CN203104765U - 采用多孔soi硅硅键合的mems硅麦克风 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，包括多孔背极板硅基及位于所述多孔背极板硅基上方的单晶硅振膜，其特征在于：所述的多孔背极板硅基和单晶硅振膜作为麦克风电容的两极板，经过硅硅键合工艺键合成一体。多孔背极板硅基上设有背极板金属电极、声孔和背腔，单晶硅振膜上设有金属电极和小凸柱，振膜金属电极和背极板电极分别为麦克风电容两极板的输出信号引出端，用来与CMOS信号放大电路实现电连接；单晶硅振膜由氧化硅层支撑悬于多孔背极板硅基的上方，单晶硅振膜和多孔背极板硅基之间设有气隙，多孔背极板硅基、单晶硅振膜和气隙形成电容结构。本实用新型工艺简单，产品灵敏度高、一致性好且生产良率高。

Description

采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风

技术领域

本实用新型涉及一种电容式硅麦克风，特别是公开一种采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，属于硅麦克风的技术领域。

背景技术

麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。传统的驻极体电容式麦克风采用特氟龙作为振动薄膜，不能承受在印刷电路板回流焊接工艺近300度的高温，从而只能与集成电路的组装分开，单独手工装配，大大增加了生产成本。

近三十年的MEMS（Microelectromechanical Systems）技术与工艺的发展，特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器（如压力传感器，加速度计，陀螺仪等）的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。

MEMS麦克风主要还是采用电容式的原理，由一个振动薄膜和背极板组成，振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成电容变化。MEMS麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化，再放大后变成电输出。

人的语音声压信号非常微弱，振动薄膜必须非常灵敏。振动膜通常采用常规的半导体加工工艺—淀积得到，材料可采用多种或多层材料得到（比如掺杂多晶硅，金属与氮化硅复合膜等）。由于材料的热膨胀系数不同和高温工艺，制备后的振动薄膜会有不同程度的残留应力，大大影响了振动薄膜的灵敏度。所以，用多晶硅作为振动薄膜时，在制备后一般会采用附加退火工艺，来调节残留应力降到最低；若用氮化硅作为振动薄膜，在制备时通过调节反应气体间的比例来降低残留应力。但采用这种方法对减小残余应力的效果不大，而且重复性不好，实现也较为复杂。另外，也可以采用改变振动薄膜的机械结构，把一般的平板型振动薄膜改为纹膜，浮膜，或在振动薄膜上切割微小的槽，从而达到减少残留应力﹑增加灵敏度的目的。但改变振动薄膜结构的方法会造成制备工艺复杂化，增加成本，降低良率。

背极板除了与振动薄膜形成电容以外，还具有控制麦克风的频带，降低声学噪声等功能。它需要具有一定的刚度，不会因外部的振动或声压而形变。除此以外，一般的设计还需在背极板上制备数百至上千个直径为几微米的穿孔，用来调节麦克风的频带和降低声学噪声。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，制造工艺简单，且可提高电容式微型硅麦克风的良率和灵敏度。

本实用新型是这样实现的：一种采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，包括多孔背极板硅基及位于所述多孔背极板硅基上方的单晶硅振膜，其特征在于：所述的多孔背极板硅基和单晶硅振膜均导电良好，作为麦克风电容的两极板；多孔背极板硅基上沉积有背极板多晶硅，背极板多晶硅上沉积有背极板金属电极，背极板金属电极经背极板多晶硅和多孔背极板硅基电连接；多孔背极板硅基上设有声孔和背腔，声孔和背腔相通；单晶硅振膜上设有小凸柱，小凸柱的材质为多晶硅和金属层，小凸柱避免单晶硅振膜和多孔背极板硅基的吸合；单晶硅振膜上沉积有振膜多晶硅，振膜多晶硅上沉积有振膜金属电极，振膜金属电极经振膜多晶硅和单晶硅振膜电连接；振膜金属电极和背极板电极均采用Al/Cu合金与TiN材质，分别为麦克风电容两极板的输出信号引出端，用来与CMOS信号放大电路实现电连接；单晶硅振膜和多孔背极板硅基经硅硅键合工艺键合成一体，单晶硅振膜由氧化硅层支撑悬于多孔背极板硅基的上方，单晶硅振膜和多孔背极板硅基之间设有气隙，多孔背极板硅基、单晶硅振膜和气隙形成电容结构。所述的单晶硅振膜是利用单晶硅片减薄后形成的，所述的单晶硅振膜厚度为2～3微米。所述的单晶硅振膜和多孔背极板硅基之间的气隙由湿法刻蚀氧化硅形成。

