CN112104960A

CN112104960A - Mems麦克风器件及其形成方法

Info

Publication number: CN112104960A
Application number: CN202011297836.4A
Authority: CN
Inventors: 徐希锐; 魏丹珠
Original assignee: SMIC Manufacturing Shaoxing Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing Electronics Shaoxing Corp SMEC
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: CN112104960B

Abstract

本发明提供了一种MEMS麦克风器件及其形成方法。由于在上层材料层覆盖牺牲材料层侧壁的位置上形成有阻隔层，以利用阻隔层提高对刻蚀剂侧向渗入的阻挡强度，避免刻蚀剂侧向渗入而对牺牲材料层的侧壁部分造成侵蚀，并且利用阻隔层还可以提高对所制备出的器件在其边缘位置的保护强度。

Description

MEMS麦克风器件及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风器件及其形成方法。

背景技术

采用微电子机械系统工艺（Micro Electro Mechanical System，MEMS）制备形成的MEMS麦克风器件，由于其小型化和轻薄化的特点而被广泛应用。在MEMS麦克风器件中通常包括依次设置在衬底上的下极板和上极板，所述下极板的边缘下方还设置有第一支撑部以用于支撑所述下极板，并在下极板的下方形成背腔，以及所述下极板和所述上极板之间通过第二支撑部，以使所述下极板和所述上极板相互间隔并形成有空腔。

其中，在一些特定的MEMS麦克风器件中，会设置厚度较大的第一支撑部，并且也可能会设置厚度较大的第二支撑部，从而使得MEMS麦克风器件由第一支撑部至第二支撑部的整体高度较大。而在MEMS麦克风器件的制备工艺中，一般是通过牺牲材料的释放以形成背腔和空腔，并利用保留下的牺牲材料构成第一支撑部和第二支撑部，基于此，相应的需要形成厚度较大的牺牲材料层，此时所述牺牲材料层相对于衬底表面而言即会形成较大的台阶高度差。而在具有高台阶的牺牲材料层上进一步形成上层材料层时，常常会由于牺牲材料层的侧壁位置的覆盖性能不佳而导致上层材料层在牺牲材料层的侧壁位置上的厚度较薄。这将进一步导致后续部分去除牺牲材料层时，刻蚀剂容易渗入至牺牲材料层的侧壁位置，进而从牺牲材料层的侧壁侵蚀牺牲材料层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风器件的形成方法，以解决现有的工艺中存在的刻蚀剂侧向渗入而从牺牲材料层的外侧壁位置侵蚀牺牲材料层的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS麦克风器件的形成方法，包括：

提供一衬底，所述衬底上形成有牺牲材料层、由所述牺牲材料层包覆在内的下极板以及覆盖所述牺牲材料层的顶表面和侧壁的上层材料层，所述上层材料层至少部分用于构成上极板；

形成阻隔层，所述阻隔层至少覆盖所述上层材料层中位于牺牲材料层侧壁的部分；

部分去除所述牺牲材料层，以在所述下极板和所述上极板之间形成空腔，以及在所述下极板面向所述衬底的一侧形成背腔，并至少保留所述牺牲材料层中位于所述下极板端部的部分。

可选的，所述牺牲材料层的侧壁的倾斜角度小于等于5°，所述牺牲材料层的厚度为12000Å ~70000Å。

可选的，所述牺牲材料层包括：

第一牺牲层，形成在所述衬底上并位于所述下极板的下方，其中所述第一牺牲层的厚度为2000Å ~30000 Å；以及，

第二牺牲层，覆盖所述下极板和所述第一牺牲层以包覆所述下极板，其中所述第二牺牲层的厚度为10000 Å~40000 Å。

可选的，所述上层材料层位于牺牲材料层侧壁的厚度小于所述上层材料层位于牺牲材料层顶表面的厚度。

可选的，所述上层材料层部分构成上极板，另一部分构成下极板连接部，所述下极板连接部和所述下极板电性连接；以及，在所述下极板的正上方的牺牲材料层中还形成有凹槽，所述凹槽的底部延伸至所述下极板，所述下极板连接部形成在所述凹槽中并延伸至所述牺牲材料层的顶表面。

可选的，在形成所述上层材料层之后，还包括：形成第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均在所述牺牲材料层的顶表面上分别与所述下极板连接部和所述上极板电性连接。

