CN107548000A - 一种mems麦克风及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS麦克风及其制作方法，所述麦克风包括：衬底，衬底具有第一表面及与第一表面相对的第二表面；位于衬底第一表面的电容结构，电容结构包括空腔、位于空腔内的固定电极、与固定电极相对的振动膜、位于固定电极中的间隔分布的声孔、及位于声孔中的限幅结构，其中，所述固定电极四周设有多晶硅间隔层；位于衬底内的背腔，所述衬底的第二表面暴露出背腔的顶部，背腔的底部暴露出电容结构。通过本发明提供的一种MEMS麦克风及其制作方法，解决了现有技术中利用氧化物间隔层提高APT性能时，在最后的缓冲氧化物刻蚀工艺后，由于氧化物间隔层带来的虹吸效应，在固定电极连接端附近区域出现侧掏现象的问题。

Description

一种MEMS麦克风及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统工艺，特别是涉及一种MEMS麦克风及其制作方法。

背景技术

近年来，随着半导体技术的迅猛发展，电子产品愈来愈趋向于往微型化及薄型化的方向进行设计。在电声领域的产品当中，麦克风用于将声波转换为电信号，而且目前市面上可见的许多电子产品中皆已设置有微机电(MEMS：Micro-electro-mechanical system)麦克风；MEMS麦克风是通过微电子机械系统工艺在半导体上刻蚀压力感测膜片而制成的微型麦克风，与常见的驻极体麦克风(ECM)相比，MEMS麦克风具有更强的耐热、抗振、防射频干扰的能力。而且，MEMS麦克风制作工艺简单、且易于与其他半导体器件集成，能够简化生产流程、降低生产成本、提高器件集成度。

MEMS麦克风在生产时需进行气压测试(APT：Air Pressure Test)，利用现有技术生产的MEMS麦克风在进行APT测试时无法满足客户的需求，为了解决APT测试问题，我们在固定电极四周设置了氧化物间隔层；APT测试的数据表明，氧化物间隔层越厚，其APT性能越好；尽管在固定电极四周设置氧化物间隔层解决了APT测试问题，但在最后形成空腔的缓冲氧化物刻蚀工艺(BOE)后，由于氧化物间隔层带来的虹吸效应，在固定电极连接端附近区域出现了侧掏现象。

如图1至图4所示，图2为图1的俯视图，图4为图3的俯视图，图1至图4仅示意性地展示现有技术在BOE刻蚀时出现的侧掏现象。如图1和图2所示，在固定电极10四周形成氧化物间隔层11；如图3和图4所示，当最后利用缓冲氧化物刻蚀工艺形成空腔时，由于氧化物间隔层11带来的虹吸效应，在刻蚀掉第一氧化层的同时，氧化物间隔层11也被刻蚀掉，并在固定电极10的连接区附近出现了侧掏现象(图4中椭圆所标注的区域为固定电极的链接区)。

鉴于此，有必要提供一种新的MEMS麦克风及其制作方法用以解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风及其制作方法，用于解决现有技术中利用氧化物间隔层提高APT性能时，在最后的缓冲氧化物刻蚀工艺后，由于氧化物间隔层带来的虹吸效应，在固定电极连接端附近区域出现侧掏现象的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS麦克风及其制作方法，所述麦克风包括：

衬底，所述衬底具有第一表面及与第一表面相对的第二表面；

位于所述衬底第一表面的电容结构，所述电容结构包括空腔、位于所述空腔内的固定电极、与所述固定电极相对的振动膜、位于所述固定电极中的间隔分布的声孔、及位于所述声孔中的限幅结构，其中，所述固定电极四周设有多晶硅间隔层；

