CN101453682A - 无背极板的硅传声器 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种硅基传声器传感元件及其制造方法。该传声器传感元件具有每边或角上邻接多孔板的膜片。膜片被置于导电衬底中形成的一个或者多个背孔上方，其中背孔具有小于膜片的宽度。多孔板悬于衬底上面的气隙上方。膜片由机械弹簧支撑，机械弹簧具有两个末端，连接到多孔板的角、边、或者中心并且终止于固定在电介质空间层上的刚性衬垫。第一电极形成于一个或者多个刚性衬垫上，而第二电极形成于衬底上的一处或者多处，从而来建立可变电容电路。这种传声器传感元件可以以不同方法实施以减小寄生电容。

Description

无背极板的硅传声器
本申请为下述申请的分案申请
原申请的申请日：2004年11月29日
原申请的申请号：200480044734.4(PCT/SG2004/000385)
原申请的发明名称：无背极板的硅传声器
技术领域
本发明涉及一种硅电容传声器的传感元件及其制造方法，特别地，涉及不带有将多孔板直接连接到可动膜片(Diaphragm)上的专用背极板(backplate)的硅传声器结构。
背景技术
也被称为声换能器的硅基电容传声器已经处于研发阶段超过20年。由于它在小型化、性能、可靠性、环境承受力、低成本和批量生产能力中的潜在优势，硅传声器被广泛认为是取代已被广泛用于通信、多媒体、消费电子、助听器等中的常规的驻极体电容传声器(ECM)的下一代产品。在所有硅基方法中，电容式传声器在近几年中进步最显著。硅电容传声器典型地由传感元件和前置放大器IC装置两个基本元件组成。传感元件基本上是由可动的柔性膜片、刚性且固定的多孔背极板，和在膜片和背极板之间形成气隙(air gap)的电介质间隔构成的可变电容。前置放大器IC装置基本上是由偏压源(包括偏置电阻)和源跟踪前置放大器构成。尽管已有很多硅衬底上的可变电容的实施例，但是每个现有技术的例子在传声器传感元件的结构中都包括一个专用背极板。表1列出了在制造传声器传感元件中采用的各种材料的典型例子。
表1.硅电容传声器现有技术列表
 
作者/发明者 年 膜片 背极板 电介质间隔 参考文献
 
Hohm 1986 含有金属的氮化物 硅 氮化物 1
Bergqvist 1990 硅 玻璃 氧化物 2
Kuhnel 1991 含有Al的氮化物 含有Al的硅 氧化物/氮化物 3
Scheeper 1992 PECVD富硅氮化物(金属是Au) 硅 PECVD富硅氮化硅 4
Bernstein 1993 硅(典型) 镍(典型) 氧化物/氮化物 5
Bergqvist 1994 硅(第一晶片) 硅(第二晶片) 热氧化物 6
Zou 1996 多晶硅 硅 氮化物+氧化物 7
Loeppert 1996 多晶硅 硅氮化物金属合成物(或者多晶硅) 氮化硅 8
Pedersen 1997 含有金属的聚酰亚胺 有金属的聚酰亚胺 聚酰亚胺+氧化物 9
Rombach 2000 多晶硅 多晶硅 氮化物+氧化物 10
Brauer 2001 多晶硅 硅 氧化物 11
Loeb 2001 合成物(聚合氧化物+金属+聚合物) 硅 氧化物+氮化物 12
表1中的参考文献如下：(1)D.Hohm and G.Hess，“A Subminiature CondenserMicrophone with Silicon Nitride Membrane and Silicon Backplate”，J.Acoust.Soc.AmVol.85，pp.476-480(1989)；(2)J.Bergqvist et al.，”A New Condenser Microphone inSilicon”，Sensors and Actuators，A21-23(1990)，PP.123-125；(3)W.Kuhnel et al.，”A SiliconCondenser Microphone with Structured Backplate and Silicon NitrideMembrane”，Sensors and Actuators A，Vol.30，pp.251-258(1991)；(4)P.Scheeper etal.，”Fab rication of Silicon Condenser Microphones Using Single WaferTechnology”，J.Microelectromech.Systems，Vol.1，No.3，pp.147-154(1992)；(5)U.S.PatentNo.5,146,435 and U.S.Patent No.5,452,268；(6)J.Bergqvist et al.，”A Silicon MicrophoneUsing Bond and Etch-back Technology”，Sensors and Actuators A，Vol.45，pp.115-124(1994)；(7)Zou，Quanbo，et al.，”Theoretical and Experimental Studies ofSingle Chip Processed Miniature Silicon Condenser Microphone with CorrugatedDiaphragm”，Sensors and Actuators A，Vol.63，pp.209-215(1997)；(8)U.S.PatentNo.5,490,220 and U.S.Patent No.4,870,482；(9)M.Pedersen et al.，“A SiliconMicrophone with Polyimide Diaphragm and Backplate”，Sensors and ActuatorsA，Vol.63，pp.97-104(1997)；(10)P.Rombach et al.，”The First Low Voltage，Low NoiseDifferential Condenser Silicon Microphone”，Eurosensor XIV，The 14th EuropeanConference on Solid State Transducers，Aug.27-30，2000，pp.213-216；(11)M.Brauer etal.，”Silicon Microphone Based on Surface and BulkMicromachining”，J.Micromech.Microeng.，Vol.11，pp.319-322(2001)；(12)PCT PatentApplication No.WO 01/20948 A2.