可选的，所述阻隔层还形成在所述凹槽中，以覆盖所述上层材料层位于所述凹槽中的部分。

可选的，在形成所述上层材料层之后，还包括形成第一电极和第二电极；其中，所述第一电极、所述第二电极和所述阻隔层的形成方法包括：形成导电材料层，所述导电材料层覆盖所述上层材料层的顶表面和侧壁；以及，刻蚀所述导电材料层以分断所述导电材料层，形成所述第一电极、所述第二电极和所述阻隔层。

此外，本发明还提供一种MEMS麦克风器件，包括：

衬底；

下极板和上极板，依次形成在所述衬底上，其中所述上极板由一上层材料层的至少部分构成；

支撑部，包括第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部设置在所述衬底和所述下极板之间，所述下极板搭载在所述第一支撑部上，所述第二支撑部至少部分位于所述下极板和所述上极板之间，并在所述下极板和所述上极板之间限定出空腔；以及，所述上层材料层还覆盖所述支撑部的侧壁；

阻隔层，至少覆盖所述上层材料层中位于所述支撑部侧壁的部分。

可选的，所述支撑部的侧壁的倾斜角度小于等于5°，所述支撑部的厚度为12000Å~70000Å，以及所述上层材料层位于牺牲材料层侧壁的厚度小于所述上层材料层位于牺牲材料层顶表面的厚度。

本发明提供的MEMS麦克风器件的形成方法中，在部分去除牺牲材料层以形成空腔和背腔之前，至少在上层材料层覆盖牺牲材料层侧壁的位置上形成阻隔层，以利用所述阻隔层提高对牺牲材料层其侧壁位置的保护，避免刻蚀剂从侧壁位置渗入而导致牺牲材料层的侧壁部分被侵蚀。尤其是，针对牺牲材料层相对于衬底具有较大的台阶高度差的情况下，则结合所述阻隔层，即可以有效克服仅利用侧壁上厚度较薄的上层材料层难以有效阻挡刻蚀剂渗入的问题。

此外，基于本发明提供的形成方法所制备出的MEMS麦克风器件，同样可以在阻隔层的隔离保护下，提高对器件边缘位置的保护强度。

附图说明

图1为本发明一实施例中的MEMS麦克风器件的形成方法的流程示意图；

图2~图4为本发明一实施例中的MEMS麦克风器件的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

其中，附图标记如下：

100-衬底；

200-牺牲材料层；

210-第一牺牲层；

210a-第一支撑部；

220-第二牺牲层；

220a-第二支撑部；

230-凹槽；

300-下极板；

400-上层材料层；

400a-开口；

410-导电层；

420-绝缘层；

510-第一接触窗；

520-第二接触窗；

610-第一电极；

620-第二电极；

700-阻隔层；

800-空腔；

900-背腔。

具体实施方式

承如背景技术所述，现有的MEMS麦克风器件的制备工艺中，常常会出现牺牲材料层的侧壁位置被侧向侵蚀的问题。为此，本发明提供了一种MEMS麦克风器件的形成方法，具体可参考图1所示，包括：

步骤S100，提供一衬底，所述衬底上形成有牺牲材料层、由所述牺牲材料层包覆在内的下极板以及覆盖所述牺牲材料层的顶表面和侧壁的上层材料层，所述上层材料层至少部分用于构成上极板；

步骤S200，形成阻隔层，所述阻隔层至少覆盖所述上层材料层中位于牺牲材料层侧壁的部分；

步骤S300，部分去除所述牺牲材料层，以在所述下极板和所述上极板之间形成空腔，以及在所述下极板面向所述衬底的一侧形成背腔，并至少保留所述牺牲材料层中位于所述下极板端部的部分。

即，本发明提供的形成方法中，利用阻隔层提高对刻蚀剂侧向渗入的阻挡强度，改善牺牲材料层的侧壁位置被侧向侵蚀的问题。

以下结合附图2~图4和具体实施例对本发明提出的MEMS麦克风器件及其形成方法作进一步详细说明，其中，图2~图4为本发明一实施例中的MEMS麦克风器件的形成方法在其制备过程中的结构示意图。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。

在步骤S100中，具体参考图2所示，提供一衬底100，所述衬底100上形成有牺牲材料层200、由所述牺牲材料层200包覆在内的下极板300以及覆盖所述牺牲材料层200的顶表面和侧壁的上层材料层400，所述上层材料层400至少部分用于构成上极板。

具体的，所述牺牲材料层200包括第一牺牲层210和第二牺牲层220。其中，所述第一牺牲层210形成在所述衬底100上并位于所述下极板300的下方，以支撑所述下极板300；以及，所述第二牺牲层220覆盖所述下极板300和所述第一牺牲层210，以包覆所述下极板300。具体的，所述第一牺牲层210和所述第二牺牲层220可采用相同的材料形成，例如均包括氧化硅。

