CN111107473A

CN111107473A - Mic和压力传感器的集成结构与方法

Info

Publication number: CN111107473A
Application number: CN201911283436.5A
Authority: CN
Inventors: 徐香菊; 付博
Original assignee: Goertek Inc
Current assignee: Weifang Goertek Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN111107473B

Abstract

本发明提供一种MIC和压力传感器的集成结构与方法，涉及MEMS芯片技术领域；MIC和压力传感器的集成结构包括基底，和设置在基底上的背腔，在背腔上方自下而上依次设置的第一膜、背极和第二膜；背腔与第一膜、背极和第二膜构成封闭的腔体；其中，第一膜为压力膜、第二膜为MIC膜；或者，第一膜为MIC膜、第二膜为压力膜；在压力膜与背极上对应设置有压力孔，在MIC膜上设置有泄气孔。利用本发明，能够有效提高MEMS芯片的集成度。

Description

MIC和压力传感器的集成结构与方法

技术领域

本发明涉及MEMS芯片技术领域，更为具体地，涉及一种可提高集成度的MIC和压力传感器的集成结构与方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)压力传感器是利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，用集成电路工艺和微机械加工技术制备的传感器，具有体积小和灵敏度高的优点，是应用最为广泛的传感器之一。MEMS压力传感器主要分为电容式和压阻式，电容式MEMS压力传感器因具有低温漂、高灵敏度、低噪声的显著特点，被广泛应用。

但是，目前压力传感器和MEMS芯片采用各自封装的形式，大大限制了MEMS压力传感器的尺寸进一步缩小，导致现有的MEMS压力传感器存在集成度低的技术弊端。

因此，如何提高MEMS压力传感器的集成度，成为目前亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种MIC和压力传感器的集成结构与方法，以解决现有技术中的MIC和压力传感器分别封装造成的MEMS芯片集成度低的问题。

本发明提供的一种MIC和压力传感器的集成结构，一种MIC和压力传感器的集成结构，包括基底，和设置在基底上的背腔，在背腔上方自下而上依次设置的第一膜、背极和第二膜；背腔与第一膜、背极和第二膜构成封闭的腔体；其中，第一膜为压力膜、第二膜为MIC膜；或者，第一膜为MIC膜、第二膜为压力膜；在压力膜与背极上对应设置有压力孔，在MIC膜上设置有泄气孔。

此外，优选的结构是，在第一膜、背极和第二膜的相邻两层之间均设置有牺牲层，通过光刻及蚀刻去掉牺牲层，使第一膜与背极、背极与第二膜分离，进而将MIC膜与压力膜释放为可动结构。

