CN211184239U - Mems麦克风 - Google Patents

Abstract

公开了一种MEMS麦克风。包括在硅衬底上依次形成的第一隔离层、膜片和第二隔离层；在第二隔离层上依次形成的第一保护层、背极板电极和第二保护层；贯穿第一保护层、背极板电极和第二保护层的释放孔；贯穿第二隔离层并与释放孔连通的空腔；贯穿硅衬底和第一隔离层的声腔；至少覆盖在膜片的暴露表面上的单分子层有机膜，第一隔离层的表面上包括至少一个凹槽，膜片共形地覆盖在第一隔离层的表面上并在凹槽的位置处设置弹簧结构，膜片彼此相对的第一表面和第二表面通过空腔和声腔暴露。本实用新型采用第一保护层和第二保护层保护背极板电极使得背极板电极不被腐蚀，且在膜片的暴露表面形成单分子层有机膜，提高了器件的性能和可靠性。

Description

MEMS麦克风

技术领域

本实用新型属于微麦克风的技术领域，更具体地，涉及MEMS麦克风。

背景技术

MEMS麦克风是采用半导体技术制造的电容式麦克风。MEMS麦克风是采用微加工工艺制造的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)器件。由于具有体积小、灵敏度高、与现有半导体技术兼容性好的优点，MEMS麦克风在手机等移动终端上的应用越来越广泛。MEMS麦克风的结构包括彼此相对的膜片和背极板电极，二者分别经由导电通道连接至相应的电极。在膜片和背极板电极之间还包括隔离层。该隔离层用于隔开膜片和背极板电极，并且其中形成有空腔以提供膜片所需的振动空间。

在现有的MEMS麦克风中，采用氮化硅作为背极板电极的材料。氮化硅层的刚性较好，可以获得良好的声学性能。然而，在膜片和背极板电极的设计间距较小的情形下，在湿法蚀刻隔离层以形成空腔的步骤中以及在MEMS麦克风的应用期间，膜片与背极板电极之间容易形成粘连，导致器件失效，使得成品率降低。MEMS麦克风中微结构的粘连已成为MEMS麦克风的微机械加工和应用过程中产生成品报废的主要原因，严重制约了MEMS麦克风发展和产业化应用。

作为进一步改进的方法，采用HF酸气相熏蒸的方法以去除隔离层的一部分以形成空腔。然而，HF气相熏蒸会对背极板电极造成腐蚀，导致器件失效，使得成品率降低。

期待进一步改进MEMS麦克风的结构以提高成品率和器件性能可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种MEMS麦克风，其中，在背极板电极彼此相对的表面形成保护层，从而在释放膜片的蚀刻步骤中保护背极板电极，以及在释放膜片之后，至少在所述膜片的暴露表面形成单分子层有机膜，从而可以提高成品率和器件性能可靠性。

根据本实用新型的一方面，提供一种MEMS麦克风，包括：在衬底上依次形成的第一隔离层、膜片和第二隔离层；在所述第二隔离层上依次形成的第一保护层、背极板电极和第二保护层；贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层的释放孔；贯穿所述第二隔离层的空腔，所述空腔与所述释放孔连通；贯穿所述衬底和所述第一隔离层的声腔；以及所述膜片的表面上设置有弹簧结构，所述膜片彼此相对的第一表面和第二表面分别通过所述空腔和所述声腔暴露。

优选地，还包括至少覆盖在所述膜片的暴露表面上的单分子层有机膜。

优选地，在所述膜片的振动期间，所述声腔和所述释放孔作为气流通道。

优选地，还包括位于所述单分子层有机膜的表面的金属氧化物膜、氧化硅膜中的至少一层附加膜，所述附加膜与所述单分子层有机膜形成叠层结构。

优选地，所述单分子层有机膜覆盖所述MEMS麦克风的外部表面以及与外部环境连通的内部表面。

优选地，所述单分子层有机膜覆盖所述第一保护层在所述空腔中的暴露表面。

优选地，所述膜片和所述背极板电极分别由掺杂的多晶硅组成。

优选地，所述第一保护层和所述第二保护层中的每一个由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成，所述第一保护层与所述第二保护层的材料不同。

