CN103281663A - 集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法，包括如下步骤：S1：提供一单晶硅基片，具有第一区域及第二区域；S2：在第一区域上生成集成电路，同时，在第二区域上形成金属导电层及介质绝缘层；S3：在第二区域上形成若干声孔，进而形成上腔体；S4：在第二区域上淀积牺牲层，牺牲层包括位于声孔的上方且覆盖在介质绝缘层上的平坦层；S5：在牺牲层和介质绝缘层上采用低温淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成与金属导电层电性连接的多晶硅锗薄膜，进而生成声音敏感膜；S6：于硅基片的下表面上内凹形成有与上腔体连通的下腔体；S7：腐蚀牺牲层及去除介质绝缘层以形成振动空间，以使声音敏感膜变为可动结构。

Description

集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法。

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低成本，无须经历高温，且具有高灵敏度的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法。

为实现前述目的，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，包括如下步骤：

S1：提供一单晶硅基片，所述单晶硅基片具有相对设置的上表面和下表面，所述上表面具有用以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；

S2：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；

S3：在所述第二区域上去除部分介质绝缘层以形成声孔图形，然后按照所述声孔图形于单晶硅基片的上表面向下凹陷形成若干声孔，进而于声孔的底部将若干声孔连接以形成上腔体；

S4：在所述第二区域上淀积牺牲层，所述牺牲层包括位于声孔的上方且覆盖在介质绝缘层上的平坦层；

S5：在所述牺牲层和介质绝缘层上采用低温淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成与金属导电层电性连接的多晶硅锗薄膜，进而生成声音敏感膜；

S6：于所述硅基片的下表面上内凹形成有与上腔体连通的下腔体；

S7：腐蚀所述牺牲层及去除所述平坦层正下方的介质绝缘层以形成振动空间，以使声音敏感膜变为可动结构。

作为本发明的进一步改进，在所述S3步骤中，所述声孔通过在单晶硅基片的上表面上采用各向异性深反应离子刻蚀工艺得到。

作为本发明的进一步改进，在所述S3步骤中，所述上腔体采用将反应离子通过声孔射入单晶硅基片中对其进行刻蚀所得到。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S4中，采用低于400℃的低温淀积工艺或者采用等离子体增强气相淀积工艺形成牺牲层。

作为本发明的进一步改进，所述牺牲层的材料为氧化硅-多晶硅双层薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S7包括：先用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉氧化硅；再用加热的双氧水腐蚀多晶锗；最后用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉介质绝缘层。

作为本发明的进一步改进，所述牺牲层的材料为氧化硅。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S7包括采用稀释氢氟酸同时腐蚀掉介质绝缘层与牺牲层。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S5中，采用低于400℃的低压气相淀积工艺形成多晶硅锗薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述低压气相淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺需要采用硅烷、锗烷、硼烷等作为反应物。

本发明的有益效果是：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中通过采用单晶硅基片，采用低温淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成用以形成声音敏感膜的多晶硅锗薄膜，进而形成低成本、无须经历高温且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。

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，以下将以基于单晶硅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S1至S7步骤：

S1：请参图1所示，提供一单晶硅基片20，所述单晶硅基片20具有相对上表面201和下表面202。上表面201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。

S2：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。诚然，上述第二区域22上也可以仅制作介质绝缘层25c、金属导电层26。

S3：请参图1所示，在所述第二区域22上去除部分场氧化层25a、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27，以露出单晶硅层20的上表面201并形成声孔图形28。请参见图2所示，然后，按照声孔图形于单晶硅基片20的上表面向下凹陷形成若干深孔31。该深孔31亦为后续工艺中位于背极板上的声孔，进而于深孔31的底部将深孔31连接以形成上腔体32，在形成上腔体32的同时，上腔体32上方形成网状硅膜38，该网状硅膜38作为麦克风电容的第一极板，命名为背极板。

上述深孔31采用各向异性深反应离子刻蚀工艺在单晶硅基片20进行刻蚀所得到。上腔体32采用将反应离子通过声孔射入单晶硅基片20中对其进行刻蚀所得到，其具体可采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合，或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺，或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片20进行处理，以使深孔31底部被连通以于单晶硅片20内形成所得。在本实施例中，所述上腔体32采用各向异性深反应离子刻蚀工艺得到。由于该上腔体32采用各向异性深反应离子刻蚀工艺进行腐蚀得到，所以，所述网状硅膜38形成面向上腔体32的收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。除本实施例外，如果采用所述上腔体32还可以采用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片进行腐蚀得到，那么所述网状硅膜38形成面向上腔体32的收缩端沿平行于竖直面的剖面为圆弧面。

S4：请参图3所示，在硅衬底20的上方，采用低于400℃的低温淀积工艺淀积牺牲层33。所述牺牲层33包括位于声孔的上方且覆盖在介质绝缘层25c上的平坦层331、填充声孔的填充层332及填充上腔体的自停止层333。所述牺牲层33的材料包括但不限于采用低压气相淀积（LPCVD）来生成的氧化硅-多晶锗（Poly Ge）双层薄膜。自停止层333由氧化硅形成。诚然，上述牺牲层还可以为采用等离子体增强气相淀积（PECVD）工艺来生成的氧化硅-多晶锗（Poly Ge）双层薄膜，或者采用等离子体增强气相淀积（PECVD）工艺来生成的氧化硅。

