微機電傳感器及其形成方法

2023-05-31 19:16:56

專利名稱：微機電傳感器及其形成方法
技術領域：
本發明涉及微機電領域，尤其涉及微機電傳感器及其形成方法。
背景技術：
微機電系統(Microelectro Mechanical Systems，簡稱MEMS)是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域，是一種採用半導體工藝製造微型機電器件的技術。與傳統機電器件相比，MEMS器件在耐高溫、小體積、低功耗方面具有十分明顯的優勢。經過幾十年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一，它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。MEMS技術其中一個重要應用是MEMS傳感器，MEMS傳感器包括MEMS麥克風、MEMS 壓力傳感器等。麥克風是一種將聲音信號轉化為電信號的換能器。根據工作原理的不同分為壓電式、壓阻式以及電容式三類。其中電容式微型麥克風因具有較高的靈敏度、較低的噪聲、失真以及功耗等優點，而成為微機電麥克風發展的主流。壓力傳感器是一種將壓力信號轉換為電信號的換能器。根據工作原理的不同分為壓阻式傳感器和電容式傳感器。圖1為現有的一種微機電麥克風的立體示意圖，圖2為圖1所示的現有技術的一種微機電麥克風沿a-a方向的剖面結構示意圖，結合參考圖1和圖2，現有的一種微機電麥克風包括具有導氣孔的電極板11，位於半導體基板10表面上；振膜12，與電極板11相對設置，所述振膜12與電極板11之間為空腔13 ；還具有背腔14，背腔14與空腔13分別位于振膜12的兩側，且均與外界空氣連通，使振膜12兩側的氣壓相同。現有的微機電麥克風工作原理是振膜12兩側的背腔14和空腔13均與外界空氣連通，因此振膜12兩側的壓強相等，當有聲音經過電極板11的導氣孔傳至振膜12時，聲波會使振膜12振動，隨著振膜12的振動，振膜12與電極板11之間的電容會隨之變化，將振膜12與電極板11之間的電容變化轉化成電信號並輸出，即完成將聲音信號轉化為電信號的過程。現有的微機電麥克風存在如下問題首先，振膜12與電極板11之間的距離比較大，對電容的變化不是非常敏感，因此信噪比較大。其次，由於形成背腔14需要對半導體基板10的背面進行蝕刻，也就是說形成微機電麥克風時需要在基板的正面和背面均進行刻蝕，即需要給背腔14的形成預留一定的厚度，這樣會導致半導體基板10的厚度增加；再者，由於半導體基板10的厚度限制，背腔14的開口尺寸難以縮小，因此器件按比例微縮 (device scaling-down)困難，進而導致微機電麥克風難以集成在半導體晶片中。

發明內容
本發明解決的問題是現有技術的微機電傳感器(包括微機電麥克風和微機電壓力傳感器)，信噪比大、半導體基板厚度大以及背腔的開口尺寸難以縮小無法與半導體晶片集成。為解決上述問題，本發明提供一種微機電傳感器，包括
第一電極板，振膜，所述第一電極板和所述振膜相對設置，兩者之間為空腔，所述振膜的一側暴露於外界空氣；其特徵在於，還包括第二電極板，設置於所述第一電極板和所述振膜之間，所述振膜與所述第二電極板固定電連接。本發明還提供一種形成微機電傳感器的方法，包括提供基板，在所述基板上依次形成第一電極板、第一犧牲層、第二電極板、第二犧牲層，所述第一犧牲層覆蓋所述第一電極板且覆蓋部分所述基板，所述第二犧牲層完全覆蓋所述第二電極板、覆蓋部分所述第一犧牲層；在所述第二犧牲層中形成插栓，在所述第二犧牲層上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，在所述第二犧牲層的外側形成第一介質層，第一介質層的表面與第二犧牲層的表面相平；形成第二介質層，覆蓋所述振膜和所述第一介質層，並在所述第一介質層和第二介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層；通過所述開口去除所述第一犧牲層和第二犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成空腔，在所述第一介質層和基板之間形成通氣通道；形成第三介質層，填充所述開口且覆蓋所述第二介質層；在所述第二介質層、第三介質層中形成凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜，在所述第一介質層、第二介質層和所述第三介質層中形成通氣孔，所述通氣孔與所述通氣通道連通。本發明還提供另一種形成微機電傳感器的方法，包括提供基板，在所述基板上形成第一凹槽、與第一凹槽連通的第二凹槽；在所述第一凹槽、第二凹槽內形成第一犧牲層；在所述第一犧牲層上依次形成具有開口的第一電極板、第二犧牲層、第二電極板、 第三犧牲層，所述第二犧牲層覆蓋部分所述第一犧牲層，在形成第二電極板之前在第二犧牲層的外側形成第一介質層，所述第一介質層的表面和第二犧牲層的表面相平，所述第三犧牲層完全覆蓋第二電極板；在所述第三犧牲層中形成插栓，在所述第三犧牲層的外側形成第二介質層，在所述第三犧牲層、第二介質層與插栓形成的表面上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，所述振膜的周邊覆蓋在所述第二介質層上；形成第三介質層，覆蓋所述振膜、第三犧牲層、第二電極板，並在所述第一介質層、 第二介質層和第三介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層或第二犧牲層；通過所述開口去除所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成空腔，在第一電極板和基板之間形成連通空腔，在所述第一介質層和基板之間形成通氣通道，所述第一凹槽對應連通空腔，所述第二凹槽對應通氣通道；形成第四介質層，填充所述開口且覆蓋所述第三介質層；在所第三介質層和所述第四介質層中形成第三凹槽，所述第三凹槽暴露出所述振膜，在所述第一介質層、第二介質層、所述第三介質層和第四介質層中形成通氣孔，所述通氣孔與所述通氣通道連通。