CN107360526A - 硅麦克风及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅麦克风及其制造方法。所述硅麦克风包括：导电基底，设有背腔和与背腔相通的多个声孔；导电振膜，弹性的悬覆在所有声孔之上、并与所述导电基底形成一绝缘间隙，其中，导电振膜上下表面凸设有绝缘凸柱；差分电极板，悬覆在所述导电振膜之上、并与所述导电振膜形成一绝缘间隙；在所述导电基底、导电振膜和差分电极板均为导电介质，且均设置有用于输出基于导电振膜振动而变化的差分信号的金属电极；其中，所述差分电极板和/或导电振膜上分布有孔隙。本发明实现了单振模的差分电容设计方案。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种硅麦克风及其制造方法。
背景技术
麦克风作为一种将声音信号转换为电信号的装置，广泛的应用在手机、摄像机等智能终端中。
随着社会的发展以及高科技术的不断进步，微电机技术(Micro ElectroMechanical Systems，简称MEMS)已经逐渐融入至麦克风的生产领域中，MEMS实现了各种传感器的微型化和低成本化，并且在智能终端中已经出现诸如MEMS硅麦克风的信号转换装置。
MEMS硅麦克风采用电容式的原理，由一个导电振膜和导电基底组成，导电振膜与导电基底之间形成电容结构。当导电振膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与导电基底间的距离，改变电容容量，再通过后续CMOS放大器将电容变化转化为电压信号的变化并进行输出。所述导电振膜与被导电基底之间的距离反映了导电振膜的振幅。
随着硅麦克风应用场景的扩展(如利用手机唱歌的应用场景等)，用户对硅麦克风的语音质量的要求越来越高。为了提高硅麦克风所感应的电信号的信噪比，在现有技术中，硅麦克风采用多振膜方式获取差分电信号。这增加了硅麦克风的尺寸，无法适应电子产品轻薄化的需求。因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明提供一种硅麦克风及其制造方法，以解决单振膜硅麦克风的信号质量差的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种硅麦克风，包括：导电基底，设有背腔和与背腔相通的多个声孔；导电振膜，弹性的悬覆在所有声孔之上、并与所述导电基底形成一绝缘间隙；差分电极板，悬覆在所述导电振膜之上、并与所述导电振膜形成一绝缘间隙；在所述导电基底、导电振膜和差分电极板均为导电介质，且均设置有用于输出基于导电振膜振动而变化的差分信号的金属电极；其中，所述差分电极板和/或导电振膜上分布有孔隙。
第二方面，本发明实施例还提供了一种硅麦克风的制造方法，包括：在预设区域分布有多个声孔的导电基底上生长第一绝缘层；在声孔侧的所述第一绝缘层上固设导电层，并将所述导电层覆盖声孔所分布的区域图案化，以得到导电振膜，其中，所述导电振膜边缘具有弹性图案；在所述导电振膜上继续生长所述第一绝缘层；在所述导电振膜上的第一绝缘层上固设又一导电层，并将所生长的导电层图案化，以得到差分电极板，其中，所述差分电极板和/或导电振膜在图案化时分布多个孔隙；在所述导电基底背面的声孔区域刻蚀背腔；利用刻蚀技术，去除所述声孔所在区域和预设的金属电极所在区域的第一绝缘层，并保留隔离所述导电振膜与导电基底之间、和所述导电振膜与差分电极板之间的第一绝缘层；沉积金属层，并将除预设的导电基底、导电振膜和差分电极板上的电极位置之外的金属层予以去除。
本实施例通过在导电振膜上覆盖差分电极板，实现了单振模的差分电容设计方案。
附图说明
图1为本发明实施例一中的硅麦克风的结构示意图；
图2是本发明实施例二中的硅麦克风的结构示意图；
