CN111434604A - 微机电系统结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微机电系统结构及其制作方法，该微机电系统结构包括：基材、介电层、振膜、背板以及掩膜。基材具有一个贯穿孔。介电层位于基材上，具有一个开口(cavity)与贯穿孔连通。振膜具有至少一个气孔，且嵌设于介电层中，并与介电层共同定义出一个与贯穿孔相互连通的第一腔室。背板位于介电层上。掩膜的一端嵌设于介电层中，另一端延伸进入开口中，并与振膜空间隔离，且与气孔至少一部分重叠。

Description

微机电系统结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制作方法，特别是涉及一种微电机构系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)元件及其制作方法。
背景技术
随着科技的进步，消费性电子产品不断地朝向小型化发展，同时其效能与功能也不断地在提升。利用半导体制作工艺或其它微精密技术，同时整合电子、电机或机械等各种功能于一微型元件或装置内的微电机构系统元件因此应运而生。
以微机电系统麦克风为例，其具有外观尺寸小、电量耗损低、对于周围环境干扰具备更好的抑制能力，且能够进行自动贴装的优势，目前已广泛应用于移动电话、笔记型计算机、MP3播放器与个人数字助理(PDA)等产品中。
典型微机电系统麦克风，主要是利用两片导电板及两板之间的绝缘空气层来形成一基本电容结构，此两片导电板分别为振膜(membrane)与背板(backplate)。振膜为一极柔软的弹性薄膜，受到声压作用时会产生振动，因而产生微距离改变，造成振膜和背板之间的动态微位移，使电容结构的电容值发生改变，进而达到感测生波的目的。
由于振膜与背板之间的间隙相当短，当振膜因声波产生振动时，会迫使间隙中的空气流动，而空气流动的粘性会产生抵抗振膜移动的力，进而变成一种机械噪声源，是整体麦克风结构中的主要噪声来源。为了改善此一缺陷，现有技术会在振膜形成气孔(slit或vent hole)来平衡微机电系统麦克风中的声压，以提高信噪比(SNR,Signal-to-NoiseRatio)。然而，形成气孔会明显影响微机电系统麦克风的频率响应(Frequency Response)，使麦克风在接受较低频率的声音时，系统输出端所感测到的信号会提早衰减，而产生低频滚降(roll-off)的问题。
因此有需要提供一种新式的微电机构(或称微机电)系统结构，以解决现有技术所面临的问题。
发明内容
本发明的一实施例是有关于一种微机电系统结构，包括：基材、介电层、振膜、背板以及掩膜(shadow layer)。基材具有一个贯穿孔。介电层位于基材上，具有一个开口(cavity)与贯穿孔连通。振膜具有至少一个气孔，且嵌设于介电层中，并与介电层共同定义出一个与贯穿孔相互连通第一腔室。背板位于介电层上。掩膜的一端嵌设于介电层中，另一端延伸进入开口中，并与振膜空间隔离(spatial isolation)，且与气孔至少一部分重叠。
本发明的一实施例是有关于一种微机电系统结构的制作方法，包括下述步骤：首先，在基材上形成一个介电层；并形成一个嵌设于介电层中的振膜，使振膜具有至少一个气孔；且形成一个嵌设于介电层中的掩膜，使其位于基材和振膜之间或位于振膜远离基材的一侧，并与振膜空间隔离，且与气孔至少一部分重叠。之后，在介电层上形成一个背板。再于基材中形成一个贯穿孔，并将一部分的介电层暴露出来。图案化背板，以形成至少一个通孔对准贯穿孔，并将一部分的介电层暴露出来。后续，经由气孔、通孔和贯穿孔来移除一部分介电层，以于振膜和基材之间形成一个第一腔室。
根据上述，本发明的实施例提出一种微机电系统结构，其在振膜与背板之间或者在振膜远离背板的一侧提供一个与振膜不相连接(空间隔离)，但与振膜上的气孔至少部分重叠的掩膜。由于掩膜与振膜之间并无实质的物质阻隔，因此不仅不会影响气孔用来平衡声压及降低机械噪声的功能。而且通过掩膜的间接阻挡，可以缓和因气孔设置所所造成的低频滚降。故而，可以在提高信噪噪声比的同时，兼顾频率响应，增进微机电系统结构的操作性能。
附图说明
为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下:
图1A至图1D为本发明一实施例所绘示的一系列制作微机电系统结构的制作工艺结构剖视图；
图2A至图2D为本发明另一实施例所绘示的一系列制作微机电系统结构的制作工艺结构剖视图。
符号说明
100、200：微机电系统结构
101、201：基材
101a、201a：基材表面
101b、201b：贯穿孔
102、202：介电层
102a、102b、102c、202a、202b、202c：介电薄膜
103、203：振膜
103a、203a：气孔
104、204：掩膜
105、205：背板
105a、205a：导电层
105b、205b：介电保护层
105c、205c：通孔
106、206：开口
106a、206a：开口的第一部分
106b、206b：开口的第二部分
107、207：第一腔室
108、208：第二腔室
具体实施方式
本发明是提供一种微机电系统结构及其制作方法，可在降低微机电系统结构的信号同时，解决低频滚降的问题。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。
但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。优选实施例的提出，仅用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的申请专利范围。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。
请参照图1A至图1D，图1A至图1D是根据本发明一实施例所绘示的一系列制作微机电系统结构100的制作工艺结构剖视图。制作微机电系统结构100的方法包括下述步骤：首先，在基材101上形成一个介电层102；并形成一个嵌设于介电层102中的振膜103，使振膜103具有至少一个气孔103a；且形成一个嵌设于介电层102中的掩膜104，使其位于基材101和振膜103之间或位于振膜103远离基材101的一侧，并与振膜103空间隔离，且与气孔103a至少一部分重叠。
在本说明书的一些实施例中，基材101可以是一种半导体基材，例如由硅、锗或二种的组合所构成的晶片或基板。介电层102可以是一种通过多个制作工艺步骤所形成的复合层，且制作介电层102的制作工艺步骤与形成振膜103和掩膜104的制作工艺步骤相互交错。例如，在本实施例中，介电层102、振膜103和掩膜104的形成，包含下述步骤：
首先，通过沉积或涂布方式，在基材101的表面101a上形成一个介电薄膜102a。之后，再于介电薄膜102a上形成振膜103(如图1A所绘示)。其中，构成介电薄膜102a的材质可以是一种介电材料，例如硅氧化物(SiOx)、碳化硅(SiC)、碳氧化硅(SiCO)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiNO)或其他合适的介电材质。在本实施例中，介电薄膜102a可以是种二氧化硅薄膜。
振膜103的形成，包括：以涂布或沉积的方式在介电薄膜102a上方形成一个导电材料层(未绘示)。之后，再以光刻蚀刻制作工艺，对此一导电材料层进行图案化，用于形成多个贯穿导电材料层的气孔103a。振膜103可以由一种导电材料所构成。此种导电材料可以是，例如金属(可以包括，金、银、铜、铝或其合金，但不以此为限)、掺杂的半导体材料(可以包括掺杂的多晶硅，或其他合适的材料)、金属氧化物(可以包括，氧化铟锡(Indium TinOxide)，或其他合适的材料)或上述的组合。在本实施例中，振膜103可以是一种铜质薄膜。气孔103a可以是穿过振膜103的条状窄孔、圆形通孔或其他形状的开开口。
之后，形成另一个介电薄膜102b覆盖于振膜103上方，并且填充气孔103a。接着，在介电薄膜102b上方形成掩膜104(如图1B所绘示)。在本说明书的一些实施例中，构成介电薄膜102b的材质可以与构成介电薄膜102a的材质相同。在本实施例中，构成介电薄膜102b的材质为二氧化硅。
在本说明书的一些实施例中，掩膜104的形成包括下述步骤，首先，以沉积方式，在介电薄膜102b上形成一个与介电薄膜102b材料不同的介电材料层(未绘示)。之后，再以光刻蚀刻制作工艺，对此介电材料层进行图案化，用于在振膜103远离基材101的一侧定义出掩膜104。其中，掩膜104是通过介电薄膜102b与振膜103彼此空间隔离，且掩膜104与振膜103的气孔103a至少有部分重叠。在本说明书的一些实施例中，掩膜104可以是一种由单一材质构成的单层结构，也可以是一种具有多层结构的复合材料层。
