CN202535536U - 一种单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片，该芯片以SOI晶圆为基材，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面依次制作形成集成电路和电容式硅微麦克风，并且采用SOI晶圆的顶层硅制作电容式硅微麦克风的背极板。由于顶层硅的厚度可以根据设计的背极板的厚度事先选择确定，因此背极板厚度可控，即使受到低温淀积工艺局限也可制作出符合厚度要求的背极板，从而有效避免电容式硅微麦克风的软背极效应。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片。
背景技术
麦克风是一种将声音信号转化为电信号的换能器。电容式麦克风的基本结构包括作为电容一极的振动膜和作为电容另外一极的背极板，当声音信号作用于麦克风，声压导致振动膜发生形变，进而引起振动膜与背极板之间的电容变化，此电容变化可由后续的处理电路转化为电信号。其中背极板的刚性在保证电容式麦克风的良好频率特性以及低噪声等方面至关重要。
近年来，MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微电机系统)半导体制造工艺发展迅速，已实现MEMS器件的批量生产；并且随着SOC(System-on-a-chip，系统单芯片)技术的发展，也已实现MEMS器件和集成电路(Intergrated Circuits，IC)的单片集成。目前MEMS器件和集成电路的单片集成制作方法，往往是先完成标准的集成电路制作，然后再在同一晶圆上完成MEMS器件的制作，从而既可以充分利用现有成熟的工艺流程，又可以避免可能引入的污染而导致的集成电路失效。
然而，上述的MEMS器件和集成电路单片集成方法制作的芯片，由于在完成集成电路制作后，为不影响集成电路性能，要求在随后的MEMS器件制作过程中不能有高温工艺，因为集成电路制造流程完成后，其内部的铝布线不能承受400℃以上的高温，因此在制作电容式硅微麦克风的背极板时，一般采用低温物理或化学沉积的方法制作，从而很难制作出足够厚度的背极板；同时由于电容式硅微麦克风的尺寸很小，为了减小气流阻力，在其背极板上往往开有大量的声孔。以上两种因素的综合，降低了电容式硅微麦克风背极板的刚性，极易形成软背极效应。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片，能够有效避免电容式硅微麦克风的软背极效应。
为解决上述技术问题本实用新型实施例提供如下技术方案：
一种单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片，所述芯片基于SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面划分有两个区域：集成电路区和电容式硅微麦克风区，其中，
所述集成电路区，包括首先按照标准半导体工艺流程制作的集成电路，并在所述集成电路上预留有与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
所述电容式硅微麦克风区，包括采用所述SOI晶圆的顶层硅形成的可导电的背极板、在所述背极板之上形成的用于支撑振动膜的绝缘支撑体、在所述绝缘支撑体之上的可导电的振动膜，所述背极板和振动膜之间具有空气隙，所述背极板下部具有背腔，且在所述背极板上设置有贯通所述背腔和所述空气隙的若干个声孔；并且还包括所述背极板上设置的背板电极、在所述振动膜上设置的振膜电极，以及所述背板电极和所述振膜电极分别与所述集成电路上预留的导电电极的电气连接通路。
与现有技术相比，本实用新型的单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片，该芯片以SOI晶圆作为基材，在SOI晶圆的顶层硅表面依次制作形成集成电路和电容式硅微麦克风，并且采用SOI晶圆的顶层硅制作电容式硅微麦克风的背极板，由于顶层硅的厚度可以根据所设计背极板的厚度事先选择确定，背极板厚度可控，因此即使受到低温淀积工艺局限也可制作出符合厚度要求的背极板，从而有效避免电容式硅微麦克风的软背极效应。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片的结构示意图；
图2为本实用新型提供的一种背板电极设计的俯视示意图；
图3为本实用新型提供的一种振膜电极设计的俯视示意图；
图4为本实用新型提供的一种振动膜释放孔的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型提供的单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片进行详细说明。图1为本实用新型提供的一种单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片的结构示意图；图2为本实用新型提供的一种背板电极设计的俯视示意图；图3为本实用新型提供的一种振膜电极设计的俯视示意图。
