CN106101975B - 在mems组件的层结构中制造麦克风和压力传感器结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于MEMS组件的制造方法，通过所述方法，在MEMS层结构中，不仅实现了具有麦克风电容器的麦克风结构，还实现了具有测量电容器的压力传感器结构。在此，在所述MEMS层结构的层中并行地、但彼此独立地构造麦克风结构和压力传感器结构的各个部件。根据本发明，由第一层结构化出压力传感器膜片，所述第一层充当麦克风膜片的管座层。由导电的第二层结构化出测量电容器的固定的对应电极，所述第二层充当麦克风结构的膜片层。由第三和第四层结构化出所述固定的压力传感器对应元件。所述第三层在麦克风结构区域内充当牺牲层，其在麦克风结构区域内的厚度确定麦克风电容器的电极间距。由所述第四层结构化出麦克风对应元件。

Description

在MEMS组件的层结构中制造麦克风和压力传感器结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在MEMS组件的层结构中制造至少一个麦克风结构和至少一个压力传感器结构的方法，在该方法中，在所述层结构中彼此并排构造所述麦克风结构和所述压力传感器结构，并且在组件背面中分别产生至少一个用于压力传感器膜片以及用于麦克风膜片的连接开口。无论是在麦克风功能的情况下，还是在压力传感器功能的情况下，信号检测都电容性地进行。因此，所述麦克风结构包括对声压敏感的麦克风膜片和固定的、声音可通过的麦克风对应元件，它们分别设有麦克风电容器的至少一个电极。所述压力传感器结构包括对压力敏感的压力传感器膜片和固定的压力传感器对应元件，它们同样分别设有测量电容器的至少一个电极。
背景技术
麦克风功能和压力传感器功能在同一个MEMS芯片上的集成在提高功能范围的同时也有利于使应用电路板和终端设备微型化，这尤其是在消费性电子器件领域内越来越重要。
在WO 2012/122872 A1中说明了一种具有麦克风功能和压力传感器功能的部件，所述部件以芯片堆叠的形式实现。
这种芯片堆叠包括MEMS组件，在所述MEMS组件的层结构中，所述麦克风结构构造成具有麦克风膜片、声音可通过的对应元件和麦克风电容器，以及所述压力传感器膜片构造成具有测量电容器的可偏转电极。在所述MEMS组件的背面中构造有两个连接开口，一个用于所述麦克风结构，一个用于所述压力传感器膜片，这两个连接开口彼此并排布置在所述MEMS组件的层结构中。此外，已知部件的芯片堆叠包括罩晶片，所述罩晶片面对面地安装在所述MEMS组件上。在所述罩晶片的层结构中构造有凹槽，所述凹槽布置在所述麦克风结构的上面并且构成用于麦克风功能的、封闭的背面溶剂。此外，所述罩晶片的层结构中构造有固定的对应电极，所述对应电极布置在所述压力传感器结构的可偏转电极的上面并且连同该电极一起构成所述压力传感器结构的测量电容器。
WO 2012/122872 A1的部件方案设有：由所述MEMS层结构的同一个功能层结构化出所述麦克风膜片和所述压力传感器膜片。所述压力传感器结构的可偏转电极在这里布置在载体元件上，所述载体元件在中心处刚性地与所述可偏转的压力传感器膜片相连接。所述载体元件由与所述麦克风结构的对应元件相同的功能层结构化出。
所述已知的部件方案的问题在于：在安装和连接技术(AVT)的范畴中，也就是说当所述MEMS组件和所述罩晶片彼此连接时，才确定所述压力传感器结构的测量电容器的电极之间的间距。通常所述测量电容器的电极需要具有确定的预给定的间距。这对已知部件的AVT提出了特别的要求并且相应地与更高的制造耗费相联系。此外，由此使制造过程的错误易发性明显提高。
发明内容
通过本发明，提出一种MEMS组件的制造方法，通过这种制造方法，在MEMS层结构中不仅实现了具有麦克风电容器的麦克风结构，还实现了具有测量电容器的压力传感器结构。在此，在所述MEMS层结构的层中并行地、但彼此独立地构造所述麦克风结构和所述压力传感器结构的各个部件。
