CN101472212B - 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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Abstract
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
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(l)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 (5)
1.一种Post-CMOS电容式硅基微传声器的制备方法,所述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;在所述硅衬底上设有一绝缘层,在所述硅衬底的底面设有一缺口,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;所述穿孔背极板与所述振动膜之间设有一空气隙;其特征在于,所述制备方法的步骤包括:
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)在所述绝缘层上通过溅射或蒸发形成低应力金属振动膜;
4)在所述振动膜上溅射金属牺牲层;
5)正面淀积金属作为电镀的籽晶层;
6)正面电镀形成金属背极板;
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,形成电容式硅基微传声器。
2.如权利要求书1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。
3.如权利要求书1所述的制备方法,其特征在于:步骤3)所述金属为钛。
4.如权利要求书1所述的制备方法,其特征在于:步骤4)所述金属为铝。
5.如权利要求书1所述的制备方法,其特征在于:步骤6)所述金属为铜、镍或金。
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