本实施例中，所述第二牺牲层220还覆盖所述第一牺牲层210的侧壁，进而将所述第一牺牲层210也包覆在所述第二牺牲层220之内，此时所述牺牲材料层200的侧壁即为所述第二牺牲层220的侧壁。当然，在其他实施例中，所述第二牺牲层220的侧壁还可以和所述第一牺牲层210的侧壁齐平，此时所述牺牲材料层200的侧壁即为齐平连接的第一牺牲层侧壁和第二牺牲层侧壁。

进一步的，所述第一牺牲层210和所述第二牺牲层220的厚度通常是根据具体器件的性能要求对应调整的。在一些特定的MEMS麦克风器件中，会设计厚度较大的第一牺牲层210和/或厚度较大的第二牺牲层220，例如可使所述第一牺牲层210的厚度达到2000Å ~30000 Å，以及所述第二牺牲层220中位于所述第一牺牲层210正上方的厚度达到10000 Å~40000 Å。此时，相应的会使得所构成的牺牲材料层200的整体厚度较大，例如所述牺牲材料层200的厚度为12000Å ~70000Å。

继续参考图2所示，本实施例中，所述牺牲材料层200的侧壁可以为垂直侧壁或者接近垂直的侧壁，即，所述牺牲材料层200的侧壁相对于高度方向的倾斜角度较小，如此，即有利于缩减所构成的MEMS麦克风器件的空间占比。尤其是，针对厚度较大的牺牲材料层200（例如，本实施例中，所述牺牲材料层200的厚度为12000Å ~70000Å），将其侧壁设计为垂直侧壁或者接近垂直的侧壁，则能够很大程度的缩减所述MEMS麦克风器件的尺寸。

具体的实施例中，所述牺牲材料层200的侧壁的倾斜角度小于等于5°，甚至倾斜角度还可以进一步小于等于1°。需要说明的是，此处所述的“牺牲材料层的侧壁相对于高度方向的倾斜角度”即为：牺牲材料层的侧壁与高度方向之间的夹角。

继续参考图2所示，所述上层材料层400覆盖所述牺牲材料层200的顶表面和侧壁。其中，所述上层材料层400可采用沉积工艺形成。

本实施例中，所述牺牲材料层200的厚度较大并且具有垂直或接近垂直的侧壁，从而在所述衬底100的顶表面上即形成了较大的台阶高度差。然而，在执行沉积工艺时，针对较大高度差的台阶的覆盖性能通常较差，进而会导致覆盖高台阶的薄膜厚度较薄。即，在形成所述上层材料层400时，所形成的上层材料层400中位于所述牺牲材料层侧壁的厚度小于所述上层材料层400中位于所述牺牲材料层顶表面的厚度。

如上所述，所述上层材料层400至少部分用于构成上极板。本实施例中，所述上层材料层400部分构成上极板，另一部分构成下极板连接部。其中，所述上层材料层400中的上极板至少部分位于所述下极板300的正上方，以和所述下极板300具有空间重叠的区域。以及，所述下极板连接部和所述上极板相互分断，并和所述下极板300电性连接，以用于电性引出所述下极板300。

本实施例中，所述上层材料层400中还开设有多个开口400a，后续工艺中即可通过所述开口400a部分去除所述牺牲材料层200，以及所述多个开口400a中的至少一个开口用于分断所述上极板和所述下极板连接部。

具体参考图2所示，在所述下极板300的正上方的牺牲材料层200中还形成有凹槽230，所述凹槽230的底部延伸至所述下极板300，以及所述下极板连接部形成在所述凹槽230中并延伸至所述牺牲材料层200的顶表面。

本实施例中，所述凹槽230贯穿所述第二牺牲层220中位于所述下极板300正上方的部分，以暴露出所述下极板300。以及，所述上层材料层400覆盖暴露于所述凹槽230中的下极板300和凹槽侧壁。

如上所述，所述第二牺牲层220也可设置有较大的厚度，基于此，即相应的使所述凹槽230也具备较大的深度（例如为10000 Å~40000 Å），以及所述凹槽230的侧壁也可以为垂直侧壁或者接近垂直的侧壁，此时在所述凹槽230的位置也相应的形成一个台阶高度差。因此，在形成所述上层材料层400时，所述上层材料层400中位于所述凹槽230侧壁的厚度也小于所述上层材料层400中位于所述牺牲材料层顶表面的厚度。

