CN105324329A - 单片cmos-mems麦克风及制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造CMOS-MEMS装置的系统和方法。局部防护层沉积在层式结构的顶表面上以覆盖电路区域。从层式结构的底侧实施第一局部蚀刻，以便在层式结构的MEMS区域内形成MEMS膜之下的第一间隙。从层式结构的顶侧实施第二局部蚀刻，以便在MEMS区域内去除MEMS膜和MEMS背板之间的牺牲层的部分。第二局部蚀刻释放MEMS膜，从而MEMS膜可响应于压力而移动。沉积的局部防护层防止第二局部蚀刻蚀刻掉牺牲层的位于层式结构的电路区域内的一部分，且还防止第二局部蚀刻损坏CMOS电路部件。

Description

单片CMOS-MEMS麦克风及制造方法
相关申请
本申请要求2013年5月2日提交的美国临时申请No.61/818,641以及2013年6月3日提交的美国临时申请No.61/830,492的优先权，其全部内容都通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)装置，例如MEMS麦克风系统和制造MEMS麦克风系统的方法。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种制造CMOS-MEMS装置的方法。提供了一种层式结构，其包括基板层、牺牲层、MEMS膜、CMOS电路部件和MEMS背板。所述MEMS膜在层式结构的水平横截面的MEMS区域内定位在牺牲层和基板层之间。所述MEMS背板相反于所述MEMS膜邻近所述牺牲层定位。所述CMOS电路部件定位在所述层式结构的水平横截面的电路区域内。所述电路区域和所述MEMS区域在所述层式结构的所述水平横截面上不重叠。
该方法还包括在层式结构的顶表面上沉积局部防护层，从而使得所沉积的防护层覆盖所述电路区域。基板层的第一局部蚀刻从层式结构的底侧实施，以在层式结构的MEMS区域内在MEMS膜之下形成第一间隙。牺牲层的第二局部蚀刻从层式结构的顶侧实施，以在层式结构的MEMS区域内去除MEMS膜和MEMS背板之间的牺牲层部分。第二局部蚀刻释放所述MEMS膜，从而所述MEMS膜可响应于压力而移动。沉积的局部防护层防止第二局部蚀刻蚀刻掉牺牲层的位于所述层式结构的电路区域内的一部分，且还防止第二局部蚀刻损坏CMOS电路部件。
在一些实施例中，MEMS膜由多晶硅材料形成，且基板层由硅基材料形成。牺牲层由氧化物材料形成。所述层式结构还包括多晶硅MEMS膜与硅基基板层之间的防护氧化物层。氧化物层在基板层的第一局部蚀刻过程中充当蚀刻停止部并保护MEMS膜。第二局部蚀刻然后将MEMS膜从牺牲层和防护氧化物层释放。
在另一实施例中，本发明提供了一种制造CMOS-MEMS麦克风系统的方法。该方法包括提供一结构，该结构包括多晶硅麦克风膜、金属氧化物背板以及膜与背板之间的氧化物限定式间隙层。麦克风膜邻近基板层安装，从而背板定位在膜之上。CMOS电路部件集成在该结构中，但是不位于膜和背板之间。防护蚀刻停止部沉积在CMOS电路部件上，以在去除膜和背板之间的氧化物材料的释放蚀刻过程期间保护CMOS电路部件。
在一些实施例中，本发明提供了制造CMOS-MEMS麦克风系统的措施。该方法包括：通过邻近陶瓷粘附层沉积主蚀刻停止层(也称作钝化层)来在释放过程期间选择性地保护MEMS系统的区域免受蚀刻腐蚀的措施。在一个实施例中，钝化层可沉积在MEMS芯片的顶部上，且被图案化以以允许释放有效MEMS结构，同时保护其他区域不被释放。当这种钝化层被图案化、且尤其当意图进行钝化处理以使一层免于快速蚀刻速度，重要的是在钝化层被图案化处具有好的边缘密封，以便防止围绕这种钝化层的不期望的蚀刻不足(underetch)。因此，钝化层必须在这种钝化处理下对蚀刻剂具有低选择比(selectivity)，且必须良好地粘附至基底层。本发明详述了沉积薄陶瓷层(比如氧化金属(例如Al2O3))的措施，从而作为结合层来促进粘附较厚的主钝化层(例如富硅氮化硅)。陶瓷结合层表现了到金属和多晶硅的好的粘附性，以及对常见的释放蚀刻剂(比如液态HF和气相HF)的好的选择比。