根据本发明的方法，由第一层结构化出所述压力传感器膜片，所述第一层充当所述麦克风膜片的管座层。由导电的第二层结构化出所述测量电容器的固定的对应电极，所述第二层充当所述麦克风结构的膜片层。由第三层和第四层结构化出所述固定的压力传感器对应元件。所述第三层在所述麦克风结构的区域内充当牺牲层，其厚度确定所述麦克风电容器的电极间距或者所述麦克风膜片与由所述第四层结构化出的麦克风对应元件之间的间距。
据此，尽管在这里同样使用了所述麦克风结构的层结构来制造所述压力传感器结构。但是根据本发明已知：在两个并排布置的结构——麦克风和压力传感器——的范围中，各个层能够满足不同的功能，只要层材料和层厚度与这些不同的功能相兼容。这根据本发明被充分利用来彼此独立地预先给定麦克风电容器和测量电容器的电极间距。特别有利的是，根据本发明的方法仅仅需要对MEMS麦克风元件的制造工艺略微修改，因此能够实现集成的麦克风压力传感器组件的非常低成本的制造。
原则上存在不同的可能性来实现根据本发明的制造方法，这尤其取决于对待制造的MEMS组件的麦克风部件和压力传感器部件在结构和声学或者说灵敏度方面的要求。
与这些功能边界条件无关地，有利的是，为所述第一层——即结构化出压力传感器膜片的层选择一种导电材料。在这种情况下，则压力传感器膜片本身可以用作测量电容器的可偏转电极。则可以简单地通过介电的中间层避免组件结构与衬底之间的以及在组件结构内的短路或漏电流。这尤其在麦克风结构的如下区域中是重要的：在所述区域中这些导电的层充当麦克风膜片的管座层。多晶硅尤其适合作为导电的层材料，所述层材料也满足对膜片层的机械要求，因为多晶硅能够非常简单地且以定义的层厚沉积并且结构化并且还可通过适当的掺杂具有定义的电特性。所述介电的中间层在这种情况下优选由SiO2构成。可简单地在牺牲层蚀刻工艺中局部地从所述层结构中去除SiO2，这尤其是在使膜片结构露出时证明是有利的。
因此，在本发明的一种优选的实施方式中，借助至少一个第一牺牲层预先给定并且确定压力传感器结构的测量电容器的电极之间的间距。在具有压力传感器膜片以及麦克风膜片的管座结构上方产生所述第一牺牲层。因为导电的、结构化出测量电容器的固定的对应电极的第二层施加到所述第一牺牲层上，所以其在压力传感器结构的区域内的厚度确定测量电容器的电极间距。随后从压力传感器结构的膜片区域中去除所述牺牲层材料，更确切地说通过第二层中的蚀刻入口。
在这里应指出，所述导电的第二层在所述压力传感器结构的区域内充当所述测量电容器的固定的对应电极并且用作所述压力传感器对应元件的层结构的载体层。在所述麦克风结构的区域内，其用作膜片层并且在此构成所述麦克风电容器的可偏转电极。
所述导电的第二层也优选涉及多晶硅层。于是，同样优选使用SiO2作为所述至少一个第一牺牲层的材料以及在所述麦克风结构的区域内充当牺牲层的第三层的材料。
附图说明
如上所述，存在不同的可能性以有利的方式构造以及扩展本发明的教导。对此，一方面参照所附的权利要求，另一方面参照下面对本发明的实施例的描述。
图1a至1k图解说明根据本发明的制造方法。它们分别示出了在制造的依次阶段中麦克风结构10的区域内(左侧子图)和压力传感器结构20的区域内(右侧子图)的MEMS层结构的剖面图。
具体实施方式
在这里所述的实施例中，在基础衬底1上的层结构中实现所述MEMS组件的麦克风结构10和压力传感器结构20。在此，例如可以涉及硅衬底1。图1a至1k的两个子图图解说明所述麦克风结构10和所述压力传感器结构20彼此并排地布置并且相互独立地实现。
在第一工艺步骤中，图1a，在衬底表面上沉积氧化硅层2，并且至少在所述麦克风结构10的区域内对所述氧化硅层2进行结构化。在所述压力传感器结构20的区域内，所述氧化硅层2保持封闭。所述氧化硅层2一方面用作背面蚀刻工艺的蚀刻终止层，在该背面蚀刻工艺中，所述基础衬底1在定义区域内被完全去除，以便使所述麦克风膜片和所述压力传感器膜片在背面露出。另一方面，所述氧化硅层2在所述基础衬底1与具有麦克风结构10和压力传感器结构20的层结构之间起电绝缘层的功能。
