CN111741423B

CN111741423B - Mems麦克风的制造方法

Info

Publication number: CN111741423B
Application number: CN202010846382.5A
Authority: CN
Inventors: 闾新明; 魏丹珠; 艾俊
Original assignee: SMIC Manufacturing Shaoxing Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Manufacturing Electronics Shaoxing Corp SMEC
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN111741423A

Abstract

本发明提供了一种MEMS麦克风的制造方法，在依次形成引出电极层和光刻胶层后，先对光刻胶层进行第一次曝光，定义出待形成引出电极的区域，然后针对声孔区域进行第二次曝光，在对光刻胶层显影后，能够将声孔以及其他区域的多余光刻胶层去除，仅保留待形成引出电极的区域中的光刻胶层，避免了显影后声孔有未被曝光的光刻胶残留，当继续以图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻引出电极层而形成引出电极时，声孔中的引出电极层也能够被去除，避免了声孔中的引出电极层残留，进而能够解决在牺牲层去除后，因声孔底部的引出电极层残留黏到空腔内表面上，而造成MEMS麦克风缺陷的问题，改善了产品良率。

Description

MEMS麦克风的制造方法

技术领域

本发明涉及MEMS器件的制作技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风的制造方法。

背景技术

目前应用较多且性能较好的麦克风是微电机系统麦克风 (Micro-Electro-Mechanical-System Microphone)，又称硅基电容麦克风，以下简称为MEMS麦克风。MEMS麦克风是一种用微机械加工技术制作出来的电声换能器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。

现有的MEMS麦克风制造工艺中，在制作分别用于将上极板和下极板向外引出的引出电极时，一般是在上极板以及上极板暴露出的下极板表面上沉积金属层，然后采用光刻结合蚀刻的方式，来刻蚀金属层，形成引出电极，而不是金属剥离（lift-off）工艺，这是因为蚀刻方式更为便捷。但是，这种工艺会导致声孔底部有金属残留，当后续进一步去除上极板和下极板之间的牺牲层后。声孔底部的金属残留会黏在器件表面，并难以进一步去除，造成器件缺陷，影响良率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风的制造方法，能够解决在通过蚀刻工艺形成引出电极时在声孔底部造成的金属残留造成器件缺陷的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS麦克风的制造方法，包括以下步骤：

提供一衬底，所述衬底上依次层叠有下极板、牺牲层和上极板，所述上极板中形成有多个声孔，且所述声孔贯穿所述上极板并伸入到所述牺牲层中，所述下极板的部分表面被所述牺牲层和所述上极板暴露出来；

依次形成引出电极层和光刻胶层于所述上极板的表面以及所述上极板暴露出的牺牲层和下极板的表面上，所述引出电极层填充所述声孔的部分深度，所述光刻胶层还覆盖所述声孔中的所述引出电极层；

对所述光刻胶层进行第一次曝光，以定义出待形成引出电极的区域；

对所述声孔中的光刻胶层进行第二次曝光；

对所述光刻胶层进行显影，形成图案化的光刻胶层，并以所述图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻所述引出电极层，以形成引出电极；

去除所述图案化的光刻胶层并去除所述牺牲层，以形成空腔。

可选地，所述声孔贯穿所述上极板并伸入到所述牺牲层中时，所述声孔的深宽比至少为1.5。

可选地，所述光刻胶层还填满所述声孔。

可选地，所述第一次曝光采用能够定义引出电极的第一光罩。

可选地，所述第二次曝光采用能够定义声孔的第二光罩。

可选地，所述第二次曝光所采用的曝光剂量低于所述第一次曝光所采用的曝光剂量。

可选地，所述引出电极层的材料包括金属，所述下极板的材料选自金属、未掺杂的多晶硅、掺杂的多晶硅、未掺杂的非晶硅和掺杂的非晶硅中的至少一种；所述上极板的材料选自金属、未掺杂的多晶硅、掺杂的多晶硅、未掺杂的非晶硅和掺杂的非晶硅中的至少一种。