S5：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33上生成多晶硅锗（Poly Si1-xGex）薄膜34。所述多晶硅锗薄膜34除了覆盖在牺牲层33上外，还形成覆盖在介质绝缘层25c上以形成后续的锚点34a。上述低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺需要采用硅烷、锗烷、硼烷等作为反应物。在具体操作中，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34。然后，对此多晶硅锗薄膜34进行光刻及刻蚀，以形成麦克风电容的第二极板34b，命名为声音敏感膜。在本实施例中，所述第二极板34b的形状为圆形，当然其还可以为其他形成，如矩形。

在本步骤中，所述多晶硅锗（Poly Si1-xGex）薄膜34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电气连接。

S6：请参图5所示，在所述硅基片20与上表面相对的下表面202且在对应于第二区域22处进行光刻以得到下腔体图形，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）工艺于下表面202上内凹形成与上腔体32连通的下腔体35。该下腔体35停止在自停止层333上。所述上腔体32和下腔体35组合形成麦克风的背腔。所述背腔具有传递声音、调节频响等功能。

S7：请参图6所示，腐蚀所述牺牲层以及去除背极板38和声音敏感膜34b之间的介质绝缘层，从而使得声音敏感膜34b成为可动结构。在本实施方式中，如果牺牲层为氧化硅-多晶锗双层材料，则先用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉下层氧化硅；再用加热的双氧水腐蚀多晶锗；最后采用稀释氢氟酸腐蚀掉介质绝缘层。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，而不会腐蚀由多晶硅锗形成的背极板38。如果牺牲层的材料为氧化硅，则可直接采用稀释氢氟酸同时腐蚀掉介质绝缘层与牺牲层。

上述填充在声孔31中的填充层被腐蚀掉，以露出所述与背腔36连通的声孔31。所述牺牲层的平坦层及位于该平坦层正下方的介质绝缘层25c被腐蚀掉，以形成位于声音敏感膜34b与背极板38之间的振动空间36。所述介质绝缘层25c被腐蚀后所留下的部分，即覆盖在介质绝缘层25c上的部分形成上述所提到的锚点34a。所述锚点34a用以支撑声音敏感膜34b。锚点34a可连续处于声音敏感膜34b的全部边缘，也可分散处于声音敏感膜34b的边缘的一点或多点，还可处于声音敏感膜34b的中心。所述锚点34a处于声音敏感膜34b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34b上开设窄槽37，以改善电容式微硅麦克风的性能。

请参图6所示，按照以上方法制作出来的基于单晶硅衬底的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成芯片包括具有相对上表面和下表面。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自上表面的第一区域22向下内凹形成的背极板38、淀积在所述第一区域22上的介质绝缘层25c、相对背极板38设置且位于背极板38上方的声音敏感膜34b、形成在背极板38和声音敏感膜之间的振动空间36、淀积在介质绝缘层25c上且用以支撑声音敏感膜34b的锚点34a、贯穿下表面的背腔39，所述背极板38上形成有若干贯穿所述背极板38且连通振动空间36和背腔39的声孔31。所述声音敏感膜34b上开设有与所述腔体36连通的窄槽37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。在本实施例中，所述锚点34a连续处于声音敏感膜34b的全部边缘诚然，所述锚点34a分散的处于声音敏感膜34b的边缘的一点或多点，或者处于声音敏感膜的中心。

综上所述，本发明提出一套“后半导体工艺”的基于单晶硅基片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sensa工艺制作背极板38、采用低温淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成用以形成声音敏感膜34b的多晶硅锗薄膜、牺牲层33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低成本、无需经历高温且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 (10)

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：所述制作方法包括如下步骤：

S1：提供一单晶硅基片，所述单晶硅基片具有相对设置的上表面和下表面，所述上表面具有用以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；

S2：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；

S3：在所述第二区域上去除部分介质绝缘层以形成声孔图形，然后按照所述声孔图形于单晶硅基片的上表面向下凹陷形成若干声孔，进而于声孔的底部将若干声孔连接以形成上腔体；

S4：在所述第二区域上淀积牺牲层，所述牺牲层包括位于声孔的上方且覆盖在介质绝缘层上的平坦层；

S5：在所述牺牲层和介质绝缘层上采用低温淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成与金属导电层电性连接的多晶硅锗薄膜，进而生成声音敏感膜；

S6：于所述硅基片的下表面上内凹形成有与上腔体连通的下腔体；

S7：腐蚀所述牺牲层及去除所述平坦层正下方的介质绝缘层以形成振动空间，以使声音敏感膜变为可动结构。

2.根据权利要求1所述的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：在所述S3步骤中，所述声孔通过在单晶硅基片的上表面上采用各向异性深反应离子刻蚀工艺得到。

3.根据权利要求1所述的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：在所述S3步骤中，所述上腔体采用将反应离子通过声孔射入单晶硅基片中对其进行刻蚀所得到。

4.根据权利要求1所述的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：在所述步骤S4中，采用低于400℃的低温淀积工艺或者采用等离子体增强气相淀积工艺形成牺牲层。

5.根据权利要求4所述的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：所述牺牲层的材料为氧化硅-多晶硅双层薄膜。

6.根据权利要求5所述的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：所述步骤S7包括：先用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉氧化硅；再用加热的双氧水腐蚀多晶锗；最后用稀释的氢氟酸溶液腐蚀掉介质绝缘层。

7.根据权利要求4所述的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：所述牺牲层的材料为氧化硅。

8.根据权利要求7所述的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：所述步骤S7包括采用稀释氢氟酸同时腐蚀掉介质绝缘层与牺牲层。

9.根据权利要求1所述的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：在所述步骤S5中，采用低于400℃的低压气相淀积工艺形成多晶硅锗薄膜。

10.根据权利要求1或9所述的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：在所述步骤S5中，所述低压气相淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺需要采用硅烷、锗烷、硼烷等作为反应物。

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