图3是本发明实施例三中的硅麦克风的结构示意图；
图4是本发明实施例四中的硅麦克风的制造方法流程图；
图5是本发明实施例四中的硅麦克风的制造过程中刻蚀第一绝缘层之前的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
需要说明的是，本申请各实施例中所说的上下方向为沿各示意图所在纸面的上和下方向，左右方向为面对各示意图时阅读者的左和右方向，前方向为垂直于各示意图所在纸面面向阅读者方向，后方向为垂直于各示意图所在纸面背离阅读者方向。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的硅麦克风的结构示意图，本实施例适用于硅麦克风与语音输出端相距极近时的情况。所述硅麦克风由下至上包括导电基底11、导电振膜13、差分电极板15、金属电极(16、17、21)等。
所述导电基底11设有背腔18和与背腔18相通的多个声孔19。其中，所述导电基底11为多孔背极板硅基，其包括声孔19区域和边缘区域，在声孔19区域中分布多个声孔19，背腔18位于声孔19区域下方，且与各声孔19相通。边缘区域为了支撑所述导电振膜13、差分电极板15、和各金属电极(16、17、21)等。在所述边缘区域上设有第一绝缘支撑12，所述第一绝缘支撑12可为氧化硅。所述第一绝缘支撑12的厚度在2-3μm之间。例如，所述第一绝缘支撑12的厚度在2.5μm左右。
所述导电振膜13弹性的悬覆在所有声孔19之上、并与所述导电基底11绝缘间隔。在此，所述导电振膜13包括振动区域和支撑区域，其中，支撑区域通过第一绝缘支撑12将振动区域架空在声孔19区域上方，并与所述导电基底11之间形成一缝隙。其中，所述振动区域与导电基底11构成第一电容。在振动区域的边缘靠近支撑区域处分布有弹性图案，以便所述导电振膜13随声波的变化而振动。其中，所述弹性图案举例为蛇形弯折图案。所述振动区域可根据设计需要分布有孔隙，所述孔隙为生产时为进行湿法刻蚀期间释放工艺所设置的。若有孔隙，则d1<d2，d1为两孔隙之间间距的一半，d2为实际湿法释放工艺的释放距离与所述第一绝缘支撑12相邻的孔隙至第一绝缘支撑12中心之间的间距。所述导电振膜13可为单晶硅材料。
在所述导电振膜13的支撑区域上还固设有第二绝缘支撑14，该第二绝缘支撑14的材料可与第一绝缘支撑12的材料相同。
在所述第二绝缘支撑14上覆盖有差分电极板15。所述差分电极板15悬覆在所述导电振膜13之上，所述差分电极板15也为导电材料，例如，所述差分电极板15为高掺杂多晶硅。所述差分电极板15与所述导电振膜13之间形成第二电容。第一电容与第二电容构成差分电容。
在此，当导电振膜13向上振动时，导电振膜13靠近所述差分电极板15，使得第二电容的电压增大，同时，导电振膜13远离导电基底11，使得第一点融的电压减小。故第一电容与第二电容输出信号差异相反的差分电信号。所述差分电极板15上也可以分布有孔隙，该孔隙与导电振膜13上的孔隙类似，是生产时为进行释放工艺所设置的。
在所述导电基底11、导电振膜13和差分电极板15上分别设置用于输出基于导电振膜13振动而变化的电信号的金属电极(16、17、21)。
本实施例硅麦克风的结构举例如下：
导电基底11的背部设有背腔18，背腔18与所述导电基底11的多个声孔19相通，各声孔19分布在声孔19区域，所述导电基底11的声孔19区域外围为边缘区域。所述边缘区域上设有第一绝缘支撑12，在第一绝缘支撑12上覆盖有导电振膜13，导电振膜13覆盖整个声孔19区域，并通过第一绝缘支撑12与导电基底11之间形成第一电容。在导电振膜13的边缘设有第二绝缘支撑14，在第二绝缘支撑14上覆盖有差分电极板15，该第二绝缘支撑14将差分电极板15和导电振膜13之间形成第二电容。本实施通过在导电振膜13上覆盖差分电极板15，实现了单振模的差分电容设计方案。
