CN117641215A - 一种麦克风传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种麦克风传感器及其制备方法，半导体衬底，其内部形成贯穿上下表面的开口；第一介质层，位于所述半导体衬底上表面；复合振膜，其包括依次层叠设置的底部电极、第二介质层、下电极层、压电材料层、上电极层，所述复合振膜的边缘位于第一介质层上，覆盖部分第一介质层，中央区域悬置于半导体衬底的开口上方；背电极，所述背电极位于上电极上方，所述背电极和第一介质层上覆盖有第三介质层；背电极、上电极以及第三介质层构成一个空腔，所述背电极对应空腔位置具有振膜开口，通过本方案振膜是复合膜，既作为电容的极板又有压电效应，这样受到声压后，同时产生压电和电容的复合信号，信号强度大，性能好。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及麦克风传感器及其制备方法。
背景技术
微机电系统( Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
运用微机电系统技术制备麦克风传感器具有有益的电学性能，并且尺寸较小，因此在多种设备上都有应用，诸如移动电话和集成电路( IC )录音机。目前流行的硅麦克风传感器都是采用硅为基片，使用MEMS技术制造的麦克风有多个种类，如电容式、压电式、压阻式、场效应管式、热线式、光波导式等。
电容式麦克风它是背极板和振膜组成平板电容，声波作用于振膜，将声信号转变成电信号。背极做在硅基片上，以氮化硅等材料形成振膜，由于材料和工艺特点，这类硅麦克风的信号强度和性能提高是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述器件性能的问题，本发明提出了一种麦克风传感器，所述麦克风传感器包括：半导体衬底，其具有开口腔体；第一介质层，位于所述半导体衬底上；复合振膜，其包括依次层叠设置的底部电极、第二介质层、下电极层、压电材料层、上电极层；背电极，所述背电极位于上电极上方，和上电极之间构成一个空腔，所述背电极对应空腔位置具有振膜开口；所述背电极和第一介质层上覆盖有第三介质层。
可选的，所述第三介质层中具有导电插塞。
可选的，还包括位于第三介质层上的金属层，所述金属层与导电插塞互连。
可选的，所述压电材料为氮化铝，厚度1-2um。
可选的，所述上电极为金属材料，厚度0.1-0.5um。
可选的，所述底部电极为掺杂多晶硅材料。
本发明还提供了一种麦克风传感器的制备方法，包括：
提供半导体衬底；
在半导体衬底上形成第一介质层；
在第一介质层的中央区域上形成底部电极和第二介质层；
在所述第二介质层上形成下电极；
在下电极上形成压电层；
在压电层上形成上电极；
在下极板表面形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成背电极；
图形化，在边缘区域形成分别暴露各导电膜层的互连开口，在中央区域形成暴露第三介质层的振膜开口，并在互连开口和振膜开口区域以外覆盖有第三介质层；
在互连通孔中形成金属插塞；
在所述半导体衬底背面形成背面开口，所述背面开口正对所述牺牲层位置；
去除牺牲层和第一介质层。
可选的，在第一介质层的中央区域上形成底部电极和第二介质层的步骤包括：第一介质层上形成多晶硅层；在形成多晶硅层后进行离子注入；在掺杂多晶硅层表面形成第二介质层。
可选的，所述压电层材料为氮化铝，厚度1-2um。
通过本方案振膜是复合膜，既作为电容的极板又有压电效应，这样受到声压后，同时产生压电和电容的复合信号，信号强度大，性能好。
附图说明
图1为本发明一实施例中麦克风传感器及其制备方法的流程图；
图2至图6为本发明一实施例的麦克风传感器及其制备方法中器件结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的麦克风传感器及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，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。
