CN105323686B

CN105323686B - 微机电麦克风及其制造方法

Info

Publication number: CN105323686B
Application number: CN201410306987.XA
Authority: CN
Inventors: 毛剑宏
Original assignee: Lexvu Opto Microelectronics Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Core Microelectronics Co ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN105323686A

Abstract

本发明提供了微机电麦克风及其制作方法，所述微机电麦克风制作方法包括：半导体基片；形成底部电极和位于底部电极外围的互连电极；形成第一牺牲层，所述第一牺牲层覆盖所述底部电极、部分互连电极和暴露的半导体基片；形成振膜电极；在第一牺牲层和振膜电极上形成第二牺牲层；形成介质层；从半导体基片背面刻蚀所述无器件的间隔区域，形成暴露第一牺牲层的底部导气孔；刻蚀所述介质层，在其表面形成顶部导气孔；利用所述底部导气孔和顶部导气孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层。本发明所述微机电麦克风形成于半导体基片一侧表面，制造方法与CMOS工艺相兼容，易于器件微缩并集成至半导体芯片中。

Description

微机电麦克风及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，特别涉及一种电容式微机电麦克风及其制造方法。

背景技术

微机电技术(MEMS)是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。例如采用微机电技术制造的麦克风，由于体积微小、感应灵敏，因此易于制作至集成电路中，广泛应用于便携式电子设备。麦克风是一种将声音信号转化为电信号的换能器。根据工作原理的不同分为压电式、压阻式以及电容式三类。其中电容式微型麦克风因具有较高的灵敏度、较低的噪声、失真以及功耗等优点，而成为微机电麦克风发展的主流。

微机电麦克风在制造时必须经过刻蚀步骤，以形成电容式麦克风所具备的振膜、电极板以及两者之间的气隙空腔。如申请号为200710044322.6的中国专利，公开了一种微机电麦克风及其制作方法。图1为上述微机电麦克风的剖面结构示意图，图2为上述微机电麦克风的立体示意图，结合图1以及图2所示，现有的一种微机电麦克风包括：位于半导体基片10表面，且带有导气孔的电极板11；位于电极板11下方的振膜12，所述振膜12与电极板11之间形成有气隙空腔13；位于半导体基片10另一表面(即背面)且相对于所述振膜12的背腔14，所述背腔14与气隙空腔13使得振膜12悬置。

现有的微机电麦克风工作原理是：由于背腔14为开放式的，且气隙空腔13内的空气可以通过电极板11上的导气孔自由进出，因此悬置于背腔14与气隙空腔13之间的振膜12能够感应外界声波发生自由振动；上述自由振动现象使得振膜12与电极板11的间距规律性变化，进而导致振膜12、电极板11及两者之间的空气所构成的电容大小也随之变化；将上述电容变化以电信号的形式输出，即完成将声音信号转化为电信号的过程。现有的微机电麦克风除了MEMS芯片之外还需要一个MOS电路芯片,两个芯片通过系统封装在一起。

现有的微机电麦克风存在如下问题：由于形成背腔14需要对半导体基片的背面进行蚀刻，因此所述微机电麦克风贯穿整个半导体基片，必然占用大量的半导体基片空间；另一方面，由于半导体基片的厚度限制，上述背腔14的开口尺寸难以缩小，引起器件按比例微缩(device scaling-down)的困难，进一步导致微机电麦克风难以集成至半导体芯片中，并且两个芯片的集成封装导致微机电麦克风尺寸较大。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种微机电麦克风，仅形成于半导体基片的一侧表面，且与CMOS工艺相兼容，易于集成于半导体芯片中。

本发明提供的一种微机电麦克风的制作方法，包括：

半导体基片，其包括MOS器件层，且在MOS器件层中具有无器件的间隔区域；

在半导体基片正面上具有底部电极和位于底部电极外围的互连电极，所述底部电极和互连电极分隔，所述底部电极的中央区域对应所述半导体基片无器件的间隔区域；

所述底部电极上方具有振膜电极，且所述振膜电极覆盖部分互连电极，所述振膜电极和所述底部电极之间具有底部气隙空腔；

在所述振膜电极上方具有介质层，且所述介质层在半导体基片上围成一个空腔，振膜电极位于所述空腔内，所述振膜电极和介质层之间具有顶部气隙空腔，所述介质层中具有顶部导气孔；

