CN110113700A - 一种mems结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种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，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，并且在所述压电复合振动层的整个表面区域上具有波纹部分。该MEMS结构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，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，并且在所述压电复合振动层的整个表面区域上具有波纹部分。
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，所述衬底上开设有多条平行的第二凹槽，其中一条所述第二凹槽的中心平面经过所述压电复合振动层的中心点，所述第二凹槽将所述压电复合振动层分割成两个区域，所述压电复合振动层包括形成在所述第二凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分。
其中，多条平行的所述第二凹槽设置为等间距。
其中，所述衬底上开设多条平行的第三凹槽，其中一条所述第三凹槽的中心平面经过所述压电复合振动层的中心点，所述第二凹槽和所述第三凹槽将所述压电复合振动层分割成四个区域，所述压电复合振动层还包括形成在所述第三凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分。
其中，在所述第二凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分具有所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
其中，在所述第二凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分仅具有所述振动支撑层。
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，所述压电复合振动层还包括穿透所述压电复合振动层的多个通孔，其中，所述多个通孔相比于所述波纹部分更加靠近所述压电复合振动层的中心。
其中，所述多个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，第四凹槽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，并且所述多个通孔位于所述第四凹槽内，所述多个通孔仅贯穿所述振动支撑层。
其中，连接所述多个通孔所构成的分割直线经过所述压电复合振动层的中心，其中，经过所述压电复合振动层的中心点的所述第二凹槽的中心平面与所述分割直线共面。
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凹槽中间，使得位于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。
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是根据本申请的一些实施例的MEMS结构的立体示意图；
图2是图1的沿A-A线的MEMS结构的剖面立体图；
图3是图2所示的波纹部分的放大示意图；
图4，图5和图7是根据本申请的一些实施例的形成MEMS结构的中间阶段的截面图；
图6是根据本申请的另一些实施例的MEMS结构的立体示意图。
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压电复合振动层20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，其中图2是图1的沿A-A线的剖面立体图。图1和图2示出了根据本申请的一个实施例的MEMS结构。以下将详细描述该MEMS结构。
MEMS结构包括衬底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。并且压电复合振动层20具有波纹部分26。参见图3，图3是波纹部分26的放大示意图。波纹部分26将在以下详细描述。
在以上实施例的MEMS结构中，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结构的灵敏度。而且，压电复合振动层20的波纹部分26可以使“紧绷”的振动膜变“软”，从而在同样的声压下，压电复合振动层20的每个区域都获得了较大的位移和形变，进而更加提高了MEMS结构的灵敏度。
以下将详细描述形成该MEMS结构的工艺方法。为了更加清楚地说明，以下图4、图5和图7并未按照图1所示的比例进行绘制，而是相对增大了第一凹槽13的尺寸，以便于理解和说明。
综合参见图4，在一些实施例中，蚀刻衬底10以形成多条平行的第二凹槽13和另外多条平行的第三凹槽14。其中一条第二凹槽12的中心平面经过衬底10的中心点，第二凹槽13将衬底10分割成两个区域。并且其中一条第三凹槽14的中心平面经过衬底10中心点，第二凹槽13和第三凹槽14将该衬底10分割成四个区域。在一些实施例中，多条平行的第二凹槽13设置为等间距。在一些实施例中，多条平行的第三凹槽14设置为等间距。
接下来，参见图5。在具有第二凹槽13和第三凹槽14的衬底10上依次沉积并图案化形成振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。其中，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构成压电复合振动层20。值得注意的是，压电复合振动层20包括形成在第二凹槽13和第三凹槽14的底部和侧壁的部分，即图3所示的波纹部分26。
由于压电复合振动层20具有形成在第二凹槽13和第三凹槽14的底部和侧壁上的部分，即波纹部分26，这些波纹部分26将压电复合振动层20分割成四个区域，每个区域的边缘通过波纹部分26连接，从而使得整个压电复合振动层20的应力得到了释放，同时达到了类悬臂梁结构的效果，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，也达到了提高MEMS结构的灵敏度的效果。
在另一些实施例中，可以蚀刻去除第二凹槽13和第三凹槽14内的第一电极层21、第一压电层22和第三电极层23。仅将振动支撑层24保留在第二凹槽13和第三凹槽14内。在这种情况下，波纹部分26仅包括振动支撑层24的材料。