实施例二
如图2所示，在前述各实施例的基础上，所述导电振膜13的上下表面还可以凸设有凸柱20。为便于制造，所述凸柱20为沉积在所述导电振膜13孔隙之间的绝缘材料。为便于制造，所述凸柱20的绝缘材料与各绝缘支撑的绝缘材料不同，举例为富硅氮化硅。所述凸柱20防止导电振膜13在振动时与导电基底11或差分电极板15相接触。
本实施例利用凸柱20来防止导电振膜13在振动时与导电基底11或差分电极板15相接触，对导电振膜13起到了有效的防护作用。
实施例三
如图3所示，在前述各实施例的基础上，特别是在实施例二的基础上，所述差分电极板15包含绝缘层和导电层，其中，所述差分电极板15中的导电层举例为高掺杂多晶硅，所述差分电极板15中的绝缘层为富硅氮化硅。为了便于制造，所述差分电极板15中的导电层位于绝缘层之上。如此，所述差分电极板15中的导电层与导电振膜13之间形成第二电容。该第二电容与导电振膜13和导电基底11之间的第一电容仍构成差分电容。如此，后续电路便于对两电容所输出的差分信号进行放大等后续处理。
实施例四
如图4所示，本实施例提供一种硅麦克风的制造方法。所述硅麦克风为上述各实施例中所描述的结构。具体地，所述方法包括以下步骤：
步骤S110、在预设区域分布有多个声孔的导电基底上生长第一绝缘层。
在此，所述导电基底为多孔背极板基板，其包括声孔区域和边缘区域。声孔区域中分布有多个声孔。本实施例可将所述导电基底的表面进行高温氧化处理，以得到所述第一绝缘层。其中，所述第一绝缘层举例为氧化硅、或富硅氮化硅。此时的第一绝缘层在0.5μm-1μm左右。
步骤S120、在声孔侧的所述第一绝缘层上固设导电层，并将所述导电层覆盖声孔所分布的区域图案化，以得到导电振膜，其中，所述导电振膜边缘具有弹性图案。
在此，本实施例中可以采用多种方式将该导电层固设在被第一绝缘层能包裹的导电基底上，以形成一整体结构。
其中一种方式为：将下表面具有第一绝缘层的导电振膜基板键合至生长有所述第一绝缘层的导电基底上；将所述导电振膜基板进行研磨，以得到对应的导电层。
在此，采用与导电基底相同的生长方式，将导电振膜基板的下表面氧化，并得到与第一绝缘层相同的绝缘层，其中，导电振膜基板的下表面的绝缘层的厚度在1.5-2.5μm之间。所述导电振膜基板的材料可以选用单晶硅。接着，采用硅硅键合的工艺将两绝缘层键合在一起；再研磨导电振膜基板，使其达到导电振膜所需厚度，得到导电层。
在另一种方式中，将底部为第一绝缘层的SOI圆片压合在生长有所述第一绝缘层的导电基底上，其中，所述SOI圆片中埋设第二绝缘层，并且所述SOI圆片中的第一绝缘层和第二绝缘层之间夹有导电层；利用刻蚀技术去除导电层以上的各硅层，以暴露所述导电层。
其中，所选取的SOI圆片由下至上包括第一绝缘层、用作导电振膜的导电层、第二绝缘层以及又一导电层。该第二绝缘层的材料与第一绝缘层材料可以相同或不同。所述SOI圆片中的第一绝缘层的厚度在1.5-3μm之间。
采用硅硅键合或其他压合方式，将所述SOI圆片上的第一绝缘层与导电基底上的第一绝缘层压合成一整体；再利用用于刻蚀SOI圆片上的不同层的腐蚀液，逐层的将导电振膜上的各层予以刻蚀，以暴露所述导电振膜。
接着，将所暴露出的导电层覆盖在声孔所分布的区域进行图案化。
具体地，将预设的图形模板覆盖在所述导电振膜上，并利用湿法刻蚀工艺将暴露在图形模板之外的导电层部分予以刻蚀，以暴露第一绝缘层。其中，所述图形模板上包括：弹性图案和支撑区域图案，可选的还包括孔隙图案。其中，弹性图案位于所述导电振膜的振动区域的边缘，所述孔隙图案分布在所述导电振膜的振动区域内。所述支撑区域图案位于振动区域外围。
接着，步骤S130、在所述导电基底上继续生长所述第一绝缘层。