本發明還提供一種形成微機電傳感器的方法，包括提供基板，在所述基板上依次形成第一電極板、第一犧牲層、第二電極板、第二犧牲層，所述第一犧牲層覆蓋所述第一電極板，所述第二犧牲層完全覆蓋所述第二電極板、覆蓋部分所述第一犧牲層；在所述第二犧牲層中形成插栓，在所述第二犧牲層上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，在所述第二犧牲層的外側形成第一介質層，第一介質層的表面與第二犧牲層的表面相平；形成第二介質層，覆蓋所述振膜和所述第一介質層，並在所述第一介質層和第二介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層；通過所述開口去除所述第一犧牲層和第二犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成
空腔；形成第三介質層，填充所述開口且覆蓋所述第二介質層；在所述第二介質層、第三介質層中形成凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜。與現有技術相比，本發明具有以下優點本技術方案的微機電傳感器，在振膜和第一電極板之間增加了第二電極板，振膜和第二電極板固定電連接，將振膜和第一電極板之間的電容變化轉化為第二電極板和第一電極之間的電容變化，由於第一電極板和第二電極板之間的距離相對較近，對電容的變化也就相對敏感，因此可以提高信噪比，也就是說，對於微機電麥克風可以提高聲音信號的信噪比，對應微機電壓力傳感器可以提高壓力信號的信噪比。


圖1為現有的一種微機電麥克風的立體示意圖；圖2為圖1所示的現有技術的一種微機電麥克風沿a-a方向的剖面結構示意圖；圖3為本發明第一具體實施例的微機電麥克風的平面結構示意圖；圖4為圖3所示的微機電麥克風沿b_b方向的剖面結構示意圖；圖5為本發明第一具體實施例的微機電麥克風形成方法的流程圖；圖6a、6b 圖19a、19b為第一具體實施例的微機電麥克風形成方法的結構示意圖；圖20為本發明第二具體實施例的微機電麥克風的平面結構示意圖；圖21為圖20所示的微機電麥克風沿c-c方向的剖面結構示意圖；圖22為本發明第二具體實施例的形成微機電麥克風方法的流程圖；圖23a、圖2 圖33a、圖3 為第二具體實施例的形成微機電麥克風方法的剖面結構示意圖；圖34為本發明具體實施例的微機電壓力傳感器的剖面結構示意圖。
具體實施例方式為了使本領域的技術人員可以更好的理解本發明，下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施例的微機電麥克風和微機電壓力傳感器。圖3為本發明第一具體實施例的微機電麥克風的平面結構示意圖，圖4為圖3所示的微機電麥克風沿b-b方向的剖面結構示意圖。結合參考圖3和圖4，第一具體實施例的微機電麥克風包括第一電極板41，振膜44，所述第一電極板41和所述振膜44相對設置， 兩者之間為空腔461 ；還包括第二電極板42，設置於所述第一電極板41和所述振膜44之間，所述振膜44與所述第二電極板42固定電連接。在該具體實施例中，振膜44通過插栓 43與第二電極板42固定電連接。當振膜44振動時，可以將其振動轉移給第二電極板42，因此振膜44與第一電極板41之間的電容變化轉化為第二電極板42和第一電極板41之間的電容變化，由於第一電極板41和第二電極板42之間的距離相對較近，對電容的變化也就相對敏感，因此可以提高信噪比，也就是說，對於微機電麥克風可以提高聲音信號的信噪比。在本發明第一具體實施例中，振膜44和第二電極板42在振膜的中心位置固定電連接。由於對於整個振膜44來說，振膜44中間位置的振動最劇烈，也就是對聲音信號最敏感。將振膜44和第二電極板42在振膜的中間位置固定電連接，可以將振膜44最強的振動信號轉移給第二電極板42，這樣就可以更好的提高聲音信號的信噪比。在該第一具體實施例中，所述第一電極板41位於基板30上，所述振膜44相對設於第一電極板41遠離所述基板30的一側。也就是說，從基板30開始，第一電極板41位於基板30上，第二電極板42位於第一電極板41上方，兩者之間通過空腔461隔開，振膜44 在第二電極板42上方，兩者通過插栓43電連接。在該具體實施例中，基板30的材料可以為矽襯底或絕緣體上矽，其內可以形成有金屬互連或其他半導體器件(圖中未示出)，以便於本發明的微機電麥克風可以與採用CMOS工藝的製成的半導體晶片集成。該第一具體實施例的微機電麥克風還包括隔離結構48，位於所述基板30上，包圍所述第一電極板41、第二電極板42和所述振膜44，與所述振膜44固定連接，支撐固定所述振膜44 ；所述隔離結構48、基板30、第一電極板41和振膜44圍成了空腔461和通氣通道 462 ；隔離結構48高出所述振膜44，在所述隔離結構48遠離基板30的一側具有凹槽45，所述凹槽45暴露出所述振膜44，使所述振膜44暴露於外界空氣中；所述隔離結構48具有通氣孔47，所述通氣孔47與所述空腔461連通，使所述空腔461與所述外界空氣連通。也就是說，通氣孔47的一端與外界空氣連通，另一端與空腔461連通。在該具體實施例中，由於隔離結構48與所述基板30之間具有通氣通道462，所述通氣孔47、所述通氣通道462、所述空腔461三者連通，即空腔461通過通氣通道462與通氣孔47連通，從而與外界空氣連通。