CN109905833B - Mems麦克风制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种MEMS麦克风的制备方法，包括如下步骤：选择基底，在所述基底的第一表面上制备第一振膜结构；在所述第一振膜结构的与所述基底的第一表面相对的侧面间隔制备背板结构，所述第一振膜结构与所述背板结构之间具有第一间隙；在所述背板结构的与所述第一振膜结构相对的侧面间隔制备第二振膜结构，所述第二振膜结构与所述背板结构之间具有第二间隙；在所述第二振膜结构的与所述背板结构相对的侧面制备电极；刻蚀所述基底的与所述第一表面相对的第二表面，形成背腔。

Description

MEMS麦克风制造方法
【技术领域】
本发明涉及麦克风技术，特别地，涉及一种微机电系统 (Micro-Electro-Mechanic System,MEMS)麦克风的制造方法。
【背景技术】
随着无线通讯的发展，用户对移动电话的通话质量要求越来越高，麦克风作为移动电话的语音拾取装置，其设计的好坏直接影响移动电话的通话质量。
由于MEMS技术具有小型化、易集成、高性能、低成本等特点，使其获得业界青睐，MEMS麦克风在当前的移动电话中应用较为广泛；常见的MEMS 麦克风为电容式，即包括振膜和背板，二者构成MEMS声传感电容，且MEMS 声传感电容进一步通过连接盘连接到处理芯片以将声传感信号输出给处理芯片进行信号处理。为了进一步提高MEMS麦克风的性能，现有技术提出了双振膜MEMS麦克风结构，即利用两层振膜分别与背板构成电容结构。基于硅技术的MEMS麦克风中，上述MEMS麦克风的振膜和背板是在同一个硅基座并利用半导体制作工艺制作而成，且在制作过程中还包括形成声腔、背腔、声学孔、透气孔和连接盘等工艺步骤。
由于MEMS麦克风的每一个制作工艺步骤是在同一个硅基座制作形成，因此必须在前一个工艺步骤完成之后方可进行下一个工艺步骤，此将导致 MEMS麦克风的整体制造效率较低。
基于这些问题，有必要提供一种新的MEMS麦克风双振膜结构的制造方法，以提高制造效率。
【发明内容】
为解决上述技术问题，本发明提供一种可以提高MEMS麦克风整体制造效率的MEMS麦克风的制造方法。
具体地，本发明提出的方案如下：
一种MEMS麦克风的制备方法，包括如下步骤：
选择基底，在所述基底的第一表面上沉积第一氧化层；
在所述第一氧化层的表面沉积第一多晶硅层并图形化该第一多晶硅层以形成第一振膜结构；
在所述第一振膜结构的表面沉积第二氧化层，
在所述第二氧化层的表面沉积背板材质层，
图形化所述背板材质层形成背板结构，所述背板结构包括中间主体区域和位于所述中间主体区域两侧的第一边缘区域和第二边缘区域，多个声学通孔被形成在所述背板结构的中间主体区域，在所述第一边缘区域形成有第一释放阻挡介质沉积槽；
在所述背板结构上沉积第三氧化层，并平坦化所述第三氧化层；
图形化所述第三氧化层、第二氧化层，形成介于所述声学通孔之间的支撑件沉积孔，所述支撑件沉积孔露出所述第一振膜结构，相应地所述第一释放阻挡介质沉积槽内第三氧化层、第二氧化层也被去除；
图形化第三氧化层位于所述第二边缘区域的部分，形成第二、第三、第四释放阻挡介质沉积槽；
沉积支撑件材质层，直至填满所述支撑件沉积孔、所述第一、第二、第三、第四释放阻挡介质沉积槽；
平坦化所述支撑件材质层，直至露出所述第三氧化层表面；
沉积第二振膜材质层，并图形化所述第二振膜材质层形成释放孔，所述释放孔位于所述第三释放阻挡介质和第四释放阻挡介质之间；
经所述释放孔去除所述第一振膜结构和所述第二振膜结构之间对应于所述背板结构的中间主体区域的第二、第三氧化层；
密封所述释放孔；
制备所述第一振膜结构、第二振膜结构、背板结构的引出电极；
背面刻蚀所述基底，形成对应于所述背板结构中间主体区域的背腔结构。
