Cmos兼容的mems麥克風及其製造方法
2023-05-19 03:48:36
專利名稱：Cmos兼容的mems麥克風及其製造方法
技術領域：
本發明涉及麥克風技術領域，具體說，涉及一種CMOS兼容的MEMS麥克風及其製造方法。
背景技術：
矽基MEMS麥克風，也就是所說的聲學換能器，已經研發多年了。矽基MEMS麥克風由於其在小型化、性能、可靠性、環境耐用性、成本和批量生產能力方面的潛在優勢而可以廣泛地用於許多應用(諸如手機、助聽器、智能玩具以及監視裝置)中。一般地說，矽基MEMS麥克風包括四個元件固定背板、高順應性可移動振膜(兩者一起構成了可變空氣間隙電容器的兩個板)、電壓偏置源和緩衝件。背板和振膜這兩個機械元件通常形成在單個矽基底上。這兩個元件中的一個元件通常形成為與支撐性矽晶片的表面平行，而另一個元件通常自身是平面狀的，並通過隔離件或側牆支撐在所述第一元件上 方幾微米處。專利申請No. WO 02/15636公開了一種聲學換能器。該聲學換能器具有被設置在蓋子部件和基底之間的振膜，該振膜在與所述蓋子部件的平坦表面平行的平面內可橫向移動，如WO 02/15636中的圖I所示。懸浮的振膜在其自身平面內可自由移動，因此能夠釋放其本徵應力，產生非常一致的機械順應性。然而，這種「懸浮」振膜要求由低應力多晶矽製成，並且結構形成過程與CMOS過程不兼容。美國專利No. 7，346，178公開了一種沒有專用背板部件的麥克風傳感元件。在該麥克風傳感元件中，可移動振膜在其邊緣或角部通過機械彈簧支撐，而該機械彈簧則通過剛性墊錨固在導電基底上，如US 7，346，178中的圖I和圖2所示。在US 7，346，178中，麥克風傳感元件的結構非常簡單，然而，振膜要求由低應力多晶矽製成，並且基底要求是低阻基底，這種基底是形成CMOS電路的標準基底。專利文獻PCT/DE97/02740公開了一種小型化麥克風。在該小型化麥克風中，使用SOI基底形成CMOS和麥克風背板。然而，振膜是CMOS製造過程中所形成的多晶矽薄膜。這種多晶矽振膜通常具有非常高的本徵應力，它很難控制，因此產生了不一致的機械順應性。美國專利No. 6，677，176公開了一種包含麥克風和至少一個MOSFET傳感電晶體的集成半導體器件的形成方法。在這種方法中，可以使用CMOS薄膜形成結構。然而，很難控制CMOS薄膜中的本徵應力，這會影響器件功能和製造產率。
發明內容
總之，大多數現有技術或者與CMOS過程不兼容，或者其結構在製造上有各種內在的缺陷。所以，需要一種CMOS兼容的MEMS麥克風以及製造方法。為了解決上述問題，本發明提供一種CMOS兼容的MEMS麥克風及其製造方法，從而使麥克風結構的形成完全與CMOS過程兼容，並使麥克風結構不受任何本徵應力的影響。
本發明的實施例提供一種CMOS兼容的MEMS麥克風，其包括SOI基底，其中，CMOS電路容納在該SOI基底的矽器件層上；利用所述矽器件層的一部分形成的麥克風振膜，其中，所述麥克風振膜摻雜為導電性的；麥克風背板，該麥克風背板包括夾有金屬層的CMOS鈍化層和多個通孔，該麥克風背板設置在所述矽器件層的上方，其中，所述多個通孔形成在該麥克風背板的與所述麥克風振膜相對的部分中，並且所述金屬層形成為所述背板的電極板；多個突出件，該多個突出件從與所述振膜相對的麥克風背板的下表面延伸出來；以及空氣間隙，該空氣間隙設置在所述振膜和所述麥克風背板之間，其中，構成所述空氣間隙的邊界的隔離件設置在所述振膜之外或設置在所述振膜的邊緣上， 其中，在所述振膜下方的所述基底中形成背孔以允許聲音通過，以及所述麥克風振膜用作電極板，以與所述麥克風背板的電極板形成可變電容性傳感元件。此外，本發明的實施例提供一種CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法，其包括通過圖案化SOI基底的矽器件層形成麥克風振膜，並對該麥克風振膜摻雜以使該麥克風振膜可導電； 在所述矽器件層以及所述麥克風振膜上形成CMOS電介質氧化物層；在所述CMOS電介質氧化物層中形成多個深槽和多個淺槽，其中，所述深槽從所述CMOS電介質氧化物層的上表面垂直地形成到所述矽器件層的上表面，所述淺槽從與所述麥克風振膜相對的所述CMOS電介質氧化物層的上表面垂直地形成到CMOS電介質氧化物層的預定深度；通過在所述槽中沉積CMOS鈍化層形成隔離牆和多個突出件；通過順序沉積CMOS鈍化層、金屬層和CMOS鈍化層在所述CMOS電介質氧化物層上形成麥克風背板，其中在與所述麥克風振膜相對的所述麥克風背板部分中形成多個通孔；通過去掉所述麥克風振膜下方的SOI基底部分形成背孔；以及通過去掉所述所述振膜和所述背板之間的CMOS電介質氧化物層形成空氣間隙。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。
