CN102625224A - 一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法及芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法及芯片，选择一SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面依次制作集成电路和电容式硅微麦克风，并且采用SOI晶圆的顶层硅制作电容式硅微麦克风的背极板。由于顶层硅的厚度可以根据设计的背极板的厚度事先选择确定，因此背极板厚度可控，即使受到低温淀积工艺局限也可制作出符合厚度要求的背极板，从而有效避免电容式硅微麦克风与集成电路单片集成制作时出现的软背极效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法及集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片。
背景技术
麦克风是一种将声音信号转化为电信号的换能器。电容式麦克风的基本结构包括作为电容一极的振动膜和作为电容另外一极的背极板，当声音信号作用于麦克风，声压导致振动膜发生形变，进而引起振动膜与背极板之间的电容变化，此电容变化可由后续的处理电路转化为电信号。其中背极板的刚性在保证电容式麦克风的良好频率特性以及低噪声等方面至关重要。
近年来，MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微电机系统)半导体制造工艺发展迅速，已实现MEMS器件的批量生产；并且随着SOC(System-on-a-chip，系统单芯片)技术的发展，也已实现MEMS器件和集成电路(Intergrated Circuits，IC)的单片集成。目前MEMS器件和集成电路的单片集成制作方法，往往是先完成标准的集成电路制作，然后再在同一晶圆上完成MEMS器件的制作，从而既可以充分利用现有成熟的工艺流程，又可以避免可能引入的污染而导致的集成电路失效。
然而，上述的MEMS器件和集成电路单片集成的制作方法，在完成集成电路制作后，为不影响集成电路性能，要求在随后的MEMS器件制作过程中不能有高温工艺，因为集成电路制造流程完成后，其内部的铝布线不能承受400℃以上的高温，因此在制作电容式硅微麦克风的背极板时，一般采用低温物理或化学沉积的方法制作，从而很难制作出足够厚度的背极板；同时由于电容式硅微麦克风的尺寸很小，为了减小气流阻力，在其背极板上往往开有大量的声孔。以上两种因素的综合，降低了电容式硅微麦克风背极板的刚性，极易形成软背极效应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法及芯片，能够有效避免电容式硅微麦克风与集成电路单片集成制作时出现的软背极效应。
为解决上述技术问题本发明实施例提供如下技术方案：
一种电容式硅微麦克风与集成电路的单片集成方法，包括步骤：
1)选择一SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定；将所述顶层硅表面划分为两个区域，第一区域用于制作集成电路，第二区域用于制作电容式硅微麦克风；
2)在顶层硅表面的所述第一区域按照标准半导体工艺流程制作集成电路，同时预留集成电路与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
3)在顶层硅表面的所述第二区域及所述第一区域预留的所述集成电路与电容式硅微麦克风的背板电极的电气连接区域，采用低于400℃的低温工艺沉积第一金属电极层，将所述第一金属电极层与所述SOI晶圆的顶层硅刻蚀成可导电的背极板，SOI晶圆的埋氧化层作为自停止层，所述背极板上刻蚀有背极声孔区域，该背极声孔区域包括若干个声孔，以及背板电极和背板电极与所述集成电路的电气连接通路；
4)在所述背极板上采用低于400℃的低温工艺形成牺牲层；
5)在所述牺牲层上采用低于400℃的低温工艺依次沉积振动膜层和第二金属电极层，将所述第二金属电极层与所述振动膜层刻蚀成可导电的振动膜，所述振动膜上刻蚀有振膜电极以及振膜电极与所述集成电路之间的电气连接通路；
6)从所述第二区域所对应的SOI晶圆的硅衬底表面刻蚀硅衬底，SOI晶圆的埋氧化层作为自停止层，以形成背腔；