本申请实施例提供了一种麦克风传感器的制备方法，参考图1和图2，包括：
步骤S1：提供半导体衬底100；
如图2所示，所述半导体衬底100的材料可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、锗硅、砷化镓、磷化铟等半导体衬底材料，在本实施例中具体为硅晶圆。
步骤S2：在半导体衬底100上形成第一介质层。
在本实施例中，参考图2进行说明，所述第一介质层110的材料可以为牺牲层材料。在本实施例中具体为二氧化硅（SiO2）材料，形成方法为化学气相沉积法，SiO2层是化学气相沉积法生成，形成的SiO2层的厚度为0.25um~0.75um，具体的工艺参数：温度是300℃-500℃，RF功率是300-400W，气体比例是Ar/TEOS=1:2~4，气压是25~40Pa，电极间距是50~70mm，时间是5-20分钟，在本发明一优选实施例中，厚度为0.2-2um，例如0.2 um、1 um、1.3 um、1.5 um、1.8 um、2 um。
步骤S3：在第一介质层110的中央区域上形成底部电极120和第二介质层。
接着，继续参考图2，在本实施例中具体的第一介质层110上形成多晶硅层。所述多晶硅层通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）方法形成的。例如，使用化学气相沉积设备，将衬底放置在反应室中。在反应室中，引入适当的气体混合物，其中包括硅源气体（例如三氯硅烷，SiHCl3）以及载气（通常是氢气，H2）。气体混合物在高温下分解，并在衬底表面形成硅原子。然后，可以利用刻蚀的方法进行图形化，例如等离子体刻蚀的方法去除第一介质层边缘区域上的多晶硅层，仅在第一介质层的中央区域覆盖多晶硅层。
在形成多晶硅层后进行离子注入，在本实施例中注入磷离子，形成掺杂多晶硅层。所述掺杂多晶硅层在后续形成的麦克风传感器中作为电容的底部电极120，在其他实施例中，所述多晶硅层也可以替换成金属如铝。
接着，在掺杂多晶硅层表面形成第二介质层130，所述第二介质层的材料可以为二氧化硅SiO2，或者其它半导体氧化物，或者氮化硅、氮氧化硅等等绝缘介质中的一种或者其组合，形成方法可以利用外延生长或者化学气相淀积的方法。在本实施例中，具体为SiO2层，SiO2层是化学气相沉积法生成，形成的SiO2层的厚度为0.25um~0.75um，具体的工艺参数：温度是300℃-500℃，RF功率是300-400W，气体比例是Ar/TEOS=1:2~4，气压是25~40Pa，电极间距是50~70mm，时间是5-20分钟，例如在本实施例中形成的SiO2层的厚度为0.35um。然后，可以利用刻蚀的方法进行图形化，例如等离子体刻蚀的方法去除第一介质层边缘区域上的第二介质层，仅在多晶硅层区域覆盖第二介质层130。
步骤S4：在所述第二介质层130上形成下电极-压电层-上电极的叠层结构。
参考图3，具体的，包括步骤：
首先，在第二介质层130上形成下电极140，所述下电极的材料为金属，例如可以为铝、铜、锡、金、钛、导电氧化物（如铈氧化物）作为电极材料等导电材料中的一种或者其合金及组合。在本实施例中，是采用的金属铜，是利用物理气相沉积生成，厚度为0.25um~0.75um，具体的工艺参数：气压是5x10-5Pa，温度是180℃-250℃，RF功率是200-400W，气体氩气5-30SCCM/氧气4-7SCCM，时间是15-20分钟，厚度为0.35 um。然后，可以利用刻蚀的方法进行图形化，例如等离子体刻蚀的方法去除第一介质层边缘区域上的下电极，仅在第二介质层区域覆盖下电极140。
接着，在下电极140上形成压电层150。