該第一具體實施例的微機電麥克風的工作原理為由于振膜44通過凹槽45暴露於外界空氣中，在其相對面的空腔461也與外界空氣連通，因此振膜44兩側的氣壓相等。當有聲音傳至振膜44上時，振膜44振動並將該振動轉移給第二電極板42，第二電極板42和第一電極板41之間的電容隨著第二電極板42的振動而發生變化，將該電容變化通過周邊的其他電路結構(此為本領域技術人員的公知技術，在此僅引用)，將電容變化轉換為電信號輸出。在該第一具體實施例中，由於凹槽45與空腔461均形成在基板30的同一側，因此可以減小基板的厚度，而且，不會出現現有技術中背腔的開口尺寸無法按比例縮小的問題， 也就可以將微機電麥克風集成在半導體晶片中。需要說明的是，在該第一具體實施例中，通氣孔47僅設在空腔461 —側，在其他實施例中，通氣孔也可以根據實際需要而設在空腔461的多側或者設在其周圍。在該第一具體實施例中，振膜44的厚度範圍為0. 05 μ m 4 μ m。振膜44的材料為選自鋁、鈦、鋅、銀、金、銅、鎢、鈷、鎳、鉭、鉬這些金屬其中之一或者他們的任意組合；或者，選自多晶矽、非晶矽、多晶鍺矽，非晶鍺矽這些導電非金屬或者他們的任意組合；或者， 選自所述金屬、導電非金屬其中之一以及他們的任意組合與絕緣層的組合；所述絕緣層選自氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、碳矽化合物以及氧化鋁其中之一或者他們的任意組合。在該第一具體實施例中，第一電極板41和第二電極板42的厚度範圍為0. 1 μ m 4μπι。第一電極板41和第二電極板42的材料選自鋁、鈦、鋅、銀、金、銅、鎢、鈷、鎳、鉭、鉬其中之一或者他們的任意組合。圖5為本發明第一具體實施例的微機電麥克風形成方法的流程圖。圖6a、6b 圖19a、19b為第一具體實施例的微機電麥克風形成方法的剖面結構示意圖，其中各幅a圖為b圖沿b-b方向的剖面結構示意圖，為了使本領域技術人員可以更好的理解第一具體實施例的微機電麥克風形成方法，結合參考圖5和圖6a、6b 圖19a、19b 詳細說明第一具體實施例的微機電麥克風形成方法。結合參考圖5和圖9a、圖％，執行步驟Sl 1，提供基板30，在所述基板30上依次形成第一電極板41、第一犧牲層31、第二電極板42、第二犧牲層33，所述第一犧牲層31覆蓋所述第一電極板41且覆蓋部分所述基板30，所述第二犧牲層33完全覆蓋所述第二電極板 42、覆蓋部分所述第一犧牲層31。下面參考圖6a、圖6b 圖9a、圖9b詳述步驟Sl 1。參考圖6a和圖6b，提供基板30，在所述基板30上形成第一電極板41。形成第一電極板41的方法為利用氣相沉積法在基板30上形成導電層；接著，對導電層進行平坦化工藝；然後，利用光刻、刻蝕工藝圖形化導電層形成第一電極板41 ；最後灰化去除光刻膠。參考圖7a和圖7b，形成第一犧牲層31，該第一犧牲層31完全覆蓋第一電極板41 且覆蓋部分基板30。參考圖7b，第一犧牲層31包括兩部分，分別為犧牲層311和犧牲層 312。其中犧牲層311為了在之後的工藝中形成第一電極板41和振膜44之間的空腔，犧牲層312為了在之後的工藝中形成通氣通道。在該具體實施例中，第一犧牲層31的材料為非晶碳，其形成方法為CMOS工藝中的普通的化學氣相沉積工藝。在基板30和第一電極板41 組成的表面上形成一層犧牲層後，利用光刻、刻蝕工藝圖形化犧牲層形成第一犧牲層31。需要說明的是，第一犧牲層31的材料不限於非晶碳，也可以為本領域技術人員公知的其他材料，但是其需要滿足在去除第一犧牲層的過程中，不損害周圍的其他結構。本發明具體實施例中，形成第一犧牲層31後，形成介質層32，覆蓋基板30上沒有被第一犧牲層31覆蓋的其他部位。介質層32的材料可以為氧化矽等本領域技術人員公知的介質層材料。其形成方法為化學氣相沉積，利用化學氣相沉積形成介質層32後，對其進行平坦化工藝，使介質層32的表面和第一犧牲層31的表面相平。參考圖fe和圖8b，在第一犧牲層41上形成第二電極板42。形成第二電極板42的方法為利用氣相沉積法在基板30、第一犧牲層41和介質層32組成的表面上形成導電層； 接著，對導電層進行平坦化工藝；然後，利用光刻、刻蝕工藝圖形化導電層形成第二電極板 42 ；最後灰化去除光刻膠。參考圖9a和圖％，形成第二犧牲層33，完全覆蓋第二電極板42，且覆蓋部分第一犧牲層31，可以完全覆蓋第一犧牲層31的犧牲層311，也可以部分覆蓋第一犧牲層31的犧牲層311，沒有覆蓋第一犧牲層31的犧牲層312。在圖示中，顯示部分覆蓋第一犧牲層31 的犧牲層311。在該具體實施例中，第二犧牲層33的材料為非晶碳，其形成方法為CMOS工藝中的普通的化學氣相沉積工藝。在介質層32、第一犧牲層31和第二電極板42組成的表面上形成一層犧牲層後，利用光刻、刻蝕工藝圖形化犧牲層形成第二犧牲層33。需要說明的是，第二犧牲層33的材料不限於非晶碳，也可以為本領域技術人員公知的其他材料，但是其需要滿足在去除第二犧牲層的過程中，不損害周圍的其他結構。結合參考圖5和圖13a和圖13b，執行步驟S12，在所述第二犧牲層33中形成插栓 43，在所述第二犧牲層33上形成振膜44，所述插栓44的兩端分別與所述第二電極板42、振膜44電連接，在所述第二犧牲層33的外側形成第一介質層35，第一介質層35的表面與第二犧牲層33的表面相平。下面結合參考圖10a、圖IOb 圖13a、圖1 對一具體實施例中的步驟S12進行詳細說明。參考圖IOa和圖10b、圖Ila和圖lib以及圖12a和圖12b，在所述第二犧牲層33 中形成插栓包括參考圖IOa和圖10b，在所述第二犧牲層33中形成通孔34;參考圖1 和圖12b，在所述通孔的側壁依次形成介質層(圖中未標號)、擴散阻擋層(圖中未標號)； 填充導電材料於所述通孔內，覆蓋所述擴散阻擋層，形成插栓43。具體為參考圖IOa和圖 10b，利用光刻、刻蝕工藝在第二犧牲層33中形成通孔34。