可选地，在所述衬底的表面上形成下极板之前，先在所述衬底的表面上形成绝缘介质层。

可选地，采用选择性湿法刻蚀工艺，并经各个所述声孔渗入刻蚀液，去除所述牺牲层，以形成空腔。

可选地，在去除图案化的光刻胶层之后且在去除所述牺牲层之前或之后，还包括：从所述衬底背向所述下极板的一侧对所述衬底进行刻蚀，直至暴露出所述下极板面向所述衬底的表面，以形成背腔。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果之一：

1、本发明的方案，在依次形成引出电极层和光刻胶层后，先对光刻胶层进行第一次曝光，以定义出待形成引出电极的区域，然后针对声孔区域进行第二次曝光，解决声孔中的光刻胶在第一次曝光时曝光不足的问题，在对光刻胶层显影时，能够将声孔以及其他区域的多余光刻胶层去除，仅保留待形成引出电极的区域中的光刻胶层，避免了显影后声孔有未被曝光的光刻胶残留，当继续以图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻引出电极层而形成引出电极时，声孔中的引出电极层也能够被去除，避免了声孔中的引出电极层残留，进而能够解决在牺牲层去除后，因声孔底部的引出电极层残留黏到空腔内表面上，而造成MEMS麦克风缺陷的问题，改善了产品良率。

2、第一次曝光可以选用原有的能够定义引出电极的光罩，第二次曝光可以选用原有的能够定义声孔的光罩，由此，不会增加光罩成本。

3、工艺简单，为深宽比较高区域的光刻工艺，提供一种可行的解决方案。

附图说明

图1至图3是现有的MEMS麦克风的制造方法中的器件结构剖面示意图。

图4是本发明具体实施例的MEMS麦克风的制造方法的流程图。

图5至图10是本发明具体实施例的MEMS麦克风的制造方法中的器件结构剖面示意图。

具体实施方式

现有的一种MEMS麦克风的制作方法，包括以下步骤：

首先，请参考图1，在衬底100上制作好下极板101之后，会制作牺牲层102以及上极板103，且会形成若干声孔105，该声孔105贯穿上极板103且伸入到部分厚度的牺牲层102中。

然后，请继续参考图1，会在上极板103以及上极板103暴露出的牺牲层102和下极板101上沉积一定厚度的金属层，该金属层的一部分104b会覆盖上极板103和下极板101的表面，另一部分104a会填充在声孔105中。

接着，请继续参考图1，在金属层上形成光刻胶层，该光刻胶层会填满声孔105，对光刻胶层进行部分曝光，曝光后，光刻胶层被分为未被曝光的部分和被曝光的部分106a，进一步显影去除被曝光的部分106a，由此形成图案化的光刻胶层，以定义出待形成引出电极的区域。

然后，请参考图2，以图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻金属层，形成位于上极板103上的引出电极1041以及位于下极板101上的引出电极1042。

之后，请参考图3，去除图案化的光刻胶层，并通过湿法工艺去除牺牲层102，以在上极板103和下极板101之间形成连通声孔105的空腔107。

发明人发现，由于上述工艺中，声孔105的深宽比较大，在对光刻胶层进行曝光时，曝光光束能量无法有效到达声孔105底部，声孔105底部的光刻胶很难被完全曝光，由此造成声孔105底部有未被曝光的光刻胶106c存在，即曝光后，光刻胶层的未被曝光的部分包括声孔105中未被曝光的光刻胶106c以及其余区域未被曝光的光刻胶部分106b，显影后未被曝光的光刻胶106c被残留下来，当继续以图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻引出电极层时，声孔105底部原本应该被蚀刻掉引出电极层104a也被残留下来，在后续去除牺牲层102后，声孔105底部残留的光刻胶106c及引出电极层104a会黏在空腔107的内表面上（例如黏在下极板101的上表面上），难以进一步去除，由此造成MEMS麦克风的缺陷，影响产品良率。

基于此，本发明提出一种MEMS麦克风的制造方法，其核心思想在于，通过2次曝光，来解决因声孔区域中光刻胶曝光不足而导致在通过蚀刻工艺形成引出电极时产生金属残留的问题，同时不会增加光罩成本。

以下结合附图4至附图10和具体实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图4，本发明一实施例提供一种MEMS麦克风的制造方法，包括以下步骤：

S1，提供一衬底，所述衬底上依次层叠有下极板、牺牲层和上极板，所述上极板中形成有多个声孔，且所述声孔贯穿所述上极板并伸入到所述牺牲层中，所述下极板的部分表面被所述牺牲层和所述上极板暴露出来；

