TWI547181B - 微機電麥克風感測器及其製備方法 - Google Patents

Description

微機電麥克風感測器及其製備方法

本發明是有關於一種麥克風感測器，且特別是指一種具有高靈敏度的麥克風感測器和此麥克風感測器的製備方法。

微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)係整合機電技術與半導體技術，利用半導體製程與半導體封裝技術來縮小產品的體積，以因應消費性電子之微型化需求。

舉例來說，微機電系統相關產品包含溫度計、壓力計、麥克風或生物感測器等。就微機電系統麥克風而言，微機電系統麥克風通常包含振膜，其用以接受聲波而對應產生振動，進而將聲能轉換為電能。因微機電系統麥克風的靈敏度(Sensitivity)直接影響其效能，如何改變微機電系統麥克風的設計以有效提升其靈敏度，已成為業界所努力的目標之一。

本發明的目的是在於提供一種麥克風感測器，透過高剛性的背板結構直接連接振膜中心，可使振膜外圍具有 自由懸浮的效果，進而提升麥克風整體的靈敏度。

根據本發明之上述目的，提出一種麥克風感測器。 此麥克風感測器包含背板結構、振膜、背板電極層和導電結構。背板結構具有多個孔洞，且背板結構具有相對的第一側和一第二側，其中此些孔洞貫穿背板結構，第一側具有連接區，此連接區具有連接結構以連接振膜。背板電極層設置於背板結構的第一側上。背板電極層與振膜之間具有間隔，且背板電極層與振膜共同作用以產生電容量。導電結構設置背板結構的第一側或背板結構的第二側上。導電結構連接於振膜，且導電結構與背板電極層電性絕緣。

依據本發明之一實施例，上述導電結構係設置於背板結構的第二側上，且上述導電結構貫穿背板結構而與振膜連接。

依據本發明之又一實施例，上述導電結構係設置於 背板結構的第一側，且於麥克風感測器的垂直方向上，上述導電結構不與上述背板電極層重疊。

依據本發明之又一實施例，上述麥克風感測器更包 含基底和絕緣層，此基底、此絕緣層與上述背板結構共同形成腔室，其中腔室位於上述背板結構的第一側外，且上述振膜位於腔室內。

依據本發明之又一實施例，上述連接區的面積佔上 述背板結構之第一側的面積的至少3%，實際比例需參考麥克風感測器特性及製程參數做適當的調整。

依據本發明之又一實施例，上述振膜為摻雜多晶矽 (poly-silicon)振膜。

根據本發明之上述目的，另提出一種製備麥克風感測器的方法。此方法包含下列步驟：提供基底；在基底上形成絕緣層；在絕緣層上形成振膜；在絕緣層和振膜上形成犧牲層，其中犧牲層定義連接區；在犧牲層上形成背板電極層；在背板電極層、振膜和犧牲層上形成一背板結構，此背板結構定義多個孔洞；在振膜和背板結構上形成導電結構；以及去除基底的一部分和犧牲層的一部分，以形成腔室，其中振膜位於腔室內。

根據本發明之上述目的，另提出一種製備麥克風感測器的方法。此方法包含下列步驟：提供基底；在基底上形成絕緣層；在絕緣層上形成振膜；在絕緣層和振膜上形成犧牲層，其中犧牲層定義連接區；在犧牲層上形成背板電極層和導電結構，其中導電結構與振膜連接；在背板電極層和導電結構上形成背板結構，此背板結構定義多個孔洞；以及去除基底的一部分和犧牲層的一部分，以形成腔室，其中振膜位於腔室內。

100、200、300‧‧‧麥克風感測器

102、202、302‧‧‧基底

104、204、304‧‧‧絕緣層

106、208、306‧‧‧犧牲層

108、206、308‧‧‧振膜

110、210、310‧‧‧背板電極層

112、212、314‧‧‧背板結構

112A、112B、112C、212A、212B、212C、314A、314B、314C‧‧‧介電層

114、214、312‧‧‧導電結構

116、216、316、318‧‧‧引出電極

A-A’‧‧‧剖面線

B‧‧‧腔室

C、C1、C2、C3‧‧‧連接區

F‧‧‧連接結構

G‧‧‧空隙

H‧‧‧孔洞

L‧‧‧懸臂樑結構

O1、O2、O3‧‧‧懸空區

P‧‧‧孔洞結構

S1‧‧‧第一側

S2‧‧‧第二側

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1A圖係繪示依據本發明實施例麥克風感測器之立體剖面示意圖；第1B圖係繪示第1A圖中沿A-A’剖面線之剖面示意 圖；第2A~2C圖係繪示依據第1A圖之振膜之結構示意圖；第3A~3I圖係繪示依據本發明實施例麥克風感測器的製備流程之示意圖；以及第4A圖係繪示依據本發明實施例麥克風感測器之立體剖面示意圖；以及第4B圖係繪示第4A圖中沿A-A’剖面線之剖面示意圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請同時參照第1A和1B圖，第1A圖係繪示依據本發明實施例麥克風感測器100之立體剖面示意圖，且第1B圖係繪示第1A圖中沿A-A’剖面線之剖面示意圖。如第1A和1B圖所示，麥克風感測器100包含基底102、絕緣層104、犧牲層106、振膜108、背板電極層110、背板結構112、導電結構114和引出電極116。基底102、絕緣層104和犧牲層106用於支撐麥克風感測器100整體。