进一步地，所述沉积背板材质层包括依次沉积第一氮化硅层、第二多晶硅层、第二氮化硅层。
进一步地，所述制备所述第一振膜结构、第二振膜结构、背板结构的引出电极包括：
刻蚀形成第一振膜结构、背板结构、第二振膜结构的电极引出孔；
沉积并图形化电极层，形成第一振膜结构的第一引出电极、第二振膜结构的第二引出电极、背板结构的第三引出电极。
进一步地，所述沉积支撑件材质层为在图形化的第三氧化层上沉积第三氮化硅层。
进一步地，所述形成背腔结构，包括：
从所述基底的第二表面减薄并刻蚀所述基底；
去除所述第一振膜结构下方对应所述背腔区域的第一氧化层。
进一步地，还包括在形成电极引出孔之后沉积钝化保护层的步骤。
进一步地，所述电极层包括Cr/Au层。
进一步地，还包括形成至少一个贯通所述支撑件的通孔，该通孔连通所述背腔与外界环境。
进一步地，还包括在所述背板结构的中间主体区域上下表面形成凸起的步骤。
本发明提出了一种具有双振膜结构的MEMS麦克风的制备方法，通过在表层形成牺牲层释放孔，去除了双振膜内腔的牺牲层，本发明的双振膜内腔和外界的压强一致，此外，通过标准的半导体工艺制备，易于与其它半导体器件集成。
【附图说明】
图1为本发明其中一实施例的MEMS麦克风结构示意图；
图2为本发明另一实施例的MEMS麦克风结构示意图；
图3为本发明其中一实施例涉及的MEMS麦克风的制备流程图；
图4a-图4x为本发明其中一实施例涉及的MEMS麦克风制备工艺示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，利用本发明所提出的制造方法所制备的MEMS麦克风结构100包括基底101以及设置在基底101上并与基底101绝缘相连的电容系统103。
基底101的材质优选为半导体材料，例如硅，其具有背腔102、第一表面101A以及与第一表面相对的第二表面101B，基底101的第一表面101A 上设有绝缘层107，背腔102贯通绝缘层107、及基底101的第一、第二表面。其中背腔102可以通过体硅工艺或干法腐蚀形成。
电容系统103包括背板105以及与背板105相对且分别设置在背板105 上、下两侧的第一振膜104和第二振膜106，第一振膜104和背板105之间、第二振膜106和背板105之间、第一振膜104和基底101之间均设有绝缘层107。背板105的中央主体区域105A包括间隔设置的声学通孔108，在本发明中，背板105的中央主体区域例如为对应背腔102所在的区域，此区域之外的为背板105的边缘区域，位于左右两侧的分别为第一边缘区域105B、第二边缘区域105C。支撑件109穿过该声学通孔108将第一振膜 104和第二振膜106固定连接。具体地，支撑件109分别抵接第一振膜104 的顶表面和第二振膜106的底表面。声学通孔108将第一振膜104和第二振膜106之间的区域连通，形成内腔110。在MEMS麦克风通电工作时，第一振膜104与背板105、第二振膜106与背板105会带上极性相反的电荷，从而形成电容，当第一振膜104和第二振膜106在声波的作用下产生振动，背板105与第一振膜104和第二振膜106之间的距离会发生变化，从而导致电容系统的电容发生改变，进而将声波信号转化为了电信号，实现麦克风的相应功能。
在本实施例中，第一振膜104和第二振膜106是方形的、圆形的或者椭圆形，至少一个支撑件109被设置在第一振膜104的底表面与第二振膜 106的顶表面之间。
该支撑件109设置为穿过背板105的声学通孔108将第一振膜104和第二振膜106固定连接；即支撑件109不与背板105接触，不受背板105 的影响。
该支撑件109可以通过各种制备技术被形成在第一振膜104的顶表面之上，例如物理蒸汽沉积、电化学沉积、化学蒸汽沉积和分子束外延。