在一些实施例中，该方法包括：围绕MEMS部件的周边在MEMS麦克风系统结构的顶表面上沉积防护蚀刻停止部。背面蚀刻在硅基板中形成了腔室。然后使用顶侧蚀刻，以去除围绕膜的氧化物材料以及膜与金属背板之间的牺牲氧化物限定式间隙层。在一些实施例中，所有露出表面在蚀刻步骤完成后都涂覆有保护性防粘连层。
本发明的其他方面将通过详细说明书和附图而显现。
附图说明
图1是CMOSMEMS麦克风系统的顶侧图。
图2是图1的预蚀刻CMOS-MEMS麦克风系统的剖视图。
图3是示出了释放图2的CMOS-MEMS麦克风系统中的膜的方法的流程图。
图4是图2的CMOS-MEMS麦克风系统的在防护层沉积和图案化后的剖视图。
图5是图4的CMOS-MEMS麦克风系统的使用背面蚀刻以形成麦克风腔室后的剖视图。
图6是图5的CMOS-MEMS麦克风系统的使用氧化物释放蚀刻以将膜从牺牲氧化物层释放后的剖视图。
图7是CMOS-MEMS系统的另一示例的剖视图。
图8是CMOS-MEMS系统的实施附加牺牲蚀刻后的剖视图。
具体实施方式
在详细阐述本发明的任何实施方式之前，应当理解，本发明在其应用方面不限于在以下说明书中提出的或在附图中示出的结构的详细情形和构件的布置方式。本发明能够具有其他实施方式且能够以多种方式来实施或执行。
图1示出了包括MEMS圆形MEMS麦克风101的麦克风系统100的顶侧图。如下文详细描述，MEMS麦克风包括响应于声压而移动的膜以及背板。电路检测膜相对于背板的移动(例如，由于变化的电容)并产生表示声压(即，声音)的电信号。图1的麦克风系统包括CMOS和ASIC部件，该CMOS和ASIC部件集成到同一单片结构中作为MEMS麦克风101，并绕着麦克风膜的外周定位，以便避免与麦克风膜的移动产生物理干扰。尽管图1的示例示出了定位于方形芯片中的单个圆形麦克风部件101，但是其他构造可包括不同布置结构，例如包括其他形状(例如，方形或矩形)的麦克风、其他形状的硅芯片、同一芯片上的多个麦克风、以及围绕麦克风101的外周的变化量的芯片表面。
图2示出了麦克风系统100的沿着线103的剖视图，以进一步示出单片结构的不同层和部件。图2中的单片结构以其预蚀刻状态被示出。图2所示的晶圆的总厚度为研磨后大约400μm(研磨前大约725μm)。麦克风系统100包括定位于基板层203之上的牺牲、界金属电介质(inter-metaldieletric)(IMD)层201。IMD层201由非掺杂正硅酸乙酯(TEOS)形成，且基板层203由硅基材料形成。LOCOS(“硅局部氧化”)层205定位在IMD层201和硅基板层203之间。
多晶硅膜207在LOCOS层205之上定位在IMD层201内。该膜大约700nm厚。如下文详细描述，膜207将通过蚀刻过程从IMD层201释放，从而膜207可响应于声压而移动。因此，晶圆包括也埋设在IMD层201中的夹式支承结构209。当膜207被释放时，夹式支承结构209将仍部分地埋设在剩余的氧化物层201中，以便为可移动的膜205提供固定支承。
CMOS部件211也埋设在IMD层201中。在该示例中，CMOS部件211形成在麦克风膜207的外周的外侧。CMOS部件211的尺寸被选择成且被定位成：使CMOS部件211不延伸到膜207之上或之下的物理空间。钝化层213(由比如SiN或SiO2的材料形成)形成在IMD层201之上。钝化层在MEMS结构(即，膜207)之上的部分在释放膜207之前被去除。
金属背板215定位在IMD层201顶部上，且部分地由钝化层213固定。金属背板215是具有多个间隙的格栅型结构，所述多个间隙随着膜207的移动引起背板215与膜207之间的间隙容积的变化而将最终允许空气经过。在该示例中，背板215大约2000nm厚，且以一层或多层AlCu、Ti和TiN构造。背板215还包括防止膜207物理地接触背板215的一个或更多个超程停止结构217。
最后，图2的晶圆还包括邻近膜207定位的、埋设在IMD层201中的间层电介质(ILD)部件219。在该示例中，该ILD部件219由硼磷硅玻璃(borophosphosilicateglass)(BPSG)或NSG构造。
图3示出了一种蚀刻图1和2所示的结构以形成麦克风腔室和将膜205从氧化物层释放的方法。首先，将防护层沉积在晶圆的顶表面上(步骤301)。如图4所示，防护层401被沉积在钝化层213之上且不覆盖MEMS结构(即，膜207和背板215)。防护层401可包括原子层沉积(ALD)和/或富硅氮化物材料，且将在下文所述的蚀刻过程期间保护ASIC/CMOS部件211。