优选地，所述膜片的弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分。

优选地，所述同心环形的弹簧结构包括1至6个圆环形。

优选地，所述螺旋状的弹簧结构包括至少一条螺旋纹，所述螺旋纹从所述膜片的中间部分向外辐射。

优选地，还包括：在所述膜片的周边部分形成加强肋。

优选地，所述膜片的加强肋是位于周边部分的辐射状条形梁或者女墙结构。

优选地，还包括：在所述膜片的周边部分的部分区域形成不连续区域。

优选地，还包括：第一导电通道，穿过所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层到达所述膜片表面；以及第二导电通道，穿过所述第二保护层到达所述背极板电极表面。

优选地，所述单分子层有机膜由有机硅烷层和有机硅氧烷层中的任一种组成。

优选地，在所述第一保护层面对所述膜片的表面上形成多个突起物，以防止所述背极板电极与所述膜片之间粘连。

优选地，所述背极板电极形成在所述膜片的可动区域上方，并且所述背极板电极的面积小于等于所述膜片的可动区域的面积。

优选地，所述背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积。

优选地，所述背极板电极的面积为所述可动区域的70％～100％。

优选地，所述膜片还包括通过所述弹簧结构连接的中间部分和周边部分，所述膜片的可动区域包括所述中间部分的区域和所述弹簧结构的区域。

优选地，所述声腔最小横截面的半径为385微米～415微米。

优选地，所述背极板电极的厚度为0.3微米～1.0微米。

优选地，所述第一保护层与所述第二保护层的厚度不同。

优选地，所述第一保护层的厚度为800埃～1500埃，所述第二保护层的厚度为0.1微米～1.0微米。

优选地，所述单分子层有机膜层的厚度为1纳米～10纳米。

根据本实用新型实施例的MEMS麦克风，本实用新型在释放膜片的蚀刻步骤中，采用第一保护层和第二保护层保护背极板电极，使得在释放器件结构中的膜片时，背极板电极不被腐蚀，提高了器件的性能和可靠性。并且通过在形成所述第一隔离层和所述膜片的步骤之间，在第一隔离层的表面上形成凹槽，膜片共形地覆盖在第一隔离层的表面上，以在凹槽的位置处形成弹簧结构。

进一步地，膜片的弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分，该膜片的弹簧结构有效地释放了膜片的应力，提高了MEMS麦克风的灵敏度。

在优选地实施例中，在释放膜片之后，至少在所述膜片的暴露表面形成单分子层有机膜，利用单分子层有机膜的疏水性和低表面粘附力，可以有效地减少或防止膜片与背极板电极之间的粘连，从而可以提高成品率和器件性能可靠性。该单分子层有机膜对MEMS麦克风的电学性能未造成明显的不利影响，从而可以满足器件性能要求。

在优选的实施例中，在释放膜片的蚀刻步骤中，利用已经形成的释放孔和声腔作为反应气体的供给通道，使得反应气体容易进入MEMS麦克风的内部空腔，因此，单分子层有机膜可以形成在MEMS麦克风的内部表面上，形成高质量的防粘附层。

在优选的实施例中，通过采用背极板电极的面积小于等于膜片可动区域的面积，从而可以减小对MEMS麦克风的灵敏度无任何贡献的寄生电容的影响。即使存在着工艺波动，由于背极板仅需要对准膜片的可动区域，也可以容易地将二者对准，因此从检测信号中去除了无效电容分量，使得检测信号的灵敏度仅与有效电容分量相关，从而提高了MEMS麦克风的灵敏度。

在优选的实施例中，通过采用背极板电极的面积小于等于声腔的横截面积，避免因批量生产中的工艺波动造成的MEMS麦克风可靠性下降的问题，提高产品的整体性能。

在优选的实施例中，第一保护层与第二保护层的材料不同，背极板电极的抗腐蚀性能够有所提高。

在优选的实施例中，所述膜片还包括位于膜片周边部分的加强肋，可以改善膜片的弹性特性，可以控制振动区域、改善膜结构的弹性系数，改善机械结构的谐振频率，满足MEMS麦克风的性能设计所需。

