CN101472212A - 一种Post-CMOS电容式硅基微传声器及其制备方法 - Google Patents

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本发明提供了一种Post－CMOS电容式硅基微传声器及其制备方法，属于微电子半导体器件技术领域。该硅基微传声器包括一硅衬底、带有引出电极的振动膜和穿孔背极板，在硅衬底上制备一绝缘层，从硅衬底的底面刻蚀出一个缺口，该缺口的深度至绝缘层，所述穿孔背极板直接设置在所述绝缘层上，带有引出电极的振动膜直接搭在所述缺口之上，上述穿孔背极板与振动膜之间设有一空气隙。本发明振动膜和背极板均直接做在衬底绝缘层上，通过平面光刻图形定义，在牺牲层释放时，形成振动膜和背极板的横向机械、电学隔离。制作工序简化，可消除过刻蚀和光刻误差形成的寄生电容，改善了器件的性能。

Description

一种Post-CMOS电容式硅基微传声器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子半导体器件技术领域，具体涉及一种Post-CMOS电容式硅基微传声器及其制备方法。
背景技术
传统传声器具有如体积大、价格高(高性能传声器)、不便携带等一系列难以克服的缺点，目前正在被基于MEMS技术的微传声器所取代。电容式微传声器具有很高的性噪比和灵敏度、平坦的频率响应、很低的温度系数和长时间的稳定性，成为微传声器发展的主流。参考图1，电容式微传声器的基本结构是一个由振动膜3和背极板4组成的平行板电容器，传统结构是在振动膜3和背极板4之间加绝缘层2和牺牲层，以形成电学隔离和空气间隙。由于电容的两极需要分别有电极引出，其中之一的引线需要做成埋层的形式，再以通孔连接至表面，导致器件结构和工艺步骤比较复杂，并且不能和CMOS工艺完全兼容。
发明内容
本发明的目的是提供一种Post-CMOS电容式硅基微传声器及其制作方法，该微传感器可消除过刻蚀和光刻误差形成的寄生电容，改善了器件的性能，且制作方法简单。
本发明的技术内容：
一种Post-CMOS电容式硅基微传声器，包括一硅衬底、带有引出电极的振动膜和穿孔背极板，在硅衬底上制备一绝缘层，从硅衬底的底面腐蚀出一个缺口，该缺口的深度至绝缘层，所述穿孔背极板直接设置在所述绝缘层上，在所述缺口的上方，直接搭接一带有引出电极的振动膜，上述穿孔背极板与振动膜之间设有一空气隙。
所述振动膜的引出电极设置在振动膜的一侧，在所述穿孔背极板上与引出电极相对应处设置一缺口，所述引出电极从该缺口处引出。
所述振动膜的厚度在0.5-5μm之间。
所述空气隙的厚度在0.5-5μm之间。
所述背极板的厚度在5-50μm之间。
一种Post-CMOS电容式硅基微传声器的制备方法，其步骤包括：
1)选用硅片做衬底，刻蚀硅衬底形成一背腔；
2)在硅衬底上制备绝缘层；
3)在所述绝缘层上淀积形成振动膜；
4)在所述振动膜上淀积形成牺牲层；
5)正面淀积金属作为电镀的籽晶层；
6)正面电镀形成背极板；
7)籽晶层腐蚀液去除所述籽晶层；
8)硅衬底背面刻蚀硅到绝缘层；
9)用绝缘层腐蚀液刻蚀硅衬底背面裸露的绝缘层；
10)腐蚀牺牲层，去离子水清洗，风干，完成牺牲层释放，形成如权利要求1所述的微传声器。
所述步骤1)具体包括如下步骤：
a)硅衬底双面氧化，热生长二氧化硅；
b)双面低压化学气相淀积LPCVD氮化硅作为抗KOH腐蚀层；
c)背面光刻背腔图形，反应离子刻蚀RIE选择性去除表面的氮化硅和二氧化硅，此时硅片正面及背面其他部分仍由氮化硅保护；
d)KOH腐蚀或ICP刻蚀体硅，形成背腔；
e)HF腐蚀正面及背面所有剩余的氮化硅和二氧化硅。
所述步骤3)中，制备多晶硅振动膜，在多晶硅中注入P离子，形成低应力多晶硅振动膜。
所述步骤3)中，也可通过溅射或蒸发形成钛等低应力金属振动膜。
所述步骤4)中所述溅射金属为铝。
所述步骤6)所述背极板的制备为，电镀铜形成背极板。
所述步骤7)腐蚀牺牲层金属的方法为，采用腐蚀液H3PO4:H2O＝16:1，80℃水浴。
本发明的技术效果：
本发明在于振膜和背极板均直接做在衬底绝缘层上，通过平面光刻图形定义，在牺牲层的释放的同时形成振膜和背极板的横向机械和电学隔离。与传统的振膜——绝缘层——背极板结构相比，制作工序大为简化，同时消除了过刻蚀和光刻误差形成的寄生电容，改善了器件的性能。此外，微传声器使用金属做为结构材料和牺牲层材料，极大的提高了设计的自由度；制作工艺简单，并与CMOS工艺完全兼容，成本低、工艺性好，成品率高。
微传声器在消费类电子设备领域(比如手机、PDA、MP3、笔记本电脑)等信息领域具有巨大的市场需求，在医学领域的助听、安全领域的窃听和目标识别、超声及高精度声学测量中有独特的优势，而且能方便的实现巨大的传声器阵列，具有广阔的应用前景。本发明提出的微传声器既可以实现批量生产，又能与IC集成形成微系统，将推动传声器的智能化、小型化、低成本和高性能，在军用和民用领域都具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为电容式微传声器结构示意图；
图2为本发明微传声器结构示意图；
1—衬底；2—绝缘层；3—带有引出电极的振动膜；4—背极板；1a—梯形缺口；3a—引出电极；4a—声学孔；4b—背极板的缺口。
图3为本发明微传声器的工艺流程图。
具体实施方式
如图2所示，本发明Post-CMOS电容式硅基微传声器，包括一硅衬底1、带有引出电极的振动膜3和穿孔背极板4，在硅衬底1上设有一绝缘层2，从硅衬底1的底面刻蚀出一个梯形缺口，该梯形缺口的深度至绝缘层2，穿孔背极板4直接设置在所述绝缘层2上，在梯形缺口的上方，穿孔背极板4与绝缘层2之间设有一空气隙，振动膜3设置在该空气隙中，直接搭在梯形缺口之上，振动膜3上的引出电极3a从穿孔背极板4上的缺口4b引出，在背极板4上设有声学孔4a。所述绝缘层为二氧化硅，或者氮化硅，或者绝缘的聚合物。所述振动膜为低应力多晶硅，或者是通过溅射或蒸发形成的Ti等低应力金属。
参考图3，本发明微传声器的工艺流程为：
1、晶向为(100)的双抛硅片，厚度约400μm，如图3(a)所示；
2、双面氧化，热生长SiO2，如图3(b)所示；
3、双面LPCVD(低压化学气相淀积)Si3N4作为抗KOH腐蚀层，如图3(c)所示；
4、背面光刻背窗图形，RIE(反应离子刻蚀)选择性去除表面的Si3N4和SiO2，此时硅片正面及背面其他部分仍由Si3N4保护，如图3(d)所示；
5、KOH腐蚀背窗体硅保留约20μm，如图3(e)所示；
6、HF腐蚀正面及背面所有剩余的Si3N4和SiO2，如图3(f)所示；
7、LPCVD SiO2约1.2μm，如图3(g)所示；
8、LPCVD Poly-Si约1μm，注入P离子，形成低应力薄膜，正面光刻振膜图形，RIE选择性刻蚀Poly-Si，如图3(h)所示；
9、正面溅射Al约2μm作为牺牲层，光刻牺牲层图形，铝腐蚀液去除多余的铝形成牺牲层，如图3(i)所示；
10、正面溅射Cu作为电镀的籽晶层，如图3(j)所示；
11、利用AZ4620厚胶工艺，正面光刻背极板图形，脉冲或者直流电镀铜、镍或金形成背极板，如图3(k)所示；
12、铜腐蚀液(HF：HAc：DI water＝1：1：20)去除Cu种子层，如图3(1)所示；
13、背面ICP(感应耦合等离子体)刻蚀单晶硅到SiO2层，如图3(m)所示；
14、用BHF(氢氟酸缓冲液)腐蚀背面的SiO2，如图3(n)所示；
15、Al腐蚀液(16H3PO4：1H2O)，80℃水浴腐蚀Al，去离子水清洗，风干，完成牺牲层释放，如图3(o)所示。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的Post-CMOS电容式硅基微传声器及其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (11)

