CN212086492U - 一种mems结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS结构，包括：衬底，具有空腔；第一单元层，连接于衬底并且覆盖空腔，第一单元层包括从下向上依次层叠的第一电极层、第一压电层和第二电极层，并且第一压电层和第二电极层具有贯穿开口；第二单元层，形成在第一单元层上方或下方，第二单元层包括第二压电层和邻近第二压电层的第三电极层，第二压电层位于第一电极层下方或者第二压电层位于第二电极层上方，第二压电层的投影区域小于空腔的投影区域且大于贯穿开口的投影区域。该MEMS结构中的双晶片结构降低了残余应力，减小了振膜的翘曲，同时提高了MEMS结构的灵敏度。

Description

一种MEMS结构

技术领域

本申请涉及微电机械系统技术领域，具体来说，涉及一种MEMS结构。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，即微电机械系统)麦克风主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电麦克风是利用微电机械系统技术和压电薄膜技术制备的，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压、工作温度范围大、防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着MEMS压电麦克风的发展。

针对相关技术中如何提高MEMS结构的灵敏度的问题，目前比较常见的解决方案是将电极层分割成多个部分，但是这种分割电极的方法对于提高灵敏度的范围有限。

实用新型内容

针对相关技术中如何提高MEMS结构的灵敏度的问题，本申请提出一种MEMS结构，能够有效输出较高灵敏度。

本申请的技术方案是这样实现的：

根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS结构，包括：

衬底，具有空腔；

第一单元层，连接于所述衬底并且覆盖所述空腔，所述第一单元层包括从下向上依次层叠的第一电极层、第一压电层和第二电极层，并且所述第一压电层和所述第二电极层具有贯穿开口；

第二单元层，形成在所述第一单元层上方或下方，所述第二单元层包括第二压电层和邻近所述第二压电层的第三电极层，所述第二压电层位于所述第一电极层下方或者所述第二压电层位于所述第二电极层上方，所述第二压电层的投影区域小于所述空腔的投影区域且大于所述贯穿开口的投影区域。

其中，当所述第二压电层位于所述第一电极层下方时，所述MEMS结构还包括第一隔离层，所述第一隔离层用于将所述第一电极层和所述第三电极层分隔开，并且所述第一电极层覆盖在所述第二压电层上方。

其中，所述第三电极层的导线部分固定连接至所述衬底，所述第一隔离层覆盖所述在所述第三电极层上方。

其中，所述第二电极层的导线部分向外延伸，并且与所述第三电极层的导线部分错位布置。

其中，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层的分区构成电极层对，多个所述电极层对依次串联。

其中，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有相应的12个等角度分区。

其中，所述第一压电层的外边缘位于所述第一电极层的外边缘之外，所述第一压电层包裹所述第一电极层的外边缘。

其中，所述MEMS结构还包括牺牲层，所述牺牲层形成在所述衬底上方，所述第一电极层通过所述牺牲层连接至所述衬底。

其中，当所述第二压电层位于所述第二电极层上方时，所述MEMS结构还包括第二隔离层，所述第二隔离层用于将所述第三电极层与所述第二电极层分隔开，并且所述第二压电层覆盖在所述第二电极层上方。

其中，所述MEMS结构包括压电式MEMS麦克风。

综上，在以上的MEMS结构中的双晶片结构降低了残余应力，减小了振膜的翘曲，同时提高了MEMS结构的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1至图9示出了根据一些实施例的MEMS结构的形成方法的中间阶段的剖面示意图；

图10示出了在第一视角的根据一些实施例的MEMS结构的爆炸示意图；

图11示出了在第二视角的根据一些实施例的MEMS结构的爆炸示意图；

图12示出了根据一些实施例的MEMS结构的立体图；

图13示出了图12的MEMS结构的剖面立体图；

图14示出了根据一些实施例的MEMS结构的立体图；

图15示出了图14的MEMS结构的剖面立体图；

图16示出了MEMS结构的灵敏度频响曲线；

图17至图25示出了根据另一些实施例的MEMS结构的形成方法的中间阶段的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。

实施例1：

根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构及其形成方法，以下将通过该MEMS结构的形成方法来详细说明MEMS结构。该MEMS结构可以用于传感器或执行器，例如麦克风、扬声器、水听器。

