CN102783183A - 用传声器换能器形成的集成电路 - Google Patents

Abstract

一种集成到集成电路（2000）中的电容性传声器换能器包括固定板（2006）以及形成在该集成电路的互连区域（2004）之中或之上的膜（2012）。一种形成包含电容性传声器换能器的集成电路的工艺包括：蚀刻穿过固定板（2006）到为背侧腔（2014）限定的区域的接入槽（2010）；用牺牲材料填充接入槽；以及从集成电路的背侧去除一部分牺牲材料。

Description

用传声器换能器形成的集成电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域。更具体地，本发明涉及集成电路中的传声器换能器。

背景技术

将包括背侧腔的传声器换能器集成到集成电路中已成问题。

发明内容

一种集成到集成电路中的电容性传声器换能器包括固定板以及形成在该集成电路的互连区域之中或之上的膜。一种形成该电容性传声器换能器的工艺包括：穿过固定板蚀刻接入槽；形成背腔；形成牺牲材料的牺牲填充区域；以及从集成电路的背侧去除一部分牺牲材料。

附图说明

参考附图描述示例性实施例，其中：

图1A-1G是示出根据示例性实施例包括电容性传声器换能器的集成电路的连续加工阶段的横截面图。

图2是示出根据示例性实施例包括电容性传声器换能器的集成电路的横截面图。

图3A-3D是示出根据示例性实施例包括电容性传声器换能器的集成电路的连续加工阶段的横截面图。

图4A-4B是示出根据示例性实施例包括电容性传声器换能器的集成电路的连续加工阶段的横截面图。

具体实施方式

在集成电路中形成的电容性传声器换能器包括：传声器换能器电容器的固定板；传声器换能器电容器的膜板（本文称为膜）；以及背腔。该膜通过相对于固定板向上和向下移动而响应集成电路上方的周围环境中的声波。背腔是位于固定板和膜之下的开放区域，其延伸穿过集成电路的衬底。

可以通过形成集成电路的互联元件的固定板和膜而将电容性传声器换能器集成到集成电路中。可以进一步通过以下方式将电容性传声器换能器集成到集成电路中，即形成穿过固定板的接入槽；形成背腔；形成牺牲材料的牺牲填充区域；以及从集成电路背侧去除一部分牺牲材料。

图1A-1G示出根据示例性实施例包括电容性传声器换能器的集成电路的加工阶段。该集成电路可以包括如互补金属氧化物半导体（CMOS）电路等数字电路、模拟电路或者数字电路和模拟电路的组合。该集成电路可以包括以下元件，诸如电感器、电容器、例如用于向电容性传声器换能器供电的电荷泵、如基于结型场效应晶体管（JFET）的放大器等放大器或其他元件。

参考图1A，集成电路1000在衬底1002之中和之上形成，衬底1002可以是单晶硅晶片，或者可以是绝缘体上硅（SOI）晶片，或者适于加工集成电路1000的其他材料。集成电路1000包括一个或更多个互连水平层的第一互连区域1004和在衬底1002上方形成的介电层。在当前实施例的一种实现方式中，为电容性传声器换能器限定的传声器换能器范围1006中的第一互连区域1004的顶表面基本无金属互连元件，诸如触点、金属互联线或通孔。在当前实施例的一种实现方式中，传声器换能器范围1006可为100微米至2毫米宽。电容性传声器换能器的固定板1008被形成在第一互连区域1004的顶表面上。在当前实施例的一个实现方式中，固定板1008可以与集成电路1000中的水平互连元件（图1A中未示出）同时形成。在进一步实施例中，固定板1008可以包括铜。在可替换的实施例中，固定板1008可以包括铝或具有铜的铝。腔接入开口1010被形成在固定板1008中，以容纳在后续加工步骤中形成的腔接入槽。膜终端1012可以形成在第一互连区域1004上方。