返回图3，沉积防护层后，在硅基板203上实施背面蚀刻，以形成麦克风腔室(或步骤303)。如图5所示，该蚀刻(硅DRIE蚀刻)去除了位于膜205之下的硅基板层203的一部分，以便形成充当用于MEMS麦克风的腔室的空气间隙501。LOCOS层205的SiO2充当多晶硅膜207下方的蚀刻停止部，以便防止硅DRIE蚀刻损坏膜207。
再次返回图3，形成麦克风腔室后，实施氧化物蚀刻(步骤305)，以去除膜207与背板215之间的牺牲层，并释放膜207，从而膜207可响应于声压而移动。如图6所示，这是使用氢氟酸(即，GPE-HF蚀刻)的气相(gas-phase)或无水气相蚀刻(anhydrousvaporetch)，以去除金属背板215之下的IMD层201的氧化物材料，从而形成背板215与膜207之间的间隙601。该蚀刻步骤后，背板215与膜207之间的平均机械间隙为大约5.5μm。该蚀刻还去除了氧化物LOCOS层205，以便释放膜207，由此使得膜207能够响应于声压而移动。然而，防护层401防止了GPE-HF蚀刻损坏或去除IMD层201的位于MEMS结构的外周外侧的部分，且还保护CMOS部件211免于损坏。
再次返回图3，实施释放蚀刻后，实施退火和涂覆步骤(步骤307)，以保护结构抵抗潮湿和粘连。在该过程期间，MEMS结构的所有露出表面和芯片的其余部分被涂覆以原子层沉积(ALD)涂层和/或防粘连层，例如包括ALD-SiO2材料。
图7和8提供了使用比如上述的蚀刻/保护过程构造的其他单片MEMS系统的另外的剖视图。图7和8中，芯片的区域1301由钝化层保护，以防止蚀刻不足(underetching)。区域1302包括有效MEMS部件，且牺牲层预期被去除，以释放移动的MEMS结构。布置了薄结合层1101(或“接合层”)，以促进到MEMS层的钝化粘附，从而防止不期望的蚀刻不足。在一些实施例中，该结合层可由陶瓷材料(比如氧化金属(例如Al2O3))或抗HF蚀刻过程的任何其他材料组成。主钝化层1102保护MEMS装置的区域免于释放或免于蚀刻腐蚀。一些部件/层1201由于其化学组成(例如，金属、多晶硅或富硅氮化硅)而不易受蚀刻腐蚀，而同时其他牺牲部件1202通过蚀刻过程被去除、以形成移动的MEMS结构。附加的快速蚀刻牺牲层1203由钝化层保护，以防止蚀刻不足。
图7和8的层式结构也可被组装成：使得层1203是钝化层，且薄层1101在顶侧HF蚀刻过程期间提供钝化层1203的顶侧保护。然而，防护层1101由于其薄度而易受刮擦或其他物理损害。因此，可使用第二、较厚的防护层1102来保持薄防护层1101的完整性。在图7所示的示例中，所述较厚的防护层由也抗HF蚀刻过程的材料、比如富硅氮化物(silicon-richnitride)制成。然而，也可使用不是必须抗HF蚀刻过程的其他材料(比如二氧化硅)。尽管HF蚀刻过程将毁坏(且可能完全去除)二氧化硅层1102，但是所述较厚的层1102将行使其用途来保持较薄的、抗HF层1101的物理完整性，直至HF蚀刻完成。
因此，本发明尤其提供了一种制造CMOSMEMS系统的方法，该系统包括多晶硅膜和金属背板以及多晶硅膜与金属背板之间的氧化物限定式间隙。金属背板可包括CMOS过程的一个或多个金属层。另外，使用定位于CMOS电路之上的、但是不在MEMS结构之上的防护蚀刻停止部层防止了在膜释放蚀刻期间损坏CMOS电路。也可包括可选的钝化处理结合层，以促进防护蚀刻停止部到MEMS层的粘附。
以上示出和描述的特定构造和步骤仅提供了根据本发明制造的装置的一个示例。在其他构造中，CMOS部件可包括不同的尺寸、形状或位置。然而，在这种构造中，防护层仍保护CMOS部件在释放蚀刻过程中免受损害。另外，在一些构造中，单片芯片可包括集成在MEMS结构、CMOS或其他附加结构中的附加的或替代性的部件。
本发明的各种特征和优点在权利要求中提出。

Claims (16)

1.一种制造CMOS-MEMS装置的方法，该方法包括：
提供层式结构，该层式结构包括
基板层，
牺牲层，
MEMS膜，其在所述层式结构的水平横截面的MEMS区域内定位在牺牲层和基板层之间，
