CN102452635A - 微机电系统结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微机电系统结构，其包含衬底、结构状的电介质层以及振动膜的MEMS结构。结构状的电介质层安置于衬底的上方。振动膜由结构状的电介质层固持于周边端部处。振动膜包含位于周边区域处且围绕振动膜的中心区域的多个沟槽/脊环。皱状结构位于振动膜的中心区域处，由沟槽/凹痕环所围绕。本发明能够有效吸收残余应力，且该振动膜能提高对于空气压力的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(micro-electromechanical systems，MEMS)结构。更明确地说，本发明涉及具有感测振动膜(sensing diaphragm)的MEMS结构。
背景技术
MEMS结构(例如MEMS麦克风)的灵敏度(sensitivity)极大地取决于MEMS结构中振动膜的残余应力(residual stress)。振动膜的残余应力随包含不同材料之间的不同热膨胀(thermal expansion)、成长期间单个材料中不均衡的微结构(micro-structure)以及其它例如封装(package)、操作环境等等在内的制造工艺而变化。
设计可减少残余应力的效应的振动膜成为了一项重要任务。常规地，将若干沟槽环(trench ring)形成于振动膜的周边区域处以吸收残余应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有能够有效吸收残余应力于是提高对于空气压力(air pressure)的灵敏度的振动膜的MEMS结构。
本发明提供一种包含衬底(substrate)、结构状的电介质层(structuraldielectric layer)以及振动膜的MEMS结构。结构状的电介质层安置于衬底的上方。振动膜由结构状的电介质层固持于周边端部处。振动膜包含位于周边区域处且围绕振动膜的中心区域的多个沟槽/脊(trench/ridge)环。皱状结构(corrugated structure)位于振动膜的中心区域处，由凹痕环(indent ring)所围绕。
本发明提供包含衬底、结构状的电介质层以及振动膜的MEMS结构。结构状的电介质层安置于衬底的上方。振动膜由结构状的电介质层固持于周边端部处。振动膜包含位于周边区域处且围绕振动膜的中心区域的多个沟槽/脊环。沟槽/脊环中的每一者是不连续的，且由多个沟槽/脊片段(segment)形成。
根据作为实例的一实施例，沟槽/脊环是不连续的。不连续的沟槽/脊环中的每一者由多个沟槽/脊片段形成。
应了解前述的一般描述和以下的详细描述二者都为示范性的，且希望提供对所申请的本发明的进一步阐释。
附图说明
所附附图包含在内以提供对本发明的进一步了解，且并入此说明书中并构成此说明书的一部分。所述附图说明本发明的实施例，且连同描述一起用以阐释本发明的原理。
图1为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构的横截面图；
图2a到图2b为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构的横截面图；
图3为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构中的振动膜的结构的俯视图和横截面视图；
图4为示意性地说明对应于图3的MEMS结构的振动膜的横截面视图；
图5为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构中的振动膜的结构的俯视图和横截面视图；
图6a到图6c为示意性地说明根据本发明的实施例的振动膜的结构图；
图7a到图7c为示意性地说明根据本发明的实施例的振动膜的结构图；
图8a到图8c为示意性地说明根据本发明的实施例的振动膜的结构图；
图9为示意性地说明根据本发明的实施例的具有凹痕/脊环的振动膜的结构图；
图10为示意性地说明根据本发明的实施例的具有凹痕/脊环的振动膜的结构图；
图11a到图11d为示意性地说明根据本发明的实施例的具有凹痕/脊环的振动膜的结构图。
具体实施方式