位于所述衬底内的背腔，所述衬底的第二表面暴露出所述背腔的顶部，所述背腔的底部暴露出所述电容结构。

优选地，所述多晶硅间隔层为表面光滑的弧形。

优选地，所述多晶硅间隔层的最大厚度H与所述固定电极的厚度D相同。

优选地，所述多晶硅间隔层的最大长度L与所述固定电极的厚度D呈正比；所述固定电极的厚度D越大，所述多晶硅间隔层的最大长度L越大。

优选地，所述多晶硅间隔层的最大厚度H的范围为0.2～0.25um。

优选地，所述多晶硅间隔层的最大长度L的范围为0.15～0.25um。

本发明还提供一种MEMS麦克风的制作方法，所述制作方法包括：

S1：提供一衬底，所述衬底具有第一表面、及与第一表面相对的第二表面；

S2：在所述衬底的第一表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层表面具有第一凹槽，在所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层表面具有与第一凹槽相对的第二凹槽、及与第一凹槽贯通的第三凹槽；

S3：在所述第二牺牲层表面形成振动膜，所述振动膜表面具有与第二凹槽相对的第四凹槽；

S4：在所述振动膜表面形成第三牺牲层，所述第三牺牲层表面具有与第四凹槽相对的第五凹槽、及暴露出振动膜的第六凹槽，在所述第三牺牲层表面形成第四牺牲层，所述第四牺牲层表面具有与第六凹槽相对的第七凹槽；

S5：在所述第四牺牲层表面形成第一氧化层，在所述第一氧化层表面形成多晶硅层，并对所述多晶硅层进行刻蚀，形成固定电极、位于所述固定电极四周的多晶硅间隔层及位于所述多晶硅间隔层之间的声孔；

S6：在所述S5形成的结构表面形成钝化层，对所述钝化层进行图形化刻蚀，暴露出所述多晶硅间隔层及声孔，并在所述第七凹槽的位置形成限幅结构；

S7：对所述衬底的第二表面进行刻蚀，形成背腔，暴露出所述第一牺牲层；

S8：采用缓冲氧化物刻蚀技术对第一、第二、第三、第四牺牲层、第一氧化层及钝化层进行刻蚀，形成空腔，释放所述振动膜；

S9：在S8所述结构的两侧钝化层的上表面分别形成金属电极。

优选地，所述S5中形成多晶硅间隔层的具体步骤包括：

S51：在所述第一氧化层表面形成多晶硅层，并对所述多晶硅层进行刻蚀，暴露出所述多晶硅层四周的第一氧化层；

S52：在所述多晶硅层、及第一氧化层表面形成第二氧化层；

S53：通过设置选择比大于1:1的刻蚀气体对所述第二氧化层进行刻蚀，之后再将所述刻蚀气体的选择比设置为1:1，刻蚀掉所述第二氧化层，并对所述多晶硅层进行刻蚀，形成固定电极和多晶硅间隔层。

优选地，所述S53中刻蚀第二氧化层的刻蚀速率与刻蚀多晶硅层的刻蚀速率相等。

优选地，所述第一氧化层与所述第二氧化层均为SiO2层。

如上所述，本发明的一种MEMS麦克风及其制作方法，具有以下有益效果：本发明没有增加任何光罩，通过与刻蚀专家合作，调节刻蚀气体的条件进而形成多晶硅间隔层完美的形貌；并通过在固定电极四周设置多晶硅间隔层，不仅阻止了缓冲氧化物刻蚀工艺带来的侧掏问题，同时又提高了APT性能。