而构成掩膜104的材料可以是一种多晶硅、非精硅或是一种不是硅氧化物(Silicon Oxide，SiOx)的介电材质(此处又称为非硅氧化物)，例如、碳化硅、碳氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、金属氧化物、抑或是其他合适的材料。但值得注意的是，构成掩膜104的材料与构成介电薄膜102b的材料具有不同的蚀刻选择比，当以蚀刻制作工艺(例如湿式蚀刻)来移除介电薄膜102b时，介电薄膜102b被蚀刻剂移除速率会大于掩膜104被蚀刻剂移除的速率。例如在本实施例中，构成掩膜104的材料可以是氮化硅，构成介电薄膜102b的材料可以为二氧化硅，当采用含有氢氟酸(HF)的蚀刻剂来移除介电薄膜102时，介电薄膜102b被蚀刻剂移除的速率会大于掩膜104被蚀刻剂移除的速率。
接着，在掩膜104的上方覆盖介电材料102c，形成介电层102。并在介电层102上方形成背板105(如图1C所绘示)。在本说明书的一些实施例中，背板105包括一个导电层105a和一个介电保护层105b。其中，构成导电层105a的材质，可以和构成振膜103的材质相同或不同。介电保护层105b可以是一种介电材质层，且构成介电保护层105b的材料，与构成介电层102的材料不同。在本实施例中，导电层105a可以是一种图案化金属铜层，介电保护层105b可以是一种氮化硅硬掩模层。
背板105的形成方式包括下述步骤：首先，以沉积或涂布的方式，在介电层102上方依序形成导电材料层和介电材料层，并通过光刻蚀刻制作工艺，在导电材料层和介电材料层中形成多个通孔105c，将一部分的介电层102暴露于外。在本实施例中，可以采用干式蚀刻制作工艺，例如反应离子蚀刻(Reactive-Ion Etching，RIE)，来图案化导电材料层和介电材料层。
后续，通过光刻蚀刻制作工艺在基材101中形成一个贯穿孔101b，将一部分的介电层102暴露出来。再以湿式蚀刻(例如采用含有氢氟酸的湿式蚀刻剂)经由气孔103a、通孔105c和贯穿孔101b来移除一部分介电层102，并将一部分的介电层102、一部分的振膜103、一部分的掩膜104和一部分的背板105暴露于外，用于于介电层102中形成一个开口(cavity)106，并于振膜103和基材101之间形成一个第一腔室107，并在振膜103和背板105之间形成一个第二腔室108(如图1D所绘示)。
详言之，在形成开口106之后，有一部分的振膜103嵌设于介电层102之中；另一部分的振膜103和所有的气孔103a可以经由开口106暴露于外。通过暴露于外的一部分振膜103，可以将开口106区隔成，位于振膜103和基材101之间的第一部分106a，以及位于振膜103和背板105之间的第二部分106b。其中，开口106的第一部分106a与贯穿孔101b连通而形成第一腔室107；开口106的第二部分106b即为第二腔室108。换言之，第一腔室107由介电层102和振膜103经由开口106暴露于外的一部分侧壁，以及基材101经由贯穿孔101b暴露于外的侧壁所定义而成的空间；第二腔室108则由介电层102、振膜103和背板105经由开口106暴露于外的一部分侧壁所定义而成的空间。
掩膜104的一端嵌设于介电层102之中，另一端延伸进入第二腔室108之中。由于，在形成开口106时，位于掩膜104和振膜103之间的一部分介电薄膜102b，已经被通过气孔103a的湿式蚀刻剂所移除。虽然，掩膜104与气孔103a二者尚有部分彼此上下重叠，但二者之间并无实质的物质阻隔。第一腔室107和第二腔室108中的空气S1，仍可经由气孔103a、通孔105c和贯穿孔101b与外界连通。因此，有利于声压的平衡，可减少掩膜104和振膜103之间流动空气的黏性，降低微机电系统结构100的机械噪声。而且，通过掩膜104的阻挡，可以有效降低声压的衰减幅度，以缓和设置气孔103a所造成的低频滚降的问题。故而，可以在提高信噪噪声比的同时，兼顾频率响应，增进微机电系统结构100的操作性能。
