CN100486359C - 一种传声器芯片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传声器芯片制备方法，包括一n-型硅基片，在硅基片的正面扩散硼形成p+型搀杂层，在其上通过沉积二氧化硅并光刻、腐蚀成隔离层，在隔离层上附着一振动膜层，振动膜层之上沉积金属铝膜和方形铝电极；在硅基片的反面有一层氮化硅保护膜，从硅基片的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层，垂直于该搀杂层腐蚀出声学孔形成穿孔背板，穿孔背板与振动膜层之间为空气隙；所述的隔离层为圆环状。该传声器芯片制备方法简单；芯片由不同的金属材料分别制成圆环形的隔离层和圆形的牺牲层，在实现圆形结构的同时，实现褶皱环的制作，减小振动膜的应力，避免时效破裂；提高了传声器灵敏度。

Description

一种传声器芯片制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅微电容传声器技术领域，特别涉及一种改进的传声器芯片结构及其制备方法。

背景技术

硅微电容传声器由形成硅微电容的硅芯片部分和外围电路部分组成，其中硅芯片部分由硅基片及其上的穿孔(声学孔)背板、空气隙、隔离层、振动膜、金属膜及金属电极组成。通常的硅微电容传声器由于受制作方式的限制，一般空气隙、隔离层、振动膜均为方形的，如Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)，1998 IEEE11th International Workshop p580-585，由P.-C.Hsu，C.H.Mastrangelo，andK.D.Wise所著的《A HIGH SENSITIVITY POLYSILICON DIAPHRAGM CONDENSERMICROPHONE》一文中所述的。在制作该硅微电容传声器时，从硅片背面的体刻蚀只能产生方形背板，之后用氢氟酸腐蚀，氢氟酸通过该方形背板上几何尺度较小的声学孔腐蚀二氧化硅层，进行二氧化硅的牺牲层释放，二氧化硅同时作为牺牲层和方形隔离层，腐蚀掉的中间的牺牲层部分形成空气隙，释放牺牲层后剩余的部分二氧化硅层作为方形隔离层。在氢氟酸腐蚀二氧化硅较慢的情况下几乎不可能腐蚀出圆形空气隙区域，而且过长时间的腐蚀将导致氮化硅振动膜被破坏。这样，在牺牲层和隔离层呈方形的情况下，振动膜的应力较大，尤其是在尖角处的应力更大，产生应力集中，进而导致传声器的灵敏度下降乃至时效破裂。采用上述制作工艺的话，即使制作圆形振动膜，也必然与不规则(非圆形)空气隙区域形成应力集中的尖角。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有制作工艺制成的方形振动膜在尖角处的应力较大、因此导致传声器的灵敏度下降乃至时效破裂的缺陷，从而提供一种具有圆环形隔离层和圆形空气隙的传声器芯片；并且分别使用两种不同的薄膜材料作为圆环隔离层和圆形牺牲层的、具有高灵敏度的传声器芯片及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种传声器芯片，包括一n-型硅基片1，在硅基片1的正面扩散硼形成p+型搀杂层3，在p+型搀杂层3上面沉积二氧化硅，光刻、腐蚀成隔离层4，隔离层4上附着一层氮化硅做的振动膜层6，振动膜层6之上沉积金属铝膜，并光刻、腐蚀成圆形铝膜9和方形铝电极9；在硅基片1的背面有一层氮化硅保护膜10，从硅基片1的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层3，在垂直于p+型搀杂层3的方向上腐蚀出声学孔7形成穿孔背板，穿孔背板与氮化硅做的振动膜层6之间为空气隙8；其特征在于：所述的隔离层4为圆环形，其厚度为0.5～5微米，内径为500～3000微米，径向宽度为50～300微米；所述的空气隙8为圆形，其厚度为0.5～5微米，直径比圆环形隔离层4的内径大1～10微米；振动膜层6为圆形，其厚度为0.1～1微米，直径500～3000微米。