所述半导体基片的所述无器件的间隔区域具有底部导气孔，所述底部导气孔和底部气隙空腔连通。

一种微机电麦克风的制作方法，包括：

提供半导体基片，其包括MOS器件层，且在MOS器件层中具有无器件的间隔区域；

在半导体基片正面上形成底部电极和位于底部电极外围的互连电极，所述底部电极和互连电极分隔，所述底部电极的中央区域对应所述半导体基片无器件的间隔区域，所述互连电极外侧暴露半导体基片，所述底部电极和互连电极的分隔处暴露半导体基片；

在底部电极上方形成第一牺牲层，且所述第一牺牲层覆盖部分互连电极和暴露的半导体基片，所述第一牺牲层具有暴露部分互连电极的一圈凹槽；

形成振膜电极，所述振膜电极填充所述凹槽，并且覆盖位于互连电极内侧的第一牺牲层；

在第一牺牲层和振膜电极上形成第二牺牲层，并刻蚀形成凹槽，所述凹槽暴露所述互连电极外侧的半导体基片，且暴露互连电极上方的振膜电极；

在第二牺牲层上形成介质层，且所述介质层覆盖暴露的半导体基片和暴露的振膜电极；

从半导体基片背面刻蚀所述无器件的间隔区域，形成暴露第一牺牲层的底部导气孔；

刻蚀所述介质层，在其表面形成顶部导气孔；

利用所述底部导气孔和顶部导气孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层。

本发明所述微机电麦克风形成于半导体基片一侧表面，制造方法与CMOS工艺相兼容，易于器件微缩并集成至半导体芯片中。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。

图1为现有的一种微机电麦克风的剖面结构示意图；

图2为图1所述微机电麦克风的立体示意图；

图3为本发明第一实施例微机电麦克风的剖面结构示意图；

图4为本发明第二实施例微机电麦克风的剖面结构示意图；

图5本发明第一实施例微机电麦克风制造方法流程示意图；

图6至图12是本发明第一实施例制造工艺的剖面结构示意图。

具体实施方式

现有的微机电麦克风在制作时，需要对半导体基片背面进行刻蚀，以形成背腔，用于平衡振膜电极两侧的气压，使得振膜电极能够感应外部声波而自由振动。上述微机电麦克风贯穿整个半导体基片造成器件占用面积较大，且尺寸难以微缩。本发明所述的微机电麦克风则将背腔设置于半导体基片内，并采用基底背面的底部导气孔将背腔与外界大气连通，使得所述微机电麦克风仅形成于半导体基片的一侧表面以解决上述问题。并且本申请还将与振膜电极相对的电极形成在半导体基片上增加了器件的可靠性，进一步的形成与振膜电极相对的两个电容，即振膜电极与顶部电极构成的电容，以及振膜电极与底部电极构成的电容，从而通过并连的上述两个电容大大提高了微机电麦克风的精确性。下面结合具体实施例对本发明所述微机电麦克风及其制造方法做进一步介绍。

第一实施例

具体的，本发明提供了一种微机电麦克风，其剖面结构示意图如图3所示，包括：半导体基片100，在半导体基片100内具有MOS器件层110，MOS器件为微机电麦克风提供电路控制，在MOS器件层内具有无器件的间隔区域115，即该区域内没有半导体器件，可以为半导体衬底即晶圆。在半导体基片100正面上具有底部电极120和位于底部电极外围的互连电极125，所述底部电极120和互连电极125分隔，所述底部电极120的中央区域对应所述半导体基片无器件的间隔区域115。半导体基片100的一面用于形成器件，通常叫做正面，相反的一面即为背面。

所述底部电极120上方具有振膜电极130，且所述振膜电极130覆盖部分互连电极125，所述振膜电极130和所述底部电极120之间具有底部气隙空腔135，且所述底部气隙空腔密闭；在所述振膜电极上130方具有介质层140，且所述介质层140在半导体基片100上围成一个空腔，振膜电极130位于所述空腔内，并且所述介质层140在所述互连电极125对应的振膜电极130上具有支撑结构132，所述振膜电极130和介质层140之间具有顶部气隙空腔145，所述介质层140中具有顶部导气孔150。所述半导体基片100的所述无器件的间隔区域115具有底部导气孔155，所述底部导气孔155和底部气隙空腔135连通。

在本实施例中，介质层140和基片上表面围成一个空腔，振膜电极130位于空腔的中间，和底部电极120相对，且具有气隙空腔，从而当外界声波直接传输至振膜电极130时，振膜电极130感应所述声波产生的压力而发生振动。如果振膜电极130向下弯曲时，底部气隙空腔135内的空气经由底部导气孔155排出；如果振膜电极130向上弯曲时，外界的空气则沿反向路径进入底部气隙空腔135，使得振膜电极130两侧的气压保持平衡。振膜电极130和底部电极120构成的电容可以通过测量电容值获得振膜电极130的振动，从而可以测得声音信号。