在步骤S101中，参见图1和图2，提供衬底10，在衬底10上方形成第一牺牲材料，图形化第一牺牲材料以形成具有凹槽21的第一牺牲层20。其中，衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO₂/Si上的多晶硅)的材料。第一牺牲材料包括二氧化硅、掺磷氧化硅(简称PSG)、氧化锌或其他合适的牺牲材料。可以通过CVD(ChemicalVapor Deposition，即化学气相沉积)的工艺形成第一牺牲材料，然后干法蚀刻第一牺牲材料以形成凹槽21。例如，当第一牺牲材料为二氧化硅时，可以通过热氧化法、在温度1075℃，源气体为氧气和氢气，流动速率分别为6slm和10slm。

在步骤S102中，参见图3，在第一牺牲层20上方共形形成第一电极材料，图形化第一电极材料以形成第一电极层31，第一电极层31形成在凹槽21的底部和侧壁。可以通过电子束蒸发、磁控溅射工艺形成第一电极材料。第一电极材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。例如，第一电极材料为铝时，可以在功率300W，压强300MPa，常温下采用磁控溅射法形成铝电极层。

在步骤S103中，参见图4，在第一电极层31上方共形形成第一隔离材料，图形化第一隔离材料以形成第一隔离层32。第一隔离材料包括二氧化硅、氮化硅、掺磷氧化硅或其他合适的材料。可以通过CVD工艺形成第一隔离材料。当二氧化硅作为隔离层时，可以在温度300℃，气体SiH₄和N₂O，压强1Torr下通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，即等离子体增强化学的气相沉积)方法获得。

在步骤S104中，参见图5，填充凹槽21，在第一隔离层32上方形成第一压电材料，保留位于凹槽21内的第一压电材料以形成第一压电层33，使得第一压电层33的上表面与第一隔离层32的上表面共面。第一压电材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。可以通过CVD工艺或磁控溅射工艺或其他合适工艺形成第一压电材料。当氧化锌作为第一压电材料时，可以采用射频磁控溅射法，靶材为ZnO，射频功率为80W，压强为2Pa，衬底温度为室温下形成氧化锌薄膜。当氮化铝作为第一压电材料时，可以采用射频磁控溅射法，靶材为铝，射频功率为200W，压强为0.27Pa，偏压为0到-320V，衬底温度为室温到80℃下形成氮化铝薄膜。可以通过CMP(Chemical Mechanical Polishing，即化学机械抛光)来获取第一压电层33和第一隔离层32的平坦上表面。当露出第一隔离层32时，停止CMP工艺。

在步骤S105中，参见图6和图7，在第一隔离层32和第一压电层33上方形成第二电极材料，并且图形化第二电极材料以形成第二电极层34。第二电极层34的材料和形成工艺与第一电极层31的材料和形成工艺可以相同。

在步骤S106中，在第二电极层34上方依次形成第二压电材料和第三电极材料，并且依次图形化第三电极材料和第二压电材料后形成具有贯穿开口37的第二压电层35和第三电极层36。第二压电层35的材料和形成工艺与第一压电层33的材料和形成工艺可以相同。第三电极层36的材料和形成工艺与第一电极层31的材料和形成工艺可以相同。

在步骤S107中，参见图8和图9，底部蚀刻释放衬底10和第一牺牲层20以形成空腔11，以使第一压电层33的投影区域小于空腔11的投影区域且大于贯穿开口37的投影区域。具体的，通过标准光刻工艺在衬底10的背面依次沉积形成绝缘材料和光刻胶，图形化该光刻胶以形成掩模层，干法蚀刻露出的绝缘材料和衬底10直至露出第一牺牲层20，从而形成空腔11。然后采用湿法蚀刻去除露出的第一牺牲层20。最后去除衬底10的背面的绝缘材料。至此，制造获得了MEMS结构。

在图9所示的MEMS结构中，第一电极层31、第一压电层33、第二电极层34、第二压电层35和第三电极层36构成了双晶片结构。第一压电层33和第二压电层35在压电效应下实现声能转换为电能。第一电极层31、第二电极层34和第三电极层36将所产生的电能传送至其他电路元件。

以下将详细说明实施例1中的MEMS结构。

综合参见图10、图11、图12和图13，MEMS结构包括衬底10、第一单元层和第二单元层。

衬底10具有空腔11。在图10至图13示出了衬底10为圆形，在图14至图15示出了衬底10为方形。衬底10还可以包括五边形、六边形或其他规则或不规则形状。

第一单元层连接于衬底10并且覆盖空腔11，第一单元层包括从下向上依次层叠的第二电极层34、第二压电层35和第三电极层36，并且第二压电层35和第三电极层36具有贯穿开口37。