S2，依次形成引出电极层和光刻胶层于所述上极板的表面以及所述上极板暴露出的牺牲层和下极板的表面上，所述引出电极层填充所述声孔的部分深度，所述光刻胶层还覆盖所述声孔中的所述引出电极层；

S3，对所述光刻胶层进行第一次曝光，以定义出待形成引出电极的区域；

S4，对所述声孔中的光刻胶层进行第二次曝光；

S5，对所述光刻胶层进行显影，形成图案化的光刻胶层，并以所述图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻所述引出电极层，以形成引出电极；

S6，去除所述图案化的光刻胶层并去除所述牺牲层，以形成空腔。

请参考图5，在步骤S1中，提供一衬底200，所述衬底200上依次层叠有下极板202、牺牲层203和上极板204，所述上极板204中形成有多个声孔206，且所述声孔206贯穿所述上极板204并伸入到所述牺牲层203中，所述下极板202的部分表面被所述牺牲层203和所述上极板204暴露出来。步骤S1的具体过程包括：

步骤S1.1，提供衬底200，该衬底200可以是本领域技术人员熟知的任何合适的衬底材料，例如硅、锗、锗硅或绝缘体上硅等半导体衬底材料。

步骤S1.2，在衬底200上沉积绝缘介质层201。绝缘介质层201可以为热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）等。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，在步骤S1中也可以根据衬底200的选材来适应性地省略绝缘介质层201的形成，例如当衬底200为玻璃衬底或者为表面具有氧化硅的硅衬底等时，在步骤S1中可以省略绝缘介质层201的形成。

步骤S1.3，在绝缘介质层201上沉积下极板材料（即振膜材料）并图形化，以形成下极板202（即振膜）。下极板202的材料可以是Al、W或Cu等单一金属者由至少两种金属所形成的合金，还可以是未掺杂的或掺杂的多晶硅，也可以是掺杂的或未掺杂的非晶硅。下极板202中可以有暴露出绝缘介质层201的缝隙，以增加下极板202的灵敏度和最终形成的MEMS的信噪比，下极板202中也可以有没有缝隙。

步骤S1.4，在下极板202和绝缘介质层201上形成牺牲层203，牺牲层203对下极板202及下极板202暴露出的绝缘介质层201全面覆盖。牺牲层203的厚度可定义为最终产品中下极板202和上极板204（即振膜和背板）之间的空腔（也可以称为空气缝隙或声腔）的高度。牺牲层203同样可以为热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）等，也可以为本领域所熟知的其他任意合适的牺牲材料。

步骤S1.5，通过光刻结合刻蚀的工艺对牺牲层203进行图形化，使牺牲层203仅覆盖在待形成空腔的区域中（即此时牺牲层203将部分下极板202掩埋在内并仅形成于空腔区域）。

步骤S1.6，沉积上极板材料层，沉积的上极板材料层覆盖在牺牲层203及其暴露出的绝缘介质层201的上表面上，上极板材料层可以是Al、W或Cu等单一金属或者由至少两种金属所形成的合金，还可以是未掺杂的或掺杂的多晶硅，也可以是掺杂的或未掺杂的非晶硅。可选地，在上极板材料层和牺牲层203之间还可以形成有隔离介质层，该隔离介质层在后续上极板刻蚀时作为刻蚀停止层，以及，在后续去除牺牲层203形成空腔的工艺中保护上极板204，且可以在形成空腔之后用于避免上极板与空气直接接触。

步骤S1.7，可以先采用上极板光罩，通过光刻结合刻蚀的工艺，图形化所述上极板材料层，刻蚀停止在牺牲层203的表面上，以形成上极板204，并进一步采用声孔光罩（即用于定义声孔的第二光罩，如图6中的400所示）对上极板204进行光刻和刻蚀，刻蚀停止在牺牲层203的部分深度中，以形成多个贯穿上极板204并深度到牺牲层203中的多个声孔206。这些声孔206可为方形孔或圆孔。声孔206的深宽比至少为1.5，例如声孔206的宽度范围为1μm～8μm，声孔206的深度为2μm～20μm，其中，声孔206的深度即从上极板204的顶面至声孔206底部的牺牲层203的表面的垂直距离。

