下電極設(shè)有支撐柱的電容式硅麥克風(fēng)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電容式硅麥克風(fēng)及其制備方法，電容式硅麥克風(fēng)包括：一鈍化層；一介質(zhì)層；一器件組，埋設(shè)于鈍化層底部，其包括第一器件和第二器件，第一器件為電容式硅麥克風(fēng)的下電極；一空氣隙，用于作為電容式硅麥克風(fēng)的絕緣介質(zhì)；一氣腔；以及，至少一通氣孔，分別與氣腔、空氣隙導(dǎo)通；一金屬層，用于作為電容式硅麥克風(fēng)的上電極，包括相互連接的第一部與第二部，第一部從上方包覆空氣隙，第二部貫通鈍化層與第二器件相連；其中，下電極下方的介質(zhì)層底面連接有至少一支撐柱，支撐柱底端固定于襯底中。其可提升下電極的物理強度，從而可以制備出更薄的下電極，以提高電容式硅麥克風(fēng)的靈敏度，并可避免制備過程中出現(xiàn)的下電極彎曲現(xiàn)象。
【專利說明】下電極設(shè)有支撐柱的電容式硅麥克風(fēng)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工制造領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種下電極設(shè)有支撐柱的電容式硅麥克風(fēng)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]駐極體麥克風(fēng)的工作原理是以人聲通過空氣引起駐極體震動膜震動而產(chǎn)生位移，從而使得背電極和駐極體上的金屬層這兩個電極間的距離產(chǎn)生變化，隨之電容也改變，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，由Q=CU可得出當(dāng)C變化時將引起電容器兩端的電壓U發(fā)生變化，從而輸出電信號，實現(xiàn)聲信號到電信號的變換。
[0003]聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜。而傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風(fēng)在體積縮小上已經(jīng)接近了極限，其技術(shù)和結(jié)構(gòu)上限制體積的進一步縮小，市場急需新的麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)，來滿足市場對成本、性能、易用性及設(shè)計自由度上的需求。
[0004]目前，MEMS麥克風(fēng)已廣泛應(yīng)用于麥克風(fēng)制造領(lǐng)域，它是通過與集成電路制造兼容的表面(如硅襯底)加工或體硅加工工藝制造的麥克風(fēng)，由于可以利用持續(xù)微縮的CMOS工藝技術(shù)，MEMS麥克風(fēng)可以做得很小，從而可以廣泛地應(yīng)用到手機、筆記本電腦、攝像機等便攜設(shè)備中。MEMS麥克風(fēng)的工作原理與傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風(fēng)(ECM)類似，通過振動膜(上電極)和基板(下電極)之間的距離變化引起電容器兩端電壓的變化，從而實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換過程。
[0005]然而，現(xiàn)有技術(shù)提供的電容式硅麥克風(fēng)中，因下電極離氣腔下方的襯底的距離較大，當(dāng)試圖制成較薄的下電極以提高電容式硅麥克風(fēng)的靈敏度時，其物理強度往往不夠，而且在制備工藝中，在通過上電極上的釋放孔釋放填充在空氣隙和氣腔中的犧牲層時，較薄的下電極容易出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。
[0006]因此，業(yè)內(nèi)期望獲得一種可在獲得較薄下電極的同時、其物理強度獲得提升的電容式硅麥克風(fēng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個目的在于提供一種電容式娃麥克風(fēng)，其下電極通過設(shè)有支撐柱獲得物理強度的提升。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一技術(shù)方案如下:
[0009]—種電容式娃麥克風(fēng)，形成于娃襯底一電路區(qū)域上，包括:一鈍化層，其為電路區(qū)域表面層；一介質(zhì)層，設(shè)置于鈍化層與襯底之間；一器件組，埋設(shè)于鈍化層底部，其包括第一器件和第二器件，第一器件為電容式娃麥克風(fēng)的電容下電極；一空氣隙，位于鈍化層上方，用于作為電容式娃麥克風(fēng)的絕緣介質(zhì)；一氣腔，形成于襯底內(nèi)；以及，至少一通氣孔，其自未鋪設(shè)器件組的電路區(qū)域向下貫通鈍化層與介質(zhì)層，分別與氣腔、空氣隙導(dǎo)通；一金屬層，用于作為電容式娃麥克風(fēng)的電容上電極，包括相互連接的第一部與第二部，第一部從上方包覆空氣隙，第二部貫通鈍化層與第二器件相連；其中，下電極下方的介質(zhì)層底面連接有至少一支撐柱，支撐柱底端固定于襯底中。
[0010]優(yōu)選地，支撐柱為多根，均勻分布地連接于下電極下方的介質(zhì)層底面。
[0011]本發(fā)明的另一目的在于提供一種電容式娃麥克風(fēng)的制備方法，其可在下電極下方形成支撐柱以提升下電極的物理強度。
[0012]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明另一技術(shù)方案如下:
[0013]—種在制備上述電容式娃麥克風(fēng)的方法，包括如下步驟:a)、提供一娃襯底,在襯底上刻蝕形成多個圓柱形孔，孔的深度大于電容式娃麥克風(fēng)的氣腔深度；b)、向孔中填充娃氧化物，并在襯底表面依次形成一介質(zhì)層、一器件組和一鈍化層；其中，介質(zhì)層垂直設(shè)置于鈍化層下方，器件組埋設(shè)于鈍化層底部，其包括第一器件和第二器件，第一器件形成為電容式硅麥克風(fēng)的下電極；C)、以圖案化方法在電路區(qū)域中偏離孔的位置處形成至少一通氣孔，通氣孔自未鋪設(shè)器件組的電路區(qū)域向下貫通鈍化層與介質(zhì)層，停止于襯底表面；d)、在電路區(qū)域沉積一犧牲層，犧牲層填充通氣孔并均勻覆蓋電路區(qū)域表面；e)、對犧牲層圖案化以定義出空氣隙區(qū)域；f)、在空氣隙區(qū)域上均勻沉積一金屬層，并使金屬層與第二器件相連，以形成電容式硅麥克風(fēng)的上電極；g)、在金屬層上形成至少一釋放孔；h)、對電路區(qū)域進行刻蝕，去除空氣隙區(qū)域內(nèi)的犧牲層以形成空氣隙，以及去除通氣孔中的犧牲層、并刻蝕至襯底中以形成氣腔。
[0014]優(yōu)選地，步驟d)具體包括:dl)、在電路區(qū)域沉積第一犧牲層；d2)、去除通氣孔之外的第一犧牲層；d3)、在電路區(qū)域均勻沉積第二犧牲層。
[0015]優(yōu)選地，步驟d2)具體包括:對第一犧牲層進行CMP工藝，至鈍化層時停止。
[0016]本發(fā)明提供的電容式硅麥克風(fēng)及其制備方法，在下電極下方形成多個支撐柱，用于提升下電極的物理強度，從而可以制備出更薄的下電極，以提高電容式硅麥克風(fēng)的靈敏度；同時，在制備工藝中，在通過上電極上的釋放孔釋放填充在空氣隙和氣腔中的犧牲層時，可避免下電極出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品良率。這種電容式硅麥克風(fēng)制備簡單、實現(xiàn)成本低，利于在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1示出本發(fā)明第一實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)制備方法的流程示意圖；
[0018]圖2A-2G示出本發(fā)明上述電容式硅麥克風(fēng)制備方法各步驟中的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3示出本發(fā)明第二實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)的下電極下方設(shè)置的支撐柱的分布示意圖；
[0020]圖4示出本發(fā)明第三實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細(xì)說明。