此外，优选的结构是，还包括设置在第一膜、第二膜和背极上的有用于提供信号传递接口的焊料凸块。

此外，优选的结构是，在第二膜外敷设有保护膜。

此外，优选的结构是，保护膜为氮化硅件。

此外，优选的结构是，牺牲层为氧化硅层。

此外，优选的结构是，牺牲层通过湿法蚀刻去掉，蚀刻溶液穿过压力孔与泄气孔对牺牲层进行腐蚀。

本发明提供的一种MIC和压力传感器的集成方法，包括：

(a)、在基底上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；

(b)、在牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为压力膜；

(c)、在压力膜上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为背极；

(d)、在背极与压力膜上通过蚀刻形成压力孔；

(e)、在背极上通过沉积覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为MIC膜；

(f)、在MIC膜上通过蚀刻工艺形成泄气孔；

(g)、在MIC膜外侧通过沉积形成保护膜；

(h)、在设定位置通过沉积工艺形成用于提供信号传递接口的焊料凸块；

(i)、将基底打薄，然后通过蚀刻在基底上形成背腔；

(j)、通过光刻及蚀刻将牺牲层去掉，使压力膜与背极、背极与MIC膜分离，进而MIC膜与压力膜释放为可动结构。

本发明提供的另一种MIC和压力传感器的集成方法，包括：

(a)、在基底上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；

(b)、在牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为MIC膜；

(c)、在MIC膜上通过蚀刻工艺形成泄气孔；

(d)、在MIC膜上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为背极；

(e)、在背极与压力膜上通过蚀刻形成压力孔；

(f)、在背极上通过沉积覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为压力膜；

(g)、在压力膜外侧通过沉积形成保护膜；

(i)、将基底打薄，然后通过蚀刻在基底上形成背腔；

此外，优选的方法包括：沉积工艺为低压化学气相沉积、等离子沉积或热氧化。

从上面的技术方案可知，本发明提供的MIC和压力传感器的集成结构及其方法，有益效果如下：

1、将MIC膜和压力膜集成到一起，将两者利用一个背极，提高了MEMS压力传感器的集成度；

2、通过先设置牺牲层，最后通过光刻及刻蚀工艺去掉牺牲层，使压力膜与背极、背极与MIC膜分离，进而背腔与MIC膜、背极和压力膜通过封闭的腔体相互联通。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例1的MIC和压力传感器的集成结构的示意图；

图2为根据本发明实施例2的MIC和压力传感器的集成结构的示意图；

图3为根据本发明实施例的背极的结构示意图一；

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

其中的附图标记包括：1、基底；2、MIC膜；3、背极；4、压力膜；5、焊料凸块；6、保护膜；7、牺牲层；8、压力孔；9、泄气孔；10、背腔。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

针对前述提出的如何增加MEMS压力传感器的集成度，成为目前亟需解决的问题，本发明提供了一种新的MIC和压力传感器的集成结构，从而解决上述问题。本发明中将MIC膜和压力膜集成到一起，形成MIC膜和压力膜两者共用一个背极的MEMS压力传感器，节省工艺成本的基础上，提升了MEMS压力传感器的集成度，进而大大缩小了MEMS压力传感器的尺寸。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

实施例1：

图1示出了根据本发明实施例1的MIC和压力传感器的集成结构的示意。

如图1所示，

一种MIC和压力传感器的集成结构，包括基底1，和设置在基底1上的背腔10，在背腔10上方自下而上依次设置的第一膜、背极3和第二膜；背腔10与第一膜、背极3和第二膜构成封闭的腔体；其中，第一膜为压力膜4、第二膜为MIC膜2；在压力膜4与背极3上对应设置有压力孔8，MIC膜2上设置有泄气孔9。

在基底1上设置膜层时，先设置压力膜4和背极3，最后设置MIC膜2；即将压力膜4和背极3设置在距离基底1近的位置，而MIC膜2设置在远离基底1的位置。

现有的压力传感器由穿孔背电极(fixde backlpate)和一片用作电容器的弹性硅膜(flexible membrane)组成。

其中，需要说明的是，基底1上方的压力膜4、MIC膜2、背极3均是通过沉积工艺形成的。沉积工艺如，低压化学气相沉积(LPVCD)、等离子体化学气相沉积(PECVD)或者热氧化工艺在基底1的上表面上形成的。而压力膜4、MIC膜2、背极3均为多晶硅层(poly-Si)。而基底1为硅晶圆。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆wafer；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能的集成电路产品。

在具体的实施过程中，压力膜4、背极3和MIC膜2的相邻两层之间均设置有牺牲层7，通过光刻及蚀刻去掉牺牲层7，使压力膜4与背极3、背极3与MIC膜2分离，进而MIC膜2与压力膜4释放为可动结构。牺牲层7通过湿法蚀刻去掉，蚀刻溶液穿过压力孔8与泄气孔9接触牺牲层7，并对其进行腐蚀。其中，牺牲层7可以为氧化硅层。

在刻蚀掉牺牲层7之前，会先对牺牲层7进行光刻。光刻的过程就是先加入光阻剂(photeresist)，利用光阻剂保护不想被蚀刻的地方，然后用紫外线照射，被照到的地方就行容易被清洗掉。这里的光阻剂就是通过紫外线照射溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料。

这里所说的蚀刻工艺包括干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺，如缓冲氢氟酸(BOE)或者反应离子刻蚀工艺。

MIC和压力传感器的集成结构还包括用于提供信号传递接口的焊料凸块(PAD)5以及在MIC膜2外侧敷设的保护膜6。需要说明的是，焊料凸块5分别设置在压力膜4、背极3和MIC膜2上；焊料凸块5是设置在保护膜6敷设之前，也就是在MIC膜2敷设完成之后，在集成结构的表面，按照设定位置设置焊料凸块5，这里的焊料凸块的材质为铜、铝、镍、金、银、钛中的一种材料或两种及两种以上的组合材料。