传声器传感元件中包括的专用背极板通常会由于它在材料和加工方法上的特殊要求导致制造复杂。所要求的掩模层次和与膜片和背极板之间的覆盖和间距相关的加工问题通常会导致复杂和高成本的制造。
因此，需要一种硅传声器的改进结构，能够简化制造工艺降低成本。特别地，需要一种新颖的可变电容元件设计，从而需要较少的掩模层次来生产性能改善的硅传感元件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种不包括专用背极板部件的传声器传感元件。
本发明的另一个目的是提供一种制造传声器传感元件的简化方法。
这些目的是通过传声器传感元件来实现的，在其最基本的实施例中以一个可动膜片为特征，可动膜片在其边缘或者角上由机械弹簧支撑，机械弹簧通过刚性的衬垫被固定到导电衬底上。每个衬垫被置于用作确定膜片和衬底间气隙的间隔的电介质层上。连接到膜片边上的是由与膜片、衬垫和机械弹簧相同的材料制成的多孔板。一个或者多个衬垫上具有位于上面的第一电极，第一电极是由金属丝连接到外部电路的导电金属材料岛。相同材料构成的第二电极形成在导电衬底上并被连线以完成可变电容电路。在一个实施例中(SOI版本)，膜片、多孔板、衬垫、和机械弹簧是共面的并且是由同一硅层制成，电介质层是氧化层。膜片和多孔板都可以是矩形。多孔板被置于相邻机械弹簧之间。穿孔适宜地包含多行和列的孔。在衬底和多孔板之间的电介质间隔层中存在气隙，并且背孔形成于膜片下面的衬底中从而使声音信号具有到达膜片的自由通路并且由此在膜片中引起振动。在振动期间，膜片、机械弹簧、和多孔板以协调的动作上下移动(垂直于衬底)。这种移动导致了第一和第二电极之间的电容值变化，它可以被转化为输出电压。
在硅氧化层如原硅酸四乙酯(TEOS)被用作牺牲层的第二实施例中，膜片、机械弹簧、衬垫、和多孔板都是由薄的多晶硅层(poly 2)制成。连接有多孔板的膜片可以具有底部增强部，该底部增强部在排列在衬底中的背孔上方的膜片底面下方凸起。膜片可以是有四个角和四个边的正方形，并且每个边上附有多孔板。四个机械弹簧每个都形成为长度方向沿着穿过膜片的中心和角的平面并且有两个末端，其中一端连接到膜片，另一端连接到poly 2固定衬垫。可选地，机械弹簧连接到膜片的边而多孔板被连接于角和相邻膜片的部分边。固定衬垫或者衬垫也用作电连接点。为了减小poly2固定衬垫和导电衬底之间的寄生电容，poly2固定衬垫可以不与膜片共面而是可以通过在衬底和固定衬垫间添加一层或多层电介质氧化层来升高固定衬垫使之远离衬底。另一个多晶硅(poly1)衬垫可以被插于poly2固定衬垫和衬底之间用作氧化物沟槽蚀刻的蚀刻阻挡层。围墙状的被填充poly2的沟槽连续地环绕着插入的poly1衬垫的内缘。Poly2固定衬垫的垂直部分形成一个包围poly1固定衬垫的边缘的连续的环，由此保护了poly1固定衬垫下面的氧化层不在释放工艺中被蚀刻掉。位于插入的poly1衬垫和衬底之间的氧化层是由另一个由氮化硅或此类能够抵抗或者延迟用于形成气隙的氧化物释放刻蚀的电介质层保护。为了进一步减小寄生电容，很多下陷的填有氧化物的深沟槽可以形成于导电硅衬底中，它们都被机械弹簧和固定衬垫覆盖。
在第三实施例中，膜片有四个连接的多孔板和四个将膜片在其角处连接到四个衬垫(固定衬垫)的机械弹簧，如第二实施例中。然而，机械弹簧、衬垫和膜片是共面的并且是由同一层到衬底是第一距离的多晶硅层制成。膜片可能如同第二实施例中具有底部增加而增强。然而，每个机械弹簧被固定到由具有顶、底和宽的侧壁组成的垂直部分支撑的基部的水平部分。基部适宜地由富含硅的氮化硅(SRN)制成，SRN填充四个沟槽以形成排列为正方形或者长方形环的四个侧壁。SRN基部的水平部分形成于衬垫上，在一个实施例中它是机械弹簧的延长。因而，膜片和连接它的多孔板是悬在气隙和衬底中的背孔的上方。第一电极可以是不共面的并且形成在水平部分和相邻衬垫的顶部。第二电极形成于衬底上。
第四实施例是对第一实施例的修改，其中机械弹簧的角或边缘支撑被“中心支撑”结构取代。用作中心刚性固定衬垫的电介质间隔层形成于膜片中心下方的衬底上并且支撑四个在第一电极下方一端交迭的机械弹簧。机械弹簧的另一端连接到膜片的边缘。每个机械弹簧可以具有长方形形状，其长度方向沿着两个在膜片的中心处相交并且垂直于衬底的正交平面中的一个。沿着机械弹簧的任一边的长度方向的是将机械弹簧与膜片分开的狭槽。背孔有四部分，在由两个相交平面确定的每个膜片象限的下方形成一部分。电介质空间层的厚度确定了膜片和衬底之间的气隙的厚度。
本发明也是一种制造传声器传感元件的简单方法，它比起大部分常规的有专用背极板的硅电容传声器需要较少的掩模。一个示范性工艺流程涉及在导电衬底如掺杂硅上形成电介质间隔层。电介质间隔层可以是由二氧化硅组成。可以掺有硅或者多晶硅的薄膜随后形成于电介质间隔层上。然后，由一层或者多层随后被用于制造背孔的硬模形成于衬底的背面。使用第一光掩模来在薄膜中产生一个或多个延伸穿过电介质间隔层接触衬底的通孔。在正面淀积一层由两种或多种金属组成的导电层后，使用第二光掩模来去除除了隔膜层上一个或者多个是第一电极的孤岛和衬底上一个或者多个是第二电极的通孔中的孤岛的导电层。然后使用另一层光掩模在部分薄膜层中蚀刻孔以确定多孔板并且形成确定多孔板的边缘、机械弹簧和衬垫的开口。第四光掩模被用于在背面的硬模中蚀刻开口以允许下一步中的KOH蚀刻剂或者深RIE蚀刻在膜片下方的衬底中形成背孔。最后，在定时释放步骤中蚀刻剂去除膜片和背孔之间的部分电介质间隔层以生成气隙，从而膜片变成悬在气隙和下面的背孔上方。