具体的，所述压电层材料可以为压电陶瓷（Piezoelectric ceramics），例如铅锆钛酸钾（PZT）、铅镍钽酸铅（PZNT）、铅镍锆酸铅（PNZT）、锆钛酸钡（Barium Titanate，简称BTO）或氮化铝等，在本实施例中为氮化铝。压电层的形成方法为：物理气相沉积法，具体参数是：真空度的1-5*10-3mbar，氮气流量15-30SCCM，氩气的流量1-5SCCM,衬底温度是200-300℃，溅射功率：300-800w，时间是5-10分钟，厚度1-2um，然后经过热处理和极化过程。然后，可以利用刻蚀的方法进行图形化，例如等离子体刻蚀的方法去除第一介质层边缘区域上的压电层，仅在下电极区域覆盖压电层。压电层能够实现电压-位移转换或应变-电荷转换等功能，用于传感器的机械传动器件。
接着在压电层150上形成上电极160，如钼，物理气相沉积法，具体参数是：真空度的1-5*10-3mbar，氩气的流量1-5SCCM,衬底温度是200-300℃，溅射功率：300-800w，时间是1-5分钟，厚度0.1-0.5um。
步骤S5：在下极板表面形成牺牲层。
具体的，参考图4，牺牲层170的材料为聚合物（如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、环氧树脂）、有机杂化材料或无机材料（如氧化硅或氮化硅膜）中的一种或其组合，在本实施例中，采用光刻胶材料丙烯酸酯。形成方法可以利用化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、溅射和旋涂等。所述牺牲层起到临时性的支撑作用。
步骤S6：在所述牺牲层上形成背电极。
继续参考图4，所述背电极180的形成方法和材料与上电极和下电极相同，不再赘述。在本实施例中，背电极的厚度为0.1-1um。
步骤S7：图形化，在边缘区域形成分别暴露各导电膜层的互连开口，在中央区域形成暴露牺牲层170的振膜开口，并在互连开口和振膜开口区域以外覆盖有第三介质层。
具体的，在本实施例中，如图5所示，包含以下步骤：
首先，依次刻蚀一侧边缘处的各膜层，形成台阶状，台阶的顶面暴露背电极180、下电极140、上电极160。具体的可以利用等离子体刻蚀的方法，不在赘述。再其他实施例中，也可以在形成各膜层的步骤中利用掩膜方式暴露边缘区域用于互连。
具体的继续参考图5，形成第三介质层190，所述第三介质层190的材料可以为绝缘介质，例如二氧化硅、氮化硅等。
再继续图形化刻蚀，在对应牺牲层170上方中央区域的位置形成暴露所述牺牲层的振膜开口210，在对应边缘区域的第三介质层中分别形成暴露半导体衬底100、多晶硅层120、下电极140、上电极160和背电极180的互连通孔；刻蚀所述振膜开口位置的第三介质层，停止在振膜开口210底部的牺牲层170。
步骤S8：在互连通孔中形成金属插塞220。
继续参考图5，在互连通孔中淀积导电材料，例如金属，然后继续在第三介质层190上形成金属层200，所述金属层200和所述金属插塞220互连。
步骤S9：在所述半导体衬底背面形成背面开口，所述背面开口正对所述牺牲层位置。
具体的在本实施例中，参考图6，首先包括步骤减薄背面的半导体衬底。
具体的，利用Lift off（剥离法）方式进行背面减薄。具体工艺可以采用化学机械研磨或者本领域技术人员熟知的方法，在本实施例中采用Lift off（剥离法）方式去除，参数：去胶液选择TMAH（四甲基氢氧化铵），超声功率是300-500瓦，时间是10-60分钟。所述半导体衬底留的厚度为350um-400um。
接着，刻蚀半导体衬底背面，形成暴露牺牲层的中央区域的开口，具体的，可以采用等离子体刻蚀的方法，不再赘述。
步骤S10：去除牺牲层和第一介质层。
具体的，一旦微细结构的制造步骤完成，牺牲层需要被完全去除或牺牲。牺牲层去除可以通过化学溶解、干法刻蚀、热解或选择性腐蚀等方法进行。
从而底部电极120，第二介质层130、下电极140、压电层150、上电极160构成了振膜复合膜层，所述振膜复合膜层悬置与空腔中，可以根据气体压力通过振动传导并转化为电信号。