在所有的膜层敷设完毕后，在集成结构外面敷设一层保护膜6；在具体的实施过程中，保护膜6为氮化硅件。其中，除去焊料凸块5的连接部分以及MIC膜2的泄气孔接收信号部分外露外，集成结构的上侧即侧面均被保护膜6覆盖。

与上述实施例1中的MIC和压力传感器的集成相对应的MIC和压力传感器的集成方法，包括：

(a)、在基底上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；

(b)、在所述牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为压力膜；

(c)、在所述压力膜上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在所述牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为背极；

(d)、在所述背极与压力膜上通过蚀刻形成压力孔；

(e)、在所述背极上通过沉积覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在所述牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为MIC膜；

(f)、在所述MIC膜上通过蚀刻工艺形成泄气孔；

(g)、在所述MIC膜外侧通过沉积形成保护膜；

(i)、将基底打薄，然后通过蚀刻在所述基底上形成背腔；

(j)、通过光刻及蚀刻将所述牺牲层去掉，使压力膜与所述背极、所述背极与所述MIC膜分离，进而MIC膜与压力膜释放为可动结构。

其中，基底打磨通过物理打磨CMP(chemical mechanical polishing)方式，而基底的厚度为150-400μm。

综上所述，压力膜4和MIC膜2共用背极3，但是在基底1上设置膜层时，先设置压力膜4和背极3，最后设置MIC膜2。压力膜4、背极3和MIC膜2均由多晶硅构成，双模共用一个背极3，压力膜4、背极3和MIC膜2共同处于同一个腔体中。这个腔体通过设置牺牲层，然后利用光刻加蚀刻的方式去掉牺牲层而成。其中，这个腔体除上表面的MIC膜2上的泄气孔9接收外界声音信号外，压力膜4、背极3、MIC膜2和背腔10构成封闭腔体，近似为真空。

实施例2：

图2示出了根据本发明实施例1的MIC和压力传感器的集成结构的示意。

如图2所示，

一种MIC和压力传感器的集成结构，包括基底1，和设置在基底1上的背腔10，在背腔10上方自下而上依次设置的第一膜、背极3和第二膜；基底1上的背腔10与第一膜、背极3和第二膜构成封闭的腔体；其中，第二膜为压力膜4、第一膜为MIC膜2；在压力膜4与背极3上对应设置有压力孔8，MIC膜2上设置有泄气孔9。

在具体的实施过程中，MIC膜2、背极3和压力膜4中，相邻两层之间均设置有牺牲层7，通过光刻及蚀刻去掉牺牲层7，使压力膜4与背极3、背极3与MIC膜2分离，进而MIC膜2与压力膜4释放为可动结构。

MIC和压力传感器的集成结构还包括用于提供信号传递接口的焊料凸块(PAD)5以及压力膜4外侧敷设的保护膜6。

在基底1上设置膜层时，先设置MIC膜2，后设置背极3和压力膜4；即将背极3和压力膜4设置在距离基底1远的位置，而MIC膜2设置在靠近基底1的位置。

图3示出了根据本发明实施例的背极的结构示意。

如图3所示，背极3上设置有压力孔8。背极3和压力膜4的压力孔8是对应设置的，其中，压力孔8用于快速平衡气压。在制作流程过程中，压力孔8用于将蚀刻溶液穿过压力孔8接触牺牲层7，并对牺牲层7进行腐蚀。

而对应的另一种MIC和压力传感器的集成方法，包括：

(a)、在基底上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；

(c)、在MIC膜上通过蚀刻工艺形成泄气孔；

(e)、在背极与压力膜上通过蚀刻形成压力孔；

(g)、在压力膜外侧通过沉积形成保护膜；

(i)、将基底打薄，然后通过蚀刻在基底上形成背腔；

综上所述，压力膜4和MIC膜2共用背极3，但是在基底1上设置膜层时，先设置MIC膜2，后设置背极3和压力膜4。压力膜4、背极3和MIC膜2均由多晶硅构成，双模共用一个背极3，压力膜4、背极3和MIC膜2共同处于同一个腔体中。这个腔体通过设置牺牲层，然后利用光刻加蚀刻的方式去掉牺牲层而成。其中，这个腔体除上表面的MIC膜2上的泄气孔9接收外界声音信号外，压力膜4、背极3、MIC膜2和背腔10构成封闭腔体，近似为真空。