在所述氧化硅层2上施加多晶硅层3，如图1b中所示。所述多晶硅层3通常外延生长。在所述多晶硅层3中，在随后的工艺步骤中，在空腔25的上方实现所述压力传感器膜片21，所述压力传感器膜片在这里起所述测量电容器的可偏转电极的功能。在所述麦克风结构10的区域内，所述多晶硅层3用作管座层(Sockelschicht)。
在下一个工艺步骤中，在所述多晶硅层3沉积另一个氧化硅层4。所述氧化硅层4以下被称为上方的管座氧化物4。在所述压力传感器结构20的区域内，所述管座氧化物4的厚度确定多晶硅层3的代表所述压力传感器膜片21的区域与所述压力传感器对应元件22之间的间距并且由此确定所述测量电容器的电极间距。在所述麦克风结构10的区域内，借助所述管座氧化物4，实现所述麦克风膜片11到所述层结构上的边缘接合12。优选地，这样选择所述管座氧化物4的厚度，使得所述测量电容器维持定义的电极间距，但也满足所述麦克风结构10的结构要求。但是也可以很大程度上与所述麦克风结构10无关地预给定所述测量电容器的电极间距，其方式是，在多个不同地结构化的氧化层中沉积管座氧化物4。通过这种方式可以在所述压力传感器结构20的区域内以及在所述麦克风结构10的区域内实现所述管座氧化物4的不同层厚。
随后，再一次整体结构化所述管座氧化物4，如图1c所示。在此，一方面定义了所述压力传感器结构20的区域，另一方面定义了所述麦克风膜片11的边缘接合12的位置。
图1d示出在这样结构化的管座氧化物4上沉积另一个多晶硅层5。在所述多晶硅层5中，实现所述压力传感器结构的测量电容器的固定的对应电极23。在所述传感器结构10的区域内，其用作膜片层。
在下一个工艺步骤中，对所述多晶硅层5进行结构化，更确切地说，仅在所述压力传感器结构20的区域内对所述多晶硅层5进行结构化，以便定义所述测量电容器的对应电极23并且产生通向管座氧化物4的蚀刻入口51。所述构造工艺的结果如图1e中所示。
图1f示出在牺牲层蚀刻工艺之后的层结构，在所述牺牲层蚀刻工艺中，已经从所述压力传感器区域20中去除所述管座氧化物4。通过所述蚀刻入口51以湿化学的方式或者通过气相蚀刻进行蚀刻侵蚀
Figure GDA0002319081430000051
在牺牲层蚀刻之后，借助SiO2 52的LPCVD(low pressure chemical vapourdeposition：低压化学气相沉积)重新封闭所述蚀刻入口51。通过在此起主要作用的工艺条件、尤其是温度和压力，可以调节稍后在所述压力传感器部件20的压力室24中起主要作用的基准压力。在封闭所述压力室24之后，在所述麦克风结构10的区域内对所述多晶硅层5进行结构化，以便定义所述麦克风膜片11以及其到所述层结构上的边缘接合12。如图1g所示，在这里所示的实施例中，已经为此首先去除了先前所沉积的LPCVD-SiO2。但也可以保留在所述层结构中。
在下一个工艺步骤中，如图1h中所示，在所述多晶硅层5上施加并且结构化厚的氧化硅层6。所述氧化硅层6在所述麦克风结构10的区域内用作牺牲层，从而所述氧化硅层的厚度定义了所述麦克风膜片11与固定的麦克风对应元件13之间的间距。在所述压力传感器结构20的区域内，所述氧化硅层6仅仅结构化以接触所述测量电容器的电极21和23。此外，通过所述氧化硅层6的结构化可以提高所述压力传感器对应元件22的机械稳定性。
图1i示出了在经结构化的氧化硅层6上沉积并且至少在所述麦克风结构10的区域内已经结构化另一个厚的层7——在此多晶硅层7之后的层结构。在此，已经产生具有通孔14的麦克风对应元件13。所述麦克风对应元件13用作所述麦克风电容器的至少一个固定的对应电极的载体，所述对应电极在此并未详细示出。在所述压力传感器结构20的区域内，所述多晶硅层7保持封闭并且连同所述氧化硅层6一起构成具有所述多晶硅层5中的压力传感器对应电极23的压力传感器对应元件22。
在共同的背面蚀刻工艺——在此开槽工艺中，使所述麦克风膜片11和所述压力传感器膜片21(由位于空腔25上方的多晶硅层3的部分构成)在背面露出。在此，在衬底背面产生两个彼此独立的空腔15和25，如图1j中所示。在所述麦克风结构10的情况下，所述开槽工艺终止于氧化硅层2和上方的管座氧化物4，而在所述压力传感器结构20的情况下所述开槽工艺仅仅终止于所述氧化硅层2。
