CN103248994A - 集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一套“后半导体工艺”的基于SOI衬底的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法及其芯片，所述制作方法包括在完成标准半导体工艺的基片上采用低温工艺制作背极板、声音敏感膜、牺牲层等结构组成微硅麦克风，以实现微硅麦克风同基片上已有电路的集成，如此可将集成电路器件同微型硅麦克风集成在一起形成具有高灵敏度的单片集成芯片。

Description

集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法及芯片

技术领域

本发明涉及一种基于SOI衬底的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法及由此制作方法形成的单片集成芯片。

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敏感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，声压导致敏感膜产生形变，进而引起敏感膜与背极板之间的电容发生变化，此电容变化可由后续处理电路转化为电信号。

自Bell实验室科学家于1962 年发明驻极体电容式麦克风（ECM）以来，经过几十年的发展，ECM已经广泛应用于各个领域。但传统ECM在高温下其敏感膜中的常驻电荷会发生泄漏，进而导致ECM失效。而在组装消费类电子产品的工艺中，器件自动化表面贴装工艺常需经历高达260℃的焊接温度，所以ECM在配装至电路板时，目前只能依赖人力手工组装，伴随着手机、PDA、MP3 播放器及数码相机等消费类电子产品市场的发展，ECM正逐渐在这些大批量生产的消费类电子产品领域丧失优势。

MEMS是近年来高速发展的一项新技术，它采用先进半导体制造工艺，可实现MEMS器件的批量制造。与对应的传统器件相比，MEMS器件在耐高温、体积、功耗、重量以及价格方面有十分明显的优势。而利用MEMS 技术制造的微型硅麦克风由于有能耐受表面贴装中高温的优点，正迅速成为 ECM 产品的代替者，近几年微型硅麦克风市场有着相当的高增长。

利用MEMS技术加工的微硅麦克风与传统ECM一个重要不同点在于偏置电压施加方式。ECM是通过存储在麦克风敏感膜片中的常驻电荷对其进行偏置，而微硅麦克风是通过外电源直接对麦克风提供偏置电压，无须在敏感膜中存储常驻电荷，所以没有常驻电荷在高温下流失的危险，因此微硅麦克风可承受在自动化表面贴装工艺中所需经历的高温，从而可采用自动化表面贴装工艺，而非采用人力手工安装。

目前，MEMS器件和集成电路（IC）一般采用多片集成方式集成化，即由不同厂商采用不同的工艺流程在不同芯片上分别独立完成电路和MEMS器件的制作，然后再将两者混合封装集成为一个功能单元。这种方法的好处是制造工艺难度小，MEMS器件的设计及制造可单独优化。该种方法在多种MEMS器件集成中都有应用，例如压阻型传感器等。

然而对于某些应用，如高输出阻抗的压电及电容等类型的传感器，MEMS器件和IC进行单片集成则更有优势，可有效提高器件整体性能并降低干扰噪声的影响。电容式微硅麦克风即具有高输出阻抗的特点，导致其受环境干扰噪音和寄生电容的影响较大，因此微硅麦克风采用单片集成方式相对于采用多片集成式可在器件整体性能、尺寸、功耗等方面有较大提高。

实现MEMS器件和IC单片集成的制作方法有三种：第一，先完成MEMS器件的制作，然后再在同一基片上完成IC的制作；第二，MEMS器件和IC在制作过程中单步工艺相互交叉进行；第三种方法即“后半导体工艺”，先采用标准工艺制作IC，然后再在同一基片上完成MEMS器件的制作。

第一种及第二种方法的缺点是可能引入污染，导致IC失效，并有进一步可能导致设备污染。第三种集成方法的好处是可避免前两种集成方法引入的污染，还可充分利用现有成熟的标准IC制造流程，不必修改IC制造流程，这有助于提高成品率及降低对设备的投资。第三种集成方法的缺点是在IC完成后，为不影响IC性能，在其后MEMS器件制造过程中不能有高温工艺，因为IC制造流程完成后，作为金属电极的铝等金属不能承受400℃以上的高温。而现有MEMS技术中多采用多晶硅等材料作为结构材料，而制备多晶硅的温度一般高于400℃。

因此，如何解决现有技术存在的问题而在同一基片上完成标准的IC和MEMS器件的制作，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SOI衬底且无须经历高温的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法。

