Cmos兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法

2023-06-14 04:22:01

Cmos兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法
【專利摘要】本發明提供一種CMOS兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法。所述麥克風（1000）包括：矽基底（100），其中，CMOS電路容納在該矽基底上；支撐在矽基底上的第一剛性導電穿孔背板（200），其中在兩者之間插有絕緣層（120）；形成在第一背板上方的第二剛性穿孔背板（400），包括CMOS鈍化層（400a、400c）以及夾在所述CMOS鈍化層之間作為第二背板的電極板的金屬層(400b)，其中在第一背板和第二背板的相對的穿孔區域之間設有空氣間隙，並且隔離件構成了其邊界；設置在第一背板和第二背板之間的順應性振膜（300），其中，在第一背板下方的矽基底中形成背孔（150）以允許聲音通過，以及振膜和第一背板構成第一可變電容器，振膜和第二背板構成第二可變電容器，第一可變電容器和第二可變電容器構成差分電容器。
【專利說明】CMOS兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及麥克風【技術領域】，具體說，涉及一種CMOS兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法。
【背景技術】
[0002]廣泛地應用在助聽器、行動電話、數字相機和玩具中的矽基MEMS麥克風正在走向它們的極限。對靈敏度高且噪聲水平低的更小、更便宜、健壯的麥克風的需求是無止境的。減小麥克風的尺寸會使其性能(諸如靈敏度)變差。然而當今，微工藝技術對麥克風的關鍵尺寸和特性提供了非常好的控制，使麥克風的進一步小型化和優化成為可能。另外，可以應用更為複雜的MEMS麥克風原理(諸如具有差分電容器和差分前置放大器的麥克風)，使MEMS麥克風的性能(諸如靈敏度)得以保持或提高。
[0003]在一個非專利文獻(JesperBay, Ole Hansen and Siebe Bouwstra, Design of asilicon microphone with differential read-out of a sealed double parallel—platecapacitor,The 8th International Conference on Solid-State Sensors andActuators, and Eurosensors IX, Stockholm, Sweden, June 25-29，1995)中，提供了一種具有差分電容讀出和高靈敏度的密封電容性麥克風，其中，該麥克風包括兩個振膜，在這兩個振膜之間有穿孔中心電極，並且這兩個振膜可以用柱子互聯。這種雙振膜結構的不利之處在於，它給出了電容的共模變化，並且在振膜之間具有柱子的情形中，振膜的順應性較差。
[0004]在另一個非專利文獻(P.Rombach, M.Mullenborn, U.Klein and K.Rasmussen, Thefirst low voltage, low noise differential condenser silicon microphone, The 14thEuropean Conference on Solid-State Transducers, August27_30, 2000，Copenhagen, Denmark)中,給出了一種低電壓、低噪聲差分電容器娃麥克風,該麥克風包括非平面結構，並連續沉積所有的結構層然後再分別回蝕以形成所述結構。然而，這種結構或許不適合與CMOS電路的集成和/或倒裝法鍵合。
[0005]在另一個非專利文獻(DavidT.Martin, Jian Liu, Karthik KadirveI，RobertM.Fox, Mark Sheplak, and Toshikazu Nishida, A micromachined dual—backplatecapacitive microphone for aeroacoustic measurements, Journal ofMicroelectromechanical Systems, Vol.16, N0.6, December 2007)中，提供了 一種用於空氣聲學測量的微機械加工的雙背板電容性麥克風，其中，層疊三層多晶娃層分別作為單振膜和雙背板，振膜夾在雙背板之間。然而，由於所述三層低應力多晶矽層之故，這種結構不會是CMOS兼容的。另外，所述麥克風的三個多晶矽板具有略微不同的半徑，使得所述差分電容器的電容之間的關係不太簡單。
