专利名称：一种集成硅微麦克风与cmos集成电路的芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种集成娃微麦克风与CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor,互补金属氧化物半导体)集成电路的芯片。
背景技术：
MEMS麦克风作为目前应用较多且性能较好的麦克风，在其封装结构内部的线路板上设置有MEMS声换能器和CMOS集成电路。之前，MEMS器件和CMOS集成电路一般采用多片集成方式，即由不同厂商采用不同的工艺流程来分别独立完成MEMS芯片和CMOS集成电路芯片制造，然后再将二者封装集成为一个器件单元；这一集成方法的制造工艺成熟，MEMS 器件的设计、制造可以单独优化，缺点在于MEMS器件与CMOS集成电路之间需要通过外部引线连接，该电气连接通路容易受外部干扰信号影响。随着S0C(System-on_a-chip,系统单芯片)技术的发展,现已实现MEMS器件和CMOS集成电路的单片集成。单片集成芯片由于是片上放大级，MEMS器件和前置放大器的间距极短，输入输出隔离更好，几乎没有可能会把电磁场耦合到MEMS器件中。因此相对于多片集成方式，单片集成方式可以很好避免电气连接通路受到外部干扰信号影响。消费电子的快速发展需要音质更好的MEMS麦克风，但是MEMS麦克风的本底噪声与MEMS麦克风的设计相关，局限于MEMS麦克风的结构设计，进一步提高MEMS麦克风的信噪比相当困难。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片，能够提高MEMS麦克风的总信噪比增益。本实用新型提供的集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片，所述芯片以硅晶圆为基片，所述硅晶圆一表面划分为两个区域CMOS集成电路区域和硅微麦克风区域，其中，所述硅微麦克风区域包括两个或更多个MEMS声换能器，MEMS声换能器之间以并联、串联或者差分的方式彼此互联，并且MEMS声换能器之间以及MEMS声换能器与CMOS集成电路之间通过片内的电连接通路实现电气连接。优选地，所述各个MEMS声换能器的背极板由单晶硅和在其上沉积的多晶硅栅层构成，所述多晶硅栅层是在制作CMOS集成电路中由沉积的多晶硅栅层同时延伸至所述硅微麦克风区域形成；刻蚀所述多晶硅栅层形成各个MEMS声换能器的背电极，背电极之间的电连接通路、背电极与CMOS集成电路之间的电连接通路，以及预留出振膜电极与CMOS集成电路的电气接口。优选地，所述各个MEMS声换能器之间良好匹配。优选地，所述各个MEMS声换能器的振动膜上设置有释放孔。作为一种优选实施例，本实用新型的芯片集成了四个MEMS声换能器。在所述四个MEMS声换能器之间并联连接时，四个背电极依次连接至CMOS集成电路的一个预留接口 ；四个振膜电极并列连接至CMOS集成电路的另一个预留接口。在所述四个MEMS声换能器之间串联连接时，四个背电极彼此隔离，其中第一个背电极单独与CMOS集成电路的一个预留接口连接，其余三个背电极各预留一个接口用于与另一 MEMS声换能器的振膜电极相连，四个振膜电极串联连接，其中前三个振膜电极依次连接至对应的另一 MEMS声换能器的背电极的预留接口，最后一个振膜电极连接至CMOS集成电路的另一个预留接口。在所述四个MEMS声换能器之间差分连接时，四个背电极依次连接至CMOS集成电路的一个预留接口，四个振膜电极分别对应连接至CMOS集成电路的四个预留接口，所述四个预留接口构成差分放大器的四个输入点。与现有技术相比，本实用新型的方案一方面通过将硅微麦克风与CMOS集成电路 进行单片集成，从而相对于多片集成方式可以显著提升MEMS麦克风整体性能、尺寸和功耗；另一方面通过由两个或更多个MEMS声换能器构成硅微麦克风，MEMS声换能器之间以并联、串联或者差分的方式彼此互联，并且MEMS声换能器之间以及MEMS声换能器与单片集成的CMOS集成电路之间通过片内的电连接通路实现电气连接，从而相对于仅集成单个MEMS声换能器的MEMS麦克风，能够提高MEMS麦克风的总信噪比增益。具体而言，在η个MEMS声换能器之间并联连接时，虽然整体信号未有改变，灵敏度与单个MEMS换能器情况一致，但是总的非相关噪声降低士·,由此总信噪比增益提高ν ；在η个MEMS声换能器之间串联连接时，整体信号增大η倍，但是同时总的非相关噪声增大‘，由此总信噪比增益提高;在η个MEMS声换能器之间差分连接时，整体信号增大η倍，但是同时总的非相关噪声增大,由此总信噪比增益提高^。