7)刻蚀所述埋氧化层及所述牺牲层，以在所述背极板和所述振动膜之间形成空气隙，并在所述振动膜的边缘区域上保留部分牺牲层作为支撑所述振动膜的绝缘支撑体。
一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的芯片，所述芯片基于SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面划分有两个区域：集成电路区和电容式硅微麦克风区，其中，
所述集成电路区，包括首先按照标准半导体工艺流程制作的集成电路，并在所述集成电路上预留有与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
所述电容式硅微麦克风区，包括采用所述SOI晶圆的顶层硅形成的可导电的背极板、在所述背极板之上形成的用于支撑振动膜的绝缘支撑体、在所述绝缘支撑体之上的可导电的振动膜，所述背极板和振动膜之间具有空气隙，所述背极板下部具有背腔，且在所述背极板上设置有贯通所述背腔和所述空气隙的若干个声孔；并且还包括所述背极板上设置的背板电极、在所述振动膜上设置的振膜电极，以及所述背板电极和所述振膜电极分别与所述集成电路上预留的导电电极的电气连接通路。
与现有技术相比，本发明实施例的电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法及芯片，通过选择SOI晶圆作为基材，在SOI晶圆的顶层硅表面依次制作集成电路和电容式硅微麦克风，并且采用SOI晶圆的顶层硅制作电容式硅微麦克风的背极板，由于顶层硅的厚度可以根据所设计背极板的厚度事先选择确定，背极板厚度可控，因此即使受到低温淀积工艺局限也可制作出符合厚度要求的背极板，从而有效避免电容式硅微麦克风与集成电路单片集成制作时出现的软背极效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1至图7为本发明实施例的电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法的流程示意图；
图8为本发明提供的一种背板电极设计的俯视示意图；
图9为本发明提供的一种振膜电极设计的俯视示意图；
图10为本发明提供的一种振动膜释放孔的俯视示意图；
图11为本发明提供的在形成第一区域的集成电路的铝布线的时候，在第二区域上同时形成Al金属层的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法及芯片进行详细说明。
图1至图7为本发明实施例提供的一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法的流程示意图。如图1至图7所示，本发明实施例的单片集成方法包括如下步骤：
第一步：如图1所示，选择一SOI晶圆，该SOI晶圆的顶层硅11的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定；将顶层硅表面划分为两个区域，第一区域21用于制作集成电路，第二区域22用于制作电容式硅微麦克风。
SOI晶圆是采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)技术，通过在两层硅基板之间封入一层绝缘的氧化层，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。SOI晶圆由以下三层构成：(1)顶层是薄薄的单晶硅构成的顶层硅11；(2)中间层是绝缘的埋氧化层12(Buried Oxide，BOX)；(3)底层是非常厚的硅衬底13，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。
SOI晶圆可分成厚膜和薄膜两类，其中顶层硅厚度大于1um的称为厚膜SOI晶圆，适用于制造功率器件，高压器件、MEMS器件和红外光学器件等；顶层硅厚度在0.1～1um的称为薄膜SOI晶圆，适用于制造高速MPU、存储器、CMOS等亚微米集成电路。在本发明实施例中选择一厚膜SOI晶圆作为基材单片集成电容式硅微麦克风和集成电路。