CMOS电路部件，其定位在所述层式结构的水平横截面的电路区域内，其中，所述电路区域和所述MEMS区域在所述层式结构的水平横截面上不重叠，和
MEMS背板，其邻近牺牲层相反于MEMS膜定位；
在所述层式结构的顶表面上沉积局部防护层，其中，所沉积的局部防护层覆盖所述层式结构的所述电路区域；
从所述层式结构的底侧实施基板层的第一局部蚀刻，以在所述层式结构的MEMS区域内形成MEMS膜之下的第一间隙；
从所述层式结构的顶侧实施牺牲层的第二局部蚀刻，以在所述层式结构的MEMS区域内形成MEMS膜和MEMS背板之间的第二间隙，
其中，第二局部蚀刻释放MEMS膜，从而MEMS膜能够响应于压力而移动，且
其中，所沉积的局部防护层防止第二局部蚀刻蚀刻掉位于所述层式结构的电路区域内的牺牲层部分，且防止损坏CMOS电路部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供层式结构包括根据CMOS过程来制造层式结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层式结构的MEMS膜由多晶硅材料形成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述层式结构的基板层由硅基材料形成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供层式结构包括提供如下的层式结构，所述层式结构在所述层式结构的MEMS区域内包括MEMS膜和基板层之间的第二防护层，其中，第二防护层在基板层的第一局部蚀刻过程中充当用于保护多晶硅MEMS膜的蚀刻停止部。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，实施第一局部蚀刻包括实施硅DRIE蚀刻。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第二防护层由氧化物材料形成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第二防护层是硅局部氧化(LOCOS)层。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述牺牲层由氧化物基材料形成，其中，实施第二局部蚀刻包括：实施第二局部蚀刻，以去除所述层式结构的MEMS区域内的牺牲层部分和所述层式结构的MEMS区域内的氧化物基第二防护层的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，实施第二局部蚀刻包括从所述层式结构的顶侧使用氢氟酸实施蚀刻。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，实施第二局部蚀刻包括从包括无水HF蚀刻和气相HF等的组中选择的至少一种。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层式结构的所述电路区域包括围绕所述层式结构的所述MEMS区域的区域。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述MEMS区域包括圆形横截面区域。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供层式结构包括提供如下的层式结构，所述层式结构包括钝化层，所述钝化层在所述层式结构的所述电路区域内形成为所述层式结构的顶表面，其中，沉积局部防护层包括在所述钝化层上沉积局部防护层。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供层式结构包括提供如下的层式结构，所述层式结构包括所述钝化层和所述牺牲层之间的结合层，其中，所述结合层促进层之间的钝化粘附，并在第二局部蚀刻过程中防止所述层式结构的所述电路区域内的牺牲层部分的蚀刻不足。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述结合层由氧化金属材料形成。
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