CN103369452B

CN103369452B - 电容式硅麦克风的制备方法

Info

Publication number: CN103369452B
Application number: CN201310312152.0A
Authority: CN
Inventors: 王伟军; 康晓旭; 陈燕
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: CN103369452A

Abstract

本发明涉及一种电容式硅麦克风的制备方法，包括：提供一衬底，其上设有一电路区域，电路区域至少包括垂直分布的一钝化层、一器件组和一介质层，钝化层为电路区域表面层，介质层设置于钝化层下方，器件组埋设于钝化层底部，其包括第一器件和第二器件；在电路区域沉积一牺牲层；对牺牲层图案化以定义出空气隙区域；在电路区域之上沉积一金属层，并使金属层与第二器件相连；以图案化方法形成至少一释放孔，释放孔贯通金属层；以金属层为掩膜，刻蚀牺牲层、钝化层与介质层形成与释放孔位置一一对应的通气孔；对电路区域进行刻蚀，去除牺牲层以形成空气隙，并继续刻蚀至衬底中以形成气腔。其工艺流程简单，生产成本低。

Description

电容式硅麦克风的制备方法

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的制备方法。

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。

现有技术提供的电容式硅麦克风的制备方法，包括了多个工艺步骤，其中包括：气相沉积、平坦化、光刻和湿法刻蚀等，这些步骤组合、重复并交替进行，工艺复杂，其中多次进行的光刻步骤，使整个工艺实现成本较高。

本发明提出另一种相对简化的电容式硅麦克风的制备方法，其工艺实现简单、有利于降低生产成本，可在半导体加工制造领域推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式硅麦克风的制备方法。

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的制备方法，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)、提供一衬底，衬底上设有一电路区域，用于制作硅麦克风电路，电路区域至少包括垂直分布的一钝化层、一器件组和一介质层，钝化层为电路区域表面层，介质层设置于钝化层下方，器件组埋设于钝化层底部，其包括第一器件和第二器件；b)、在电路区域沉积一牺牲层；c)、对牺牲层图案化以定义出空气隙区域；d)、在电路区域之上沉积一金属层，并使金属层与第二器件相连；e)、以图案化方法形成至少一释放孔，释放孔贯通金属层；f)、以金属层为掩膜，刻蚀牺牲层、钝化层与介质层形成与释放孔位置一一对应的通气孔，用于连通空气隙与气腔；g)、对电路区域进行刻蚀，去除牺牲层以形成空气隙，并继续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，在步骤a)之后、步骤b)之前，还包括步骤：对钝化层进行CMP工艺，以使电路区域表面平坦化。

优选地，在步骤c)之后、步骤d)之前，还包括步骤：在电路区域生长一层SiN薄膜；以及以图案化方法在薄膜上形成至少一开口。

优选地，步骤e)具体包括：刻蚀金属层，至SiN薄膜时停止，形成释放孔；步骤f)具体包括：刻蚀SiN薄膜，至牺牲层时停止；刻蚀牺牲层至钝化层时停止；以及刻蚀钝化层、介质层至衬底时停止，以形成通气孔。

优选地，在步骤d)之后、步骤e)之前还包括步骤：在金属层之上沉积一第二介质层，包覆金属层的顶面及侧面；以及图案化第二介质层以形成一包覆金属层顶面与侧面相交处、并向顶面中心、侧面底端分别延伸一定距离的固接体。

本发明提供的电容式硅麦克风的制备方法，一方面工艺流程相对简单、便于实现；另一方面，其以非光刻的方式形成通气孔，减少了一次光刻步骤，有利于降低生产成本，可在半导体加工制造领域推广应用。

附图说明

图1示出本发明一实施例的电容式硅麦克风制备方法流程示意图；

图2A-2G中示出本发明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示出通过本发明第二实施例的电容式硅麦克风的制备方法得到的电容式硅麦克风结构示意图；

图4示出通过本发明第三实施例的电容式硅麦克风的制备方法得到的电容式硅麦克风结构示意图；

图5示出通过本发明第四实施例的电容式硅麦克风的制备方法得到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以及图2A-2G所示，本发明第一实施例提供的电容式硅麦克风的制备方法，包括如下各步骤：

