CN110099345A - 一种mems结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MEMS(微机电系统)结构，包括：衬底，具有邻近设置的空腔和第一凹槽，所述第一凹槽在所述空腔的外围；压电复合振动层，形成在所述空腔的正上方并且位于所述第一凹槽中间，其中，位于所述第一凹槽与所述空腔之间的部分的所述衬底支撑所述压电复合振动层，其中，所述压电复合振动层的外围区域分布有贯穿所述压电复合振动层的多个第一通孔；质量块，形成在所述压电复合振动层的中间区域。通过使得位于第一凹槽和空腔之间的部分衬底材料支撑压电复合振动层，提高了压电复合振动层在声压作用下的位移和形变，降低了残余应力，进而提高了MEMS结构的灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(MicroelectroMechanical Systems的简写，即微机电系统)结构。
背景技术
MEMS传声器(麦克风)主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电传声器是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压，工作温度范围大，防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着MEMS压电传声器的发展。其中，振动膜的残余应力大是其灵敏度低的一个重要原因。
针对相关技术中如何降低压电式MEMS结构的残余应力和提高振动膜形变的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中残余应力较大的问题，本申请提出一种MEMS结构，能够有效降低残余应力。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS(微机电系统)结构，包括：
衬底，具有邻近设置的空腔和第一凹槽，所述第一凹槽在所述空腔的外围；
压电复合振动层，形成在所述空腔的正上方并且位于所述第一凹槽中间，其中，位于所述第一凹槽与所述空腔之间的部分的所述衬底支撑所述压电复合振动层，其中，所述压电复合振动层的外围区域分布有贯穿所述压电复合振动层的多个第一通孔；
质量块，形成在所述压电复合振动层的中间区域。
其中，所述压电复合振动层包括：
振动支撑层，形成在所述衬底上方；
第一电极层，形成在所述振动支撑层上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
其中，开口从所述第二电极层的上表面连续延伸至所述第一电极层的下表面，所述质量块形成在所述开口内并且位于所述振动支撑层上方。
其中，多个第二通孔形成在所述开口内并且贯穿所述振动支撑层，其中，所述多个第二通孔邻近所述开口的边缘并且呈圆形分布。
其中，在所述开口内的所述振动支撑层具有向所述衬底突出的波浪形褶皱，其中，所述波浪形褶皱邻近所述开口的边缘并且从上视图方向看呈圆形。
其中，所述质量块形成在所述第二电极层上方。
其中，多个第二通孔邻近所述质量块的边缘并且呈圆形分布，所述多个第二通孔连续贯穿所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
其中，波浪形褶皱邻近所述质量块的边缘并且从上视图方向看呈圆形，所述波浪形褶皱具有向所述衬底突出的所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
其中，波浪形褶皱邻近所述质量块的边缘并且从上视图方向看呈圆形，所述波浪形褶皱仅具有向所述衬底突出的所述振动支撑层。
其中，连接所述多个第一通孔所构成的分割直线经过所述压电复合振动层的中心点，并且将所述压电复合振动层分割成多个区域。
其中，至少一条所述分割直线上的所述多个第一通孔设置为等间距。
其中，所述第一电极层和所述第二电极层具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的所述第一电极层和所述第二电极层的分区构成电极层对，多个所述电极层对依次串联。
其中，所述振动支撑层包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构；或者，
所述振动支撑层包括压电材料层及位于所述压电材料层的上下方的电极材料层，其中，所述压电材料层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。
其中，所述质量块的密度大于氮化硅的密度。
其中，所述多个第一通孔连续贯穿所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
其中，所述压电复合振动层还具有从所述第二电极层的上表面延伸至所述第一电极层的下表面的第二凹槽，所述多个第一通孔位于所述第二凹槽内并且只穿透所述振动支撑层。
在以上实施例的MEMS结构中，压电复合振动层形成在空腔的正上方并且位于第一凹槽中间，使得位于第一凹槽和空腔之间的部分衬底材料支撑压电复合振动层，进而使得压电复合振动层由固支状态转变为类简支状态，因此，提高了压电复合振动层在声压作用下的位移和形变，降低了残余应力，进而提高了MEMS结构的灵敏度。通过形成质量块来调整MEMS结构的谐振频率，提高了MEMS结构的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本申请的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1示出了根据一些实施例的MEMS结构的立体图；
图2示出了根据一些实施例的MEMS结构的剖面立体图；
图3示出了根据另一些实施例的MEMS结构的立体图；
图4至图11示出了根据一些实施例的制造MEMS结构的中间阶段的截面图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。