所述的穿孔背板上腐蚀出的声学孔排列呈阵列式，除孔以外部位为p+型搀杂层，硼扩散深度为3～20微米。

所述的声学孔7边长为30～80微米，间隔为30～80微米。

所述的隔离层采用二氧化硅材料。

本发明提供的一种传声器芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：

【1】取一n-型硅基片1经过高温氧化工艺生长一厚度为0.5～2微米的二氧化硅，光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜；在硅片正面进行深度硼扩散，形成穿孔背板中除孔分布部位以外部位的p+型掺杂层3，硼扩散深度为3～20微米；

【2】用氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜，在硅片正面淀积厚度为0.5～6微米的低温二氧化硅，光刻后用氢氟酸腐蚀出圆环形隔离层4图形；再淀积出0.5～5微米的氧化锌牺牲层5，光刻后用磷酸腐蚀出与圆环形隔离层4同心的圆形牺牲层5；在硅片双面淀积厚度为0.1～1微米的氮化硅，在正面光刻后将氮化硅刻蚀成圆形振动膜6，在背面光刻后刻蚀出正方形的体刻蚀保护膜10；

【3】从硅片背面对硅基片1用氢氧化钾进行硅体刻蚀，当氢氧化钾腐蚀到p+型掺杂层3时，由于氢氧化钾对未硼扩散的穿孔区域的腐蚀速度远高于深度硼扩散的穿孔背板区域，使穿孔背板孔分布部位被很快腐蚀掉，形成穿孔背板上的声学孔7，该穿孔背板上腐蚀出的声学孔呈阵列式排列；然后，氢氧化钾通过穿孔进一步到达圆形氧化锌牺牲层5，将由氧化锌构成的牺牲层5腐蚀完，形成一与圆形氧化锌牺牲层5形状完全相同的圆形的空气隙8；

【4】在硅片正面蒸镀厚度为0.05～0.2微米的金属铝膜，并光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜以及方形电极9。

所述的圆环形隔离层的内径为500～3000微米，径向宽度为50～300微米；所述圆形氧化锌牺牲层的厚度为0.5～5微米，其直径比圆环形隔离层图形的内径大1～10微米，多出的部分将形成圆形褶皱环。

上述氧化、沉积、腐蚀、光刻均是采用常规工艺的。

本发明的优点在于：

本发明提供的传声器芯片由两种不同的金属材料分别制成圆形的隔离层和牺牲层，在实现圆形结构的同时，也实现了褶皱环的制作，减小了振动膜的应力，避免了时效破裂；大大提高了传声器灵敏度。

本发明提供的传声器芯片采用较易腐蚀的氧化锌材料作为牺牲层材料代替原来在微机电领域被广泛应用的、较难腐蚀的二氧化硅材料，这样可以将圆形的氧化锌薄膜很快去除从而形成圆形的空气隙区域，较快的腐蚀速度还减小了以往氢氟酸释放二氧化硅牺牲层的同时对氮化硅振动膜较强的腐蚀。

本发明提供的制备传声器芯片的方法，解决制成圆形结构的气隙层、隔离层和振动膜的困难，为工业化生产传声器芯片提供一套简便易行的工艺。

图面说明

图1是在硅片正面进行深度硼扩散后形成的剖面示意图

图2是淀积、光刻、腐蚀出圆环形隔离层、圆形牺牲层，淀积、光刻、刻蚀出圆形振动膜、背面的正方形硅体刻蚀的掩膜后形成的剖面示意图

图3是体刻蚀硅片、腐蚀声学孔和牺牲层形成圆形气隙层后形成的剖面示意图

图4是淀积、光刻出圆形金属铝膜后，完成本发明传声器芯片的剖面示意图

图5是传声器芯片的俯视图

图6是传声器芯片的仰视图

图7是传声器芯片制备方法的流程图

附图标识：

1、n-(100)硅片          2、高温二氧化硅      3、p+搀杂层

4、隔离层(低温二氧化硅) 5、牺牲层(氧化锌)     6、振动膜层(氮化硅)

7、声学孔               8、空气隙            9、铝膜及电极

10、保护膜

具体实施方式

参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案。

实施例1

本实施例提供的一种传声器芯片，包括一n-型硅基片1，在硅基片1的正面扩散硼形成p+型搀杂层3，其厚度为3或20微米；在p+型搀杂层3沉积SiO₂和光刻、腐蚀成圆环形隔离层4，该圆环形隔离层4的内径为500或3000微米，径向宽度为50或300微米；在隔离层4上附着一层氮化硅做的圆形振动膜层6，振动膜层6之上沉积、光刻、腐蚀圆形铝膜和方形电极9；如图5所示；在硅基片1的反面有一层氮化硅保护膜10，从硅基片1的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层3，垂直于p+型搀杂层3腐蚀出声学孔7形成穿孔背板，穿孔背板与氮化硅做的振动膜层6之间为空气隙8；所述空气隙8为圆形，其厚度为0.5微米，直径比圆环形隔离层4的内径大2微米。穿孔背板上腐蚀出的孔排列呈阵列式，所述的声学孔7边长为30微米，间隔为30微米，如图6所示。

实施例2

采用本发明制备方法制备一传声器芯片，其步骤如下：

(1)n-型硅片1经过常规高温氧化工艺产生厚度为0.5微米的二氧化硅2，光刻后用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅作为掩膜，并在硅片正面进行深度硼扩散形成背板的p+型搀杂层3，深度为5微米，其中穿孔部分不扩散；如附图1所示。

(2)用氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜；利用等离子体增强化学气相淀积设备(PECVD)在硅片正面淀积低温二氧化硅(LTO)，厚度为0.5微米，光刻、氢氟酸腐蚀出圆环形隔离层4图形，圆环内径为500微米，圆环径向宽度为50微米；利用磁控溅射淀积氧化锌(ZnO)作为牺牲层5，厚度为0.5微米，圆形牺牲层5的直径比圆环形隔离层4图形的内径大1微米，经常规光刻、磷酸腐蚀出圆形牺牲层5的图形；再利用低压化学气相淀积设备(LPCVD)淀积双面氮化硅，厚度为0.1微米，硅片1正面的氮化硅光刻、等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀作为振动膜6，硅片1背面的氮化硅经过光刻、ICP刻蚀作为硅体刻蚀的掩膜10；如附图2所示。

(3)选择硅腐蚀液氢氧化钾从硅片背面对深度硼扩散的硅片1进行硅体刻蚀，由于穿孔部分(未深度硼扩散)的腐蚀速度高于其它背板部分基片(已深度硼扩散)，使背板上的穿孔形成声学孔7；穿孔背板上腐蚀出的声学孔7排列呈阵列式，声学孔7边长为30微米，间隔为30微米；如图6所示。

由于氧化锌极不抗氢氧化钾的腐蚀，当氢氧化钾经过声学孔腐蚀到硅片正面时，由氧化锌构成的牺牲层5将很快被腐蚀，从而形成与氧化锌形状完全相同的空气隙8；其空气隙8的间隙为0.5微米，如附图3所示。

(4)在硅片1正面用真空镀膜技术蒸镀铝膜，厚度为0.05微米，光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜及接触电极9，如图附4所示。

实施例3

(1)n-型硅片1经过高温氧化产生厚度为2微米的二氧化硅，光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅作为掩膜，并在硅片正面进行深度硼扩散形成背板的p+型搀杂层3，深度为15微米，其中穿孔部分不扩散；

(2)用氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜；利用等离子体增强化学气相淀积设备(PECVD)在硅片正面淀积低温二氧化硅(LTO)，厚度为6微米，光刻、氢氟酸腐蚀出圆环形隔离层4图形后，圆环内径为3000微米，圆环宽度为300微米；利用磁控溅射淀积氧化锌(ZnO)作为牺牲层，厚度为5微米，圆形牺牲层的直径比圆环形隔离层图形的内径大10微米，光刻、磷酸腐蚀出圆形牺牲层图形；再利用低压化学气相淀积设备(LPCVD)淀积双面氮化硅，厚度为1微米，硅片正面的氮化硅经过光刻、等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀作为振动膜，硅片背面的氮化硅经过光刻、ICP刻蚀作为硅体刻蚀的掩膜；

(3)选择硅腐蚀液氢氧化钾从硅片背面对深度硼扩散的硅芯片进行硅体刻蚀，由于穿孔部分(未深度硼扩散)的腐蚀速度高于其它背板部分基片(已深度硼扩散)，使背板上的穿孔形成声学孔7；所述的声学孔7边长为80微米，间隔为80微米；

由于氧化锌极不抗氢氧化钾的腐蚀，当氢氧化钾经过声学孔腐蚀到硅片正面时，由氧化锌构成的牺牲层将很快被腐蚀，从而形成与氧化锌形状完全相同的空气隙8，其空气隙8的间隙为5微米，直径比环形隔离层4图形的内径大10微米；

(4)在硅片正面用真空镀膜技术蒸镀铝膜，厚度为0.2微米，光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜及接触电极9。

实施例4

(1)n-型硅片经过高温氧化产生厚度为1微米的二氧化硅，光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅作为掩膜，并在硅片正面进行深度硼扩散形成背板的p+型搀杂层3，深度为10微米，其中穿孔部分不扩散；

(2)用氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜；利用等离子体增强化学气相淀积设备(PECVD)在硅片正面淀积低温二氧化硅(LTO)，厚度为3微米，光刻、氢氟酸腐蚀出圆环形隔离层图形，圆环内径为1000微米，圆环宽度为200微米；利用磁控溅射淀积氧化锌(ZnO)作为牺牲层，厚度为3微米，圆形牺牲层的直径比圆环形隔离层图形的内径大5微米，光刻、磷酸腐蚀出圆形牺牲层图形；再利用低压化学气相淀积设备(LPCVD)淀积双面氮化硅，厚度为0.5微米，硅片1正面的氮化硅经过光刻、等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀作为振动膜6，硅片1背面的氮化硅经过光刻、ICP刻蚀作为硅体刻蚀的掩膜10；

(3)选择硅腐蚀液氢氧化钾从硅片1背面对深度硼扩散的硅片1进行硅体刻蚀，由于穿孔部分(未深度硼扩散)的腐蚀速度高于其它背板部分基片(已深度硼扩散)，使背板上形成声学孔7；由于氧化锌极不抗氢氧化钾的腐蚀，当氢氧化钾经过声学孔腐蚀到硅片正面时，由氧化锌构成的牺牲层将很快被腐蚀，从而形成与氧化锌形状完全相同的空气隙8，直径比圆环形隔离层图形的内径大5微米；

(4)在硅片1正面用真空镀膜技术蒸镀铝膜，厚度为0.1微米，光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜及接触电极9。

Claims (1)

1、一种传声器芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：

【1】取一n-型硅基片(1)经过高温氧化生长一厚度为0.5～2微米的二氧化硅，光刻后用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜(2)；在硅片正面进行深度硼扩散，形成穿孔背板中除孔分布部位以外部位的p+型掺杂层(3)，硼扩散深度为3～20微米；

【2】用氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜(2)；在硅片正面淀积厚度为0.5~6微米的低温二氧化硅，光刻后用氢氟酸腐蚀出圆环形隔离层(4)图形，该圆环形隔离层(4)的内径为500～3000微米，径向宽度为50～300微米；再淀积出0.5～5微米的氧化锌，光刻后用磷酸腐蚀出与圆环形隔离层(4)同心的圆形牺牲层(5)，牺牲层(5)的直径比圆环形隔离层(4)的内径大1～10微米；在硅片双面淀积厚度为0.1～1微米的氮化硅，在正面光刻后将氮化硅刻蚀成圆形振动膜(6)，在背面光刻后刻蚀出氮化硅硅体刻蚀保护膜(10)；

【3】从硅片背面对硅基片(1)用氢氧化钾进行硅体刻蚀，当氢氧化钾腐蚀到p+型掺杂层(3)时，形成穿孔背板上的声学孔，该穿孔背板上腐蚀出的声学孔(7)呈阵列式排列；然后，氢氧化钾通过穿孔进一步到达圆形氧化锌牺牲层(5)，将由氧化锌构成的牺牲层(5)腐蚀完，形成一与圆形氧化锌牺牲层(5)形状完全相同的圆形的空气隙(8)；

【4】在硅片正面蒸镀厚度为0.05～0.2微米的金属铝膜(9)，并光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜和方形电极(9)。

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