形成基本的硅传声器结构的最简单的制造方法涉及绝缘体上硅(SOI)晶片。本领域技术人员容易想到其他制造方法包括晶片—晶片键合和多晶硅表面微机械加工可以被用于形成其他实施例或者与这里所描述的实施例相似的实施例。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的有邻接的多孔板和终止到衬垫的弹簧的膜片的顶视图。
图2是显示根据本发明的一个实施例的传声器传感元件的可变电容设计的截面图。
图3—8是图解根据本发明的第一实施例形成传声器传感元件的涉及四个光掩模步骤的工艺流程的截面图。
图9是图解根据本发明的第二实施例的传声器传感元件的截面图。
图10是根据第二实施例的具有中心支撑和增强的传声器传感元件的顶视图。
图11是图10中所绘的传声器传感元件的部分放大的顶视图。
图12是根据第二实施例的具有边缘支撑和增强的传声器传感元件的顶视图。
图13是根据本发明的第四实施例的具有中心支撑的传声器传感元件的顶视图。
图14是图13中的传声器传感元件的截面图。
图15是显示根据本发明的第三实施例的传声器传感元件的截面图。
图16是根据第三实施例的基部元件的斜视图，而图17是其截面图。
图18是图15中描绘的传声器传感元件的顶视图。
具体实施方式
本发明是一种用于电容性的电容式传声器的传感元件，它可以容易地由现有半导体材料和硅微机械加工处理制成。附图并不一定是按比例绘制，结构中各种元件的相对尺寸可能与实际器件中的不同。本发明是基于这样的发现，即高性能传声器传感元件可以被构造成无专用背极板部件。传声器工作电容通过在其上形成有背孔的导电衬底和在衬底上方附在活动膜片上的多孔板实现。膜片可以被连接到位于衬底上的电介质间隔层上的刚性固定衬垫上的机械弹簧上。
参考图1，描绘了根据本发明的传声器传感元件的第一实施例。传声器传感元件10被构造在诸如硅的最好具有较低电阻率的衬底11上。可选地，衬底11可以是在其上形成有导电层的玻璃。传声器传感元件10是基于被制造成膜片、机械弹簧、多孔板、和衬垫的薄膜。在该示例性实施例中，具有可能掺杂有Au、Ni、Cu或者其他金属材料的硅、多晶硅制成的基本上正方形的、平坦的膜片13a。作为选择，该膜片可以是矩形或者圆形。膜片13a在它的四个角处由与膜片相同的材料制成并且具有与膜片相同厚度的机械弹簧13b支撑。机械弹簧13b有长度a，宽度b，并且是沿着穿过膜片中心e和一个角的平面形成。每个机械弹簧13b可以有终止于后文被称为衬垫13c的固定衬垫上的矩形、“U”或“L”形，衬垫13c是由与膜片13a相同的材料构成并且具有与膜片13a相同的厚度。为了说明的目的，衬垫13c被显示为基本上正方形的，其宽和长c通常大于机械弹簧的宽度b。然而，衬垫13c也可以具有矩形或者圆形边缘。在一个实施例中，每个机械弹簧13b被连接到衬垫13c的一边上。
衬垫13c穿过作为间隔的电介质层12被固定到衬底11上，从而使得膜片13a和多孔板13d悬于气隙和背孔(没有显示)上方，声音信号可以经过气隙和背孔在膜片中引起振动。一方面，电介质层12是由二氧化硅组成。本实施例包括一种SOI方法，其中薄膜由硅构成，电介质层12是二氧化硅。可选地，电介质层12可以由用于该领域的其它电介质材料制成，并且可以是其中有很多层的合成。
本发明的另一个重要特征是矩形的多孔板13d与膜片13a的每一边邻接。多孔板13d的长度尺寸等于或者小于它所连接的膜片一边的长度，多孔板13d的宽度小于它的长度尺寸，并且具有与膜片13a相同的构成和厚度。穿孔由可以排列成多行和列的孔19组成。孔必须能允许空气流通，这样来减小振荡期间狭窄的气隙(没有显示)中的空气阻尼。
在每个衬垫13c上具有由金属层如Cr/Au构成的接触点或者第一电极18a，用于到外部连线的连接点。此外，有一个或者多个与第一电极相同构成的第二电极18b位于衬底11的正面。第一电极和第二电极通过配线(没有显示)被连接以形成可变电容电路。为了说明的目的，第一和第二电极18a和18b被显示为正方形，尽管圆角或者矩形也是可以采用的。第一电极18a在长度和宽度上比衬垫13c的宽度c要小，以允许工艺中的一些覆盖误差。可选地，第一和第二电极可以是由Al、Ti、Ta、Ni、Cu、或者其他金属材料构成的单层或者复合层。
图2中的截面图进一步图解说明了第一实施例，该截面图是从沿着虚线23—23(图1)的截面得来的。可变电容电路24被显示于第一电极18a和第二电极18b之间。在衬底11中膜片13a下方排列有背孔26，背孔26具有倾斜的侧壁，在间隔(电介质层12)中具有气隙28，气隙28将多孔板13d和机械弹簧13b与衬底分开。可选地，背孔26可以具有垂直的侧壁。通过背孔26，撞击膜片13a底部的声音信号25在膜片13a、连接的多孔板13d和垂直于衬底的协调一致运动的机械弹簧13b中引起振动27。除了传声器传感元件10，理解到硅电容传声器是由偏压源(包括偏置电阻)和源跟踪前置放大器组成，但是为了简化视图并且将注意力指引到本发明的关键特征，这些元件未被显示。声音信号25引起的振动27将导致可变电容电路24中的电容值变化，并由源跟踪前置放大器转化为低阻抗电压输出。