请继续参考图5，在步骤S2中，首先，可以通过金属溅射、蒸镀、电镀等工艺，在上极板204及其暴露出的牺牲层203、下极板202以及绝缘介质层201的表面上覆盖引出电极层，引出电极层包括填充在声孔206中的部分205a以及其余部分205b，引出电极层的材料为Al、W或Cu等单一金属者由至少两种金属所形成的合金。然后，通过旋涂等工艺，在引出电极层上覆盖光刻胶层，此时光刻胶层填满声孔206，且在上极板204上方具有要求厚度。

请继续参考图5，在步骤S3中，采用能够定义引出电极的第一光罩300，对光刻胶层进行第一次曝光，以定义出用于形成引出电极的区域。第一次曝光所采用的曝光剂量能够使得曝光光束能量抵达牺牲层203侧壁外围的引出电极层205b的表面上，使得这些区域中应当被完全曝光的光刻胶能被完全曝光即可。这是因为，如果第一次曝光所采用的曝光剂量过低，则可能会造成不仅声孔底部有未被曝光的光刻胶，其余区域应当完全曝光的区域也会产生不完全曝光的问题，而如果第一次曝光所采用的曝光剂量过大，则可能会造成过度曝光的问题，引起邻近效应加剧，由此造成被曝光的光刻胶范围加大，进而影响最终形成的接触孔尺寸和形貌的问题。

而现有技术中，为了使得声孔底部的光刻胶尽可能更多的被曝光，其采用的曝光剂量相对过大，由此被曝光的光刻胶范围会比要求的略大，进而影响最终形成的接触孔尺寸和形貌的问题，因此，本实施例中，第一次曝光所采用的曝光剂量可以略低于上述的现有技术中的曝光所采用的曝光剂量，由此可以改善最终形成的接触孔尺寸和形貌，且可以降低第一次曝光工艺相对现有技术中的曝光工艺的调整难度。

此外，由于声孔206的深宽比较大，声孔206中的光刻胶层相对其余部分较厚，曝光能量大部分会被声孔206中的上层光刻胶吸收，因此在第一次曝光之后，声孔206底部的光刻胶层往往不会被曝光，即声孔206中的光刻胶在第一次曝光时曝光不足，此时，光刻胶层分化为被曝光的光刻胶部分207a、声孔206中未被曝光的光刻胶部分207c以及其余区域未被曝光的光刻胶部分207b。

请参考图5和图6，在步骤S4中，可以采用声孔光罩（即能够定义形成声孔的区域的第二光罩）400，对声孔206中的光刻胶部分207c进行第二次曝光，第二次曝光的目的主要是解决声孔206中的光刻胶在第一次曝光时曝光不足的问题。第二次曝光时，除了声孔206区域被曝光，其余区域均被遮挡，且优选地，第二次曝光所采用的曝光剂量低于第一曝光所采用的曝光剂量，以尽量减小邻近效应，使得第二次曝光的曝光能量尽可能地聚焦在声孔中，由此避免曝光剂量过大而导致用于定义引出电极的未被曝光的光刻胶部分207b受到影响。且第二次曝光所采用的曝光剂量能够使得曝光光束能量抵达声孔206底部，使得声孔底部206中未被曝光的光刻胶部分207c能被完全曝光即可。这是因为，如果第二次曝光所采用的曝光剂量过低，则在第二曝光后声孔底部可能还有未被曝光的光刻胶，而如果第二次曝光所采用的曝光剂量过大，则可能会造成过度曝光的问题，引起邻近效应加剧，由此造成被曝光的光刻胶范围加大，造成用于定义引出电极的未被曝光的光刻胶部分207b被进一步曝光，进而影响最终形成的接触孔尺寸和形貌的问题。