本发明的另一目的在于提供一种具有高灵敏度的基于SOI衬底的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成芯片。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案: 一种集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法，其包括如下步骤：

1)提供一SOI基片，所述SOI基片的第一表面具有用于生成集成电路的第一区域及用于生成电容式微硅麦克风的第二区域，所述SOI基片包括硅器件层；

2)按照标准半导体工艺流程在所述第一区域上生成与电容式微硅麦克风电气连接的集成电路，同时，在所述第二区域上形成与制作所述集成电路时一同制作的金属导电层及介质绝缘层；

3)在所述第二区域上部分去除介质绝缘层以露出所述硅器件层，然后进一步去除部分硅器件层以形成背极板图形及多个声孔，所述硅器件层作为麦克风电容的第一极板；

4)采用低温淀积工艺在所述SOI基片的上方淀积牺牲层，所述牺牲层填充所述声孔；

5)在所述牺牲层上生成多晶硅锗薄膜作为所述麦克风电容的第二极板；

6)在所述SOI基片与所述第一表面相对的第二表面形成背腔；及

7)自所述声孔腐蚀所述牺牲层，形成位于所述第一极板与所述第二极板之间的腔体进而使所述第二极板成为可动结构，所述腔体通过所述声孔与所述背腔连通。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤1)中，所述SOI基片包括硅衬底及覆盖于所述硅衬底上的绝缘氧化硅层，所述硅器件层覆盖于所述绝缘氧化硅层上；在步骤3)中，进一步去除部分硅器件层的步骤停止在所述绝缘氧化硅层上；在步骤6)中，所述背腔贯穿所述绝缘氧化硅层及所述硅衬底。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤2)中，所述集成电路为金属氧化物场效应晶体管，该金属氧化物场效应晶体管包括场氧化层、源漏掺杂区、栅导电层、介质绝缘层、金属导电层及钝化层，同时，所述第一区域上的金属导电层及介质绝缘层进一步延伸至所述第二区域。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤4)中，所述牺牲层的材料为多晶锗薄膜，并且该多晶锗薄膜是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤4)中，所述牺牲层的材料为氧化硅，并且该氧化硅是采用等离子体增强气相淀积工艺而生成的。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤5)中，所述多晶硅锗薄膜是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤5)中，在生成所述多晶硅锗薄膜的工艺中采用硅烷、或者锗烷、或者硼烷做为反应物。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤6)中，形成所述背腔的步骤包括：在所述SOI基片的第二表面且对应于所述第二区域处进行光刻，随后采用各向异性腐蚀液湿法腐蚀或者干法刻蚀以部分去除所述SOI基片的所述氧化硅绝缘层。

作为本发明进一步的技术方案，所述各向异性腐蚀液湿法腐蚀中采用的腐蚀液为氢氧化钾或四甲基氢氧化铵。

作为本发明进一步的技术方案，所述干法刻蚀为深槽反应离子刻蚀。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤7)中，采用加热的双氧水腐蚀液自所述声孔腐蚀所述牺牲层以露出与背腔连通的所述声孔，而所述第一极板与第二极板并不会被该加热的双氧水腐蚀；随后用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉部分介质绝缘层以形成所述腔体。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤7)中，采用稀释氢氟酸同时腐蚀掉牺牲层及位于牺牲层下方的介质绝缘层。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤4)中，所述牺牲层还包括覆盖在介质绝缘层上的平坦层；在步骤5)中，所述多晶硅锗薄膜覆盖在所述平坦层上并且也覆盖在所述介质绝缘层上；所述第一极板为背极板，所述第二极板为声音敏感膜，在步骤7)中，所述牺牲层被腐蚀后所留下的部分形成用以支撑所述声音敏感膜的锚点，所述锚点连续处于声音敏感膜的全部边缘、或者分散的处于声音敏感膜的边缘的一点或多点、或者处于声音敏感膜的中心。

为解决上述技术问题，本发明还提供了利用以上方法所制作的一种集成电路与电容式微硅麦克风单片集成芯片。

与现有技术相比，本发明的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法采用低温工艺即可将集成电路器件同微型硅麦克风集成在一起，进而形成具有高灵敏度的集成电路与微硅麦克风单片集成芯片。

