CN103347241B - 电容式硅麦克风芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式硅麦克风芯片及其制备方法，该芯片包括：硅衬底；形成于衬底上表面的一下沉式凹槽；形成于凹槽中的下极板和振动膜，振动膜以一空气隙为间隔、以一支撑体为支撑、设置于下极板上方，振动膜上设有多个释放孔，释放孔连通芯片外部与空气隙；以及背腔，形成于衬底背部，并延伸至下极板底部；其中，振动膜上表面的高度低于衬底上表面。在利用水刀划片方法对晶圆进行划片时，该芯片可有效避免对芯片造成损伤或污染，从而提高了芯片产能、降低了生产成本。

Description

电容式硅麦克风芯片及其制备方法

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芯片及其制备方法。

背景技术

MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）麦克风的工作原理与传统的驻极体电容式麦克风类似，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。

近年来，随着智能手机、笔记本电脑等电子产品体积不断缩小、性能越来越高，相应地要求配套的电子零部件体积缩小、性能和一致性提高。目前，利用MEMS工艺制成的MEMS硅电容麦克风被批量地应用到手机、笔记本、蓝牙耳机等电子产品中。

MEMS麦克风的核心器件是MEMS麦克风芯片，此芯片可以完成声电转换功能。图1示出一种现有的硅麦克风芯片结构，其形成于硅衬底10上，衬底10背部形成有一背腔101，其内部气压表征了硅麦克风的内部气压，衬底10正面上方设置一个由固定极板102、振动膜103构成的一个平行板电容器，极板102与振动膜103之间具有一空气隙104，作为该平行板电容器的绝缘介质，空气隙104通过极板102上的导气孔（附图未示出）与背腔101导通，振动膜103的周边设有支撑体105，上表面设有多个释放孔106，用于在制备工艺中挥发填充在空气隙104中的材料。当硅麦克风外部有声音信号产生时，外部气压与内部气压的差异将带动振动膜103发生振动，使得平行板电容器的电容值发生变化，在平行板电容器的两极产生电压信号，从而实现声电转换功能。

硅麦克风芯片在硅晶圆上加工制作，而一片硅晶圆有上千颗芯片，需要通过划片来分割成独立MEMS麦克风芯片。图2示出一片硅晶圆，其包括多枚加工完的MEMS麦克风芯片，在划片时先贴上蓝膜对芯片进行保护，再沿虚线划片从而使得各芯片分离开来。现有技术提供的水刀划片方法成本低、易实现，被利用在大部分芯片划片上，但是该方法需要用大压力的水进行冲洗，而对于MEMS麦克风芯片而言，其振动膜极其脆弱、易被损坏、易被污染，鉴于水刀划片方法的精度并不足够高，其会不可避免地会损伤部分芯片，而降低产能，增加生产成本。

因此，提供一种电容式硅麦克风芯片，以便在利用水刀划片方法对晶圆进行划片时，避免对芯片造成损伤或污染，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芯片，其能在晶圆划片时避免对芯片的损伤或污染。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电容式硅麦克风芯片，包括：硅衬底；形成于衬底上表面的一下沉式凹槽；形成于凹槽中的下极板和振动膜，振动膜以一空气隙为间隔、以一支撑体为支撑、设置于下极板上方，振动膜上设有多个释放孔，释放孔连通芯片外部与空气隙；以及背腔，形成于衬底背部，并延伸至下极板底部；其中，振动膜上表面的高度低于衬底上表面。

优选地，衬底上表面与振动膜上表面的高度差为50-100um。

本发明又一目的在于提供一种电容式硅麦克风芯片的制备方法，其制备出的芯片在晶圆划片时，不易受损伤或污染。

为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：

一种制备电容式硅麦克风芯片的方法，包括如下步骤：a)、提供一硅衬底；b)、在硅衬底上表面形成一凹槽，凹槽深度足够容纳电容式硅麦克风的电路元件，电路元件至少包括一下极板、一振动膜和一空气隙；c)、在凹槽底部形成下极板、一牺牲层以及振动膜；其中，振动膜、牺牲层与下极板自上而下垂直分布；d)、在振动膜上形成多个释放孔；e)、自硅衬底背部刻蚀形成一延伸至下极板底面的背腔；f)、通过释放孔挥发部分牺牲层，形成与背腔连通的空气隙，以及形成支撑振动膜的一支撑体。