本发明中提议一种新颖的MEMS结构。举例来说，MEMS结构可为应用中的MEMS麦克风。为了提高MEMS结构中振动膜的灵敏度以吸收残余应力，将振动膜设计为具有外部凹痕环和内部皱状结构。图案(pattern)由振动膜中的多个沟槽或凹痕(indentation)构成。振动膜边缘中的连续的或者不连续的环状的沟槽是用来吸收振动膜的净水平应力(net horizontalstress)；而不均衡地分布于振动膜上的多个凹痕或小沟槽是用来吸收振动膜的局部应力(localized stress)。
提供了若干实施例来描述本发明。然而，本发明并不仅限于所述实施例。而且，还可对所述实施例进行适当的组合。
图1为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构的横截面。在图1中，衬底100(例如硅衬底(silicon substrate))具有前侧和后侧。将结构状的电介质层102安置于衬底100上的前侧处。衬底具有在衬底100的后侧处的凹穴(cavity)104，从而暴露出结构状的电介质层102。结构状的电介质层102包含嵌入于内部的若干结构。举例来说，振动膜122由结构状的电介质层102固持于周边端部处。振动膜122位于对应于凹穴104的衬底100的上方，且在衬底100与振动膜122之间形成室(chamber)140。室通过通孔(through hole)130而连接到凹穴104。在此实例中，具有多个通孔130的结构层(structure layer)112也形成于衬底100上的结构状的层102中，使得室与凹穴104连接。振动膜122可为皱状结构，且为下部导电层(lowerconductive layer)120、上部导电层(upper conductive layer)116以及位于下部导电层120与上部导电层116之间的电介质层所组成的堆叠结构(stackstructure)。另外，结构层112也可为上部导电层106、下部导电层110和导电壁(conductive wall)108以及位于导电壁108与上部导电层106和下部导电层110二者之间的电介质119所组成的堆叠结构。通孔130由导电壁108进行界定。且还可在结构状的电介质层102中形成具有接合垫(bonding pad)126的互连结构(interconnection structure)。为了通过例如湿式蚀刻(wetetching)的非等向性蚀刻(anisotropic etching)工艺来暴露出振动膜122，在制造工艺期间，还在结构状的电介质层102上形成蚀刻掩蔽层(etchingmask layer)124。这里，可通过包含光刻(photolithographic)和蚀刻工艺、抛光(polishing)以及沉积(deposition)等等在内的半导体制造工艺来制造图1中的结构。结构状的电介质层102是在若干步骤中由多个电介质层组成的一般结构。
振动膜122经设计为具有凹痕结构。等效地，当振动膜122颠倒时，凹痕就成为脊。因此，出于这一考虑而使用了术语凹痕/脊。然而，在所提供的实施例中仅展示了凹痕结构。随后将描述振动膜122的更多详细内容。
鉴于图1的结构，也可与凹穴104相一致，将通孔130直接形成于衬底100中。图2a到图2b为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构的横截面。与图1中相比，在图2a中将通孔130直接形成于凹穴104内的衬底100’中。在此实施例中，省略了图1中的结构层112。然而，通孔130还可形成于结构层112和衬底100’二者中。换句话说，通孔130是用来连接室140和凹穴104中的空间。可采用用于获得连接室140和凹穴104中的空间的功能的任何结构。同样在图2b中，对于另一MEMS结构来说，衬底100”并不具有凹穴104且通孔130仍然形成于衬底100”中。换句话说，可以所需的各种方式来形成通孔130。