背板結構112包含介電層112A、112B、112C。在本實施例中，介電層112A、112C包含氮化矽，且介電層112B包含氧化矽。在其他實施例中，介電層112A、112B、112C可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、上述材料之組合 或其他類似的材料。在本發明的實施例中，背板結構112不以第1A和1B圖繪示的介電層112A、112B、112C為限，例如，介電層112A、112B、112C的組合可變更為單層結構或多層結構。背板結構112具有多個孔洞H，用以使外部聲波通過並進入到由基底層102、絕緣層104和背板結構112所共同定義出的腔室B內，進而使振膜108產生震動。 背板結構112具有相對的第一側S1和第二側S2。第一側S1具有連接區C，此連接區C具有連接結構F以連接振膜108，使得振膜108透過連接結構F懸掛在背板結構112的第一側S1。在一些實施例中，連接區C的面積約為背板結構112之第一側S1的面積的至少3%，實際比例需參考麥克風感測器特性及製程參數做適當的調整。此外，第一側S1具有背板電極層110，此背板電極層110與振膜108共同作用以產生電容量。第二側S2上具有導電結構114，此導電結構114貫穿連接結構F而與振膜108連接，以將振膜108的電位引導出。振膜108接收通過孔洞H的外部聲波而產生振動，使得振膜108與背板電極層110之間的電容值產生改變，而造成麥克風感測器100之輸出電位改變的效果。在本發明的實施例中，振膜108與背板電極層110之間的距離為1~4微米(micrometer)，且振膜108的厚度約為0.4~0.45微米。振膜108和背板電極層110可包含多晶矽(poly-silicon)、摻雜多晶矽、金屬、金屬化合物或其他類似的導電材料等。此外，如第1A和1B圖所示，引出電極116設置於背板電極層110上，其作為提供電位導入 至背板電極層110的路徑。導電結構114和引出電極116可以是例如金或鋁等金屬，但不限於此。

依據不同的設計需求，振膜108可具有多種不同的樣態。請參照第1A圖並結合第2A~2C圖，第2A~2C圖係繪示依據第1A圖之振膜108之結構示意圖。在第2A圖中，振膜108A具有連接區C1和懸空區O1，其中連接區C1用以連接背板結構112的連接結構F，且懸空區O1用以懸浮在腔室B中，進而與背板電極層110共同作用而產生電容量。在第2B圖中，振膜108B具有連接區C2和懸空區O2，其中連接區C2用以連接背板結構112的連接結構F，且懸空區O2用以懸浮在腔室B中，進而與背板電極層110共同作用而產生電容量。此外，在懸空區O2與連接區C2間係以四組懸臂樑結構L作為支撐臂，此懸臂樑結構L用以增加麥克風感測器100的整體靈敏度。在第2C圖中，振膜108C具有連接區C3和懸空區O3，其中連接區C3用以連接背板結構112的連接結構F，且在連接區C3中具有中空的孔洞結構P，此孔洞結構P用以在麥克風結構100受到較高聲壓衝擊時來緩衝聲壓衝擊力，藉此降低高聲壓衝擊力對麥克風結構100所造成的影響。此外，懸空區O3用以懸浮在腔室B中，進而與背板電極層110共同作用而產生電容量。

應注意的是，第2A~2C圖所繪示的振膜108A、 108B、108C僅為第1A圖之振膜108的例示，而非用以限制本發明的範圍。也就是說，第1A和1B圖之振膜108亦 可為其他樣態，而不限於第2A~2C圖振膜108A、108B、108C。此外，振膜108B、振膜108C之設計可以互相搭配使用。也就是說，設計的振膜可同時包含有如第2B圖所示的懸臂樑結構L和如第2C圖所示的孔洞結構P。

麥克風感測器100的特點在於，透過高剛性的背板 結構112直接連接振膜108，使振膜108具有自由懸浮的效果，進而使麥克風感測器100達到靈敏度提升的功效。

本發明另包含一種麥克風感測器的製備方法。請依 序參照第3A~3I圖，第3A~3I圖係繪示依據本發明實施例裝置麥克風感測器200的製備流程之示意圖。在第3A圖中，絕緣層204形成於基底202上。絕緣層204可為熱氧化薄膜，使得絕緣層204有較佳的緻密性較佳和絕緣性表現，但其本身的薄膜應力也相應較大。在本發明的實施例中，絕緣層204藉由化學氣相沈積法形成，但不限於此。 絕緣層204可包含氧化矽或其他類似的絕緣材料。