接著，參考圖Ila和圖11b，形成第一介質層35，填充通孔，並且覆蓋基板30上形成的其他結構，第一介質層35的表面和第二犧牲層33的表面相平；第一介質層35的材料可以為氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽等本領域技術人員公知的介質層材料，利用化學氣相沉積方法沉積形成第一介質層35，然後利用平坦化工藝平坦化第一介質層35，使第一介質層35的表面和第二犧牲層33的表面相平。 之後，參考圖1 和圖12b，利用光刻、刻蝕工藝去除通孔內的部分第一介質層35，在通孔的側壁預留一定厚度的第一介質層，該預留的第一通孔內的第一介質層即為通孔側壁的介質層，然後利用化學氣相沉積在通孔的側壁沉積擴散阻擋層，擴散阻擋層的材料為氮化矽等本領域技術人員公知的可以起到擴散阻擋作用的材料；最後用導電材料填滿通孔，形成插栓43，通孔內的介質層、擴散阻擋層以及導電材料共同組成了插栓43，導電材料為銅或鎢， 其填充方法為物理氣相沉積。參考圖13a和圖13b，在所述第二犧牲層33上形成振膜44，振膜44的周邊也覆蓋在第一介質層35上，該第一介質層35起到支撐振膜44的作用。形成振膜44的方法為氣相沉積，在第二犧牲層33和第一介質層35組成的表面上形成振膜層，對該振膜材料進行平坦化工藝，然後利用光刻、刻蝕工藝圖形化振膜層，形成振膜44。結合參考圖5和圖14、圖15，執行步驟S13，形成第二介質層36，覆蓋所述振膜44 和所述第一介質層35 (參考圖14)，並在所述第一介質層35和第二介質層36中形成開口， 所述開口 37暴露出所述第一犧牲層31 (參考圖15)。首先，參考圖14，形成第二介質層36， 覆蓋所述振膜44和所述第一介質層35，第二介質層36的材料為氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽等本領域技術人員公知的材料。其形成方法為，利用化學氣相沉積形成第二介質層36，然後對第二介質層36進行平坦化工藝。然後，參考圖15，在所述第一介質層35和第二介質層36中形成開口 37，所述開口 37暴露出所述第一犧牲層31 形成開口 37的方法為光刻、 刻蝕工藝，形成開口 37後，灰化去除光刻膠。結合參考圖5和圖16，執行步驟S14，通過所述開口 37去除所述第一犧牲層和第二犧牲層，在振膜44和第一電極板41之間形成空腔461，在所述第一介質層35和基板之間形成通氣通道462。第一犧牲層和第二犧牲層的材料為非晶碳。通過所述開口 37去除第一犧牲層和第二犧牲層包括等離化氧氣形成氧等離子體；將所述氧等離子體通入所述開口，在溫度範圍為150°C 450°C的條件下灰化所述非晶碳。
結合參考圖5和圖17，執行步驟S15，形成第三介質層38，填充所述開口 37且覆蓋所述第二介質層36。填充開口起到密封的作用。第三介質層38的材料為氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽等本領域技術人員公知的材料。其形成方法為，利用化學氣相沉積形成第三介質層38，然後對第三介質層38進行平坦化工藝。結合參考圖5和圖18a、圖18b、圖19a、圖19b，執行步驟S16，在所述第二介質層 36、第三介質層38中形成凹槽45，所述凹槽45暴露出所述振膜44，在所第一介質層35、第二介質層36和所述第三介質層38中形成通氣孔47，所述通氣孔47與所述通氣通道462連通。利用光刻、刻蝕工藝在所第一介質層35和所述第二介質層36中形成凹槽45，利用光刻、刻蝕工藝在所第一介質層35、所述第二介質層36和第三介質層38中形成通氣孔47。需要說明的是，在該第一具體實施例中，先形成凹槽45，然後形成通氣孔47。在其他實施例中，也可以先形成通氣孔47，再形成凹槽45。而且，在該具體實施例中，通氣孔47 僅位於空腔461的一側，在其他實施例中，通氣孔也可以形成在空腔45的多側。結合參考圖4和圖19a，以及形成微機電麥克風的方法，可以得知，隔離結構48由介質層32、第一介質層35、第二介質層36和第三介質層38組成。以上所述為本發明第一具體實施例的微機電麥克風。下面說明本發明第二具體實施例的微機電麥克風。圖20為本發明第二具體實施例的微機電麥克風的平面結構示意圖，圖21為圖20 所示的第二具體實施例的微機電麥克風沿c-c方向的剖面結構示意圖。結合參考圖20和圖21，第二具體實施例的微機電麥克風包括第一電極板61，振膜64，所述第一電極板61 和所述振膜64相對設置，兩者之間為空腔651 ；還包括第二電極板62，設置於所述第一電極板61和所述振膜64之間，所述振膜64與所述第二電極板62固定電連接。在該具體實施例中，振膜64通過插栓63與第二電極板62固定電連接。在本發明第二具體實施例中， 振膜64和第二電極板62在振膜的中心位置固定電連接。在該第二具體實施例中，還包括隔離結構69，位於基板50上，分別與所述振膜64 與第一電極板61固定連接，支撐固定所述振膜64與第一電極板61 ；所述第一電極板61位於所述振膜64與所述基板50之間，所述第一電極板61與所述基板50之間為連通空腔652， 所述第一電極板61具有開口(圖中未標號)，所述空腔651與所述連通空腔652之間通過所述開口連通；所述隔離結構69高出所述振膜64，在所述隔離結構69遠離基板50的一側具有凹槽67，所述凹槽67暴露出所述振膜64，使所述振膜64暴露於外界空氣中；所述隔離結構69具有通氣孔68，通氣孔68的一端與外界空氣連通，另一端與通氣通道66連通，所述通氣孔68與所述通氣通道66連通，使所述空腔651、連通空腔652與所述外界空氣連通。 