CN211184242U - Mems麦克风 - Google Patents

Abstract

公开了一种MEMS麦克风。所述MEMS麦克风包括：衬底；位于所述衬底第一表面上的膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，其中，所述背极板电极位于所述膜片的可动区域上方，并且背极板电极的面积小于等于膜片的可动区域的面积。该MEMS麦克风采用背极板电极的图案限定有效电容面积，以抑制寄生电容和工艺波动对器件能力的不利影响，以及提高器件的工作灵敏度。

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，二者分别经由引线连接至相应的电极。在膜片和背极板电极之间还包括隔离层。隔离层用于隔开膜片和背极板电极，其中形成有空腔以提供膜片所需的振动空间。

随着微加工工艺的发展，MEMS麦克风越来越小型化，其中，膜片和背极板电极之间的间距例如小于1.5微米，在MEMS麦克风的制造和应用过程中的工艺要求也越来越高。工艺偏差引入的结构缺陷不仅影响麦克风的成品率，而且导致MEMS麦克风在应用环境中的性能急剧恶化。例如，在MEMS麦克风的制造工艺中，采用蚀刻形成膜片和背极板电极之间的空腔。该蚀刻步骤的工艺偏差影响MEMS麦克风的有效面积，导致MEMS麦克风的性能出现波动。此外，现有的MEMS麦克风的图案复杂，采用多次对准的光刻以形成图案。该图案化步骤的工艺偏差也可能导致MEMS麦克风的性能出现波动。另外，MEMS麦克风根据声音信号产生的空气振动发生膜片振动而导致的电容变化不止包括有效的部分，同时还存在无效的部分，而无效电容分量会产生不利的寄生电容。期待进一步改进MEMS麦克风的结构以抑制寄生电容以及抑制蚀刻和光刻的工艺偏差对器件性能的不利影响，以提高成品率和器件可靠性。

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，采用背极板电极的图案限定有效电容面积，以抑制寄生电容和工艺波动对器件能力的不利影响，以及提高器件的工作灵敏度。

根据本申请的一方面，提供一种MEMS麦克风，包括：衬底；位于所述衬底第一表面上的膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，其中，所述背极板电极位于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，所述声腔最小横截面的半径为385微米至415微米。

优选地，所述背极板电极与所述膜片之间的间距为1微米至5微米。

优选地，所述膜片包括中间部分和周边部分、以及连接二者的弹簧结构，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，所述麦克风的灵敏度V_o|AC为：

其中，ΔC表示所述膜片振动导致的电容变化量，C_mo表示所述膜片中间部分发生有效形变的有效电容分量，C_p2表示所述膜片的弹簧结构的区域发生无效形变或所述膜片的周边部分的区域无形变的无效电容分量，CL表示所述MEMS麦克风的负载电容，V_BIAS表示偏置电压。

优选地，所述偏置电压V_BIAS为：V_BIAS＝VDD-V_dc|in，其中，VDD表示所述膜片和所述背极板电极之间施加的电压，V_dc|in表示所述MEMS麦克风的参考极板的电压。

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，所述膜片还包括位于膜片周边部分的加强肋。

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女墙结构。

优选地，所述女强结构包括多个环状切面，所述环状切面的形貌为矩形波状。

优选地，所述加强肋包括多个环状切面，所述环状切面的转角处的形状为圆弧或者具有倾斜度的梯形波或者正弦波。

优选地，所述背极板电极包括突起或凹槽形状的增强结构。

优选地，所述膜片的周边部分的部分区域为不连续区域。

优选地，所述膜片的周边部分的边缘不连续，所述周边部分的边缘为锯齿状，所述锯齿状的多个缺口形成所述不连续区域。

优选地，所述周边部分的不连续区域包括镂空结构，所述镂空结构包括多个通孔，所述通孔形状为圆形、梯形或者多边形。

优选地，还包括：位于所述膜片和所述衬底之间的第一隔离层，所述声腔贯穿所述第一隔离层，以使得所述膜片的第二表面的可动区域暴露；以及位于所述背极板电极和所述膜片之间的第二隔离层，其中，所述膜片的周边部分的至少部分区域被夹持在所述第一隔离层和所述第二隔离层之间。