在优选的实施例中，膜片的周边部分的部分区域为不连续区域。膜片的不连续区域与上下的介质层之间无法构成电容结构，进而降低了对麦克风灵敏度不利的寄生电容。同时不连续区域可以释放一部分的膜片应力，有效提高膜片的灵敏度。

MEMS麦克风进一步地，该方法的各个步骤与现有的半导体工艺，特别是CMOS工艺兼容，因此，可以用于大规模和低成本的生产。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的制造方法的流程示意图；

图2至图14是根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的制造方法中各个步骤对应的器件剖面示意图；

图15a示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的一种膜片的结构示意图；图15b示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的另一种膜片的结构示意图；

图16a示出根据本实用新型另一实施例的MEMS麦克风的一种膜片的结构示意图；图16b示出根据本实用新型另一实施例的MEMS麦克风的另一种膜片的结构示意图；

图17a示出根据本实用新型又一实施例的MEMS麦克风的一种膜片的结构示意图；图17b示出根据本实用新型又一实施例的MEMS麦克风的另一种膜片的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1所示，根据本实施例的MEMS麦克风的制造方法可以包括如下步骤。

在步骤S01中，在衬底101上形成第一隔离层102，如图2所示。

在该实施例中，衬底101例如是<100>晶向的衬底硅片。可选地，衬底掺杂为N型。第一隔离层例如是氧化硅层。例如，通过热氧化或化学气相沉积(Chemical VaporDeposition,CVD)的方法在衬底101上形成氧化硅层，作为第一隔离层102。

第一隔离层102的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片下方的声腔的一部分，并且还利用第一隔离层102的厚度限定膜片与衬底之间的间距。第一隔离层102的厚度例如是0.5微米至2微米。

在步骤S02中，在第一隔离层102的表面形成波浪形的凹槽131，如图3所示。

在该实施例中，在第一隔离层102的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第一隔离层102的暴露部分。通过控制蚀刻时间，该蚀刻可以在到达第一隔离层102的预定深度停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

凹槽131在第一隔离层102的表面开口，并且向下延伸。从第一隔离层102的表面观察，凹槽131的形状为同心环形，例如包括嵌套的1至6个圆环形。从第一隔离层102的截面观察，凹槽131的形状为底面尺寸小于开口面尺寸的大致梯形或V字形。凹槽131的深度例如是0.5微米至0.8微米。优选地，凹槽131的开口面与第一隔离层102的表面形成圆滑的曲面。凹槽131用于限定后续步骤将形成的膜片的弹簧结构。

在步骤S03中，在第一隔离层102上形成共形的膜片104，如图4所示。

在该实施例中，膜片104例如由掺杂的多晶硅组成。例如，采用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)在第一隔离层102上沉积多晶硅，沉积温度例如是570摄氏度至630摄氏度，从而形成膜片104。该膜片104的第一部分覆盖第一隔离层102的表面，第二部分与第一部分连续且共形地覆盖凹槽131的底面和侧壁，从而形成弹簧结构103。膜片104的厚度例如是0.3微米至1微米，优选为0.4微米。该膜片104的第一部分包括中间部分104a和周边部分104c，弹簧结构103连接中间部分104a和周边部分104c。膜片104的中间部分104a和弹簧结构103构成膜片104的可动区域。

在该实施例中，膜片104的中间部分104a和周边部分104c均为平整的表面，膜片104的弹簧结构103为一个同心环形的褶皱部分。在替代的实施例中，膜片104的弹簧结构103为螺旋状的褶皱部分(如图15a、15b所示)。该两种实施方式中，图15a中的弹簧结构的螺纹密集，螺旋纹的曲率半径随位置变化不变化。图15b中的弹簧结构的螺纹稀疏，螺旋纹的曲率半径随位置变化而变化，这两种实施方式可以根据实际应用的需求进行选择。与平整表面的膜片相比，在表面上形成有弹簧结构的膜片104可以改善膜片的弹性特性，可以控制振动区域、改善膜结构的弹性系数，满足MEMS麦克风的性能设计所需。在替代的实施例中，膜片104的中间部分向下凹陷，中间部分向下凹陷的深度和弹簧结构的螺旋纹的深度相同。在优选的实施例中，每条螺旋纹的曲率半径相同。在替代的实施例中，弹簧结构位于整个膜片104中，即膜片104的中间部分和周边部分设置为弹簧结构。有效地释放了膜片的应力，提高了MEMS麦克风的灵敏度。