附图说明

图1～图4显示为现有技术中使用氧化物间隔层时出现侧掏的结构示意图。

图5显示为本发明MEMS麦克风的结构示意图。

图6～图12显示为本发明MEMS麦克风制作步骤的结构示意图。

图13～图18显示为本发明MEMS麦克风多晶硅间隔层制作步骤的结构示意图。

图19显示为现有技术的MEMS麦克风在固定电极接触区附近出现侧掏现象。

图20显示为本发明中MEMS麦克风在固定电极接触区附近未出现侧掏现象。

元件标号说明

S1～S9 步骤1～9

S51～S53 步骤51～53

1 衬底

S11 第一表面

S12 第二表面

2 第一牺牲层

21 第一凹槽

3 第二牺牲层

31 第二凹槽

32 第三凹槽

4 振动膜

41 第四凹槽

5 第三牺牲层

51 第五凹槽

52 第六凹槽

6 第四牺牲层

61 第七凹槽

7 第一氧化层

8 多晶硅层

9 第二氧化层

10 固定电极

11 氧化物间隔层

12 多晶硅间隔层

13 声孔

14 钝化层

15 限幅结构

16 背腔

17 空腔

18 金属电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图5所示，本发明提供一种MEMS麦克风，所述麦克风包括：

衬底1，所述衬底1具有第一表面S11及与第一表面S11相对的第二表面S12；

位于所述衬底1第一表面S11的电容结构，所述电容结构包括空腔17、位于所述空腔17内的固定电极10、与所述固定电极10相对的振动膜4、位于所述固定电极10中的间隔分布的声孔13、及位于所述声孔13中的限幅结构15，其中，所述固定电极10四周设有多晶硅间隔层12；

位于所述衬底1内的背腔16，所述衬底1的第二表面S12暴露出所述背腔16的顶部，所述背腔16的底部暴露出所述电容结构。

需要说明的是，所述衬底的第一表面用于形成电容结构，所述振动膜和固定电极作为电容结构的两个电极，通过空气进入背腔内，将声波传递到所述电容结构，当声波引发振动膜振动时，振动膜和固定电极之间的距离发生变化，即振动膜和固定电极之间的电容值发生变化，以此将声波转换为电信号输出。

下面请参阅图6～12对本发明所述MEMS麦克风的制作方法进行具体说明，所述MEMS麦克风的制作方法包括：

S1：提供一衬底1，所述衬底1具有第一表面S11、及与第一表面S11相对的第二表面S12(如图6所示)；

S2：在所述衬底1的第一表面S11形成第一牺牲层2，所述第一牺牲层2表面具有第一凹槽21，在所述第一牺牲层2表面形成第二牺牲层3，所述第二牺牲层3表面具有与第一凹槽21相对的第二凹槽31、及与第一凹槽21贯通的第三凹槽32(如图7所示)；

S3：在所述第二牺牲层3表面形成振动膜4，所述振动膜4表面具有与第二凹槽31相对的第四凹槽41(如图8所示)；

S4：在所述振动膜4表面形成第三牺牲层5，所述第三牺牲层5表面具有与第四凹槽41相对的第五凹槽51、及暴露出振动膜4的第六凹槽52，在所述第三牺牲层5表面形成第四牺牲层6，所述第四牺牲层6表面具有与第六凹槽52相对的第七凹槽61(如图9所示)；

S5：在所述第四牺牲层6表面形成第一氧化层7，在所述第一氧化层7表面形成多晶硅层8，并对所述多晶硅层8进行刻蚀，形成固定电极10、位于所述固定电极四周的多晶硅间隔层12及位于所述多晶硅间隔层之间的声孔13(如图10所示)；

S6：在所述S5形成的结构表面形成钝化层14，对所述钝化层14进行图形化刻蚀，暴露出所述多晶硅间隔层12及声孔13，并在所述第七凹槽61的位置形成限幅结构15(如图11所示)；

S7：对所述衬底1的第二表面S12进行刻蚀，形成背腔16，暴露出所述第一牺牲层2(如图12所示)；

S8：采用缓冲氧化物刻蚀技术对第一、第二、第三、第四牺牲层、第一氧化层7及钝化层14进行刻蚀，形成空腔17，释放所述振动膜4(如图12所示)；

S9：在S8所述结构的两侧钝化层的上表面分别形成金属电极18(如图12所示)。

需要说明的是，所述步骤S8中，当采用缓冲氧化物刻蚀技术刻蚀所述第一氧化层时，由于所述多晶硅间隔层的材料为多晶硅，所以所述多晶硅间隔层不会被刻蚀掉，即不会在所述固定电极的接触区出现侧掏现象。