此外，为便于描述，空间相对术语如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部(lower)”、“在...之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。另外，术语“由...制成”可以意为“包括”或者“由...组成”。
根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构100，能够在降低残余应力和提高振动膜应变的同时，减小低频声漏，提高传声器工作和制备的稳定性。
参见图1和图2，示出了根据本申请的一个实施例的MEMS结构100。以下将详细描述该MEMS结构100。
MEMS结构100包括衬底10，其中，衬底10具有邻近设置的空腔11和第一凹槽12，第一凹槽12形成在空腔11的外围。衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2/Si上的多晶硅)。
压电复合振动层20形成在空腔11的正上方并且位于第一凹槽12中间。位于第一凹槽12与空腔11之间的部分的衬底10支撑压电复合振动层20。并且在压电复合振动层20的外围区域分布有贯穿该压电复合振动层20的多个第一通孔25。
质量块30，形成在压电复合振动层20的中间区域，有助于降低压电复合振动层20的谐振频率，增加MEMS结构100的灵敏度。
在以上实施例的MEMS结构100中，压电复合振动层20形成在空腔11的正上方并且位于第一凹槽12中间，使得位于第一凹槽12和空腔11之间的部分衬底材料支撑压电复合振动层20，进而使得压电复合振动层20由固支状态转变为类简支状态，因此，提高了压电复合振动层20在声压作用下的位移和形变，进而提高了MEMS结构100的灵敏度。
由于压电复合振动层20的相对厚度较小，在图1和图2中很难分辨压电复合振动层20中的各个层。在此只是简单说明压电复合振动层20的结构。此外，也可以结合图4至图7来参考压电复合振动层20的具体结构。在一些实施例中，压电复合振动层20包括形成在衬底10上方的振动支撑层24、形成在振动支撑层24上方的第一电极层21，形成在第一电极层21上方的第一压电层22和形成在第一压电层22上方的第二电极层23。第一压电层22可将施加的压力转换成电压，并且第一电极层21和第二电极层23可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。
在一些实施例中，振动支撑层24包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。
在一些实施例中，振动支撑层24可以包括压电材料层及位于该压电材料层的上下方的电极材料层。其中，压电材料层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。在此种情况下，该振动支撑层24同时起到支撑和压电的作用。
在一些实施例中，第一压电层22包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜或其他合适的材料。第一电极层21和第二电极层23包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。
参见图3，在一些实施例中，压电复合振动层20的外围区域分布有连续贯穿振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23的多个第一通孔25。
在一些实施例中，连接多个第一通孔25所构成的分割直线经过压电复合振动层20的中心点，并且将压电复合振动层20分割成多个区域，该多个区域相互独立，并且每个独立的区域构成类悬臂梁结构的压电薄膜换能器。在此情况下，在具有多个第一通孔25的压电复合振动层20中，每个区域的边缘只有部分连接，使得整个压电复合振动层20的应力得到了释放。而且，多个第一通孔25能够释放压电复合振动层20在沉积过程中存在的残余应力，同时结合类悬臂梁结构，使得“紧绷”的压电复合振动层20变“软”，这样在同样的声压作用下，压电复合振动层20的每个区域都获得了较大的位移和应变。
在图3所示的实施例中，两条分割直线将压电复合振动层20分割成了四个区域。在一些实施例中，至少一条分割直线上的多个第一通孔25设置为等间距，从而使得压电复合振动层20上的应力分布得更加均匀。在一些实施例中，多个第一通孔25的形状包括圆形、椭圆形、多边形、花瓣形。
在图1和图2所示的实施例中，蚀刻形成从第二电极层23的上表面延伸至第一电极层21的下表面的第四凹槽13，多个第一通孔25位于第四凹槽13内并且只穿透振动支撑层24。换句话说，多个第一通孔25可以连续贯穿振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。或者多个第一通孔25可以只穿透振动支撑层24。
在一些实施例中，质量块30的密度大于氮化硅的密度。具体的是，质量块30的密度大于3.2kg/dm3。质量块30的材料可以包括钨、金、银等金属。
在图1、图2和图3所示的一些实施例中，在压电复合振动层20的中间区域形成开口26，该开口26从第二电极层23的上表面连续延伸至第一电极层21的下表面，质量块30形成在开口26内并且位于振动支撑层24上方。通过形成质量块30来调整MEMS结构100的谐振频率。
在质量块30形成在开口26内并且位于振动支撑层24上方的实施例中，可以在开口26内形成贯穿振动支撑层24的多个第二通孔27。并且多个第二通孔27邻近开口26的边缘并且呈圆形分布。或者，作为替代多个第二通孔27的方式，可以在开口26内的振动支撑层24内形成向衬底10突出的波浪形褶皱(图中未示出)，其中，波浪形褶皱邻近开口26的边缘并且呈圆形。通过形成多个第二通孔27或波浪形褶皱，使得邻近开口26的边缘的振动支撑层24的应力得到了释放，并且使得“紧绷”的振动支撑层24变“软”。在相同的声压作用下，该“变软”的振动支撑层24获得了较大的位移和应变，从而提高了MEMS结构100的灵敏度。