该支撑件109可以由诸如硅之类的半导体材料组成或者可以包括例如硅之类的半导体材料。比如锗、硅锗、碳化硅、氮化镓、铟、氮化铟镓、砷化铟镓、氧化铟镓锌、或其他元素和/或化合物半导体(例如，例如砷化镓或磷化铟之类的III-V化合物半导体、或II-VI化合物半导体、或三元化合物半导体、或四元化合物半导体)。也可以由如下各项中的至少一种组成或者可以包括如下各项中的至少一种：金属、电介质材料、压电材料、压阻材料和铁电材料。也可以是由介质材料如氮化硅制成。
根据各个实施例，该支撑件109可以分别与第一振膜104和第二振膜 106一体成型。
根据各个实施例，本发明的第二振膜106包括释放孔111，并采用电介质材料112封闭该释放孔111。
根据各个实施例，在本发明的第一边缘区域105B包括贯穿所述背板的第一释放阻挡结构113隔离所述声学通孔108与绝缘层107；在第二边缘区域105C包括间隔设置在背板105上的多个第二释放阻挡结构114，第二释放阻挡结构隔离声学通孔108与绝缘层107。
释放孔111与内腔110连通，因此可以通过释放液，比如BOE溶液或者HF气相刻蚀技术，去除内腔110内的牺牲氧化层，由于释放阻挡结构 113、114的存在，第一振膜和第二振膜之间的绝缘层107得以保留。
根据各个实施例，还包括第一振膜104、第二振膜106、背板105的引出电极，相应地，分别为第一电极115、第二电极116、第三电极117。
根据各个实施例，还包括表面钝化保护层118，该表面钝化层同时具有使第一电极115、第二电极116、第三电极117相互绝缘的作用。
参见图2，还包括贯通第一振膜104、支撑件109、第二振膜106的通孔119，该通孔119例如设置在第一振膜104、第二振膜106的中心位置，连通背腔102与外界环境，使得第一振膜104、第二振膜106的外表压力一致。
参阅图3-4，其为本发明提供的MEMS麦克风的制造方法的一种实施例的流程图，该制造方法用来制造如图1或者图2所示的麦克风100，具体包括如下步骤。
步骤S1，选择基底，在基底的第一表面上制备第一振膜结构：
具体地，包括如下子步骤：
S11,选择基底101，并在该基底101的第一表面101A上沉积第一氧化层107A，如图4a所示。
该基底101例如是半导体硅衬底，也可以是其它半导体材质衬底，比如：锗、硅锗、碳化硅、氮化镓、铟、氮化铟镓、砷化铟镓、氧化铟镓锌、或其他元素和/或化合物半导体(例如，例如砷化镓或磷化铟之类的III-V 化合导体)锗或者氮化镓之类。
该第一氧化层107A例如为二氧化硅，厚度约为1μm，采用热氧化、气相沉积等常规工艺形成。
S12，在该第一氧化层107A上沉积第一多晶硅层104A，该第一多晶硅层104A例如厚度约为1μm，如图4b所示；
S13，刻蚀第一多晶硅104A，根据第一振膜104的结构要求，刻蚀第一多晶硅膜104A，形成第一振膜104的基本结构，如图4c所示。
步骤S2，在所述第一振膜结构的与所述基底的第一表面相对的侧面间隔制备背板结构：
具体地，包括如下子步骤：
S21,在所述第一振膜结构104上沉积第二氧化层107B，该第二氧化层 107B例如为0.5μm厚，如图4d所示；优选地，为了防止背板105与第一振膜104的粘附，还可以刻蚀该第二氧化层107B形成凸起制备的凹槽结构。
S22，沉积背板材质层，在本实施例中背板结构包括从下向上叠置的第一氮化硅层105D、第二多晶硅层105E、第二氮化硅层105F，其中第一氮化硅层105D覆盖第二氧化层107A；第一氮化硅层105D、第二氮化硅层 105F例如具有约0.25μm的厚度，中间的第二多晶硅层105E例如具有约 0.5μm的厚度；
S23，刻蚀背板材质层，形成间隔设置的声学通孔108，同时在背板的第一边缘区域105B形成第一释放阻挡介质沉积槽113；如图4f所示；
优选地，还包括在背板的第二氮化硅层105F表面制备凸起的步骤。