优选地，在该步骤还可以形成与膜片104相连接的布线。例如，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，从而将多晶硅层的不同区域分别形成膜片和布线的图案。

在优选的实施例中，膜片104还包括在周边部分104c形成的加强肋(如图16a、16b所示)。如图16a所示，膜片104的加强肋1041例如是位于周边部分104c的辐射状条形梁或女墙结构，该女墙结构包括多个环状切面，多个环状切面等半径且环状切面形貌为矩形波状。在替代地实施例中，膜片104还包括在周边部分104c形成的加强肋1042(如图16b所示)。膜片104的加强肋1042包括多个环状切面，多个环状切面等半径且环状切面的转角处有圆弧，有倾斜度的梯形波，正弦波等等。与平整表面的膜片104相比，在表面上形成有弹簧结构104b和加强肋的膜片104可以改善膜片的弹性特性，可以控制振动区域、改善膜结构的弹性系数，改善机械结构的谐振频率，满足MEMS麦克风的性能设计所需。在优选地实施例中，膜片104在周边部分104c形成的加强肋为女墙结构，该女墙结构包括多个环状切面，多个环状切面可以包括矩形波状、环状切面的转角处为圆弧或有倾斜度的梯形波或者正弦波中的至少两种。

在优选地的实施例中，膜片104的周边部分104c的部分区域为不连续区域(如图17a、17b所示)。如图17a所示，膜片104的周边部分的边缘不连续。具体地，周边部分104c的边缘为锯齿状，该锯齿状的多个缺口1043形成不连续区域。在替代的实施例中，如图17b所示，膜片104的周边部分104c的不连续区域包括镂空结构。具体地，镂空结构包括多个通孔1044，该通孔1044为圆形、梯形或者多边形，其中，该实施例中，通孔1044为类似扇形的形状，多个通孔1044交叉排列地形成在膜片104的周边部分区域，进一步地，膜片104的形状为太阳花形状，更具体地，膜片104的边缘由多个圆弧边连接。在步骤S04中，在膜片104上形成第二隔离层105，如图5所示。

在该实施例中，第二隔离层105例如是氧化硅层。例如，通过低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)或等离子增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)的方法在膜片104上形成氧化硅层，作为第二隔离层105。

第二隔离层105的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片104上方的空腔，并且还利用第二隔离层105的厚度限定膜片与背极板电极之间的间距。根据MEMS麦克风的电学和声学性能选择第二隔离层105的厚度，例如是2微米～4微米。

在步骤S05中，在第二隔离层105上形成第一保护层106，如图6所示。

第一保护层106例如由氮化硅、氮化硼、碳化硅中的任一种组成。在该实施例中，第一保护层106例如是氮化硼层。例如，通过热丝辅助的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在第二隔离层105上形成氮化硼层，其中，以N₂、H₂、以及由H₂稀释的B₂H₆作为反应气体,基板温度为400摄氏度至500摄氏度，反应压强约为100Pa。第一保护层106的厚度例如为800埃～1500埃。

在优选的实施例中，在步骤S05之前还包括在第二隔离层105的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第二隔离层105的暴露部分，从而形成开孔。通过控制蚀刻时间，该蚀刻可以在到达第二隔离层105的预定深度停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。开孔在第二隔离层105的表面开口，并且向下延伸。从第二隔离层105的表面观察，开孔的形状为多个圆形孔、多个方形孔或多个三角形孔。从第二隔离层105的截面观察，开孔的形状为底面尺寸小于开口面尺寸的大致梯形或V字形。开孔的直径例如是0.5微米～1.5微米，深度例如是0.5微米～1.5微米。开孔用于限定后续步骤将形成用于防止背极板电极粘附的突起物。接着在步骤S05中，在第二隔离层105上形成第一保护层106，第一保护层106填充第二隔离层104表面上的开孔，从而对应形成突起物。突起物的形状与开孔的形状相一致，例如以下任意一种：多棱锥、多棱柱、圆柱。突起物的直径例如是0.5微米～1.5微米，深度例如是0.5微米～1.5微米。

