CN1630432A - 具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于硅微电容传声器中的芯片及其制备方法。该芯片包括一n－型硅基片，在其正面扩散硼形成p+型搀杂层，在该层上面沉积二氧化硅、刻蚀成隔离层，在其上附着一振动膜层，振动膜层之上沉积金属铝膜，并光刻、腐蚀成圆形铝膜和方形铝电极；在硅基片的背面有一层氮化硅保护膜，从硅基片的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层，并垂直于p+型搀杂层地方向上腐蚀出声学孔形成穿孔背板，穿孔背板与氮化硅做的振动膜层之间为空气隙。本发明采用的工艺方法，制成圆形结构的气隙层、振动膜和圆环形隔离层，同时在振动膜边缘上布有均匀的圆形微穿孔，减小了振动膜的应力，大大提高了振动膜的灵敏度，避免了时效的破裂。
Description
技术领域
本发明涉及硅微电容传声器领域，特别涉及一种具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片及其制备方法。
背景技术
硅微电容传声器由形成硅微电容的硅芯片部分和外围电路部分组成，其中硅芯片部分由硅基片及其上的穿孔(声学孔)背板、空气隙、隔离层、振动膜、金属膜及金属电极组成。通常的硅微电容传声器由于受制作方式的限制，一般空气隙、隔离层、振动膜均为方形的，如Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)，1998 IEEE11th International Workshop p580-585，由P.-C.Hsu，C.H.Mastrangelo，andK.D.Wise所著的《A HIGH SENSITIVITY POLYSILICON DIAPHRAGM CONDENSERMICROPHONE》一文中所述的。在制作该硅微电容传声器时，从硅片背面的体刻蚀只能产生方形背板，之后用氢氟酸腐蚀，氢氟酸通过该方形背板上几何尺度较小的声学孔腐蚀二氧化硅层，进行二氧化硅的牺牲层释放，二氧化硅同时作为牺牲层和方形隔离层，腐蚀掉的中间的牺牲层部分形成空气隙，释放牺牲层后剩余的部分二氧化硅层作为方形隔离层。在氢氟酸腐蚀二氧化硅较慢的情况下几乎不可能腐蚀出圆形空气隙区域，而且过长时间的腐蚀将导致氮化硅振动膜被破坏。这样，在牺牲层和隔离层呈方形的情况下，振动膜的应力较大，尤其是在尖角处的应力更大，产生应力集中，进而导致传声器的灵敏度下降乃至时效破裂。采用上述制作工艺的话，即使制作圆形振动膜，也必然与不规则(非圆形)的空气隙区域形成应力集中的尖角，同时完整的振动膜也使得应力保持较高的水平。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有制作工艺制成的方形振动膜在尖角处的应力较大，因此导致传声器的灵敏度下降乃至时效破裂的缺陷，从而提供一种具有圆环形隔离层和圆形空气隙、同时在振动膜边缘上布有均匀的圆形微穿孔的、具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的一种具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，包括一n-型硅基片1，在硅基片1的正面扩散硼形成p+型搀杂层3，在p+型搀杂层3上面沉积二氧化硅，光刻、腐蚀成隔离层4，隔离层4上附着一层氮化硅做的振动膜层6，振动膜层6之上沉积金属铝膜，并经光刻、腐蚀成圆形铝膜和方形铝电极9(如图4、5所示)；在硅基片1的背面有一层氮化硅保护膜11，从硅基片1的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层3，在垂直于p+型搀杂层3的方向上腐蚀出声学孔7形成穿孔背板，穿孔背板与氮化硅做的振动膜层6之间为空气隙8；其特征在于：在所述的振动膜层6和之上沉积的金属铝膜经光刻、腐蚀成圆形铝膜边缘上，布有均匀的圆形微穿孔10；所述的圆形微穿孔10直径1～20微米，其圆心位于直径为圆形铝膜直径的70～98％的同心圆上，相邻两个微穿孔的圆心形成的圆心角为微穿孔与同心圆相交两点形成的圆心角的1～10倍。