参见图1至图3，本实用新型的单片集成芯片，基于SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅11的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面划分有两个区域；集成电路区21和电容式硅微麦克风区22，其中，
集成电路区21，包括首先按照标准半导体工艺流程制作的集成电路，并在所述集成电路上预留有与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
电容式硅微麦克风区22，包括采用所述顶层硅11形成的可导电的背极板52、通过释放牺牲层15在所述背极板之上形成的用于支撑振动膜的绝缘支撑体58、在所述绝缘支撑体58之上的可导电的振动膜53，所述背极板52和振动膜53之间具有空气隙56，所述背极板52下部具有背腔55，且在所述背极板52上设置有贯通所述背腔55和所述空气隙56的若干个声孔51a；
并且本实用新型的单片集成芯片还包括在所述背极板52上设置的背板电极52a、在所述振动膜53上设置的振膜电极53a，以及所述背板电极52a和所述振膜电极53a分别与所述集成电路上预留的导电电极的电气连接通路52b、53b。
SOI晶圆是采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)技术，通过在两层硅基板之间封人一层绝缘的氧化层，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。SOI晶圆由以下三层构成：(1)顶层是薄薄的单晶硅构成的顶层硅11；(2)中间层是绝缘的埋氧化层12(Buried Oxide，BOX)；(3)底层是非常厚的硅衬底13，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。
SOI晶圆可分成厚膜和薄膜两类，其中顶层硅厚度大于1um的称为厚膜SOI晶圆，适用于制造功率器件，高压器件、MEMS器件和红外光学器件等；顶层硅厚度在0.1～1um的称为薄膜SOI晶圆，适用于制造高速MPU、存储器、CMOS等亚微米集成电路。在本实用新型中选择一厚膜SOI晶圆作为基材制作单片集成电容式硅微麦克风和集成电路的芯片，其顶层硅厚度大于1um。
本实用新型的电容式硅微麦克风可导电的背极板52，采用低于400℃的低温工艺，例如利用物理气相沉积、溅射或电镀方法，在顶层硅表面的第二区域22及第一区域21预留的集成电路与电容式硅微麦克风的背板电极的电气连接区域(在图中未标识)首先沉积一层金属电极层，刻蚀该金属电极层与SOI晶圆的顶层硅11形成电容式硅微麦克风可导电的背极板52。根据设计在第一金属电极层14上刻蚀出背极声孔区域图形，然后利用深槽反应离子刻蚀方法刻蚀顶层硅11，埋氧化层12作为刻蚀自停止层，从而形成背极声孔区域51，该背极声孔区域包括若干个声孔51a；随后根据设计，将第一金属电极层14刻蚀为所设计的背板电极52a，以及背板电极52a与集成电路的电气连接通路52b。
本实用新型的电容式硅微麦克风可导电的振动膜53，采用低于400℃的低温工艺首先在牺牲层15上沉积振动膜层16，接着在振动膜层16上采用低于400℃的低温工艺再沉积第二金属电极层17，刻蚀该第二金属电极层17与振动膜层16形成电容式硅微麦克风可导电的振动膜53，该振动膜53依据设计的电容式硅微麦克风的灵敏度要求能够有效释放振膜内应力。根据设计在第二金属电极层17上刻蚀形成振膜电极53a以及振膜电极53a与集成电路之间的电气连接通路53b。
需要说明的是，如果振动膜层16本身可导电，那么沉积第二金属电极层17的步骤可以省略。该振动膜层16可为单层膜或复合膜，可以为采用物理气相沉积工艺形成的氮化硅、SiGe、非晶硅材料层的一种，也可以为采用化学气相沉积形成的氮化硅、SiGe、非晶硅材料层的一种，还可以为采用低压化学气相淀积形成的聚对二甲苯材料层，还可以为采用旋涂法或喷涂法形成的有机物材料层，例如聚酰亚胺等等。
在本实用新型中，牺牲层15采用在背极板52上采用低于400℃的低温工艺形成，所述牺牲层15的材料可以为氧化硅、PSG(磷硅玻璃)、PETEOS(PlasmaEnhanced TEOS，四乙氧基硅烷)、聚酰亚胺等绝缘材料；优选采用台阶覆盖性较佳的PETEOS，在确定牺牲层15的厚度后，通过设计合适的声孔51a的开孔半径，将得到较好的开槽填充效果，例如在4um的牺牲层厚度情况下，开孔半径为3um时，可视为声孔51a将在牺牲层15制备过程中被沉积的牺牲层材料填充满，牺牲层15的上表面将获得平坦化。
在本实用新型中，背腔55通过从第二区域22所对应的SOI晶圆的硅衬底表面刻蚀硅衬底13，埋氧化层12作为自停止层形成；在背极板52和振动膜53之间的空气隙56通过刻蚀埋氧化层12及牺牲层15形成。对硅衬底13可采用ICP干法刻蚀方法，或者各向异性刻蚀液(例如KOH及四甲基氢氧化铵溶液为刻蚀液)进行湿法刻蚀，两种体刻蚀方法均以埋氧化层12作为自停止层。埋氧化层12可以采用HF蒸汽干法刻蚀去除或者BOE(Buffered Oxide Etch，BufferdHF)溶液进行湿法刻蚀。依据采用的牺牲层材料不同，刻蚀的反应剂也相应不同，当牺牲层15为聚酰亚胺时，采用等离子去胶法，去胶气体为氧气；当牺牲层15为氧化硅时，则可采用刻蚀HF蒸汽进行干法刻蚀或者BOE溶液进行湿法刻蚀。