优选地，凹槽深度为50-120um，振动膜、牺牲层和下极体的厚度分别为0.5-2um、1-5um、1-5um。

优选地，步骤b)具体包括：凹槽通过刻蚀工艺形成，刻蚀材料为SF₆。

优选地，步骤c)具体包括：通过LPCVD工艺在凹槽底部依次沉积形成下极板、牺牲层以及振动膜。

本发明提供的电容式硅麦克风芯片及其制备方法，在利用水刀划片方法对晶圆进行划片时，可有效避免对芯片造成损伤或污染，从而提高了芯片产能、降低了生产成本。且该制备方法实现简单，便于在半导体行业内推广。

附图说明

图1示出现有技术中一硅麦克风芯片结构示意图；

图2示出包含多枚芯片的晶圆结构示意图；

图3示出本发明第一实施例的硅麦克风芯片结构示意图；

图4示出本发明第一实施例的硅麦克风芯片在晶圆划片时贴上蓝膜的结构示意图；

图5示出本发明第二实施例的硅麦克风芯片制备方法流程示意图。

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。

需要说明的是，本发明任一实施例提供的硅麦克风芯片，在制备工艺中，由一包含多枚上述芯片的晶圆进行划片而得到，其中，各枚芯片规格一致，相互之间以划片槽隔离，晶圆结构如图2所示。

如图3所示，本发明第一实施例提供一种硅麦克风芯片，形成于衬底10之上，在衬底10上表面形成有一下沉式凹槽20，在衬底10背部形成有一背腔101。硅麦克风芯片的电路元件包括形成于凹槽20中的下极板202和振动膜203，振动膜203以一空气隙204为间隔、以一支撑体205为支撑、设置于下极板202上方，振动膜203上设有多个释放孔206，释放孔206连通芯片外部与空气隙204；背腔101自衬底10背部延伸至下极板202底部，空气隙204通过极板202上的导气孔（附图未示出）与背腔101导通。

下极板202、振动膜203和空气隙204一起构成了一平行板电容器，下极板202和振动膜203分别为电容器的两极、空气隙204为电容器的绝缘介质。

根据本发明上述实施例，振动膜203上表面的高度低于衬底上表面。

进一步地，衬底10上表面与振动膜203上表面的高度差为50-100um。凹槽20的深度等于上述高度差与下极板202厚度、空气隙204深度与振动膜203厚度之和。

在硅麦克风外部有声音信号时，背腔101内部的气压与硅麦克风外部的气压会有明显差异，两者之间的气压差带动振动膜203振动，使平行板电容器两极之间的距离不断变化，相应地，平行板电容器的电容不断变化，进而在平行板电容器两端产生变化的电压信号，实现了声音信号到电信号的转化。

上述实施例提供的硅麦克风芯片，将电路元件设置于一凹槽20中，其电路元件、尤其是振动膜203距离衬底上表面有一明显的高度差；在进行晶圆划片时，再在衬底上表面贴上一蓝膜30进行保护，蓝膜30不与振动膜203等电路元件接触，如图4所示，使芯片的电路元件、尤其是振动膜203受周边的衬底所保护，从而使芯片在水刀划片时不会受到损伤或污染。

如图5所示，本发明第二实施例提供一种硅麦克风芯片的制备方法，用于制备如本发明上述第一实施例的硅麦克风芯片，包括如下步骤：

步骤S10、提供一硅衬底。

步骤S11、在硅衬底上表面形成一凹槽，凹槽深度应足够容纳电容式硅麦克风的电路元件。

具体地，电路元件至少包括电容式硅麦克风的一下极板、一振动膜和一空气隙，它们一起构成了一平行板电容器，下极板和振动膜分别为电容器的两极、空气隙为电容器的绝缘介质。其中，凹槽通过对硅衬底进行刻蚀工艺而形成，刻蚀材料为SF₆。

