CN105531220A - 带有氮化硅背板和硅牺牲层的mems声学传感器 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统（MEMS）麦克风具有包含背侧沟槽的衬底，和沉积在该衬底上的在背侧沟槽之上延伸的柔性膜。柔性膜包含第一电极。硅隔板层被沉积在柔性膜的周围部分上。隔板层限定在膜和背侧沟槽上方的声学腔。富硅氮化硅（SiN）背板层被沉积在硅隔板层的顶上，该富硅氮化硅（SiN）背板层在声学腔之上延伸。背板将多个开口限定在声学腔中并且包含用作第二电极的金属化。

Description

带有氮化硅背板和硅牺牲层的MEMS声学传感器

相关申请的交叉引用

该申请要求2013年3月14日提交的Feyh等人做出的标题为“MEMSACOUSTICTRANSDUCERWITHSILICONNITRIDEBACKPLATEANDSILICONSACRIFICIALLAYER”的美国临时申请序列号61/781,940的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。

技术领域

该公开内容大体上涉及麦克风，并且特别地涉及微机电系统（MEMS）麦克风。

背景技术

消费者电子器件正逐渐变得更小并且随着技术进步正得到增加的性能和功能性。这在消费者电子产品诸如移动电话、膝上型计算机、MP3播放器和个人数字助理（PDA）中使用的技术中显而易见。比如，移动电话工业的要求正驱动部件以更高的功能性和减少的成本而变得更小。因此期望将电子电路的功能集成在一起并且将它们与传感器器件诸如麦克风和扬声器组合。

其结果是基于微机电系统（MEMS）的传感器器件的显现。这些比如可以是用于检测和/或生成压力/声波的电容性传感器或用于检测加速度的传感器。存在持续驱动以通过与对通过去除传感器电子接口来操作和处理来自MEMS的信息所必须的电子电路的集成来减少这些器件的尺寸和成本。达到这些目标的挑战中的一个是在MEMS器件的制造期间实现与用来加工互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件的标准工艺的兼容性的困难。这要求允许MEMS器件与使用相同材料和处理机器的传统电子设备的直接集成。该发明寻求处理这个领域。

附图说明

图1描绘依据本公开内容的MEMS麦克风的实施例的横截面视图。

图2描绘在热氧化之后的图1的衬底。

图3描绘在已沉积用于MEMS麦克风的膜层并且在膜层上已形成热氧化层之后的图2的衬底。

图4描绘在已沉积第一牺牲硅层并且在其中形成栓塞结构的部分之后的图3的衬底。

图5描绘在已沉积第二牺牲层并且在其中形成栓塞结构的剩余部分之后以及在已将背板层沉积到第二牺牲层上之后的图4的衬底。

图6描绘在已图案化背板层并且已形成键合焊盘区之后的图5的衬底。

图7是将MEMS麦克风与MEMS压力传感器集成到相同CMOS衬底中的实施例的示意视图。

图8描绘在将衬底处理成形成用于MEMS麦克风的背侧沟槽和空气间隙以及形成用于MEMS压力传感器的电容性间隙之后的图7的衬底。

具体实施方式

为了促进理解公开内容原理的目的，现在将对在下面所写的说明书中描述的以及在附图中图解的实施例进行参考。理解由此不意图对公开内容的范围进行限制。进一步理解本公开内容包含对图解实施例的更改和修改并且包含公开内容的原理的进一步应用，如该公开内容所属的领域中的普通技术人员通常将想到的。

图1描绘依据本公开内容的MEMS声学传感器10的实施例的透视图。MEMS声学传感器能够是麦克风、接收器、扬声器、或其组合。在本文中图解MEMS麦克风10。MEMS麦克风包含衬底12、柔性膜14、和固定背板16。衬底12包括互补金属氧化物半导体（CMOS）衬底，诸如硅晶片或绝缘体上硅（SOI）衬底，用于集成到CMOS电子设备和MOS处理技术中，尽管将意识到也能够使用其它衬底材料和电子加工技术。在图1的实施例中，硅衬底12经受热氧化，该热氧化在衬底的前侧和背侧上分别形成热氧化层18和20。作为对使用热氧化的替换方式，可以使用比如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来沉积氧化层。其它技术也是可能的。

膜14包括在衬底12的前侧上沉积到前侧热氧化层18上的柔性材料（诸如多晶硅）的层。衬底12包含暴露膜14的底表面的背侧沟槽22。膜14被配置成用作用于MEMS麦克风10的下电极。下电极可以以任何适合方式诸如通过膜层的注入掺杂或通过导电薄膜的沉积被集成在膜14中。此外，由于包含掺杂剂全部膜层14能够导电。全导电薄膜的图案化工艺实现电极的限定。