在另一些实施例中，在压电复合振动层20的中间区域没有形成开口26，质量块30直接形成在第二电极层23的上方。在此种情况下，多个第二通孔27邻近质量块30的边缘并且呈圆形分布，多个第二通孔27连续贯穿振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。或者，作为替代多个第二通孔27的方式，可以设置波浪形褶皱。该波浪形褶皱邻近质量块30的边缘并且从上视图方向看呈圆形，该波浪形褶皱具有向衬底10突出的振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。或者，该波浪形褶皱仅具有向衬底10突出的振动支撑层24。
在一些实施例中，第一电极层21和第二电极层23具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的第一电极层21和第二电极层23的分区构成电极层对，多个电极层对依次串联。因此，多个独立的类悬臂梁结构的压电薄膜换能器实现了电学上的串联，从而进一步提高了MEMS结构100的灵敏度。
基于以上实施例的MEMS结构100，降低了压电复合振动层20的残余应力，提高了压电复合振动层20在声压作用下的形变，从而提高了MEMS结构100的灵敏度。
相应的，结合参见图4至图11，本申请还提供了一种制造MEMS(微机电系统)结构的方法，包括：
参见图4，步骤S101：在衬底10的正面上沉积支撑材料形成振动支撑层24。
参见图5，步骤S102：在振动支撑层24上沉积第一电极材料，并且图案化第一电极材料以形成第一电极层21，并且露出部分振动支撑层24。
参见图6，步骤S103：在第一电极层21上方沉积形成压电材料，并且图案化压电材料以形成第一压电层22。
参见图7，步骤S104：在第一压电层22上方沉积形成第二电极材料，并且图案化第二电极材料以形成第二电极层23。
参见图8，步骤S105：在压电复合振动层20的中间区域沉积形成质量块30。在一些实施例中，形成质量块30的方法包括：在步骤102至步骤104的图案化过程中，同时形成从第二电极层23的上表面连续延伸至第一电极层21的下表面的开口26。在开口26内的振动支撑层24上方沉积形成质量块30。该质量块30有助于降低压电复合振动层20的谐振频率，增加MEMS结构100的灵敏度。
综合参见图1、图2和图3和图9，为了使得开口26内的振动支撑层24“变软”，可以蚀刻开口26内的振动支撑层24，以形成贯穿振动支撑层24的多个第二通孔27，其中，多个第二通孔27邻近开口26的边缘并且呈圆形分布。作为替代多个第二通孔27的实施例，可以蚀刻开口26内的振动支撑层24以形成波浪形褶皱(图中未示出)，其中，波浪形褶皱邻近开口26的边缘并且从上视图方向看呈圆形。该波浪形褶皱可以通过在沉积形成振动支撑层24之前，在开口26所在的区域内，在衬底10上开设第二凹槽(图中未示出)，而后共形沉积振动支撑层24。该形成在第二凹槽内的振动支撑层24的部分称为波浪形褶皱。
在一些实施例中，可以不形成开口26，直接在第二电极层23上方沉积形成质量块30。
在此种情况下，蚀刻形成连续贯穿振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23的多个第二通孔27，该多个第二通孔27邻近质量块30的边缘并且呈圆形分布。或者，作为替代多个第二通孔27的方式，可以设置波浪形褶皱。形成该波浪形褶皱可以包括两种方式。
第一种是：
在衬底10上沉积支撑材料形成振动支撑层24的步骤之前，在质量块30的边缘区域内的衬底10上开设第二凹槽(图中未示出)，之后共形沉积振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23，获得的在第二凹槽内的波浪形褶皱具有向衬底10突出的振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23，其中，波浪形褶皱邻近质量块30的边缘并且从上视图方向看呈圆形。
第二种是：去除在第二凹槽内的向衬底10突出的第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23，使得波浪形褶皱仅具有保留的向衬底10突出的振动支撑层24。
参见图9，步骤S106：在压电复合振动层20的外围区域上，蚀刻形成连续穿透振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22、第二电极层23的多个第一通孔25。在一些实施例中，连接多个第一通孔25所构成的分割直线经过压电复合振动层20的中心点，并且将压电复合振动层20分割成多个区域。该多个区域相互独立，并且每个独立的区域构成类悬臂梁结构的压电薄膜换能器。在一些实施例中，形成多个第一通孔25和形成多个第二通孔27的步骤可以在一次光刻图案化工艺中进行。
在一些实施例中，至少一条分割直线上的多个第一通孔25设置为等间距。在一些实施例中，多个第一通孔25的形状包括圆形、椭圆形、多边形、花瓣形。
在一些实施例中，从第二电极层23的上表面蚀刻形成延伸至第一电极层21的下表面的第四凹槽13(图1所示)，然后蚀刻位于第四凹槽13内的振动支撑层24形成多个第一通孔25。在这个实施例中，多个第一通孔25只穿透振动支撑层24。第四凹槽13内没有第一电极层21、压电层22和第二电极层23。换句话说，多个第一通孔25可以连续贯穿振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。或者多个第一通孔25可以只穿透振动支撑层24。
参见图10，步骤S107：在第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23的外围，在露出的振动支撑层24上蚀刻形成延伸至衬底10中的第一凹槽12。使得压电复合振动层20由固支状态转变为类简支状态，因此，提高了压电复合振动层20在声压作用下的位移和形变，进而提高了MEMS结构的灵敏度。