需要说明的是，所述衬底1为硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底、玻璃衬底或三五族化合物衬底(如氮化镓衬底或砷化镓衬底等)；优选地，在本实施例中，所述衬底1为硅衬底。

需要说明的是，所述第一、第二、第三、第四牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或无定型碳中的一种，所述第一、第二、第三、第四牺牲层需要选取易于被去除的材料，且所选取的材料需要与所述振动膜和固定电极的材料之间具有较高的刻蚀选择比，以保证后续去除第一、第二、第三、第四牺牲层时，对振动膜和固定电极的损伤较小。优选地，在本实施例中，所述第一、第二、第三、第四牺牲层的材料为氧化硅。

具体的，所述S5中形成多晶硅间隔层的具体步骤包括：

S51：在所述第一氧化层7表面形成多晶硅层8，并对所述多晶硅层8进行刻蚀，暴露出所述多晶硅层8四周的第一氧化层7(如图13～14所示)；

S52：在所述多晶硅层8、及第一氧化层7表面形成第二氧化层9(如图15所示)；

S53：通过设置选择比大于1:1的刻蚀气体对所述第二氧化层9进行刻蚀，之后再将所述刻蚀气体的选择比设置为1:1，刻蚀掉所述第二氧化层9，并对所述多晶硅层8进行刻蚀，形成固定电极10和多晶硅间隔层12(如图16～17所示)。

需要说明的是，所述第一氧化层与所述第二氧化层均为SiO2层。

需要说明的是，所述步骤S53中，所述刻蚀气体为含氟、碳气体，如CF4，C4F8等。具体为当对所述第二氧化层进行刻蚀时，所述刻蚀气体具有一定的刻蚀速率并且选择比大于1:1；当刻蚀完所述第二氧化层时，刻蚀设备会发出一个通知信号，此时，将选择比修改为1:1，刻蚀速率不变，对所述多晶硅层进行刻蚀，形成固定电极和多晶硅间隔层。

进一步需要说明的是，在对所述第二氧化层和多晶硅层进行刻蚀时，通过设置不同的选择比，及相同的刻蚀速率，保证多晶硅间隔层具有较好的形貌。

需要说明的是，所述固定电极和所述多晶硅间隔层为一体结构。

需要说明的是，所述多晶硅间隔层为表面光滑的弧形。

进一步需要说明的是，通过将所述多晶硅间隔层设置为表面光滑的弧形，当MEMS麦克风进行APT测试时，表面光滑的弧形可实现对振动膜的保护，避免振动膜因过大的气压而发生破损。

需要说明的是，如图18所示，所述多晶硅间隔层的最大厚度H与所述固定电极的厚度D相同。

进一步需要说明的是，所述多晶硅间隔层的最大厚度H越大，所述MEMS麦克风的APT性能越好；优选地，所述多晶硅间隔层的最大厚度H的范围为0.2～0.25um；进一步优选地，在本实施例中，所述多晶硅间隔层的最大厚度H为0.23um。

需要说明的是，如图18所示所述多晶硅间隔层的最大长度L与所述固定电极的厚度D呈正比，所述固定电极的厚度D越大，所述多晶硅间隔层的最大长度L越大；反之，所述固定电极的厚度D越小，所述多晶硅间隔层的最大长度L越小。优选地，所述多晶硅间隔层的最大长度L的范围为0.15～0.25um；进一步优选地，在本实施例中，所述多晶硅间隔层的最大长度L为0.2um。

如图19和图20所示，图19为现有技术中利用氧化物间隔层提高APT性能时，在固定电极接触区附近区域出现侧掏现象的示意图；而图20为本发明采用多晶硅间隔层后，在固定电极接触区附近区域未出现侧掏现象的示意图；由此可见，本发明所述的多晶硅间隔层在提高MEMS麦克风APT性能的同时，有效防止了由于缓冲氧化物刻蚀工艺所带来的侧掏问题。

综上所述，本发明的一种MEMS麦克风及其制作方法，具有以下有益效果：本发明没有增加任何光罩，通过与刻蚀专家合作，调节刻蚀气体的条件进而形成多晶硅间隔层完美的形貌；并通过在固定电极四周设置多晶硅间隔层，不仅阻止了缓冲氧化物刻蚀工艺带来的侧掏问题，同时又提高了APT性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，所述麦克风包括：

衬底，所述衬底具有第一表面及与第一表面相对的第二表面；

位于所述衬底第一表面的电容结构，所述电容结构包括空腔、位于所述空腔内的固定电极、与所述固定电极相对的振动膜、位于所述固定电极中的间隔分布的声孔、及位于所述声孔中的限幅结构，其中，所述固定电极四周设有多晶硅间隔层；

位于所述衬底内的背腔，所述衬底的第二表面暴露出所述背腔的顶部，所述背腔的底部暴露出所述电容结构。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多晶硅间隔层为表面光滑的弧形。

3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多晶硅间隔层的最大厚度H与所述固定电极的厚度D相同。

4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多晶硅间隔层的最大长度L与所述固定电极的厚度D呈正比；所述固定电极的厚度D越大，所述多晶硅间隔层的最大长度L越大。

5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多晶硅间隔层的最大厚度H的范围为0.2～0.25um。

6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多晶硅间隔层的最大长度L的范围为0.15～0.25um。

7.一种MEMS麦克风的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

S1：提供一衬底，所述衬底具有第一表面、及与第一表面相对的第二表面；

S2：在所述衬底的第一表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层表面具有第一凹槽，在所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层表面具有与第一凹槽相对的第二凹槽、及与第一凹槽贯通的第三凹槽；

S3：在所述第二牺牲层表面形成振动膜，所述振动膜表面具有与第二凹槽相对的第四凹槽；

S4：在所述振动膜表面形成第三牺牲层，所述第三牺牲层表面具有与第四凹槽相对的第五凹槽、及暴露出振动膜的第六凹槽，在所述第三牺牲层表面形成第四牺牲层，所述第四牺牲层表面具有与第六凹槽相对的第七凹槽；

S5：在所述第四牺牲层表面形成第一氧化层，在所述第一氧化层表面形成多晶硅层，并对所述多晶硅层进行刻蚀，形成固定电极、位于所述固定电极四周的多晶硅间隔层及位于所述多晶硅间隔层之间声孔；

S6：在所述S5形成的结构表面形成钝化层，对所述钝化层进行图形化刻蚀，暴露出所述多晶硅间隔层及声孔，并在所述第七凹槽的位置形成限幅结构；

S7：对所述衬底的第二表面进行刻蚀，形成背腔，暴露出所述第一牺牲层；

S8：采用缓冲氧化物刻蚀技术对第一、第二、第三、第四牺牲层、第一氧化层及钝化层进行刻蚀，形成空腔，释放所述振动膜；

S9：在S8所述结构的两侧钝化层的上表面分别形成金属电极。

8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风的制作方法，其特征在于，所述S5中形成多晶硅间隔层的具体步骤包括：

S51：在所述第一氧化层表面形成多晶硅层，并对所述多晶硅层进行刻蚀，暴露出所述多晶硅层四周的第一氧化层；

S52：在所述多晶硅层、及第一氧化层表面形成第二氧化层；

S53：通过设置选择比大于1:1的刻蚀气体对所述第二氧化层进行刻蚀，之后再将所述刻蚀气体的选择比设置为1:1，刻蚀掉所述第二氧化层，并对所述多晶硅层进行刻蚀，形成固定电极和多晶硅间隔层。

9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的制作方法，其特征在于，所述S53中刻蚀第二氧化层的刻蚀速率与刻蚀多晶硅层的刻蚀速率相等。

10.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的制作方法，其特征在于，所述第一氧化层与所述第二氧化层均为SiO2层。