在本实施例中，优选的，所述顶部导气孔的直径为：0.5μm-50μm，例如10μm，20μm，30μm，如果该底部导气孔直径过小会导致振膜两侧的气压不平衡，从而导致麦克风的声音失真，如果顶部导气孔直径过大会导致顶部导气孔浪费芯片面积过大，不利于降低成本，因此发明人经过反复的实验研究和实验数据，优选了该尺寸。

在本实施例中优选的，所述底部电极和振膜电极的材料为：铝，多晶硅或者多晶锗硅，利用多晶锗硅的优点是在填充深宽比比较大沟槽时侧壁沉积的均匀性好，造成形成电极可靠性好。

在本实施例中优选的的，所述底部电极上方还具有介质阻隔层，从而可以防止振动过大时，振膜电极和底部电极的接触造成的短路。

第二实施例

如图4所示，在本实施例中与第一实施例相同的部分不再赘述，不同在于，在振膜电极130上方还具有顶部电极133，且顶部电极133和所述振膜电极130之间具有顶部气隙空腔145，且顶部电极为与介质层的下表面。这样就形成了振膜电极130和顶部电极133的电容以及振膜电极130和底部电极120的电容，两个电容并连，增大了微机电麦克风精确度。另外，第一实施例中的优选方案均可用于本实施例。

为制造上述微机电麦克风，本发明还提供了一种微机电麦克风的制造方法，图5为所述制造方法的流程示意图，基本步骤包括：

S101：提供半导体基片，其包括MOS器件层，且在MOS器件层中具有无器件的间隔区域；

S102：在半导体基片正面上形成底部电极和位于底部电极外围的互连电极，所述底部电极和互连电极分隔，所述底部电极的中央区域对应所述半导体基片无器件的间隔区域，所述互连电极外侧暴露半导体基片，所述底部电极和互连电极的分隔处暴露半导体基片。

S103：在底部电极上方形成第一牺牲层，且所述第一牺牲层覆盖部分互连电极和暴露的半导体基片，所述第一牺牲层具有暴露部分互连电极的一圈凹槽。

S104：形成振膜电极，所述振膜电极填充所述凹槽，并且覆盖位于互连电极内侧的第一牺牲层。

S105：在第一牺牲层和振膜电极上形成第二牺牲层，并刻蚀形成凹槽，所述凹槽暴露所述互连电极外侧的半导体基片，且暴露互连电极上方的振膜电极。

S106：在第二牺牲层上形成介质层，且所述介质层覆盖暴露的半导体基片和暴露的振膜电极。

S107：从半导体基片背面刻蚀所述无器件的间隔区域，形成暴露第一牺牲层的底部导气孔。

S108：刻蚀所述介质层，在其表面形成顶部导气孔。

S109：利用所述底部导气孔和顶部导气孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层。

下面结合附图对微机电麦克风的制造方法的2个实施例进行详细说明。图6至图12是所述微机电麦克风制造工艺的剖面结构示意图。

第一实施例

首先执行步骤S101，如图5所示，提供半导体基片100，其包括MOS器件层，且在MOS器件层中具有无器件的间隔区域115。其中，首先提供半导体衬底，所述半导体衬底可以为硅衬底或绝缘体上硅，可以形成有金属互连或其他半导体器件(图中未示出)，以便于本发明所述微机电麦克风与采用CMOS工艺的半导体芯片相集成。半导体衬底为半导体基片的一部分，可以是单晶硅衬底或者绝缘体上硅，半导体衬底上可以具有外延层，并且形成有MOS器件，进一步的，可以形成有金属互连结构或其他半导体器件。本发明所述微机电麦克风可以基于已完成CMOS工艺的半导体芯片而制作，实现微机电麦克风与半导体芯片的集成。在MOS器件层中具有无器件的间隔区域115，即为半导体衬底没有任何器件的区域，用于以后刻蚀形成背面的底部导气孔。