附图说明

图1至图6为本发明集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法的制造流程示意图。

图7为本发明集成电路与电容式微硅麦克风单片集成芯片的立体示意图。

具体实施方式

本发明集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法，用于实现电路器件及MEMS器件的单片集成。本制作方法不需对标准半导体工艺进行改变，只需在已经完成标准半导体工艺的电路硅片上继续进行MEMS器件制造，以下将以基于SOI衬底的集成电路与微硅麦克风单片集成为例进行详细说明。

本发明集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法主要包括如下步骤：

第一步：请参图1所示，提供一SOI(Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅)基片20，其第一表面(在本实施例中为上表面)具有用于生成集成电路的第一区域21及用于生成电容式微硅麦克风的第二区域22。所述SOI基片20包括用以作为SOI基底的硅衬底20a、覆盖于硅衬底20a上的绝缘氧化硅层20b、及覆盖于绝缘氧化硅层20b上的硅器件层20c。

第二步：请参图1所示，按照标准半导体工艺流程在所述第一区域21上生成与电容式微硅麦克风电气连接的集成电路，所述集成电路可为场效应晶体管、电阻电容等。为简化图示，本实施方式中的集成电路仅以金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）为例进行说明。在所述第一区域21上由标准半导体工艺形成的MOSFET包括场氧化层25a、源漏掺杂区23、栅导电层24、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27等。同时，第一区域21上的场氧化层25a、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27进一步延伸至所述第二区域22，即所述第二区域22上有与制作集成电路时一同制作的场氧化层25a、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27。

第三步：请参图2所示，在所述第二区域22上部分去除场氧化层25a、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27，以露出硅器件层20c。然后，采用深槽反应离子刻蚀(DRIE)技术、或者光刻及刻蚀工艺去除掉部分硅器件层20c，并刻蚀自停止在绝缘氧化硅层20b上。在所述第二区域22上，整个所述硅器件层20c作为麦克风电容的第一极板（在本实施例中为背极板）。通过上述刻蚀，在所述背极板上形成了背极板图形及多个声孔31。该背极板图形可为圆形、矩形等各种形状。所述声孔31具有实现调节声音敏感膜的振动阻尼、导通声音及帮助释放等功能。

第四步：请参图3所示，在硅衬底20a及绝缘氧化硅层20b的上方，采用低于400℃的低温淀积工艺淀积牺牲层32。所述牺牲层32在顶部生长的同时也会在所述声孔31内部生长，最终填充满声孔31并在声孔31的上方形成覆盖在介质绝缘层25c上的平坦层321。所述牺牲层32的材料包括但不限于采用低压气相淀积(LPCVD)或等离子体增强气相淀积(PECVD)工艺来生成的多晶锗(Poly Ge)薄膜，以及采用等离子体增强气相淀积(PECVD)工艺来生成的氧化硅。

第五步：请参图4所示，采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺，在牺牲层32上生成多晶硅锗(Poly Si1-xGex)薄膜33。所述多晶硅锗薄膜33除了覆盖在牺牲层32上，还覆盖在介质绝缘层25c上以后续形成锚点32a。上述工艺需要采用硅烷、锗烷、硼烷等做为反应物，可根据需要调节各反应物的流量、压力、比例等来形成所需要的硅锗比例，这样可得到满足一定应力及耐腐蚀要求的多晶硅锗薄膜33。然后，对此多晶硅锗薄膜33进行光刻及刻蚀，以形成麦克风电容的第二极板(在本实施例中为声音敏感膜)。同时，通过所述多晶硅锗薄膜33也实现了与金属导电层26进行电气连接的目的，进而使所述电容式微硅麦克风与所述集成电路实现两者的电气连接。所述第二极板33的形状可为圆形、矩形等。

第六步：请参图5所示，在所述SOI基片20与第一表面相对的第二表面(在本实施例中为下表面)对应于第二区域22处进行光刻，随后采用各向异性腐蚀液湿法腐蚀（例如采用氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)等作为腐蚀液）或者干法刻蚀（例如深槽反应离子刻蚀）去除SOI基片20的部分氧化硅绝缘层20b，由此形成背腔34。该背腔34具有传递声音、调节频响等功能。所述背腔34与填充在声孔31中的牺牲层32相连。

第七步：请参图6所示，自所述声孔31腐蚀所述牺牲层32以及介质绝缘层25c，从而使得第二极板成为可动结构。在本实施方式中，如果牺牲层32为多晶锗材料，则腐蚀液为加热的双氧水。由于双氧水腐蚀多晶硅锗和多晶锗的速率相差很大，故可采用加热的双氧水腐蚀液自所述声孔31腐蚀所述由多晶锗形成的牺牲层32，而不会腐蚀由多晶硅锗形成的第二极板。随后用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉介质绝缘层25c。

如果牺牲层32的材料为氧化硅，则可直接采用稀释氢氟酸同时腐蚀掉介质绝缘层25c与牺牲层32。

填充在声孔31中的牺牲层32被腐蚀掉，以露出所述与背腔34连通的声孔31。所述牺牲层32的平坦层321及位于该平坦层321正下方的介质绝缘层25c被腐蚀掉，以形成位于声音敏感膜与背极板之间的腔体36。所述牺牲层32被腐蚀后所留下的部分(即覆盖在介质绝缘层25c上的部分)形成所述锚点32a，用以支撑所述声音敏感膜。所述锚点32a可连续处于声音敏感膜的全部边缘，也可分散处于声音敏感膜的边缘的一点或多点，还可处于声音敏感膜的中心。所述锚点32a处于声音敏感膜的中心的这种方案可以使声音敏感膜对制作或封装引入的应力都不敏感,进而使得产品性能一致性更好。

此外，在制作时，可根据实际需要在所述声音敏感膜上开设窄槽35，以改善电容式微硅麦克风的性能。

请参图6及图7所示，按照以上方法制作出来的基于SOI衬底的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成芯片10包括具有第一区域21及第二区域22的SOI基片20、生成于第一区域21上的集成电路及生成于第二区域22上的电容式微硅麦克风。所述SOI基片20包括用以作为SOI基底的硅衬底20a、覆盖于硅衬底20a上的绝缘氧化硅层20b、及覆盖于绝缘氧化硅层20b上的硅器件层20c。所述硅器件层20c设有第一表面(在本实施例中为上表面)，所述硅衬底20a设有与第一表面相对的第二表面(在本实施例中为下表面)。所述第一区域21及第二区域22位于第一表面上。

所述集成电路包括场氧化层25a、源漏掺杂区23、栅导电层24、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27。需要说明的是：在制作集成电路的过程中，至少第一区域21上的介质绝缘层25c及金属导电层26进一步延伸至所述第二区域22。

所述电容式微硅麦克风包括由所述硅器件层20c形成的第一极板（在本实施例中为背极板）、淀积在所述硅器件层20c上的介质绝缘层25c、与第一极板相对的第二极板(在本实施例中为声音敏感膜)、位于第一极板与第二极板之间的腔体36、淀积在介质绝缘层25c上且用以支撑第二极板的锚点32a。所述第一极板与第二极板构成麦克风电容的两个极板。所述第二极板及锚点32a的材料为多晶硅锗薄膜，并且该多晶硅锗薄膜是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的。所述锚点32a连续处于声音敏感膜的全部边缘、或者分散的处于声音敏感膜的边缘的一点或多点、或者处于声音敏感膜的中心。

另外，所述电容式微硅麦克风还包括贯穿第二表面的背腔34及连通腔体36与背腔34的若干声孔31。所述背腔34贯穿整个硅衬底20a及绝缘氧化硅层20b。所述声孔31设置于硅器件层20c且贯穿整个硅器件层20c。所述第二极板为可动结构，且所述声音敏感膜上开设有与所述腔体36连通的窄槽以改善电容式微硅麦克风的性能。

所述集成电路与电容式微硅麦克风通过金属导电层26电气连接在一起。

综上所述，本发明提出一套“后半导体工艺”的基于SOI衬底的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法，包括在完成标准半导体工艺的基片上采用低温工艺制作背极板、声音敏感膜、牺牲层等结构组成微硅麦克风，以实现微硅麦克风同基片上已有电路的集成，如此可将集成电路器件同微型硅麦克风集成在一起形成具有高灵敏度的单片集成芯片。