在第3B圖中，振膜206形成於絕緣層204上。形 成振膜206的材料可包含多晶矽、摻雜多晶矽、金屬、金屬化合物、上述材料之組合或其他類似的導電材料等。依照不同的材料，可藉由低壓化學氣相沈積法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition；LPCVD)、電漿輔助化學氣相沈積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)、高密度電漿化學氣相沈積法(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition；HDPCVD)、物理氣相沈積法或其他類似沈積方法形成振膜206。

在第3C圖中，犧牲層208形成於振膜206和絕緣層204上，且犧牲層208定義出缺口。犧牲層208可包含氧化矽或其他類似材料，在本發明的實施例中，犧牲層208藉由電漿輔助化學氣相沈積法形成，但不限於此。

在第3D圖中，背板電極層210形成於犧牲層208上。形成背板電極層210的材料可包含多晶矽、摻雜多晶矽、金屬、金屬化合物或其他類似的導電材料等。依照不同的材料，可藉由低壓化學氣相沈積法、電漿輔助化學氣相沈積法、高密度電漿化學氣相沈積法、物理氣相沈積法或其他類似沈積方法形成背板電極層210。

在第3E圖中，介電層212A、212B依序形成於背板電極層210上，且部分填補缺口而直接形成於振膜206上。在本實施例中，介電層212A包含氮化矽，且介電層212B包含氧化矽。在其他實施例中，介電層212A、212B可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、上述材料之組合或其他類似的材料。介電層212A、212B可藉由電漿輔助化學氣相沈積法形成，但不限於此。

在第3F圖中，介電層212C形成於介電層212A、 212B上。在本實施例中，介電層212C包含氮化矽。在其他實施例中，介電層212C可包含氧化矽、氮氧化矽、上述材料之組合或其他類似的材料。介電層212C可藉由電漿輔助化學氣相沈積法形成，但不限於此。介電層212C和介電層212A、212B共同組成背板結構212。如第3F圖所示，背板結構212具有連接結構F和孔洞H。

在第3G圖中，導電結構214和引出電極216分別形成於背板結構212和背板電極層210上，其中導電結構214貫穿凹連接構F而直接與振膜206連接。在本實施例中，引出電極214和引出電極216可以是例如金或鋁等金屬，但不限於此。導電結構214和引出電極216可藉由物理氣相沈積法或其他類似沈積方法形成。

在第3H圖中，藉由蝕刻製程將基底202的部分去 除而形成腔室B。蝕刻製程可使用深反應式離子蝕刻(Deep Reactive Ion Etching；DRIE)、乾式蝕刻(Dry Etching)或濕式蝕刻(Wet Etching)技術來進行。在其他實施例中，蝕刻製程可使用感應耦合電漿離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching；ICP)技術來進行。

在第3I圖中，再藉由蝕刻製程將絕緣層204和犧 牲層208的部分被去除而形成空隙G，使振膜懸浮於空隙G與腔室B之間，且使孔洞H貫穿背板結構212而與腔室B連接。蝕刻製程可使用緩衝氧化物蝕刻(Buffer Oxide Etching；BOE)、氣相蝕刻(Vapor HF Etching)或其他類似蝕刻技術來進行。

除了上述麥克風感測器100、200之外，本發明另 提供一種麥克風感測器。請同時參照第4A和4B圖，第4A圖係繪示依據本發明實施例麥克風感測器300之立體剖面示意圖，且第4B圖係繪示第4A圖中沿A-A’剖面線之剖面示意圖。如第4A和4B圖所示，麥克風感測器300包含基底302、絕緣層304、犧牲層306、振膜308、背板導電層 310、導電結構312、背板結構314和引出電極316、318。 基底302、絕緣層304和犧牲層306用於支撐麥克風感測器300整體。

背板結構314包含介電層314A、314B、314C。在 本實施例中，介電層314A、314C包含氮化矽，且介電層314B包含氧化矽。在其他實施例中，介電層314A、314B、314C可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、上述材料之組合或其他類似的材料。在本發明的實施例中，背板結構314不以第4A和4B圖繪示的介電層314A、314B、314C為限，例如，介電層314A、314B、314C的組合可變更為單層結構或多層結構。背板結構314具有多個孔洞H，用以使外部聲波通過並進入到由基底302、絕緣層304和背板結構314所共同定義出的腔室B內，進而使振膜308與聲波產生共振效應。