所述的隔离层4为圆环状；其厚度为0.5～6微米，内径为500～3000微米，径向宽度为50～150微米。
所述的空气隙8为圆形，其厚度为0.6～7微米，直径为500～3000微米。
所述的振动膜层6为圆形，其厚度为0.1～1微米，直径600～3300微米。
所述的穿孔背板上腐蚀出的孔排列呈阵列式，除孔以外部位为p+型搀杂层3，硼扩散深度为3～20微米。
本发明提供的一种具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
【1】取一n-型硅基片1经过高温氧化生长一厚度为0.5～2微米的二氧化硅，光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜2，在硅片正面进行深度硼扩散，形成穿孔背板中除孔分布部位以外部位的p+型搀杂层3，硼扩散深度为3～20微米；
【2】氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜2，在硅片正面磁控溅射0.1～1微米的氧化锌辅助牺牲层，光刻、磷酸腐蚀出圆形辅助牺牲层；淀积厚度为0.5～6微米的低温二氧化硅4；在硅片双面淀积厚度为0.1～1微米的氮化硅，其正面光刻后，氮化硅被刻蚀成圆形振动膜，氮化硅之下的低温二氧化硅也被刻蚀为同样的圆形(此圆形的直径大于圆形氧化锌辅助牺牲层的直径，其中对应圆形氧化锌辅助牺牲层的部分作为牺牲层，其余圆环形部分作为隔离层)，背面氮化硅光刻后被刻蚀成正方形硅体刻蚀的掩膜；
【3】从硅片背面对硅基片1用氢氧化钾进行硅体刻蚀，当氢氧化钾腐蚀到p+型搀杂层3时，由于氢氧化钾对未硼扩散的穿孔区域的腐蚀速度远高于深度硼扩散的穿孔背板区域，使穿孔背板孔分布部位被很快腐蚀掉，形成穿孔背板上的声学孔7，该穿孔背板上腐蚀出的穿孔呈阵列式排列；然后，氢氧化钾通过穿孔到达圆形氧化锌辅助牺牲层5，将由氧化锌构成的辅助牺牲层5很快腐蚀完，形成一与圆形氧化锌辅助牺牲层5形状完全相同的圆形的气隙；之后，用氢氟酸将圆形低温二氧化硅牺牲层腐蚀释放，从而形成圆形空气隙8；
【4】在硅片正面蒸镀厚度为0.05～0.2微米的金属铝膜，并光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜以及方形电极9；甩光刻胶后，光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜上的圆形微穿孔10，再将铝膜之下的氮化硅圆形振动膜刻蚀出圆形微穿孔10。
所述的氧化锌圆形辅助牺牲层的直径为500～3000微米，厚度为0.1～1微米，所述氮化硅圆形振动膜的直径(等于圆形低温二氧化硅层的直径)为600～3300微米，其直径比圆形辅助牺牲层的直径大100～300微米；圆环形低温二氧化硅层的厚度为0.5～6微米；
采用较易腐蚀的氧化锌作为辅助牺牲层，与较难腐蚀的低温二氧化硅共同组成牺牲层；因此实际的空气隙是由圆形氧化锌辅助牺牲层被氢氧化钾腐蚀后形成的空气隙和位于氧化锌之上的圆形低温二氧化硅层被氢氟酸腐蚀后形成的空气隙共同组成。
体刻蚀之后氢氧化钾通过穿孔将圆形的氧化锌薄膜很快去除，从而形成圆形的空气隙区域；之后氢氟酸腐蚀圆形低温二氧化硅牺牲层时，氢氟酸腐蚀液可以以整个圆形区域平面垂直向上进行腐蚀。由于牺牲层垂直方向的几何尺度(约1～6微米)远小于水平方向的几何尺度(相邻穿孔间隔的一半，约20～40微米)，使低温二氧化硅牺牲层能够以十倍左右的速度腐蚀完，同时保持与氧化锌辅助牺牲层完全相同的形状，氢氟酸释放二氧化硅牺牲层时可以保持圆形的形状。