优选地，还包括：第一保护层和第二保护层，所述背极板电极位于所述第一保护层和所述第二保护层之间，所述第一保护层位于所述第二隔离层与所述背极板电极之间。

优选地，所述第一保护层在面对所述膜片的第一表面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的粘连。

优选地，所述第二保护层作为所述背极板电极的机械支撑层以提供刚度，使得所述背极板电极在工作状态下维持为无形变状态。

优选地，还包括：多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层；以及空腔，位于所述第二隔离层中，所述空腔与所述释放孔连通，并且所述空腔暴露所述膜片的第一表面。

优选地，所述多个释放孔的形状为圆形，所述多个释放孔的直径为1微米至15微米。

优选地，所述多个释放孔的形状为多边形或者十字花孔中的任意一种。

优选地，所述多个释放孔的两个顶点距离的最大值为1微米至15微米。

优选地，所述多个释放孔排列成矩形阵列或者错开的矩形阵列或者圆形阵列。

优选地，还包括：第一引线，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的第一表面；以及第二引线，穿过所述第二保护层到达所述背极板电极的第二表面。

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。

根据本实用新型实施例的MEMS麦克风，背极板电极位于膜片的可动区域上方，并且背极板电极的面积小于等于膜片的可动区域的面积，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，由于背极板电极仅需要对准膜片的可动区域，也可以容易地将二者对准。

在优选的实施例中，背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积，避免了批量生产中因工艺波动造成的MEMS麦克风可靠性下降的问题，提高了产品的整体性能。

在优选的实施例中，背极板电极的面积为膜片可动区域的70％～100％。该MEMS麦克风采用背极板电极的图案限定有效电容面积，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，抑制寄生电容和工艺波动对器件能力的不利影响，以及提高器件的工作灵敏度。

在优选的实施例中，MEMS麦克风的背极板电极夹在第一保护层和第二保护层之间。第一保护层在面对膜片的第一表面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的粘连。第二保护层作为所述背极板电极的机械支撑层以提供刚度，使得所述背极板电极工作状态下维持为未形变状态。由于第二保护层作为机械支撑层，因此可以改善器件设计自由度。该MEMS麦克风的背极板电极的图案设计仅需基于电学性能设计，而无需兼顾机械刚度的需求，因而可以采用背极板电极的图案限定有效电容面积，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。

在优选的实施例中，该MEMS麦克风的膜片包括同心环形的褶皱部分，或者螺旋状的褶皱部分的弹簧结构。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。该不连续区域为周边部分边缘不连续或者周边部分的镂空结构。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。

在优选的实施例中，该MEMS麦克风还包括多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层。释放孔不仅在工艺过程中作为蚀刻剂的供给通道，而且在MEMS麦克风的工作状态下降低声阻。

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示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的爆炸结构图；

图2示出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3a至3l示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的制造方法不同阶段的截面图；

图4a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4b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5a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5b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6a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6b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；

图7示出根据图1中C处的局部放大图；

图8示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的不同形变区域；以及

图9示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的等效电路图。

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示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的爆炸结构图。

MEMS麦克风100包括衬底101、位于所述衬底101上的膜片103和背极板电极106。膜片103与背极板电极106彼此隔开，所述膜片103的第一表面与所述背极板电极106的第一表面彼此相对。声腔115贯穿衬底101到达膜片103的第二表面。背极板电极106位于膜片103的可动区域上方，并且背极板电极106的面积小于等于膜片103的可动区域的面积。在一些优选的实施例中，背极板电极106的面积为可动区域的70％～100％。