第二步：参见图2，在顶层硅表面的第一区域21按照标准半导体工艺流程制作集成电路，同时预留集成电路与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极。该集成电路与电容式硅微麦克风配合工作，用于为电容式硅微麦克风提供偏置电压驱动、电路缓冲控制等。为简明起见，本发明实施例图示所制作的集成电路仅是以MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化场效应晶体管)为代表的集成电路部分，图示的MOSFET集成电路可以包括：钝化填充层、绝缘介质层、金属导电层、源漏掺杂区、栅氧化层、栅导电层等。需要说明的是，在制作集成电路的过程中，要注意保护第二区域22避免受到集成电路工艺的污染。
第三步：如图3所示，在顶层硅表面的第二区域22及第一区域21预留的集成电路与电容式硅微麦克风的背板电极的电气连接区域(在图中未标识)，采用低于400℃的低温工艺，例如利用物理气相沉积、溅射或电镀方法，形成第一金属电极层14，同时注意保护第一区域21。该第一金属电极层14与SOI晶圆的顶层硅11用于刻蚀形成电容式硅微麦克风可导电的背极板52。根据设计在第一金属电极层14上刻蚀出背极声孔区域图形，然后利用ICP(Inductively CoupledPlasma，感应耦合等离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深槽反应离子刻蚀)等深槽反应离子刻蚀方法刻蚀顶层硅11，埋氧化层12作为刻蚀自停止层，从而形成背极声孔区域51，该背极声孔区域包括若干个声孔51a；随后根据设计，将第一金属电极层14刻蚀为所设计的背板电极52a，以及背板电极52a与集成电路的电气连接通路52b。参见图8，图8为本发明提供的一种背板电极设计的俯视示意图。
第一金属电极层14材料可以为Al，Au；如果第一金属电极层14为Al金属层，则可以利用制作集成电路形成Al金属层的工艺，这样可以减少一道金属层的淀积工艺。参见图11，图11为本发明提供的在形成第一区域的集成电路的铝布线的时候，在第二区域上同时形成Al金属层的示意图。本步骤在形成第一区域21的集成电路的铝布线的时候，在第二区域22上同时形成该Al金属层，并且形成集成电路对应输出端与第二区域的该Al金属层之间的电气连接通路，这样在集成电路制作完毕后，再在所保留的第二区域Al金属层上刻蚀出背极声孔区域和背板电极。
第四步：如图4所示，在上述背极板52上采用低于400℃的低温工艺形成牺牲层15，所述牺牲层15的材料可以为氧化硅、PSG(磷硅玻璃)、PETEOS(Plasma Enhanced TEOS，四乙氧基硅烷)、聚酰亚胺等绝缘材料；优选采用台阶覆盖性较佳的PETEOS，在确定牺牲层15的厚度后，通过设计合适的声孔51a的开孔半径，将得到较好的开槽填充效果，例如在4um的牺牲层厚度情况下，开孔半径为3um时，可视为声孔51a将在牺牲层15制备过程中被沉积的牺牲层材料填充满，牺牲层15的上表面将获得平坦化。
第五步：如图5所示，在上述牺牲层15上采用低于400℃的低温工艺首先沉积振动膜层16，接着在振动膜层16上采用低于400℃的低温工艺再沉积第二金属电极层17，该第二金属电极层17与振动膜层16用于刻蚀形成电容式硅微麦克风可导电的振动膜53，该振动膜53依据设计的电容式硅微麦克风的灵敏度要求能够有效释放振膜内应力。根据设计在第二金属电极层17上刻蚀形成振膜电极53a以及振膜电极53a与集成电路之间的电气连接通路53b。参见图9，图9为本发明提供的一种振膜电极设计的俯视示意图。
需要说明的是，如果振动膜层16本身可导电，那么沉积第二金属电极层17的步骤可以省略。该振动膜层16可为单层膜或复合膜，可以为采用物理气相沉积工艺形成的氮化硅、SiGe、非晶硅材料层的一种，也可以为采用化学气相沉积形成的氮化硅、SiGe、非晶硅材料层的一种，还可以为采用低压化学气相淀积形成的聚对二甲苯材料层，还可以为采用旋涂法或喷涂法形成的有机物材料层，例如聚酰亚胺等等。
第六步：如图6所示，从第二区域22所对应的SOI晶圆的硅衬底表面刻蚀硅衬底13，埋氧化层12作为自停止层以形成背腔55。对硅衬底13可采用ICP干法刻蚀方法，或者各向异性刻蚀液(例如KOH及四甲基氢氧化铵溶液为刻蚀液)进行湿法刻蚀，两种体刻蚀方法均以埋氧化层12作为自停止层。
第七步：如图7所示，刻蚀埋氧化层12及牺牲层15以在背极板52和振动膜53之间形成空气隙56，并在振动膜53的边缘区域上保留部分牺牲层作为支撑振动膜的绝缘支撑体58。埋氧化层12可以采用HF蒸汽干法刻蚀去除或者BOE(Buffered Oxide Etch，Bufferd HF)溶液进行湿法刻蚀。依据采用的牺牲层材料不同，刻蚀的反应剂也相应不同，当牺牲层15为聚酰亚胺时，采用等离子去胶法，去胶气体为氧气；当牺牲层15为氧化硅时，则可采用刻蚀HF蒸汽进行干法刻蚀或者BOE溶液进行湿法刻蚀。