第二单元层形成在第一单元层下方。第二单元层包括第一压电层33和邻近第一压电层33的第一电极层31。第一压电层33位于第二电极层34下方。第二压电层35的投影区域小于空腔11的投影区域且大于贯穿开口37的投影区域。

该MEMS结构中，第二压电层35和第三电极层36具有贯穿开口37，从而有助于减小第二压电层35和第三电极层36的内部残余应力。并且，第一电极层31和第二压电层35悬置在贯穿开口37下方，相当于第一电极层31和第二压电层35悬空，进一步释放了残余应力。由此，这种双晶片结构降低了残余应力，减小了振膜的翘曲，同时提高了MEMS结构的灵敏度。

优选的，第一电极层31的导线部分固定连接至衬底10，第一隔离层32覆盖在第一电极层31上方。该第一隔离层32有利于将悬空的第一电极层31的导线部分引出，第一隔离层32用于将第一电极层31和第二电极层34分隔开以避免第一电极层31与第二电极层34短路。

优选的，第三电极层36的导线部分向外延伸，并且与第一电极层31的导线部分错位布置。

优选的，第一电极层31、第二电极层34和第三电极层36具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的第一电极层31、第二电极层34和第三电极层36的分区构成电极层对，多个电极层对依次串联。优选的，第一电极层31、第二电极层34和第三电极层36具有相应的12个等角度分区。通过采用分割电极层的方法，可以提高MEMS结构的灵敏度。

优选的，第二压电层35的外边缘位于第二电极层34的外边缘之外，第二压电层35包裹第二电极层34的外边缘，以避免第二电极层34与第三电极层36短路。而且第二电极层34无需通过导线将电荷引出。

优选的，MEMS结构还包括第一牺牲层20，第一牺牲层20形成在衬底10上方，第一电极层31通过第一牺牲层20连接至衬底10。第一牺牲层20有利于形成第一电极层31和第二压电层35的悬空结构。

优选的，MEMS结构包括压电式MEMS麦克风。

参见图16，示出了MEMS结构在特定尺寸和参数下的灵敏度频响曲线。其中，空腔11的半径为543μm，第一电极层31和第一压电层33的半径为390μm，第二电极层34的半径为600μm，第二压电层35和第三电极层36的外半径为600μm，内半径385μm。其中第一电极层31、第二电极层34和第三电极层36的厚度为100nm，材料为钼(Mo)，第一压电层33和第二压电层35的厚度为600nm，材料为氮化铝(AlN)。从灵敏度频响曲线可以看到，MEMS结构在100Hz至20000Hz频率范围内，灵敏度在-34dB以上，并且在10kHz以内非常平坦。

实施例2：

根据本申请的实施例，提供了另一种MEMS结构及其形成方法，以下将通过该MEMS结构的形成方法来详细说明MEMS结构。实施例2中的MEMS结构与实施例1中的MEMS结构的区别在于：实施例1的中间悬空压电层位于贯穿开口37的下方，而实施例2的中间悬空压电层位于贯穿开口37上方。

以下将详细说明本实施例中MEMS结构的形成方法。由于在实施例1中已经说明了MEMS结构中各个材料层及对应的工艺方法，在此不再赘述。值得注意的是，实施例2和实施例1中相同的标号表示相同的材料层或元件。

在步骤S201中，参见图17和图18，提供衬底10，在衬底10上方形成第一牺牲材料，图形化第一牺牲材料以形成具有凹槽21的第一牺牲层20。

在步骤S202中，参见图19，在第一牺牲层20上方共形形成第一电极材料，图形化第一电极材料以形成第一电极层31，第一电极层31形成在凹槽21的底部和外侧壁。

在步骤S203中，参见图20，填充凹槽21，在第一电极层31上方形成第一压电材料，保留位于凹槽21内的第一压电材料以形成第一压电层33，使得第一压电层33的上表面与第一电极层31的上表面共面。

在步骤S204中，参见图21，在第一压电层33和第一电极层31上方形成第二电极材料，图形化第二电极材料以形成第二电极层34，第二电极层34的外边缘与第一电极层31分隔开。

