CN103888888A - 一种电容式硅微型麦克风及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式硅微型麦克风及其制作方法。一种电容式硅微型麦克风，包括衬底、背板以及支撑结构，所述衬底上设有隧穿层，所述隧穿层上设有介质层，所述介质层作为存储层，所述存储层上设有阻挡层；在所述衬底正中下方位置开设有一空腔，位于所述空腔正上方的衬底、隧穿层、存储层以及阻挡层共同构成一振膜；所述背板设在所述衬底上方，所述背板设有通孔；所述背板和所述振膜之间通过支撑结构连接，并在所述振膜正上方形成一间隙。本发明提供的电容式硅微型麦克风无需外加电源，与CMOS工艺兼容，具有易于微型化、低成本、高精度、高可靠性的优点，并能应用于高温、高湿等恶劣环境。

Description

一种电容式硅微型麦克风及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于CMOS技术和MEMS技术的电容式硅微型麦克风及其制作方法，尤其涉及一种采用储存在电荷陷阱型非易失性存储器中的电荷提供偏压的电容式硅微型麦克风及其制作方法。

背景技术

微型麦克风广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑、助听器等电子产品中。目前微麦克风正呈现出微型化、低成本、高精度、集成化的发展趋势。传统的通过组装方法形成的麦克风，不仅体积大，而且精度低，难以满足上述发展趋势。与传统麦克风相比，基于CMOS工艺和MEMS工艺形成的硅微型麦克风，可借助集成电路（IC）工艺强大的基础设施，实现高精度的批量制造，具有体积小、成本低及精度高的优点。此外，基于CMOS工艺和MEMS工艺形成的硅微型麦克风还可以实现与接口电路的单片集成，有效抑制了引线互联及封装所引入的寄生对麦克风性能的影响。因此基于CMOS工艺和MEMS工艺形成的硅微型麦克风成为微型麦克风发展的主流。

根据不同的转换原理，硅微型麦克风主要包括压电式、压阻式及电容式等三种类型。在商用领域中，电容式硅微型麦克风应用最为广泛，这是因为电容式硅微型麦克风具有高灵敏度以及低功耗等优点。电容式硅微型麦克风呈可变电容器结构，由可动极板（振膜）和固定极板（背板）组成，并在极板之间施加固定偏压。在声压作用下，振膜发生振动，改变极板间距，并引起电容发生变化，电容变化引起振膜与背板间的电荷重新分布，从而实现声音信号到电学信号（声—电）转换。目前加在极板之间的固定偏压主要由外加电源提供，其体积较大。M.Kranz(人名)等提出基于驻极体的硅微型麦克风，采用储存在驻极体中的电荷为硅微型麦克风提供偏压。驻极体是一种具有电荷存储和电荷保持能力的电介质材料。但是，这种基于驻极体的硅微型麦克风存在与CMOS工艺兼容性的问题。M.Wong(人名)等提出基于浮栅式非易失性存储器的硅微型麦克风，采用储存在浮栅中的电荷为硅微型麦克风提供偏压。这种基于浮栅式非易失性存储器的硅微型麦克风与CMOS工艺兼容，但是，与驻极体比较，由于浮栅是导体，储存在浮栅的电荷能自由移动，当后续工艺导致存储器产生一个泄漏通道时，所有储存在浮栅中的电荷会通过这个泄漏通道丢失，导致麦克风不能工作，因此可靠性有待改善。此外，储存在驻极体和浮栅式非易失性存储器中的电荷在高温、高湿等环境下容易丢失，因此基于驻极体或浮栅式非易失性存储器的硅微型麦克风难以在高温、高湿等恶劣环境中应用。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种无需外加电源、与CMOS工艺兼容、可靠性高，并能应用于恶劣环境的电容式硅微型麦克风及其制作方法。本发明所采用的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种电容式硅微型麦克风，包括衬底、背板以及支撑结构，所述衬底上设有隧穿层，所述隧穿层上设有介质层，所述介质层作为存储层，所述存储层上设有阻挡层；位于所述空腔正上方的衬底、隧穿层、存储层以及阻挡层共同构成一振膜；所述背板设在所述衬底上方，所述背板设有通孔；所述背板和所述振膜之间通过支撑结构连接，并在所述振膜正上方形成一间隙。所述衬底为N型掺杂硅衬底，所述隧穿层为二氧化硅层，所述介质层为氮化硅层，所述阻挡层为二氧化硅层。