在該具體實施例中，由於隔離結構69與所述基板50之間具有通氣通道66，所述通氣孔68、 通氣通道66、所述空腔651以及連通空腔652相互連通，即空腔651通過連通空腔652、通氣通道66與通氣孔68連通，從而與外界空氣連通。第一電極板61、第二電極板62、振膜64的材料以及厚度均與第一具體實施例相同，在此不做贅述。圖22為本發明第二具體實施例的微機電麥克風形成方法的流程圖，圖23a、圖 23b 圖33a、圖3 為第二具體實施例的微機電麥克風形成方法的剖面結構示意圖，其中各幅a圖為對應的b圖沿c-c方向的剖面結構示意圖，為了使本領域技術人員可以更好的理解第二具體實施例的微機電麥克風形成方法，結合參考圖22和圖23a、圖2 圖33a、 圖3 詳細說明第二具體實施例的微機電麥克風形成方法。結合參考圖22和圖23a、圖23b，執行步驟S21，提供基板50，在所述基板50上形成第一凹槽51、與第一凹槽連通51的第二凹槽52。在所述基板50上形成第一凹槽51、與第一凹槽51連通的第二凹槽52的方法為光刻、刻蝕工藝。其中，第一凹槽51在之後的工藝中，對應形成連通空腔，第二凹槽52在之後的工藝中對應形成通氣通道。結合參考圖22和圖Ma、圖Mb，執行步驟S22，在所述第一凹槽51、第二凹槽52 內形成第一犧牲層53。結合參考圖22和圖^a、圖^b，執行步驟S23，在所述第一犧牲層53上依次形成具有開口的第一電極板61、第二犧牲層M、第二電極板62、第三犧牲層56，所述第二犧牲層 54覆蓋部分所述第一犧牲層53，在形成第二電極板62之前在第二犧牲層M的外側形成第一介質層55，所述第一介質層55的表面和第二犧牲層M的表面相平，所述第三犧牲層56 完全覆蓋第二電極板62。下面參考圖25a、圖2 圖^a、圖28b詳細說明步驟S23。參考圖25a、圖25b，在所述第一犧牲層53上形成具有開口(圖中未標號)的第一電極板61。形成第一電極板61的方法為利用氣相沉積法在基板50、第一犧牲層53組成的表面上形成導電層；接著，對導電層進行平坦化工藝；然後，利用光刻、刻蝕工藝圖形化導電層形成第一電極板61 ；最後灰化去除光刻膠。其中，第一電極板61的周邊可以位於基板50上，也可以只有兩相對邊位於基板50上，只要起到基板50可以支撐第一電極板61的作用即可。在該具體實施例中，第一電極板61與c-c切線垂直的兩相對邊位於基板50上。參考圖^a、圖^b，形成第二犧牲層M，覆蓋所述第一電極板61，且覆蓋部分第一犧牲層53。其中，第二犧牲層M完全覆蓋第一電極板61，這樣可以避免在之後的工藝中， 在第二犧牲層M上形成第二電極板時，第二電極板與第一電極板61電連接，造成短路現象。第二犧牲層M覆蓋第一凹槽51內的部分犧牲層，也可以覆蓋第一凹槽51內的全部犧牲層。第二犧牲層M的材料為非晶碳，其形成方法為CMOS工藝中的普通化學氣相沉積。第二犧牲層M的材料也可以為本領域技術人員公知的其他材料，只要滿足在去除第二犧牲層M時，不損壞周圍的其他結構即可。在形成第二犧牲層M後，在第二犧牲層M的外側形成第一介質層55，該第一介質層55的表面與第二犧牲層M的表面相平，並且覆蓋基板50上的其他結構。第一介質層 55的材料為氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽等本領域技術人員公知的介質材料。形成第一介質層陽的方法為利用化學氣相沉積形成介質層，覆蓋基板上的結構，然後利用平坦化工藝去除高出第二犧牲層M的介質層形成第一介質層陽。參考圖27a、圖27b，在第二犧牲層M上形成第二電極板62，第二電極板62沒有完全覆蓋第二犧牲層M，在第二電極板62的周邊暴露出第二犧牲層M，確保之後去除第二犧牲層M後，第二電極板62可以懸空。形成第二電極板62的方法為利用氣相沉積法在第一介質層55、第二犧牲層M組成的表面上形成導電層；接著，對導電層進行平坦化工藝 』然後，利用光刻、刻蝕工藝圖形化導電層形成第二電極板62 ；最後灰化去除光刻膠。參考圖^a、圖^b，形成第三犧牲層56，該第三犧牲層56要完全覆蓋第二電極板 62，即不僅要覆蓋第二電極板62的上表面，而且要覆蓋第二電極62的側邊。第三犧牲層56 的材料為非晶碳，其形成方法為CMOS工藝中的普通化學氣相沉積。第三犧牲層56的材料也可以為本領域技術人員公知的其他材料，只要滿足在去除第三犧牲層56時，不損壞周圍的其他結構即可。結合參考圖22和圖30a、圖30b，執行步驟S24，在所述第三犧牲層56中形成插栓 63，在所述第三犧牲層56的外側形成第二介質層57，在所述第三犧牲層56、第二介質層57 與插栓63形成的表面上形成振膜64，所述插栓63的兩端分別與所述第二電極板62、振膜 64電連接，所述振膜64的周邊覆蓋在所述第二介質層57上。參考圖29a和圖29b，在所述第三犧牲層56中形成插栓63，在所述第三犧牲層56 的外側形成第二介質層57。關於該步驟的詳細描述可以參見第一實施例中，在第二犧牲層中形成插栓的以及在第二犧牲層外側形成介質層的步驟，此不做詳述，其形成方法相同。參考圖30a和圖30b，在所述第三犧牲層56、第二介質層57與插栓63形成的表面上形成振膜64，所述振膜64的周邊覆蓋在所述第二介質層57上。其中振膜64的周邊可以全部覆蓋在第二介質層57上，也可以只有相對的周邊覆蓋在第二介質層57上，只要保證第二介質層57可以支撐振膜64即可。在本發明的具體實施例中，振膜64的周邊全部覆蓋在第二介質層57上。本發明具體實施例中，振膜64的厚度範圍為0.05μπι 4μπι。形成振膜64的方法為氣相沉積，在第三犧牲層56、第二介質層57和插栓63組成的表面上形成振膜層，對該振膜層進行平坦化工藝，然後利用光刻、刻蝕工藝圖形化振膜層，形成振膜64。結合參考圖22和圖31，執行步驟S25，形成第三介質層58，覆蓋所述振膜64、第三犧牲層56、第二電極板62，並在所述第一介質層55、第二介質層57和第三介質層58中形成開口 581，所述開口 581暴露出所述第一犧牲層53或第二犧牲層Μ。