[0022]需要說明的是，在本發(fā)明的實施例中，電容式娃麥克風(fēng)器件形成于娃襯底的一電路區(qū)域上。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明第一實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)制備方法，包括如下各步驟:
[0024]步驟S10、提供一硅襯底10，在襯底10上刻蝕形成多個圓柱形孔100 ；[0025]具體地，孔100的深度大于電容式硅麥克風(fēng)的氣腔深度；在考慮下電極位置與面積的情況下，對各孔的分布作出布局安排。此時，器件結(jié)構(gòu)如圖2A所示。
[0026]步驟S11、向孔100中填充硅氧化物，并在襯底10表面依次形成一介質(zhì)層101、一器件組和一鈍化層102 ；
[0027]具體地，介質(zhì)層101垂直設(shè)置于鈍化層102下方，器件組埋設(shè)于鈍化層102底部、位于介質(zhì)層101上方,其包括第一器件1031和第二器件1032,第一器件1031形成為電容式硅麥克風(fēng)的下電極，第二器件1032與電容式硅麥克風(fēng)的上電極(在后續(xù)工藝中形成)相連，從而上、下電極以及兩者之間的空氣隙形成為一平行板電容器，并與其他部分電路一起構(gòu)成整個硅麥克風(fēng)電路。此時器件結(jié)構(gòu)如圖2B所示。
[0028]步驟S12、以圖案化方法在電路區(qū)域中偏離孔的位置處形成至少一通氣孔，通氣孔自未鋪設(shè)器件組的電路區(qū)域向下貫通鈍化層與介質(zhì)層，停止于襯底表面；
[0029]在該步驟中，通過圖案化光刻，形成貫通介質(zhì)層101與鈍化層102的多個通氣孔104，用于連通電容式硅麥克風(fēng)的氣腔與空氣隙(均在后續(xù)步驟中形成)。通氣孔104的關(guān)鍵尺寸為6-8um，深度為2.6-3um。此時器件結(jié)構(gòu)如圖2C所示。
[0030]步驟S13、在電路區(qū)域沉積一犧牲層105，犧牲層105填充通氣孔104并均勻覆蓋電路區(qū)域表面；
[0031]具體地，該步驟S13可包括如下分步驟:
[0032]A)、在電路區(qū)域沉積第一犧牲層；
[0033]B)、去除通氣孔104之外的第一犧牲層；
[0034]C)、在電路區(qū)域均勻沉積第二犧牲層。
[0035]其中，分步驟B)可通過如下方式實現(xiàn):對第一犧牲層進行CMP工藝，至鈍化層102時停止。
[0036]進一步地，第一犧牲層的厚度為4-4.5um，材料為非晶硅或低溫多晶硅，第二犧牲層厚度為2.2um，材料也為非晶硅或低溫多晶硅。
[0037]以上述方式形成的犧牲層105在填充通氣孔104后，可均勻地覆蓋襯底10的電路區(qū)域表面。
[0038]步驟S14、對犧牲層圖案化以定義出空氣隙區(qū)域；
[0039]在該步驟中，通過圖案化光刻，將該空氣隙區(qū)域之外的犧牲層從電路區(qū)域表面清除掉。此時，器件結(jié)構(gòu)如圖2D所示。
[0040]步驟S15、在空氣隙區(qū)域上均勻沉積一金屬層106，并使金屬層106與第二器件1032相連，以形成電容式硅麥克風(fēng)的上電極；
[0041]其中，金屬層106沉積于犧牲層105上方、覆蓋電路區(qū)域的上表面，其從上方及側(cè)面包覆空氣隙區(qū)域內(nèi)的犧牲層105,金屬層106 —部與第二器件1032相連,形成為電容式娃麥克風(fēng)的上電極，作為電容式硅麥克風(fēng)的振動膜。此時器件結(jié)構(gòu)如圖2E所示。
[0042]步驟S16、在金屬層106上形成至少一釋放孔1061 ；
[0043]具體地，可提供一掩膜，以包括BC13在內(nèi)的刻蝕材料，刻蝕金屬層106以形成多個釋放孔1061，釋放孔1061貫通金屬層106，停止于犧牲層105上表面，用于在后續(xù)制備工藝中揮發(fā)或刻蝕填充在空氣隙中的犧牲層材料。釋放孔的關(guān)鍵尺寸例如為3um。此時器件結(jié)構(gòu)如圖2F所示。[0044]步驟S17、對電路區(qū)域進行刻蝕，去除空氣隙區(qū)域內(nèi)的犧牲層105以形成空氣隙107，以及去除通氣孔104中的犧牲層105、并刻蝕至襯底10中以形成氣腔108。