步骤S3，在所述背板结构的与所述第一振膜结构相对的侧面间隔制备第二振膜结构；
具体地，包括如下子步骤：
S31,在背板的上表面沉积第三氧化层107C，并平坦化，如图4g所示；本实施例中所指的平坦化例如采用化学机械抛光(CMP)工艺。
S32,刻蚀第三氧化层107C，形成支撑件109支撑件沉积孔109A，该沉积孔109A介于背板的声学通孔108之中，露出第一振膜结构104的上表面，同时刻蚀第一释放阻挡介质沉积槽113内的氧化层，露出第一振膜结构104 的上表面，如图4h所示；
S33,刻蚀背板结构第二边缘区域105B上方的第三氧化层107C，分别形成若干个第二释放阻挡介质沉积槽114，如图4i；
S34,沉积第三氮化硅层109B，以填满所述沉积孔109A、释放阻挡介质沉积槽113/114；所述第三氮化硅层109B的厚度例如满足完全填满沉积孔 109A，约4微米,如图4j所示；
S35,去除支撑件沉积孔109A的之外的第三氮化硅层109B，比如采用CMP工艺，如图4k所示；
S36，沉积第三多晶硅薄膜106A，第三多晶硅薄膜106A的厚度例如为 1μm，如图4l所示；
S37，刻蚀所述第三多晶硅薄膜106A层，形成释放孔111；显然，释放孔位于支撑件109之外的位置，位于任意两个第二释放阻挡介质层之间，如图4m所示。
S38，该释放孔111与第一释放阻挡介质和第二释放阻挡介质之间的牺牲氧化层相连通，由此，通过该释放孔111去除第一多晶硅层104A和第三多晶硅层106A之间的，位于中央主体区域的氧化层，释放氧化层，比如采用BOE溶液或者HF气相刻蚀技术，去除第三多晶硅下方的氧化层，直至露出第一多晶硅层；形成介于第一多晶硅层和背板之间的第一隔离间隙110A以及第三多晶硅和背板之间的第二隔离间隙110B，由于背板上声学通孔108的尺寸大于支撑件109的尺寸，所以第一多晶硅层104A和第三多晶硅层106A之间形成连通的腔体110，如图4n所示。
S38，密封释放孔111，该密封步骤比如采用聚合物、HDP氧化层、或者磷硅玻璃(PSG)回流工艺形成密封层112A，如图4o所示；并刻蚀该密封层，去除释放孔区域之外多余的密封层112A，形成位于释放孔111中的密封介质112，如图4p所示。
S39，刻蚀第三多晶硅层106A，以形成第二振膜结构106，主要在于露出器件的边缘区域121，以利于后续的划片，同时刻蚀出背板的接触孔区域117A，如图4q所示；
步骤S4，制备接触电极
具体地，包括如下子步骤：
S41,刻蚀接触孔，第一步先刻蚀露出背板区域的第一接触孔117A，如图4r所示，同时将边缘区域120刻蚀至同样的深度；第二步刻蚀露出第一振膜104的第二接触孔115A、以及MEMS麦克风的边缘区域的衬底硅层，如图4s所示；
S42,在整个器件表面沉积钝化保护层118A，该钝化层例如为氮化硅；如图4t所示；
S43,刻蚀钝化层，露出第一多晶层、第二多晶层、第三多晶层的接触区域115B、117A、116B，此外，如果TBD为氧化物，则需要保留TBD层上的钝化层；如图4u所示；
S44,沉积金属层并图形化该金属层，该金属层例如为Cr、Cu合金，图形化的金属层使得第一多晶硅层、第二多晶硅层、第三多晶硅在器件的上表面形成导电接触点，即对应于第一振膜104的引出电极115、第二振膜结构106的引出电极116、背板结构105的引出电极117，如图4v所示；
步骤5，形成背腔
具体地，包括如下步骤：
S51,基底背面减薄，例如采用研磨工艺将基底101的背面进行减薄，如图4w；
S52,图形化基底第二表面101B并进行刻蚀，形成背腔区域102，刻蚀停止于第一氧化层107A；
S53,去除背腔区域第一氧化层107A，完成MEMS麦克风制造，如图4x 所示。
优选地，还包括形成贯通器件中央区域的支撑件的通孔119的步骤，以形成如图2所示的MEMS麦克风。