在刻蚀牺牲层过程中，一般采取两步释放方式：第一步，芯片正面保护状态下，蚀刻剂从背腔55处进入，刻蚀背腔55上方的牺牲层；第二步，保护第一区域21，蚀刻剂同时从芯片正面、背腔55处进入，刻蚀其余牺牲层。通过控制蚀刻时间，在保留振动膜四角区域下方的牺牲层同时，振动膜其余区域下方的牺牲层被完全释放完毕。
一种优选方案，在振动膜上设置释放孔53c，通过设计振动膜上释放孔及背极板上声孔的分布位置，可使得牺牲层在被部分刻蚀后或仅留下一处或多处分散处于振动膜边缘的部分，或留下连续的处于振动膜全部边缘的部分。参见图10，图10为本发明提供的一种振动膜释放孔的俯视示意图。释放孔53c分布在振动膜的边缘处振动膜的四个角区域无释放孔分布，最终仅四个角的虚线区域的牺牲层被保留。在振动膜上设置释放孔的方案，一方面可以方便牺牲层的释放，得到符合设计要求的绝缘支撑体结构；另一方面，可相对减少背极板上声孔的设置，从而有效避免由于在背极板上开设大量的声孔所导致的软背极效应。
下面对本发明实施例提供的电容式硅硅微麦克风与集成电路单片集成的芯片进行详细说明。参见图7至图9，本发明实施例的电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的芯片，基于SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅11的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面划分有两个区域：集成电路区21和电容式硅微麦克风区22，其中，
集成电路区21，包括首先按照标准半导体工艺流程制作的集成电路，并在所述集成电路上预留有与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
电容式硅微麦克风区22，包括采用所述顶层硅11形成的可导电的背极板52、通过释放牺牲层在所述背极板之上形成的用于支撑振动膜的绝缘支撑体58、在所述绝缘支撑体58之上的可导电的振动膜53，所述背极板52和振动膜53之间具有空气隙56，所述背极板52下部具有背腔55，且在所述背极板52上设置有贯通所述背腔55和所述空气隙56的若干个声孔51a；并且还包括在所述背极板52上设置的背板电极52a、在所述振动膜53上设置的振膜电极53a，以及所述背板电极52a和所述振膜电极53a分别与所述集成电路上预留的导电电极的电气连接通路52b、53b。
本发明实施例的单片集成芯片说选择的SOI晶圆为厚膜SOI晶圆，其顶层硅厚度大于1um。
优选地，参见图10，在所述振动膜53上设置释放孔53c，这样通过设计振动膜上释放孔及背极板上声孔的分布位置，可使得牺牲层在被部分刻蚀后或仅留下一处或多处分散处于振动膜边缘的部分，或留下连续的处于振动膜全部边缘的部分。这样部分刻蚀牺牲层后得到的绝缘支撑体58，其可连续处于振动膜的全部边缘以使所述振动膜的全部边缘都通过所述绝缘支撑体58与背极板相连接，其也可以分散处于振动膜的一处或多处的边缘部分以使所述振动膜的一点或多点通过所述绝缘支撑体58与背极板相连接。
综上所述，本发明实施例所提供的电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法和芯片，通过选择SOI晶圆作为基材，在SOI晶圆的顶层硅表面依次制作集成电路和电容式硅微麦克风，并且采用SOI晶圆的顶层硅制作电容式硅微麦克风的背极板，由于顶层硅的厚度可以根据所设计背极板的厚度事先选择确定，背极板厚度可控，因此即使受到低温淀积工艺局限也可制作出符合厚度要求的背极板，从而有效避免电容式硅微麦克风与集成电路单片集成制作时出现的软背极效应。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的方法，其特征在于包括步骤：
1)选择一SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定；将所述顶层硅表面划分为两个区域，第一区域用于制作集成电路，第二区域用于制作电容式硅微麦克风；