接着执行步骤S102，如图6所示，在半导体基片100正面上形成底部电极120和位于底部电极120外围的互连电极125，所述底部电极120和互连电极125分隔，所述底部电极120的中央区域对应所述半导体基片100无器件的间隔区域115，所述互连电极125外侧暴露半导体基片表面，所述底部电极120和互连电极125的分隔处暴露半导体基片。其中，所述互连电极125可以为环形，分布在底部电极120的外围和底部电极120分隔；也可以互连电极分布在几个点上。在所述半导体基片100的边缘一圈没有所述互连电极，即暴露半导体基片表面。

可以先在半导体基板100表面沉积导电材料，然后采用等离子刻蚀在选定位置形成所需形状。具体的，所述导电材料可以采用铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂等金属材质或者多晶锗硅。在本实施例中优选的多晶锗硅，先采用化学气相沉积工艺CVD沉积于半导体基板100表面，厚度范围为0.1μm～4μm，然后采用等离子刻蚀形成开口。

接着执行步骤S103，如图7所示，在底部电极120上方形成第一牺牲层122，且所述第一牺牲层122覆盖部分互连电极125和暴露的半导体基片，所述第一牺牲层122具有暴露部分互连电极的一圈凹槽123。具体的工艺可以先形成牺牲层材料，再刻蚀后形成位于互连电极125上的一圈凹槽。优选的，在形成第一牺牲层之前还包括形成介质阻隔层126，所述介质阻隔层126覆盖所述底部电极120。

所述第一牺牲层122在后续工艺中将会被去除，故应当选取易于被去除且与半导体衬底或微机电麦克风其他部分不同的材料，即所述第一牺牲层122优选与半导体衬底、底部电极120具有较大刻蚀比的材料，这样在后续工艺中可以不损坏其他不想被去除的物质。本实施例中，采用非晶碳为牺牲介质，其好处在于：化学气相沉积工艺与常规CMOS工艺相兼容，且形成的非晶碳较为致密，可以再较低的加热温度下(不超过500℃)被氧化成二氧化碳气体，因此十分容易不留残余地气化去除，而不会对器件的其余部分造成影响。所述化学气相沉积工艺非晶碳的工艺参数包括：温度范围为350℃～500℃，通入C₃H₆以及He混合气体。所述平整化则可以采用化学机械抛光。所述第一牺牲层的形状以及厚度将决定微机电麦克风的底部气隙空腔的尺寸，因此也应当根据需要进行选择，本实施例中所述第一牺牲层的形状为方形，厚度范围为0.2μm～20μm。

接着执行步骤S104，如图8所示，形成振膜电极130，所述振膜电极130填充所述凹槽123，并且覆盖位于互连电极125内侧的第一牺牲层122；其中，振膜电极130的材料可以为多晶锗硅，具体工艺可以为先形成一层多晶锗硅层，多晶锗硅层覆盖第一牺牲层122，并且填充所述的第一牺牲层的凹槽123，然后刻蚀去除位于所述凹槽123外侧的半导体基片边缘一圈的锗硅层。

所述振膜电极的材质还可以为：金属包括铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂；或者导电非金属包括多晶硅，非晶硅，锗化硅；或者金属与绝缘层组合以及导电非金属与绝缘层组合，所述绝缘层包括氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳硅化合物以及氧化铝。为简化工艺，本实施例中，所述振膜电极130的材质以及形成工艺选择与底部电极相同。可以先在图8所示半导体结构的表面沉积一定厚度的多晶锗硅，然后采用等离子刻蚀，获得所需尺寸以及形状的振膜电极130。通常为灵敏地感应声波所产生的压力，所述振膜电极的厚度可以相对底部电极120更薄，本实施例中，所述振膜电极130的厚度范围为0.05μm～4μm。

需要另行指出的是，本实施例中，第一牺牲层的材质为非晶碳，因此当所述振膜电极选用金属材料，并采用物理气相沉积工艺形成时，沉积的温度不宜超过600℃，以避免对非晶碳材质的第一牺牲层造成损伤。

接着执行步骤S105，如图9所示：在第一牺牲层122和振膜电极130上形成第二牺牲层131，并刻蚀形成凹槽133和134，所述凹槽133暴露互连电极125上方的振膜电极130，凹槽134暴露所述互连电极125外侧的半导体基片100，且所述第二牺牲层131的材质可以与第一牺牲层122相同，可以先形成第二牺牲层131，然后一起刻蚀半导体基片100边缘的第一牺牲层122和第二牺牲层131，在半导体基片100边缘形成暴露半导体基片100的凹槽134，所述凹槽133可以全部暴露互连电极上的振膜电极也可以部分暴露互连电极上的振膜电极，仅形成几个开孔来作为后续的支撑结构预留位置。也可以在形成第二牺牲层131步骤之前刻蚀半导体基片100边缘的第一牺牲层122，在半导体基片边缘形成暴露半导体基片的凹槽134，这样在该步骤中半导体基片的边缘就仅形成有第二牺牲层131，方便以后的一步刻蚀去除。