[0045]在該步驟中，采用各向同性刻蝕材料，通過釋放孔1061去除剩余的犧牲層105以最終形成空氣隙107，再進一步向下刻蝕襯底10形成氣腔108。此時器件結(jié)構(gòu)如圖2G所示。
[0046]可見，因圓柱形孔100中填有硅氧化物，其無法被上述刻蝕材料所刻蝕，從而形成了多個支撐柱，其頂端連接于下電極下方的介質(zhì)層101底面，其底端連接于氣腔108下方的襯底10中，給下電極提供了一個物理支撐作用，提升了下電極的物理強度，從而可以制備出更薄的下電極，可進一步提高電容式硅麥克風(fēng)的靈敏度；同時，在制備工藝中，在通過上電極上的釋放孔1061釋放填充在空氣隙和氣腔中的犧牲層105時，可避免下電極出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，提聞了廣品良率。
[0047]該實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)制備簡單、實現(xiàn)成本低，利于在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)推
廣應(yīng)用。
[0048]本發(fā)明第二實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)的下電極下方設(shè)置有支撐柱，支撐柱的材料例如為二氧化硅，用于向下電極提供物理支撐提升其物理強度，支撐柱頂端連接于下電極下方的介質(zhì)層底面，底端連接于氣腔下方的襯底中。其可由本發(fā)明上述第一實施例提供的制備方法直接得到。
[0049]具體地，該實施例中，支撐柱為多根，均勻分布地連接于下電極下方的介質(zhì)層底面，從而可以使得下電極各區(qū)域受力均勻。例如，支撐柱為5根，分別連接于下電極下方的介質(zhì)層底面的第一、第二、第三、第四和第五位置1001、1002、1003、1004、1005，其中，第一、第二、第三、第四位置1001、1002、1003、1004分別位于一矩形的四個角，而第五位置1005位于該矩形的中心，如圖3所示。
[0050]本發(fā)明第三實施例提供的電容式娃麥克風(fēng)，包括:一鈍化層102,其為電路區(qū)域表面層；一介質(zhì)層101，設(shè)置于鈍化層102與襯底10之間；一器件組，埋設(shè)于鈍化層底部，其包括第一器件1031和第二器件1032,第一器件1032為電容式娃麥克風(fēng)的電容下電極；一空氣隙107，位于鈍化層102上方，用于作為電容式硅麥克風(fēng)的絕緣介質(zhì)；一氣腔108，形成于襯底10內(nèi)；以及，至少一通氣孔104，其自未鋪設(shè)器件組的電路區(qū)域向下貫通鈍化層102與介質(zhì)層101,分別與氣腔108、空氣隙107導(dǎo)通；一金屬層106,用于作為電容式娃麥克風(fēng)的電容上電極，包括相互連接的第一部與第二部，第一部從上方包覆空氣隙107，第二部貫通鈍化層102與第二器件1032相連。如圖4所示。
[0051]其中，下電極下方的介質(zhì)層101底面連接有至少一支撐柱100,支撐柱底端固定于襯底10中。
[0052]進一步地，第一部金屬層包括一頂面及一側(cè)面，硅麥克風(fēng)電路還包括一連接體109,連接體109包覆第一部金屬層頂面與側(cè)面的相交處,并向頂面中心與側(cè)面底端分別延
伸一定距離。
[0053]連接體109的主要作用是強化作為振動膜(上電極)的金屬層106的物理強度。連接體109的材料可以為氮化硅；氧化硅；或氮氧化硅；或它們的混合材料。
[0054]上述第二以及第三實施例提供的電容式硅麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)，提升了下電極的物理強度，從而可以制備出更薄的下電極，有利于提高電容式硅麥克風(fēng)的靈敏度。