所述背板材料为低阻多晶硅。

所述支撑结构材料为氧化铝。

一种电容式硅微型麦克风制作方法，步骤如下：

（1）选用硅作为衬底，在所述衬底正面热生长二氧化硅作为隧穿层，同时在所述衬底背面热生长二氧化硅层；

（2）刻蚀所述衬底背面的二氧化硅，以二氧化硅做掩膜使用TMAH试剂对硅衬底进行PN结电化学自停止湿法刻蚀，形成空腔；

（3）在所述隧穿层上沉积氮化硅作为存储层，在所述存储层上沉积二氧化硅作为阻挡层，在所述阻挡层上沉积氮化钛作为电极，在所述电极上沉积氧化铝作为支撑结构，在所述支撑结构上沉积低阻多晶硅作为背板；

（4）刻蚀所述背板，在其上形成通孔；

（5）使用氨水透过通孔刻蚀空腔正上方的支撑结构，形成间隙，并使电极露出表面；

（6）在电极和衬底间加电压，存储层进行电荷存储；

（7）刻蚀并去除空腔正上方的电极。

本发明在电容式硅微型麦克风中引入了电荷陷阱式非易失性存储器存储电荷的原理，并利用CMOS工艺和MEMS工艺进行制作。与驻极体和浮栅式非易失性存储器比较，利用电荷陷阱式非易失性存储器的原理进行电荷存储性能优越，同时具有优越的电荷保持性能和高可靠性，能应用于高温、高湿等恶劣环境。通过存储的电荷为电容式硅微型麦克风提供偏压，无需外接电源，体积小且结构简单。利用CMOS工艺和MEMS工艺制作，具有易于微型化、低成本、高精度的优点。

附图说明

图1为本发明电容式硅微型麦克风的部件电荷陷阱式非易失性存储器的结构示意图。

图2为本发明电容式硅微型麦克风的结构示意图。

其中：10、电荷陷阱式非易失性存储器，11、衬底，111、空腔，112、电容下级板，12、隧穿层，13、存储层，14、阻挡层，15、电极，21、背板，211、通孔，22、支撑结构，23、振膜，24、间隙。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明电容式硅微型麦克风的部件电荷陷阱式非易失性存储器10的结构示意图。如图1所示，电荷陷阱式非易失性存储器10包括衬底11，在衬底11的正中下方位置开设有空腔111，在空腔111正上方的衬底11部分为电容下级板112，在电容下级板112上设有隧穿层12，在隧穿层12上设有介质层，介质层作为存储层13，在存储层13上设有阻挡层14，在阻挡层14上设有电极15。通过在电极15和衬底11之间加电，电荷从衬底11注入并储存到存储层13。

在本发明中，在存储层13储存所需电荷后，去除电极15，以便于储存在存储层13中的电荷极化可变电容器，并提高电容式硅微型麦克风的可靠性。

图2为本发明电容式硅微型麦克风的结构示意图。如图2所示，本发明的电容式硅微型麦克风包括图1所示的电荷陷阱式非易失性存储器10、背板21以及支撑结构22。位于空腔111正上方的衬底部分即电容下级板112、隧穿层12、存储层13以及阻挡层14共同构成振膜23。背板21设有通孔211，背板21和衬底11之间通过支撑结构22连接，并且在振膜23正上方形成一间隙24。在本发明中，通孔211不仅用于声音信号传输，减轻振膜振动所引起的空气阻尼，而且还用于形成间隙以及便于非易失性存储器进行电荷存储时电极的引出。

在本发明具体实施例中，衬底11为N型掺杂硅衬底，隧穿层12为二氧化硅层，介质层为氮化硅层，阻挡层14为氧化铝层，电极15为氮化钛电极，背板21材料为低阻多晶硅，支撑结构22材料为氧化铝。

很明显，在本发明中，作为存储层的介质层还可以是氮化铝层、氧化铪层、氧化铝铪层、氧化锆层、氧化镧层、氧化钽层等具有高介电常数的介质层。

在本发明具体实施例中，电容下级板112与背板21组成可变电容器，储存在存储层13中的电荷在背板21和电容下级板112中感应出等量、极性相反的电荷。在声压作用下，振膜在间隙24与空腔111之间振动。导致电容下级板112与背板21的间距发生变化，从而引起电容发生变化，电容变化引起背板21和电容下级板112间的感应电荷重新分布从而实现声—电转换。

