CN107465983B - Mems麦克风及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS麦克风，包括基板、下电极层、牺牲层、应力层和上电极层，基板的中部设有第一开口，下电极层横跨于基板上；牺牲层、应力层、上电极层依次层叠在下电极层上，并在牺牲层、应力层上开设第二开口；应力层的厚度与基板的翘曲程度相匹配。上述MEMS麦克风，可根据半导体基板的翘曲或形变程度改变应力层的厚度，使应力层的厚度或应力与基板的翘曲程度相匹配，通过改变应力层的厚度和应力，进而对基板施加与基板变形方向相反的力，以减轻或消除基板的变形。此外，还提供一种MEMS麦克风的制备方法，该制备方法可以与现有MEMS麦克风制造工艺完美兼容、便于生产、成本低、成品率高。

Description

MEMS麦克风及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及MEMS麦克风及其制备方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)器件，包括硅基麦克风，通常是采用集成电路制造技术来生产的。硅基麦克风在助听器和移动通讯设备等领域有广阔的应用前景。MEMS麦克风芯片的研究已经有20多年了，在此期间有很多类型的麦克风芯片研发出来，其中有压阻式、压电式和电容式等，其中电容式的MEMS麦克风应用最为广泛。电容式MEMS麦克风拥有以下优点：体积小、灵敏度高、频率特性好、噪声低等。
在MEMS麦克风生产制造过程中，一般只在半导体基板的一面进行工艺 (如：膜层淀积、腐蚀等)，而另一面不会进行工艺。实现背板和振膜之间的空腔，通常是在振膜或背板上形成一层很厚的氧化硅作为牺牲层，通常厚度有 3～5um，然后在牺牲层上形成背板或振膜，最后将牺牲层腐蚀掉，形成空腔。这种很厚的牺牲层就会使MEMS麦克风半导体基板发生严重变形。由于半导体制造过程中对半导体基板的形变量有严格的要求，例如光刻工艺，如果半导体基板发生严重变形，就无法进行后续的工艺过程，导致MEMS麦克风无法继续生产。
为了解决半导体基板翘曲的问题，一般是在半导体基板的另外一面也淀积一层膜层或实施腐蚀工艺。但是这样会使有MEMS麦克风器件半导体基板的一面与半导体设备接触，导致MEMS麦克风器件划伤或者被污染，会影响MEMS 麦克风的成品率，也会增加制造成本。另外，背面的膜层由于生产工艺的限制，也无法一直保留在半导体基板背面。一旦背面的膜层被去除掉，半导体基板就会再次变形。
发明内容
基于此，有必要针对基板翘曲、成品率低的问题，提供一种MEMS麦克风及其制备方法。
一种MEMS麦克风，包括基板、下电极层、牺牲层、应力层和上电极层，所述基板的中部设有第一开口，所述下电极层横跨于所述基板上；所述牺牲层、应力层、上电极层依次层叠在所述下电极层上，并在所述牺牲层、应力层上开设第二开口；
所述应力层的应力方向与所述基板的翘曲方向相反，所述应力层的厚度根据所述基板的翘曲程度确定；所述第二开口与所述第一开口对应设置。。
在其中一个实施例中，所述应力层为氮化硅层。
在其中一个实施例中，所述上电极层为柔韧性薄膜作为振膜，所述下电极层为刚性薄膜作为背板；或，
所述上电极层为刚性薄膜作为背板，所述下电极层为柔韧性薄膜作为振膜。
在其中一个实施例中，在所述背板上设有多个声孔。
在其中一个实施例中，所述上电极层和所述下电极层均包含导电层。
在其中一个实施例中，所述牺牲层上还设有缺口，用于暴露所述牺牲层下的所述下电极层。
在其中一个实施例中，所述MEMS麦克风还包括第一焊盘和第二焊盘；
所述第一焊盘设置在所述上电极层的一侧，所述第二焊盘设置在暴露的所述下电极上。
在其中一个实施例中，所述基板上还设有绝缘层，所述下电极层跨接于所述绝缘层上，用于使所述基底和所述下电极层相互绝缘。
此外，还提供一种MEMS麦克风的制备方法，包括：
提供基板，并在所述基板上依次沉积形成下电极层、牺牲层、应力层；
在所述应力层形成上电极层或下电极层的振动活动区域，且所述应力层的厚度根据所述基板的翘曲程度确定；
在所述应力层沉积形成上电极层；
在所述基板上形成第一开口；
在与所述振动活动区域相对应的所述牺牲层上形成第二开口，且所述第二开口与所述第一开口对应设置。