请参照图2A至图2D，图2A至图2D是根据本发明另一实施例所绘示的一系列制作微机电系统结构200的制作工艺结构剖视图。制作微机电系统结构200的方法包括下述步骤：首先，通过沉积或涂布的方式，在基材201的表面201a上形成一个介电薄膜202a，之后，再于介电薄膜202a上形成掩膜204(如图2A所绘示)。
在本说明书的一些实施例中，掩膜204的形成包括下述步骤，首先，以沉积或涂布的方式，在介电薄膜202a上形成一个与介电薄膜202a材料不同的介电材料层(未绘示)。之后，再以光刻蚀刻制作工艺，对此介电材料层进行图案化，以定义出掩膜204。
之后，形成另一个介电薄膜202b覆盖于掩膜204上方，并于介电薄膜202b上方形成振膜203，通过介电薄膜202b使振膜203与掩膜204空间隔离(如图2B所绘示)。振膜203的形成包括：先在介电薄膜202b上沉积一个导电材料层(未绘示)。之后，再以光刻蚀刻制作工艺，对此一导电材料层进行图案化，用于形成多个贯穿此导电材料层的气孔203a。
接着，在振膜203的上方覆盖介电材料202c，并且填充气孔203a，以形成介电层202。并在介电层202上方形成背板205(如图2C所绘示)。
在本说明书的一些实施例中，背板205包括一个导电层205a和一个介电保护层205b。背板205的形成方式包括下述步骤：首先，以沉积或涂布的方式，在介电层202上方依序形成导电材料层和介电材料层，并通过光刻蚀刻制作工艺，在导电材料层和介电材料层中形成多个通孔205c，将一部分的介电层202暴露于外。在本实施例中，可以采用干式蚀刻制作工艺，例如反应离子蚀刻，来图案化导电材料层和介电材料层。
后续，通过光刻蚀刻制作工艺在基材201中形成一个贯穿孔201b，将一部分的介电层202暴露出来。再以湿式蚀刻(例如采用含有氢氟酸的湿式蚀刻剂)经由气孔203a、通孔205c和贯穿孔201b来移除一部分介电层202，并将一部分的介电层202、一部分的振膜203、一部分的掩膜204和一部分的背板205暴露于外，用于于介电层202中形成一个开口206，并于振膜203和基材201之间形成一个第一腔室207，并在振膜203和背板205之间形成一个第二腔室208(如图2D所绘示)。
详言之，在形成开口206之后，有一部分的振膜203嵌设于介电层202之中；另一部分的振膜203和所有的气孔203a可以经由开口206暴露于外。通过暴露于外的一部分振膜203，可以将开口206区隔成，位于振膜203和基材201之间的第一部分206a，以及位于振膜203和背板205之间的第二部分206b。其中，开口206的第一部分206a与贯穿孔201b连通而形成第一腔室207；开口206的第二部分206b即为第二腔室208。换言之，第一腔室207是由介电层202和振膜203经由开口206暴露于外的一部分侧壁，以及基材201经由贯穿孔201b暴露于外的侧壁所定义而成的空间；第二腔室208是由介电层202、振膜203和背板205经由开口206暴露于外的一部分侧壁所定义而成的空间。
掩膜204的一端嵌设于介电层202之中，另一端延伸进入第一腔室207之中。由于，在形成开口206时，位于掩膜204和振膜203之间的一部分介电薄膜202a，已经被通过气孔203a的湿式蚀刻剂所移除。虽然，掩膜204与气孔203a二者尚有部分彼此上下重叠，但二者之间并无实质的物质阻隔。第一腔室207和第二腔室208中的空气S2，仍可经由气孔203a、通孔205c和贯穿孔201b与外界连通。因此，有利于声压的平衡，可减少掩膜204和振膜203之间流动空气的粘性，降低微机电系统结构200的机械噪声。而且通过掩膜204的阻挡，可以降低声压的衰减幅度，以缓和设置气孔203a所造成的低频滚降的问题。故而，可以在提高信噪比的同时，兼顾频率响应，增进微机电系统结构200的操作性能。
根据上述，本发明的实施例提出一种微机电系统结构，其是在振膜与背板之间或者在振膜远离背板的一侧提供一个与振膜不相连接(空间隔离)，但与振膜上的气孔至少部分重叠的掩膜。由于掩膜与振膜之间并无实质的物质阻隔，因此不仅不会影响气孔用来平衡声压及降低机械噪声的功能。而且通过掩膜的间接阻挡，可以缓和因气孔设置所所造成的低频滚降。故而，可以在提高信噪比的同时，兼顾频率响应，增进微机电系统结构的操作性能。
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何该技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (17)