在步骤S06中，在第一保护层106上形成背极板电极107，如图7所示。

在该实施例中，背极板电极107是导电层，例如由掺杂的多晶硅组成。例如，采用低压化学气相沉积(LPCVD)在第一保护层106上形成掺杂的多晶硅层。然后，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，以形成背极板电极107的图案。进一步地，沉积背极板电极107的温度在570℃～630℃，背极板电极107的厚度为0.3微米～1.0微米。在优选的实施例中，背极板电极107的面积小于等于膜片104的可动区域的面积。更优选地，背极板电极107的面积为膜片104的可动区域的70％～100％。通过采用背极板电极107的面积小于等于膜片可动区域的面积，因此从检测信号中去除了无效电容分量，使得检测信号的灵敏度仅与有效电容分量相关，从而提高了MEMS麦克风的灵敏度。

在步骤S07中，在背极板电极107上形成第二保护层108，如图8所示。

第二保护层108例如由氮化硅、氮化硼、碳化硅中的任一种组成。在该实施例中，第二保护层108例如是氮化硼层。例如，通过热丝辅助的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或者采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在背极板电极107上形成一层膜厚为0.1微米～1.0微米的氮化硼层，其中，以N₂、H₂、以及由H₂稀释的B₂H₆作为反应气体，基板温度为400摄氏度至500摄氏度，反应压强约为100Pa。第二保护层108的厚度例如为0.1微米～1.0微米。其中，第一保护层106、背极板电极107、第二保护层108构成背极板结构。

由于背极板电极107经过图案化，第二保护层108的第一部分形成在背极板电极107的表面上，第二部分形成在第一保护层106的表面上。

在步骤S08中，形成分别到达膜片104和背极板电极107的表面的多个通道孔132，如图9所示。

在该实施例中，在第二保护层108的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂，形成多个通道孔132。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻以膜片104和背极板电极107作为停止层。在第二保护层108的第一部分区域，该蚀刻去除第二保护层108经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达背极板电极107的通道孔132。在第二保护层108的第二部分区域，该蚀刻从上向下依次去除第二保护层108、第一保护层106、第二隔离层105各自经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达膜片104的通道孔132。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

替代地，由于上述背极板电极107的图案化步骤，第二保护层108的第二部分与第一保护层106的相应部分直接接触。至少一个通道孔132从第二保护层108的第二部分表面开始，经由第二保护层108、第一保护层106和第二隔离层105，延伸至背极板电极107下方的膜片104。

在步骤S09中，形成分别到达膜片104和背极板电极107的表面的多个导电通道110，如图10所示。

在该实施例中，导电通道110由导电材料组成，例如选自铝、金、银、铜、镍、钛、铬或其合金中的任一种。用于导电通道110的铝合金例如包括铝硅合金(硅的重量百分比1％)，钛合金包括氮化钛。例如，通过溅射或蒸发的方法，在第二保护层108的表面形成金属层。该金属层的厚度例如是1微米至2微米，并且填充多个通道孔132。

在金属层的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除金属层的暴露部分。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻以第二保护层108作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

在第二保护层108的第一部分区域，至少一个导电通道110穿过第二保护层108到达背极板电极107。在第二保护层108的第二部分区域，至少一个通道孔110依次穿过第二保护层108、第一保护层106、第二隔离层105到达膜片104。

