CN103491490B - 一种mems麦克风结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS麦克风芯片，其与集成电路集成于PCB基板上以形成MEMS麦克风结构，所述麦克风芯片包括：半导体衬底；第一介质层；第一器件层，其包括相互分隔的麦克风下电极及电容下极板；第二介质层；第二器件层，其包括相互分隔的麦克风上电极及电容上极板；麦克风上电极位于麦克风下电极的上方并与所述麦克风下电极之间形成空气隙；电容上极板通过第二介质层支撑于电容下极板的正上方；电容上极板、电容下极板及两者间的第二介质层形成去耦电容。本发明还提供了一种具有上述麦克风芯片的麦克风结构及制造方法，能够实现MEMS麦克风结构的轻薄化及制造工艺的简单化。

Description

一种MEMS麦克风结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风结构及其制造方法。

背景技术

近年来，随着移动通信技术的快速发展，消费者越来越多地使用通信设备，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等；并且这些电子产品体积不断缩小、性能越来越高，相应的要求配套的电子元件的体积不断减小、且性能和一致性提高。目前，利用MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System微电子机械系统）工艺集成的MEMS硅电容麦克风是通过与集成电路制造兼容的表面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，使得它可以广泛地批量应用到手机、笔记本电脑、蓝牙耳机、平板电脑和摄像机等电子产品中。

如图1所示，MEMS麦克风通常包括PCB基板4，其上安装有相互电连接的MEMS麦克风芯片1和集成前置放大器的专用集成电路ASIC芯片2，以及去耦电容元件3，PCB基板4被金属屏蔽罩5覆盖。其中，MEMS麦克风芯片1是MEMS麦克风的核心器件，此芯片可以完成声电转换功能。它包括硅衬底、衬底上设置有上下贯通的腔体，衬底上方设置一个由固定极板11、振动膜12构成的平行板电容器；振动膜11受外界声音信号影响发生振动，使得平行板电容器的电容值发生变化，产生电信号，实现声电转换功能。ASIC芯片2则对MEMS麦克风芯片1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。去耦电容3则起到隔离信号和地、电源和地之间的噪声的作用。在图1所示的MEMS麦克风中，去耦电容3是贴装于PCB基板4上，如此一来将占用较大面积，不利于MEMS麦克风的轻薄化。为了改善这一缺点，提供了另一种MEMS麦克风结构。请参考图2，通过在PCB基板4上集成埋层电容3’来替代贴装的去耦电容元件，然而PCB埋层电容大大增加了PCB基板加工的工艺复杂性及成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风结构及MEMS麦克风芯片的制造方法，用以有效降低工艺复杂度和成本，同时有利于MEMS麦克风结构的轻薄化。

为达成上述目的，本发明提供一种MEMS麦克风芯片，其与集成电路集成于PCB基板上以形成MEMS麦克风结构，其包括：半导体衬底，其具有腔体；第一介质层，形成于所述衬底上方，具有与所述腔体相通的通孔；第一器件层，形成于所述第一介质层上方，其包括相互分隔的麦克风下电极及电容下极板，所述麦克风下电极位于所述通孔的上方且至少部分与所述第一介质层接触；第二介质层，形成于所述第一器件层上方；第二器件层，形成于所述第二介质层上方，其包括相互分隔的麦克风上电极及电容上极板，所述麦克风上电极位于所述麦克风下电极的上方并与所述麦克风下电极之间形成空气隙；所述电容上极板通过所述第二介质层支撑于所述电容下极板的正上方；所述电容上极板、电容下极板及两者间的所述第二介质层形成去耦电容。

可选的，所述第一器件层和所述第二器件层的材料为金属和/或多晶硅材料。

可选的，所述第一介质层和所述第二介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述麦克风上电极为振动膜，所述麦克风下电极为背电极；或所述麦克风上电极为背电极，所述麦克风下电极为振动膜。

可选的，所述去耦电容的数量为2个，所述电容上极板包括分开的第一上极板和第二上极板，所述电容下极板包括分开的第一下极板和第二下极板。

本发明还提供了一种具有上述麦克风芯片的麦克风结构，其包括所述集成电路芯片及所述麦克风芯片，其中，所述去耦电容连接于所述PCB基板的地与电源之间和/或地与信号源之间。

可选的，所述去耦电容的数量为2个，所述电容上极板包括分开的第一上极板和第二上极板，所述电容下极板包括分开的第一下极板和第二下极板；其中所述第一上极板连接至所述PCB基板的地端或电源端，所述第一下极板连接至所述PCB基板的电源端或地端；所述第二上极板连接至所述PCB基板的地端或信号源端，所述第二下极板连接至所述PCB基板的信号源端或地端。