在一些优选的实施例中，背极板电极106的面积小于等于声腔115的最小横截面积。需要说明的是，当声腔115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115的开口为倒梯形或者梯形时，声腔115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微米至415微米。

进一步地，膜片103包括中间部分和周边部分、以及连接二者的弹簧结构，所述膜片103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。膜片103的弹簧结构例如为同心环形的褶皱部分，或者螺旋状的褶皱部分。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。

在替代的实施例中，膜片103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106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。

在替代的实施例中，膜片103的部分区域为不连续区域。进一步地，膜片103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103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。

进一步地，MEMS麦克风100还包括第一隔离层102和第二隔离层104。膜片103的周边部分的至少部分区域被夹在第一隔离层102和第二隔离层104之间。第一隔离层102位于衬底101和膜片103之间，声腔115贯穿衬底101和第一隔离层102，以暴露膜片103的第二表面的中间部分的区域以及弹簧结构的区域，可选地，还暴露膜片103的第二表面的周边部分的至少部分区域。第二隔离层104位于膜片103和背极板电极106之间，第二隔离层104中形成空腔114，以暴露膜片103的第一表面的中间部分的区域、弹簧结构的区域以及周边部分的至少部分区域。因此，膜片103的中间部分可以在空腔114和声腔115中自由振动。第二隔离层104的厚度限定了膜片103与背极板电极106之间的间距，例如为1微米至5微米。

进一步地，MEMS麦克风100还包括第一保护层105和第二保护层107。背极板电极106例如整体地夹在第一保护层105和第二保护层107之间。背极板电极106的第一表面与第一保护层105接触，背极板电极106的第二表面与第二保护层107接触，并且第一保护层105位于第二隔离层104与背极板电极106之间。其中，第一保护层105、背极板电极106、第二保护层107构成背极板结构。

进一步地，第一保护层105在面对膜片103的第一表面的表面上形成多个突起物，以防止背极板电极106与膜片103之间的粘连。第二保护层107作为背极板电极106的机械支撑层以提供刚度，使得背极板电极106在工作状态下维持为无形变状态。

进一步地，MEMS麦克风100还包括多个释放孔113。释放孔113贯穿第一保护层105、背极板电极106和第二保护层107，与第二隔离层104中的空腔114连通。释放孔113的形状例如为圆形、十字花孔和多边形中的任意一种。释放孔113的形状为圆形时释放孔113的直径为1微米至15微米。释放孔113的形状为多边形或者十字花孔中的任意一种时释放孔113的两个顶点距离的最大值为1微米至15微米。在该实施例中，多个释放孔113排列成蜂巢结构阵列(错开的矩形阵列)，该蜂巢结构阵列的行和/或列间距不同，整个阵列例如限制于一个圆形区域之内。在替代的实施例中，多个释放孔113可以排列成矩形阵列、圆形阵列等等。

进一步地，MEMS麦克风100还包括与膜片103相连接的接触121、与背极板电极106相连接的接触122，以及分别连接至接触121和122的第一引线123和第二引线124。第一引线123穿过第二保护层107、第一保护层105、以及第二隔离层104到达膜片103的第一表面，从而与第一接触121连接。第二引线124，穿过第二保护层107到达背极板电极106的第二表面，从而与第二接触122连接。

图2示出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3a至3l示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的制造方法不同阶段的截面图，其中，沿图2所示的线AA指示的方向获得截面图。

在步骤S01中，在衬底101上形成第一隔离层102，如图3a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102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。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的表面形成凹槽131，如图3b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，从而形成凹槽131。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，在优选的实施例中，从第一隔离层102的截面观察凹槽131的形状为方形。凹槽131的深度例如是0.5微米至0.8微米。凹槽131用于限定后续步骤将形成的膜片的弹簧结构。