[0055]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電容式娃麥克風(fēng),形成于娃襯底一電路區(qū)域上,包括: 一鈍化層，其為所述電路區(qū)域表面層； 一介質(zhì)層，設(shè)置于所述鈍化層與所述襯底之間； 一器件組，埋設(shè)于所述鈍化層底部，其包括第一器件和第二器件，所述第一器件為所述電容式娃麥克風(fēng)的電容下電極； 一空氣隙，位于所述鈍化層上方，用于作為所述電容式硅麥克風(fēng)的絕緣介質(zhì)； 一氣腔，形成于所述襯底內(nèi)；以及， 至少一通氣孔，其自未鋪設(shè)所述器件組的電路區(qū)域向下貫通所述鈍化層與所述介質(zhì)層，分別與所述氣腔、所述空氣隙導(dǎo)通； 一金屬層，用于作為所述電容式娃麥克風(fēng)的電容上電極，包括相互連接的第一部與第二部，所述第一部從上方包覆所述空氣隙，所述第二部貫通所述鈍化層與所述第二器件相連； 其中，所述下電極下方的介質(zhì)層底面連接有至少一支撐柱，所述支撐柱底端固定于所述襯底中。
2.如權(quán)利要求1所述的電容式硅麥克風(fēng)，其特征在于，所述支撐柱為多根，均勻分布地連接于所述下電極下方的介質(zhì)層底面。
3.如權(quán)利要求2所述的電容式硅麥克風(fēng)，其特征在于，所述支撐柱為5根，分別連接于所述下電極下方的介質(zhì)層底面的第一、第二、第三、第四和第五位置，其中，所述第一、第二、第三、第四位置分別位于一`矩形的四個角，所述第五位置位于所述矩形的中心。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的電容式娃麥克風(fēng),其特征在于,所述第一部金屬層包括一頂面及一側(cè)面，所述硅麥克風(fēng)電路還包括一連接體，所述連接體包覆所述頂面與側(cè)面的相交處，并向所述頂面中心、所述側(cè)面底端分別延伸一定距離。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述電容式硅麥克風(fēng)的方法，包括如下步驟: a)、提供一硅襯底，在所述襯底上刻蝕形成多個圓柱形孔，所述孔的深度大于所述電容式娃麥克風(fēng)的氣腔深度； b)、向所述孔中填充硅氧化物，并在所述襯底表面依次形成一介質(zhì)層、一器件組和一鈍化層；其中，所述介質(zhì)層垂直設(shè)置于所述鈍化層下方，所述器件組埋設(shè)于所述鈍化層底部，其包括第一器件和第二器件，所述第一器件形成為所述電容式娃麥克風(fēng)的電容下電極； c)、以圖案化方法在所述電路區(qū)域中偏離所述孔的位置處形成至少一通氣孔，所述通氣孔自未鋪設(shè)所述器件組的電路區(qū)域向下貫通所述鈍化層與所述介質(zhì)層，停止于所述襯底表面； d)、在所述電路區(qū)域沉積一犧牲層，所述犧牲層填充所述通氣孔并均勻覆蓋所述電路區(qū)域表面； e)、對所述犧牲層圖案化以定義出空氣隙區(qū)域； f)、在所述空氣隙區(qū)域上均勻沉積一金屬層，并使所述金屬層與所述第二器件相連，以形成所述電容式硅麥克風(fēng)的電容第二極； g)、在所述金屬層上形成至少一釋放孔； h)、對所述電路區(qū)域進行刻蝕，去除所述空氣隙區(qū)域內(nèi)的犧牲層以形成所述空氣隙，以及去除所述通氣孔中的犧牲層、并刻蝕至所述襯底中以形成所述氣腔。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟d)具體包括: dl)、在所述電路區(qū)域沉積第一犧牲層； d2)、去除所述通氣孔之外的所述第一犧牲層； d3)、在所述電路區(qū)域均勻沉積第二犧牲層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟d2)具體包括:對所述第一犧牲層進行CMP工藝，至所述鈍化層時停止。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一犧牲層的厚度為4-4.5um，材料為非晶硅或低溫多晶硅，所述第二犧牲層厚度為2.2um，材料為非晶硅或低溫多晶硅。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟c)中，所述通氣孔的關(guān)鍵尺寸為6_8um，深度為 2.6_3um。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟g)中，所述釋放孔的關(guān)鍵尺寸為3um。
【文檔編號】H04R31/00GK103686569SQ201310753964
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】康曉旭 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司