在該具體實施例中， 為暴露出第一犧牲層53。當然，在其他實施例中，可以根據實際形成的結構，也可以暴露出第二犧牲層Μ。第三介質層58的材料為氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽等本領域技術人員公知的材料。其形成方法為利用化學氣相沉積形成第三介質層58，然後對第三介質層58進行平坦化工藝。然後，利用光刻、刻蝕工藝在所述第一介質層55、第二介質層57和第三介質層58中形成開口 581，所述開口 581暴露出所述第一犧牲層53。結合參考圖22和圖32，執行步驟S26，通過所述開口 581去除所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層，在振膜64和第一電極板61之間形成空腔651，在第一電極板61和基板50之間形成連通空腔652，在所述第一介質層55和基板50之間形成通氣通道66，所述第一凹槽對應連通空腔652，所述第二凹槽對應通氣通道66。結合參考圖22和圖33a、圖33b，執行步驟S27，形成第四介質層59，填充所述開口且覆蓋所述第三介質層58 ；在所第三介質層58和所述第四介質層59中形成第三凹槽67和通氣孔68，所述第三凹槽67暴露出所述振膜64，所述通氣孔67與所述通氣通道66連通。形成第四介質層59後，在所述第三介質層58、第四介質層59中形成第三凹槽67， 所述第三凹槽67暴露出所述振膜64，在所述第一介質層55、第二介質層57、所述第三介質層58和第四介質層59中形成通氣孔68，所述通氣孔68與所述通氣通道66連通。利用光刻、刻蝕工藝在所述第三介質層58、第四介質層59中形成第三凹槽67，利用光刻、刻蝕工藝在所述第一介質層陽、第二介質層57、所述第三介質層58和第四介質層59中形成通氣孔 68。需要說明的是，在該第二具體實施例中，先形成第三凹槽67，然後形成通氣孔68。 在其他實施例中，也可以先形成通氣孔68，再形成第三凹槽67。而且，在該具體實施例中，通氣孔68僅位於空腔651的一側，在其他實施例中，通氣孔68也可以形成在空腔651的多側。結合參考圖8和圖33a，以及形成微機電麥克風的方法，可以得知，隔離結構69由第一介質層55、第二介質層57、第三介質層58和第四介質層59組成。以上所述僅列舉了有限的兩個微機電麥克風的具體實施例，本領域技術人員根據其常識，可以根據本發明的啟示提出若干個變形的實施例，但均不脫離本發明的保護範圍。以上所述為對微機電傳感器中微機電麥克風的詳細描述，下面說明本發明的微機電傳感器中的微機電壓力傳感器。圖34為本發明具體實施例的微機電壓力傳感器的剖面結構示意圖，本發明具體實施例的微機電壓力傳感器與第一具體實施例的微機電麥克風的結構基本相同，只是少了通氣孔以及通氣通道，也就是說空腔86不需要與外界空氣連通。參考圖34，本發明具體實施例的微機電壓力傳感器包括第一電極板81，振膜84，所述第一電極板81和所述振膜84 相對設置，兩者之間為空腔86 ；還包括第二電極板82，設置於所述第一電極板81和所述振膜84之間，所述振膜84與所述第二電極板82固定電連接。在該具體實施例中，振膜84 通過插栓83與第二電極板82固定電連接。由於第一電極板81和第二電極板82之間的距離相對較近，對電容的變化也就相對敏感，因此可以提高信噪比，也就是說，對於微機電壓力傳感器可以提高壓力信號的信噪比。在本發明第一具體實施例中，振膜84和第二電極板82在振膜的中心位置固定電連接，可以更好的提高壓力信號的信噪比。在該第一具體實施例中，所述第一電極板81位於基板70上，所述振膜84相對設於第一電極板81遠離所述基板70的一側。該具體實施例的微機電壓力傳感器還包括隔離結構87，位於所述基板70上，包圍所述第一電極板81、第二電極板82和所述振膜83，與所述振膜固定84連接，支撐固定所述振膜84;所述隔離結構48、基板30、第一電極板81和振膜84圍成了空腔86 ；隔離結構 87高出所述振膜84，在所述隔離結構87遠離基板70的一側具有凹槽85，所述凹槽85暴露出所述振膜84，使所述振膜84暴露於外界空氣中。該具體實施例的微機電壓力傳感器的工作原理為由于振膜84通過凹槽85暴露於外界空氣中，當有壓力傳至振膜84上時，振膜84振動並將該振動轉移給第二電極板82， 第二電極板82和第一電極板81之間的電容隨著第二電極板82的振動而發生變化，將該電容變化通過周邊的其他電路結構(此為本領域技術人員的公知技術，在此僅引用)，將電容變化轉換為電信號輸出。本發明具體實施例的形成微機電壓力傳感器方法包括步驟S31，提供基板，在所述基板上依次形成第一電極板、第一犧牲層、第二電極板、第二犧牲層，所述第一犧牲層覆蓋所述第一電極板，所述第二犧牲層完全覆蓋所述第二電極板、覆蓋部分所述第一犧牲層；步驟S32，在所述第二犧牲層中形成插栓，在所述第二犧牲層上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，在所述第二犧牲層的外側形成第一介質層， 第一介質層的表面與第二犧牲層的表面相平；步驟S33，形成第二介質層，覆蓋所述振膜和所述第一介質層，並在所述第一介質層和第二介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層；步驟S34，通過所述開口去除所述第一犧牲層和第二犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成空腔；步驟S35，形成第三介質層，填充所述開口且覆蓋所述第二介質層；步驟S36，在所述第二介質層、第三介質層中形成凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜。本發明具體實施例的形成微機電壓力傳感器方法與第一具體實施例的形成微機電麥克風的方法基本相同，在此不做詳述。需要說明的是，由於微機電壓力傳感器與微機電麥克風相比，微機電壓力傳感器沒有通氣通道與通氣孔，因此形成微機電壓力傳感器的方法不需要形成通氣通道和通氣孔，因此形成的第一犧牲層只需要根據空腔的形狀來形成， 不需要考慮通氣通道。本領域技術人員根據第一具體實施例的形成微機電麥克風的方法，以及微機電壓力傳感器的結構與第一具體實施例的微機電麥克風的結構的異同，可以毫無疑問的推知形成微機電壓力傳感器的詳細方法，因此，在此不做詳述。