图1B和1C示出形成集成电路1000中的接入槽的可替换的工艺。

参考图1B，在集成电路1000的现有顶表面上形成接入槽光刻胶图案1014，从而限定接入槽1016的范围。在图1B中所示的当前实施例的实现方式中，接入槽光刻胶图案1014与固定板1018的边缘交叠。在当前实施例的一种实现方式中，接入槽1016可为500纳米至10微米宽，并且为1微米至100微米深。接入槽1016是通过接入槽蚀刻工艺1018形成的例如使用含氟等离子体的反应离子蚀刻（RIE）工艺形成的。可以用于形成接入槽1016的其他工艺诸如激光熔蚀也在当前实施例的范围内。在当前实施例的一种实现方式中，在完成接入槽1016的形成之后，可以通过例如将集成电路1000暴露于含氧等离子体且然后进行湿式清理的方式去除接入槽光刻胶图案1014。

参考图1C，在集成电路1000的现有顶表面上形成可替换的接入槽光刻胶图案1020，以限定接入槽1016的范围。在图1C中所示的当前实施例的实现方式中，可替换的接入槽光刻胶图案1020不与固定板1008的边缘交叠。如参考图1B所述的方式形成接入槽1016。

参考图1D，腔填充牺牲层1022在固定板1008上形成并延伸到接入槽1016中。可以在后续的加工步骤中去除腔填充牺牲层1022，同时基本不从第一互连区域1004去除材料。在当前实施例的一种实现方式中，腔填充牺牲层1022可以包括有机聚合物，诸如光刻胶、聚酰亚胺或酚醛树脂。在可替换实施例中，腔填充牺牲层1022可以包括硅和氧的化合物，诸如多孔二氧化硅。在进一步的实施例中，腔填充牺牲层1022可以包括另一种无机材料。腔填充牺牲层1022按电容性传声器换能器的固定板1008和膜之间的期望间距确定尺寸。如果存在膜终端1012，则终端通孔1024可以在腔填充牺牲层1022中形成。腔填充牺牲层1022可以可选地被平坦化，从而提供期望的厚度和表面平坦性。在当前实施例的一种实现方式中，可以在腔填充牺牲层1022的顶表面上形成带图案的平坦化缓冲件1026，从而例如在化学机械抛光（CMP）工艺期间提供更均匀的平坦化。带图案的平坦化缓冲件1026可以在平坦化工艺中被完全去除。

参考图1E，在腔填充牺牲层1022的顶表面上形成第一膜层1028。在当前实施例的一种实现方式中，第一膜层1028可以与集成电路1000中的互连的衬垫金属元件（图1E中未示出）同时形成。在进一步的实施例中，第一膜层1028可以包括氮化钽（TaN）、氮化钛（TiN）、钛铝（TiAl）或其组合。在其他实施例中，第一膜层1028可以包括铝或具有铜的铝。在其他实施例中，第一膜层1028可以包括介电材料，诸如氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、氮碳化硅或氧碳氮化硅。在一些实施例中，第一膜层1028可由上述材料的组合形成。第一膜层1028可以接触膜终端1012（如果存在）。第一膜层1028可以包括可选的性能增强部件1030，诸如皱褶或其他应力消除结构，这可以提高电容性传声器换能器对声波的响应力。如果终端通孔1024存在，则第一膜层1028可以在终端通孔1024的侧壁以及膜终端1012的暴露表面上形成。

可选的第二膜层1032在第一膜层1028的顶表面上形成。在当前实施例的一种实现方式中，第二膜层1032可以与集成电路1000中的互连的元件（图1E中未示出）同时形成。如果终端通孔1024存在，则第二膜层1032可以在终端通孔1024中形成。在进一步的实施例中，第二膜层1032可以包括铜。在可替换实施例中，第二膜层1032可以包括铝或者具有铜的铝。在当前实施例的一种实现方式中，第二膜层1032的横向边缘不延伸到第一膜层1028的横向边缘。压力均等化孔1034可以在第一膜层1028中形成和/或穿过组合的第一膜层1028和第二膜层1032形成，例如通过与图案化第一膜层1028和/或第二膜层1032的范围同时图案化压力均等化孔1034的范围来实现。