在本发明中，隧穿层和阻挡层与存储层形成势垒，防止储存在存储层中的电荷丢失，并且避免了存储层中的电荷直接与工作环境接触，此外，由于采用了氮化硅层作为存储层，储存在存储层中的电荷不能自由移动，大大提高了本发明的硅微型麦克风的可靠性。

此外，本发明中位于背板21和电容下级板112之间的隧穿层12、存储层13以及阻挡层14还防止了背板21和电容下级板112短路。

下面结合附图对本发明中制作电容式硅微型麦克风的方法进行详细描述。

参照图2，首先选用硅作为衬底11，在其正面热生长二氧化硅作为隧穿层12，同时在所述衬底背面热生长二氧化硅层；刻蚀衬底背面的二氧化硅，形成衬底刻蚀窗口，以二氧化硅做掩膜使用TMAH试剂对硅衬底进行PN结电化学自停止湿法刻蚀，形成空腔111及电容下级板112；在硅片正面沉积氮化硅作为存储层13；在存储层上13沉积二氧化硅作为阻挡层14；在阻挡层14上沉积氮化钛作为电极15；在电极15上沉积氧化铝作为支撑结构22；在支撑结构22上沉积低阻多晶硅作为背板21；刻蚀多晶硅形成通孔211；使用氨水刻蚀氧化铝，氨水透过通孔刻蚀位于空腔正上方的氧化铝，形成间隙24；在位于空腔上方的氧化铝被刻蚀后，电极15露出表面，在电极15与衬底11间加电压，实现电荷陷阱式非易失性存储器10的电荷存储；在实现所需电荷存储后，刻蚀并去除位于空腔正上方的电极15。

在本发明具体实施例中，本发明所采用的材料都是优选的材料，但是材料的选择并不是唯一的，若其他方案以其他材料以基本相同的手段,实现基本相同的功能,达到基本相同的效果，也在本发明保护的范围内。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种电容式硅微型麦克风，包括衬底、背板以及支撑结构，其特征在于：

所述衬底上设有隧穿层，所述隧穿层上设有介质层，所述介质层作为存储层，所述存储层上设有阻挡层；

在所述衬底正中下方位置开设有一空腔，位于所述空腔正上方的衬底、隧穿层、存储层以及阻挡层共同构成一振膜；

所述背板设在所述衬底上方，所述背板设有通孔；

所述背板和所述衬底之间通过支撑结构连接，并在所述振膜正上方形成一间隙。

2.根据权利要求1所述的电容式硅微型麦克风，其特征在于：所述衬底为N型掺杂硅衬底，所述隧穿层为二氧化硅层，所述介质层为氮化硅层，所述阻挡层为二氧化硅层。

3.根据权利要求1所述的电容式硅微型麦克风，其特征在于：所述背板材料为低阻多晶硅。

4.根据权利要求1所述的电容式硅微型麦克风，其特征在于：所述支撑结构材料为氧化铝。

5.一种制作权利要求1所述的电容式硅微型麦克风的方法，其特征在于：

步骤如下：

（1）选用硅作为衬底，在所述衬底正面热生长二氧化硅作为隧穿层，同时在所述衬底背面热生长二氧化硅层；

（2）刻蚀所述衬底背面的二氧化硅，以二氧化硅做掩膜使用TMAH试剂对硅衬底进行PN结电化学自停止湿法刻蚀，形成空腔；

（3）在所述隧穿层上沉积氮化硅作为存储层，在所述存储层上沉积二氧化硅作为阻挡层，在所述阻挡层上沉积氮化钛作为电极，在所述电极上沉积氧化铝作为支撑结构，在所述支撑结构上沉积低阻多晶硅作为背板；

（4）刻蚀所述背板，在其上形成通孔；

（5）使用氨水透过所述通孔刻蚀所述空腔正上方的所述支撑结构，形成间隙，并使所述电极露出表面；

（6）在所述电极和所述衬底间加电压，所述存储层进行电荷存储；

（7）刻蚀并去除所述空腔正上方的所述电极。

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