步骤S10：提供一衬底，衬底上设有一电路区域10，用于制作硅麦克风电路。

具体地，电路区域10上垂直分布有一钝化层102、一器件组和一介质层101，钝化层102为电路区域的表面层，介质层101垂直设置于钝化层102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1032，第一器件1031和第二器件1032分别为硅麦克风电路的一元件，第一器件1031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1032与电容式硅麦克风的另一电极（在后续工艺中形成）相连，从而形成为一平行板电容器，并与其他部分电路一起构成整个硅麦克风电路。此时硅麦克风结构如图2A所示。

进一步地，钝化层102由二氧化硅或氮化硅制成，介质层101由氧化硅材料制成。器件组可由金属铝制成。

步骤S11：在电路区域10上沉积一牺牲层104。

具体地，该牺牲层为均匀沉积，其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，牺牲层厚度为2um，材料为非晶硅或低温多晶硅。此时硅麦克风结构如图2B所示。

步骤S12：对牺牲层以图案化方法定义出空气隙区域。

具体地，根据工艺要求的硅麦克风空气隙尺寸，对电路区域10上的牺牲层104进行图案化，定义出一块空气隙区域，并将该空气隙区域之外的牺牲层从电路区域10表面清除掉。此时硅麦克风结构如图2C所示。

步骤S13：在电路区域10上沉积一金属层105，并使金属层一部与第二器件1032相连。

具体地，金属层105沉积于牺牲层104上方、覆盖电路区域10的上表面，其从上方包覆空气隙区域内的牺牲层104，并使金属层105一部与第二器件1032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。此时硅麦克风结构如图2D所示。

进一步地，金属层105均匀沉积，厚度为2.84um，其材料可为金属铝。

步骤S14：以图案化方法在金属层105上形成至少一个释放孔1051。

具体地，释放孔1051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，其贯通金属层105，停止于牺牲层104上表面。此时硅麦克风结构如图2E所示。

步骤S15：以金属层105为掩膜，刻蚀牺牲层104、钝化层102与介质层101，形成通气孔106。

具体地，通气孔106与释放孔1051的位置一一对应，用于连通电容式硅麦克风的空气隙与气腔。此时硅麦克风结构如图2F所示。

其中，刻蚀以金属层105为掩膜，垂直向下进行、而不横向刻蚀，依次贯通牺牲层104、钝化层102和介质层101，抵达衬底区域时停止，形成与释放孔1051上下连通的通气孔106。

步骤S16：对电路区域10进行刻蚀，去除牺牲层104形成空气隙108、继续刻蚀至衬底内部形成一个气腔107。

具体地，该步骤S16中，采用各向同性刻蚀材料，通过释放孔1051去除剩余的牺牲层104以完全形成空气隙108，再进一步向下刻蚀衬底形成气腔107。此时硅麦克风结构如图2G所示。

在硅麦克风外部有声音信号时，气腔107内部气压与硅麦克风外部气压之差，将引起由金属层105形成的振动膜的振动，从而改变平行板电容器的电容值，实现声音信号到电压信号的转换。气腔107可能包括多个分腔室，相互连通。

进一步地，该步骤S16中，采用的刻蚀气体为XeF₂，进行各向同性刻蚀。

上述实施例提供的电容式硅麦克风制备方法，以不同于现有技术的另一种工艺流程制备电容式硅麦克风，其工艺流程相对简单、便于实现；且其采用以金属层为掩膜的刻蚀方式形成通气孔，不需涂光刻胶、也不需提供掩膜板，从而减少了一次光刻步骤，有利于降低生产成本，可在半导体加工制造领域推广应用。

进一步地，在步骤S10之后、步骤S11之前还可以包括一平坦化步骤，其对钝化层102进行CMP工艺，使电路区域10表面平坦化，以便通过均匀沉积牺牲层等工艺步骤形成尺寸均一的空气隙。

本领域技术人员理解，在上述步骤S14、S15中，形成释放孔1051以及形成通气孔106的工艺步骤中，刻蚀材料的切换会使部分硅麦克风的电路元件受到损害，而以刻蚀时间来控制这种切换则很不精确。

对此，本发明第二实施例以提供刻蚀停止层或阻挡层的方式，来更精确地实现刻蚀材料的切换，尽量避免刻蚀对电路元件的损害。

该实施例为在上述第一实施例基础上改进而得到，其对应的步骤S10、S11、S13及S16与上述第一实施例相同，而其与上述第一实施例差异在于，在步骤S11之后、步骤S12之前还包括如下步骤：