本实用新型所述麦克风的制造方法包括如下步骤：

a、采用导电性良好的背极板硅基；

b、在上述背极板硅基上DRIE刻蚀出若干盲孔，形成多孔背极板硅基，所蚀刻出的盲孔为麦克风的声孔；

c、在上述背极板硅基上热氧化出一层氧化硅层；

d、提供导电性良好的单晶硅作为振动薄膜基板，并在该基板上热氧化出一层氧化硅层；

e、将上述振动薄膜基板和背极板硅基键合；

f、将上述振动薄膜基板减薄成为振动薄膜，即单晶硅振膜；

g、等离子刻蚀上述振动薄膜，刻蚀贯穿振动薄膜，刻蚀部分下面的氧化硅，形成所需小凸柱的外轮廓；

h、等离子刻蚀贯穿上述振动薄膜及其下的氧化硅，露出背极板硅基上沉积金属电极的面；

i、在上述器件表面LPCVD掺杂多晶硅；

j、去除上述器件中背极板硅基背面的多晶硅和氧化硅；

k、在上述器件上表面沉积金属层；

l、刻蚀贯穿上述器件的金属层及其下的多晶硅，形成金属电极和小凸柱；

m、在上述器件上表面沉积一层PECVD氧化硅；

n、在上述器件的背极板硅基背面DRIE蚀刻背腔直至背极板硅基上的氧化硅，背腔位于声孔的正下方；

o、湿法去除上述器件中PECVD生成的氧化硅；

p、湿法去除上述器件中背极板硅基背腔及声孔间的氧化硅以及振动薄膜振动部分下方的氧化硅，释放振动薄膜。

按照本实用新型的技术方案，本实用新型MEMS硅麦克风，所述背极板硅基厚度为400~450μm，其导电作为电容的一极，振动薄膜（即单晶硅振膜）导电作为电容的另一极；背极板硅基上设有几十个声孔，所述声孔位于振动薄膜的正下方，孔径为40μm左右；声孔下设有背腔，使声孔更易贯通背极板硅基；振动薄膜位于声孔的上方且覆盖整个声孔面，振动薄膜上设有小凸柱，所述小凸柱可以降低在振膜化学湿法释放工艺过程中振动薄膜和背极板吸合在一起的可能性，振动薄膜由单晶硅片减薄后得到；振动薄膜由氧化硅支撑在背极板硅基上，所述氧化硅同时可实现振动薄膜和背极板硅基的电绝缘，且振动薄膜和背极板硅基间的气隙深度也由该氧化硅厚度决定；振动薄膜和背极板硅基上均沉积有金属焊盘，金属焊盘用来与CMOS信号放大电路实现电连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型多孔背极板硅基上设有单晶硅的振动薄膜，即单晶硅振膜，其通过硅硅键合法与多孔背极板硅基键合，导电的单晶硅振膜与多孔背极板硅基形成电容结构；导电的单晶硅振膜为单晶硅片减薄而成，其导电性良好，作为电容的一极，且其残余应力小且一致性好，从而可提高麦克风的灵敏度和良率；单晶硅振膜上设有小凸柱，小凸柱可降低在单晶硅振膜化学湿法释放工艺过程中和使用时单晶硅振膜和多孔背极板硅基吸合的可能性，进一步提高麦克风的良率；多孔背极板硅基导电性良好，作为电容的另一极，多孔背极板硅基上设有声孔。声音作用于单晶硅振膜上时，外接CMOS电路通过检测单晶硅振膜变化引起的电容变化从而输出相应的声音信号。本发明方法制得麦克风的生产工艺简单、灵敏度高、成本低、一致性好、良率高。