在最后的牺牲层蚀刻工艺中，还使所述麦克风膜片11露出，其方式是，从所述麦克风结构10的区域内去除所述氧化硅层2、所述上方的管座氧化物4和所述氧化硅牺牲层6。在此，也从所述压力传感器结构20的区域中去除所述氧化硅层2。所述牺牲层蚀刻工艺的结果如图1k中所示。

Claims (6)

1.一种用于在MEMS组件的层结构中制造至少一个麦克风结构(10)和至少一个压力传感器结构(20)的方法，
其中，所述麦克风结构(10)包括对声压敏感的麦克风膜片(11)和固定的、声音可通过的麦克风对应元件(13)，它们分别设有麦克风电容器的至少一个电极，
其中，所述压力传感器结构(20)包括对压力敏感的压力传感器膜片(21)和固定的压力传感器对应元件(22)，它们分别设有测量电容器的至少一个电极；
在所述方法中，在所述层结构中彼此并排地构造所述麦克风结构(10)和所述压力传感器结构(20)；以及
在所述方法中，在组件背面中分别产生用于所述麦克风膜片(11)的和用于所述压力传感器膜片(21)的至少一个连接开口(15，25)，
其特征在于，
由第一层(3)结构化出所述压力传感器膜片(21)，所述第一层充当用于所述麦克风膜片(11)的管座层；
由导电的第二层(5)结构化出所述测量电容器的固定的对应电极(23)，所述第二层充当所述麦克风结构(10)的膜片层；
由第三层和第四层(6，7)结构化出所述固定的压力传感器对应元件(22)，其中，所述第三层(6)在所述麦克风结构(10)的区域内充当牺牲层，其在所述麦克风结构(10)区域内的厚度确定所述麦克风电容器的电极间距，其中，由所述第四层(7)结构化出所述麦克风对应元件(13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层(3)由导电的材料构成，从而所述压力传感器膜片(21)充当所述测量电容器的可偏转电极。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一层(3)上产生至少一个第一牺牲层(4)，所述第一牺牲层在所述压力传感器结构(20)区域内的厚度确定所述测量电容器的电极间距，在所述第一牺牲层(4)上施加所述导电的第二层(5)，然后通过所述第二层(5)中的蚀刻入口从所述压力传感器结构(20)的膜片区域中去除所述第一牺牲层(4)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一层、所述第二层和/或所述第四层(3，5，7)由多晶硅材料构成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个牺牲层(4，6)由SiO2材料构成。
6.一种MEMS组件，其具有至少一个麦克风结构(20)和至少一个压力传感器结构(20)，其中，所述麦克风结构(10)和所述压力传感器结构(20)彼此并排地构造在所述MEMS组件的层结构中，尤其是通过根据权利要求1至5中任一项所述的方法来制造，
从而所述麦克风结构(10)包括对声压敏感的麦克风膜片(11)和固定的、声音可通过的麦克风对应元件(13)，它们分别设有麦克风电容器的至少一个电极；
从而所述压力传感器结构(20)包括对压力敏感的压力传感器膜片(21)和固定的压力传感器对应元件(22)，它们分别设有测量电容器的至少一个电极，
其特征在于，
所述压力传感器膜片(21)是由第一层结构化出的，所述第一层充当用于所述麦克风膜片(11)的管座层；
所述测量电容器的固定的对应电极(23)是由导电的第二层(5)结构化出的，所述第二层充当所述麦克风结构(10)的膜片层；
所述固定的压力传感器对应元件(22)是由第三层和第四层(6，7)结构化出的，其中，所述第三层(6)在所述麦克风结构(10)的区域内被去除，其中，所述麦克风对应元件(13)是由所述第四层结构化出的；以及
在所述组件背面中分别构造了用于所述麦克风膜片(11)的和用于所述压力传感器膜片(21)的至少一个连接开口(15，25)。
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