[0006]專利申請國際公布號WO 2007/089505公開了一種差分麥克風，該麥克風具有中心膠接的轉動振膜，使得該振膜能夠響應聲波繞著所述鉸鏈來回搖擺，從而形成兩個差分電容器。該麥克風的特徵在於，它不需要形成背部腔，然而，振膜的搖擺依賴於聲波的方向，並且沒有穿孔背板以減小空氣阻尼。此外，這種結構或許不適合與其它CMOS調節電路集成。
[0007]專利申請公布號US 2008/0089536示出了一種麥克風微晶片器件，其中，提供附加的匹配電容器，以便與麥克風電容器的電容進行差分，並使用差分接收器來處理麥克風信號與基本固定的電壓之間的差。
[0008]因此，需要一種具有差分傳感以增加信噪比性能的CMOS兼容的單片矽麥克風晶片，以及這種麥克風晶片的製造方法。

【發明內容】

[0009]為了解決上述問題，本發明提供一種CMOS兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法。採用這種CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，可以增加該麥克風的信噪比。此外，這種差分電容性麥克風傳感器與CMOS工藝兼容，並且能夠與前置放大器和/或差分放大器集成電路製造和集成為單個晶片。
[0010]在本發明的一個方面，提供一種CMOS兼容的娃差分電容器麥克風,其包括:娃基底，其中，CMOS電路容納在該矽基底上；形成在所述矽基底上的第一剛性導電穿孔背板，其中，該第一背板的周沿支撐在所述矽基底上，並在它們之間插有絕緣層；形成在所述第一背板上方的第二剛性穿孔背板，包括CMOS鈍化層以及夾在所述CMOS鈍化層之間作為該第二背板的電極板的金屬層；由CMOS兼容層形成並設置在所述第一背板和所述第二背板之間的順應性振膜；將所述第一背板與所述振膜隔開的第一空氣間隙以及將所述振膜與所述第二背板隔開的第二空氣間隙，其中，所述兩個空氣間隙均由設置在所述第一背板和所述第二背板之間的隔離件作為邊界；形成在所述第一背板下方的所述矽基底中以允許聲音通過的背孔，其中，所述振膜和所述第一背板構成第一可變電容器，所述振膜和所述第二背板構成第二可變電容器，以及所述第一可變電容器和所述第二可變電容器構成差分電容器。
[0011]在一個實施例中，本發明所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風還可以包括:互聯柱，該互聯柱設置在所述振膜和所述第二背板之間，用於在力學上對所述振膜進行懸置以及在電學上對所述振膜向外引線，其中，所述互聯柱包括由CMOS鈍化層作側牆的CMOS電介質氧化物支柱、以及穿過該支柱並將所述振膜電連接到所述形成在第二背板中的金屬層的通孔金屬，其中，所述振膜在中心處與所述互聯柱相連，並通過該振膜的邊緣處的狹縫與所述麥克風的其餘部分分開。
[0012]在另一個實施例中，所述振膜的周沿可以通過環繞所述振膜和所述第二背板之間的第二空氣間隙的側牆懸置到所述第二背板上，其中，所述側牆由所述CMOS鈍化層形成。
[0013]此外，在一個或多個實施例中，容納在所述矽基底上的CMOS電路可以包括:產生施加在所述振膜上的偏置電壓的電荷泵電路；與所述第一背板電連接的第一源隨前置放大器；與所述第二背板電連接的第二源隨前置放大器；其中，當所述振膜響應輸入的聲壓信號振動時，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出構成差分電壓輸出。
[0014]在本發明的另一方面，提供一種CMOS兼容的娃差分電容器麥克風的製造方法，該方法包括:在矽基底上形成絕緣層；在形成在所述矽基底上的絕緣層上形成第一穿孔背板；在所述第一穿孔背板上沉積第一 CMOS電介質氧化物層；通過在所述CMOS電介質氧化物層上沉積CMOS兼容層形成振膜，其中，所述振膜與所述第一穿孔背板對齊；在所述第一CMOS電介質氧化物層和所述振膜上沉積第二 CMOS電介質氧化物層；通過在所述第二和第一 CMOS電介質氧化物層中順序地刻蝕槽並沉積第一 CMOS鈍化層形成隔離牆，以限制將所述第一和第二背板隔開的隔離件，並且所述第二 CMOS電介質氧化物中的隔離牆連接在所述振膜和所述第二背板之間；通過順序沉積圖案化金屬層和第二 CMOS鈍化層在所述第二CMOS電介質氧化物層上形成第二背板、並在與所述振膜相對的該第二背板中刻蝕多個穿孔，其中，所述第二背板與所述振膜垂直對齊；通過去掉所述矽基底和所述絕緣層的在所述第一背板下方的部分形成背孔；以及通過去掉所述第一和第二 CMOS電介質氧化物層的由所述多個隔離牆限制的部分之外的部分，在所述第一背板和所述振膜之間形成第一空氣間隙，在所述振膜和所述第二背板之間形成第二空氣間隙。
