全相同的參考電容器和感測電容器，從而很難完全消除感測電 容器的靜態(tài)電容和寄生電容。在美國專利US8575710B2中公開了一種電容式半導體壓力傳 感器，其中用電介質材料填充可變形隔膜下方的空腔來形成對壓力不敏感的參考電容器； 然而，為了獲得與靜態(tài)電容和寄生電容相同的參考電容，需要精確地計算這種參考電容器 的尺寸。在KlausKasten,etal.''Capacitivepressuresensorwithmonolithically integratedCMOSreadoutcircuitforhightemperatureapplications"，Sensorsand ActuatorsA:Physical97(2002) :83-87中，通過增大可變形隔膜的厚度來增大參考電容 器的剛度以使得參考電容器對壓力不敏感，但這需要包括光刻工藝的額外工藝步驟，并且 仍然很難完全消除靜態(tài)電容和寄生電容。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種MEMS電容式壓力 傳感器及其制造方法。所述MEMS電容式壓力傳感器基于MEMS技術，包括單片集成的感測 電容器及與其對應的多個參考電容器，每個參考電容器的隔膜尺寸均小于感測電容器的隔 膜尺寸，因此能夠獲得較大的剛度，對壓力變化不敏感。多個參考電容器的隔膜的總面積與 感測電容器的隔膜的面積相同，因此在真空條件下，多個參考電容器和感測電容器的總靜 態(tài)電容值相同。另外，多個參考電容器和感測電容器的隔膜的摻雜區(qū)域的面積和周長相同。 因此，能夠從多個參考電容器準確地獲得感測電容器的靜態(tài)電容和寄生電容，從而可以通 過差動運算來有效地去除感測電容器的靜態(tài)電容和寄生電容。
[0006] 具體地，本發(fā)明提供了一種MEMS電容式壓力傳感器，包括集成在具有第一導電類 型的同一襯底中的感測電容器和與其對應的用于對其進行補償?shù)亩鄠€參考電容器，其中， 所述感測電容器包括襯底內的感測掩埋腔和感測掩埋腔上方的懸浮的可變形的感測隔膜； 所述每個參考電容器包括襯底內的參考掩埋腔和參考掩埋腔上方的懸浮的參考隔膜；以及 所述多個參考隔膜的總面積與感測隔膜的面積相同。
[0007] 優(yōu)選地，所述感測電容器還包括位于感測掩埋腔下方的第一導電類型感測區(qū)域、 位于感測掩埋腔上方的第二導電類型感測區(qū)域和形成在感測隔膜的底表面的下方和感測 掩埋腔的底表面的上方之間的pn結，其中所述感測隔膜位于所述第二導電類型感測區(qū)域 中；所述每個參考電容器還包括位于參考掩埋腔下方的第一導電類型參考區(qū)域、位于參考 掩埋腔上方的第二導電類型參考區(qū)域和形成在參考隔膜的底表面的下方和參考掩埋腔的 底表面的上方之間的pn結，其中所述參考隔膜位于所述第二導電類型參考區(qū)域中；以及 第一導電類型感測區(qū)域和第一導電類型參考區(qū)域的摻雜濃度相同，并且大于襯底的摻雜濃 度。
[0008] 優(yōu)選地，所述每個參考隔膜與所述感測隔膜具有相同的厚度，以及所述每個參考 掩埋腔與所述感測掩埋腔具有相同的厚度。
[0009] 優(yōu)選地，所述感測隔膜和所述每個參考隔膜為長方形形狀。
[0010] 優(yōu)選地，所述長方形的長度遠遠大于其寬度。
[0011] 優(yōu)選地，所述多個參考隔膜的寬度之和等于所述感測隔膜的寬度。
[0012] 優(yōu)選地，所述多個參考隔膜的寬度相同。
[0013] 優(yōu)選地，所述每個參考隔膜的寬度為所述感測隔膜的寬度的1/3或1/6。
[0014] 優(yōu)選地，所述感測電容器和所述多個參考電容器具有相同的金屬化接觸布局。
[0015] 優(yōu)選地，所述感測電容器的第二導電類型感測區(qū)域的面積和所述多個參考電容器 的第二導電類型參考區(qū)域的總面積相同。
[0016] 優(yōu)選地，所述感測電容器的第二導電類型感測區(qū)域的周長和所述多個參考電容器 的第二導電類型參考區(qū)域的總周長相同。
[0017] 優(yōu)選地，所述每個參考電容器還包括與其參考掩埋腔連通的參考通風孔，以及所 述感測電容器還包括與其感測掩埋腔連通的感測通風孔。
[0018] 優(yōu)選地，所述每個參考掩埋腔和所述感測掩埋腔內的壓力均為1個大氣壓以下。