进一步的，所述上层材料层400包括依次层叠设置的导电层410和绝缘层420，所述绝缘层420用于避免所述导电层410暴露出，同时还有利于提高所构成的上极板的机械强度，避免后续部分去除牺牲材料层后悬空的上极板出现坍塌的问题。

在步骤S200中，具体参考图3所示，形成阻隔层700，所述阻隔层700至少覆盖所述上层材料层400位于所述牺牲材料层侧壁的部分。具体而言，利用所述阻隔层700覆盖位于牺牲材料层侧壁上且厚度较薄的上层材料层400，从而在后续部分去除牺牲材料层200时，即可利用所述阻隔层700隔离刻蚀剂渗入至牺牲材料层200的侧壁。

此外，本实施例中，所述上层材料层400中位于所述凹槽230侧壁的部分也具备较小的厚度，基于此，则可使所述阻隔层700还覆盖所述上层材料层400位于所述凹槽230侧壁的部分。

继续参考图3所示，所述MEMS麦克风器件的形成方法还包括：形成第一电极610和第二电极620，其中所述第一电极610用于电性引出所述下极板300（本实施例中，所述第一电极610即与所述下极板连接部电性连接），以及所述第二电极620用于电性引出所述上极板。

本实施例中，利用与所述下极板300电性连接的下极板连接部，实现第一电极610以也可以形成在牺牲材料层200的顶表面上。即，本实施例中，所述第一电极610和所述第二电极620均是在牺牲材料层200的顶表面上和对应的下极板300和上极板连接。

具体的，所述第一电极610和所述第二电极620的形成方法例如包括：首先可结合图2所示，刻蚀所述上层材料层400中的绝缘层420，以形成暴露出所述导电层410的至少两个接触窗，所述至少两个接触窗包括：暴露出所述下极板连接部中的导电层的第一接触窗510和暴露出所述上极板中的导电层的第二接触窗520；接着可参考图3所示，在所述接触窗中形成电极，具体包括：在所述第一接触窗510中形成第一电极610，以及在所述第二接触窗520中形成第二电极620。

可选的方案中，可利用同一材料制备所述第一电极610、第二电极620和阻隔层700，以简化制备工艺。具体的包括：形成导电材料层，所述导电材料层覆盖所述上层材料层400的顶表面和侧壁，此时所述导电材料层相应的覆盖所述凹槽230的底壁和侧壁以及覆盖所述第一接触窗和第二接触窗；接着，刻蚀所述导电材料层，以分断所述导电材料层，形成所述第一电极610、所述第二电极620和所述阻隔层700。其中，所述导电材料层中位于所述第一接触窗和第二接触窗中的部分分别构成第一电极610和第二电极620，以及所述导电材料层中位于所述凹槽230中以及位于所述上层材料层侧壁的部分构成所述阻隔层700。

在步骤S300中，具体参考图4所示，部分去除所述牺牲材料层，以在所述下极板300和所述上极板之间形成空腔800，以及在所述下极板300面向所述衬底100的一侧形成背腔900，并至少保留所述牺牲材料层中位于所述下极板端部的部分。

具体的，部分去除所述牺牲材料层的方法包括：首先，刻蚀所述衬底100，以从衬底100的一侧暴露出所述牺牲材料层，本实施例中即暴露出所述第一牺牲层；接着，刻蚀所述牺牲材料层，在此过程中刻蚀剂可通过所述上层材料层400中的开口400a进入并刻蚀所述下极板300和所述上极板之间的牺牲材料层以形成所述空腔800，以及所述刻蚀剂还通过衬底刻蚀所述下极板300下方的牺牲材料层以形成所述背腔900。其中，刻蚀所述牺牲材料层的方法例如包括湿法刻蚀工艺。

需要说明的是，在刻蚀所述牺牲材料层时，由于上层材料层400中位于牺牲材料层侧壁上的部分覆盖有所述阻隔层700，从而避免了刻蚀剂从侧壁位置渗入而导致牺牲材料层的侧壁部分被侵蚀的问题，如此即可使得所述牺牲材料层中位于所述下极板300端部的部分能够被完整的保留，实现对器件的良好支撑。

具体的，所述牺牲材料层中位于所述下极板300端部的部分被保留（即，所述牺牲材料层中对应于侧壁的部分被保留），以用于构成第一支撑部210a和第二支撑部220a。其中，所述第一支撑部210a用于支撑所述下极板300，所述第二支撑部220a用于辅助支撑所述上极板。

此外，本实施例中，所述阻隔层700还覆盖所述凹槽230，进而可以隔离刻蚀剂从所述凹槽230渗入，一方面避免了牺牲材料层的侧壁部分被侵蚀；另一方面，也避免了凹槽230中的下极板连接部和下极板300受到影响。