[0015]儘管上面簡述了各個實施例，但應該明白，不一定所有的實施例都包括同樣的特徵，在一些實施例中，上述一些特徵並非必須，而是希望存在。下面將詳細描述各種其它特徵、實施例和益處。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]從下面結合附圖對實施例的描述中，本發明的目的和特徵將變得很清楚，在附圖中:
[0017]圖1是剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的結構；
[0018]圖2是示意圖，示出了本發明的第一實施例所述的一個示例性CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的等效電路；
[0019]圖3A至3L為剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的製造方法；以及
[0020]圖4是剖視圖，示出了本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的結構。
【具體實施方式】
[0021]下面參考附圖來描述要求保護的主題的各個方面，其中，附圖中的圖是示意性的，未按比例來畫，並且在所有的附圖中使用同樣的附圖標記來指示同樣的元件。在下面的描述中，為了說明的目的，闡述了很多具體細節，以便提供一個或多個方面的透徹理解。然而很顯然，在沒有這些具體細節的情況下也可以實現這些方面。在其它情形中，公知的結構和器件以方框圖形式來示出，以便於描述一個或多個方面。
[0022](第一實施例)
[0023]下面，參考圖1來描述本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風的結構。
[0024]圖1是剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000的結構。如圖1所示，本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽麥克風1000可以包括矽基底100、下背板200、隔離件250、順應性振膜300、互聯柱350以及上背板400。振膜300和下背板200構成了下可變電容器，振膜300和上背板400構成了上可變電容器，所述下可變電容器和上可變電容器構成了差分電容器。
[0025]如圖1所示，矽基底100用來支撐下背板200和隔離件250。此外，矽基底100也可以用來在其上容納CMOS電路(在圖1中未示出)。
[0026]下背板200為剛性導電穿孔背板，該背板由例如第一多晶矽層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶矽層的複合層形成，其中，夾在所述第一多晶矽層和第二多晶矽層之間的氧化物或氮化物層能夠提供剛性背板。下背板200的周沿支撐在矽基底100上，在它們之間插入由例如氧化矽和/或氮化矽形成的絕緣層120。這裡的下背板200可以對應上面提及的第一剛性導電穿孔背板。
[0027]背孔150形成在矽基底100中，將下背板200露在空氣中，使得聲音可以經矽基底100中形成的背孔150和下背板200中形成的穿孔210通過矽基底100和下背板200，抵達振膜300。導電性下背板200可以作為差分電容器(即，麥克風1000的傳感兀件)的一個電極板。
[0028]隔離件250由CMOS電介質氧化物(諸如低壓化學氣相沉積(LPCVD)或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)氧化矽、磷矽玻璃(PSG)或硼磷矽玻璃(BPSG)或其組合)形成，並設置在下背板200和上背板400 (後面將描述)之間。此外，隔離件250在其內側和外側可以具有隔離牆460，隔離牆460由CMOS電介質鈍化層(諸如氮化矽層)形成。在下背板200和上背板400的相對的穿孔區域之間形成空氣間隙，隔離件250構成該空氣間隙的邊界。
[0029]上背板400為形成在隔離件250上的剛性導電穿孔背板，包括由例如PECVD氮化矽形成的CMOS鈍化層400a和400c以及夾在CMOS鈍化層400a和400c之間的圖案化金屬層400b。CMOS鈍化層400a和400c可以保護所夾的金屬層400b在腐蝕性或潮溼環境中免受腐蝕以及完全不會漏電。金屬層400b可以包括上背板400的電極板420及其引出電極10b、振膜300的引出電極10a、下背板200的引出電極10c、以及可選擇的矽基底100的引出電極130。另外，上背板400在與振膜300相對的部分中穿孔以便空氣流通，從而減小振膜300在開始振動時將遇到的空氣阻力。電極板420形成差分電容器(即麥克風1000的傳感元件)的另一個電極板。