在形成第一膜层1028和第二膜层1032（如果存在）之后，在第一膜层1028和第二膜层1032上方形成牺牲保护层1036。牺牲保护层1036包括牺牲材料，其能够在后续的加工步骤中被去除，同时基本不从第一膜层1028和第二膜层1032去除材料。在当前实施例的一种实现方式中，牺牲保护层1036可以包括基本与腔填充牺牲层1022相同的材料。

参考图1F，背侧腔1038在连接至接入槽1016的衬底1002中形成。背侧腔1038例如可以通过深RIE（DRIE）工艺或湿蚀刻工艺形成。使用背侧牺牲材料去除工艺1040将腔填充牺牲层1022中的一部分牺牲材料从接入槽1016中去除。在当前实施例的一种实现方式中，背侧牺牲材料去除工艺1040可以包括使用含氧等离子体的RIE步骤。在可替换实施例中，背侧牺牲材料去除工艺1040可以包括使用活性氧组分的灰化步骤。在进一步的实施例中，背侧牺牲材料去除工艺1040可以包括使用臭氧的步骤。从接入槽1016中去除牺牲材料的其他手段也在当前实施例的范围之内。

参考图1G，牺牲保护层1036中和腔填充牺牲层1022中的牺牲材料被去除，例如通过将集成电路1000暴露于含有活性氧组分、活性氟组分、活性氢组分和活性氮组分的任何组合的活性环境1042中来实现。在当前实施例的一种实现方式中，含有这些活性组分的活性环境1042可以在下游灰化器中生成，该灰化器产生等离子体中的活性组分，这些活性组分随后从等离子体扩散至包含集成电路1000的无电场区域。在可替换实施例中，可以通过臭氧发生器生成活性环境1042。

图2示出包括电容性传声器换能器的集成电路的另一示例性实施例。

集成电路2000形成在参考图1A所述的衬底2002之中和之上。第一互连区域2004形成在参考图1A所述的衬底2002上方。电容性传声器换能器的固定板2006形成在第一互连区域2004的顶表面上。在当前实施例的一种实现方式中，固定板2006可以与集成电路2000中的水平互连元件（图2中未示出）同时形成。在进一步的实施例中，固定板2006可以包括铜。在可替换实施例中，固定板2006可以包括铝。可能包括集成电路2000的互连区域的腔间隔件2008在邻近为传声器换能器板腔限定的区域的第一互连区域2004上形成。

如参考图1B所述，接入槽2010被形成为穿过第一互连区域2004并进入衬底2002。使用参考图1D至图1G所述的牺牲材料在传声器换能器板腔2014上方形成第一膜层2012。在当前实施例中，第一膜层2012与腔间隔件2008交叠。在当前实施例的一种实现方式中，第一膜层2012可以与集成电路2000的互连的衬垫金属元件（图2中未示出）同时形成。第一膜层2012可以包括可选的性能增强部件2016，诸如参考图1E所述的皱褶或其他应力消除结构。

如参考图1E所述，可选的第二膜层2018可以形成在第一膜层2012的顶表面上。在当前实施例的一种实现方式中，第二膜层2018可与集成电路2000中的互连的元件（图1E中未示出）同时形成。如参考图1E所述，压力均等化孔2020可以在第一膜层2012中形成和/或穿过第一膜层2012和第二膜层2018形成。如参考图1E所述，背侧腔2022在连接至接入槽2010的衬底2002中形成。