附图说明

图1  是本实用新型MEMS硅麦克风一侧的结构示意图。

图2  是本实用新型MEMS硅麦克风另一侧的结构示意图。

图3  是本实用新型MEMS硅麦克风的剖视结构示意图。

图4  是本实用新型方法中在背极板硅基上形成声孔后的截面示意图。

图5  是本实用新型方法中在背极板硅基表面生成氧化硅后的截面示意图。

图6  是本实用新型方法中振膜硅基表面生成氧化硅后的截面示意图。

图7  是本实用新型方法中背极板硅基和振膜硅基硅硅键合后形成器件的截面示意图。

图8  是本实用新型方法中将振膜硅基减薄为振膜后的截面示意图。

图9  是本实用新型方法中在振膜和氧化硅上刻蚀出供沉积小凸柱的孔的截面示意图。

图10 是本实用新型方法中刻蚀振膜和氧化硅露出背极板硅基上沉积金属电极的面的截面示意图。

图11 是本实用新型方法中在器件表面LPCVD掺杂多晶硅的截面示意图。

图12 是本实用新型方法中去除器件背极板硅基背面的多晶硅和氧化硅后的截面示意图。

图13 是本实用新型方法中在器件上表面沉积金属膜的截面示意图。

图14 是本实用新型方法中刻蚀金属膜和多晶硅得到电极和凸柱的截面示意图。

图15 是本实用新型方法中在器件上表面沉积一层PECVD氧化硅的截面示意图。

图16 是本实用新型方法中在器件背面刻蚀出背腔的截面示意图。

图17 是本实用新型方法中去除上表面的氧化硅的截面示意图。

图18 是本实用新型方法中去除背极板硅基背腔及声孔间的氧化硅以及振动薄膜振动部分下方的氧化硅，释放出振膜的截面示意图。

图中：1、多孔背极板硅基； 2、单晶硅振膜； 3、声孔； 4、背腔； 5、气隙； 6、背极板金属电极；7、背极板多晶硅； 8、小凸柱； 9、绝缘介质层； 10、振膜金属电极； 11、振膜多晶硅。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

根据附图1～附图18，本实用新型包括多孔背极板硅基1、单晶硅振膜2、声孔3、背腔4、气隙（极板间距）5、背极板金属电极6、背极板多晶硅7、小凸柱8、绝缘介质层（即氧化硅层）9、振膜金属电极10、振膜多晶硅11。

根据附图3，本实用新型MEMS硅麦克风包括多孔背极板和位于背极板上的单晶硅振膜2以及单晶硅振膜的支撑体。本发明中背极板包括多孔背极板硅基1，多孔背极板硅基1设有声孔3和背腔4。声孔3均匀分布于背腔4的上方，且与背腔4相通。多孔背极板硅基1上LPCVD掺杂多晶硅，形成背极板多晶硅7，背极板多晶硅7为掺杂多晶硅，导电性良好。背极板多晶硅7上覆盖有背极板金属电极6，背极板金属电极6通过背极板多晶硅7与多孔背极板硅基1电连接。声孔3的孔径为40微米左右，作为麦克风背极板的多孔背极板硅基1厚度为400～450微米；声孔的大小、数量及位置按需要进行设定，以能够得到所需的灵敏度﹑带宽与极低的声学噪音为准。

单晶硅振膜2由单晶硅减薄而成，单晶硅振膜2导电性良好，作为麦克风电容的一极。单晶硅振膜2由绝缘介质层（即氧化硅层）9支撑，悬空于声孔3的上方，与多孔背极板硅基1间形成气隙5。氧化硅层9的厚度决定了气隙5的深度，同时氧化硅层9的绝缘性能保证了单晶硅振膜2和多孔背极板硅基1的电绝缘。单晶硅振膜2上设有小凸柱8，小凸柱可降低单晶硅振膜2和多孔背极板硅基1吸合在一起的可能性。小凸柱8的材质为多晶硅和金属层，与电极同步成型。单晶硅振膜2的电极部分有多晶硅11，多晶硅11为掺杂多晶硅，导电性良好。多晶硅11上覆盖有振膜金属电极10，振膜金属电极10通过振膜多晶硅11与单晶硅振膜2电连接。背极板金属电极6、振膜金属电极10和小凸柱上的金属层的材质均为Al/Cu合金+TiN，采用先沉积金属层，再干法刻蚀出所需图形行成。