背板結構314具有相對的第一側S1和第二側S2。 第一側S1具有連接區C，此連接區C具有連接結構F以連接振膜308，使得振膜308透過連接結構F懸掛在背板結構314的第一側S1。在一些實施例中，連接區C的面積約為背板結構314之第一側S1的面積的至少3%，實際比例需參考麥克風感測器特性及製程參數做適當的調整。此外，第一側S1具有背板電極層310和導電結構312，其中背板電極層310與振膜308共同作用以產生電容量，而導電結構312與振膜308連接且與背板電極層310電性絕緣。振膜308接收通過孔洞H的外部聲波而產生振動，使得振膜 308與背板電極層310之間的電容值產生改變，而造成振膜308輸出電位改變的效果，接著再透過導電結構312將振膜308的電位引導出。在本發明的實施例中，振膜308與背板電極層310之間的距離為1~4微米，且振膜308的厚度約為0.4~0.45微米。振膜308、背板電極層310和導電結構312可包含多晶矽、摻雜多晶矽、金屬、金屬化合物或其他類似的導電材料等。此外，如第4A和4B圖所示，引出電極316設置於導電結構312上，其作為將振膜308的電位引導出的路徑，且引出電極318設置於背板電極層310上，其作為提供電位導入至背板電極層310的路徑。引出電極316、318可以是例如金或鋁等金屬，但不限於此。

在麥克風感測器300中，背板電極層310與導電結 構312於垂直方向上不互相重疊，因此可避免背板電極層310與導電結構312之間產生寄生電容。因此，麥克風感測器300除了具有麥克風感測器100的優點外，更具有使輸出訊號較為穩定的功效。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧麥克風感測器

102‧‧‧基底層

104‧‧‧絕緣層

106‧‧‧犧牲層

108‧‧‧振膜

110‧‧‧背板電極層

112‧‧‧背板結構

112A、112B、112C‧‧‧介電層

114‧‧‧導電結構

116‧‧‧引出電極

B‧‧‧腔室

C‧‧‧連接區

F‧‧‧連接結構

H‧‧‧孔洞

S1‧‧‧第一側

S2‧‧‧第二側

Claims (10)

1. 一種麥克風感測器，包含：一背板結構，具有複數個孔洞，且該背板結構具有相對之一第一側及一第二側，其中該些孔洞貫穿該背板結構，且該第一側具有一連接區，該連接區具有一連接結構以連接一振膜；一背板電極層，設置於該背板結構之該第一側，該背板電極層與該振膜之間具有一間隔，且該背板電極層與該振膜共同作用以產生一電容量；以及一導電結構，設置於該背板結構之該第一側或該背板結構之該第二側上，該導電結構連接於該振膜，且該導電結構與該背板電極層電性絕緣。
2. 如請求項1所述之麥克風感測器，其中該導電結構係設置於該背板結構之該第二側上，且該導電結構貫穿該背板結構而與該振膜連接。
3. 如請求項1所述之麥克風感測器，其中該導電結構係設置於該背板結構之該第一側，且於該麥克風感測器之一垂直方向上，該導電結構不與該背板電極層重疊。
4. 如請求項1所述之麥克風感測器，更包含一基底結構，該基底結構與該背板結構共同形成一腔室，其中該腔室位於該背板結構之該第一側外，且該振膜位於該腔室內。
5. 如請求項1所述之麥克風感測器，其中該連接區之面積佔該背板結構之該第一側之面積之至少3%，實際比例需參考麥克風感測器特性及製程參數做適當的調整。
6. 如請求項1所述之麥克風感測器，其中該振膜為一摻雜多晶矽(poly-silicon)振膜。
7. 一種用於製備一麥克風感測器之方法，包含：提供一基底；在該基底上形成一絕緣層；在該絕緣層上形成一振膜；在該絕緣層及該振膜上形成一犧牲層，其中該犧牲層定義一連接區；在該犧牲層上形成一背板電極層；在該背板電極層、該振膜及該犧牲層上形成一背板結構，該背板結構定義複數個孔洞，且與該振膜互相連結，藉以支撐該振膜；在該振膜和該背板結構上形成一導電結構，該導電結構與該振膜連接；以及；去除該基底層之一部分和該犧牲層之一部分，以形成一腔室，其中該振膜位於該腔室內。
8. 如請求項7所述之方法，其中該振膜為一摻雜多晶矽振膜。
9. 一種用於製備一麥克風感測器之方法，包含：提供一基底；在該基底上形成一絕緣層；在該絕緣層上形成一振膜；在該絕緣層及該振膜上形成一犧牲層，其中該犧牲層定義一連接區；在該犧牲層上形成一背板電極層；在該犧牲層上形成一導電結構，該導電結構與該振膜連接；在該背板電極層和該導電結構上形成一背板結構，該背板結構定義複數個孔洞；以及去除該基底之一部分和該犧牲層之一部分，以形成一腔室，其中該振膜位於該腔室內。
10. 如請求項9所述之方法，其中該振膜為一摻雜多晶矽振膜。