图3A-3D示出包括电容性传声器换能器的集成电路的另一实施例的加工步骤。

参考图3A，集成电路3000形成在衬底3002之中和之上，衬底3002包括基础层3004、蚀刻终止层3006和顶层3008。基础层3004可以是硅晶片或具有用于集成电路3000的合适机械性质的其他材料。蚀刻终止层3006可以是二氧化硅或其他介电材料，或者可以是重掺杂硅层，例如具有高于10²¹cm^-2的掺杂剂密度的p型层。顶层3008可以是单晶硅、外延半导体层、多晶硅层或具有用于集成电路3000的合适电学性质的其他材料。在当前实施例的一种实现方式中，衬底3002可以是SOI晶片，其中蚀刻终止层3006包括该SOI晶片的氧化埋层。

互连区域3010形成在顶层3008上方。固定板3012形成在互连区域3010上方。接入槽光刻胶图案3014形成在互连区域3010上方。参考图1B和图1C所述的接入槽蚀刻工艺3016从互连区域3010和顶层3008去除材料，从而形成接入槽3018，接入槽3018延伸至并且可能进入蚀刻终止层3006。

参考图3B，如参考图1D所述，腔填充牺牲层3020形成在互连区域3010上方和接入槽3018中。如参考图1E所述，传声器换能器膜3022形成在腔填充牺牲层3020上。如参考图1E所述，牺牲保护层3024形成在传声器换能器膜3022上方。通过例如RIE工艺等背侧腔蚀刻工艺3028且可能结合使用四乙基氢氧化铵（TMAH）或氢氧化钾（KOH）的水溶液的湿法蚀刻在基础层3004中形成背侧腔3026。背侧腔3026延伸至并且可能进入蚀刻终止层3006。

参考图3C，执行蚀刻终止层穿通工艺3030，该工艺从接入槽3018和背侧腔3026之间的蚀刻终止层3006去除材料，以在接入槽3018的底部暴露出腔填充牺牲层3020。蚀刻终止层穿通工艺3030可以是诸如RIE工艺的干蚀刻工艺、诸如稀释或缓冲氢氟酸（HF）的水溶液的湿蚀刻工艺、或者诸如将蚀刻终止层3006暴露于气相无水HF的气相（vapor phase）蚀刻工艺。在蚀刻终止层为结晶硅的当前实施例的实现方式中，蚀刻终止层穿通工艺3030可以是包含HF、硝酸和醋酸的湿法蚀刻。

参考图3D，如参考图1G所述，通过例如将集成电路3000暴露于活性环境3032来去除图3C中的腔填充牺牲层3020和图3C中的牺牲保护层3024。接入槽3018被连接至背侧腔3026。

图4A和图4B示出包括电容性传声器换能器的集成电路的另一示例的加工步骤。

参考图4A，如参考图3A所述，集成电路4000形成在衬底4002上，衬底4002包括基础层4004、蚀刻终止层4006以及顶层4008。如参考图3A所述，互连区域4010形成在顶层4008上方，而固定板4012形成在互连区域4010上方。如参考图3A所述，接入槽4014被形成为穿过互连区域4010并进入顶层4008，以便延伸至并可能进入蚀刻终止层3006。

如参考图3B所述，腔填充牺牲层（未示出）形成在互连区域4010上方并且在接入槽4014中，传声器换能器膜4016形成在腔填充牺牲层上，并且牺牲保护层（未示出）形成在传声器换能器膜4016上方。背侧腔4018通过如参考图3B所述的背侧腔蚀刻工艺形成在基础层4004中。背侧腔4018延伸至并可能进入蚀刻终止层4006。如参考图3D所述，通过例如将集成电路4000暴露于活性环境4020而去除牺牲保护层和腔填充牺牲层。

参考图4B，执行蚀刻终止层穿通工艺4022，该工艺从接入槽4014和背侧腔4018之间的蚀刻终止层4006去除材料。蚀刻终止层穿通工艺4022可以类似于参考图3C所述的工艺。当完成蚀刻终止层穿通工艺4022时，接入槽4014被连接至背侧腔4018。