MIC和压力传感器的集成方法的具体实施方式与MIC和压力传感器的集成结构的实施方式相同，在此不再一一举例赘述。

本发明提供的MIC和压力传感器的集成方法通过先设置牺牲层，通过光刻及刻蚀工艺去掉牺牲层，使压力膜与背极、背极与MIC膜分离，进而背腔与MIC膜、背极和压力膜通过封闭的腔体相互联通。将MIC膜和压力膜集成到一起，将两者利用同一个背极，提高了MEMS压力传感器的集成度。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的MIC和压力传感器的集成结构。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的MIC和压力传感器的集成结构，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims

1.一种MIC和压力传感器的集成结构，包括基底和设置在所述基底上的背腔，其特征在于，

在所述背腔上方自下而上依次设置的第一膜、背极和第二膜；所述背腔与所述第一膜、背极和第二膜构成封闭的腔体；其中，

所述第一膜为压力膜、第二膜为MIC膜；或者，

所述第一膜为MIC膜、第二膜为压力膜；

在所述压力膜与所述背极上对应设置有压力孔，在所述MIC膜上设置有泄气孔。

2.如权利要求1所述的MIC和压力传感器的集成结构，其特征在于，在所述第一膜、背极和第二膜的相邻两层之间均设置有牺牲层，通过光刻及蚀刻去掉所述牺牲层，使所述第一膜与所述背极、所述背极与所述第二膜分离，进而将所述第一膜与所述第二膜释放为可动结构。

3.如权利要求1所述的MIC和压力传感器的集成结构，其特征在于，还包括设置在所述第一膜、所述第二膜和所述背极上的用于提供信号传递接口的焊料凸块。

4.如权利要求2所述的MIC和压力传感器的集成结构，其特征在于，在所述第二膜外侧敷设有保护膜。

5.如权利要求4所述的MIC和压力传感器的集成结构，其特征在于，所述保护膜为氮化硅件。

6.如权利要求2所述的MIC和压力传感器的集成结构，其特征在于，所述牺牲层为氧化硅层。

7.如权利要求2所述的MIC和压力传感器的集成结构，其特征在于，所述牺牲层通过湿法蚀刻去掉，所述蚀刻溶液穿过所述压力孔与泄气孔对所述牺牲层进行腐蚀。

8.一种MIC和压力传感器的集成方法，其特征在于，包括：

(a)、在基底上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；

(d)、在所述背极与压力膜上通过蚀刻形成压力孔；

(f)、在所述MIC膜上通过蚀刻工艺形成泄气孔；

(g)、在所述MIC膜上外侧通过沉积形成保护膜；

(i)、将基底打薄，然后通过蚀刻在所述基底上形成背腔；

(j)、通过光刻及蚀刻将所述牺牲层去掉，使所述压力膜与所述背极、所述背极与所述MIC膜分离，进而将所述MIC膜与所述压力膜释放为可动结构。

9.一种MIC和压力传感器的集成方法，其特征在于，包括：

(a)、在基底上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；

(b)、在所述牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为MIC膜；

(c)、在所述MIC膜上通过蚀刻工艺形成泄气孔；

(d)、在所述MIC膜上通过沉积工艺覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在所述牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为背极；

(e)、在所述背极与压力膜上通过蚀刻形成压力孔；

(f)、在所述背极上通过沉积覆盖一层氧化硅作为牺牲层；在所述牺牲层上通过沉积工艺形成一层多晶硅层，作为压力膜；

(g)、在所述压力膜外侧通过沉积形成保护膜；

(i)、将基底打薄，然后通过蚀刻在所述基底上形成背腔；

10.根据权利要求8或9所述的MIC和压力传感器的集成方法，其特征在于，包括：所述沉积工艺为低压化学气相沉积、等离子沉积或热氧化。