现在较详细地描述MEMS结构中的振动膜的结构。图3为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构中的振动膜的结构的俯视图和横截面视图。在图3中，将振动膜200基本上分为两个区域：中心区域220和外部环区域210。护环(guard ring)区域210的横截面视图展示于下部图处。俯视图展示于上部图处。护环区域210包含凹痕环212，凹痕环212从振动膜参考区域214凹进。凹痕环212还可称为沟槽环。然而，如前文所提及，如果振动膜200颠倒，凹痕环212就成为脊环212。以下实施例采用凹痕方式来描述。然而，所述部分可为凹痕或脊，称为凹痕/脊。
在此实施例中，类似沟槽环的若干凹痕环围绕中心区域220。振动膜200的中心区域具有呈某一几何形状(例如六边形)的多个凹痕单元，从而形成蜂窝状(honey-comb-like)结构。换句话说，中心区域202处的振动膜并不仅是平坦的平面。由于所述凹痕结构，制造期间振动膜的残余应力可由凹痕结构所吸收。在一实例中，如由箭头230所指示的应力可由位于护环区域210处的凹痕结构和位于中心区域220处的凹痕单元所吸收。
图4为示意性地说明对应于图3的MEMS结构的振动膜的横截面视图附图。为获得简明的附图来表示用于护环区域210的基本结构。结构状的电介质层230将振动膜200固持于周边端部处。在横截面视图中护环区域210位于中心区域210的两侧处。在此实例中中心区域210是平坦的，并未展示图1和图2a到图2b中所见的凹痕单元。
图5为示意性地说明根据本发明的实施例的MEMS结构中的振动膜的结构的俯视图和横截面视图。在图5中，振动膜250的护环区域210包含不连续的若干凹痕环254。中心区域220还具有多个凹痕单元，所述凹痕单元布置成蜂窝状结构。凹痕环254的横截面视图展示于下部图处而上部图为俯视图。举例来说，在此实施例中，凹痕环254从振动膜参考区域214凹进。凹痕环254中的每一者由若干凹痕片段组成。凹痕片段之间存在间隙。请注意在此实施例中一个不连续的凹痕环254的间隙由不连续的凹痕环254中的邻近的凹痕环的凹痕片段所阻挡。不同凹痕环中的间隙不是对准的而是交错的。另外，除了不连续的凹痕环254以外还可添加连续的凹痕环252。在此实例中，将连续的凹痕环252(例如)安置到最外部的环。一般来说，可将凹痕环252插入到所述组凹痕环254的内部或最内部。然而，连续的凹痕环252是另一选件，并不是绝对需要的。因此，振动膜250可吸收例如箭头所示的残余应力。
如下详细地描述凹痕单元的结构。图6a到图6c为示意性地说明根据本发明的实施例的振动膜的结构图。在图6a中，护环区域210包含如图5中所描述的若干不连续的凹痕环。这里进一步描述了中心区域220处的凹痕单元。所指示的矩形区域中的结构展示于图6b和图6c中。在几何形状方面，凹痕单元可为任何适当的形状，例如多边形或圆形。在此实例中，凹痕单元为六边形形状以便具有更好的布置。因此可形成蜂窝状结构。此实施例中的每一凹痕单元包含具有六边形形状的封闭的凹痕环260来围绕中心区域262。由封闭的凹痕环260所界定的凹痕单元由分离区域(separation region)264进行分离。此实例中的分离区域264位于振动膜参考高度水平面(reference height level)处。这里还如前文所提及，当振动膜颠倒时，沟槽环260会相对于分离区域264而成为脊环260。中心区域262和分离区域264可为振动膜参考高度水平面处的同一水平面，且凹痕环260相对于振动膜参考水平面为凹进的。
还可了解到在半导体制造中可形成用于封闭的沟槽环260的凹痕/脊结构。此实例中的振动膜形成为堆叠结构，所述堆叠结构包含堆叠起来的多个层。
根据图6a到图6c中所示的结构，可对凹痕单元进行进一步修改。图7a到7c为示意性地说明根据本发明的实施例的振动膜的结构图。在图7a中，进一步修改了位于中心区域220处的凹痕单元。在图7b和图7c中，此实施例中的每一凹痕单元包含具有六边形形状的封闭的凹痕环270来围绕中心区域272。由封闭的凹痕环270所界定的凹痕单元由分离区域276进行分离。此实例中的分离区域276位于振动膜参考区域处。中心区域272和分离区域276可为振动膜参考高度水平面处的同一水平面，且凹痕环270相对于振动膜参考水平面为凹进的。另外，在中心处存在另一凹痕274。因此，增加了皱状部分且还可释放残余应力。
还应注意，此实例中的振动膜为单个层。换句话说，在没有进行具体选择的情况下振动膜可为任何适当的堆叠的结构或单个层。