在刻蚀牺牲层15过程中，一般采取两步释放方式：第一步，芯片正面保护状态下，蚀刻剂从背腔55处进入，刻蚀背腔55上方的牺牲层；第二步，保护第一区域21，蚀刻剂同时从芯片正面、背腔55处进入，刻蚀其余牺牲层。通过控制蚀刻时间，在保留振动膜四角区域下方的牺牲层同时，振动膜其余区域下方的牺牲层被完全释放完毕，从而在振动膜53的边缘区域上保留部分牺牲层形成支撑振动膜的绝缘支撑体58。
一种优选方案，参见图4，图4为本实用新型提供的一种振动膜释放孔的俯视示意图。释放孔53c分布在振动膜的边缘处，振动膜的四个角区域无释放孔分布，最终仅四个角的虚线区域的牺牲层被保留。通过设计振动膜上释放孔及背极板上声孔的分布位置，可使得牺牲层在被部分刻蚀后或仅留下一处或多处分散处于振动膜边缘的部分，或留下连续的处于振动膜全部边缘的部分。这样部分刻蚀牺牲层后得到的绝缘支撑体58，其可连续处于振动膜的全部边缘以使所述振动膜的全部边缘都通过所述绝缘支撑体58与背极板相连接，其也可以分散处于振动膜的一处或多处的边缘部分以使所述振动膜的一点或多点通过所述绝缘支撑体58与背极板相连接。
在振动膜上设置释放孔的方案，一方面可以方便牺牲层的释放，得到符合设计要求的绝缘支撑体结构；另一方面，可相对减少背极板上声孔的设置，从而有效避免由于在背极板上开设大量的声孔所导致的软背极效应。
综上所述，本实用新型所提供的单片集成电容式硅微麦克风与集成电路的芯片，该芯片以SOI晶圆作为基材，在SOI晶圆的顶层硅表面依次制作形成集成电路和电容式硅微麦克风，并且采用SOI晶圆的顶层硅制作电容式硅微麦克风的背极板，由于顶层硅的厚度可以根据所设计背极板的厚度事先选择确定，背极板厚度可控，因此即使受到低温淀积工艺局限也可制作出符合厚度要求的背极板，从而有效避免电容式硅微麦克风的软背极效应。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电容式硅微麦克风与集成电路单片集成的芯片，其特征在于，所述芯片基于SOI晶圆，所述SOI晶圆的顶层硅的厚度根据所设计的电容式硅微麦克风的背极板的厚度选择确定，在所述顶层硅表面划分有两个区域：集成电路区和电容式硅微麦克风区，其中，
所述集成电路区，包括首先按照标准半导体工艺流程制作的集成电路，并在所述集成电路上预留有与电容式硅微麦克风电气连接的导电电极；
所述电容式硅微麦克风区，包括采用所述SOI晶圆的顶层硅形成的可导电的背极板、在所述背极板之上形成的用于支撑振动膜的绝缘支撑体、在所述绝缘支撑体之上的可导电的振动膜，所述背极板和振动膜之间具有空气隙，所述背极板下部具有背腔，且在所述背极板上设置有贯通所述背腔和所述空气隙的若干个声孔；并且还包括在所述背极板上设置的背板电极、在所述振动膜上设置的振膜电极，以及所述背板电极和所述振膜电极分别与所述集成电路上预留的导电电极的电气连接通路。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述SOI晶圆为厚膜SOI晶圆，其顶层硅厚度大于1um。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，在所述振动膜上设置有释放孔。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述绝缘支撑体或连续处于所述振动膜的全部边缘部分，或分散处于所述振动膜一处或多处边缘部分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268 Patentee after: Goertek Inc. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268 Patentee before: Goertek Inc. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200610 Address after: 266104 room 103, 396 Songling Road, Laoshan District, Qingdao, Shandong Province Patentee after: Goer Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268 Patentee before: GOERTEK Inc. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121114 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |