CN103281662A - 电容式硅麦克风及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式硅麦克风的制备方法，电容式硅麦克风与一集成电路集成于同一衬底上，包括：在衬底上形成分别用于制作集成电路和硅麦克分电路的第一、第二区域，第二区域包括一钝化层、一器件组和一介质层，器件组包括第一、第二器件；刻蚀第二区域以形成至少一通气孔；沉积第一牺牲层；去除通气孔之外的第一牺牲层；沉积第二牺牲层；定义空气隙区域，在其上沉积一金属层，以顶部及侧部包覆空气隙区域内的第二牺牲层，并使金属层与第二器件相连；在金属层上形成至少一释放孔；刻蚀形成空气隙与气腔；其中，第一器件为硅麦克风的电容第一极，金属层为硅麦克风的电容第二极。其兼容性好、生产成本低。

Description

电容式硅麦克风及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体加工制造领域，更具体地说，涉及一种电容式硅麦克风及其制备方法。

背景技术

驻极体麦克风的工作原理是以人声通过空气引起驻极体震动膜震动而产生位移，从而使得背电极和驻极体上的金属层这两个电极间的距离产生变化，随之电容也改变，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，由Q=CU可得出当C变化时将引起电容器两端的电压U发生变化，从而输出电信号，实现声信号到电信号的变换。

声电转换的关键元件是驻极体振动膜。而传统的驻极体电容式麦克风在体积缩小上已经接近了极限，其技术和结构上限制体积的进一步缩小，市场急需新的麦克风结构和技术，来满足市场对成本、性能、易用性及设计自由度上的需求。

目前，MEMS麦克风已广泛应用于麦克风制造领域，它是通过与集成电路制造兼容的表面（如硅衬底）加工或体硅加工工艺制造的麦克风，由于可以利用持续微缩的CMOS工艺技术，MEMS麦克风可以做得很小，从而可以广泛地应用到手机、笔记本电脑、摄像机等便携设备中。MEMS麦克风的工作原理与传统的驻极体电容式麦克风（ECM）类似，通过振动膜和基板之间的距离变化引起电容器两端电压的变化，从而实现声电转换过程。

麦克风电路与集成电路一般采用多片集成的方式组合在一起，即在不同的芯片上分别设计并加工好麦克风电路、集成电路，再将它们混合封装为一个整体功能单元。麦克风电路与集成电路分别实现不同的功能，一个提供声电的转换，另一个可以对转换得到的电信号进行进一步的处理，以实现其他更多的功能，例如通过网络与远端进行通话、或进行语音识别等。

但是，以多片组合方式实现的硅麦克风电路与集成电路的集成，在大规模加工制造领域，并不适合大规模推广应用，其将功能不同的芯片组合在一起，往往兼容性较差,适用场合受到限制。另一方面，两种电路的集成往往需要2至3个厂家分别进行不同的工艺流程，重复消耗了不必要的资源，生产成本较高。

因此，将硅麦克风电路与集成电路集成到同一片衬底上，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电容式硅麦克风的制备方法，其将电容式硅麦克风电路与另一集成电路加工于同一衬底上。

为实现上述目的，本发明一技术方案如下：

一种电容式硅麦克风的制备方法，电容式硅麦克风与一集成电路集成于同一衬底上，电容式硅麦克风至少包括一空气隙和一气腔，该方法包括如下步骤：a)、在衬底上形成第一区域和第二区域；其中，第一区域用于制作集成电路，第二区域用于制作硅麦克风电路，其包括一钝化层、一器件组和一介质层，钝化层为第二区域表面层，介质层垂直设置于钝化层下方，器件组埋设于钝化层底部、位于介质层之上，其包括第一器件和第二器件；b)、刻蚀第二区域以形成至少一通气孔，通气孔贯通钝化层与介质层；c)、在第二区域沉积第一牺牲层；d)、去除通气孔之外的第一牺牲层；e)、在第二区域沉积第二牺牲层；f)、对第二牺牲层图案化以定义出空气隙区域，在空气隙区域之上沉积一金属层，以从顶部及侧部包覆空气隙区域内的第二牺牲层，并使金属层与第二器件相连；g)、在金属层上形成至少一释放孔；h)、对第二区域进行刻蚀，去除空气隙区域内的第二牺牲层以形成空气隙，以及去除通气孔中的第一牺牲层、并刻蚀至衬底中以形成气腔；其中，第一器件为硅麦克风的电容第一极，金属层为硅麦克风的电容第二极。

优选地，步骤d)具体包括：对第一牺牲层进行CMP工艺，至钝化层时停止。

优选地，步骤c)中，沉积的第一牺牲层的厚度为4-4.5um，材料为非晶硅或低温多晶硅。

优选地，步骤e)中，第二牺牲层厚度为2.2um，材料为非晶硅或低温多晶硅。

本发明的另一目的在于提供一种电容式硅麦克风结构，其与另一集成电路集成在同一衬底上。

为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：

一种基于半导体衬底制作的电容式硅麦克风，包括：在衬底第一区域形成的集成电路；在衬底第二区域形成的硅麦克风电路；其中，集成电路与硅麦克风电路通过至少一连接点连接，硅麦克风电路包括：一钝化层，其为第二区域表面层；一介质层，设置于钝化层与衬底之间；一器件组，埋设于钝化层底部、位于介质层之上，其包括第一器件和第二器件；一空气隙，位于钝化层上方，用于作为电容式硅麦克风的绝缘介质；一金属层，包括相互连接的第一部与第二部，第一部从顶部及侧部包覆空气隙，其上表面设有至少一释放孔，分别连通电容式硅麦克风外部与空气隙，第二部贯通钝化层与第二器件相连；一气腔，形成于衬底内；以及至少一通气孔，其贯通钝化层与介质层，分别与气腔、空气隙导通；其中，第一器件为电容式硅麦克风的电容第一极，金属层为电容式硅麦克风的电容第二极。

优选地，气腔包括多个连通的腔室，腔室与通气孔一一对应。

优选地，第一部金属层包括一顶面及一侧面，硅麦克风电路还包括一固接体，固接体包覆顶面与侧面的相交处，并向顶面中心、侧面底端分别延伸一定距离。

本发明提供的电容式硅麦克风装置及其制备方法，将电容式硅麦克风与另一集成电路集成制造于同一衬底上，适合大规模的加工制造，尤其适合在一条生产线上加工、整个装置一次成型。其兼容性好、生产成本低。且该装置以金属层形成硅麦克风的振动膜，该金属层从顶部及侧部完全包覆住空气隙，侧部的金属层作为硅麦克风振动膜的支撑体，在刻蚀牺牲层时可作为刻蚀工艺的停止层，利于实现对刻蚀工艺的控制，进而提高了硅麦克风装置的加工精度。

附图说明

图1示出本发明第一实施例的电容式硅麦克风的制备方法流程示意图；

图2A-2G示出本发明第一实施例的电容式硅麦克风的制备方法各步骤中硅麦克风结构示意图；

图3示出本发明第二实施例的电容式硅麦克风结构示意图；

图4示出本发明一改进实施例的电容式硅麦克风结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1和图2A-2G所示，本发明第一实施例提供一种电容式硅麦克风的制备方法，其包括如下步骤：

步骤S10：在衬底上形成第一区域（附图未示出）和第二区域20，此时硅麦克风结构如图2A所示；其中，第一区域用于制作集成电路，第二区域20用于制作电容式硅麦克风电路。

具体地，在后续工艺中，集成电路和硅麦克风电路通过至少一连接点连接、从而组合在一起，混合封装为一个整体功能单元，实现包括声电信号转换在内的更多功能。

第二区域上垂直分布有一钝化层202、一器件组和一介质层201，钝化层202为第二区域的表面层，介质层201垂直设置于钝化层202下方，器件组埋设于钝化层底部、位于介质层之上，其包括第一器件2031和第二器件2032，第一器件2031和第二器件2032分别为硅麦克风电路的一元件，第一器件2031用于在后续工艺中形成为电容式硅麦克风的一电极、第二器件2032与电容式硅麦克风的另一电极（在后续工艺中形成）相连，从而作为一电容器件，并与其他部分电路一起构成整个硅麦克风电路。

进一步地，钝化层202由二氧化硅或氮化硅制成，介质层201由氧化硅制成。器件组可由金属铝制成。

步骤S11：刻蚀第二区域以形成至少一通气孔207，此时硅麦克风结构如图2B所示。

具体地，通气孔207可为一个或多个，其深度正好贯通钝化层202与介质层201、而抵达衬底表面。

进一步地，通气孔207的关键尺寸为6-8um，深度为2.6-3um，该深度等于钝化层与介质层厚度之和。

步骤S12：在第二区域以化学气相沉积工艺沉积第一牺牲层301，此时硅麦克风结构如图2C所示，通气孔207中也沉积并填满第一牺牲层材料。

进一步地，第一牺牲层301的厚度为4-4.5um，材料为非晶硅或低温多晶硅。

步骤S13：去除通气孔207之外的第一牺牲层301，此时硅麦克风结构如图2D所示。

具体地，将第二区域20表面的、通气孔207之外的第一牺牲层301去除，而通气孔207内部沉积的第一牺牲层材料仍得以保留，使第二区域20形成一平坦的表面。

步骤S14：在第二区域20沉积第二牺牲层302，此时硅麦克风结构如图2E所示。

具体地，第二牺牲层302的厚度应根据工艺要求的硅麦克风空气隙的尺寸（高度）来确定，而硅麦克风空气隙的尺寸是决定硅麦克风性能的一关键参数；例如，第二牺牲层302的厚度可为2.2um，材料为非晶硅或低温多晶硅。

步骤S15：定义出空气隙206区域，在其上沉积一金属层204，并使金属层204与第二器件2032相连，此时硅麦克风结构如图2F所示。

具体地，根据工艺要求的硅麦克风空气隙尺寸，先对第二区域20上的第二牺牲层302进行图案化，定义出一块空气隙206区域，并将该空气隙206区域之外的第二牺牲层从第二区域20表面清除掉。沉积的金属层204应从顶部及侧部包覆空气隙206区域内的第二牺牲层302，并使金属层204一部与第二器件2032相连，以在后续工艺中形成为电容式硅麦克风的一电极，该电极也为电容式硅麦克风的振动膜。

该金属层204作为电容式硅麦克风装置的振动膜，其厚度体现硅麦克风的一关键性能，具体由对硅麦克风的工艺要求来确定。

步骤S16：在金属层204上形成至少一释放孔205，此时硅麦克风结构如图2G所示。

进一步地，释放孔205的关键尺寸为3um。

步骤S17：刻蚀第一、第二牺牲层301，302以形成空气隙206与气腔208。

该步骤最终完成整个电容式硅麦克风的制备。具体地，在该步骤中，对第二区域20进行刻蚀，去除空气隙206区域内的第二牺牲层302以形成空气隙206，再去除通气孔207中的第一牺牲层301，进一步刻蚀至衬底中以形成气腔208；刻蚀完成后，第一器件2031形成为硅麦克风的电容第一极，金属层204形成为电容式硅麦克风的电容第二极，同时也是电容式硅麦克风的振动膜，空气隙206侧部的金属层204作为振动膜的支撑体。

进一步地，第一、第二牺牲层301、302制成材料相同，该步骤中采用的刻蚀液体为XF2，通过一次刻蚀，即可完成对第一、第二牺牲层的刻蚀。为在衬底中形成气腔208，可以采用其他材料进一步对衬底进行刻蚀。

根据本发明上述实施例的优选实施方式，在步骤S13中，采用CMP(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)工艺对第二区域20进行处理，以完全去除通气孔207之外的第一牺牲层301，在第二区域20形成一平坦表面，至到达钝化层202表面时停止CMP。

该实施例提供的电容式硅麦克风的制备方法，用于将电容式硅麦克风与另一集成电路集成制造于同一衬底上，其适合大规模的加工制造，尤其适合在一条生产线上加工、整个装置一次成型。其兼容性好、生产成本低。

另一方面，现有技术的硅麦克风制备工艺中，金属制成的振动膜仅从顶部覆盖空气隙，空气隙侧部为硅材料制成的支撑体，在后续的刻蚀工艺中，为了不使支撑体被刻蚀，通常采用时间参数来控制刻蚀过程，而这往往是不精确的，过刻蚀或欠刻蚀都会对硅麦克风的性能带来不利影响，或增加生产成本。

本发明上述实施例中，金属层204沉积于图案化后的第二牺牲层302之上，从顶部及侧部完全包覆住空气隙206，侧部的金属层同时作为整片硅麦克风振动膜的支撑体，在刻蚀牺牲层时还可作为刻蚀工艺的停止层，不必通过时间参数来控制刻蚀的进行，因而利于实现对刻蚀工艺的精确控制，进而提高了硅麦克风装置的加工精度。

如图3所示，本发明第二实施例提供一种电容式硅麦克风装置，其包括在衬底第一区域（附图未示出）形成的集成电路，在衬底第二区域20形成的硅麦克风电路，集成电路与硅麦克风电路通过至少一连接点导通，硅麦克风电路实现声电转换，集成电路可以对转换得到的电信号进行进一步的处理，以使硅麦克风装置具备更多其他的功能。

具体地,硅麦克风电路包括一钝化层202，其为第二区域20表面层；一介质层201，其设置于钝化层202下方、衬底上方；一器件组，埋设于钝化层202底部、位于介质层201之上，其包括第一器件2031和第二器件2032；一空气隙206，其位于钝化层202上方，作为电容式硅麦克风的绝缘介质；一金属层204，其以空气隙206为间隙，设置于钝化层202上方，金属层204第一部从顶部及侧部包覆空气隙206，其上表面设有至少一释放孔205，分别连通电容式硅麦克风外部与空气隙206，金属层204第二部贯通钝化层202与第二器件2032相连；一气腔208，其形成于衬底内、位于介质层201下方；以及至少一通气孔207，其贯通钝化层202与介质层201，分别与气腔208、空气隙206导通。

其中，空气隙206作为电容式硅麦克风的绝缘介质，气腔208中的气压用于定义并表征对应于电容式硅麦克风外部气压的一内部气压。第一器件2031为电容式硅麦克风的电容第一极，金属层204为电容式硅麦克风的电容第二极，并作为硅麦克风的振动膜，第一器件2031与金属层204、以及作为绝缘介质的空气隙206一起作为一电容器件，与其他电路一起构成整个电容式硅麦克风电路。

当声音信号在振动膜两侧产生气压差时，振动膜将产生振动，并使电容两端的电压发生变化，从而实现了将声音信号转变为电信号。第一区域的集成电路可对该电信号进行进一步处理，以实现整个硅麦克风装置更多的功能。

进一步地，气腔208包括多个连通的腔室，而连通气腔208和空气洗206的通气孔207也为多个，腔室与通气孔207一一对应；每个腔室可呈半球形，这种形状的气腔可减少声波的反射，使电容式硅克风装置灵敏度获得提升，在应用于通话装置时语音也更清楚。

该第二实施例提供的电容式硅麦克风装置，可经由前述第一实施例提供的电容式硅麦克风的制备方法加工而得到，其将硅麦克风电路与另一集成电路集成制造于同一衬底上，其中附加的集成电路可扩展、完善硅麦克风的功能，该硅麦克风装置一次成型，便于在一条生产线上加工，适于大规模的加工制造，并具有良好的兼容性。

如图4所示，本发明又一改进实施例提供的电容式硅麦克风装置，包括：在衬底第一区域形成的集成电路；在衬底第二区域形成的硅麦克风电路，两电路通过至少一连接点连接。其中，硅麦克风电路包括：一钝化层202、一介质层201、一包括第一器件2031和第二器件2032的器件组、一空气隙206、一金属层204、一气腔208和至少一通气孔207，这些部件的结构及功能同上述第二实施例中相同。不同的是，本实施例的电容式硅麦克风装置还包括一一固接体400，固接体400包覆金属层204顶面与侧面的相交处，并向顶面中心、侧面底端分别延伸一定距离。其主要作用是强化作为振动膜的金属层的物理强度，以及提高对振动膜的支撑力度。

该固接体400可通过对本发明第一实施例提供的电容式硅麦克风制备方法做出进一步改进而制成。具体地，在第一实施例之步骤S15之后、步骤S16之前，进一步增加如下两个步骤：

步骤m)：在金属层204之上沉积一第二介质层，包覆金属层204的顶面及侧面。

步骤n)：图形化第二介质层以形成一包覆金属层204顶面与侧面相交处、并向顶面中心、侧面底端分别延伸一定距离的固接体400。

进一步地，第二介质层的主体材料包括如下材料中的任一种或任多种：氮化硅；氧化硅；以及氮氧化硅。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种基于半导体衬底制作的电容式硅麦克风，包括：