优选地，凹槽131的开口面与第一隔离层102的表面形成圆滑的过渡曲面。为此，可以采用附加的沉积步骤形成共形的覆盖层，例如薄氧化层，以改善凹槽131的形貌而获得圆滑的过渡曲面。该覆盖层的厚度例如是0.1微米至2微米。

优选地，该凹槽131不仅用于限定膜片的弹簧结构，而且用于在膜片的弹簧结构区域形成螺旋状结构，以及用于在膜片的周边限定形成加强肋。

在步骤S03中，在第一隔离层102上形成共形的膜片103，以及形成与膜片103相连接的接触121，如图3c所示。

在该实施例中，膜片103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。进一步地，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，从而在多晶硅层的不同区域分别形成膜片103和接触121的图案。

该膜片103包括中间部分103a和周边部分103c，以及连接二者的弹簧结构103b。膜片103的中间部分103a和周边部分103c覆盖第一隔离层102表面，弹簧结构103b与中间部分103a和周边部分103c连续且共形地覆盖凹槽131的底面和侧壁。与凹槽131的形状一致，弹簧结构103b为同心环形的褶皱部分。膜片103的厚度例如是0.3微米至1微米，优选为0.4微米。

在该实施例中，膜片103的中间部分103a和周边部分103c均为平整的表面，膜片103的弹簧结构103b为同心环形的褶皱部分。膜片103的中间部分103a和弹簧结构103b为膜片103的可动区域。在替代的实施例中，膜片103的弹簧结构为螺旋状的褶皱部分(如图4a、4b所示)。该两种实施方式中，图4a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4b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103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103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103中，即膜片103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。

在替代的实施例中，膜片103还包括在周边部分103c形成的加强肋(如图5a、5b所示)。如图5a所示，膜片103的加强肋1031例如是位于周边部分103c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103还包括在周边部分103c形成的加强肋1032(如图5b所示)。膜片103的加强肋1032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103相比，在表面上形成有弹簧结构103b和加强肋1031的膜片103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103在周边部分103c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。

在替代的实施例中，膜片103的周边部分103c的部分区域为不连续区域(如图6a、6b所示)。如图6a所示，膜片103的周边部分的边缘不连续。具体地，周边部分103c的边缘为锯齿状，该锯齿状的多个缺口1033形成不连续区域。在替代的实施例中，如图6b所示，膜片103的周边部分103c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1034，该通孔1034为圆形、梯形或者多边形，其中，该实施例中，通孔1034为类似扇形的形状，多个通孔1034交叉排列地形成在膜片103的周边部分区域，进一步地，膜片103的形状为太阳花形状，更具体地，膜片103的边缘由多个圆弧边连接。

在步骤S04中，在膜片103上形成第二隔离层104，以及在第二隔离层104表面上形成多个开孔132，如图3d所示。

在该实施例中，第二隔离层104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103上形成氧化硅层，作为第二隔离层104。在形成第二隔离层104之后，例如采用化学机械平面化平整第二隔离层104的表面。

第二隔离层104的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片103上方的空腔，并且还利用第二隔离层104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104的厚度，例如是2微米至4微米。

接着，在第二隔离层104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104的暴露部分，从而形成开孔132。通过控制蚀刻时间，该蚀刻可以在到达第二隔离层104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132在第二隔离层104的表面开口，并且向下延伸。从第二隔离层104的表面观察，开孔132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104的截面观察，开孔132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132的直径例如是0.5微米至1.5微米，深度例如是0.5微米至1.5微米。开孔132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。

在步骤S05中，在第二隔离层104上形成第一保护层105，如图3e所示。

第一保护层105例如由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。在该实施例中，第一保护层105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104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105的厚度例如为800埃～1500埃。

第一保护层105填充第二隔离层104表面上的开孔132，从而形成突起物105a。突起物105a的形状与开孔132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105a的直径例如是0.5微米至1.5微米，深度例如是0.5微米至1.5微米。