根据本发明的无背极板硅传声器中的传感元件的第二实施例显示于图9-12中。图9中的视图是从沿着图10顶视图中所示的虚线47的截面得来的。注意为了横断图中所有的关键特征，虚线47并不是直线。参考图9，传声器传感元件30是基于衬底31上的，衬底31最好是正面和背面都磨光的并且具有(100)晶体取向和0.01-0.02ohm-cm电阻率的硅片。可选地，衬底是由其上有导电层的玻璃构成。为了减小寄生电容，被机械弹簧41c和衬垫41d覆盖的衬底31正面上的区域上具有由氧化层33填充的沟槽32，氧化层33也覆盖衬底。氧化层33和覆盖其上的第一多晶硅(poly 1)层34形成一个岛状的堆，它覆盖沟槽32和沟槽周围的部分衬底31，也被称为隔离沟槽。从顶视图(图10)看，氮化硅层36和下面的氧化层和poly 1/氧化物堆(没有显示)支撑着每个固定机械弹簧41c和膜片41b与连接的多孔板41e的衬垫41d。
回到图9，在衬底31的正面和沟槽32上方的poly 1/氧化物堆上设置有热氧化层35。热氧化层35上方是低压化学汽相淀积(LPCVD)氮化硅层36。氮化硅层36用于保护下面的热氧化层35和氧化层33。在衬底31的背面是由热氧化层35b上的LPCVD氮化硅层36b构成的类似的堆。可以由低温氧化物(LTO)、LPCVD原硅酸四乙酯(TEOS)、等离子增强(PE)CVD氧化物、或者磷硅玻璃(PSG)构成的氧化层37被设置在部分LPCVD氮化硅层36上。
最好由多晶硅制成的刚性半导体层的垂直部分形成在由热氧化层35、氮化硅层36、和氧化层37构成的电介质间隔堆中，并且在膜片41b外围外面的某个区域接触衬底31或者poly 1层34。在一个实施例中，该垂直部分是多晶硅填充的沟槽38a、38b、40。
为了减小衬垫41d和衬底31之间的寄生电容，衬垫41d可以不与膜片41b共面，并可以通过在衬底31的某个区域上插入电介质层来使之升高远离衬底(与膜片相比)，在本例中该电介质层是氧化层33。此外，poly 1层34被插于氧化层33和热氧化层35之间以用作当通过热氧化层35和氧化层37刻蚀沟槽38b时保护氧化层33的刻蚀阻挡。作为结果，被填充的沟槽38b连续地环绕着poly 1层34的边缘。注意衬垫41d下方的那部分氧化层37、氮化硅层36、热氧化层35和水平部分41a完全被包围在被填充的沟槽38a和被填充的沟槽38b之内，因而保护了被包围的氧化层35、37免于释放步骤中用于形成气隙48的蚀刻。此外，poly 1层34下方的氧化层33被氮化硅层36保护，氮化硅层36能够抵抗或者延迟释放步骤中的氧化物蚀刻。
从图10中的顶层透视图看，沟槽38a可以是正方形或者矩形形状，该形状形成第二电极45周围的连续的环并且包围第二电极下方的部分电介质间隔堆。同样地，沟槽38b(没有显示)具有包围第一电极44的正方形或者矩形形状。第一电极44可以被置于poly1/氧化物堆上面的部分氮化硅层36上的每个衬垫41d的水平部分上。一个或多个第二电极45形成于水平部分41a上。第一和第二电极可以是由导电材料如Cr、Au、Al、Ti、Ta、Ni或Cu构成的单层或者复合层。沟槽40形成一个连续的墙，在一个实施例中它具有包围膜片41a、衬垫41d、机械弹簧41b和多孔板41e的正方形环形。被填充的沟槽38a和上面的水平层是由第二多晶硅(poly 2)构成并且形成了刚性多晶硅层41a。被填充的沟槽38b是用于支撑另外被称为衬垫41d的刚性多晶硅层的水平部分。换句话说，刚性多晶硅层的水平部分41a被置于其垂直部分41a上。而且，每个衬垫41d是由垂直部分41d连接到下面的poly1层34。
在图11中所示的一个衬垫区域的放大图中，被填充的沟槽38b被衬垫41d覆盖并且由虚线显示。被填充的沟槽38b包围第一电极44下面的电介质间隔堆的一部分。理解到在每个衬垫41d下方有一个又被称为垂直部分41d的被填充的沟槽38b。
回到图9，水平部分41a与膜片41b和多孔板41e共面，并且具有与膜片、多孔板、机械弹簧41c、和衬垫41d相同的厚度。在衬底31中形成有背孔46，它被氮化硅层36b和氧化层35b构成的背面硬模堆包围。虽然背孔显示有作为硅异向蚀刻如KOH蚀刻结果的倾斜的侧壁，背孔也可以有作为硅深反应离子刻蚀(DRIE)的结果的垂直的侧壁。在其他情形下，正面开口的宽度比膜片边的长度小。
膜片41b、多孔板41e、和机械弹簧41c被悬于气隙48上方。气隙48是在多孔板41e和氮化硅层36之间。膜片41b、多孔板41e、和机械弹簧41c可能具有沿着它们的底面向衬底31往下凸起的增强部39。当膜片41b很薄时(大约1微米厚度)增强部39被适宜地引入，而当膜片厚度超过大约3微米时是不必要的。注意，开口43将poly2层的水平部分与多孔板41e和衬垫41d分开。在poly2层的水平部分41f中有一个圆形的沟槽49，它将第二电极45下方的水平部分41a隔离。