背板16悬空在膜14上方并且被配置成用作用于电容性MEMS麦克风10的固定上电极。背板16由硅隔板24支撑，该硅隔板24在膜14上的热氧化层23上形成。在背板16和膜14之间去除隔板24的硅材料以形成声学腔26，该声学腔26形成用于麦克风的空气间隙。背板16包含被配置成允许空气流动到声学腔26中以对膜14冲击的多个穿孔或开口28。

依据本公开内容，通过低应力富硅氮化物（SiN）来形成背板，该低应力富硅氮化物（SiN）是带有良好机械属性的抗刻蚀绝缘材料。局部金属化（不可见）被沉积到背板16上以形成用于电容性麦克风的上电极。用于电极的金属化可以包括任何适合的金属材料，诸如铂（Pt）、铝（Al）、钛（Ti）等等。在一个实施例中，使用原子层沉积（ALD）工艺将金属层沉积为非常薄的薄膜（例如，10nm或更小），从而它对背板16的机械属性具有很小影响或不具有影响。另一个可能性是在薄氧化物的顶上使用掺杂的硅薄膜。硅薄膜用作导电电极，氧化物薄膜用作在Si牺牲层刻蚀步骤中的保护层并且在稍后的氧化物刻蚀过程中被刻蚀掉。

膜14的下电极和背板16的固定上电极一起形成平行板电容器。在操作期间，穿过多孔背板16进入声学腔的声波引起柔性膜14振动。当膜14振动时，膜14和背板16之间的距离改变，这引起上电极和下电极之间的电容的对应改变。在图1的实施例中，背板16和膜14的电极被电连接到在衬底的键合焊盘区30中提供的键合焊盘32。键合焊盘被配置成将电极连接到读出和控制电路（未示出）。读出和控制电路被配置成监测膜和背板之间的电容并且输出表示对膜冲击的声波的信号。

结合用于牺牲/隔板层的硅的用于背板16的低应力富硅氮化物（SiN）的使用能够实现带有高性噪比（例如，SNR>65dB）的麦克风设置，而同时能够实现CMOS集成，从而MEMS麦克风能够与其它类型传感器（诸如MEMS压力传感器）在相同芯片上实施。比如，SiN材料能够以小的层厚度（例如，1-3μm）来提供刚性、机械稳定的结构，并且其能够被图案化以实现相对高的多孔性而没有影响背板的结构完整性。这允许增加空气间隙的尺度，从而能够优化空气流动行为而没有显著影响性能。这也能够使膜14配有低的多孔性，这能够增强到器件的耦合。

此外，因为SiN材料更抗典型地在CMOS处理期间用来刻蚀硅和氧化硅材料的某些刻蚀剂诸如蒸气（vapor）HF（氢氟酸），所以去除硅牺牲层以释放背板并且形成背板和膜之间的空气间隙能够被执行为正常CMOS流程的部分。如能够在图1中看到，SiN或类似类型材料诸如四乙基原硅酸盐（TEOS）被用来形成在背板16和衬底膜14之间延伸的栓塞结构34。栓塞结构被配置成用作针对声学腔的刻蚀停止并且在背板16和膜14之间增加机械稳定性以及提供电绝缘。

参考图1，SiN/TEOS栓塞结构36也可以被结合在器件中以在器件的键合焊盘区32中提供从键合焊盘到衬底的电绝缘和增加的电阻。在图1的实施例中，SiN/TEOS栓塞结构36被提供在键合焊盘区32和膜层14之间并且形成支撑框架，该支撑框架允许去除或部分去除键合焊盘32和膜层14之间的导电层由此增加电阻。

图2-6示意性描绘用于诸如在图1中描绘的MEMS麦克风的加工工艺的实施例。参考图2，MEMS麦克风的加工工艺以硅衬底12开始，该硅衬底12经受热氧化以在衬底12的相对侧上形成热氧化层18、20。热氧化层18、20可以随后被图案化以限定特征，诸如接触区或刻蚀停止诸如图3中的刻蚀停止38。

如在图3中描绘的，膜/电极层14以取决于期望性能特性的适合厚度被沉积在上热氧化层18上并且被图案化以限定下电极的期望尺寸和形状。在一个实施例中，膜层14包括使用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积的多晶硅。未示出：膜层14能够以期望穿孔程度来图案化以允许与膜的两侧的静态压力交换。此外，膜（区域和形状）本身要被图案化。随后执行热氧化工艺以在膜14的上表面上形成薄的热氧化层23。热氧化层23保护膜14免于用来形成空气间隙的Si牺牲刻蚀。随后图案化热氧化层23以限定任何期望特征，诸如接触区40（图4）和用于栓塞结构34、36的贯穿孔。

