CN105848075A

CN105848075A - 一种mems器件及其制备方法、电子装置

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Publication number: CN105848075A
Application number: CN201510021534.7A
Authority: CN
Inventors: 何昭文
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2035-01-15
Also published as: CN105848075B

Abstract

本发明涉及一种MEMS器件及其制备方法、电子装置。所述器件包括半导体衬底；背板，位于所述半导体衬底的上方，其中所述背板中设置有若干相间隔的穿孔；振膜，位于所述背板上方；牺牲层，位于所述振膜和所述背板之间；其中，所述振膜与所述背板之间形成有空腔，所述空腔下方的所述半导体衬底中形成有若干相间隔的背腔。本发明采用多个背腔设计，背腔之间的间隔作为背板的支撑，这种设置具有以下优点：由于背板受到支撑，其刚度提高，可以减小背板的厚度以减小空气阻尼，MEMS麦克风的信噪比和灵敏度都得到提高；本设计没有增加工艺步骤和工艺难度，只需要更改背腔刻蚀的光照即可；背腔的设计可以灵活更改以满足MEMS麦克风的性能要求。

Description

一种MEMS器件及其制备方法、电子装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种MEMS器件及其制备方法、电子装置。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，在传感器(sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电系统(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，并朝尺寸小、性能高和功耗低的方向发展。

其中，MEMS传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等，电子音像领域：麦克风等设备。

在MEMS领域中，电容式MEMS器件的工作原理是由振膜(Membrane)的运动产生电容的变化，利用电容变化量进行运算和工作的，现有常用的MEMS麦克风包括振膜、背板及位于背板下方的背腔组成。通过振膜将声音信号转换成电信号。由于MEMS麦克风具有体积小、与IC电路工艺兼容、支持回流焊、功耗低等优点而迅速取代驻极体电容器麦克风(Electret Capacitance Microphone，ECM)麦克风。

目前为了提高MEMS麦克风的性能，通常在所述背板中设置若干穿孔，当背板中的穿孔尺寸和大小一定时，背板的厚度越厚，空气阻尼就越大，导致MEMS麦克风的信噪比和灵敏度下降。如果增加背板中穿孔的数量或尺寸会使MEMS麦克风背板的有效刚度下降，背板也容易在声压的作用下变形。此外，使背板的厚度减小也容易使背板的有效刚度下降。

因此，如何在不降低所述麦克风背板刚度的情况下，提高所述MEMS麦克风的信噪比和灵敏度成为需要解决的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种MEMS器件，包括：

半导体衬底；

背板，位于所述半导体衬底的上方，其中所述背板中设置有若干相间隔的穿孔；

振膜，位于所述背板上方；

牺牲层，位于所述振膜和所述背板之间；

其中，所述振膜与所述背板之间形成有空腔，所述空腔下方的所述半导体衬底中形成有若干相间隔的背腔。

可选地，所述背板的厚度为10-30um。

可选地，所述背板选用Al、Si或SiGe。

可选地，所述背腔的数目大于或等于2。

可选地，所述背板和所述振膜上分别形成有电极。

可选地，所述半导体衬底和所述背板之间设置有绝缘层。

可选地，所述牺牲材料层选用SiO₂、C或BARC。

可选地，所述MEMS器件为MEMS麦克风。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的MEMS器件。

本发明还提供了一种MEMS器件的制备方法，包括：

步骤S1：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有背板，其中所述背板中形成有若干相间隔的穿孔；