本发明还提供了一种麦克风芯片的制造方法，包括以下步骤：在衬底上依次形成第一介质层，图形化的第一器件层和第二介质层；所述第一器件层定义出相互分隔的麦克风下电极及电容下极板；在所述第二介质层上方形成图形化的第二器件层；所述第二器件层定义出相互分隔的麦克风上电极及电容上极板，其中所述电容上极板位于所述电容下极板的正上方；所述电容上极板、电容下极板及两者间的所述第二介质层形成去耦电容；形成所述麦克风上电极、电容上极板、麦克风下电极及电容下极板的电连接引出部；形成贯穿所述衬底的腔体，所述腔体顶部位于所述麦克风下电极以内区域的下方；以及进行释放工艺，去除所述腔体上方的所述第一介质层和第二介质层，以在所述麦克风上电极与麦克风下电极之间形成空气隙。

可选的，所述第一器件层和所述第二器件层的材料为金属和/或多晶硅材料。

可选的，所述第一介质层和所述第二介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述去耦电容的数量为2个，所述电容上极板包括分开的第一上极板和第二上极板，所述电容下极板包括分开的第一下极板和第二下极板。

可选的，所述麦克风上电极为振动膜，所述麦克风下电极为背电极；或所述麦克风上电极为背电极，所述麦克风下电极为振动膜。

本发明还提供了一种具有上述麦克风芯片的MEMS麦克风结构的制造方法，包括以下步骤：将所述MEMS麦克风芯片及所述集成电路芯片分别安装于所述PCB基板上；将所述去耦电容连接于所述PCB基板的地与电源之间和/或地与信号源之间；将所述麦克风上电极及所述麦克风下电极连接至所述集成电路芯片；以及在所述PCB基板上覆盖金属屏蔽罩。

可选的，所述电容上极板包括第一上极板和第二上极板，所述电容下极板包括第一下极板和第二下极板，其中将所述去耦电容连接于所述PCB基板的地与电源之间和/或地与信号源之间的步骤包括：将所述第一上极板连接至所述PCB基板的地端或电源端，所述第一下极板连接至所述PCB基板的电源端或地端；将所述第二上极板连接至所述PCB基板的地端或信号源端，所述第二下极板连接至所述PCB基板的信号源端或地端。

本发明的优点在于通过将去耦电容集成于MEMS麦克风芯片中，节省了MEMS麦克风结构的面积，有利于麦克风结构的轻薄化；同时通过在形成MEMS麦克风芯片的背电极与振动膜的同时集成去耦电容的上下极板，制造工艺也更为简单方便，能够有效降低工艺成本和复杂度。

附图说明

图1为现有技术的MEMS麦克风结构的示意图；

图2为现有技术的MEMS麦克风结构的示意图；

图3为本发明一实施例的MEMS麦克风结构的示意图；

图4为本发明一实施例的MEMS麦克风芯片的示意图；

图5为本发明一实施例的MEMS麦克风芯片的俯视图；

图6为本发明一实施例MEMS麦克风芯片制造方法的流程图；

图7为本发明另一实施例MEMS麦克风芯片制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

首先，对本发明一实施例的MEMS麦克风结构进行说明。如图3所示，MEMS麦克风结构包括麦克风芯片1及集成电路芯片2，本实施例中集成电路芯片2为集成前置放大器的专用集成电路ASIC芯片。麦克风芯片1与ASIC芯片2形成于PCB基板4上且相互连接，PCB基板4被金属屏蔽罩5覆盖。其中，麦克风芯片1完成声电转换功能，ASIC芯片2则对MEMS麦克风芯片1转换得到的电信号进行进一步的处理。MEMS麦克风芯片的下电极12（如振动膜）固定形成于衬底上，与衬底上的腔体相对，上电极11（如背电极）则悬空设置在下电极12上方。振动膜12与背电极11之间为空气隙，两者构成麦克风平行板电容器；振动膜12受外界声音信号影响发生振动，使得麦克风平行板电容器的电容值发生变化，产生电信号，实现声电转换功能。背电极11所处的器件层中同时还形成电容上极板13，而振动膜12所处的器件层中同时还形成电容下极板14，上下极板13、14位置及形状相对应，由此上下极板13，14以及两者间的绝缘介质形成去耦电容，该去耦电容连接于PCB基板14的地与电源之间和/或地与信号源之间，从而实现将去耦电容集成于MEMS麦克风芯片中，起到隔离PCB基板的信号源和地、电源和地之间的噪声的作用。当然下极板14与衬底之间的寄生电容也可用作去耦电容，起到去噪作用。