2)在顶层硅表面的所述第一区域按照标准半导体工艺流程制作集成电路，同时预留集成电路与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
3)在顶层硅表面的所述第二区域及所述第一区域预留的所述集成电路与电容式硅微麦克风的背板电极的电气连接区域，采用低于400℃的低温工艺沉积第一金属电极层，将所述第一金属电极层与所述SOI晶圆的顶层硅刻蚀成可导电的背极板，SOI晶圆的埋氧化层作为自停止层，所述背极板上刻蚀有背极声孔区域，该背极声孔区域包括若干个声孔，以及背板电极和背板电极与所述集成电路的电气连接通路；
4)在所述背极板上采用低于400℃的低温工艺形成牺牲层；
5)在所述牺牲层上采用低于400℃的低温工艺依次沉积振动膜层和第二金属电极层，将所述第二金属电极层与所述振动膜层刻蚀成可导电的振动膜，所述振动膜上刻蚀有振膜电极以及振膜电极与所述集成电路之间的电气连接通路；
6)从所述第二区域所对应的SOI晶圆的硅衬底表面刻蚀硅衬底，SOI晶圆的埋氧化层作为自停止层，以形成背腔；
7)刻蚀所述埋氧化层及所述牺牲层，以在所述背极板和所述振动膜之间形成空气隙，并在所述振动膜的边缘区域上保留部分牺牲层作为支撑所述振动膜的绝缘支撑体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SOI晶圆为厚膜SOI晶圆，其顶层硅厚度大于1um。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述第一金属电极层为Al金属层，则在形成所述第一区域的集成电路的铝布线的时候，可以在所述第二区域上同时形成所述Al金属层，并且形成所述集成电路对应输出端与所述第二区域的该Al金属层之间的电气连接通路。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述振动膜层本身可导电，那么沉积所述第二金属电极层的步骤可以省略。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述牺牲层的过程中，采取两步释放方式：第一步，芯片正面保护状态下，蚀刻剂从所述背腔处进入，刻蚀背腔上方的牺牲层；第二步，保护所述第一区域，蚀刻剂同时从芯片正面、背腔处进入，刻蚀其余牺牲层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述振动膜上设置释放孔，设计所述振动膜上释放孔及所述背极板上声孔的分布位置，使得牺牲层在被部分刻蚀后或仅留下一处或多处分散处于振动膜边缘的部分，或留下连续的处于振动膜全部边缘的部分。
7.一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的芯片，其特征在于，所述芯片基于SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面划分有两个区域：集成电路区和电容式硅微麦克风区，其中，
所述集成电路区，包括首先按照标准半导体工艺流程制作的集成电路，并在所述集成电路上预留有与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
所述电容式硅微麦克风区，包括采用所述SOI晶圆的顶层硅形成的可导电的背极板、在所述背极板之上形成的用于支撑振动膜的绝缘支撑体、在所述绝缘支撑体之上的可导电的振动膜，所述背极板和振动膜之间具有空气隙，所述背极板下部具有背腔，且在所述背极板上设置有贯通所述背腔和所述空气隙的若干个声孔；并且还包括在所述背极板上设置的背板电极、在所述振动膜上设置的振膜电极，以及所述背板电极和所述振膜电极分别与所述集成电路上预留的导电电极的电气连接通路。
8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述SOI晶圆为厚膜SOI晶圆，其顶层硅厚度大于1um。
9.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，在所述振动膜上设置有释放孔。
10.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述绝缘支撑体或连续处于所述振动膜的全部边缘部分，或分散处于所述振动膜一处或多处边缘部分。
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