随后在热氧化层23上形成硅牺牲/隔板层结构24。牺牲硅层结构24可以以任何适合方式来形成。在一个实施例中，硅牺牲层结构包括一层或多层外延生长的硅。硅层的厚度和/或数目取决于空气间隙的期望厚度以及结合在器件中的诸如栓塞和互连的任何结构的配置。

在图1的实施例中，MEMS麦克风10包含用来在声学腔26的外围形成刻蚀停止和电绝缘的堆叠SiN/TEOS栓塞结构。为了形成堆叠栓塞结构，在热氧化层23上例如外延地沉积第一牺牲硅层42，如在图4中描绘的。随后例如通过刻蚀在合适位置处在第一牺牲硅层42中形成用于栓塞结构34、36的栓塞沟槽44。在第一牺牲硅层42中形成的栓塞沟槽44随后用抗刻蚀绝缘材料（诸如SiN或TEOS）填充。相同或相似类型材料（诸如SiN或TEOS）的层46也被沉积在第一牺牲层42的顶上（与填充沟槽44相同的步骤）并且在栓塞结构周围被图案化以形成栓塞堆叠的水平部分48（图5）。

如在图5中描绘的，随后例如通过外延沉积将第二牺牲硅层50沉积到第一牺牲硅层42上。硅层沉积的总宽度对应于期望的空气间隙厚度。随后可以执行诸如化学机械抛光（CMP）的平坦化工艺以确保在离膜14期望的距离处提供牺牲硅的恒定和均匀的上表面。随后在第二牺牲层50中形成栓塞沟槽52，该栓塞沟槽52与在第一硅牺牲层中形成的第一栓塞沟槽对准并且向下延伸到栓塞结构的水平部分。在第一牺牲硅层中形成的栓塞沟槽随后用抗刻蚀绝缘材料（诸如SiN或TEOS）填充。

额外特征随后被刻蚀到第二牺牲层50的上表面中以限定背板16的功能形状。比如，U形沟槽54被刻蚀到第二牺牲层50中，该U形沟槽54将限定背板16中的用于减少应力、增添机械稳定性、形成超程停止等等的U形折叠和皱折。金属化层56被沉积并且被图案化以在沟槽54的底中形成电极结构。保护性氧化层上方的任何适合类型的金属或掺杂的硅可以被用于金属化。如以上提及的，可以使用原子层沉积（ALD）工艺将金属化沉积为非常薄的薄膜（例如，10nm或更小），从而它对背板16的机械属性具有很小影响或不具有影响。

随后在第二牺牲层50的顶上沉积用于背板16的SiN层，该用于背板16的SiN层与U形沟槽54相符并且在栓塞结构34、36之上延伸。在一个实施例中，用于背板16的SiN层被沉积到近似1-3μm的厚度。参考图6，例如通过刻蚀来图案化SiN层以形成开口或穿孔28并且限定背板16的最终形状。另一个金属化层58随后被沉积到背板16上，该另一个金属化层58延伸到键合区30中用于将背板16连接到键合焊盘32。也可以在器件上提供额外层和结构，诸如钝化或绝缘层、封装结构、安装结构等等。

再次参考图1，MEMS麦克风10的加工随后通过下述方式来完成：形成背侧沟槽22，例如通过刻蚀，利用热氧化物18作为刻蚀停止以保护膜；并且去除背板16下面的牺牲硅24，例如通过刻蚀，使用热氧化层23和栓塞结构34、36作为刻蚀停止。随后例如使用vHF（蒸气氢氟酸）释放刻蚀或另一个适合工序去除保留在膜14的上表面和下表面上的热氧化层18、23。一旦已去除氧化层18、23，则形成声学腔26，该声学腔26提供MEMS麦克风的背板16和膜之间的空气间隙。

尽管硅隔板层和栓塞结构已被描述为具有多层和堆叠配置，但是工艺可以通过使用单个牺牲硅层和单级SiN/TEOS栓塞沟槽（未示出）来简化。此外，限定支撑框架的栓塞结构36可以被省略或可以被提供在期望增加的电阻和绝缘的其它位置或多个位置处。如在图1中描绘的，空气间隙可以留在栓塞结构36的框架中。在替选实施例中，空气间隙可以用SiN/TEOS或另一个兼容绝缘材料来重新填充用于改进机械稳定性。

如以上提及的，带有金属化的SiN背板结合硅牺牲层的使用使MEMS麦克风10能够在正常CMOS流程期间使用CMOS工艺来加工。作为结果，MEMS麦克风10可以以芯片级被集成在其它CMOS器件中。在图7和8中描绘将MEMS麦克风70结合到MEMS压力传感器72中或结合到与MEMS压力传感器7相同的芯片上的实施例。在图7和8的实施例中，器件配有与以上对MEMS麦克风10描述的类似的层配置，诸如衬底12、膜层14、氧化层18、23、用于限定背板16中的栓塞结构34和特征的第一牺牲硅层42和第二牺牲硅层52。