在步骤S06中，在第一保护层105上形成背极板电极106，以及形成背极板电极106相连接的接触122，如图3f所示。

背极板电极106是导电层，例如由选自Al、Cu、Au、Ti、Ni、Wu以及其合金掺杂的多晶硅中的任一种组成。例如，采用低压化学气相沉积(LPCVD)在第一保护层105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106的图案。背极板电极106的厚度例如为0.3微米至1微米。

在该实施例中，背极板电极106与膜片103构成电容的两个极板。如上文所述，膜片103包括中间部分103a、周边部分103c、以及二者之间的弹簧结构103b，背极板电极106对应于膜片103的中间部分103a和弹簧结构103b，因而限定了有效电容面积，有利于减小最终形成的MEMS麦克风的寄生电容。

在该实施例中，背极板电极106具有平整的表面，从背极板电极106的表面观察的表面形状例如为圆形。在替代的实施例中，背极板电极106还可以形成有突起或凹槽形状的增强结构，例如，位于中间部分的多个同心环形、螺旋形和/或位于周边部分的加强肋，例如，辐射状条形梁或者交叉的条形梁或者女墙结构。在一些优选的实施例中，该增强结构贯穿整个背极板电极106。背极板电极106的表面形状例如是选自圆形、三角形、正方形、六边形的任意一种。与平整表面的背极板电极106相比，在表面上形成有增强结构的背极板电极106可以提高背极板电极的刚度，使得在MEMS麦克风的工作状态下背极板电极不会产生形变。

在一些优选的实施例中，在该步骤之后采用通过常规半导体工艺刻蚀方法贯穿第一保护层105以在第二隔离层上刻蚀形成凹槽191。

在步骤S07中，在背极板电极106上形成第二保护层107，如图3g所示。

第二保护层107例如由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。在该实施例中，第二保护层107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)的方法在背极板电极106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。第二保护层107的厚度例如为0.1微米至1微米。其中，第一保护层105、背极板电极106、第二保护层107构成背极板结构。

由于背极板电极106经过图案化，第二保护层107的第一部分形成在背极板电极106的表面上，第二部分形成在第一保护层105的表面上。

需要说明的是，若在形成第二保护层107之前贯穿第一保护层105以在第二隔离层上刻蚀形成凹槽191时，在该步骤中还包括将第二保护层107的第三部分形成在凹槽191中。

在步骤S08中，形成分别到达膜片103的接触121的通道孔111和到达背极板电极106的接触122的通道孔112，如图3h所示。

在该实施例中，在第二保护层107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，形成通道孔111和112。在第二保护层107的第一部分区域，该蚀刻去除第二保护层107经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达背极板电极106的接触122的通道孔112。在第二保护层107的第二部分区域，该蚀刻从上向下依次去除第二保护层107、第一保护层105、第二隔离层104各自经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达膜片103的接触121的通道孔111。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

由于上述背极板电极106的图案化步骤，第二保护层107的第二部分与第一保护层105的相应部分直接接触。至少一个通道孔111从第二保护层107的第二部分表面开始，经由第二保护层107、第一保护层105和第二隔离层104，延伸至背极板电极106下方的膜片103的接触121。

在步骤S09中，形成分别到达膜片103的接触121的引线123以及到达背极板电极106的接触122的引线124，如图3i所示。

在该实施例中，引线123和124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。用于引线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107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，并且填充通道孔111和112。

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107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107的第一部分区域，至少一个引线124穿过第二保护层107到达背极板电极106。在第二保护层107的第二部分区域，至少一个引线123依次穿过第二保护层107、第一保护层105、第二隔离层104到达膜片103。