在牺牲层104表面沉积一层SiN薄膜。

与此相应地，步骤S12具体包括：对牺牲层及SiN薄膜以图案化方法定义出空气隙区域。步骤S14具体包括：刻蚀金属层105，至SiN薄膜时停止，形成释放孔1051。步骤S15具体包括：刻蚀SiN薄膜，至牺牲层104时停止；刻蚀牺牲层104，至钝化层102时停止；刻蚀钝化层102、介质层101，至衬底时停止，形成通气孔106。

由上述第二实施例得到的电容式硅麦克风结构如图3所示，在其制备过程中，SiN薄膜110可作为刻蚀金属层105时的停止层或阻挡层，防止该刻蚀步骤对其他电路元件的损害。根据该第二实施例，包括金属层与SiN薄膜、SiN薄膜与牺牲层、牺牲层与钝化层、钝化层（介质层）与衬底在内的，任两个相邻层的材料之间均具有较高的刻蚀选择比，从而以后一种材料作为前一种材料的停止层或阻挡层，可更好地实现刻蚀形貌。

本发明第三实施例同样根据上述第一实施例进一步改进而得到，其对应的步骤S10、S11、S12、S13及S16与上述第一实施例相同，其与上述第一实施例差异在于，在步骤S12之后、步骤S13之前还包括如下步骤：

在图案化的牺牲层104表面沉积一层SiN薄膜。

与此相应地，步骤S14具体包括：刻蚀金属层105，至SiN薄膜时停止，形成释放孔1051。步骤S15具体包括：刻蚀SiN薄膜，至牺牲层104时停止；刻蚀牺牲层104，至钝化层102时停止；刻蚀钝化层102、介质层101，至衬底时停止，形成通气孔106。

根据该第三实施例，SiN薄膜110除了在电容式硅麦克风制备过程中作为刻蚀金属层105时的停止层或阻挡层外，还延伸到金属层105侧壁上、还可进一步向外围延伸一定距离，以增强振动膜支撑强度。由上述第三实施例得到的电容式硅麦克风结构如图4所示。

本发明第四实施例，根据上述第一实施例进一步改进而得到，其对应步骤S10、S11、S12、S13、S14、S15及S16与上述第一实施例相同，其与上述第一实施例差异在于，在步骤S13之后、步骤S14之前，还包括如下工艺步骤：

在金属层105之上沉积一第二介质层，其包覆金属层105的顶面以及侧面；以及，

图案化该第二介质层，形成一包覆金属层105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109。

通过上述改进的制备方法，得到的电容式硅麦克风结构如图5所示，其中固接体109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。

具体地，第二介质层的材料可以为氮化硅；氧化硅；或氮氧化硅；或它们的混合材料。

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

1.一种电容式硅麦克风的制备方法，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)、提供一衬底，所述衬底上设有一电路区域，用于制作所述硅麦克风电路，所述电路区域至少包括垂直分布的一钝化层、一器件组和一介质层，所述钝化层为所述电路区域表面层，所述介质层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，其包括第一器件和第二器件；

b)、在所述电路区域沉积一牺牲层；

c)、对所述牺牲层图案化以定义出空气隙区域；

d)、在所述电路区域之上沉积一金属层，并使所述金属层与所述第二器件相连；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；以及图案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；

e)、以图案化方法形成至少一释放孔，所述释放孔贯通所述金属层；

f)、以所述金属层为掩膜，刻蚀所述牺牲层、钝化层与介质层形成与所述释放孔位置一一对应的通气孔，用于连通所述空气隙与气腔；

g)、对所述电路区域进行刻蚀，去除所述牺牲层以形成所述空气隙，并继续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。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤a)之后、所述步骤b)之前，还包括步骤：

对所述钝化层进行CMP工艺，以使所述电路区域表面平坦化。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)之后、所述步骤d)之前，还包括步骤：

在所述电路区域生长一层S_iN薄膜；以及

以图案化方法在所述薄膜上形成至少一开口。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤e)具体包括：

刻蚀所述金属层，至所述S_iN薄膜时停止，形成所述释放孔；

所述步骤f)具体包括：

刻蚀所述S_iN薄膜，至所述牺牲层时停止；

刻蚀所述牺牲层至所述钝化层时停止；以及

刻蚀所述钝化层、介质层至所述衬底时停止，

以形成所述通气孔。

5.如权利要求1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。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲层材料为非晶硅或低温多晶硅，厚度均匀，厚度为2um。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属层厚度均匀，厚度为2.84um。

8.如权利要求1所述的制备方法，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。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤g)中，采用的刻蚀气体为XeF₂。