图10中的透视图显示了多孔板41e、衬垫41d、和机械弹簧41c如何在膜片41b周围以所谓的“角支撑”结构放置的实施例。机械弹簧41c可以在一端连接到膜片41b的一角并且沿着穿过膜片中心的平面向外延伸。机械弹簧41c也可以有增强部39(轮廓由膜片下面的虚线表示)并且可以有与第一实施例中所述的机械弹簧13b相似的长度和宽度。此外，增强部39也可以被应用于多孔板41e和机械弹簧41c的底面，因为薄的多晶硅层(大约1微米厚度)也是非常适应的。增强部39可以包括一个与膜片形状同中心的环并且形成于靠近其边缘的膜片的底面。背孔46的顶部开口由虚线表示，因为它位于膜片41b下方。连接有机械弹簧41c的衬垫41d可以具有与前面所述的衬垫13c相似的形状和尺寸。长度和宽度小于衬垫41d的长度和宽度的第一电极44可以被置于这四个衬垫的一个或者多个上。
一方面，膜片41b基本上具有正方形形状。多孔板41e邻接到膜片41b的每个边并且具有矩形形状，其长度尺寸等于或者小于膜片边的长度，并且宽度小于它的长度。穿孔(孔)42最好被排列成多行和列并且可以具有如第一实施例中提及的正方形、矩形、或者圆形形状。包围在多孔板41e的三个未连接的边和衬垫41d周围的是开口43，开口43使衬底31上的氮化硅层36暴露并且将多孔板和衬垫与水平部分41f分离。增强部39帮助加强膜片41b，并且在一个实施例中被安排成像从膜片中心辐射的轮辐(spoke)。尽管描绘了8个增强部，本领域中的技术人员将认识到其他各种样式的增强部设计也是同样可行的。
第二实施例相对第一实施例有一个优点在于包围背孔46的顶部开口的增强部39阻止了穿过气隙48的声波泄漏(如图9中所示)并且帮助避免静摩擦。此外，寄生电容至少以三种方式被控制。第一，在衬垫和机械弹簧下方的衬底中有填满电介质层的隔离沟槽32。第二，包围衬垫41d下方的电介质间隔堆的被填充的沟槽38b为氧化层35、37提供保护，因而允许一个比先前的实施例中更小的衬垫宽度。第三，衬垫和衬底之间的距离由于在氧化物填充的沟槽的上方插入了poly1/氧化物堆而被加大。
根据本发明的传声器传感元件的第三实施例显示于图15—18中。图15中的视图是从图18顶视图中沿着虚线70的截面得来的。注意为了横断图中所有的关键特征，虚线70并不是直线。参考图15，传声器传感元件50是基于衬底51上的，衬底51最好是低电阻率的正面和背面都磨光的硅片。在衬底51正面的一部分上设置有热氧化层52并且在热氧化层上方是LPCVD氮化硅层53。在衬底51的相邻部分上是第二电极63。第二电极是由Cr/Au复合层或者是由Al、Ti、Ta、Ni、Cu或者其他金属材料构成的单层或者复合层构成。
衬底51的背面有一堆层，其中热氧化层52b被置于衬底上且氮化硅层53b形成于热氧化层上。背孔68形成于衬底51中，当背孔是通过KOH蚀刻形成时，正面的开口比背面的开口小。作为选择，背孔68可以具有如先前在第二实施例中解释的垂直侧壁，。背孔68在背面穿过热氧化层52b和氮化硅层53b垂直延伸(垂直于衬底)并且也从衬底的正面穿过热氧化层52和氮化硅层53基本垂直延伸，从而形成上部边缘69，当从顶视图看边缘69时边缘69最好具有正方形形状(没有显示)。
一个重要特征是分别具有水平和垂直部分61a、61b的SRN基部形成于每个衬垫58c的上面、中间和下面。水平部分61a用作电连接基部而垂直部分61b为衬垫58c提供刚性支撑。水平部分61a位于衬垫58c上并且最好具有在垂直部分上方居中的正方形形状。垂直部分61b是由具有四面墙并且填充有SRN层的环形沟槽60构成，SRN层包围着由下层热氧化层52、中间的LPCVD氮化硅层53、和上层PSG层56构成的电介质间隔堆(没有显示)。在优选实施例中，每个SRN基部的沟槽60有以正方形形状横断的四个部分，虽然矩形或者圆形也是可以接受的。
参考图16，图15中SRN基部和周围元件的斜视图将第一电极62有意移去以显示衬垫58c上的SRN基部的水平部分61a的相对尺寸。注意到衬垫58c实际上是机械弹簧58b的延伸部分并且可以具有比机械弹簧更大的宽度。水平部分61a具有宽度r，而SRN基部的垂直部分的宽度s通常小于r。
参考图17，沟槽60的正面部分被移去以展现填充有SRN层61b的具有宽度为v的侧壁(沟槽60)和侧壁间的电介质间隔堆。沟槽60的背面部分位于电介质间隔堆和SRN基部61b的后面，所以在这张图中不可见。沟槽60具有接触衬底51的底部和形成于热氧化层52和氮化硅层53中的较低部分。衬垫58c形成有突出部分并且从SRN基部61b向外延伸并且以距离n与机械弹簧58b相对。
理解到具有水平部分61a和垂直部分61b的四个SRN基部全部是离开边缘69相同的距离形成在衬底51上并且支撑四个衬垫58c(图18)。水平部分61a在图18中不可视，因为它们完全被第一电极62覆盖。因此，连接到四个衬垫58c的那四个机械弹簧58b和连接到四个机械弹簧的膜片58a是悬在背孔(没有显示)上方的。
回到图15，在衬垫58c和氮化硅层53之间有一厚度为t3的气隙71a。在水平部分61a上方具有与第二电极63相似厚度和构成的第一电极62。当从顶部看时第一电极52最好具有正方形形状，并且覆盖水平部分和衬垫58c的一部分，但是并不延伸到衬垫的边缘。第一电极62可以是不共面的，其内部(上层)位于水平部分61a上而形成在衬垫58c上的外部是在下层上。第一电极62的中间部沿着水平部分61a的边连接前面提及的内部和外部。厚度为t3的气隙71b把有孔64的邻接到膜片58c的一边的多孔板58d与氮化硅层53分开。衬垫58c、机械弹簧58b、多孔板58d和膜片58a是共面的，它们具有相同的厚度，并且是由相同的材料最好是多晶硅构成，尽管也可以使用其他半导体材料。