在此，在压合了导电振膜的导电基底上，整体生长第一绝缘层，使得导电振膜被第一绝缘层包裹。
步骤S140、在所述导电振膜上的第一绝缘层上固设又一导电层，并将所生长的导电层图案化，以得到差分电极板；其中，本步骤中的图案化导电层所需的图案化模板包括：差分电极板边缘图案。可选的还包括分布在差分电极板中部的孔隙图案。
在此，本步骤中的导电层固设方式可与步骤S120中固设导电振膜的方式相同，在此不再详述。
其中，为了防止后续去除第一绝缘层时对差分电极板造成腐蚀影响，所述差分电极板采用与所述第一绝缘层的材料不同绝缘材料，例如富硅氮化硅。
在此，将差分电极板图案化的方式与步骤S120中将导电振膜图案化的方式相似。所不同的是，图案化后的差分电极板仅在振动区域上分布有孔隙，同时，由于差分电极板的材料和导电振膜的材料不同，在图案化时所使用的腐蚀液也不同。
在执行步骤S150之前，整个器件的结构如图5所示。其中，41为导电基底、42为第一绝缘层、43为导电振膜、44为差分电极板、45为声孔。
步骤S150、在所述导电基底背面的声孔区域刻蚀背腔。
具体地，将导电基底底部的绝缘层予以去除，并在对应声孔区域处刻蚀背腔，该背腔与声孔中的第一绝缘层相通。
步骤S160、利用刻蚀技术，去除所述声孔所在区域和金属电极所在区域的第一绝缘层，并保留隔离所述导电振膜与导电基底之间、和所述导电振膜与差分电极板的第一绝缘层。
具体地，采用湿法刻蚀技术，将整个硅板中的第一绝缘层予以去除。在去除过程中由于导电振膜和差分电极板上都分布有孔隙，因此，便于释放刻蚀期间导电振膜与差分电极板之间、导电振膜与导电基底之间的气体，如此也便于减少应力。另外，在设计时考虑孔隙之间的间隔小于导电振膜的支撑区域的宽度，这是为了在湿法刻蚀期间，导电振膜的振动区域分别与差分电极板之间的第一绝缘层、和与导电基底之间的第一绝缘层被腐蚀掉后，位于导电振膜的支撑区域的第一绝缘层还能予以保留。如此，在经过湿法刻蚀后，导电振膜和导电基底之间的第一绝缘层成为第一绝缘支撑，导电振膜和差分电极板之间的第一绝缘层成为第二绝缘支撑。
步骤S170、继续沉积金属层，并将除预设的导电基底、导电振膜和差分电极板上的电极位置之外的金属层予以去除。
具体地，在经过步骤S160刻蚀了第一绝缘层之后的半成品上沉积金属层，该金属层可为铜、金等金属材料。再在导电基底、导电振膜和差分电极板的电极位置设置挡板，将其余部分的金属层腐蚀掉，以保留对应的电极位置的金属层，如此能够将第一电容和第二电容所产生的差分电信号通过三处的金属电极予以输出。
本实施例先利用第一绝缘层将导电基底、导电振膜和差分电极板间隔开来，再利用刻蚀技术，将第一绝缘层部分腐蚀，以得到导电基底、导电振膜和差分电极板之间具有缝隙的器件结构，实现了单振膜的差分电容。
实施例五
与前述各实施例不同的是，为了更为有效的防止导电振膜在振动时与导电基底或差分电极板相接触，在步骤S130之前，还包括：在图案化后的导电振膜上生长第三绝缘层，并将除预设的凸柱位置之外的所述第三绝缘层予以去除，以得到所述凸柱的步骤；其中，所述第一绝缘层与第三绝缘层采用不同绝缘材料。例如，所述第一绝缘层为氧化硅，所述第三绝缘层为富硅氮化硅。
在导电振膜上生长第三绝缘层时，导电振膜孔隙和弹性图形内都沉积有所述第三绝缘层。接着，将预设为凸柱位置的孔隙进行遮挡，并将剩余第三绝缘层采用湿法刻蚀手段予以腐蚀，得到贯通所述导电振膜孔隙、并凸出于导电振膜上下表面的凸柱。
本实施例通过在导电振膜上设置绝缘的凸柱，能够确保导电振膜在振动时不与导电基底或差分电极板相接触，有效防止了两电容击穿的可能。
实施例六
在前述各实施例的基础上，为了进一步降低所输出的语音电信号的信噪比，本实施例的步骤S140进一步的将所述差分电极板和导电振膜构建成一电容，所述差分电极板包括绝缘层和导电层。具体还包括：在所述第一绝缘层上沉积第四绝缘层，再在所述第四绝缘层上沉积导电层，其中，所述第四绝缘层和导电层在图案化后构成所述差分电极板。其中，所述第四绝缘层为富硅氮化硅，导电层为高掺杂多晶硅。