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I示出了本实用新型集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片的示意图；图2示出了多个MEMS声换能器并联连接的电路示意图；图3示出了多个MEMS声换能器串联连接的电路示意图；图4示出了多个MEMS声换能器差分连接的电路示意图；图5示出了四个MEMS声换能器并联连接时背电极的连接示意图；图6示出了四个MEMS声换能器并联连接时振膜电极的连接示意图；图7示出了四个MEMS声换能器串联连接时背电极的连接示意图；图8示出了四个MEMS声换能器串联连接时振膜电极的连接示意图；图9示出了四个MEMS声换能器差分连接时背电极的连接示意图；图10示出了四个MEMS声换能器差分连接时振膜电极的连接示意图；图11示出了在MEMS声换能器的振动膜上设置释放孔的示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型提供的集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片进行详细说明。参见图1，图I示出了本实用新型集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片的示意图。本实用新型实施例的芯片I以硅晶圆为基片，硅晶圆一表面划分为两个区域CMOS集成电路区域3和硅微麦克风区域2，其中，硅微麦克风区域2包括两个或更多个MEMS声换能器，MEMS声换能器之间以并联、串联或者差分的方式彼此互联，并且MEMS声换能器之间以及MEMS声换能器与CMOS集成电路之间通过片内的电连接通路实现电气连接。多个MEMS声换能器以并联、串联以及差分连接的方式彼此互联的简化电路图依次参见图2-图4。其中并联连接时，CMOS集成电路与单个MEMS声换能器情况一致，CMOS集成电路部分毋须重新设计；串联连接时，CMOS集成电路中的DC-DC偏置电压电路需要根 据串联支路上连接的MEMS声换能器数量n，设计输出电压为单个MEMS声换能器情况的η倍；而差分连接时，则需要在原有集成电路的基础上增加相应的差分放大电路，同时DC-DC偏置电压电路的输出电压也应与各支路上串联的MEMS换能器个数匹配。其中，硅微麦克风区域的每个MEMS声换能器的背极板是由残余的单晶硅层与附着其上的多晶栅硅层共同构成，所述多晶硅栅层是在制作CMOS集成电路中由沉积的多晶硅栅层同时延伸至所述硅微麦克风区域形成；刻蚀所述多晶硅栅层形成各个MEMS声换能器的背电极，背电极之间的电连接通路、背电极与CMOS集成电路之间的电连接通路，以及预留出振膜电极与CMOS集成电路的电气接口。为达到更好的总信噪比增益，优选地，MEMS声换能器之间良好匹配。以硅微麦克风区域包括四个良好匹配的MEMS声换能器为优选实施例，下面对MEMS声换能器之间在芯片内实现串联、并联及差分连接的方式进行具体说明。参见图5和图6，在芯片设计所集成的四个MEMS声换能器以并联方式连接时，图5示出了四个MEMS声换能器并联时的背电极的连接示意图，图6示出了四个MEMS声换能器并联时的振膜电极的连接示意图。在制作完成CMOS集成电路时，依照预设计，形成有CMOS集成电路与MEMS声换能器电气连接的两个预留接口(41、42)，四个背电极通过多晶硅连接通路40依次连接至CMOS集成电路的预留接口 41，四个振膜电极通过金属电气通路(沉积的金属电极层刻蚀形成)并列连接至CMOS集成电路的预留接口 42。在该并联连接方式下，芯片整体信号未有改变，即灵敏度与单个MEMS换能器情况一致，但是总的非相关噪声下降一半，由此总信噪比增益提高2倍。参见图7和图8，在芯片设计所集成的四个MEMS声换能器以串联方式连接时，图7示出了四个MEMS声换能器串联时的背电极的连接示意图，图8示出了四个MEMS声换能器串联时的振膜电极的连接示意图。在制作完成CMOS集成电路时，依照预设计，形成有CMOS集成电路与MEMS声换能器电气连接的两个预留接口(41、42)，四个背电极(51a、51b、51c、51 d)彼此隔离，其中第一个背电极51 a单独与CMOS集成电路的预留接口 41连接，其余三个背电极各预留一个接口用于与另一 MEMS声换能器的振膜电极相连；四个振膜电极串联连接，其中前三个振膜电极依次连接至对应的另一 MEMS声换能器的背电极的预留接口，最后一个振膜电极52d连接至CMOS集成电路的预留接口 42。在该串联连接方式下，整体信号增大4倍，但同时总的非相关噪声增大2倍，由此总信噪比增益提高2倍。注意在串联连接时，CMOS集成电路部分要做相应的设计改动，如DC-DC偏置电压电路部分需要根据串联支路上连接的MEMS换能器数量n，设计输出电压为单个MEMS声换能器情况的η倍。参见图9和图10，在芯片设计所集成的四个MEMS声换能器以差分方式连接时，图9示出了四个MEMS声换能器差分连接时的背电极的连接示意图，图10示出了四个MEMS声换能器差分连接时的振膜电极的连接示意图。在制作完成CMOS集成电路时，依照预设计，形成有CMOS集成电路与MEMS声换能器电气连接的五个预留接口(41、42a、42b、42c、42d)，由于各个MEMS声换能器均有各自与集成电路的接触点，因此由其中四个预留接口(42a、42b、42c、42·d)构成差分放大器的正、负输入支路的四个输入点；四个背电极通过多晶娃连接通路40依次连接至CMOS集成电路的预留接口 41，四个振膜电极分别对应连接至上述四个输入点(42a、42b、42c、42d)。在该差分连接方式下，整体信号增大4倍，但是同时总的非相关噪声增大2倍，由此总信噪比增益提高2倍。