膜片58a的底面上可以有向着背孔66和衬底51往下凸起的增强部67。在膜片是由厚度约为3微米以上的多晶硅层构成的实施例中，增强部可以是不必要的。虽然描绘了三个增强部，可以以各种设计包括如先前在第二实施例中为增强部描述的具有外部环的轮辐样式使用很多增强部67。增强部67是膜片58a的组成部分，并且具有与膜片相同的构成。
从图18中的顶视图看，示例性实施例描绘了机械弹簧58b相对于多孔板58d和膜片58a的方向。机械弹簧58b沿着穿过膜片的角和中心点72的平面从膜片的每个角向外延伸。每个机械弹簧58b可以具有长度是沿穿过膜片的角和中心的平面的矩形形状。可选地，机械弹簧可以具有“U”或者“L”形状，并且根据本领域中的技术人员容易想到的“边缘结构”可以被连接到膜片的每个边的中心。机械弹簧58b连接到与第一电极62最近的衬垫58c。第二电极63的位置和数目可以变化但是至少有一个第二电极要位于接近第一电极62的衬底51上。穿孔(孔)64最好被排列成行和列并且可以具有正方形、矩形、或者圆形形状。注意到多孔板具有等于或者小于膜片边长度的长度，并且具有小于其长度尺寸的宽度。
第三实施例的优点是SRN基部用作衬垫的固定物覆盖在第一电极上面，由此不需要第二实施例中采用的poly1/氧化物堆。此外，不需要被填充的沟槽来减小衬底寄生电容。然而，缺点是SRN基部的形成是通过额外的材料淀积和蚀刻工艺实现的。
所有三个实施例都期望这样一种结构，其中机械弹簧被连接到膜片的每个边的中心并且多孔板绕着角被连接到膜片相邻的边。在图12中所示的第二实施例的修改的示例性实施例中，机械弹簧41c连接到膜片41b的每个边的中心而多孔板41e绕着角连接到相邻的膜片的边上。除了连接到膜片的机械弹簧和多孔板元件沿着膜片的边缘(边)移动了等于膜片边长度的一半的距离，这里所说的“边缘支撑”结构与前面所述的“角支撑”结构完全相同。显然，连接到机械弹簧末端的衬垫与多孔板和机械弹簧底面上的任何增强部也要相应地移动。
根据本发明的传声器传感元件的第四实施例描绘于图13—14中，它是基于第一实施例修改的“中心支撑”结构。然而，本领域中的技术人员能够认识到第二和第三实施例也能够被修改成包含一个“中心支撑”结构。理解到第四实施例涉及传声器传感元件10，其中的各种元件的构成已在前面被描述。
参考图13，多孔板13d以前文描述的角支撑方法邻接到膜片13a的四个边上。然而，在本实施例中，机械弹簧13b位于膜片中。第一对机械弹簧13b沿着平面X-X’形成，平面X-X’把膜片13a的边切成两分并且穿过膜片的中心。第一对机械弹簧13b可以是矩形形状，其长度方向沿着平面X-X’，在一端由电介质间隔层12支撑，并在另一端连接到膜片的边缘。第二对机械弹簧13b沿着平面Y-Y’形成，平面Y-Y’垂直于平面X-X’穿过膜片中心并将膜片的另两边切成两分。第二对机械弹簧具有与第一对机械弹簧相同的形状，但是其长度方向沿着平面Y-Y’，并且一端形成在电介质间隔层上，另一端连接到膜片13a的边缘。注意到这四个机械弹簧13b彼此共面并且与膜片共面，并且在电介质间隔层12上方一个区域交迭。沿着机械弹簧的每个边形成有一个矩形狭槽，以把机械弹簧的边缘与膜片分开。每个膜片象限中彼此正交放置的两个矩形狭槽29通过邻近机械弹簧13b的交迭区域的小的环状狭槽(collar slot)连接。
电介质间隔层12具有厚度t5并且可以是由一种或者多种氧化层、氮化硅层、或者其他电介质层构成的单层或者复合层。此外，电介质间隔层12可以具有圆形或者正方形形状，宽度为w2。
第四实施例的另一个重要特征是背孔26是由四个部分组成。在由平面X-X’和Y-Y’确定的衬底的每个象限中形成有背孔的一个部分。从顶视图看，一个背孔部分位于膜片13a的右下象限下方，而背孔26的其他三部分分别位于膜片的右上、左上、和左下象限的下方。第一电极18a位于电介质间隔层12上方的四个机械弹簧的交迭区域上，而第二电极18b形成于膜片13a和多孔板13d的外围外面的衬底11上。
参考图14，显示了一个沿着图13中的平面23—23得到的截面。为了横断传声器传感元件10中所有的关键特征，平面23—23并不是直线。电介质间隔层12如第一实施例中那样形成于一部分衬底11上。当声音信号25穿过背孔26撞击膜片13a时，会引起振动27，膜片、机械弹簧13b和多孔板13d协调地向上向下移动。注意，在这方法中膜片中心下方只需要一个刚性固定衬垫。尽管背孔26显示有垂直侧壁，但也可以代替使用倾斜的侧壁。矩形狭槽29必须是以一定距离远离背孔26，并且必须有一个最小宽度以防止从膜片13a的声音泄漏。换句话说，矩形狭槽不应该形成在背孔上方。
本实施例具有第一实施例的优点但也提供了其他优点，即需要较少的衬垫而且存在较小的寄生电容。此外，中心支撑允许任何内部压力的对称释放，而且用于第二和第三实施例的制造工艺也可以被用于第四实施例。
所有四个传声器传感元件的实施例比起先前技术都有相似的优点，即作为结果的硅传声器无专用背极板因而可以比至今实现的更低的成本生产。此外，根据本发明的传声器传感元件可以展现与先前技术的具有专用背极板的传声器传感元件所得到的结果相似的很好的性能。