可将对凹痕单元的另外的修改制成简单的结构。图8a到图8c为示意性地说明根据本发明的实施例的振动膜的结构图。在图8a中，可将振动膜的中心区域220简化为如图8b和图8c所示。在此实施例中，凹痕单元可仅为单个凹痕区域280，例如六边形凹痕区域280或其它几何形状。举例来说，凹痕区域280由分离区域282进行分离，分离区域282位于振动膜水平面处。
在图8c中还应注意，此实例中的振动膜为部分堆叠的。分离区域282可具有堆叠的结构，而凹痕区域280可为单个的层。图11中将展示更多的选件。
这里再次参考不连续的凹痕环，进一步考虑间隙的定位。图9为示意性地说明根据本发明的实施例的具有凹痕/脊环的振动膜的结构图。在图9中，振动膜的中心区域可仅为平坦的平面或具有呈几何布置的凹痕单元。中心区域可为任何适当的选件。然而，涉及到了护环区域。凹痕环中的每一者由若干凹痕片段300、304组成。举例来说，在此实施例中，外部凹痕环由若干凹痕片段300组成。内部凹痕环由若干凹痕片段304组成。凹痕片段300之间存在间隙302且凹痕片段304之间存在间隙306。间隙302相对于间隙306移位，或者换句话说，间隙302由邻近的凹痕环的凹痕片段304所阻挡。
在图9的实例中，如以箭头所示，一些残余应力的方向可通过具有经移位的间隙的凹痕环而停止或释放。然而，所述间隙可为对准的。
图10为示意性地说明具有根据本发明的实施例的凹痕/脊环的振动膜的结构图。举例来说，在图10中，外部凹痕环的间隙302的至少一部分或所有部分与内部凹痕环的间隙306对准。在此情况下，如箭头所示，一些残余应力可能会泄露。然而，在图10中具有片段的不连续的凹痕环仍可吸收残余应力。在使用凹痕片段来形成护环的结构中，凹痕片段中的每一者是独立的，其中一个或一些片段可能会被损坏。由于所述片段的结构，可将应力或损坏局限于某些片段处而不会传播到整个连续的环。
此外，考虑到振动膜的堆叠属性，根据与制造工艺相关联的选择存在若干选件。图11a到图11d为示意性地说明根据本发明的实施例的具有凹痕/脊环的振动膜的结构图。在图11中的a部分，振动膜由堆叠的多个层形成。在此实例中，还如前文所示，使用三个层(包含两个导电层116、120和夹在两个导电层116、120之间的一个电介质层118)来形成振动膜。这里示意性地展示了振动膜的皱状结构。横截面视图中的皱状结构取决于在护环区域处和中心区域处所采用的是何种结构。在图11中的b部分，在另一实例中，振动膜还可由单个导电层116形成。在图11中的c部分，振动膜可仅有一部分是堆叠。在此实例中，位于振动膜参考区域214处的振动膜的主要部分由堆叠结构形成，而凹痕部分212为单个导电层。电介质层由外部导电层所封闭。这种堆叠结构也被称为混合层(mixed layer)。同样，当图11中的c部分的振动膜如图11中的d部分所示颠倒时，凹痕部分212就成为脊部分。相对于脊部分的凹痕部分为堆叠结构。对于所述两种情况，术语“凹痕/脊”用来展示可能性。然而，堆叠结构的振动膜并不仅限于图11中的实施例。
本发明已提议了所述振动膜，其包含位于护环区域和中心区域处的设计。所述护环区域优选地由不连续的环形成。然而，可采用不连续的环和连续的环的混合，或采用所有连续的环。对于中心区域来说，凹痕单元以几何的紧密方式(例如，蜂窝状结构)而布置。凹痕单元还可为简单的凹痕区域或者与凹痕环和中心凹痕混合。因此，皱状结构可吸收残余应力。
所属领域的技术人员将易于了解到，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明的结构进行各种修改和变化。考虑到前文的描述，如果本发明的修改和变化属于所附权利要求书及其等效物的范围内，则希望本发明涵盖所述修改和变化。
Claims (20)
1.一种微机电系统(MEMS)结构，其包括：
衬底，其具有前侧和后侧，其中所述衬底具有预先确定的区域，其中位于所述预先确定的区域处的所述衬底的所述后侧形成有凹穴或未形成有凹穴；
结构状的电介质层，其安置于所述衬底的所述前侧的上方；
振动膜，其由所述结构状的电介质层固持于周边端部处，其中所述振动膜位于对应于所述预先确定的区域的所述衬底的上方且在所述衬底与所述振动膜之间形成室，所述室由位于所述衬底中或位于所述衬底的所述前侧上的结构层中或位于所述衬底和所述结构层二者中的多个通孔连接到外部空间，其中所述振动膜包括：