本发明的优点在于：
本发明提供的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，采用了一种新的工艺方法，制成圆形结构的气隙层、隔离层和振动膜，减小了振动膜的应力，大大提高了振动膜的灵敏度，避免了时效破裂；同时，由于二氧化硅牺牲层二氧化硅的腐蚀方向不是以往尺度较大的水平方向，而是尺度较小的垂直方向，被腐蚀的速度较快，减小了以往氢氟酸释放牺牲层的同时对氮化硅振动膜较强的腐蚀。
本发明提供的芯片在所述的振动膜层6和之上沉积的金属铝膜经光刻、腐蚀成圆形铝膜边缘上，布有均匀的圆形微穿孔，该圆形微穿孔可以使氮化硅圆形振动膜的应力得到一定程度的释放，同时穿孔的直径足够小，以保持较大的声阻，大大提高了振动膜的灵敏度，避免了时效的破裂。
图面说明
图1是本发明的制备方法在硅片正面进行深度硼扩散后形成的剖面示意图
图2是本发明的制备方法中淀积、光刻、腐蚀出圆形辅助牺牲层，低温二氧化硅，淀积、光刻、刻蚀出圆形振动膜，刻蚀出圆形振动膜之下的圆环形隔离层和圆形牺牲层，光刻、刻蚀出背面的正方形硅体刻蚀的掩膜后形成的剖面示意图
图3是本发明的制备方法中体刻蚀硅片、腐蚀辅助牺牲层和释放牺牲层形成圆形气隙层后形成的剖面示意图
图4是淀积、光刻出圆形金属铝膜，光刻并刻蚀出圆形微穿孔，完成本发明硅微电容传声器中的芯片的剖面示意图
图5是本发明用于硅微电容传声器中的芯片的俯视图
图6是本发明用于硅微电容传声器中的芯片的仰视图
图7是本发明传声器芯片制备方法的流程图
附图标识：
1、n-(100)硅片 2、高温二氧化硅 3、p+型搀杂层
4、低温二氧化硅层 5、辅助牺牲层(氧化锌) 6、振动膜层(氮化硅)
7、声学孔 8、空气隙(释放牺牲层后形成)
9、铝膜及电极 10、圆形微穿孔 11、保护膜
1 n-(100)Si 2 高温SiO2 3 p+掺杂Si 4 低温SiO2 5 氧化锌 6，11氮化硅 9 铝膜及电极
具体实施方式
参照附图结合本发明的制备方法，将详细叙述本发明的传声器芯片具体结构
实施例1
本实施例提供的一种本发明用于硅微电容传声器中的芯片，参见附图4-6；该芯片包括一n-型硅基片1，在硅基片1的正面扩散硼形成p+型搀杂层3，其厚度为3或20微米；在p+型搀杂层3沉积二氧化硅并光刻、腐蚀成圆环形隔离层4，该圆环形隔离层4的内径为500或3000微米，径向宽度为50或150微米；在隔离层4上附着一层氮化硅做的圆形振动膜层6，振动膜层6之上沉积并光刻、腐蚀成圆形金属铝膜和方形电极9，在振动膜和圆形铝膜边缘上布有均匀的圆形微穿孔10；该圆形微穿孔10直径为1～20微米；其圆心位于直径为圆形铝膜直径的70～98％的同心圆上，相邻两个微穿孔的圆心形成的圆心角为微穿孔与同心圆相交两点形成的圆心角的1～10倍。在硅基片1的反面有一层氮化硅保护膜11，从硅基片1的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层3，垂直于p+型搀杂层3腐蚀出声学孔7形成穿孔背板，穿孔背板与氮化硅做的振动膜层6之间为空气隙8；所述空气隙8为圆形，其厚度为0.6或7微米，直径为500或3000微米。穿孔背板上腐蚀出的孔排列呈阵列式，声学孔7边长为30微米，间隔为30微米。振动膜层6厚度为0.1或1微米。
实施例2
结合附图7和具体实施例对本发明的制备方法进行详细说明：
【1】取一n-型硅基片1经过高温氧化生长一厚度为1.5微米的二氧化硅，光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜2，并在硅片1正面进行深度硼扩散，形成穿孔背板中除孔分布部位以外部位的p+型搀杂层3，硼扩散深度为10微米；