据此有意涵盖具有在具有所有或仅一些特征或步骤的示例性实施例的背景下描述的一个或更多个特征或步骤的不同组合的实施例。本领域技术人员应明白在要求保护的发明范围内也可能有许多其他实施例和变体。

Claims (18)

1.一种包括电容性传声器换能器的集成电路，其包括：

衬底；

形成在所述衬底的顶表面上的第一互连区域；

形成在所述第一互连区域的顶表面上的固定板；

第一膜层，其形成在所述固定板上方，以便在所述第一膜层和所述固定板之间存在传声器换能器腔；

形成在所述衬底中的背侧腔，其延伸至所述衬底的底表面；以及

接入槽，其穿过所述第一互连区域进入所述衬底形成，以便所述接入槽连接所述传声器换能器腔和所述背侧腔。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第一膜层与所述集成电路中的互连的衬垫金属元件同时形成。

3.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第一膜层包括从由氮化钽、氮化钛、钛铝、铝、具有铜的铝、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、氮碳化硅以及氧氮碳化硅组成的组中选择的材料。

4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第一膜层包括应力消除结构。

5.根据权利要求1所述的集成电路，其还包括在所述第一膜层的顶表面上形成的第二膜层，使得所述第二膜层的横向边缘不延伸到所述第一膜层的横向边缘。

6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述第二膜层与所述集成电路中的互连的元件同时形成。

7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述第二膜层从由铜、铝、以及具有铜的铝组成的组中选择。

8.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述固定板与所述集成电路中的互连的元件同时形成。

9.根据权利要求1所述的集成电路，其中：

所述衬底包括基础层、在所述基础层上形成的蚀刻终止层以及在所述蚀刻终止层上形成的顶层；

所述背侧腔延伸穿过所述基础层；以及

所述接入槽延伸穿过所述顶层。

10.一种形成包括电容性传声器换能器的集成电路的工艺，其包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底的顶表面上形成第一互连区域；

在所述第一互连区域的顶表面上形成固定板；

形成穿过所述第一互连区域进入所述衬底的接入槽；

在所述固定板上方形成牺牲材料的牺牲填充区域；

在所述牺牲填充区域的顶表面上形成第一膜层；

在所述第二膜层的顶表面上形成牺牲材料的牺牲保护层；

在所述衬底中形成背侧腔，所述背侧腔从所述衬底的底表面延伸至所述接入槽；

通过从所述集成电路的背侧蚀刻的工艺去除所述接入槽中的一部分所述牺牲材料；以及

从所述牺牲填充区域去除所述牺牲材料。

11.根据权利要求12所述的工艺，其中所述第一膜层与所述集成电路中的互连的衬垫金属元件同时形成。

12.根据权利要求10所述的工艺，其中所述第一膜层从由氮化钽、氮化钛、钛铝、铝、具有铜的铝、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、氮碳化硅以及氧氮碳化硅组成的组中选择。

13.根据权利要求10所述的工艺，其中所述第一膜层被形成为包括应力消除结构。

14.根据权利要求10所述的工艺，其还包括在所述第一膜层的顶表面上形成第二膜层，使得所述第二膜层的横向边缘不延伸到所述第一膜层的横向边缘。

15.根据权利要求14所述的工艺，其中所述第二膜层与所述集成电路中的互连的元件同时形成。

16.根据权利要求15所述的工艺，其中所述第二膜层从由铜、铝以及具有铜的铝组成的组中选择。

17.根据权利要求10所述的工艺，其中所述固定板与所述集成电路中的互连的元件同时形成。

18.根据权利要求10所述的工艺，其中：

所述衬底包括基础层、在所述基础层上形成的蚀刻终止层以及在所述蚀刻终止层上形成的顶层；

执行形成所述背侧腔的步骤，使得所述背侧腔延伸穿过所述基础层；以及

执行形成所述接入槽的步骤，使得所述接入槽延伸穿过所述顶层。

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