压力传感器72被布置在与麦克风70相同的衬底12上并且被配置成利用牺牲层42、50两者以形成用于压力传感器的柔性膜或隔膜。在压力传感器的区中，第二氧化层23被用作牺牲层用于释放将形成用于压力传感器的可移动电极的膜或隔膜（例如，层42、50）。在牺牲氧化物23中形成刻蚀停止88以限定针对被配置成用作用于压力传感器72的固定电极的多晶硅层14和柔性膜之间的间隙的边界。如在图8中描绘的，衬底的MEMS麦克风区被处理成形成背侧沟槽22和空气间隙26。衬底的MEMS压力传感器区通过去除牺牲氧化层以形成用于压力传感器70的电容性间隙94来处理。用于形成图8的器件的所有工艺步骤能够在正常CMOS流程期间执行。

尽管在附图和前述描述中已详细描述并且图解公开内容，但是相同内容应该被理解为图解性的并且不在性质上限制。理解已呈现仅优选实施例并且期望保护落在公开内容的精神内的所有改变、修改和进一步应用。

Claims (19)

1.一种微机电系统（MEMS）器件，包括：

衬底，包含背侧沟槽；

柔性膜，沉积在所述衬底上，在所述背侧沟槽之上延伸，所述柔性膜包含第一电极；

硅隔板层，沉积在所述柔性膜的周围部分上，隔板层限定定位在膜和背侧沟槽上方的声学腔；以及

富硅氮化硅（SiN）背板层，沉积在所述硅隔板层的顶上，在所述声学腔之上延伸，背板将多个开口限定在所述声学腔中并且包含第二电极。

2.权利要求1的所述器件，其中背板层具有近似1-3μm的厚度。

3.权利要求1的所述器件，其中柔性膜由掺杂的并且被图案化以形成所述第一电极的多晶硅形成。

4.权利要求1的所述器件，其中所述第二电极包括沉积到背板层上的金属化。

5.权利要求4的所述器件，其中所述金属化使用原子层沉积（ALD）工艺被沉积到10nm或更小的厚度。

6.权利要求1的所述器件，其中所述第二电极包括在薄氧化层的顶上的掺杂的硅层。

7.权利要求1的所述器件，进一步包括：

栓塞结构，由抗刻蚀绝缘材料形成，在背板和膜之间延伸。

8.权利要求7的所述器件，其中所述栓塞结构由SiN形成。

9.权利要求1的所述器件，进一步包括：

键合焊盘区，邻近背板；以及

键合焊盘，在所述键合焊盘区中，用于将第一和第二电极连接到控制电路。

10.权利要求1的所述器件，进一步包括：

支撑结构，定位在所述键合焊盘区下方并且在所述键合焊盘和所述衬底之间延伸，所述支撑结构由SiN形成。

11.权利要求1的所述器件，进一步包括：

MEMS压力传感器，集成在所述衬底中。

12.一种加工MEMS器件的方法，所述方法包括：

将导电层沉积到热氧化的衬底上，所述导电层被配置成用作用于MEMS麦克风的可移动电极；

将氧化层沉积在所述导电层的上表面上；

将牺牲硅层沉积在所述氧化层上；

在所述牺牲硅层中形成栓塞结构，所述栓塞结构限定用于所述MEMS器件的空气间隙的水平扩展并且被配置成用作刻蚀停止；

将富硅氮化硅（SiN）层沉积到所述牺牲硅层上以用作背板；

沉积导电层邻近SiN背板层以用作用于MEMS麦克风的固定电极；并且

使用所述氧化层和所述栓塞结构作为刻蚀停止来刻蚀所述牺牲硅层以在导电层和背板之间形成声学腔。

13.权利要求12的所述方法，进一步包括：

在衬底中形成背侧沟槽，所述背侧沟槽在导电层的底表面上暴露氧化层。

14.权利要求13的所述方法，进一步包括：

刻蚀掉导电层的底表面上的氧化层和上表面上的氧化层。

15.权利要求14的所述方法，其中所述栓塞结构由SiN或四乙基原硅酸盐（TEOS）形成。

16.权利要求15的所述方法，其中SiN背板层被沉积到1-3μm的厚度。

17.权利要求12的所述方法，进一步包括：

形成邻近背板的键合焊盘区；并且

在牺牲硅中提供在键合区和导电层之间延伸的SiN栓塞结构。

18.权利要求17的所述方法，其中所述SiN栓塞结构被配置为支撑框架，并且其中在所述支撑框架周围去除所述牺牲硅层，使得空气间隙被限定在栓塞结构中。

19.权利要求12的所述方法，进一步包括：

在所述衬底上加工MEMS压力传感器。