此外，第二次曝光之后，声孔206中的光刻胶部分207c全部被转化为被曝光的光刻胶部分207d，其性质与光刻胶部分207a基本相同。

请参考图6至图8，在步骤S5中，首先，对光刻胶层进行显影，该显影的工艺条件可以与上述的现有技术中相同，而且这不是本发明的重点，在此不再详述。显影后，光刻胶部分207a以及声孔206中的光刻胶部分207d均会被去除，剩余用于定义形成引出电极的区域的光刻胶部分207b，由此形成图案化的光刻胶层。然后，以图案化的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀引出电极层，刻蚀停止在上极板204的表面上，形成引出电极2051和引出电极2052，引出电极2051与上极板204电性接触，以将上极板204向外引出，引出电极2052与下极板202电性接触，以将下极板202向外引出。且该过程中，声孔206中的引出电极层205a由于不再有光刻胶层的阻挡，也会被去除，不会造成残留。

请参考图8和图9，在步骤S6中，首先，通过干法去胶或者湿法去胶等工艺去除图案化的光刻胶层（即光刻胶部分207b）。然后，向声孔206中通入刻蚀液，以对牺牲层203进行湿法刻蚀，直至去除牺牲层203，以在上极板204和下极板202之间形成空腔208。湿法刻蚀工艺的刻蚀液例如为HF溶液或氟化氢HF与氟化铵NH₄F的混合溶液BOE。在去除牺牲层203之后，声孔206和空腔208连通。

此外，请参考图10，在步骤S6中，在去除图案化的光刻胶层之后且在去除所述牺牲层203之前或之后，还包括：从所述衬底200背向所述下极板202的一侧对所述衬底200进行刻蚀，直至暴露出所述下极板202面向所述衬底200的表面，以形成背腔209。其中，可以根据需要在衬底200正面上的结构上涂覆一层易于去除的保护材料（可以是光刻胶或蓝膜等），以将衬底200正面上已形成的结构保护起来，之后在衬底200的背面对应空腔208的区域刻蚀出背腔209，之后去除保护材料。当下极板202中有缝隙时，形成的背腔209可以通过下极板202中的缝隙与空腔208连通。当下极板202中没有缝隙时，形成的背腔209与空腔208不连通。

综上所述，本实施例的MEMS麦克风的制造方法，在依次形成引出电极层和光刻胶层后，先对光刻胶层进行第一次曝光，以定义出待形成引出电极的区域，然后针对声孔区域进行第二次曝光，解决声孔中的光刻胶在第一次曝光时曝光不足的问题，在对光刻胶层显影时，能够将声孔以及其他区域的多余光刻胶层去除，仅保留待形成引出电极的区域中的光刻胶层，避免了显影后声孔有未被曝光的光刻胶残留，当继续以图案化的光刻胶层为掩膜，蚀刻引出电极层而形成引出电极时，声孔中的引出电极层也能够被去除，避免了声孔中的引出电极层残留，进而能够解决因声孔底部的引出电极层残留在牺牲层去除后，黏在空腔内表面上而造成MEMS麦克风缺陷的问题，改善了产品良率。本实施例的MEMS麦克风的制造方法，工艺简单。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

对所述声孔中的光刻胶层进行第二次曝光；

2.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，所述声孔贯穿所述上极板并伸入到所述牺牲层中时，所述声孔的深宽比至少为1.5。

3.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，在对所述光刻胶层进行第一次曝光之前，所述光刻胶层填满所述声孔。

4.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，所述第一次曝光采用能够定义引出电极的第一光罩。

5.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，所述第二次曝光采用能够定义声孔的第二光罩。

6.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，所述第二次曝光所采用的曝光剂量低于所述第一次曝光所采用的曝光剂量。

7.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，所述引出电极层的材料包括金属，所述下极板的材料选自金属、未掺杂的多晶硅、掺杂的多晶硅、未掺杂的非晶硅和掺杂的非晶硅中的至少一种；所述上极板的材料选自金属、未掺杂的多晶硅、掺杂的多晶硅、未掺杂的非晶硅和掺杂的非晶硅中的至少一种。

8.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，在所述衬底的表面上形成下极板之前，先在所述衬底的表面上形成绝缘介质层。

9.如权利要求1所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，采用选择性湿法刻蚀工艺，并经各个所述声孔渗入刻蚀液，去除所述牺牲层，以形成空腔。

10.如权利要求9所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，在去除图案化的光刻胶层之后且在去除所述牺牲层之前或之后，还包括：从所述衬底背向所述下极板的一侧对所述衬底进行刻蚀，直至暴露出所述下极板面向所述衬底的表面，以形成背腔。