權利要求
1.一種微機電傳感器，包括第一電極板，振膜，所述第一電極板和所述振膜相對設置，兩者之間為空腔，所述振膜的一側暴露於外界空氣；其特徵在於，還包括第二電極板，設置於所述第一電極板和所述振膜之間，所述振膜與所述第二電極板固定電連接。
2.如權利要求1所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述振膜的中心位置和所述第二電極板電連接。
3.如權利要求2所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述微機電傳感器為微機電麥克風；所述第一電極板位於基板上，所述振膜設於所述第一電極板遠離所述基板的一側；還包括，隔離結構，位於所述基板上，包圍所述第二電極板和所述振膜，與所述振膜固定連接，支撐固定所述振膜；所述隔離結構、基板、第一電極板和振膜圍成了所述空腔；所述隔離結構高出所述振膜，在所述隔離結構遠離基板的一側具有凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜，使所述振膜暴露於外界空氣中；所述隔離結構具有通氣孔，所述通氣孔與所述空腔連通，使所述空腔與所述外界空氣連通。
4.如權利要求2所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述微機電傳感器為微機電麥克風；還包括隔離結構，位於基板上，分別與所述振膜、第一電極板固定連接，支撐固定所述振膜與第一電極板；所述第一電極板位於所述振膜與所述基板之間，所述第一電極板與所述基板之間為連通空腔，所述第一電極板具有開口，所述空腔與所述連通空腔之間通過所述開口連通；所述隔離結構高出所述振膜，在所述隔離結構遠離基板的一側具有凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜，使所述振膜暴露於外界空氣中；所述隔離結構具有通氣孔，所述通氣孔與所述連通空腔連通，使所述空腔、連通空腔與所述外界空氣連通。
5.如權利要求3或4所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述隔離結構與所述基板之間具有通氣通道，所述通氣孔、通氣通道、所述空腔、連通空腔連通。
6.如權利要求2所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述微機電傳感器為微機電壓力傳感器；所述第一電極板位於基板上，所述振膜設於所述第一電極板遠離所述基板的一側；還包括，隔離結構，位於所述基板上，包圍所述第二電極板和所述振膜，與所述振膜固定連接，支撐固定所述振膜；所述隔離結構、基板、第一電極板和振膜圍成了所述空腔；所述隔離結構高出所述振膜，在所述隔離結構遠離基板的一側具有凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜，使所述振膜暴露於外界空氣中。
7.如權利要求1所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述振膜通過插栓與所述第二電極板固定電連接。
8.如權利要求1所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述振膜的材料為選自鋁、鈦、 鋅、銀、金、銅、鎢、鈷、鎳、鉭、鉬這些金屬其中之一或者他們的任意組合；或者，選自多晶矽、非晶矽、多晶鍺矽、非晶鍺矽這些導電非金屬或者他們的任意組合；或者，選自所述金屬、導電非金屬其中之一以及他們的任意組合與絕緣層的組合； 所述絕緣層的材料選自氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、碳矽化合物以及氧化鋁其中之一或者他們的任意組合；所述振膜的厚度範圍為0. 05 μ m 4 μ m。
9.如權利要求1所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述第一電極板和第二電極板的材料選自鋁、鈦、鋅、銀、金、銅、鎢、鈷、鎳、鉭、鉬其中之一或者他們的任意組合；所述第一電極板和第二電極板的厚度範圍為0. 1 μ m 4 μ m。
10.一種形成權利要求3所述的微機電傳感器的方法，其特徵在於，包括提供基板，在所述基板上依次形成第一電極板、第一犧牲層、第二電極板、第二犧牲層， 所述第一犧牲層覆蓋所述第一電極板且覆蓋部分所述基板，所述第二犧牲層完全覆蓋所述第二電極板、覆蓋部分所述第一犧牲層；在所述第二犧牲層中形成插栓，在所述第二犧牲層上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，在所述第二犧牲層的外側形成第一介質層，第一介質層的表面與第二犧牲層的表面相平；形成第二介質層，覆蓋所述振膜和所述第一介質層，並在所述第一介質層和第二介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層；通過所述開口去除所述第一犧牲層和第二犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成空腔，在所述第一介質層和基板之間形成通氣通道；形成第三介質層，填充所述開口且覆蓋所述第二介質層；在所述第二介質層、第三介質層中形成凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜，在所述第一介質層、第二介質層和所述第三介質層中形成通氣孔，所述通氣孔與所述通氣通道連通。