[0030]順應性振膜300由導電性SiGe或其它CMOS兼容的層形成，並設置在下背板200和上背板400之間，其中，下背板200和上背板400之間的空氣間隙分為將下背板200與振膜300隔開的下空氣間隙(即，第一空氣間隙)和將振膜300與上背板400隔開的上空氣間隙(即，第二空氣間隙)。這裡使用SiGe代替多晶矽是有利的，因為它能夠在較低的溫度(低於400°C)下沉積，這個溫度不會影響之前形成的CMOS器件。順應性振膜300在其中心通過互聯柱350在力學上和電學上與上背板400相連，除此之外，振膜300在其周沿通過縫隙與麥克風1000的其餘部分隔開。振膜300可以具有圓形、方形、長方形或多邊形形狀。此夕卜，振膜300可以具有其它合適的形狀。
[0031 ] 互聯柱350設置在振膜300與上背板400之間，用於在力學上對振膜300進行懸置並在電學上對振膜300向外引線。互聯柱350可以包括由CMOS鈍化層351作側牆的CMOS電介質氧化物352支柱、以及穿過該支柱並與振膜300和形成在上背板400中的金屬層400b電連接的通孔金屬353。
[0032]下背板200和上背板400的與振膜300相對的部分優選具有相等的面積和相同的穿孔，以及下空氣間隙和上空氣間隙優選具有相同的厚度，使得振膜300與下背板200之間的電容等于振膜300與上背板400之間的電容，這樣有利於消除共模噪聲。在另一個例子中，下背板200和上背板400的與振膜300相對的部分可以不具有相等的面積和相同的穿孔，以及下空氣間隙和上空氣間隙可以不具有相同的厚度。
[0033]此外，為了防止形成(即溼法釋放過程，後面描述)期間由表面張力引起或工作期間由聲壓和靜電力引起振膜300與上背板400粘連，本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000還可以包括從與振膜300相對的上背板400的下表面突出的多個尖頭突出件(dimples) 410。相應地，可以採取其它措施來防止振膜300與下背板200粘連，例如，通過增加它們之間的分開距離。
[0034]可選擇地，可以形成接地接觸130，其目的是，例如，當在本發明所述的差分電容器麥克風的背面上做聲孔時減小光靈敏度。
[0035]上面提到但在圖1中沒有示出的容納在矽基底上的CMOS電路用來處理聲電轉換後所獲得的電信號。在一個例子中，所述CMOS電路可以包括產生施加到振膜300上的偏置電壓的電荷泵電路、與下背板200電連接的第一源隨前置放大器、以及與上背板400電連接的第二源隨前置放大器，這些電路與包括振膜、上背板和下背板的傳感元件集成在同一矽基底上。當振膜響應輸入的聲壓信號振動時，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出形成差分電壓輸出。此外，在另一個例子中，所述CMOS電路還可以包括差分放大器(未示出)，其中，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出端還分別與該差分放大器的第一和第二輸入端電連接。
[0036]圖2是電路圖，示出了本發明的第一實施例所述的一個示例性CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000的等效電路，在這個例子中，所述CMOS電荷泵電路、第一源隨前置放大器和第二源隨前置放大器。
[0037]如圖2所示，所述電路包括一對可變差分電容器11和12，該一對可變差分電容器
11和12分別表示由振膜300和上背板400形成的上可變電容器以及由振膜300和下背板200形成的下可變電容器；電源20,該電源20表不產生偏置電壓Vbias的電荷泵電路,偏置電壓Vbias施加在由一對可變差分電容器11和12共享的公共板IOa (對應著圖1所示的振膜300的引出電極IOa)上；第一運算放大器30，該第一運算放大器30具有負反饋環並表示所述第一源隨前置放大器，其中，第一運算放大器30的輸入端30a與可變差分電容器
11的另一板IOb (對應著圖1所示的上背板400的引出電極IOb)電連接；以及第二運算放大器40，該第二運算放大器40具有負反饋環並表示所述第二源隨前置放大器，其中，第二運算放大器40的輸入端40a與可變差分電容器12的另一板IOc (對應著圖1所示的下背板200的引出電極10c)電連接。因此，第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出30b和40b構成了差分電壓輸出Vout。