替代地，由于上述背极板电极107和导电通道110的图案化步骤，在多个导电通道110中，至少一个导电通道110延伸至膜片104，且与背极板电极107彼此隔开。

在步骤S10中，形成贯穿第二保护层108、背极板电极107和第一保护层106的释放孔122，如图11所示。

在该实施例中，在第二保护层108的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第二保护层108、背极板电极107和第一保护层106各个自的暴露部分，从而形成释放孔122。由于蚀刻剂的选择性，第二隔离层105作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

该步骤例如采用专门的深槽刻蚀机形成释放孔122。

在步骤S11中，在膜片104的下方形成贯穿衬底101的声腔121，如图12所示。

在该实施例中，通过化学机械平面化或减薄工艺，将衬底101的厚度减小至设计值。例如，衬底101的彼此相对的第一表面和第二表面，分别用于形成上述的第一隔离层102和作为自由表面，对第二表面进行研磨以减小衬底101的厚度。然后，在衬底101的第二表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除衬底101的暴露部分，从而形成声腔121。在该实施例中，所述声腔是方形开口，替代地，还可以是梯形或者倒梯形开口。由于蚀刻剂的选择性，第一隔离层102作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

在优选的实施例中，背极板电极107的面积小于等于声腔121的最小横截面积。更优选地，背极板电极107的面积小于声腔121的最小横截面积。需要说明的是，当声腔121的开口为方形时，声腔在不同水平面得到的横截面积皆相同，该唯一的横截面积为声腔121的最小横截面积。当声腔121的开口为倒梯形或者梯形时，声腔121位于衬底101第一表面或者第二表面处的横截面的面积最小。在一些实施例中，其最小横截面的半径为385微米～415微米。

在步骤S12中，经由声腔121去除第一隔离层102的一部分，以及经由释放孔122去除第二隔离层105的一部分，以释放膜片104，如图13所示。

在该实施例中，例如，采用HF酸作为蚀刻剂，采用上述步骤中形成声腔121和释放孔122作为蚀刻剂的进入通道。第一保护层106和第二保护层108分别作为背极板电极107的保护膜，使得在该蚀刻步骤中背极板电极107未受到蚀刻。在该实施例中，采用耐HF腐蚀的材料形成多层结构的MEMS麦克风背极板电极，其中第一保护层和第二保护层作为MEMS麦克风中背板多晶层的绝缘保护膜，使得采用HF酸气相熏蒸来释放器件结构中的牺牲氧化膜时，背极板电极107仍不会受到蚀刻，提高了器件的性能和可靠性。

通过HF酸气相熏蒸的方式或HF酸湿法腐蚀的方法，分别去除第一隔离层102和第二隔离层105各自的一部分，使得膜片104彼此相对的第一表面和第二表面各自的一部分重新暴露，因而释放膜片104。在去除第一隔离层102的一部分之后，声腔121从衬底101的第二表面延伸至膜片104的第二表面。在去除第二隔离层105的一部分之后，在第一保护层106和膜片104的第一表面之间形成空腔123。释放孔122与空腔123彼此连通，在膜片104的振动期间提供气流通道。

在该步骤中，膜片104的弹簧结构103也暴露于声腔121和空腔123中。

在优选的实施例中，还包括步骤S13。在步骤S13中，在膜片104的暴露表面形成单分子层有机膜112，从而形成MEMS麦克风100，如图14所示。

在该实施例中，采用上述步骤形成的声腔121和释放孔122作为反应气体的供给通道，通过化学气相沉积，在膜片104的暴露表面上形成单分子层有机膜112。在优选的实施例中，单分子层有机膜112覆盖MEMS麦克风100暴露的外部表面以及与外部环境连通的内部表面。

单分子层有机膜112例如由选自有机硅烷或有机硅氧烷中的任一种组成，厚度例如为1纳米～10纳米。单分子层有机膜112具有疏水特性和低表面粘附力，因而，既可以起到防粘附的目的，又不影响器件性能，从而提高了器件的可靠性。

在优选的实施例中，MEMS麦克风100还包括与单分子层有机膜122形成叠层结构的至少一层附加膜。附加膜例如是金属氧化膜或氧化硅膜。可以利用原子层淀积(Atomiclayer deposition,ALD)设备来淀积AL₂O₃和TiO₂等金属氧化膜，膜的厚度控制在1纳米～3纳米。可以利用分子气相淀积(Molecule Vapor Deposition,MVD)设备淀积氧化硅膜，膜的厚度各控制在1纳米～3纳米。