以下将结合图4及图5详细说明本发明一实施例MEMS麦克风芯片的结构。MEMS麦克风芯片包括半导体衬底101，第一介质层102，第一器件层，第二介质层102’，第二器件层。其中，衬底中形成有腔体106，其形状可为圆柱形或圆锥形。第一介质层102形成于半导体衬底101上表面，其具有与腔体106连通的通孔。第一器件层中形成相互分隔的麦克风下电极103a以及电容下极板103b。第二器件层中形成相互分隔的麦克风上电极104a以及电容上极板104b。

在本实施例中，将以麦克风下电极为振动膜，麦克风上电极为背电极进行说明。当然，在其他实施例中，也可将振动膜作为上电极，将背电极作为下电极。

请继续参考图4，在第一器件层中，其中振动膜103a位于通孔上方，至少部分与第一介质层的102上表面接触从而支撑于衬底上。振动膜主体可为圆形，并通过电连接引出部引出而与集成电路芯片相连。由于振动膜中通常也分布有少量气孔，用于与外界进行气体交换，因此本实施例中少量气孔（图中未示）形成于麦克风下电极。第一器件层的材料例如为导电材料，如Al、W、Cu等金属，或者多晶硅。第一介质层102和第二介质层102’的材料为绝缘材料，例如为热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）。

在第二器件层中，背电极104a悬空于振动膜103a上方并与振动膜103a之间形成空气隙105。在本实施例中，背电极是由第二介质层102’提供支撑以悬空在振动膜上方，在其他实施例中，背电极本身也可形成支撑结构而悬空在振动膜上方（如背电极具有可向下延伸至衬底的侧壁）。通常来说，背电极中具有用于进行释放工艺形成空气隙的释放孔，因此本实施例中释放孔形成于麦克风上电极中（如图5所示）。空气隙105与背电极的释放孔相通。第二器件层的材料可为导电材料如Al、W、Cu等金属，或者多晶硅薄膜。背电极主体可为圆形，其通过电连接引出部引出而与集成电路芯片相连。

电容下极板103b形成于第一器件层中且与麦克风下电极103a相隔离，电容上极板104b形成于第二器件层中并通过第二介质层102’支撑于电容下极板103b的正上方，同样的电容上极板104b与麦克风上电极104a相隔离。电容上下极板的大小形状一致，从而由电容上极板104b，下极板103b以及第二介质层102’形成了独立于麦克风平行板电容器的电容。电容下极板103b及上极板104b可根据需要通过电连接引出部引出至PCB基板的地和信号源端和/或地和电源端，从而用作MEMS麦克风结构的去耦电容。

如图5所示，在本实施例中电容下极板和电容上极板的数量均为两个，其形状可为矩形或其他形状，例如为环绕麦克风上下电极结构的环形等，本发明对此未加限定。电容上极板包括分开的第一上极板和第二上极板，电容下极板包括分开的第一下极板和第二下极板。其中，第一上极板和第一下极板分别通过电连接引出部（图中未示）连接至PCB基板的地和信号源端；第二上极板和第二下极板分别通过电连接引出部（图中未示）连接至PCB基板的地和电源端。如此一来，第一上极板和第一下极板及两者之间的第二介质层102’形成的第一去耦电容能够起到隔离PCB基板中信号源和地之间的噪声的作用；而第二上极板和第二下极板及第二介质层102’形成的第二去耦电容能够起到隔离电源和地之间的噪声的作用。当然，在其他实施例中，电容下极板和电容上极板的数量也可仅为1个，分别连接至PCB基板的电源及地或信号源及地。当第一器件层和第二器件层的材料均为金属时，去耦电容为MIM(Metal-Insulator-Metal)电容；当第一器件层和第二器件层的材料均为多晶硅时，则为PIP(Poly-Insulator-Poly)电容；而当第一器件层为多晶硅，第二器件层为金属时，去耦电容为MIP(Metal-Insulator-Poly)电容。

综上所述，本发明利用在第一器件层和第二器件层中形成与麦克风电容器相隔离的平板电极，将去耦电容集成于麦克风芯片中，有效减小了MEMS麦克风结构所占用的面积。

下面将结合图4～图6对本发明的MEMS麦克风芯片的制造方法进行详细的说明。

首先，进行步骤S1，在半导体衬底101上依次形成第一介质层102，图形化的第一器件层和第二介质层102’。具体来说，首先沉积第一介质层102。衬底101的材质可以是硅、锗或锗硅。第一介质层102可以为绝缘材料例如热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）。