在步骤S205中，参见图22，在第二电极层34上方形成第二压电材料，图形化第二压电材料以形成第二压电层35。

在步骤S206中，在第二压电层35的侧面形成第一隔离材料，图形化第一隔离材料以形成第一隔离层32。

在步骤S207中，参见图23，在第一隔离层32和第二压电层35上方形成第三电极材料，图形化第三电极材料以形成第三电极层36，第一隔离层32将第二电极层34与第三电极层36分隔开。

在步骤S208中，参见图24和图25，底部蚀刻释放衬底10和第一牺牲层20以形成空腔11和贯穿开口37，贯穿开口37位于第一压电层33和第一电极层31的中间，其中，第二压电层35的投影区域小于空腔11的投影区域且大于贯穿开口37的投影区域。至此，制造获得了MEMS结构。

以下将详细说明实施例2中图25所示的MEMS结构。由于在实施例1中已经详细说明了MEMS结构，在此不再赘述实施例2与实施例1中相同的技术特征，以下只说明实施例2与实施例1不同的技术特征。

衬底10具有空腔11。

第一单元层连接于衬底10并且覆盖空腔11，第一单元层包括从下向上依次层叠的第二电极层34、第二压电层35和第三电极层36。

第二单元层形成在第一单元层下方，第二单元层包括第一压电层33和邻近第一压电层33的第一电极层31。第一压电层33位于第二电极层34下方。第一压电层33和第一电极层31具有贯穿开口37。第二压电层35的投影区域小于空腔11的投影区域且大于贯穿开口37的投影区域。

该MEMS结构中，第一压电层33和第一电极层31具有贯穿开口37，从而有助于减小第一压电层33和第一电极层31的内部残余应力。并且，第三电极层36和第二压电层35悬置在贯穿开口37上方，相当于第三电极层36和第二压电层35悬空，进一步释放了残余应力。由此，这种双晶片结构降低了残余应力，减小了振膜的翘曲，同时提高了MEMS结构的灵敏度。

优选的，MEMS麦克风还包括第一隔离层32，第一隔离层32用于将第三电极层36与第二电极层34分隔开，并且第二压电层35覆盖在第二电极层34上方。

优选的，MEMS结构还包括第一牺牲层20，第一牺牲层20形成在衬底10上方，第一电极层31通过第一牺牲层20连接至衬底10。

综上所述，本申请的MEMS结构通过贯穿开口37和悬空压电层，从而降低了残余应力，提高了灵敏度。然后在将第一电极层31、第二电极层34和第三电极层36分割成多个部分，进一步提高了MEMS结构的灵敏度。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：

衬底，具有空腔；

第一单元层，连接于所述衬底并且覆盖所述空腔，所述第一单元层包括从下向上依次层叠的第一电极层、第一压电层和第二电极层，并且所述第一压电层和所述第二电极层具有贯穿开口；

第二单元层，形成在所述第一单元层上方或下方，所述第二单元层包括第二压电层和邻近所述第二压电层的第三电极层，所述第二压电层位于所述第一电极层下方或者所述第二压电层位于所述第二电极层上方，所述第二压电层的投影区域小于所述空腔的投影区域且大于所述贯穿开口的投影区域。

2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，

当所述第二压电层位于所述第一电极层下方时，所述MEMS结构还包括第一隔离层，所述第一隔离层用于将所述第一电极层和所述第三电极层分隔开，并且所述第一电极层覆盖在所述第二压电层上方。

3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述第三电极层的导线部分固定连接至所述衬底，所述第一隔离层覆盖所述在所述第三电极层上方。

4.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，所述第二电极层的导线部分向外延伸，并且与所述第三电极层的导线部分错位布置。

5.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层的分区构成电极层对，多个所述电极层对依次串联。

6.根据权利要求5所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有相应的12个等角度分区。

7.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一压电层的外边缘位于所述第一电极层的外边缘之外，所述第一压电层包裹所述第一电极层的外边缘。

8.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构还包括牺牲层，所述牺牲层形成在所述衬底上方，所述第一电极层通过所述牺牲层连接至所述衬底。

9.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，当所述第二压电层位于所述第二电极层上方时，所述MEMS结构还包括第二隔离层，所述第二隔离层用于将所述第三电极层与所述第二电极层分隔开，并且所述第二压电层覆盖在所述第二电极层上方。

10.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构包括压电式MEMS麦克风。

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