采用上述方法制造的MEMS麦克风的结构如图14所示。

该MEMS麦克风100包括：在衬底101上依次形成的第一隔离层102、膜片104和第二隔离层105；在第二隔离层105上依次形成的第一保护层106、背极板电极107和第二保护层108；贯穿第一保护层106、背极板电极107和第二保护层108的释放孔122；贯穿第二隔离层105的空腔123，空腔123与释放孔122连通；贯穿衬底101和第一隔离层102的声腔121；膜片104彼此相对的第一表面和第二表面通过空腔123和声腔121暴露。第一隔离层102和第二隔离层105夹持膜片104的周边部分。

膜片104包括弹簧结构103。膜片104还包括通过弹簧结构103连接的中间部分104a和周边部分104c。在膜片104的振动期间，声腔121和释放孔122作为气流通道。本实施例中膜片104的弹簧结构103为同心环形的褶皱部分，同心环形的弹簧结构包括1至6个圆环形。在替代的实施例中，膜片104的弹簧结构103为螺旋状的褶皱部。进一步地，螺旋状的弹簧结构包括至少一条螺旋纹，螺旋纹从所述膜片的中间部分向外辐射。

在优选地的实施例中，膜片104还包括位于所述周边部分的加强肋，例如，位于周边部分的辐射状条形梁或女墙结构，进一步地，女强结构包括多个环状切面，环状切面的形貌为矩形波状。可替代地，加强肋包括多个环状切面，多个环状切面的转角处的形状为圆弧或者有倾斜度的梯形波或者正弦波。背极板电极包括突起或凹槽形状的增强结构。进一步地，该增强结构例如为辐射状条形梁或女墙结构。进一步地，女强结构包括多个环状切面，环状切面的形貌为矩形波状。可替代地，加强肋包括多个环状切面，多个环状切面的转角处的形状为圆弧或者有倾斜度的梯形波或者正弦波。

在优选的实施例中，膜片104的部分区域为不连续区域。进一步地，膜片104的周边部分的边缘不连续，进一步地，周边部分的边缘为锯齿状，该锯齿状的多个缺口形成不连续区域。在替代的实施例中，膜片104的周边部分的不连续区域包括镂空结构，进一步地，该镂空结构包括多个通孔，该通孔为多边形、圆形或者梯形。

膜片104和背极板电极107分别由掺杂的多晶硅组成。第一保护层106和第二保护层108中的每一个由氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。其中，第一保护层106、背极板电极107、第二保护层108构成背极板结构。

进一步地，还包括至少覆盖在膜片104的暴露表面上的单分子层有机膜112。更进一步地，单分子层有机膜112还覆盖第一保护层106在空腔123中的暴露表面，并且单分子层有机膜112覆盖MEMS麦克风的外部表面以及与外部环境连通的内部表面。单分子层有机膜112由有机硅烷层和有机硅氧烷层中的任一种组成。

该MEMS麦克风100还包括多个导电通道110。在多个导电通道110中，第一导电通道穿过第二保护层108、第一保护层106、以及第二隔离层105到达膜片104表面，第二导电通道，穿过第二保护层108到达背极板电极107表面。

在优选的实施例中，背极板电极107的面积小于等于声腔121的最小横截面积，更优选地，背极板电极的面积小于所述声腔的最小横截面积，避免因批量生产中的工艺波动造成的MEMS麦克风可靠性下降的问题，提高产品的整体性能。需要说明的是，当声腔121的开口为方形时，声腔在不同水平面得到的横截面积皆相同，该唯一的横截面积为声腔121的最小横截面积。当声腔121的开口为倒梯形或者梯形时，声腔121位于衬底101第一表面或者第二表面处的横截面的面积最小。在一些实施例中，其最小横截面的半径为385微米～415微米。