参见图11，步骤S108：蚀刻衬底10的背面以形成空腔11，第一凹槽12设置在空腔11的外围。并且，振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23形成在空腔11正上方。具体的是：通过标准光刻工艺在衬底10的背面依次沉积形成绝缘材料(图中未示出)和光刻胶，图案化该光刻胶以形成掩膜层，蚀刻露出的绝缘材料和衬底10，从而形成空腔11。然后去除衬底10的背面的绝缘材料。
进一步的，制造MEMS器件的方法还包括分别蚀刻第一电极层21和第二电极层23以形成第三凹槽(图中未示出)，第三凹槽将第一电极层21和第二电极层23隔离成至少两个分区，相互对应的第一电极层21和第二电极层23的分区构成电极层对，然后依次串联多个电极对，从而多个悬臂梁结构的压电薄膜换能器实现了电学上的串联，从而进一步提高了MEMS结构100的灵敏度。
综上所述，借助于本申请的上述技术方案，采用该制造MEMS结构100的方法，降低了压电复合振动层20的残余应力，提高了压电复合振动层20在声压作用下的形变，从而提高了MEMS结构100的灵敏度。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种MEMS(微机电系统)结构，其特征在于，包括：
衬底，具有邻近设置的空腔和第一凹槽，所述第一凹槽在所述空腔的外围；
压电复合振动层，形成在所述空腔的正上方并且位于所述第一凹槽中间，其中，位于所述第一凹槽与所述空腔之间的部分的所述衬底支撑所述压电复合振动层，其中，所述压电复合振动层的外围区域分布有贯穿所述压电复合振动层的多个第一通孔；
质量块，形成在所述压电复合振动层的中间区域。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层包括：
振动支撑层，形成在所述衬底上方；
第一电极层，形成在所述振动支撑层上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，开口从所述第二电极层的上表面连续延伸至所述第一电极层的下表面，所述质量块形成在所述开口内并且位于所述振动支撑层上方。
4.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，多个第二通孔形成在所述开口内并且贯穿所述振动支撑层，其中，所述多个第二通孔邻近所述开口的边缘并且呈圆形分布。
5.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，在所述开口内的所述振动支撑层具有向所述衬底突出的波浪形褶皱，其中，所述波浪形褶皱邻近所述开口的边缘并且从上视图方向看呈圆形。
6.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述质量块形成在所述第二电极层上方。
7.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，多个第二通孔邻近所述质量块的边缘并且呈圆形分布，所述多个第二通孔连续贯穿所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
8.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，波浪形褶皱邻近所述质量块的边缘并且从上视图方向看呈圆形，所述波浪形褶皱具有向所述衬底突出的所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
9.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，波浪形褶皱邻近所述质量块的边缘并且从上视图方向看呈圆形，所述波浪形褶皱仅具有向所述衬底突出的所述振动支撑层。
10.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，连接所述多个第一通孔所构成的分割直线经过所述压电复合振动层的中心点，并且将所述压电复合振动层分割成多个区域。
11.根据权利要求10所述的MEMS结构，其特征在于，至少一条所述分割直线上的所述多个第一通孔设置为等间距。
12.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的所述第一电极层和所述第二电极层的分区构成电极层对，多个所述电极层对依次串联。
13.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述振动支撑层包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构；或者，
所述振动支撑层包括压电材料层及位于所述压电材料层的上下方的电极材料层，其中，所述压电材料层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。
14.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述质量块的密度大于氮化硅的密度。
15.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述多个第一通孔连续贯穿所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
16.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层还具有从所述第二电极层的上表面延伸至所述第一电极层的下表面的第二凹槽，所述多个第一通孔位于所述第二凹槽内并且只穿透所述振动支撑层。
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