步骤S2：沉积牺牲材料层，以覆盖所述背板；

步骤S3：在所述牺牲材料层上形成振膜；

步骤S4：在所述振膜上接合操作晶圆；

步骤S5：反转所述步骤S4中得到元件，并图案化所述半导体衬底，以形成若干相间隔的露出所述背板的背腔，并去除所述振膜与所述背板之间的所述牺牲材料层，以形成空腔；

步骤S6：反转步骤S5中得到的元件，去除所述操作晶圆。

可选地，在所述步骤S1中，所述背板的厚度为10-30um。

可选地，在所述步骤S1中，所述背板选用Al、Si或SiGe。

可选地，在所述步骤S5中，所述背腔的数目大于或等于2。

可选地，所述步骤S1包括：

步骤S11：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上依次形成绝缘层和背板；

步骤S12：图案化所述背板，以在所述背板中形成若干相间隔的穿孔。

可选地，在所述步骤S3中，所述牺牲材料层选用SiO₂、C或BARC。

可选地，在所述步骤S3和所述步骤S4之间还进一步包括以下步骤：

图案化所述振膜和所述牺牲材料层，以露出部分所述背板；

在所述振膜和露出的所述背板上分别形成电极。

可选地，在所述步骤S4中，在所述振膜与所述操作晶圆之间还形成有钝化层。

本发明为了解决现有技术中存在的背板穿孔和刚度之间的矛盾，采用多个背腔设计，背腔之间的间隔作为背板的支撑，使得背板的刚度增加，不仅能够减小背板的厚度以减小空气阻尼，并增加背板的固有频率以避免共振现象。

本发明采用多个背腔设计，背腔之间的间隔作为背板的支撑，这种设置具有以下优点:

(1)由于背板受到支撑，其刚度提高，可以减小背板的厚度以减小空气阻尼，MEMS麦克风的信噪比和灵敏度都得到提高；

(2)背板的厚度减小可以提高背板的固有频率，有利于避免在工作频率范围(20-20kHz)内产生共振；

(3)本设计没有增加工艺步骤和工艺难度，只需要更改背腔刻蚀的光照即可；

(4)背腔的设计可以灵活更改以满足MEMS麦克风的性能要求。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1a-1g本发明一具体实施方式中MEMS器件的制备过程示意图；

图2为本发明一具体实施方式中MEMS器件的制备工艺流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例1

为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS器件，下面结合附图对所述MEMS器件做进一步的说明，其中图1g本发明一具体实施方式中MEMS器件的结构示意图。

首先，参照图1g，所述MEMS器件，包括：

半导体衬底101；

背板103，位于所述半导体衬底上方，其中所述背板中设置有若干相间隔的穿孔；

振膜105，位于所述背板上方；

牺牲层，位于所述振膜105和所述背板103之间；

其中，所述振膜105与所述背板103之间形成有空腔，所述空腔下方的所述半导体衬底中形成有若干相间隔背腔。

本发明中所述MEMS器件为MEMS麦克风。

在所述MEMS麦克风中，所述半导体衬底101可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。

所述背板103可以选用Al、Si或SiGe，但是并不局限于所列举的材料。

其中，为了降低所述背板的空气阻尼，提高MEMS麦克风的信噪比和灵敏度，在本发明中所述背板103具有较小的厚度，可选地，所述背板103的厚度为10-30um，而常规的背板的厚度通常为50-100um，甚至更厚，因此相对于现有技术本申请中所述背板的厚度的减小是非常显著的。

可选地，所述背板和所述半导体衬底之间还可以进一步形成绝缘层102。

可选地，所述绝缘层102可以选用SiN，但不局限于所述材料。

为了进一步提高MEMS麦克风的信噪比和灵敏度，所述背板103中设置有若干相互间隔的穿孔，所述穿孔穿透所述背板103，因此所述穿孔为牺牲材料层的释放孔，同样作为声音穿孔(acoustic holes)。

本发明中所述背板具有较小的厚度，还具有较多的穿孔，因此为了保持MEMS麦克风背板的有效刚度，避免背板也在声压的作用下变形，对所述MEMS麦克风的背腔进行了改进，如图1g所示，在本发明中所述背腔的数目为2个或者2个以上，如图1f右侧图形所示，分别为2个或4个背腔，其中所述相互间隔的背腔能够露出所述背板以及穿孔，同时所述背腔之间的半导体衬底间隔可以作为背板的支撑，以提高所述背板的有效刚度，由于背板受到支撑，其刚度提高，从而可以减小背板的厚度以减小空气阻尼，MEMS麦克风的信噪比和灵敏度都得到提高，解决了灵敏度和背板刚度之间的矛盾。

其中所述背腔可以呈规则的排列，例如为若干行、若干列对齐的排列，如图1f右侧图形所示。

可选地，所述牺牲材料层104选用SiO₂、C或BARC。

进一步，为了简便，其中所述背板103和所述振膜105上分别形成有电极106，用于测量电信号。

可选地，所述电极分别位于所述背板103和所述振膜105的一端，但是并不局限于所述示例。

其中，背腔位于所述空腔的下方，所述背板、振膜以及背板和振膜之间的所述空腔形成电容器，当所述MEMS麦克风接受到声音之后，在声压的作用下使所述振膜发生形变，由此引起所述振膜和所述背板之间距离的变化，同时产生电容的变化，利用电极对所述电容变化量进行测量，最后进行运算和工作。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种新的MEMS麦克风，在所述MEMS麦克风中采用多个背腔设计，背腔之间的间隔作为背板的支撑，这种设置具有以下优点:

(4)背腔的设计可以灵活更改以满足MEMS麦克风的性能要求。

实施例2

本发明还提供了一种所述MEMS器件的制备方法，下面结合图1a-1g对所述方法做进一步的说明，所述1a-1g为该实施方式中MEMS器件的制备过程示意图。

首先，执行步骤201，提供半导体衬底101，并在所述半导体衬底101上形成绝缘层102。

具体地，如图1a所示，在该步骤中，所述半导体衬底101可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。

然后在所述半导体衬底101上形成绝缘层102，可选地，所述绝缘层102可以选用SiN，但不局限于所述材料。

执行步骤202，在所述绝缘层102上形成背板103，并图案化所述背板，以在所述背板中形成若干穿孔。

具体地，如图1b所示，在该步骤中，所述背板选用Al、Si或SiGe，但并不局限于所述材料。

为了降低所述背板的空气阻尼，提高MEMS麦克风的信噪比和灵敏度，在本发明中所述背板103具有较小的厚度，可选地，所述背板103的厚度为10-30um，而常规的背板的厚度通常为50-100um，甚至更厚，因此相对于现有技术本申请中所述背板的厚度的减小是非常显著的。

为了进一步提高MEMS麦克风的信噪比和灵敏度，图案化所述背板103，以在所述背板103中形成若干相互间隔的穿孔，所述穿孔穿透所述背板103，因此所述穿孔为牺牲材料层的释放孔，同样作为声音穿孔(acousticholes)。

在该步骤中可以选用干法蚀刻或者湿法蚀刻，并不局限于某一种，可以根据需要进行选择。

执行步骤203，沉积牺牲材料层104，以覆盖所述背板103并填充所述穿孔。

具体地，如图1c所示，在该步骤中所述牺牲材料层104可以选用SiO₂、C或BARC。

其中所述牺牲材料层104可以选用现有技术中常用的沉积方法，例如可以是通过化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的。

所述牺牲材料层104的厚度并不局限于某一数值范围，但至少要完全覆盖所述背板103并填充所述穿孔。

执行步骤204，在所述牺牲材料层104上形成振膜105。

具体地，如图1d所示，在该步骤中沉积振膜，以完全覆盖所述牺牲材料层104。

其中，所述振膜105可以选用Si或者SiGe，其中所述振膜作为MEMS麦克风中电容器的电极，其并不局限于所列举的材料，可以根据具体需要进行选择。

执行步骤205，图案化所述振膜105和所述牺牲材料层，以露出部分所述背板，并在所述振膜和露出的所述背板上分别形成电极。

具体地，如图1d所示，在该步骤中图案化所述振膜105和所述牺牲材料层，以露出所述背板的一端，或者一端的部分区域。

作为示例，图案化方法包括：在所述振膜105上形成光刻胶层，然后曝光显影，露出所述振膜的一端，以所述光刻胶层为掩膜蚀刻所述振膜105和所述牺牲材料层，以去除部分所述振膜和所述牺牲材料层，露出背板的一端。

然后去除所述光刻胶层，并在露出的所述背板以及所述振膜的一端沉积导电层，以分别作为所述振膜和所述背板的电极。

执行步骤206，在所述振膜上依次形成钝化层107和操作晶圆108。

具体地，如图1e所示，所述钝化层和所述操作晶圆选用与所述振膜具有较大蚀刻选择比的材料，以在去除所述钝化层和所述操作晶圆的过程中不会对所述振膜造成损坏。

在该步骤中，所述钝化层107为选自PESIN层、PETEOS层、SiN层和TEOS层中的一种或者多种，其厚度并不据局限于某一数值范围。

其中，所述操作晶圆108作为保护层，因此所述操作晶圆108可以选用Si或者其他常用的半导体材料。

由于本发明中所述背板具有较小的厚度，同样具有较多的穿孔，所述背板的刚度会受到影响，为了解决该问题，执行步骤207，反转所述步骤206中得到元件，并图案化所述半导体衬底，以形成若干相间隔的露出所述背板的背腔，并去除所述振膜105与所述背板之间的所述牺牲材料层，以形成空腔。