1、一种Post-CMOS电容式硅基微传声器，包括一硅衬底、带有引出电极的振动膜和穿孔背极板，在硅衬底上制备一绝缘层，从硅衬底的底面腐蚀出一个缺口，该缺口的深度至绝缘层，其特征在于：所述穿孔背极板直接设置在所述绝缘层上，在所述缺口的上方，直接搭接一带有引出电极的振动膜，上述穿孔背极板与振动膜之间设有一空气隙。
2、如权利要求书1所述的Post-CMOS电容式硅基微传声器，其特征在于：所述振动膜的引出电极设置在振动膜的一侧，在所述穿孔背极板上与引出电极相对应处设置一缺口，所述引出电极从该缺口处引出。
3、如权利要求书1或2所述的Post-CMOS电容式硅基微传声器，其特征在于：所述振动膜的厚度在0.5-5μm之间。
4、如权利要求书3所述的Post-CMOS电容式硅基微传声器，其特征在于：所述空气隙的厚度在0.5-5μm之间。
5、如权利要求书1或2所述的Post-CMOS电容式硅基微传声器，其特征在于：所述背极板的厚度在5-50μm之间。
6、一种Post-CMOS电容式硅基微传声器的制备方法，其步骤包括：
1)选用硅片做衬底，刻蚀硅衬底形成一背腔；
2)在硅衬底上制备绝缘层；
3)在所述绝缘层上淀积形成振动膜；
4)在所述振动膜上淀积形成牺牲层；
5)正面淀积金属作为电镀的籽晶层；
6)正面电镀形成背极板；
7)籽晶层腐蚀液去除所述籽晶层；
8)硅衬底背面刻蚀硅到绝缘层；
9)用绝缘层腐蚀液刻蚀硅衬底背面裸露的绝缘层；
10)腐蚀牺牲层，去离子水清洗，风干，完成牺牲层释放，形成如权利要求1所述的微传声器。
7、如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括如下步骤：
a)硅衬底双面氧化，热生长二氧化硅；
b)双面低压化学气相淀积LPCVD氮化硅作为抗KOH腐蚀层；
c)背面光刻背腔图形，反应离子刻蚀RIE选择性去除表面的氮化硅和二氧化硅，此时硅片正面及背面其他部分仍由氮化硅保护；
d)KOH腐蚀或ICP刻蚀体硅，形成背腔；
e)HF腐蚀正面及背面所有剩余的氮化硅和二氧化硅。
8、如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，制备多晶硅振动膜，在多晶硅中注入P离子，形成低应力多晶硅振动膜。
9、如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过溅射或蒸发形成钛等低应力金属振动膜。
10、如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中所述溅射金属为铝。
11、如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)所述背极板的制备为，电镀铜、镍或金形成背极板。
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