根据附图图4～附图18，本实用新型采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风的制造方法包括下述工艺步骤：

a、提供导电性良好的背极板硅基，背极板硅基作为电容的一极，其厚度为400～450微米；

b、在上述背极板硅基上DRIE刻蚀50～100微米深的盲孔（即声孔3），形成多孔背极板硅基1，所蚀刻出的盲孔为麦克风的声孔。如附图4所示：盲孔使用DRIE刻蚀，深度为50～100微米，盲孔的孔径为40微米左右； 

c、在上述背极板硅基1上热氧化约1微米的氧化硅层12。如附图5所示：氧化硅层12用于背极板硅基1与振膜硅基的硅硅键合，且该氧化硅层可做为下面DRIE刻蚀背腔4时的停止层；

d、提供导电性良好的振膜硅基，并热氧化约1.5微米厚的氧化硅层13。如附图6所示：氧化硅层13用于振膜硅基与背极板硅基1硅硅键合；氧化硅层13与步骤c中的氧化硅层12在硅硅键合后合成为氧化硅层9；

e、将振膜硅基与背极板硅基1硅硅键合形成器件。如附图7所示：采用硅硅键合工艺将振膜硅基与背极板硅基键合成一体；

f、将上述器件上的振膜硅基减薄。如附图8所示：将上述器件上的振膜硅基减薄形成振动薄膜，即单晶硅振膜2，单晶硅振膜2的厚度为2～3微米； 

g、在单晶硅振膜2和氧化硅层9上刻蚀出小孔14。如附图9所示：在上述单晶硅振膜2上干法刻蚀小孔，小孔贯穿单晶硅振膜2，在单晶硅振膜2上小孔的位置干法刻蚀露出的氧化硅层9，刻蚀氧化硅层9的深度约1.5微米，刻蚀的小孔14的轮廓为小凸柱8的外轮廓；

h、在上述器件上刻蚀贯穿单晶硅振膜2和氧化硅层9部分区域，露出多孔背极板硅基上供沉积背极板上多晶硅7和背极板金属电极6的区域。如附图10所示：干法刻蚀贯穿上述单晶硅振膜2的部分区域，同时刻蚀贯穿其下方的氧化硅层9，露出供沉积背极板多晶硅7和背极板金属电极6的背极板区域，刻蚀工艺同时刻蚀形成了单晶硅振膜2的外轮廓； 

i、在上述器件表面LPCVD掺杂多晶硅层15。如附图11所示：多晶硅层厚度为0.5微米，多晶硅导电性好；

j、去除上述器件背面的多晶硅和氧化硅。如附图12所示：去除上述器件背面的多晶硅层和热氧化硅层，利用光刻胶做正面保护，干法刻蚀去除多晶硅层，干法或湿法去除氧化硅层，干法为等离子刻蚀，湿法刻蚀液为BOE；

k、在上述器件正面溅射沉积金属层16。如附图13所示：在上述器件正面溅射沉积金属层16，金属层16的材质为Al/Cu合金和TiN，TiN覆盖在Al/Cu合金表面保护Al/Cu合金不被腐蚀，Al/Cu合金的厚度为2微米，TiN的厚度为0.1微米；

l、在上述器件正面刻蚀多晶硅层15和金属层16。如附图14所示：利用光刻胶做掩膜， RIE刻蚀贯穿金属层16，等离子刻蚀或RIE刻蚀贯穿多晶硅层15，刻蚀后形成背极板金属电极6、背极板上多晶硅7、小凸柱8、振膜金属电极10、振膜上多晶硅11，背极板金属电极6和振膜金属电极10用于与外接CMOS电路连接；

m、在上述器件正面PECVD氧化硅层17。如附图15所示：氧化硅层17厚度为1微米，作为刻蚀背腔4时正面的保护层，PECVD氧化硅层较疏松，湿法去除时较易去除；

n、在上述器件背面DRIE刻蚀背腔4。如附图16所示：利用DRIE工艺刻蚀背腔4，背腔4位于声孔3的正下方，背腔4的深度约300 ~ 350微米，DRIE刻蚀时遇到热氧化硅层12时刻蚀停止；

o、去除上述器件的氧化硅层17。如附图17所示：利用湿法刻蚀去除氧化硅层17，湿法刻蚀液为BOE，PECVD氧化硅层17较疏松，所以湿法去除时热氧化硅层15不会同时完全被去除；

p、去除背腔4正上方部分的氧化硅层12和氧化硅层13。如附图18所示：湿法去除背腔正上方的氧化硅层12和氧化硅层13，形成气隙5，背腔4与声孔3相通，刻蚀后形成氧化硅层9，氧化硅层9支撑单晶硅振膜2悬于多孔背极板硅基1上方，湿法刻蚀液为BOE，刻蚀时器件正面利用厚光刻胶保护，光刻胶的厚度为15微米以上，采用厚胶可以防止刻蚀后单晶硅振膜2被吸到多孔背极板硅基1上，厚胶可利用丙酮和干法去除，释放出单晶硅振膜2。