[0038]本發明所述的麥克風的傳感元件10模型化為一對可變差分電容器11和12，它包括三個平行板，即振動膜、固定而穿孔的上背板和固定而穿孔的下背板。所述振膜位於所述兩個背板之間，並優選地與這兩個背板等距，使得上和下平行板電容器形成為振膜由所述兩個電容器共享。在這種配置下，當振膜響應輸入聲壓信號而振動時，所述上下電容器沿相反的方向變化。就是說，如果電容器11的兩個板之間的間距的變化為Ad，那麼，電容器12的兩個板之間的間距的變化為-Ad。由於電容器的電容增量的絕對值正比於該電容器的間距增量的絕對值，因此，振膜的振動引起上下電容器的電容的差分變化，即，如果電容器11的電容變化為Λ C，那麼，電容器12的電容變化將是-Λ C。
[0039]簡單的計算表明，在上述配置下，第一源隨前置放大器30的輸入端30a處的電勢增量的絕對值，除了正比於其它一些值外，基本上正比於電荷泵電路20所施加的偏置電壓Vbias，並正比於電容器11的兩個板之間的間距增量的絕對值。對於電容器12也是如此。由於電荷泵電路20可以將Vbias升至大於10V，這個電壓高於普通IC器件的工作電壓，因此，採用電荷泵電路20能夠大大地提高本發明所述的麥克風的靈敏度。此外，如果第一源隨前置放大器30的輸入端30a的電勢變化為Λ V，那麼，第二源隨前置放大器40的輸入端40a的電勢變化就為-Λ V，反之亦然，因此，由第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出30b和40b形成的差分電壓輸出Vout將是2 X Λ V，這個輸出是沒有差分輸出的普通麥克風的靈敏度的兩倍。
[0040]應該注意，儘管在上述的論述中，振膜與所述傳感元件的上下背板優選為等間距和/或等大小，但並非必須。在振膜不與所述傳感元件的上下背板等間距和/或等大小的情形中，同樣的原理也是適用的。此外，由於所述傳感元件具有小的電容，這就導致非常大的阻抗，因此，所述兩個源隨器實際上可以作為具有或不具有放大功能的阻抗轉換器。
[0041]下面將參考圖3Α至圖3L來說明上述本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000的製造方法。圖3A至3L為剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000的製造方法。在下面的描述中，為了清楚簡明起見，省略了大量的工藝細節，諸如設備、條件、參數等，這是考慮到它們為本領域中的技術人員所公知。
[0042]在步驟S301中，如圖3A所示，在矽基底100上生長厚的熱氧化物110以形成用於背孔150刻蝕(後面描述)的刻蝕終止層。在形成用於背孔150刻蝕的終止層時，熱氧化物比普通沉積的氧化物或氮化物有優勢。
[0043]在步驟S303中，如圖3B所示，在矽基底100和熱氧化物層110的上表面上沉積絕緣層120，諸如氧化矽和氮化矽電介質層。
[0044]在步驟S305中，如圖3C所示，在絕緣層120上沉積第一多晶矽層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶矽層的複合層，然後在所沉積的複合層上刻蝕多個穿孔210以形成下背板200，其中，下背板200與熱氧化物層110垂直對齊。
[0045]在步驟S307中，如圖3D所示，在下穿孔背板200和絕緣層120上沉積第一 CMOS電介質氧化物層250a，諸如LPCVD或PECVD氧化物、PSG或BPSG，然後在CMOS電介質氧化物層250a上沉積SiGe或其它CMOS兼容層以形成振膜300，其中，振膜300與下背板200垂
直對齊。
[0046]在步驟S309中，如圖3E所示，在CMOS電介質氧化物層250a中刻蝕通孔，並在該通孔中填充金屬(諸如銅、鋁、鈦等)以形成通孔金屬260，然後在通孔金屬260的頂端沉積金屬墊270，以便引出與矽基底100以及與下背板200的歐姆接觸。
[0047]在步驟S311中，如圖3F所示，在第一 CMOS電介質氧化物層250a、振膜300和金屬墊270上沉積第二 CMOS電介質氧化物層250b，在振膜300上方的CMOS電介質氧化物層250b中形成多個淺槽280a。
[0048]在步驟S313中，如圖3G所示，沉積第三CMOS電介質氧化物層250c，使得在CMOS電介質氧化物層250c的表面上保形形成多個尖頭坑280b，該多個尖頭坑280b與所述多個淺槽280a相對應。
[0049]在步驟S315中，如圖3H所示，在上述步驟中沉積的CMOS電介質氧化物層中刻蝕槽290，以界定將下背板和上背板200和400分開的隔離件250，並界定將振膜300的中心連接到第二背板400的柱352，其中，隔離件250與下背板200的周沿重疊。
[0050]在步驟S317中，如圖31所示，沉積例如PECVD氮化矽，以便通過填充槽290形成隔離件250的隔離牆460和柱352的隔離牆351，以及形成上背板400的第一 CMOS鈍化層400a，然後在隔離件250中以及在柱352中形成通孔金屬，以便對下背板200、對振膜300以及可選地對基底100向外引線，並在第一 CMOS鈍化層400a上形成圖案化金屬層400b，該圖案化金屬層400b包括上背板400的穿孔電極板420及其引出電極10b、振膜300的引出電極10a、下背板200的引出電極IOc以及可選的矽基底100的引出電極130。
[0051]在步驟S319中，如圖3J所示，沉積第二 CMOS鈍化層400c以完成上背板400的形成，並在與振膜300相對的上背板400中刻蝕多個穿孔430。
[0052]在步驟S321中，如圖3K所示，以熱氧化物層110作為終止層，通過刻蝕矽基底100的在下背板200下方的部分形成背孔150。
[0053]在圖S323中，如圖3L所示，去掉終止層110以及其上的絕緣層120部分，去掉CMOS電介質氧化物層250a、250b和250c的由多個隔離牆460和351界定的部分之外的部分所形成的犧牲層，從而在下背板200與振膜300之間形成下空氣間隙以及在振膜300與上背板400之間形成上空氣間隙，其中，振膜300的周沿通過與振膜300的周邊相鄰的縫隙與傳感元件10的其餘部分分開，同時，形成與振膜300相對的多個尖頭突出件410。
[0054]應該注意，上述過程只是本發明的一個優選實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的製造過程。在不偏離本發明的精神的情況下，可以對該實施例進行各種修改和變型。例如，可以省略上述過程中的一個或多個步驟。在另一實施例中，不形成突出件，從而可以省掉在第二 CMOS電介質氧化物層250b上形成槽280a並沉積第三CMOS電介質氧化物層250c以形成尖頭坑280b的步驟。在另一個實施例中，步驟S301可以省略。
[0055]應該注意，在上述步驟中，本發明所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000的製造方法還可以包括:形成電荷泵電路20，該電路20產生施加在振膜300上的偏置電壓；形成第一源隨前置放大器30，該前置放大器30的輸入端與上背板400電連接；以及形成第二源隨前置放大器40，該前置放大器40的輸入端與下背板200電連接。當振膜300響應輸入的聲壓信號振動時，第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出構成差分電壓輸出。
[0056]可選擇地，在上述步驟中，本發明所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的製造方法還可以包括:形成差分放大器，其中，第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出端分別與該差分放大器的第一輸入端和第二輸入端電連接。
[0057]應該注意，在本發明中，包括振膜、下背板和上背板的傳感元件、以及電荷泵電路、第一源隨前置放大器和第二源隨前置放大器形成在同一矽基底100上。
[0058]已經參考圖1到圖3描述了第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風及其製造方法。
[0059]上述CMOS兼容的娃差分電容器麥克風的優點在於,對於要求的麥克風靈敏度,通過減小3dB的上拉增益(pull-up gain)，信噪比可以增加3dB，以及由於差分輸出之故，可以提高麥克風的總的噪聲性能。在矽基底上所容納的CMOS電路還包括差分放大器的情形中，所述偏置電路的波紋電壓噪聲對差分輸出Vout的影響可以得到抑制，而由於上述差分電容器配置之故，差分輸出對所述偏置電路的波紋電壓噪聲雙倍地敏感。[0060](第二實施例)
[0061]下面將參考圖4描述本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000』的結構。將圖4與圖1對比，本發明的第二實施例與第一實施例的差別只在於，在第二實施例中，振膜300的周沿懸置到上背板400上，如圖1所示第一實施例中互聯柱350將振膜300的中心連接到上背板400變為如圖4所示第二實施例中互聯柱350』位于振膜300的周沿，以及在隔離件250中形成通孔金屬353』，該通孔金屬353』將導電性振膜300的周沿連接到在上背板400中形成的引出電極IOa以便對振膜300向外引線。CMOS兼容的矽差分電容器麥克風1000』的其餘部分與圖1所示的麥克風1000的相同，這裡就省略其詳細描述。
[0062]顯然，除了在步驟S315-S319中形成在振膜300和上背板400之間的如圖1和圖4所示的互聯部350和350』在兩個實施例中的形成不同之外，本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的製造方法同樣也可以應用到本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，就是說，在第一實施例中，互聯部350形成在振膜300的中心，而在第二實施例中，互聯部350』形成在振膜300的周沿。
[0063]應該注意，對於本發明所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，通常優選圓形形狀，但其它形狀(比如方形、長方形或其它多邊形形狀)也是可以的。
[0064]前面提供的本發明的描述能使本領域中的任何技術人員製造或使用本發明。對於本領域中的技術人員來說，對所述公開作各種修改是很顯然的，並且在不偏離本發明的精神和範圍的情況下可以將這裡所界定的一般原理運用到其它變型中。因此，本公開不是用來限制在這裡所描述的例子上，而是用來與符合這裡所公開的原理和新特徵的最寬範圍一致。
【權利要求】
1.一種CMOS兼容的娃差分電容器麥克風,包括: 矽基底，其中，CMOS電路容納在該矽基底上； 形成在所述矽基底上的第一剛性導電穿孔背板，其中，該第一背板的周沿支撐在所述娃基底上，並在它們之間插有絕緣層； 形成在所述第一背板上方的第二剛性穿孔背板，包括CMOS鈍化層以及夾在所述CMOS鈍化層之間作為該第二背板的電極板的金屬層； 由CMOS兼容層形成並設置在所述第一背板和所述第二背板之間的順應性振膜；將所述第一背板與所述振膜隔開的第一空氣間隙以及將所述振膜與所述第二背板隔開的第二空氣間隙，其中，所述兩個空氣間隙均由設置在所述第一背板和所述第二背板之間的隔離件作為邊界； 形成在所述第一背板下方的所述矽基底中以允許聲音通過的背孔， 其中，所述振膜和所述第一背板構成第一可變電容器，所述振膜和所述第二背板構成第二可變電容器，以及所述第一可變電容器和所述第二可變電容器構成差分電容器。
2.根據權利要求1所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，還包括: 互聯柱，該互聯柱設置在所述振膜和所述第二背板之間，用於在力學上對所述振膜進行懸置以及在電學上對所述振膜向外引線， 其中，所述互聯柱包括由CMOS鈍化層作側牆的CMOS電介質氧化物支柱、以及穿過該支柱並與所述振膜和所述形成在第二背板中的金屬層電連接的通孔金屬，以及 所述振膜在中心處與所述互聯柱相連，並通過該振膜的邊緣處的狹縫與所述麥克風的其餘部分分開。`
3.根據權利要求1所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，其中，所述振膜的周沿通過環繞所述振膜和所述第二背板之間的第二空氣間隙的側牆懸置到所述第二背板上，其中，所述側牆由所述CMOS鈍化層形成。
4.根據權利要求1所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，其中，所述振膜由矽鍺(SiGe)層或其它CMOS兼容層形成，以及所述第一剛性導電穿孔背板由第一多晶矽層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶矽層的複合層形成。
5.根據權利要求1所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，其中，所述隔離件由CMOS電介質氧化物形成並由CMOS鈍化層側牆保護，所述絕緣層包括氧化矽和/或氮化矽，所述CMOS電介質氧化物包括LPCVD或PECVD氧化矽、或PSG或BPSG氧化物或它們的組合，以及所述CMOS鈍化層包括PECVD氮化矽。
6.根據權利要求1-4中的任一權利要求所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風,其中，所述第一背板和所述第二背板的與所述振膜相對的部分具有相等的面積和相同的穿孔，以及所述第一空氣間隙和所述第二空氣間隙具有相等的厚度。
7.根據權利要求1-4中的任一權利要求所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風,其中，所述振膜具有圓形、或方形、或長方形、或多邊形形狀。
8.根據權利要求1-4中的任一權利要求所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，還包括從與所述振膜相對的所述第二背板的下表面伸出的多個尖頭突出件。
9.根據權利要求1-4中的任一權利要求所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風,其中，所述CMOS電路包括:產生施加在所述振膜上的偏置電壓的電荷泵電路； 與所述第一背板電連接的第一源隨前置放大器； 與所述第二背板電連接的第二源隨前置放大器； 其中，當所述振膜響應輸入的聲壓信號振動時，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出構成差分電壓輸出。
10.根據權利要求9所述的CMOS兼容的矽差分電容器麥克風，其中，所述CMOS電路還包括差分放大器，其中，所述第一和所述第二源隨前置放大器的輸出端進一步分別與該差分放大器的第一輸入端和第二輸入端電連接。
11.一種CMOS兼容的矽差分電容器麥克風的製造方法，包括: 在矽基底上形成絕緣層； 在形成在所述矽基底上的絕緣層上形成第一穿孔背板； 在所述第一穿孔背板上沉積第一 CMOS電介質氧化物層； 通過在所述CMOS電介質氧化物層上沉積CMOS兼容層形成振膜，其中，所述振膜與所述第一穿孔背板對齊； 在所述第一 CMOS電介質氧 化物層和所述振膜上沉積第二 CMOS電介質氧化物層； 通過在所述第一和第二 CMOS電介質氧化物層中順序地刻蝕槽並沉積第一 CMOS鈍化層形成隔離牆，以限制將所述第一和第二背板隔開的隔離件，並且所述第二 CMOS電介質氧化物中的隔離牆連接在所述振膜和所述第二背板之間； 通過順序沉積圖案化金屬層和第二 CMOS鈍化層在所述第二 CMOS電介質氧化物層上形成第二背板、並在與所述振膜相對的該第二背板中刻蝕多個穿孔，其中，所述第二背板與所述振膜垂直對齊； 通過去掉所述矽基底和所述絕緣層的在所述第一背板下方的部分形成背孔；以及通過去掉所述第一和第二 CMOS電介質氧化物層的由所述多個隔離牆限制的部分之外的部分，在所述第一背板和所述振膜之間形成第一空氣間隙，在所述振膜和所述第二背板之間形成第二空氣間隙。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，通過沉積第一多晶矽層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶矽層的複合層形成所述第一穿孔背板，以及通過沉積矽鍺(SiGe)層形成所述振膜。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，在所述第二CMOS電介質氧化物中形成隔離牆的步驟中，在所述振膜的中心也形成互聯柱，其中，形成通孔金屬以便對所述振膜向外引線。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，在所述第二CMOS電介質氧化物中形成隔離牆的步驟中，環繞所述振膜的邊緣也形成側牆，其中，在該側牆外形成通孔金屬以便對所述振膜向外引線。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，在所述矽基底中形成厚的熱氧化物層，並且該熱氧化物層由所述絕緣層覆蓋，以便為背孔刻蝕提供終止層。
16.根據權利要求11所述的方法，其中，在形成所述第二背板的步驟中，在所述隔離件中、以及在所述互聯柱中或所述隔離牆外也形成通孔金屬，以便對所述第一背板和所述振膜向外引線。
17.根據權利要求11所述的方法，其中，在所述第一 CMOS電介質氧化物層上沉積第二CMOS電介質氧化物層的步驟之後，並在形成所述隔離牆的步驟之前，還包括: 在所述振膜上方的所述第二 CMOS電介質氧化物層中形成多個淺槽； 沉積第三CMOS電介質氧化物層； 其中，在所述第三CMOS電介質氧化物層的表面上保形形成多個尖頭坑，該多個尖頭坑與所述多個淺槽對應，使得在形成隔離牆和形成所述第二背板的步驟中形成與所述振膜相對的多個尖頭突出件。`
【文檔編號】H04R19/00GK103563399SQ201180007064
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2011年3月11日 優先權日:2011年3月11日
【發明者】王喆 申請人:歌爾聲學股份有限公司