1.一种微机电系统(Micro-Electromechanical System，MEMS)结构，其特征在于，包括：
基材，具有贯穿孔；
介电层，位于该基材上，具有开口(cavity)与该贯穿孔连通；
振膜(Membrane)，具有至少一气孔，且嵌设于该介电层中，并与该介电层共同定义出第一腔室，与该贯穿孔相互连通；
背板(black plate)，位于该介电层上；以及
掩膜(shadow layer)，一端嵌设于该介电层中，另一端延伸进入该开口中，并与该振膜空间隔离(spatial isolation)，且与该气孔至少一部分重叠。
2.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其该振膜的一端嵌设于该介电层中，另一端延伸进入该开口，用于将该开口区隔成第一部分和第二部分；其中，该第一部分与该贯穿孔相互连通形成该第一腔室；该背板与该介电层共同定义出包括该第二部分的第二腔室。
3.根据权利要求2所述的微机电系统结构，其中该掩膜延伸进入该开口中的该另一端延伸进入该第一腔室或该第二腔室。
4.根据权利要求2所述的微机电系统结构，其中该第一腔室经由该至少一气孔连通该第二腔室。
5.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其中该掩膜包括氮化硅或多晶硅；且该介电层包括硅氧化物。
6.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其中该至少一气孔包括窄沟(slit)或通孔。
7.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其中该振膜包括导电材料，该背板包括导电层。
8.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其中该掩膜是多层结构。
9.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其中该背板包括至少一通孔。
10.一种微机电系统结构的制作方法，包括：
在基材上形成介电层；
形成振膜，具有至少一气孔，使该振膜嵌设于该介电层中；
形成掩膜嵌设于该介电层中，使其位于该基材和该振膜之间或位于该振膜远离该基材的一侧，并与该振膜空间隔离，且与该气孔至少一部分重叠；
在该介电层上形成背板，使该背板具有至少一通孔对准该贯穿孔，并将一部分的该介电层暴露出来；
在该基材中形成贯穿孔，并将一部分的该介电层暴露出来；以及
经由该至少一气孔、该通孔和该贯穿孔移除一部分该介电层，以于该振膜和该基材之间形成第一腔室。
11.根据权利要求10所述的微机电系统结构的制作方法，其中移除该部分该介电层的步骤，包括于该振膜和该背板之间形成第二腔室，且该第一腔室经由该至少一气孔连通该第二腔室。
12.根据权利要求10所述的微机电系统结构的制作方法，其中形成该介电层、该掩膜和该振膜的步骤，包括：
在该基材上方形成第一硅氧化物层；
在该第一硅氧化物层上形成图案非硅氧化物层；
在该图案非硅氧化物层上形成第二硅氧化物层；
在该图案非硅氧化物层上形成图案化导电薄膜；以及
在该图案化导电薄膜上形成第三硅氧化物层。
13.根据权利要求10所述的微机电系统结构的制作方法，其中形成该介电层、该掩膜和该振膜的步骤，包括：
在该基材上方形成第一硅氧化物层；
在该第一硅氧化物层上形成图案化导电薄膜；
在该图案化导电薄膜上形成第二硅氧化物层；
在该第二硅氧化物层上形成图案非硅氧化物层；以及
在该图案非硅氧化物层上形成第三硅氧化物层。
14.根据权利要求12或13所述的微机电系统结构的制作方法，其中该图案非氧硅化物层包括氮化硅或多晶硅。
15.根据权利要求10所述的微机电系统结构的制作方法，其中形成该背板的步骤，包括:
在该介电层上形成导电层；
在该导电层上形成介电保护层；以及
图案化该导电层和该介电保护层。
16.根据权利要求10所述的微机电系统结构的制作方法，其中移除一部分该介电层的步骤，包括湿式蚀刻。
17.根据权利要求10所述的微机电系统结构的制作方法，其中形成该贯穿孔的步骤，包括干式蚀刻。
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