注意在差分连接时，集成电路部分要做相应的设计改动，如增加相应的差分放大电路。需要说明的是，多个MEMS声换能器也能依照上述串联、并联、差分等连接方式组合在一起的连接方式进行连接。—种优选方案,在各个MEMS声换能器的振动膜上设置释放孔,参见图11,图11不出了在MEMS声换能器的振动膜上设置释放孔的示意图。释放孔50分布在振动膜的边缘处，振动膜的四个角区域无释放孔分布，最终仅四个角的牺牲层被保留。在振动膜上设置释放孔的方案，一方面可以方便牺牲层的释放，得到符合设计要求的绝缘支撑体结构，例如可使得牺牲层在被部分刻蚀后或仅留下一处或多处分散处于振动膜边缘的部分，或留下连续的处于振动膜全部边缘的部分；另一方面，可相对减少背极板上开孔的设置，从而有效避免由于在各个MEMS声换能器的背极板上开设大量开孔所导致的软背极效应。综上所述，本实用新型实施例所提供的集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片，一方面通过将硅微麦克风与CMOS集成电路进行单片集成，从而相对于多片集成方式可以显著提升MEMS麦克风整体性能、尺寸和功耗；另一方面通过由两个或更多个MEMS声换能器构成硅微麦克风，MEMS声换能器之间以并联、串联或者差分的方式彼此互联，并且MEMS声换能器之间以及MEMS声换能器与单片集成的CMOS集成电路之间通过片内的电连接通路实现电气连接，从而相对于仅集成单个MEMS声换能器的MEMS麦克风，能够提高MEMS麦克风的总信噪比增益。以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种集成娃微麦克风与CMOS集成电路的芯片,所述芯片以娃晶圆为基片,所述娃晶圆一表面划分为两个区域=CMOS集成电路区域和硅微麦克风区域，其特征在于， 所述硅微麦克风区域包括两个或更多个MEMS声换能器，MEMS声换能器之间以并联、串联或者差分的方式彼此互联，并且MEMS声换能器之间以及MEMS声换能器与CMOS集成电路之间通过片内的电连接通路实现电气连接。
2.根据权利要求I所述的芯片，其特征在于，所述各个MEMS声换能器的背极板由单晶硅和在其上沉积的多晶硅栅层构成，所述多晶硅栅层是在制作CMOS集成电路中由沉积的多晶硅栅层同时延伸至所述硅微麦克风区域形成；刻蚀所述多晶硅栅层形成各个MEMS声换能器的背电极，背电极之间的电连接通路、背电极与CMOS集成电路之间的电连接通路，以及预留出振膜电极与CMOS集成电路的电气接口。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述各个MEMS声换能器之间良好匹配。
4.根据权利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述硅微麦克风区域包括四个MEMS声换能器。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四个MEMS声换能器之间并联连接四个背电极依次连接至CMOS集成电路的一个预留接口 ；四个振膜电极并列连接至CMOS集成电路的另一个预留接口。
6.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四个MEMS声换能器之间串联连接四个背电极彼此隔离，其中第一个背电极单独与CMOS集成电路的一个预留接口连接，其余三个背电极各预留一个接口用于与另一 MEMS声换能器的振膜电极相连，四个振膜电极串联连接，其中前三个振膜电极依次连接至对应的另一 MEMS声换能器的背电极的预留接口，最后一个振膜电极连接至CMOS集成电路的另一个预留接口。
7.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四个MEMS声换能器之间差分连接四个背电极依次连接至CMOS集成电路的一个预留接口，四个振膜电极分别对应连接至CMOS集成电路的四个预留接口，所述四个预留接口构成差分放大器的四个输入点。
8.根据权利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述各个MEMS声换能器的振动膜上设置有释放孔。
专利摘要本实用新型公开了一种集成硅微麦克风与CMOS集成电路的芯片，所述芯片以硅晶圆为基片，硅晶圆一表面划分为两个区域CMOS集成电路区域和硅微麦克风区域，其中，所述硅微麦克风区域包括两个或更多个MEMS声换能器，MEMS声换能器之间以并联、串联或者差分的方式彼此互联，并且MEMS声换能器之间以及MEMS声换能器与CMOS集成电路之间通过片内的电连接通路实现电气连接。本实用新型一方面相对于多片集成方式可以显著提升MEMS麦克风整体性能、尺寸和功耗，另一方面相对于仅集成单个MEMS声换能器的芯片，能够提高MEMS麦克风的总信噪比增益。
文档编号H04R19/04GK202679626SQ201220281909
公开日2013年1月16日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者潘昕, 宋青林 申请人:歌尔声学股份有限公司