在一些实施例中，衬底10可以只具有第二凹槽13，而不具有第三凹槽14。
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，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。
接下来，参见图6，在第二凹槽13和第三凹槽14没有形成在衬底10的中间部分的一些实施例中，在衬底10的中间部分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的多个通孔25。或者也可以在衬底10的中间部分蚀刻形成从第二电极层23的上表面延伸至第一电极层21的下表面的第五凹槽(图中未示出)，多个通孔25位于第五凹槽内，在此种情况下，多个通孔25仅贯穿振动支撑层24。换句话说，本申请实施例中的多个通孔25可以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等四个层，也可以只穿透一个振动支撑层24。
多个通孔25相比于波纹部分26更加靠近压电复合振动层20的中心。在一些实施例中，连接多个通孔25所构成的分割直线经过压电复合振动层20的中心点。其中，至少一条第二凹槽13的中心平面经过压电复合振动层20的中心点，第二凹槽13的中心平面与该分割直线共面。该多个通孔25使得压电复合振动层20的中间部分的应力得到了释放，同时达到了类悬臂梁结构的效果。在一些实施例中，可以省略或跳过形成多个通孔25的步骤。
接下来，在一些实施例中，蚀刻振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23，从而露出部分的衬底10。
参见如7，在一些实施例中，在第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23的外围，在露出的衬底10上蚀刻并形成延伸至衬底10中的第一凹槽12。在另外一些实施例中，可以通过蚀刻第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23，从而露出振动支撑层24的外围部分。接着在振动支撑层24的外围上蚀刻形成延伸至衬底10内的凹槽，该凹槽位于衬底10内的部分构成该第一凹槽12。然后去除第一凹槽12外部的衬底10的部分和振动支撑层24的部分，从而得到图7所示的第一凹槽12。
在一些实施例中，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24。在图7中，位于第二凹槽12和空腔11之间的衬底10的部分的尺寸很小，使得压电复合振动层20与衬底10仅能小区域地接触和支撑，从而提高了压电复合振动层20在声压作用下的位移和形变。
基于以上实施例，参见图3，在形成空腔11之后，压电复合振动层20形成为如图3所示的波纹部分26。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结构的灵敏度。
进一步的，制造MEMS结构的方法还包括分别蚀刻第一电极层21和第二电极层23以形成第四凹槽(图中未示出)，第四凹槽将第一电极层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 (13)
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，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，并且在所述压电复合振动层的整个表面区域上具有波纹部分。
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，所述衬底上开设有多条平行的第二凹槽，其中一条所述第二凹槽的中心平面经过所述压电复合振动层的中心点，所述第二凹槽将所述压电复合振动层分割成两个区域，所述压电复合振动层包括形成在所述第二凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分。
4.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，多条平行的所述第二凹槽设置为等间距。
5.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，所述衬底上开设多条平行的第三凹槽，其中一条所述第三凹槽的中心平面经过所述压电复合振动层的中心点，所述第二凹槽和所述第三凹槽将所述压电复合振动层分割成四个区域，所述压电复合振动层还包括形成在所述第三凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分。
6.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，在所述第二凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分具有所述振动支撑层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层。
7.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，在所述第二凹槽的底部和侧壁上的所述波纹部分仅具有所述振动支撑层。
8.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。
9.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。
10.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包括穿透所述压电复合振动层的多个通孔，其中，所述多个通孔相比于所述波纹部分更加靠近所述压电复合振动层的中心。
11.根据权利要求10所述的MEMS结构，其特征在于，所述多个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。
12.根据权利要求10所述的MEMS结构，其特征在于，第四凹槽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，并且所述多个通孔位于所述第四凹槽内，所述多个通孔仅贯穿所述振动支撑层。
13.根据权利要求10所述的MEMS结构，其特征在于，连接所述多个通孔所构成的分割直线经过所述压电复合振动层的中心，其中，经过所述压电复合振动层的中心点的所述第二凹槽的中心平面与所述分割直线共面。
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