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，在附圖中圖I是剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的結構；圖2是俯視圖，示出了嵌在本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的背板中的圖案化金屬層的結構；圖3是放大圖，示出了圖I中的互聯柱600的結構；
圖4A到圖4K是剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法；以及圖5是剖視圖，示出了本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的結構。
具體實施例方式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。
(第一實施例)首先，將參考圖I說明本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的具體結構。圖I是剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風10的結構。如圖I所示，CMOS兼容的MEMS麥克風10包括絕緣體上的矽膜(SOI)基底100、麥克風振膜200、隔離件300、麥克風背板400、多個突出件(dimples) 500以及互聯柱600。SOI基底100包含按下述順序從上到下層疊的矽器件層110、埋氧(BOX)層120和矽基底130。SOI基底100在矽基底130和BOX層120中有開口，以便露出麥克風振膜200的下表面，因此形成背孔140。振膜200由矽器件層110的一部分形成，該部分由背孔140露出，並且與矽器件層110的用於容納CMOS電路的其餘部分隔開。此外，如圖I所示，振膜200與SOI基底100隔開。振膜200的表面既可以是N型摻雜，也可以是P型摻雜，表面電阻小於60歐姆/方塊，並且其中央區域特別進行摻雜以便與引出電極形成良好的歐姆接觸，後面將對此進行說明。本發明中的振膜200不僅用作振動薄膜，該振動薄膜響應穿過背孔140的外部聲波進行振動，而且用作可變電容器1000的一個電極板，該可變電容器1000將聲能轉換為電能，以便探測聲波，如後面將說明的那樣。隔離件300由CMOS電介質氧化物(諸如等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)氧化物、磷矽玻璃(PSG)、或硼磷矽玻璃(BPSG))形成，並設置在背板400和振膜200之外的矽器件層110之間，因此，在背板400和振膜200之間形成空氣間隙150。隔離件300具有墊圈的形狀，並在其內側和外側具有隔離牆350，該隔離牆由CMOS電介質鈍化層(例如氮化矽層)形成。麥克風背板400包括第一 CMOS電介質鈍化層400a、圖案化金屬層400b和第二CMOS電介質鈍化層400c，並設置在隔離件300之上，其中，圖案化金屬層400b夾在所述兩個CMOS電介質鈍化層之間。被夾的金屬層400b可以與空氣中的外界腐蝕性氣體隔離，並且也可以避免在潮溼環境中背板400和振膜200之間的任何漏電。圖2是俯視圖，示出了嵌在背板400中的圖案化金屬層400b的結構。如圖2所不，圖案化金屬層400b可以分為彼此分開的振膜200的引出電極410和背板電極420。背板電極420大致具有圓形形狀，它留出輪軸區和輪輻區以容納通過互聯柱600與振膜200電連接的引出電極410，如後面所述。另外，背板電極420在與振膜200相對的部分具有多個通孔430。背板電極420形成了可變電容器1000的另一個電極板，它與電容器1000的所述一個電極板(即振膜200)直接相對。另外，在背板400上設置多個通孔430』，通孔430』對應著背板電極420上的通孔430，並用於使空氣通過，以便減小振膜200在開始振動時將遇到的空氣阻力。多個突出件500設置在背板400的下表面上，並從該下表面垂直地突出到背板400和振膜200之間的空氣間隙150中，但不接觸振膜200的上表面。形成突出件500用來防止形成(即溼法釋放過程，後面將描述)期間表面張力所引起的或工作期間聲壓和靜電力所引起的振膜200與背板400的粘連。應該注意，突出件500的末端與振膜200的上表面由於例如聲壓和靜電力之故偶然會接觸，但在所述結構的內在彈力的作用下會分開。因此，振膜200永遠不會坍塌在背板400上從而導致它們之間的短路或導致所述結構的失效。互聯柱600包括多個電學上互聯的單兀,這些單兀一個層疊在另一個上並垂直對齊。圖3是放大圖，示出了圖I中的互聯柱600的結構。如圖3所示，每個互聯單元包括CMOS電介質氧化物層610以及形成在其中的通孔620，其中，通孔620填充有第一金屬 630(諸如鋁、鈦、銅等等)，第一金屬630通過所謂的化學機械拋光(CMP)機平坦化，並在頂部沉積相同的或不同的第二金屬640 (諸如鋁、鈦、銅等)。此外，互聯柱600在其外側具有隔離牆650，隔離牆650由CMOS電介質鈍化層(諸如氮化矽層)形成。互聯柱600的上部與背板400的下表面結合，並與內嵌在背板400中的振膜200的引出電極410電連接，而互聯柱600的下部與振膜200的中心部的上表面結合，並與其形成歐姆接觸660。因此，由互聯柱600進行中心限制的並摻雜為導電性的振膜200與背板電極420形成可變電容器1000，它們之間的距離會隨著聲壓而變化，從而形成變化的電容，該電容可以由外部電路進行檢測，以便實現聲信號到電信號的轉換。因此，提供一種CMOS兼容的MEMS麥克風，該麥克風利用SOI基底的矽器件層形成振動薄膜，並由互聯柱對該振動薄膜進行中心限制，以便使振膜與SOI基底分開並因此使振膜不受任何本徵應力影響，以及使振膜與引出電極電連接。與現有技術相比，本發明採用已經制好的且無應力的矽層代替低應力多晶矽膜以形成振膜，因此簡化了工藝、提高了本發明所述的MEMS麥克風的性能和製造產率。下面將參考圖4A-4K描述本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法。圖4A到圖4K是剖視圖，示出了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法。在下面的描述中，為了清楚簡明起見，大量的工藝細節，諸如設備、條件、參數等，考慮到它們為本領域中的技術人員所公知，被省略了。在步驟S401中，如圖4A所示，首先，準備好SOI基底100，該SOI基底100包含按下述順序從上到下層疊的矽器件層110、埋氧層120和矽基底130。優選地，可以對矽器件層100提前進行N型摻雜或P型摻雜，使表面電阻小於60歐姆/方塊，但不限於此。然後，用硼離子、砷離子或磷離子等對矽器件層110的一個區域進行選擇性離子注入，並對注入離子進行退火以便激活，從而形成歐姆接觸區660』。在步驟S403中，如圖4B所示，利用光刻和反應離子刻蝕(RIE)使矽器件層110圖案化，以界定麥克風振膜區200』和隔離件區300』。在步驟S405中，如圖4C所示，在圖案化的矽器件層110上沉積CMOS電介質氧化物層610，諸如PECVD氧化物層、PSG層、BPSG層或這些氧化物層的組合。然後，在歐姆接觸區660』的正上方的CMOS電介質氧化物層610中形成通孔620。然後在通孔620中沉積第一金屬630，諸如銅、鋁、鈦等，以便與矽器件層110中的歐姆接觸區660』形成良好的歐姆接觸660。然後用CMP機將CMOS電介質氧化物層610和第一金屬630平坦化，並在其平坦化的表面上沉積相同或不同的第二金屬640，諸如銅、鋁、鈦等。在MEMS麥克風的製造和周圍電路的形成期間，可以將沉積CMOS電介質氧化物層610、在該氧化物層610中開通孔620、填充第一金屬630、將其表面平坦化以及形成第二金屬640的步驟重複多次，通常是三次。最終，形成CMOS電介質氧化物厚層310，使一摞通孔-第一金屬-第二金屬單元嵌入該厚層310中，並在歐姆接觸660上對齊，如圖4C所示。在步驟S407中，如圖4D所示，形成多個淺槽500』，這些淺槽500』從CMOS電介質氧化物層310的上表面向下延伸到振膜區200』上方的某一深度(例如一半的深度)處。多個淺槽500』用來形成多個突出件500，如後面所述。在步驟S409中，如圖4E所示，形成多個深槽350』和深槽650』，這些深槽從CMOS電介質氧化物層310的上表面向下一直延伸到矽器件層110的上表面。多個深槽350』和深槽650』設置為使它們分別界定出隔離件300和互聯柱600，同時留出在隔離件300和互 聯柱600周圍形成隔離牆350和隔離牆650的空間。在步驟S411中，如圖4F所示，在CMOS電介質氧化物層310上，沉積第一 CMOS電介質鈍化層400a，諸如一層PECVD SiN, CMOS電介質鈍化層400a填充淺槽500』以及深槽350』和深槽650』，並覆蓋CMOS電介質氧化物層310的表面。在步驟S413中，如圖4G所示，在上面步驟S405中所描述的一摞通孔-第一金屬-第二金屬單元的正上方的第一 CMOS電介質鈍化層400a和CMOS電介質氧化物層610中開通孔620。然後，在通孔620中填充第一金屬630，諸如銅、鋁、鈦等。之後，在第一 CMOS電介質鈍化層400a的表面上形成圖案化金屬層400b (包括圖2所示的振膜200的引出電極410和背板電極420)，使圖案化金屬層400b的中心部與上述一摞通孔-第一金屬-第二金屬單元電連接，並且使背板電極420具有多個通孔。可以用諸如銅、鋁、鈦等金屬沉積金屬層400b。在步驟S415中，如圖4H所示，在金屬層400b和第一 CMOS電介質鈍化層400a上沉積第二 CMOS電介質鈍化層400c，諸如一層PECVD SiN,使得圖案化金屬層400b夾在兩個CMOS電介質鈍化層400a和400c之間。在步驟S417中，如圖41所示，使用RIE刻蝕CMOS電介質鈍化層，以便在背板400上形成通孔430』(通孔430』與金屬層400b上的通孔430對齊)，以及露出振膜200的引出電極墊410』和背板電極墊420』。在步驟S419中，如圖4J所示，在SOI基底100的矽基底130中，利用矽深槽反應離子刻蝕(DRIE)或溼法刻蝕工藝刻蝕背孔140』，直到露出振膜200下方的埋氧層120的下表面。在步驟S421中，如圖4K所示，利用溼法刻蝕去掉振膜200上方的犧牲氧化物層和振膜200下方的埋氧層120。在溼法刻蝕期間，HF基溶液會通過背板400上的孔430』滲透到由背板400的下表面、隔離件300的內表面和振膜200的上表面界定的空間中，從而去掉該空間中的犧牲氧化物層，並形成空氣間隙150。這樣，振膜200就與SOI基底100分開了。到此為止，提供了本發明的第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法。從上述過程可以看到，本方法與標準的CMOS工藝完全兼容，從而有助於進一步提高本發明所述的MEMS麥克風的性能和製造產率。(第二實施例)下面將參考圖5說明本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的具體結構。圖5是剖視圖，示出了本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風10』的結構。將圖5與圖I比較，本發明的第二實施例與第一實施例的不同之處在於，在第二實施例中，互聯柱600』設計為布置在振膜200的邊緣上。相應地，在第二實施例中，振膜200與SOI基底100不分開，即，振膜200的邊緣部是錨固的。因此，優選地，SOI基底100的製備好的矽器件層110的本徵應力要小，使振膜200的性能較少受影響。另外，在第二實施例中，在互聯柱600』的周圍不需要形成隔離牆650，這是因為，互聯柱600』嵌在隔離件300中，而隔離件300具有隔離牆350。 此外，在第二實施例中，振膜200的引出電極410以及背板電極420不必是交叉的。本發明的第二實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法類似於第一實施例所述的CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法，因此，其詳細描述省略。應該注意，所述CMOS兼容的MEMS麥克風通常優選採用圓形形狀，但其它形狀諸如方形、長方形或其它多邊形形狀也是可以的。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MEMS麥克風，包括 SOI基底，其中，CMOS電路容納在該SOI基底的矽器件層上； 利用所述娃器件層的一部分形成的麥克風振膜，其中，所述麥克風振膜摻雜為導電性的； 麥克風背板，該麥克風背板包括夾有金屬層的CMOS鈍化層和多個通孔，該麥克風背板設置在所述矽器件層的上方，其中，所述多個通孔形成在該麥克風背板的與所述麥克風振膜相對的部分中，並且所述金屬層形成為所述背板的電極板； 多個突出件，該多個突出件從與所述振膜相對的麥克風背板的下表面延伸出來；以及空氣間隙，該空氣間隙設置在所述振膜和所述麥克風背板之間，其中，構成所述空氣間隙的邊界的隔離件設置在所述振膜之外或設置在所述振膜的邊緣上， 其中，在所述振膜下方的所述基底中形成背孔以允許聲音通過，以及 所述麥克風振膜用作電極板，以與所述麥克風背板的電極板形成可變電容性傳感元件。
2.根據權利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，還包括 互聯柱，該互聯柱包括一個層疊在另一個上且垂直對齊的多個電互聯單元，該互聯柱設置在所述振膜和所述背板之間，用於利用CMOS金屬互聯方法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進行引線， 其中，每個所述互聯單元包括CMOS電介質氧化物層以及形成在其中的通孔，所述通孔填充有第一金屬，並且第二金屬沉積在填充有所述金屬的通孔的頂部。
3.根據權利要求2所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述互聯柱設置在所述振膜的中心處。
4.根據權利要求3所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述振膜與所述SOI基底分開。
5.根據權利要求2所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述互聯柱設置在所述振膜的邊緣上。
6.根據權利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述麥克風振膜為圓形、或方形、或長方形或其它多邊形形狀。
7.根據權利要求2所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述麥克風振膜進行摻雜以與CMOS金屬層形成良好的電學接觸。
8.根據權利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述隔離件用CMOS電介質矽氧化物層形成。
9.根據權利要求8所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述CMOS電介質矽氧化物層包括LPCVD或PECVD氧化物，或PSG或BPSG氧化物，或上述氧化物的組合。
10.根據權利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，夾在所述CMOS鈍化層內的所述CMOS金屬層與外部環境完全隔開；以及所述CMOS鈍化層包括PECVD氮化矽層。
11.根據權利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述隔離件在其每個側面上也具有用槽形成的隔離牆，並且所述槽填充有CMOS鈍化層以包護所述麥克風結構。
12.根據權利要求11所述的CMOS兼容的MEMS麥克風，其中，所述突出件由填充有同樣的CMOS鈍化層的淺槽形成。
13.一種CMOS兼容的MEMS麥克風的製造方法，包括 通過圖案化SOI基底的矽器件層形成麥克風振膜，並對該麥克風振膜摻雜以使該麥克風振膜可導電； 在所述矽器件層以及所述麥克風振膜上形成CMOS電介質氧化物層； 在所述CMOS電介質氧化物層中形成多個深槽和多個淺槽，其中，所述深槽從所述CMOS電介質氧化物層的上表面垂直地形成到所述矽器件層的上表面，所述淺槽從與所述麥克風振膜相對的所述CMOS電介質氧化物層的上表面垂直地形成到CMOS電介質氧化物層的預定深度； 通過在所述槽中沉積CMOS鈍化層形成隔離牆和多個突出件； 通過順序沉積CMOS鈍化層、金屬層和CMOS鈍化層在所述CMOS電介質氧化物層上形成麥克風背板，其中在與所述麥克風振膜相對的所述麥克風背板部分中形成多個通孔； 通過去掉所述麥克風振膜下方的SOI基底部分形成背孔；以及 通過去掉所述多個深槽所界定的CMOS電介質氧化物層部分之外的CMOS電介質氧化物層形成空氣間隙。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，形成CMOS電介質氧化物層的步驟還包括 在所述矽器件層和所述麥克風振膜上形成多個CMOS電介質氧化物層， 其中，在形成所述多個CMOS電介質氧化物層期間，在所述麥克風振膜上方的CMOS電介質氧化物層部分中形成金屬互聯柱，所述金屬互聯柱用CMOS電介質矽氧化物層、通孔和CMOS金屬層形成。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述金屬互聯柱設置在所述振膜的中心。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述振膜與所述矽器件層的其它部分分開。
17.根據權利要求14所述的方法，其中，所述金屬互聯柱設置在所述振膜的一個邊緣。
全文摘要
本發明涉及CMOS兼容的MEMS麥克風，其包括SOI基底，其中，CMOS電路容納在其矽器件層上；利用矽器件層的一部分形成的麥克風振膜，其中，麥克風振膜摻雜為導電性的；麥克風背板，包括夾有金屬層的CMOS鈍化層和多個通孔，設置在矽器件層的上方，其中，多個通孔形成在麥克風背板的與麥克風振膜相對的部分中，並且金屬層形成背板的電極板；多個突出件，從與振膜相對的麥克風背板的下表面延伸；以及空氣間隙，設置在振膜和麥克風背板之間，其中，構成空氣間隙邊界的隔離件設置在振膜之外或振膜邊緣上，其中，在振膜下方的基底中形成背孔以允許聲音通過，以及麥克風振膜用作電極板，與麥克風背板的電極板形成可變電容性傳感元件。
文檔編號B81B7/00GK102822084SQ201080062319
公開日2012年12月12日 申請日期2010年7月28日 優先權日2010年7月28日
發明者王喆 申請人:歌爾聲學股份有限公司