本发明也提供了一种形成前文所述的硅传声器传感元件的方法。在图3-8中所示的工艺流程中，提供了一种形成图1中代表的第一实施例的方法，它只需要四层光掩模。图3—8中的截面图是沿着相对于衬底11与图1中虚线23-23相同的位置非线性切割得到的。
参考图3，制造传声器传感元件10的示例性工艺流程涉及在正面和背面都被磨光的诸如掺杂硅的衬底11上通过常规氧化或者淀积的方法形成电介质间隔层12。电介质间隔层可以是由二氧化硅构成。然后在电介质间隔层12上形成可以掺杂有硅或者多晶硅的薄膜13。本领域的技术人员能够认识到薄膜13和电介质间隔层12也可以通过众所周知的晶片键合工艺直接形成。在SOI方法中，电介质间隔层12是二氧化硅，薄膜13是掺杂硅，衬底11和硅层13的电阻率<0.02ohm-cm。
然后，由一层或者多层构成的将在后面被用于制造背孔的硬掩模形成于衬底的背面。在一个实施例中，背面硬掩模是由通过众所周知的LPCVD方法在衬底上生长的热氧化层15和通过LPCVD方法在热氧化层上淀积的氮化硅层16构成。注意到热氧化/氮化硅硬掩模在薄膜13上是同时生长的，但是随后被众所周知的湿法化学或者干蚀刻方法去除。
使用第一层光掩模(photo mask)以在薄膜13中生成一个或多个穿过电介质间隔层12延伸到接触衬底的通孔17。例如，在SOI方法中，可以使用反应离子蚀刻或者等离子蚀刻以使光刻胶层中的开口穿过硅薄膜13，其后跟随的是用于去除暴露的电介质间隔层(氧化物)12并且将通孔17延伸到衬底的湿法缓冲氧化物刻蚀(BOE)。
参考图4，利用常规方法在薄膜13上和通孔17中形成导电层18。导电层18可以是由Cr、Au、AI、Ti、Ta、Ni、Cu，或者其他金属材料构成的单层或者复合层。使用第二层光掩模来选择性蚀刻导电层18从而确定薄膜13上的第一电极18a和通孔17中的第二电极18b。在每个衬垫上可以形成有4个衬垫13c(图1)和第一电极18a。此外，在衬底11上可以形成多个第二电极18b。
参考图5，薄膜13通过第三层光掩模被选择性蚀刻以在将要变成多孔板13d的那部分薄膜中形成孔19。虽然只显示了一个多孔板13d，典型地在每个膜片上形成有四个多孔板。额外的开口20由同样的薄膜蚀刻步骤生成，并被用于把传声器传感元件和相邻的硅层分开并且确定如前文所述的衬垫13c、机械弹簧13b、多孔板13d和膜片13a。
参考图6，使用第四层光掩模在衬底11的背面形成开口21以通过一种本领域技术人员已知的蚀刻工艺选择性去除部分氮化硅层16和热氧化层15。开口21排列在膜片13a下方。从仰视图(没有显示)看，开口21是正方形，它将在随后的步骤中确定衬底中的背孔。
参考图7，通过使用包括KOH溶液的标准工艺刻蚀衬底11形成背孔22。由于硅衬底11中的硅晶结构，产生了倾斜的侧壁，背孔22在背面上的宽度比在正面上的宽度大。一个重要的特征是，背孔在正面上的宽度必须小于膜片13a的宽度。在一个可供选择的实施例中(没有显示)，可以使用等离子蚀刻或者深RIE(DRIE)工艺以形成具有垂直侧壁的背孔22。
参考图8，由氮化硅层16和热氧化层15构成的背面硬掩模通过一种已知方法被去除。在随后的常规工艺中，衬底被切割以使传声器传感元件彼此之间物理隔离。还有一个最后的释放步骤是去除电介质间隔层12。在SOI实施例中，通过一种例如使用缓冲的HF溶液的定时蚀刻去除氧化层12。氧化层12通过适当控制被去除而使得衬垫13c下面的区域能够被保留并且用于把衬垫固定到衬底上。膜片13a通过机械弹簧13b被连接到衬垫13c上。膜片13a、机械弹簧13b、衬垫13c、和多孔板13d是共面的，并且所有的都是由相同厚度的薄膜构成。尽管显示了矩形的机械弹簧13b(图1)，本领域的技术人员容易能够认识到其他结构如“U”形或者“L”形也是可以接受的。
理解到除了传声器传感元件10，硅传声器也包括偏压源、源跟踪前置放大器、和连接第一、第二电极以完成可变电容电路的金属连线。然而，这些特征并未被显示以简化图画并且将注意力指引到本发明的关键部分上。与包括专用背极板结构的先前的技术方法相比，作为结果的硅传声器具有更简单的制造流程。此外，本发明的方法由于需要较少的光掩模，因此生产实践更加便宜。
虽然参考优选实施例对本发明做了具体展示和描述，但是本领域的技术人员将能够理解到可以不背离本发明的精神和范围做出各种形式和细节上的变化。

Claims (20)

1.一种无专用背极板部件的传声器传感元件，其特征在于，所述传声器传感元件包括：
(a)具有正面和背面并且其中形成有背孔的衬底；
(b)形成于衬底正面上具有第一厚度的电介质间隔层；
(c)排列在所述背孔上方具有第二厚度的膜片；
(d)与所述膜片邻接具有第二厚度的多个多孔板，所述多孔板和膜片悬于在所述衬底上具有第一厚度的气隙上；
(e)形成于所述电介质间隔层上具有第二厚度的多个刚性衬垫；
(f)连接到所述膜片的多个机械弹簧，其中每个机械弹簧具有第二厚度并具有两端，其中一端连接到所述膜片，另一端连接到所述刚性衬垫中的一个；和
(g)形成于一个或多个所述刚性衬垫上的第一电极，和形成于衬底上的一个或者多个第二电极，其中当所述膜片、所述多孔板和所述机械弹簧响应声音信号垂直于所述衬底上下振动时，第一电极和第二电极形成可变电容电路。