背极板电极背极板电极在步骤S10中，形成贯穿第二保护层107、背极板电极106和第一保护层105的释放孔113，如图3j所示。

在该实施例中，在第二保护层107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107、背极板电极106和第一保护层105各个自的暴露部分，从而形成释放孔113。由于蚀刻剂的选择性，第二隔离层104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113。释放孔113不仅在制造工艺中作为蚀刻剂的供给通道，而且在最终形成的MEMS麦克风中作为声孔以降低声阻。从第二保护层107的表面观察，释放孔113的形状例如为圆形、十字花孔和多边形中的任意一种。释放孔113的形状为圆形时释放孔113的直径为1微米至15微米。释放孔113的形状为多边形或者十字花孔中的任意一种时释放孔113的两个顶点距离的最大值为1微米至15微米。在该实施例中，释放孔113的形状为六边形(如图7所示的图1中C处的局部放大图)，多个释放孔113排列成蜂巢结构阵列(错开的矩形阵列)。在替代的实施例中，多个释放孔113可以排列成矩形阵列、圆形阵列等等。

在步骤S11中，在膜片103的下方形成贯穿衬底101的声腔115，如图3k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350微米至450微米，优选为400微米。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115。在该实施例中，所述声腔是方形开口，替代地，还可以是倒梯形开口。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。

其中，背极板电极106的面积小于等于声腔115的最小横截面积。需要说明的是，当声腔115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115的最小横截面积。当声腔115的开口为倒梯形或者梯形时，声腔115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微米至415微米。

该步骤例如采用MEMS技术中的常规Bosch工艺以及专门的深槽刻蚀机，形成声腔115。

在步骤S12中，经由声腔115去除第一隔离层102的一部分，以及经由释放孔113去除第二隔离层104的一部分，以释放膜片103，如图3l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115和释放孔113作为蚀刻剂的进入通道。第一保护层105和第二保护层107分别作为背极板电极106的保护膜，使得在该蚀刻步骤中背极板电极106未受到蚀刻。

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104各自的一部分，使得膜片103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103。在去除第一隔离层102的一部分之后，声腔115从衬底101的第二表面延伸至膜片103的第二表面。在去除第二隔离层104的一部分之后，在第一保护层105和膜片103的第一表面之间形成空腔114。释放孔113与空腔114彼此连通，在膜片103的振动期间提供气流通道。

在该步骤中，膜片103的弹簧结构103c也暴露于声腔115和空腔114中。

图8和9分别示出根据本实用新型实施例的MEMS麦克风的不同形变区域以及等效电路图。

在图1所示的MEMS麦克风100中，背极板电极106与膜片103构成电容的两个极板。如上文所述，膜片103包括中间部分103a、周边部分103c、以及二者之间的弹簧结构103c，背极板电极106的区域即为有效形变的部分，而背极板电极106对应于膜片103的中间部分103a，因而限定了发生有效形变的有效电容面积，有利于减小最终形成的MEMS麦克风的寄生电容。

MEMS麦克风100的灵敏度V_o|AC表示为：

V_BIAS＝VDD-V_dc|in (2)，

其中，ΔC表示MEMS麦克风根据声音信号产生的空气振动发生膜片振动而导致的电容变化量，C_mo表示MEMS麦克风的膜片响应声音信号而发生有效形变的有效电容分量，C_p2表示MEMS麦克风的膜片响应声音信号发生无效形变或无形变的无效电容分量，VDD表示MEMS麦克风的膜片和背极板电极之间施加的电压，例如通过ASIC电路中的电荷泵结构产生该电压，V_dc|in表示MEMS麦克风的参考极板的电压，例如与其合封的ASIC信号输入端的工作点电压，CL表示负载电容，例如由布线和焊盘的寄生电容组成，大小例如在1pF数量级，V_BIAS表示偏置电压，V_BIAS＝VDD-V_dc|in。

背极板106的区域为有效形变区域，在该实施例中，MEMS麦克风100的膜片103的中间部分103a例如是有效形变区域，有效形变区域对应背极板电极与该中间部分相对的部分，弹簧结构103b例如是无效形变区域，有效形变区域和无效形变区域属于周边部分103c的自由表面和周边部分103c夹在第一隔离层102和第二隔离层104之间的部分例如是无形变部分。