【2】氢氟酸去除高温二氧化硅掩膜后，在硅片正面磁控溅射0.5微米厚的氧化锌辅助牺牲层，光刻、磷酸腐蚀出圆形辅助牺牲层5，该氧化锌圆形辅助牺牲层的直径为1000微米，厚度为0.5微米；在硅片1正面利用等离子体增强化学气相淀积设备(PECVD)淀积厚度为3微米的低温二氧化硅4；再在硅片1双面利用低压化学气相淀积设备(LPCVD)淀积厚度为0.5微米的氮化硅，其正面光刻后，氮化硅被等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀成圆形振动膜6，氮化硅之下的低温二氧化硅也被ICP刻蚀为同样的圆形(此圆形的直径大于圆形氧化锌辅助牺牲层，其中对应圆形氧化锌辅助牺牲层的部分作为牺牲层，其余圆环形部分作为隔离层4，其厚度为0.5～6微米，内径为500～3000微米，径向宽度为50～150微米)，其背面光刻后氮化硅被ICP刻蚀成正方形硅体刻蚀的掩膜；该氮化硅圆形振动膜6的直径(等于圆形低温二氧化硅层的直径)为1500微米，其直径比圆形辅助牺牲层的直径大500微米；其中所述的氧化锌圆形辅助牺牲层的直径为500～3000微米，厚度为0.1～1微米；所述氮化硅圆形振动膜的直径(等于圆形低温二氧化硅层的直径)为600～3300微米，其直径比圆形辅助牺牲层的直径大100～300微米；圆环形低温二氧化硅层的厚度为0.5～6微米；
【3】从硅片背面对硅基片1用氢氧化钾进行硅体刻蚀，当氢氧化钾腐蚀到p+型掺杂层3时，由于氢氧化钾对未硼扩散的穿孔区域的腐蚀速度远高于深度硼扩散的穿孔背板区域，使穿孔背板孔分布部位被很快腐蚀掉，在垂直于穿孔背板上形成声学孔7，该穿孔背板上腐蚀出的声学孔7呈阵列式排列，该声学孔(7)边长为30～80微米，间隔为30～80微米；然后，氢氧化钾通过穿孔到达圆形氧化锌辅助牺牲层5，将由氧化锌构成的辅助牺牲层5腐蚀完，形成一与圆形氧化锌辅助牺牲层5形状完全相同的空气隙8；之后，用氢氟酸将圆形低温二氧化硅牺牲层(即二氧化硅层中位于圆形氧化锌辅助牺牲层之上的部分)腐蚀释放形成空气隙，从而与前述的与圆形氧化锌辅助牺牲层5形状完全相同的空气隙共同组成圆形空气隙8；其中空气隙8为圆形，其厚度是圆环形隔离层(4)和被腐蚀掉的氧化锌层的厚度之和，为0.6～7微米，直径为500～3000微米；
【4】在硅片1正面蒸镀厚度为0.1微米的金属铝膜，并光刻、磷酸腐蚀出圆形的金属铝膜以及方形电极9。甩光刻胶后，光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜上的圆形微穿孔，再将铝膜之下的氮化硅圆形振动膜刻蚀出圆形微穿孔。圆形微穿孔10直径2微米，其圆心位于直径为圆形铝膜直径的95％的同心圆上，相邻两个微穿孔的圆心形成的圆心角为微穿孔与同心圆相交两点形成的圆心角的3倍。
Claims (8)
1.一种具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片；包括一n-型硅基片(1)，在硅基片(1)的正面扩散硼形成p+型搀杂层(3)，在p+型掺杂层(3)上面通过沉积二氧化硅和光刻、腐蚀成隔离层(4)，在其上附着一层氮化硅做的振动膜层(6)，振动膜层(6)之上沉积并光刻、腐蚀成圆形金属铝膜(9)和方形的金属铝电极(9)：在硅基片(1)的背面有一层氮化硅保护膜(11)，从硅基片(1)的底面腐蚀出一梯形缺口，该梯形缺口的深度至p+型搀杂层(3)，并在垂直于p+型搀杂层(3)上腐蚀出声学孔(7)形成一穿孔背板，穿孔背板与振动膜层(6)之间为空气隙(8)：其特征在于：在所述的振动膜层6和之上沉积的金属铝膜经光刻、腐蚀成圆形铝膜边缘上，布有均匀的圆形微穿孔10；该圆形微穿孔10直径1～20微米，其圆心位于直径为圆形铝膜直径的70～98％的同心圆上，相邻两个微穿孔的圆心形成的圆心角为微穿孔与同心圆相交两点形成的圆心角的1～10倍。
2.按权利要求1所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，其特征在于：所述的隔离层(4)为圆环状；其厚度为0.5～6微米，内径为500～3000微米，径向宽度为50～150微米。