接着在第一介质层102上沉积第一器件层并图形化，以形成相互分隔的麦克风下电极103a和电容下极板103b。在本实施例中，麦克风下电极用作MEMS麦克风芯片的振动膜，因此在下电极中可形成有多个气孔（图中未示）以与外界进行气体交换；当然在其他实施例中麦克风下电极也可用做MEMS麦克风芯片的背电极，并在背电极中形成多个释放孔。本实施例中，振动膜为圆形，电容下极板的数量为2个，以矩形形状分布于麦克风下电极的两侧。第一器件层材料可以是Al、W、Cu等金属的导电材料，或者多晶硅。

之后，在图形化的第一器件层和第一介质层102上沉积第二介质层102’。第二介质层102’作为MEMS麦克风芯片的振动膜和背电极之间的牺牲材料，其厚度可定义为最终产品振动膜和背电极之间空气隙的高度。第二介质层102’同样可为绝缘材料例如热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）。

然后，进行步骤S2，在第二介质层102’上沉积第二器件层并图形化，以形成相互分隔的麦克风上电极104a和电容上极板104b。在本实施例中，上电极用作MEMS麦克风芯片的背电极，背电极中可形成有多个释放孔。背电极可为圆形，电容上极板104b位于电容下极板103b的正上方，且形状大小及数量均与电容下极板103b一致。第二器件层的材料可以是Al、W、Cu等金属，或者多晶硅材料。

接着，进行步骤S3，形成电容上极板、电容下极板、麦克风上电极及麦克风下电极的电连接引出部，用以与PCB基板及集成电路芯片进行电连接。电连接引出部的形成方法可采用现有技术，例如通过形成延伸至第一器件层的接触孔暴露出部分电容下极板及麦克风下电极，并填充金属衬垫（当第一器件层或第二器件层的材料不为金属材料时）等，其为本领域技术人员所熟知，在此不作赘述。

再进行步骤S4，形成贯穿所述衬底的腔体。具体来说，首先在上述结构上方涂覆一层易于去除的保护材料，将已完成的结构的正面保护起来，之后在衬底101的背面对应振动膜的区域刻蚀出腔体106，之后去除保护材料。腔体106为圆柱形或圆锥形的空腔，其顶部应位于振动膜区域内侧的下方。保护材料可以是光刻胶或蓝膜（blue tape）等。

最后，执行步骤S5，进行释放工艺，去除腔体106上方的第一介质层102和第二介质层102’，以在麦克风上电极与麦克风下电极之间形成空气隙。本实施例中可通过释放孔以及腔体106分别从上方和下方均以湿法腐蚀工艺或气相腐蚀工艺等释放工艺进行释放，将腔体上方的第一介质层102和第二介质层102’去除。用于释放的湿法腐蚀药液可为HF溶液或氟化氢HF与氟化铵NH4F的混合溶液BOE。通过对释放工艺时间的控制，使释放工艺停止于背电极及振动膜附近，确保电容上极板104b和下极板103b之间的第二介质层102’不会被去除。如此一来，背电极与振动膜之间形成空气隙105；电容上极板103b，电容下极板104b以及其间的第二介质层102’形成去耦电容，从而最终形成如图4所示的MEMS麦克风芯片。根据第一器件层和第二器件层的材料，所形成的去耦电容可为MIM电容，PIP电容或MIP电容。

图7所示为本发明一实施例MEMS麦克风结构的制造方法，该MEMS麦克风结构具有图4所示的麦克风芯片，制造方法包括：

步骤S11：将集成去耦电容的上述MEMS麦克风芯片和集成电路芯片分别安装于PCB基板上；

步骤S12：将去耦电容连接于PCB基板的地与电源之间和/或地与信号源之间。在本实施例中，去耦电容为2个，也即是电容上极板包括第一上极板和第二上极板，电容下极板包括第一下极板和第二下极板。因此在进行去耦电容与PCB基板的电连接时，分别将第一去耦电容的第一上下极板连接至PCB基板的电源端和地端；将第二去耦电容的第二上下极板连接至PCB基板的信号源端和地端，从而第一去耦电容起到隔离PCB基板中信号源和地之间的噪声的作用；而第二去耦电容起到隔离电源和地之间的噪声的作用。