在其中一个实施例中，若所述上电极层为柔韧性薄膜，所述下电极层为刚性薄膜，则在所述下电极层上形成多个声孔；若所述上电极层为刚性薄膜，所述下电极层为柔韧性薄膜，则在所述上电极层上形成多个声孔。
在其中一个实施例中，在所述上电极层上形成第一焊盘，在所述下电极层上形成第二焊盘。
上述MEMS麦克风，包括基板、下电极层、牺牲层、应力层和上电极层。可根据半导体基板的翘曲或形变程度确定应力层的厚度，使应力层的厚度或应力与基板的翘曲程度相匹配。由于应力层的应力方向与基板的翘曲方向相反，通过改变应力层的厚度和应力，进而对基板施加与基板变形方向相反的力，以减轻或消除基板的变形。同时，MEMS麦克风的制备方法可以与现有MEMS麦克风制造工艺完美兼容，便于生产，不用额购买特殊要求基板，成本低廉，同时还可有效减少MEMS麦克风基板正面被划伤、污染的风险，产品的成品率高。
附图说明
图1为其中一实施例MEMS麦克风的俯视图；
图2为沿图1中A-A’线的侧面剖视图；
图3为另一实施例MEMS麦克风截面图；
图4为MEMS麦克风的制备流程图；
图5-12为其中一实施例MEMS麦克风的制备工程中的工艺截面图；
图13-18为另一实施例MEMS麦克风的制备工程中的工艺截面图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1是其中一实施例MEMS麦克风的俯视图，图2是沿图1中A-A’线的侧面剖视图。
一种MEMS麦克风，包括基板110、下电极层120、牺牲层130、应力层140 和上电极层150。
在本实施例中，基板110的材料为Si，基板110的材料还可以为其他半导体或半导体的化合物，例如Ge、SiGe、SiC、SiO2或Si3N4中的一种。基板110 的中部设有第一开口111，第一开口111也称之为背腔。基板110上还可以设有绝缘层113，绝缘层113为氧化硅层。绝缘层113同时作为背腔111刻蚀的停止层。下电极层120跨接于绝缘层113上，绝缘层113的作用在于使基板110和下电极层120相互绝缘。
下电极层120横跨于基板110上。牺牲层130、应力层140、上电极层150 依次层叠在下电极层120上，并在牺牲层130、应力层140上开设第二开口160，其中，第二开口160与第一开口111对应设置。其中，应力层140的厚度与基板110的翘曲程度相匹配。上电极层150和下电极层120之间绝缘。
见图1和图2，下电极层120为柔韧性薄膜作为振膜，上电极层150为刚性薄膜作为背板。下电极层(振膜)120是一层具有张应力并可导电的柔韧性薄膜，在周围空气发生振动时，可发生一定程度的形变，与上电极层(背板)150一起构成平板电容，作为平板电容的一极。上电极层(背板)150是可导电的刚性的薄膜，并在上电极层(背板)150上有许多特定尺寸的声孔170，声音可以通过声孔170传导至下电极层(振膜)120。声孔170均匀分布在上电极层(背板) 150上，当然声孔170也可以非均匀分布，例如声孔170在上电极层(背板)150的中间区域较为集中。
下电极层120、上电极层150均为导电层。在本实施例中下电极层120、上电极层150均为多晶硅层。在淀积多晶硅，形成多晶硅层时，可以改变多晶硅淀积时的工艺参数、控制其厚度以及杂质的掺杂量等等，进而形成柔韧性或刚性的下电极层120、上电极层150。在其他实施例中，电极板120、上电极层150 也可以是包含了导电层的复合层结构，例如含有Si、Ge、SiGe、SiC，或者Al、 W、Ti，或者Al、W、Ti的氮化物中一种。
在另一实施例中，见图3，下电极层120为刚性薄膜作为背板，上电极层 150为柔韧性薄膜作为振膜。相应的，在下电极层120上有许多特定尺寸的声孔 170，声音可以通过声孔170传导至上电极层(振膜)150。声孔170均匀分布在下电极层(背板)120上，当然声孔170也可以非均匀分布，例如声孔170在下电极层120的中间区域较为集中。
牺牲层130、应力层140、上电极层150依次层叠在下电极层120上，并在牺牲层130、应力层140上开设第二开口160，使得下电极层120、牺牲层130、应力层140及上电极层150围合形成空腔。空腔实际上是由牺牲层130经过释放而来的，在释放过程中，牺牲层130被腐蚀掉，形成空腔。
由于MEMS麦克风的牺牲层的厚度通常在3～5um，而这种厚的牺牲层130 就会使MEMS麦克风半导体基板110发生严重变形，可以根据实际基板110的翘曲或形变程度来控制应力层140的应力大小或应力层140膜厚，使应力层140 的厚度与基板110的翘曲程度相匹配。换言之，可以通过改变应力层140的厚度和应力值来对基板110施加与基板110变形方向相反的力以减轻或消除基板 110的变形。在本实施例中，应力层140为氮化硅(Si3N4)层，因为氮化硅(Si3N4) 层的应力方向与造成基板110翘曲的应力方向相反。
应力层140通常位于上电极层150或下电极层120振动活动区域的外围，从而不会影响振膜或背板的应力大小。上电极层150或下电极层120振动活动区域指的是第二开口160所对应的位置。
牺牲层130为多晶硅层，牺牲层130上设有缺口131，用于暴露所述牺牲层 130下的下电极层120。在本实施例中，缺口131为通孔结构。
MEMS麦克风还包括第一焊盘181和第二焊盘183，第一焊盘181设置在上电极层150的一侧，第二焊盘183设置在暴露的下电极120上。第一焊盘181 和第二焊盘183均由金属构成，第一焊盘181和第二焊盘183用于连接下电极层120和上电极层150，同时，第一焊盘181和第二焊盘183还可以为后续电容式硅基麦克风封装打线使用。可以理解，图1～图4中的图示是对MEMS麦克风的一些主要结构的简单示例，并不代表器件的全部结构。
如图4所示的为MEMS麦克风的制备工艺流程图，包括：
具体的工艺流程结合图5-12进行说明：
步骤S110：提供基板，并在基板上依次沉积形成下电极层、牺牲层、应力层。
提供基板110，基板110的材料为Si，基板110的材料还可以为其他半导体或半导体的化合物，例如Ge、SiGe、SiC、SiO2或Si3N4中的一种。基板110 表面(第一主面)采用热生长的方式形成氧化硅绝缘层113，其氧化硅绝缘层 113厚度在0.5～1um之间。接着在氧化硅绝缘层113的表面沉积多晶硅形成下电极层120，此时，下电极层120为柔韧性薄膜，下电极层120作为MEMS麦克风的振膜。在其他实施例中，下电极层120还可以为含有Si、Ge、SiGe、SiC，或者Al、W、Ti，或者Al、W、Ti的氮化物中的复合导电层。
然后经过光刻和腐蚀步骤，形成所需的下电极层(振膜)120图形；然后在下电极层120上淀积氧化层，作为牺牲层130；并在牺牲层130上淀积一层氮化硅作为应力层140。由于MEMS麦克风的牺牲层的厚度通常在3～5um，而这种厚的牺牲层130就会使MEMS麦克风半导体基板110发生严重变形，在制备的过程中，可以根据基板110的翘曲或形变程度来控制应力层140的应力或应力层140膜厚。换言之，可以通过改变应力层140的厚度和应力来对基板施加与基板变形方向相反的力以减轻或消除基板的变形。应力层140为氮化硅(Si3N4) 层，其氮化硅(Si3N4)层的应力方向与造成基板110翘曲的应力方向相反。应力层140的应力可以通过调节沉积的工艺参数，例如：淀积时的温度、压强、气体量(总的反应气体量和反应气体组分的比例)、射频功率和频率等等。应力层140通常位于上电极层150或下电极层120振动活动区域的外围，从而不会影响振膜或背板的应力大小。
步骤S120：在应力层形成下电极层的振动活动区域。
然后经过光刻和腐蚀步骤，在应力层140上形成下电极层(振膜)120的振动活动区域141以及腐蚀形成第一通孔143。振动活动区域可以理解为该MEMS 麦克风中作为振膜的下电极层120在周围空气发生振动时，具有可发生一定程度形变的空间。
步骤S130：在应力层沉积形成上电极层。
在应力调节层140上沉积多晶硅，形成具有导电特性的刚性薄膜，也就是上电极层150，上电极层150作为MEMS麦克风的背板。
在上电极层150上经过光刻和腐蚀，形成声孔170和第二通孔151。声孔 170均匀分布在上电极层150上，当然声孔170也可以非均匀分布，例如声孔 170在上电极层150的中间区域较为集中。
依然在上电极层150上经过光刻和腐蚀，在第二通孔对应的牺牲层130上形成第三通孔131。在上电极层(背板)150的一侧形成第一焊盘181，并在在与第三通孔对应的下电极层(振膜)120上形成第二焊盘183。第一焊盘181和第二焊盘183用于连接下电极层(振膜)120和上电极层(背板)150，同时，第一焊盘181和第二焊盘183还可以为后续电容式硅基麦克风封装打线使用。
步骤S140：在基板上形成第一开口。
在基板110背对于下电极层120的表面(第二主面)通过研磨，将基板110 基板减薄至所需厚度；并且在第二主面经过光刻、腐蚀等工艺形成第一开口111，第一开口111也称之为背腔。其绝缘层113作为背腔111刻蚀的停止层。
步骤S150：在与振动活动区域相对应的牺牲层上形成第二开口。
在与振动活动区域相对应的牺牲层经过释放过程形成第二开口160，使得下电极层120、牺牲层130、应力层140及上电极层150围合形成空腔。释放是指通过腐蚀工艺将牺牲层130特定区域(可作为振膜的下电极层或下电机层的振动活动区域所对应的位置))腐蚀掉，最后形成MEMS麦克风器件。
在另一实施例中，MEMS麦克风的制备工艺流程如下，结合图13-图18进行说明：
步骤S110：提供基板，并在基板上依次沉积形成下电极层、牺牲层、应力层。
提供基板110，基板110的材料为Si，基板110的材料还可以为其他半导体或半导体的化合物，例如Ge、SiGe、SiC、SiO2或Si3N4中的一种。基板110 表面(第一主面)采用热生长的方式形成氧化硅绝缘层113，其氧化硅绝缘层 113厚度在0.5～1um之间。接着在氧化硅绝缘层113的表面沉积多晶硅形成下电极层120。接着在氧化硅绝缘层113的表面沉积多晶硅形成下电极层120，此时，下电极层120为刚性薄膜，下电极层120作为MEMS麦克风的背板。在其他实施例中，下电极层120还可以为含有Si、Ge、SiGe、SiC，或者Al、W、Ti，或者Al、W、Ti的氮化物中的复合导电层。
在下电极层120上经过光刻和腐蚀，形成声孔170，声孔170均匀分布在下电极层120上，当然声孔170也可以非均匀分布，例如声孔170在下电极层120 的中间区域较为集中。然后在下电极层120上淀积氧化层，作为牺牲层130；并在牺牲层130上淀积一层氮化硅作为应力层140。由于MEMS麦克风的牺牲层的厚度通常在3～5um，而这种厚的牺牲层130就会使MEMS麦克风半导体基板 110发生严重变形，在制备的过程中，可以根据基板110的翘曲或形变程度来控制应力层140的应力或应力层140膜厚。换言之，可以通过改变应力层140的厚度和应力值来对基板施加与基板变形方向相反的力以减轻或消除基板的变形。应力层140为氮化硅(Si3N4)层，氮化硅(Si3N4)层的应力方向与造成基板110翘曲的应力方向相反。应力层140的应力可以通过调节沉积的工艺参数，例如：淀积时的温度、压强、气体量(总的反应气体量和反应气体组分的比例)、射频功率和频率等等。应力层140通常位于上电极层150或下电极层120振动活动区域的外围，从而不会影响振膜或背板的应力大小。
步骤S120：在应力层形成所述上电极层的振动活动区域。
然后经过光刻和腐蚀步骤，在应力层140上形成上电极层(振膜)150的振动活动区域141以及腐蚀形成第一通孔143。振动活动区域可以理解为该 MEMS麦克风中作为振膜的上电极层150在周围空气发生振动时，具有可发生一定程度形变的空间。
步骤S130：在应力层沉积形成上电极层。
在应力层140上沉积多晶硅，形成具有导电特性的柔韧性薄膜，也就是上电极层150，上电极层150作为MEMS麦克风的振膜。然后经过光刻、腐蚀等工艺，形成所需的图形和第二通孔151。接着再次经过光刻、腐蚀工艺，在牺牲层130上第二通孔151内形成第三通孔131。在上电极层(振膜)150的一侧形成第一焊盘181，并在在与第三通孔对应的下电极层(背板)120上形成第二焊盘183。第一焊盘181和第二焊盘183用于连接下电极层(背板)120和上电极层(振膜)150，同时，第一焊盘181和第二焊盘183还可以为后续电容式硅基麦克风封装打线使用。
步骤S140：在基板上形成第一开口。
在基板110背对于下电极层120的表面(第二主面)通过研磨，将基板110 基板减薄至所需厚度；并且在第二主面经过光刻、腐蚀等工艺形成第一开口111，第一开口111也称之为背腔。其绝缘层113作为背腔111刻蚀的停止层。
步骤S150：在与振动活动区域相对应的牺牲层上形成第二开口，且第二开口与第一开口对应设置。
在与振动活动区域相对应的牺牲层经过释放过程形成第二开口160，使得下电极层120、牺牲层130、应力层140及上电极层150围合形成空腔。释放是指通过腐蚀工艺将牺牲层130特定区域(可作为振膜的下电极层或下电机层的振动活动区域所对应的位置)腐蚀掉，最后形成MEMS麦克风器件。
最后需要说明的是，基底100是表示一种提供支撑的支撑结构，并不一定表示基底100是一个单独的构件。基底100可以表示为多层结构，其多层结构可以是通过外延、淀积或键合等工艺形成。
上述MEMS麦克风，包括基板、下电极层、牺牲层、应力层和上电极层。应力层的应力或厚度的大小与基板的翘曲程度相匹配，可以通过改变应力层的厚度和应力值对基板施加与基板变形方向相反的力，以减轻或消除基板的变形。同时，MEMS麦克风的制备方法可以与现有MEMS麦克风制造工艺完美兼容，便于生产，不用购买特殊要求基板，成本低廉，同时还可有效减少MEMS麦克风基板正面被划伤、污染的风险，产品优良率高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括基板、下电极层、牺牲层、应力层和上电极层，所述基板的中部设有第一开口，所述下电极层横跨于所述基板上；所述牺牲层、应力层、上电极层依次层叠在所述下电极层上，所述牺牲层厚度为3～5um，使得所述基板发生翘曲，并在所述牺牲层、应力层上开设第二开口；
所述应力层的应力方向与所述基板的翘曲方向相反，所述应力层设置在所述牺牲层上以减轻或消除所述基板的翘曲，所述应力层的厚度根据所述基板的翘曲程度确定；所述应力层为氮化硅层；所述第二开口与所述第一开口对应设置。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述上电极层为柔韧性薄膜，作为振膜，所述下电极层为刚性薄膜，作为背板；或，
所述上电极层为刚性薄膜，作为背板，所述下电极层为柔韧性薄膜，作为振膜。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，在所述背板上设有多个声孔。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述上电极层和所述下电极层均包含导电层。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述牺牲层上还设有缺口，用于暴露所述牺牲层下的所述下电极层。
6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风还包括第一焊盘和第二焊盘；
所述第一焊盘设置在所述上电极层的一侧，所述第二焊盘设置在暴露的所述下电极上。
7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述基板上还设有绝缘层，所述下电极层跨接于所述绝缘层上，用于使所述基板和所述下电极层相互绝缘。
8.一种MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，包括：
提供基板，并在所述基板上依次沉积形成下电极层、牺牲层和应力层，所述牺牲层厚度为3～5um，使得所述基板发生翘曲；
在所述应力层形成上电极层或下电极层的振动活动区域，且所述应力层的应力方向与所述基板的翘曲方向相反，所述应力层设置在所述牺牲层上以减轻或消除所述基板的翘曲，所述应力层的厚度根据所述基板的翘曲程度确定；所述应力层为氮化硅层；
在所述应力层沉积形成上电极层；
在所述基板上形成第一开口；
在与所述振动活动区域相对应的所述牺牲层上形成第二开口，且所述第二开口与所述第一开口对应设置。
9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，若所述上电极层为柔韧性薄膜，所述下电极层为刚性薄膜，则在所述下电极层上形成多个声孔；若所述上电极层为刚性薄膜，所述下电极层为柔韧性薄膜，则在所述上电极层上形成多个声孔。
10.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，在所述上电极层上形成第一焊盘，在所述下电极层上形成第二焊盘。
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