参见上述实施例中的麦克风传感器的制备方法，本发明还提供了一种麦克风传感器，所述麦克风传感器包括：半导体衬底，其具有开口腔体；第一介质层，位于所述半导体衬底上；复合振膜，其包括依次层叠设置的底部电极、第二介质层、下电极层、压电材料层、上电极层；背电极，所述背电极位于上电极上方，和上电极之间构成一个空腔，所述背电极对应空腔位置具有振膜开口；所述背电极和第一介质层上覆盖有第三介质层。
其中，所述第三介质层中具有导电插塞，还包括位于第三介质层上的金属层，所述金属层与导电插塞互连。压电材料为氮化铝，厚度1-2um。所述上电极为金属材料，厚度0.1-0.5um。所述底部电极为掺杂多晶硅材料。
本发明采用复合膜层作为振膜，并且利用压电材料作为介质，由于压电层具有压电效应，从而压电层受声压产生振动发生应变，也会通过上电极和下电极构成的电容输出一个压电信号的响应信号；同时，复合振膜又通过压电层和底部电极构成传感器的一个可动极板，和对应的背电极构成可变电容，振膜作为一个可变电容的一个板，其声波引起的振动会引起可变电容值的变化，可变电容结构中的电容变化将转换为电信号输出，因此在本实施例中，总的响应信号是可变电容信号+压电信号之和。
通过上述步骤，能够将声音的压力变化直接转化为电信号。与传统的电容式传感器相比，它直接利用了振膜的压电效应，无需额外的声音到振膜的压力转换，从而提供了更高的灵敏度和更广的频率响应范围。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种麦克风传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，其内部形成贯穿上下表面的开口；
第一介质层，位于所述半导体衬底上表面；
复合振膜，其包括依次层叠设置的底部电极、第二介质层、下电极层、压电材料层、上电极层，所述复合振膜的边缘位于第一介质层上，覆盖部分第一介质层，中央区域悬置于半导体衬底的开口上方；
背电极，所述背电极位于上电极上方，所述背电极和第一介质层上覆盖有第三介质层；背电极、上电极以及第三介质层构成一个空腔，所述背电极对应空腔位置具有振膜开口。
2.如权利要求1所述的麦克风传感器，其特征在于，还包括位于第三介质层中的导电插塞，所述导电插塞分别与复合振膜的各导电层以及背电极电互连，和导电插塞互连。
3.如权利要求2所述的麦克风传感器，其特征在于，还包括位于第三介质层上的金属层，所述金属层与导电插塞互连。
4.如权利要求1所述的麦克风传感器，其特征在于，所述压电材料为氮化铝，厚度1-2um。
5.如权利要求1所述的麦克风传感器，其特征在于，所述上电极为金属材料，厚度0.1-0.5um。
6.如权利要求1所述的麦克风传感器，其特征在于，所述底部电极为掺杂多晶硅材料。
7.一种麦克风传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在半导体衬底上形成第一介质层；
在第一介质层的中央区域上形成底部电极和第二介质层；
在所述第二介质层上形成下电极、压电层和上电极的叠层结构；
在下极板表面形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成背电极；
图形化，在边缘区域形成分别暴露各导电膜层的互连开口，在中央区域形成暴露第三介质层的振膜开口，并在互连开口和振膜开口区域以外覆盖有第三介质层；
在互连通孔中形成金属插塞；
在所述半导体衬底背面形成背面开口，所述背面开口正对所述牺牲层位置；
去除牺牲层和第一介质层。
8.如权利要求7所述的麦克风传感器的制备方法，其特征在于，所述第二介质层上形成下电极、压电层和上电极的叠层结构的步骤为：
在第二介质层上形成下电极；
在下电极上形成压电层；
在压电层上形成上电极。
9.如权利要求7所述的麦克风传感器的制备方法，其特征在于，在第一介质层的中央区域上形成底部电极和第二介质层的步骤包括：第一介质层上形成多晶硅层；在形成多晶硅层后进行离子注入；在掺杂多晶硅层表面形成第二介质层。
10.如权利要求7所述的麦克风传感器的制备方法，其特征在于，所述压电层材料为氮化铝，厚度1-2um。
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