3.按权利要求1所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，其特征在于：所述的空气隙8为圆形，其厚度是圆环形隔离层(4)和被腐蚀掉的氧化锌层的厚度之和，为0.6～7微米，直径为500～3000微米。
4.按权利要求1所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，其特征在于：所述的振动膜层6为圆形，其厚度为0.1～1微米，直径500～3300微米。
5.按权利要求1所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，其特征在于：所述的穿孔背板上腐蚀出的声学孔(7)排列呈阵列式，除孔以外部位为p+型搀杂层3，硼扩散深度为3～20微米。
6.按权利要求1或5所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片，其特征在于：所述的声学孔(7)边长为30～80微米，间隔为30～80微米。
7.一种权利要求1所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
【1】取一n-型硅基片(1)经过常规高温氧化生长一厚度为0.5～2微米的二氧化硅，光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜(2)，并在硅片正面进行深度硼扩散，形成穿孔背板中除孔分布部位以外部位的p+型搀杂层(3)，硼扩散深度为3～20微米；
【2】用氢氟酸去除步骤1制备出的高温二氧化硅掩膜(2)，然后在硅片正面淀积出厚度为0.1～1微米的氧化锌辅助牺牲层，经光刻、磷酸腐蚀出圆形辅助牺牲层；在硅片正面淀积厚度为0.5～6微米的低温二氧化硅4；再在硅片双面淀积厚度为0.1～1微米的氮化硅，其正面光刻后，氮化硅被等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀成圆形振动膜(6)，氮化硅之下的低温二氧化硅也被ICP刻蚀为同样的圆形，该圆形的直径大于圆形氧化锌辅助牺牲层(5)，其中对应圆形氧化锌辅助牺牲层的部分作为牺牲层，其余圆环形部分作为隔离层(4)，硅片背面光刻后氮化硅被ICP刻蚀成正方形硅体刻蚀的掩膜(10)；
【3】从硅片背面对硅基片(1)用氢氧化钾进行硅体刻蚀，当氢氧化钾腐蚀到p+型搀杂层(3)时，由于氢氧化钾对未硼扩散的穿孔区域的腐蚀速度远高于深度硼扩散的穿孔背板区域，使穿孔背板孔分布部位被很快腐蚀掉，在垂直于穿孔背板上形成声学孔(7)，该穿孔背板上腐蚀出的声学孔(7)呈阵列式排列；然后，氢氧化钾通过穿孔到达圆形氧化锌辅助牺牲层(5)，将由氧化锌构成的辅助牺牲层(5)腐蚀完，形成一与圆形氧化锌辅助牺牲层(5)形状完全相同的形状；之后，用氢氟酸将圆形低温二氧化硅牺牲层腐蚀释放，从而形成圆形空气隙(8)；
【4】在硅片(1)正面蒸镀厚度为0.05～0.2微米的金属铝膜，并光刻、磷酸腐蚀出圆形的金属铝膜以及方形电极(9)，甩光刻胶后，光刻、磷酸腐蚀出圆形铝膜上的圆形微穿孔10，再将铝膜之下的氮化硅圆形振动膜刻蚀出圆形微穿孔10。
8.按权利要求7所述的具有高灵敏度的用于硅微电容传声器的芯片的制备方法，其特征在于：所述的氧化锌圆形辅助牺牲层的直径为500～3000微米，厚度为0.1～1微米；所述氮化硅圆形振动膜的直径为600～3300微米，其直径比圆形辅助牺牲层的直径大100～300微米；圆环形低温二氧化硅层的厚度为0.5～6微米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090610 Termination date: 20111217 |