具体地，如图1f所示，在该步骤中首先图案化所述半导体衬底，以在所述半导体衬底中形成若干相互间隔的背腔，其中所述背腔的数目为2个或以上。如图1f右侧图形所示，分别为2个或4个背腔，其中所述相互间隔的背腔能够露出所述背板以及穿孔，同时所述背腔之间的半导体衬底间隔可以作为背板的支撑，以提高所述背板的有效刚度，由于背板受到支撑，其刚度提高，从而可以减小背板的厚度以减小空气阻尼，MEMS麦克风的信噪比和灵敏度都得到提高，解决了灵敏度和背板刚度之间的矛盾。

然后选用双面蚀刻工艺，以同时去除所述背板上方和下方的所述牲材料层104，以在所述背板和所述振膜之间形成空腔，同时露出所述穿孔，如图1g所示。

其中，所述牺牲材料层104选用氧化物层时，可以选用TMAH的湿法蚀刻去除所述牺牲材料层。

所述TMAH溶液的质量分数为0.1％-10％，所述湿法蚀刻温度为25-90℃，所述湿法蚀刻时间为10s-1000s，但是并不局限于该示例，还可以选用本领域常用的其他方法。

执行步骤208，去除所述钝化层107和所述操作晶圆108，露出所述振膜和所述电极。

具体地，如图1g所示，在该步骤中首先反转所述器件，然后去除所述钝化层107和所述操作晶圆108，具体地去除方法可以选用本领域常用的方法，在此不再赘述。

在该步骤中形成的背腔位于所述空腔的下方，所述背板、振膜以及背板和振膜之间的所述空腔形成电容器，当所述MEMS麦克风接受到声音之后，在声压的作用下所述振膜发生形变，由此引起所述振膜和所述背板之间距离的变化，同时产生电容的变化，利用电极对所述电容变化量进行测量，最后进行运算和工作。

至此，完成了本发明实施例的MEMS器件制备的相关步骤的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

(4)背腔的设计可以灵活更改以满足MEMS麦克风的性能要求。

图2为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：

步骤S2：沉积牺牲材料层，以覆盖所述背板；

步骤S3：在所述牺牲材料层上形成振膜；

步骤S4：在所述振膜上接合操作晶圆；

步骤S6：反转步骤S5中得到的元件，去除所述操作晶圆。

实施例3

作为本发明的一种替换实施方式，其中所述背板和所述振膜的位置可以互换，例如所述振膜位于所述半导体衬底的上方，所述背板位于所述振膜的上方，所述振膜中形成有若干穿孔，在所述半导体衬底中形成有若干露出所述振膜的背腔，通过背腔之间的间隔来支撑所述振膜。

所述MEMS器件以及制备方法均可以参照实施例1和2，不同的是将所述背板和所述振膜的位置互换。

实施例4

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例1所述的MEMS器件。其中，半导体器件为实施例1所述的MEMS器件，或根据实施例2所述的制备方法得到的MEMS器件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述MEMS器件的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的MEMS器件，因而具有更好的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种MEMS器件，包括：

半导体衬底；

振膜，位于所述背板上方；

牺牲层，位于所述振膜和所述背板之间；

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述背板的厚度为10-30um。

3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述背板选用Al、Si或SiGe。

4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述背腔的数目大于或等于2。

5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述背板和所述振膜上分别形成有电极。

6.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述半导体衬底和所述背板之间设置有绝缘层。

7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述牺牲材料层选用SiO₂、C或BARC。

8.根据权利要求1-7任一所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件为MEMS麦克风。

9.一种MEMS器件的制备方法，包括：

步骤S2：沉积牺牲材料层，以覆盖所述背板；

步骤S3：在所述牺牲材料层上形成振膜；

步骤S4：在所述振膜上接合操作晶圆；

步骤S6：反转步骤S5中得到的元件，去除所述操作晶圆。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述背板的厚度为10-30um。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述背板选用Al、Si或SiGe。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述背腔的数目大于或等于2。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述牺牲材料层选用SiO₂、C或BARC。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3和所述步骤S4之间还进一步包括以下步骤：

图案化所述振膜和所述牺牲材料层，以露出部分所述背板；

在所述振膜和露出的所述背板上分别形成电极。

16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在所述振膜与所述操作晶圆之间还形成有钝化层。

17.一种电子装置，包括权利要求1-8之一所述的MEMS器件。