在优选的实施例中，MEMS麦克风100还包括与单分子层有机膜122形成叠层结构的至少一层附加膜。附加膜例如金属氧化膜或氧化硅膜。可以利用原子层淀积(ALD)设备来淀积AL₂O₃和TiO₂等金属氧化膜，膜的厚度控制在1纳米至3纳米。可以利用分子气相淀积(MVD)设备淀积氧化硅膜，膜的厚度各控制在1纳米至3纳米。

在优选的实施例中，在第一保护层106面对膜片104的表面上形成多个突起物，以防止背极板电极107与膜片104之间粘连。

在优选的实施例中，膜片104的可动区域包括中间部分104a的区域和弹簧结构103的区域，膜片104的可动区域与背极板电极107的部分相对应。进一步地，背极板电极107形成在膜片104的可动区域上方，并且背极板电极107的面积小于等于膜片104的可动区域的面积。在优选地的实施例中，背极板电极107的面积小于膜片104的可动区域的面积，更优选地，背极板电极107的面积为膜片104的可动区域的70％～100％。通过采用背极板电极107的面积小于等于膜片可动区域的面积，因此从检测信号中去除了无效电容分量，使得检测信号的灵敏度仅与有效电容分量相关，从而提高了MEMS麦克风的灵敏度。MEMS麦克风

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (25)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括：

在衬底上依次形成的第一隔离层、膜片和第二隔离层；

在所述第二隔离层上依次形成的第一保护层、背极板电极和第二保护层；

贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层的释放孔；

贯穿所述第二隔离层的空腔，所述空腔与所述释放孔连通；

贯穿所述衬底和所述第一隔离层的声腔；以及

所述膜片的表面上设置有弹簧结构，所述膜片彼此相对的第一表面和第二表面分别通过所述空腔和所述声腔暴露。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：至少覆盖在所述膜片的暴露表面上的单分子层有机膜。

3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括位于所述单分子层有机膜的表面的金属氧化物膜、氧化硅膜中的至少一层附加膜，所述附加膜与所述单分子层有机膜形成叠层结构。

4.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述单分子层有机膜覆盖所述MEMS麦克风的外部表面以及与外部环境连通的内部表面。

5.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述单分子层有机膜覆盖所述第一保护层在所述空腔中的暴露表面。

6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片和所述背极板电极分别由掺杂的多晶硅组成。

7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一保护层和所述第二保护层中的每一个由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成，所述第一保护层与所述第二保护层的材料不同。

8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片的弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分。

9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述同心环形的弹簧结构包括1至6个圆环形。

10.根据权利要求8所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述螺旋状的弹簧结构包括至少一条螺旋纹，所述螺旋纹从所述膜片的中间部分向外辐射。

11.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：在所述膜片的周边部分形成加强肋。

12.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片的加强肋是位于周边部分的辐射状条形梁或女墙结构。

13.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：在所述膜片的周边部分的部分区域形成不连续区域。

14.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：

第一导电通道，穿过所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层到达所述膜片表面；以及

第二导电通道，穿过所述第二保护层到达所述背极板电极表面。

15.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述单分子层有机膜由有机硅烷层和有机硅氧烷层中的任一种组成。

16.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，在所述第一保护层面对所述膜片的表面上形成多个突起物，以防止所述背极板电极与所述膜片之间粘连。

17.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背极板电极形成在所述膜片的可动区域上方，并且所述背极板电极的面积小于等于所述膜片的可动区域的面积。

18.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积。

19.根据权利要求17所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背极板电极的面积为所述可动区域的70％～100％。

20.根据权利要求17所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片还包括通过所述弹簧结构连接的中间部分和周边部分，所述膜片的可动区域包括所述中间部分的区域和所述弹簧结构的区域。

21.根据权利要求18所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述声腔最小横截面的半径为385微米～415微米。

22.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背极板电极的厚度为0.3微米～1.0微米。

23.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一保护层与所述第二保护层的厚度不同。

24.根据权利要求23所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一保护层的厚度为800埃～1500埃，所述第二保护层的厚度为0.1微米～1.0微米。

25.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述单分子层有机膜层的厚度为1纳米～10纳米。

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