2.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，膜片具有圆形、正方形、矩形或者多边形形状。
3.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，第一电极和第二电极是由Au/Cr复合层，或者由Al、Ti、Ta、Ni、Cu、或者其他金属材料构成的单层或者复合层构成。
4.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，膜片、多个机械弹簧、多个刚性衬垫、和多个多孔板是由硅、多晶硅、Au、Cu、Ni、或者其他金属材料构成的相同的薄膜制成。
5.如权利要求4所述的传声器传感元件，其特征在于，所述多个刚性衬垫、多个机械弹簧、和多个多孔板被分离上述三个元件和所述薄膜的长条开口包围。
6.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，所述背孔在所述衬底的正面具有正方形、多边形或圆形开口，该开口在平行于所述正面的平面上具有比所述膜片的几何区域小的第一几何区域以避免声音泄漏，并且其中该背孔在所述衬底的背面具有开口，该开口具有可以具有不同于所述第一几何区域的尺寸的第二几何区域。
7.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，所述多个机械弹簧中的每一个具有矩形、“U”形、“L”形、或组合两个或多个所述矩形、“U”形和“L”形的形状。
8.如权利要求7所述的传声器传感元件，其特征在于，所述多个机械弹簧中的一个或多个机械弹簧具有第一形状，并且所述多个机械弹簧中的一个或多个机械弹簧具有第二形状。
9.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，电介质间隔层是由热氧化层、低温氧化层、TEOS层、或者PSG层构成。
10.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，衬底是由具有低电阻率的掺杂硅、在其上形成有导电层的硅、或者在其上形成有导电层的玻璃构成。
11.如权利要求1所述的传声器传感元件，其特征在于，所述多个机械弹簧中的每一个还可以是多孔板。
12.一种无专用背极板部件的传声器传感元件，其特征在于，该传声器传感元件包括：
(a)具有正面和背面并且其中形成有背孔的衬底；
(b)形成于衬底正面上具有第一厚度的电介质间隔层；
(c)排列在所述背孔上方具有第二厚度的膜片；
(d)形成于所述电介质间隔层上具有第二厚度的多个刚性衬垫；
(e)具有第二厚度并具有两端的多个多孔机械弹簧，其中每个多孔机械弹簧的一端连接到所述膜片，另一端连接到所述刚性衬垫中的一个，所述多孔机械弹簧和膜片悬于在衬底上具有第一厚度的气隙上；和
(f)形成于一个或多个所述刚性衬垫上的第一电极，和形成于衬底上的一个或者多个第二电极，其中当所述膜片和所述多孔机械弹簧响应声音信号垂直于所述衬底上下振动时，第一电极和第二电极形成可变电容电路。
13.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，膜片具有圆形、正方形、矩形或者多边形形状。
14.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，第一电极和第二电极是由Au/Cr复合层，或者是由Al、Ti、Ta、Ni、Cu、或者其他金属材料构成的单层或者复合层构成。
15.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，膜片、多个多孔机械弹簧、和多个刚性衬垫是由硅、多晶硅、Au、Cu、Ni、或者其他金属材料构成的相同的薄膜制成。
16.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，所述背孔在所述衬底的正面具有正方形、多边形或圆形开口，该开口在平行于所述正面的平面上具有比所述膜片的几何区域小的第一几何区域以避免声音泄漏，并且其中该背孔在所述衬底的背面具有开口，该开口具有可以具有不同于所述第一几何区域的尺寸的第二几何区域。
17.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，所述多个多孔机械弹簧中的每一个具有矩形、“U”形、“L”形、或组合两个或多个所述矩形、“U”形和“L”形的形状。
18.如权利要求17所述的传声器传感元件，其特征在于，所述多个多孔机械弹簧中的一个或多个多孔机械弹簧具有第一形状，并且所述多个多孔机械弹簧中的一个或多个多孔机械弹簧具有第二形状。
19.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，电介质间隔层是由热氧化层、低温氧化层、TEOS层、或者PSG层构成。
20.如权利要求12所述的传声器传感元件，其特征在于，衬底是由具有低电阻率的掺杂硅、在其上形成有导电层的硅、或者在其上形成有导电层的玻璃构成。
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