MEMS麦克风100的背极板电极106的面积小于等于膜片103的可动区域的面积。因此，根据本实用新型实施例的MEMS麦克风100采用背极板电极106的图案实际上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100的灵敏度。在优选的实施例中，背极板电极106的面积小于等于所述声腔115的最小横截面积，避免了批量生产中因工艺波动造成的MEMS麦克风可靠性下降的问题，提高了产品的整体性能。

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 (28)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底第一表面上的膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及

贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，

其中，所述背极板电极位于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。

2.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。

3.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为所述可动区域的70％～100％。

4.根据权利要求2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微米至415微米。

5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背极板电极与所述膜片之间的间距为1微米至5微米。

6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片包括中间部分和周边部分、以及连接二者的弹簧结构，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。

7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述麦克风的灵敏度V_o|AC为：

其中，ΔC表示所述膜片振动导致的电容变化量，C_mo表示所述膜片中间部分发生有效形变的有效电容分量，C_p2表示所述膜片的弹簧结构的区域发生无效形变或所述膜片的周边部分的区域无形变的无效电容分量，CL表示所述MEMS麦克风的负载电容，V_BIAS表示偏置电压。

8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述偏置电压V_BIAS为：V_BIAS＝VDD-V_dc|in，其中，VDD表示所述膜片和所述背极板电极之间施加的电压，V_dc|in表示所述MEMS麦克风的参考极板的电压。

9.根据权利要求6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。

10.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片还包括位于膜片周边部分的加强肋。

11.根据权利要求10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。

12.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述女墙结构包括多个环状切面，所述环状切面的形貌为矩形波状。

13.根据权利要求10所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述加强肋包括多个环状切面，所述环状切面的转角处的形状为圆弧或者具有倾斜度的梯形波或者正弦波。

14.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背极板电极包括突起或凹槽形状的增强结构。

15.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片的周边部分的部分区域为不连续区域。

16.根据权利要求15所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片的周边部分的边缘不连续，所述周边部分的边缘为锯齿状，所述锯齿状的多个缺口形成所述不连续区域。

17.根据权利要求15所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述周边部分的不连续区域包括镂空结构，所述镂空结构包括多个通孔，所述通孔形状为圆形、梯形或者多边形。

18.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：

位于所述膜片和所述衬底之间的第一隔离层，所述声腔贯穿所述第一隔离层，以使得所述膜片的第二表面的可动区域暴露；以及

位于所述背极板电极和所述膜片之间的第二隔离层，

其中，所述膜片的周边部分的至少部分区域被夹持在所述第一隔离层和所述第二隔离层之间。

19.根据权利要求18所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：

第一保护层和第二保护层，所述背极板电极位于所述第一保护层和所述第二保护层之间，所述第一保护层位于所述第二隔离层与所述背极板电极之间。

20.根据权利要求19所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一保护层在面对所述膜片的第一表面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的粘连。

21.根据权利要求19所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第二保护层作为所述背极板电极的机械支撑层以提供刚度，使得所述背极板电极在工作状态下维持为无形变状态。

22.根据权利要求19所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：

多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层；以及

空腔，位于所述第二隔离层中，所述空腔与所述释放孔连通，并且所述空腔暴露所述膜片的第一表面。

23.根据权利要求22所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多个释放孔的形状为圆形，所述多个释放孔的直径为1微米至15微米。

24.根据权利要求22所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多个释放孔的形状为多边形或者十字花孔中的任意一种。

25.根据权利要求24所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多个释放孔的两个顶点距离的最大值为1微米至15微米。

26.根据权利要求22所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述多个释放孔排列成矩形阵列或者错开的矩形阵列或者圆形阵列。

27.根据权利要求19所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：

第一引线，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的第一表面；以及

第二引线，穿过所述第二保护层到达所述背极板电极的第二表面。

28.根据权利要求9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。

Images