进一步地，凹槽深度为50-120um。

步骤S12、在凹槽底部形成下极板、一牺牲层以及振动膜；其中，振动膜、牺牲层与下极板自上而下垂直分布；

具体地，先通过LPCVD工艺沉积形成电容式硅麦克风的下极板，其材料例如为多晶硅或金属铝；再以LPCVD工艺沉积形成牺牲层，其材料例如为PSG或其他有机材料；最后，沉积形成电容式硅麦克风的振动膜，其材料例如为多晶硅或金属铝。

进一步地，振动膜、牺牲层和下极体的厚度分别为0.5-2um、1-5um、1-5um。牺牲层的厚度与空气隙的深度一致，以便在后续工艺中，挥发或刻蚀掉牺牲层材料时，即形成位于振动膜和下极板之间的空气隙。

步骤S13、在振动膜上形成多个释放孔。

具体地，释放孔可通过对振动膜进行图案化形成，用于在制备工艺中挥发或刻蚀填充在空气隙中的牺牲层材料。

步骤S14、自硅衬底背部刻蚀形成一延伸至下极板底面的背腔。

步骤S15、通过释放孔挥发部分牺牲层，形成与背腔连通的空气隙，以及形成支撑振动膜的一支撑体。

具体地，空气隙通过下极板上的多个通气孔与背腔导通；通过释放孔将振动膜与下极板之间填充的牺牲层大部挥发掉或刻蚀掉，而留下外围的一层牺牲层形成为用于支撑振动膜的支撑体。

以该实施例提供的硅麦克风芯片的制备方法，将振动膜等电路元件保护于一圆筒形衬底壁内，在贴上蓝膜进行晶圆划片时不易受损伤或污染，从而有利于提高芯片产能，且该方法实现简单、便于在半导体行业内推广。

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 (8)

1.一种电容式硅麦克风芯片，包括：

硅衬底；

形成于所述衬底上表面的一下沉式凹槽；

形成于所述凹槽中的下极板和振动膜，所述振动膜以一空气隙为间隔、以一支撑体为支撑、设置于所述下极板上方，所述振动膜上设有多个释放孔，所述释放孔连通所述芯片外部与所述空气隙，其中，所述凹槽的深度大于下极板厚度、空气隙深度和振动膜厚度之和；以及，

背腔，形成于所述衬底背部，并延伸至所述下极板底部；

其中，所述振动膜上表面的高度低于所述衬底上表面。

2.如权利要求1所述的硅麦克风芯片，其特征在于，所述衬底上表面与所述振动膜上表面的高度差为50-100um。

3.一种制备如权利要求1所述的电容式硅麦克风芯片的方法，包括如下步骤：

a)、提供一硅衬底；

b)、在所述硅衬底上表面形成一凹槽，所述凹槽深度足够容纳所述电容式硅麦克风的电路元件，所述电路元件至少包括一下极板、一振动膜和一空气隙，其中，所述凹槽的深度大于下极板厚度、空气隙深度和振动膜厚度之和；

c)、在所述凹槽底部形成所述下极板、一牺牲层以及振动膜；其中，所述振动膜、牺牲层与所述下极板自上而下垂直分布；

d)、在所述振动膜上形成多个释放孔；

e)、自所述硅衬底背部刻蚀形成一延伸至所述下极板底面的背腔；

f)、通过所述释放孔挥发部分所述牺牲层，形成与所述背腔连通的空气隙，以及形成支撑所述振动膜的一支撑体。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述凹槽深度为50-120um，所述振动膜、牺牲层和所述下极体的厚度分别为0.5-2um、1-5um、1-5um。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括：所述凹槽通过刻蚀工艺形成，刻蚀材料为SF₆。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤c)具体包括：通过LPCVD工艺在所述凹槽底部依次沉积形成所述下极板、牺牲层以及振动膜。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述下极板与振动膜由多晶硅或金属铝材料制成。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为PSG。