需要说明的是，上述各实施例中的数据区间、数据举例的精度并非限定在说明书中所描述的单位，在实际生产中，其精度可高于说明书所描述的单位。例如，所述第一绝缘支撑举例的厚度可在2.5±[0.0001,0.9999]μm之间。
本实施例在绝缘层上设置导电层，能够有效解决高掺杂多晶硅在悬空于导电振膜上易变形的问题。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种硅麦克风，其特征在于，包括：
导电基底，设有背腔和与背腔相通的多个声孔；
导电振膜，弹性的悬覆在所有声孔之上、并与所述导电基底形成一绝缘间隙；
差分电极板，悬覆在所述导电振膜之上、并与所述导电振膜形成一绝缘间隙；
在所述导电基底、导电振膜和差分电极板均为导电介质，且均设置有用于输出基于导电振膜振动而变化的差分信号的金属电极；
其中，所述差分电极板和/或导电振膜上分布有孔隙。
2.根据权利要求1所述的硅麦克风，其特征在于，所述导电振膜的上下表面均凸设有绝缘的凸柱，所述凸柱防止导电振膜在振动时与导电基底或差分电极板相接触。
3.根据权利要求1或2所述的硅麦克风，其特征在于，所述差分电极板包括：导电层和绝缘层；对应的，所述差分电极板的导电层上也设有所述金属电极。
4.根据权利要求3所述的硅麦克风，其特征在于，所述差分电极板中的导电层位于绝缘层之上。
5.根据权利要求3所述的硅麦克风，其特征在于，所述差分电极板中的导电层为高掺杂多晶硅，所述差分电极板中的绝缘层为富硅氮化硅。
6.一种硅麦克风的制造方法，其特征在于，包括：
在预设区域分布有多个声孔的导电基底上生长第一绝缘层；
在声孔侧的所述第一绝缘层上固设导电层，并将所述导电层覆盖声孔所分布的区域图案化，以得到导电振膜，其中，所述导电振膜边缘具有弹性图案；
在所述导电振膜上继续生长所述第一绝缘层；
在所述导电振膜上的第一绝缘层上固设又一导电层，并将所生长的导电层图案化，以得到差分电极板，其中，所述差分电极板和/或导电振膜在图案化时分布多个孔隙；
在所述导电基底背面的声孔区域刻蚀背腔；
利用刻蚀技术，去除所述声孔所在区域和预设的金属电极所在区域的第一绝缘层，并保留隔离所述导电振膜与导电基底之间、和所述导电振膜与差分电极板之间的第一绝缘层；
沉积金属层，并将除预设的导电基底、导电振膜和差分电极板上的电极位置之外的金属层予以去除。
7.根据权利要求6所述的硅麦克风的制造方法，其特征在于，所述在声孔侧的所述第一绝缘层上固设导电层包括：
将下表面具有第一绝缘层的导电振膜基板键合至生长有所述第一绝缘层的导电基底上；将所述导电振膜基板进行研磨，以得到对应的导电层；
或者，将底部为第一绝缘层的SOI圆片压合在生长有所述第一绝缘层的导电基底上，其中，所述SOI圆片中埋设第二绝缘层，并且所述SOI圆片中的第一绝缘层和第二绝缘层之间夹有导电层；利用刻蚀技术去除导电层以上的各硅层，以暴露所述导电层。
8.根据权利要求6所述的硅麦克风的制造方法，其特征在于，在所述导电基底上继续生长所述第一绝缘层之前，还包括：
在带有空隙的导电振膜上生长第三绝缘层，并将除预设的凸柱位置之外的所述第三绝缘层予以去除，以得到所述凸柱；其中，所述第一绝缘层与第三绝缘层采用不同绝缘材料。
9.根据权利要求6所述的硅麦克风的制造方法，其特征在于，所述在导电振膜上的第一绝缘层上生长差分电极板包括：
在所述第一绝缘层上沉积第四绝缘层，再在所述第四绝缘层上沉积导电层，其中，所述第四绝缘层和之上的导电层构成所述差分电极板。
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