以上所述的实施例仅为阐述本发明的技术思想和特点，其目的在于使熟知此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，但并不能作为本发明的保护范围，即凡是依据本发明所揭示的精神而加以修饰或变化，仍应认为纳入本发明的保护范围。本发明要求保护的范围以所附权利要求书界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法，其特征在于，该制作方法包括如下步骤：

1)提供一SOI基片，所述SOI基片的第一表面具有用于生成集成电路的第一区域及用于生成电容式微硅麦克风的第二区域，所述SOI基片包括硅器件层；

2)按照标准半导体工艺流程在所述第一区域上生成与电容式微硅麦克风电气连接的集成电路，同时，在所述第二区域上形成与制作所述集成电路时一同制作的金属导电层及介质绝缘层；

3)在所述第二区域上部分去除介质绝缘层以露出所述硅器件层，然后进一步去除部分硅器件层以形成背极板图形及多个声孔，所述硅器件层作为麦克风电容的第一极板；

4)采用低温淀积工艺在所述SOI基片的上方淀积牺牲层，所述牺牲层填充所述声孔；

5)在所述牺牲层上生成多晶硅锗薄膜作为所述麦克风电容的第二极板；

6)在所述SOI基片与所述第一表面相对的第二表面形成背腔；及

7)自所述声孔腐蚀所述牺牲层，形成位于所述第一极板与所述第二极板之间的腔体进而使所述第二极板成为可动结构，所述腔体通过所述声孔与所述背腔连通。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤1)中，所述SOI基片包括硅衬底及覆盖于所述硅衬底上的绝缘氧化硅层，所述硅器件层覆盖于所述绝缘氧化硅层上；在步骤3)中，进一步去除部分硅器件层的步骤停止在所述绝缘氧化硅层上；在步骤6)中，所述背腔贯穿所述绝缘氧化硅层及所述硅衬底。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤2)中，所述集成电路为金属氧化物场效应晶体管，该金属氧化物场效应晶体管包括场氧化层、源漏掺杂区、栅导电层、介质绝缘层、金属导电层及钝化层，同时，所述第一区域上的金属导电层及介质绝缘层进一步延伸至所述第二区域。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤4)中，所述牺牲层的材料为多晶锗薄膜，并且该多晶锗薄膜是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的。

5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤4)中，所述牺牲层的材料为氧化硅，并且该氧化硅是采用等离子体增强气相淀积工艺而生成的。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤5)中，所述多晶硅锗薄膜是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于：在步骤5)中，在生成所述多晶硅锗薄膜的工艺中采用硅烷、或者锗烷、或者硼烷做为反应物。

8.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于：在步骤6)中，形成所述背腔的步骤包括：在所述SOI基片的第二表面且对应于所述第二区域处进行光刻，随后采用各向异性腐蚀液湿法腐蚀或者干法刻蚀以部分去除所述SOI基片的所述氧化硅绝缘层。

9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述各向异性腐蚀液湿法腐蚀中采用的腐蚀液为氢氧化钾或四甲基氢氧化铵。

10.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述干法刻蚀为深槽反应离子刻蚀。

11.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：在步骤7)中，采用加热的双氧水腐蚀液自所述声孔腐蚀所述牺牲层以露出与背腔连通的所述声孔，而所述第一极板与第二极板并不会被该加热的双氧水腐蚀；随后用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉部分介质绝缘层以形成所述腔体。

12.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：在步骤7)中，采用稀释氢氟酸同时腐蚀掉牺牲层及位于牺牲层下方的介质绝缘层。

13.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤4)中，所述牺牲层还包括覆盖在介质绝缘层上的平坦层；在步骤5)中，所述多晶硅锗薄膜覆盖在所述平坦层上并且也覆盖在所述介质绝缘层上；所述第一极板为背极板，所述第二极板为声音敏感膜，在步骤7)中，所述牺牲层被腐蚀后所留下的部分形成用以支撑所述声音敏感膜的锚点，所述锚点连续处于声音敏感膜的全部边缘、或者分散的处于声音敏感膜的边缘的一点或多点、或者处于声音敏感膜的中心。

14.一种集成电路与电容式微硅麦克风单片集成芯片，其特征在于，该芯片是由权利要求1至权利要求13中任意一项所述的制作方法所形成的。

Images