11.如權利要求10所述的形成微機電傳感器的方法，其特徵在於，利用光刻、刻蝕工藝在所述第一介質層和所述第二介質層中形成凹槽，在所述第一介質層、第二介質層和所述第三介質層中形成通氣孔。
12.—種形成權利要求4所述的微機電傳感器的方法，其特徵在於，包括 提供基板，在所述基板上形成第一凹槽、與第一凹槽連通的第二凹槽； 在所述第一凹槽、第二凹槽內形成第一犧牲層；在所述第一犧牲層上依次形成具有開口的第一電極板、第二犧牲層、第二電極板、第三犧牲層，所述第二犧牲層覆蓋部分所述第一犧牲層，在形成第二電極板之前在第二犧牲層的外側形成第一介質層，所述第一介質層的表面和第二犧牲層的表面相平，所述第三犧牲層完全覆蓋第二電極板；在所述第三犧牲層中形成插栓，在所述第三犧牲層的外側形成第二介質層，在所述第三犧牲層、第二介質層與插栓形成的表面上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，所述振膜的周邊覆蓋在所述第二介質層上；形成第三介質層，覆蓋所述振膜、第三犧牲層、第二電極板，並在所述第一介質層、第二介質層和第三介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層或第二犧牲層；通過所述開口去除所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成空腔，在第一電極板和基板之間形成連通空腔，在所述第一介質層和基板之間形成通氣通道，所述第一凹槽對應連通空腔，所述第二凹槽對應通氣通道；形成第四介質層，填充所述開口且覆蓋所述第三介質層；在所第三介質層和所述第四介質層中形成第三凹槽，所述第三凹槽暴露出所述振膜，在所述第一介質層、第二介質層、 所述第三介質層和第四介質層中形成通氣孔，所述通氣孔與所述通氣通道連通。
13.一種形成權利要求6所述的微機電傳感器的方法，其特徵在於，包括提供基板，在所述基板上依次形成第一電極板、第一犧牲層、第二電極板、第二犧牲層， 所述第一犧牲層覆蓋所述第一電極板，所述第二犧牲層完全覆蓋所述第二電極板、覆蓋部分所述第一犧牲層；在所述第二犧牲層中形成插栓，在所述第二犧牲層上形成振膜，所述插栓的兩端分別與所述第二電極板、振膜電連接，在所述第二犧牲層的外側形成第一介質層，第一介質層的表面與第二犧牲層的表面相平；形成第二介質層，覆蓋所述振膜和所述第一介質層，並在所述第一介質層和第二介質層中形成開口，所述開口暴露出所述第一犧牲層；通過所述開口去除所述第一犧牲層和第二犧牲層，在振膜和第一電極板之間形成空腔；形成第三介質層，填充所述開口且覆蓋所述第二介質層；在所述第二介質層、第三介質層中形成凹槽，所述凹槽暴露出所述振膜。
14.如權利要求10或12或13所述的形成微機電傳感器的方法，其特徵在於，所述形成插栓包括形成通孔；在所述通孔的側壁依次形成介質層、擴散阻擋層；填充導電材料於所述通孔內，覆蓋所述擴散阻擋層，形成插栓。
15.如權利要求10或12或13所述的形成微機電傳感器的方法，其特徵在於，所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層的材料為非晶碳。
16.如權利要求15所述的形成微機電傳感器的方法，其特徵在於，通過所述開口去除所述第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層或者去除第一犧牲層、第二犧牲層包括等離化氧氣形成氧等離子體；將所述氧等離子體通入所述開口，在溫度範圍為150°C 450°C的條件下灰化所述非晶碳。
17.如權利要求10或12或13所述的形成微機電傳感器的方法，其特徵在於，所述振膜的材料為選自鋁、鈦、鋅、銀、金、銅、鎢、鈷、鎳、鉭、鉬這些金屬其中之一或者他們的任意組合；或者，選自多晶矽、非晶矽、多晶鍺矽、非晶鍺矽這些導電非金屬或者他們的任意組合；或者，選自所述金屬、導電非金屬其中之一以及他們的任意組合與絕緣層的組合； 所述絕緣層選自氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、碳矽化合物以及氧化鋁其中之一或者他們的任意組合；所述振膜的厚度範圍為0. 05 μ m 4 μ m。
18.如權利要求10或12或13所述的微機電傳感器，其特徵在於，所述第一電極板和第二電極板的材料選自鋁、鈦、鋅、銀、金、銅、鎢、鈷、鎳、鉭、鉬其中之一或者他們的任意組合；所述第一電極板和第二電極板的厚度範圍為0. 1 μ m 4 μ m。
全文摘要
一種微機電傳感器及其形成方法，所述微機電傳感器包括第一電極板，振膜，所述第一電極板和所述振膜相對設置，兩者之間為空腔，所述振膜的一側暴露於外界空氣；還包括第二電極板，設置於所述第一電極板和所述振膜之間，所述振膜與所述第二電極板固定電連接。由於第一電極板和第二電極板之間的距離相對較近，對電容的變化也就相對敏感，因此可以提高信噪比，也就是說，對於微機電麥克風可以提高聲音信號的信噪比，對應微機電壓力傳感器可以提高壓力信號的信噪比。
文檔編號H04R19/04GK102249177SQ20111012999
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月18日 優先權日2011年5月18日
發明者唐德明, 毛劍宏 申請人:上海麗恆光微電子科技有限公司