[0019] 優(yōu)選地，所述MEMS電容式壓力傳感器還包括單片集成的信號處理電路。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種MEMS電容式壓力傳感器的制造方法，所述MEMS電容式壓力 傳感器包括集成在具有第一導電類型的同一襯底中的位于第一區(qū)域的感測電容器和位于 第二區(qū)域的與所述感測電容器相對應的用于對其進行補償?shù)亩鄠€參考電容器，所述方法包 括：SOO:分別在第一區(qū)域和第二區(qū)域形成孔陣列，其中第二區(qū)域的孔陣列中的孔劃分成多 個子區(qū)域，在每個子區(qū)域將形成一個參考電容器，并且第一區(qū)域的孔陣列的面積等于第二 區(qū)域的孔陣列的面積；SOl:在第一區(qū)域的孔陣列和第二區(qū)域的孔陣列的各孔的底部注入 第一導電類型雜質；S02 :進行熱處理，以形成感測電容器的感測掩埋腔和每個參考電容器 的參考掩埋腔；S03 :分別在第一區(qū)域和第二區(qū)域注入第二導電類型雜質；S04 :進行熱驅入 處理以同時在感測掩埋腔和每個參考掩埋腔的上側和下側分別形成第二導電類型區(qū)域和 第一導電類型區(qū)域，使得感測掩埋腔和多個參考掩埋腔中的每一個的上表面和下表面之間 形成有pn結；S05 :注入第二導電類型雜質并且激活雜質以形成金屬化觸點。
[0021] 優(yōu)選地，所述在步驟S05之后還包括S06 :形成與金屬化觸點接觸的外接電極。
[0022] 優(yōu)選地，所述方法在步驟SOO中，第一區(qū)域形成的孔陣列中的至少一個孔的直徑 大于該區(qū)域其余孔的直徑以在S02步驟中形成與感測掩埋腔相通的用于對掩埋腔內的壓 力進行控制的通風孔，而第二區(qū)域中每個子區(qū)域中的至少一個孔的直徑大于該區(qū)域其余孔 的直徑以在S02步驟中形成與該區(qū)域的參考掩埋腔相通的用于對掩埋腔內的壓力進行控 制的通風孔。
[0023] 優(yōu)選地，所述方法在步驟S04之后還包括與步驟S05同步的CMOS工藝步驟以在同 一襯底上集成用于對所述MEMS電容式壓力傳感器測量結果進行處理的信號處理電路。
[0024] 優(yōu)選地，利用深離子蝕刻，分別在第一區(qū)域和第二區(qū)域形成孔陣列。
[0025] 在本發(fā)明的MEMS電容式壓力傳感器中，針對一個感測電容器，設置用于獲得其測 量結果中所包括的靜態(tài)電容和寄生電容的多個參考電容器，以將感測電容器測量結果中所 包括的靜態(tài)電容和寄生電容去除，最終獲得靜電容。感測電容器包括掩埋在襯底內的掩埋 腔及其上方的在壓力作用下可變形的隔膜。每個感測電容器設有與其對應的多個參考電容 器，每個參考電容器包括掩埋在襯底內的掩埋腔及其上方的在壓力作用下基本上不發(fā)生變 形的剛度較大的隔膜。多個參考電容器的總隔膜面積等于感測電容器的隔膜面積，因此在 真空條件下，多個參考電容器和感測電容器具有相同的電容。
[0026] 本發(fā)明的MEMS電容式壓力傳感器的感測電容器和每個參考電容器所包括的襯底 和襯底內的掩埋腔均相同；其不同之處在于：感測電容器包括用于對壓力進行測量的一個 可變形隔膜，而每個參考電容器包括一個參考隔膜，則多個參考電容器包括多個參考隔膜， 可變形隔膜的面積與多個參考隔膜的總面積相同，由于感測電容器和與其對應的多個參考 電容器集成在同一襯底中，從同一襯底通過相同工藝制備而成，因此每個參考隔膜的剛度 均大于可變形隔膜的剛度，對壓力不敏感。也就是，在本發(fā)明中，除了構成電容器一個極板 的隔膜面積不同從而導致剛度不同之外，參考電容器和感測電容器是完全相同的，因此與 一個感測電容器對應的多個參考電容器的總參考電容代表了該感測電容器的靜態(tài)電容和 寄生電容，通過差動讀取感測電容器的傳感電容和參考電容，可以完全消除感測電容器的 靜態(tài)電容和寄生電容，提高MEMS電容式壓力傳感器的測量準確性。
【附圖說明】
[0027] 以下參照構成說明書一部分的附圖來詳細描述本發(fā)明的各實施例，其中：
[0028] 圖Ia示出了常規(guī)的MEMS電容式壓力傳感器的三維結構的示意圖；
[0029] 圖Ib示出了包括懸浮的隔膜和掩埋腔的MEMS電容式壓力傳感器的掃描電子顯微 鏡圖像；
[0030] 圖Ic示出了常規(guī)的MEMS電容式壓力傳感器的包括pn結位置的截面示意圖；
[0031] 圖Id示出了常規(guī)的MEMS電容式壓力傳感器的包括寄生電容的截面示意圖；
[0032] 圖2a示出了矩形隔膜的示意圖，其中矩形隔膜的長度遠遠大于其寬度，因此可以 用一維模型對其進行分析；
[0033] 圖2b示出了圖2a所示的矩形隔膜在壓力負載下發(fā)生變形的模擬結果；
[0034]