步骤S13：将麦克风上电极及麦克风下电极连接至集成电路芯片；以及

步骤S14：在PCB基板上覆盖金属屏蔽罩。

综上所述，与现有技术相比，本发明所提供的MEMS麦克风结构将去耦电容集成于麦克风芯片中，不仅节省了去耦电容的占用面积，有利于麦克风结构的轻薄化，且制造工艺简单，能够有效降低加工难度以及成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风芯片，其与集成电路芯片集成于PCB基板上以形成MEMS麦克风结构，其特征在于，所述麦克风芯片包括：

半导体衬底，其具有腔体；

第一介质层，形成于所述衬底上方，具有与所述腔体相通的通孔；

第一器件层，形成于所述第一介质层上方，其包括相互分隔的麦克风下电极及电容下极板，所述麦克风下电极位于所述通孔的上方且至少部分与所述第一介质层接触；

第二介质层，形成于所述第一器件层上方；

第二器件层，形成于所述第二介质层上方，其包括相互分隔的麦克风上电极及电容上极板，所述麦克风上电极位于所述麦克风下电极的上方并与所述麦克风下电极之间形成空气隙；所述电容上极板通过所述第二介质层支撑于所述电容下极板的正上方；所述电容上极板、电容下极板及两者间的所述第二介质层形成去耦电容；

其中所述去耦电容的数量为2个，所述电容上极板包括分开的第一上极板和第二上极板，所述电容下极板包括分开的第一下极板和第二下极板；所述第一上极板连接至所述PCB基板的地端或电源端，所述第一下极板连接至所述PCB基板的电源端或地端；所述第二上极板连接至所述PCB基板的地端或信号源端，所述第二下极板连接至所述PCB基板的信号源端或地端。

2.如权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述第一器件层和所述第二器件层的材料为金属和/或多晶硅材料。

3.如权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层的材料为氧化硅。

4.如权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，

所述麦克风上电极为振动膜，所述麦克风下电极为背电极；或所述麦克风上电极为背电极，所述麦克风下电极为振动膜。

5.一种MEMS麦克风结构，其特征在于，包括集成电路芯片及如权利要求1-4任一项所述的麦克风芯片，所述麦克风芯片与所述集成电路芯片集成于PCB基板上。

6.一种MEMS麦克风芯片的制造方法，所述麦克风芯片与集成电路芯片集成于PCB基板上以形成MEMS麦克风结构，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上依次形成第一介质层，图形化的第一器件层和第二介质层；所述第一器件层定义出相互分隔的麦克风下电极及电容下极板；

在所述第二介质层上方形成图形化的第二器件层；所述第二器件层定义出相互分隔的麦克风上电极及电容上极板，其中所述电容上极板位于所述电容下极板的正上方；所述电容上极板、电容下极板及两者间的所述第二介质层形成去耦电容；所述去耦电容的数量为2个，所述电容上极板包括分开的第一上极板和第二上极板，所述电容下极板包括分开的第一下极板和第二下极板；其中所述第一上极板用于连接至所述PCB基板的地端或电源端，所述第一下极板用于连接至所述PCB基板的电源端或地端；所述第二上极板用于连接至所述PCB基板的地端或信号源端，所述第二下极板用于连接至所述PCB基板的信号源端或地端；

形成所述麦克风上电极、电容上极板、麦克风下电极及电容下极板的电连接引出部；

形成贯穿所述衬底的腔体，所述腔体顶部位于所述麦克风下电极以内区域的下方；以及

进行释放工艺，去除所述腔体上方的所述第一介质层和第二介质层，以在所述麦克风上电极与麦克风下电极之间形成空气隙。

7.如权利要求6所述的MEMS麦克风芯片的制造方法，其特征在于，所述第一器件层和所述第二器件层的材料为金属和/或多晶硅材料。

8.如权利要求6所述的MEMS麦克风芯片的制造方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层的材料为氧化硅。

9.如权利要求6所述的MEMS麦克风芯片的制造方法，其特征在于，所述麦克风上电极为振动膜，所述麦克风下电极为背电极；或所述麦克风上电极为背电极，所述麦克风下电极为振动膜。

10.一种制造权利要求5所述的MEMS麦克风结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述MEMS麦克风芯片及所述集成电路芯片分别安装于所述PCB基板上；

将所述第一上极板连接至所述PCB基板的地端或电源端，所述第一下极板连接至所述PCB基板的电源端或地端；

将所述第二上极板连接至所述PCB基板的地端或信号源端，所述第二下极板连接至所述PCB基板的信号源端或地端；

将所述麦克风上电极及所述麦克风下电极连接至所述集成电路芯片；以及

在所述PCB基板上覆盖金属屏蔽罩。