工作时，本实用新型MEMS硅麦克风的单晶硅振膜2与多孔背极板硅基1间形成电容结构。当外部有声音时，声音会对单晶硅振膜2产生作用力，单晶硅振膜2的表面受到作用力会产生相应的形变。当单晶硅振膜2发生形变时，单晶硅振膜2与多孔背极板硅基1间形成的电容结构也会发生对应变化，通过外接CMOS ASIC信号放大电路可检测对应的声音信号。

本实用新型的背极板在多孔背极板硅基1上来实现，声孔3的直径设计为40微米左右，声孔3通过背腔4与空气相通，降低了刻蚀声孔3的工艺成本。单晶硅薄膜2由单晶硅基体减薄而成，简化了制作工艺且降低了振动膜的应力、提高了产品的一致性及良率。电容的两极由多孔背极板硅基1和单晶硅振膜2担当，进一步简化了工艺。氧化硅层9保证了单晶硅振膜2和多孔背极板硅基1的电绝缘，同时氧化硅层9支撑单晶硅振膜2悬于背极板硅基之上，气隙5的厚度有氧化硅层9的厚度决定，气隙5由刻蚀氧化硅12和氧化硅13得到，工艺简单。单晶硅振膜2上设有小凸柱8，小凸柱8可降低单晶硅振膜2和多孔背极板硅基1吸合在一起的可能性。本实用新型的工艺均采用成熟工艺，且工艺简单。本实用新型麦克风灵敏度高、一致性好且生产良率高，该麦克风可和ASIC封装为一体，使用SMT工艺进行后续印刷电路板贴装。

Claims (3)

1.一种采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，包括多孔背极板硅基（1）及位于所述多孔背极板硅基上方的单晶硅振膜（2），其特征在于：所述的多孔背极板硅基（1）和单晶硅振膜（2）均导电良好，作为麦克风电容的两极板；多孔背极板硅基（1）上沉积有背极板多晶硅（7），背极板多晶硅（7）上沉积有背极板金属电极（6），背极板金属电极（6）经背极板多晶硅（7）和多孔背极板硅基（1）电连接；多孔背极板硅基（1）上设有声孔（3）和背腔（4），声孔（3）和背腔（4）相通；单晶硅振膜（2）上设有小凸柱（8），小凸柱（8）的材质为多晶硅和金属层，小凸柱（8）避免单晶硅振膜（2）和多孔背极板硅基（1）的吸合；单晶硅振膜（2）上沉积有振膜多晶硅（11），振膜多晶硅（11）上沉积有振膜金属电极（10），振膜金属电极（10）经振膜多晶硅（11）和单晶硅振膜（2）电连接；振膜金属电极（10）和背极板电极（6）均采用Al/Cu合金与TiN材质，分别为麦克风电容两极板的输出信号引出端，用来与CMOS信号放大电路实现电连接；单晶硅振膜（2）和多孔背极板硅基（1）经硅硅键合工艺键合成一体，单晶硅振膜（2）由氧化硅层（9）支撑悬于多孔背极板硅基（1）的上方，单晶硅振膜（2）和多孔背极板硅基（1）之间设有气隙（5），多孔背极板硅基（1）、单晶硅振膜（2）和气隙（5）形成电容结构。

2.根据权利要求 1 所述的采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，其特征在于：所述的单晶硅振膜（2）是利用单晶硅片减薄后形成的，所述的单晶硅振膜（2）厚度为2～3微米。

3.根据权利要求 1所述的采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风，其特征在于：所述的单晶硅振膜（2）和多孔背极板硅基（1）之间的气隙（5）由湿法刻蚀氧化硅形成。

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