优选地，还包括在所述背板的上下表面形成防粘附凸起120的步骤。
在本发明提供的MEMS麦克风的制造方法中，通过在表层形成牺牲层释放孔，去除了双振膜内腔的牺牲层，本发明的双振膜内腔和外界的压强一致，此外，通过标准的半导体工艺制备，易于与其它半导体器件集成。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择基底，在所述基底的第一表面上沉积第一氧化层；
在所述第一氧化层的表面沉积第一多晶硅层并图形化该第一多晶硅层以形成第一振膜结构；
在所述第一振膜结构的表面沉积第二氧化层，
在所述第二氧化层的表面沉积背板材质层，
图形化所述背板材质层形成背板结构，所述背板结构包括中间主体区域和位于所述中间主体区域两侧的第一边缘区域和第二边缘区域，多个声学通孔被形成在所述背板结构的中间主体区域，在所述第一边缘区域形成有第一释放阻挡介质沉积槽；
在所述背板结构上沉积第三氧化层，并平坦化所述第三氧化层；
图形化所述第三氧化层、第二氧化层，形成介于所述声学通孔之间的支撑件沉积孔，所述支撑件沉积孔露出所述第一振膜结构，相应地所述第一释放阻挡介质沉积槽内第三氧化层、第二氧化层也被去除；
图形化第三氧化层位于所述第二边缘区域的部分，形成至少两个第二释放阻挡介质沉积槽；
沉积支撑件材质层，直至填满所述支撑件沉积孔、所述第一、第二释放阻挡介质沉积槽；
平坦化所述支撑件材质层，直至露出所述第三氧化层表面；
沉积第二振膜材质层，并图形化所述第二振膜材质层形成释放孔，所述释放孔位于任意两个第二释放阻挡介质层之间；
经所述释放孔去除所述第一振膜结构和所述第二振膜结构之间对应于所述背板结构的中间主体区域的第二、第三氧化层；
密封所述释放孔；
制备所述第一振膜结构、第二振膜结构、背板结构的引出电极；
背面刻蚀所述基底，形成对应于所述背板结构中间主体区域的背腔结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，所述沉积背板材质层包括依次沉积第一氮化硅层、第二多晶硅层、第二氮化硅层。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，所述制备所述第一振膜结构、第二振膜结构、背板结构的引出电极包括：
刻蚀形成第一振膜结构、背板结构、第二振膜结构的电极引出孔；
沉积并图形化电极层，形成第一振膜结构的第一引出电极、第二振膜结构的第二引出电极、背板结构的第三引出电极。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，所述沉积支撑件材质层为在图形化的第三氧化层上沉积第三氮化硅层。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，所述形成背腔结构，包括：
从所述基底的第二表面减薄并刻蚀所述基底；
去除所述第一振膜结构下方对应所述背腔区域的第一氧化层。
6.根据权利要求3所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，还包括在形成电极引出孔之后沉积钝化保护层的步骤。
7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，所述电极层包括Cr/Au层。
8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，还包括形成至少一个贯通所述支撑件的通孔，该通孔连通所述背腔与外界环境。
9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，还包括在所述背板结构的中间主体区域上下表面形成凸起的步骤。
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