基于如上所述的形成方法，以下对所形成的MEMS麦克风器件进行说明。具体可参考图4所示，所述MEMS麦克风器件包括：衬底100和依次形成在所述衬底100上的下极板300和上极板。其中，所述上极板由一上层材料层400的至少部分构成。

以及，所述MEMS麦克风器件还包括支撑部，所述支撑部包括第一支撑部210a和第二支撑部220a，所述第一支撑部210a设置在所述衬底100和所述下极板300之间，所述下极板300的端部搭载在所述第一支撑部210a上，所述第二支撑部220a至少部分位于所述下极板300和所述上极板之间，并在所述下极板300和所述上极板之间限定出空腔800。

本实施例中，所述第一支撑部210a位于所述下极板300的端部下方，所述第二支撑部220a位于所述下极板300的端部的上方，并且所述第二支撑部220a还覆盖所述第一支撑部210a的外侧壁。

进一步的，所述上层材料层400还覆盖所述支撑部的侧壁。即，所述上层材料层400具有位于所述下极板300正上方的部分，并且还延伸覆盖所述支撑部。具体的实施例中，所述支撑部的厚度例如为12000Å ~70000Å，以及所述支撑部的侧壁还进一步为倾斜侧壁或者接近倾斜的侧壁（例如，所述支撑部的侧壁的倾斜角度小于等于5°）。以及，所述上层材料层400中覆盖所述支撑部侧壁的部分的厚度小于所述上层材料层400中构成上极板的部分。

继续参考图4所示，所述MEMS麦克风器件还包括阻隔层700，所述阻隔层700至少覆盖所述上层材料层400中位于所述支撑部侧壁的部分。如此，即可利用所述阻隔层700从MEMS麦克风器件的侧壁位置提高对器件的保护强度。

综上可知，通过设置阻隔层700，一方面在制备MEMS麦克风器件的过程中，可以利用所述阻隔层700阻挡刻蚀剂的侧向渗入，避免了器件的边缘位置容易被侵蚀的问题；另一方面，针对制备完成的MEMS麦克风器件而言，同样还可以基于所述阻隔层700的隔离保护下，提高对器件边缘位置的保护强度。

需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims

1.一种MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，所述牺牲材料层的侧壁的倾斜角度小于等于5°，所述牺牲材料层的厚度为12000Å ~70000Å 。

3.如权利要求1所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，所述牺牲材料层包括：

第一牺牲层，形成在所述衬底上并位于所述下极板的下方，其中所述第一牺牲层的厚度为2000Å ~30000 Å ；以及，

第二牺牲层，覆盖所述下极板和所述第一牺牲层以包覆所述下极板，其中所述第二牺牲层的厚度为10000 Å~40000 Å 。

4.如权利要求1所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，所述上层材料层位于牺牲材料层侧壁的厚度小于所述上层材料层位于牺牲材料层顶表面的厚度。

5.如权利要求1所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，所述上层材料层部分构成上极板，另一部分构成下极板连接部，所述下极板连接部和所述下极板电性连接；

以及，在所述下极板的正上方的牺牲材料层中还形成有凹槽，所述凹槽的底部延伸至所述下极板，所述下极板连接部形成在所述凹槽中并延伸至所述牺牲材料层的顶表面。

6.如权利要求5所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，在形成所述上层材料层之后，还包括：形成第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均在所述牺牲材料层的顶表面上分别与所述下极板连接部和所述上极板电性连接。

7.如权利要求5所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，所述阻隔层还形成在所述凹槽中，以覆盖所述上层材料层位于所述凹槽中的部分。

8.如权利要求1所述的MEMS麦克风器件的形成方法，其特征在于，在形成所述上层材料层之后，还包括形成第一电极和第二电极；

其中，所述第一电极、所述第二电极和所述阻隔层的形成方法包括：形成导电材料层，所述导电材料层覆盖所述上层材料层的顶表面和侧壁；以及，刻蚀所述导电材料层以分断所述导电材料层，形成所述第一电极、所述第二电极和所述阻隔层。

9.一种MEMS麦克风器件，其特征在于，包括：

衬底；

10.如权利要求9所述的MEMS麦克风器件，其特征在于，所述支撑部的侧壁的倾斜角度小于等于5°，所述支撑部的厚度为12000Å ~70000Å，以及所述上层材料层位于牺牲材料层侧壁的厚度小于所述上层材料层位于牺牲材料层顶表面的厚度。