所述第二牺牲层的形状以及厚度将决定微机电麦克风的顶部气隙空腔的尺寸，因此也应当根据需要进行选择，本实施例中所述第二牺牲层的形状为方形，厚度范围为0.2μm～20μm。

接着执行步骤S106，如图10所示，在第二牺牲层131上形成介质层136，且所述介质层136覆盖暴露的半导体基片100和暴露的振膜电极130。

其中，在完成振膜电极130的制作后为了形成所需的微机电麦克风，还应当包括：形成隔离结构并去除第一牺牲层122以及第二牺牲层131，以形成相应的气隙空腔，然后暴露出振膜电极130，并将振膜电极130以及电极板连接至外部电极等步骤。在该步骤中，需要形成介质层136，介质层136覆盖第二牺牲层131，并填充第二牺牲层131的凹槽，即在互连电极上方的凹槽中以及半导体基片边缘的凹槽中填充有介质层。

接着执行步骤S107，如图11所示，从半导体基片100背面刻蚀所述无器件的间隔区域115，形成暴露第一牺牲层的底部导气孔155。其中，所述底部导气孔的直径为：3μm-100μm，例如10μm,20μm,30μm,40μm,50μm,60μm,70μm,80μm,90μm。

接着执行步骤S108，如图12，刻蚀所述介质层136，在其表面形成顶部导气孔140。

所述顶部导气孔156采用等离子刻蚀形成。所述顶部导气孔140用于后续工艺中通入气体或者液体，以去除第二牺牲层131。顶部导气孔156的具体数量以及位置需根据第二牺牲层131的分布情况设置。

接着执行步骤S109，如图12所示，利用所述底部导气155和顶部导气孔156去除所述第一牺牲层122和第二牺牲层131。

本实施例中，由于第一牺牲层以及第二牺牲层的材质为化学气相沉积工艺所形成的较为致密的非晶碳，因此所述去除材料可以为氧气。具体的，可以采用类似于灰化的工艺，在O₂等离子体腔体内，将所述非晶碳材质的第一牺牲层以及第二牺牲层氧化成CO₂或CO气态氧化物。采用的加热温度一般为100℃～350℃，在此温度下，按照前述化学气相沉积工艺所形成的非晶碳并不会发生剧烈的氧化反应甚至燃烧，而是较为缓慢温和地被氧化成二氧化碳或一氧化碳气体排出，较为彻底地去除，而器件的其余部分不会受到影响。当上述第一牺牲层以及第二牺牲层去除后，所述介质层和半导体基板构成一个空腔，振膜电极位于该空腔内，并且振膜电极和顶部电极具有顶部气隙空腔，振膜电极和底部电极之间具有底部气隙空腔。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种微机电麦克风，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的微机电麦克风，其特征在于，还包括顶部电极，所述顶部电极位于所述振膜电极上方，且和所述振膜电极之间具有顶部气隙空腔。

3.如权利要求1所述的微机电麦克风，其特征在于，所述顶部导气孔的直径为：0.5μm-50μm，底部导气孔的直径为：3μm-100μm。

4.如权利要求1所述的微机电麦克风，其特征在于，所述底部电极和振膜电极的材料为：铝、多晶锗硅或者多晶硅。

5.如权利要求1所述的微机电麦克风，其特征在于，所述底部电极上方还具有介质阻隔层。

6.一种微机电麦克风的制作方法，其特征在于，包括：

刻蚀所述介质层，在其表面形成顶部导气孔；

7.如权利要求6所述的微机电麦克风的制作方法，其特征在于，在形成介质层之前还包括形成顶部电极，所述顶部电极覆盖所述第二牺牲层，所述介质层形成在顶部电极上。

8.如权利要求6所述的微机电麦克风的制作方法，其特征在于，所述顶部导气孔的直径为：0.5μm-50μm，底部导气孔的直径为：3μm-100μm。

9.如权利要求6所述的微机电麦克风的制作方法，其特征在于，所述底部电极的材料为：铝、多晶锗硅或者多晶硅。

10.如权利要求6所述的微机电麦克风的制作方法，其特征在于，在形成第一牺牲层之前还包括形成介质阻隔层，所述介质阻隔层覆盖所述底部电极。