多个沟槽/脊环，其位于周边区域处且围绕所述振动膜的中心区域；以及
皱状结构，其位于所述振动膜的所述中心区域处，由所述沟槽/脊环所围绕。
2.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述沟槽/脊环为不连续的，所述不连续的沟槽/脊环中的每一者由多个沟槽/脊片段形成。
3.根据权利要求2所述的微机电系统结构，其特征在于，所述沟槽/脊环中的每一者中的所述沟槽/脊片段之间的多个间隙由位于从中心辐射的方向上的所述不连续的沟槽中的至少另一者的所述沟槽/脊片段所阻挡。
4.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述振动膜的所述皱状结构包括多个凹痕/突出单元，所述多个凹痕/突出单元布置成蜂窝状几何结构。
5.根据权利要求4所述的微机电系统结构，其特征在于，所述凹痕/突出单元中的每一者包括沟槽/脊的封闭的环来围绕内部区域。
6.根据权利要求5所述的微机电系统结构，其特征在于，所述沟槽/脊的封闭的环的几何形状为多边形、圆形或六边形。
7.根据权利要求4所述的微机电系统结构，其特征在于，所述凹痕/突出单元中的每一者包括沟槽/脊的封闭的环来围绕内部区域以及所述内部区域内的中心沟槽/脊。
8.根据权利要求7所述的微机电系统结构，其特征在于，所述沟槽/脊的封闭的环的几何形状为多边形、圆形或六边形。
9.根据权利要求2所述的微机电系统结构，其特征在于，所述沟槽/脊环中的每一者中的所述沟槽/脊片段之间的多个间隙经对准以形成辐射间隙线。
10.根据权利要求9所述的微机电系统结构，其特征在于，所述振动膜的所述皱状结构包括多个凹痕/突出单元，所述多个凹痕/突出单元布置成蜂窝状几何结构。
11.根据权利要求10所述的微机电系统结构，其特征在于，所述凹痕/突出单元中的每一者包括封闭的沟槽/脊来围绕内部区域。
12.根据权利要求11所述的微机电系统结构，其特征在于，所述封闭的沟槽/脊的几何形状为多边形、圆形或六边形。
13.根据权利要求10所述的微机电系统结构，其特征在于，所述凹痕/突出单元中的每一者包括封闭的沟槽/脊来围绕内部区域以及所述内部区域中的中心沟槽/脊。
14.根据权利要求13所述的微机电系统结构，其特征在于，所述封闭的沟槽/脊的几何形状为多边形、圆形或六边形。
15.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述沟槽/脊环包含不连续的且由多个沟槽/脊片段形成的至少一个环以及至少一个连续的环。
16.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述振动膜为由单个材料所形成的单个层。
17.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述振动膜为堆叠的层。
18.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述振动膜仅在所述沟槽/脊环处具有堆叠的部分。
19.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述振动膜的所述皱状结构包括多个凹痕/突出单元，所述多个凹痕/突出单元布置成蜂窝状几何结构。
20.一种微机电系统(MEMS)结构，其包括：
衬底，其具有前侧和后侧，其中所述衬底具有预先确定的区域，其中位于所述预先确定的区域处的所述衬底的所述后侧形成有凹穴或未形成有凹穴；
结构状的电介质层，其安置于所述衬底的所述前侧的上方；
振动膜，其由所述结构状的电介质层固持于周边端部处，其中所述振动膜位于对应于所述预先确定的区域的所述衬底的上方且在所述衬底与所述振动膜之间形成室，所述室由位于所述衬底中或位于所述衬底的所述前侧上的结构层中或位于所述衬底和所述结构层二者中的多个排气通孔连接到外部空间，
其中所述振动膜包括多个沟槽/脊环，所述多个沟槽/脊环位于周边区域处且围绕所述振动膜的中心区域，且所述沟槽/脊环中的每一者是不连续的且由多个沟槽/脊片段形成。
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