在所述衬底第一区域形成的集成电路；

在所述衬底第二区域形成的硅麦克风电路；

其中，所述集成电路与所述硅麦克风电路通过至少一连接点连接，所述硅麦克风电路包括：

一钝化层，其为所述第二区域表面层；

一介质层，设置于所述钝化层与所述衬底之间；

一器件组，埋设于所述钝化层底部、位于所述介质层之上，其包括第一器件和第二器件；

一空气隙，位于所述钝化层上方，用于作为所述电容式硅麦克风的绝缘介质；

一金属层，包括相互连接的第一部与第二部，所述第一部从顶部及侧部包覆所述空气隙，其上表面设有至少一释放孔，分别连通所述电容式硅麦克风外部与所述空气隙，所述第二部贯通所述钝化层与所述第二器件相连；

一气腔，形成于所述衬底内；以及

至少一通气孔，其贯通所述钝化层与所述介质层，分别与所述气腔、所述空气隙导通；

其中，所述第一器件为所述电容式硅麦克风的电容第一极，所述金属层为所述电容式硅麦克风的电容第二极。

2.如权利要求1所述的电容式硅麦克风，其特征在于，所述气腔包括多个连通的腔室，所述腔室与所述通气孔一一对应。

3.如权利要求1或2所述的电容式硅麦克风，其特征在于，所述第一部金属层包括一顶面及一侧面，所述硅麦克风电路还包括一固接体，所述固接体包覆所述顶面与侧面的相交处，并向所述顶面中心、所述侧面底端分别延伸一定距离。

4.一种电容式硅麦克风的制备方法，所述电容式硅麦克风与一集成电路集成于同一衬底上，所述电容式硅麦克风至少包括一空气隙和一气腔，该方法包括如下步骤：

a)、在所述衬底上形成第一区域和第二区域；其中，所述第一区域用于制作所述集成电路，所述第二区域用于制作所述硅麦克风电路，其包括一钝化层、一器件组和一介质层，所述钝化层为所述第二区域表面层，所述介质层垂直设置于所述钝化层下方，所述器件组埋设于所述钝化层底部、位于所述介质层之上，其包括第一器件和第二器件；

b)、刻蚀所述第二区域以形成至少一通气孔，所述通气孔贯通所述钝化层与介质层；

c)、在所述第二区域沉积第一牺牲层；

d)、去除所述通气孔之外的所述第一牺牲层；

e)、在所述第二区域沉积第二牺牲层；

f)、对所述第二牺牲层图案化以定义出空气隙区域，在所述空气隙区域之上沉积一金属层，以从顶部及侧部包覆所述空气隙区域内的第二牺牲层，并使所述金属层与所述第二器件相连；

g)、在所述金属层上形成至少一释放孔；

h)、对所述第二区域进行刻蚀，去除所述空气隙区域内的第二牺牲层以形成所述空气隙，以及去除所述通气孔中的第一牺牲层、并刻蚀至所述衬底中以形成所述气腔；

其中，所述第一器件为所述硅麦克风的电容第一极，所述金属层为所述硅麦克风的电容第二极。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤d)具体包括：对所述第一牺牲层进行CMP工艺，至所述钝化层时停止。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述通气孔的关键尺寸为6-8um，深度为2.6-3um。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，沉积的所述第一牺牲层的厚度为4-4.5um，材料为非晶硅或低温多晶硅。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤e)中，所述第二牺牲层厚度为2.2um，材料为非晶硅或低温多晶硅。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤g)中，所述释放孔的关键尺寸为3um。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤h)中，采用的刻蚀液体为XF₂。

11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钝化层由二氧化硅或氮化硅材料制成，所述介质层由氧化硅材料制成。

12.如权利要求4至11中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤f)之后、所述步骤g)之前还包括步骤：

m)、在所述金属层之上沉积一第二介质层，包覆所述金属层的顶面及侧面；

n)、图形化所述第二介质层以形成一包覆所述金属层顶面与侧面相交处、并向所述顶面中心、所述侧面底端分别延伸一定距离的固接体。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二介质层的材料包括如下材料中的任一种或任多种：

氮化硅；

氧化硅；以及，

氮氧化硅。

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