专利名称：Cmos兼容的mems麦克风及其制造方法
技术领域：
本发明涉及麦克风技术领域，具体说，涉及一种CMOS兼容的MEMS麦克风及其制造方法。
背景技术：
硅基MEMS麦克风，也就是所说的声学换能器，已经研发多年了。硅基MEMS麦克风由于其在小型化、性能、可靠性、环境耐用性、成本和批量生产能力方面的潜在优势而可以广泛地用于许多应用(诸如手机、助听器、智能玩具以及监视装置)中。一般地说，硅基MEMS麦克风包括四个元件固定背板、高顺应性可移动振膜(两者一起构成了可变空气间隙电容器的两个板)、电压偏置源和缓冲件。背板和振膜这两个机械元件通常形成在单个硅基底上。这两个元件中的一个元件通常形成为与支撑性硅晶片的表面平行，而另一个元件通常自身是平面状的，并通过隔离件或侧墙支撑在所述第一元件上 方几微米处。专利申请No. WO 02/15636公开了一种声学换能器。该声学换能器具有被设置在盖子部件和基底之间的振膜，该振膜在与所述盖子部件的平坦表面平行的平面内可横向移动，如WO 02/15636中的图I所示。悬浮的振膜在其自身平面内可自由移动，因此能够释放其本征应力，产生非常一致的机械顺应性。然而，这种“悬浮”振膜要求由低应力多晶硅制成，并且结构形成过程与CMOS过程不兼容。美国专利No. 7，346，178公开了一种没有专用背板部件的麦克风传感元件。在该麦克风传感元件中，可移动振膜在其边缘或角部通过机械弹簧支撑，而该机械弹簧则通过刚性垫锚固在导电基底上，如US 7，346，178中的图I和图2所示。在US 7，346，178中，麦克风传感元件的结构非常简单，然而，振膜要求由低应力多晶硅制成，并且基底要求是低阻基底，这种基底是形成CMOS电路的标准基底。专利文献PCT/DE97/02740公开了一种小型化麦克风。在该小型化麦克风中，使用SOI基底形成CMOS和麦克风背板。然而，振膜是CMOS制造过程中所形成的多晶硅薄膜。这种多晶硅振膜通常具有非常高的本征应力，它很难控制，因此产生了不一致的机械顺应性。美国专利No. 6，677，176公开了一种包含麦克风和至少一个MOSFET传感晶体管的集成半导体器件的形成方法。在这种方法中，可以使用CMOS薄膜形成结构。然而，很难控制CMOS薄膜中的本征应力，这会影响器件功能和制造产率。
发明内容
总之，大多数现有技术或者与CMOS过程不兼容，或者其结构在制造上有各种内在的缺陷。所以，需要一种CMOS兼容的MEMS麦克风以及制造方法。为了解决上述问题，本发明提供一种CMOS兼容的MEMS麦克风及其制造方法，从而使麦克风结构的形成完全与CMOS过程兼容，并使麦克风结构不受任何本征应力的影响。
本发明的实施例提供一种CMOS兼容的MEMS麦克风，其包括SOI基底，其中，CMOS电路容纳在该SOI基底的硅器件层上；利用所述硅器件层的一部分形成的麦克风振膜，其中，所述麦克风振膜掺杂为导电性的；麦克风背板，该麦克风背板包括夹有金属层的CMOS钝化层和多个通孔，该麦克风背板设置在所述硅器件层的上方，其中，所述多个通孔形成在该麦克风背板的与所述麦克风振膜相对的部分中，并且所述金属层形成为所述背板的电极板；多个突出件，该多个突出件从与所述振膜相对的麦克风背板的下表面延伸出来；以及空气间隙，该空气间隙设置在所述振膜和所述麦克风背板之间，其中，构成所述空气间隙的边界的隔离件设置在所述振膜之外或设置在所述振膜的边缘上， 其中，在所述振膜下方的所述基底中形成背孔以允许声音通过，以及所述麦克风振膜用作电极板，以与所述麦克风背板的电极板形成可变电容性传感元件。此外，本发明的实施例提供一种CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法，其包括通过图案化SOI基底的硅器件层形成麦克风振膜，并对该麦克风振膜掺杂以使该麦克风振膜可导电； 在所述硅器件层以及所述麦克风振膜上形成CMOS电介质氧化物层；在所述CMOS电介质氧化物层中形成多个深槽和多个浅槽，其中，所述深槽从所述CMOS电介质氧化物层的上表面垂直地形成到所述硅器件层的上表面，所述浅槽从与所述麦克风振膜相对的所述CMOS电介质氧化物层的上表面垂直地形成到CMOS电介质氧化物层的预定深度；通过在所述槽中沉积CMOS钝化层形成隔离墙和多个突出件；通过顺序沉积CMOS钝化层、金属层和CMOS钝化层在所述CMOS电介质氧化物层上形成麦克风背板，其中在与所述麦克风振膜相对的所述麦克风背板部分中形成多个通孔；通过去掉所述麦克风振膜下方的SOI基底部分形成背孔；以及通过去掉所述所述振膜和所述背板之间的CMOS电介质氧化物层形成空气间隙。尽管上面简述了各个实施例，但应该明白，不一定所有的实施例都包括同样的特征，在一些实施例中，上述一些特征并非必须，而是希望存在。下面将详细描述各种其它特征、实施例和益处。
从下面结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得很清楚，在附图中图I是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的结构；图2是俯视图，示出了嵌在本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的背板中的图案化金属层的结构；图3是放大图，示出了图I中的互联柱600的结构；
图4A到图4K是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法；以及图5是剖视图，示出了本发明的第二实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的结构。
具体实施例方式下面参考附图来描述要求保护的主题的各个方面，其中，附图中的图是示意性的，未按比例来画，并且在所有的附图中使用同样的附图标记来指示同样的元件。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述了很多具体细节，以便提供一个或多个方面的透彻理解。然而很显然，在没有这些具体细节的情况下也可以实现这些方面。在其它情形中，公知的结构和器件以方框图形式来示出，以便于描述一个或多个方面。
(第一实施例)首先，将参考图I说明本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的具体结构。图I是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风10的结构。如图I所示，CMOS兼容的MEMS麦克风10包括绝缘体上的硅膜(SOI)基底100、麦克风振膜200、隔离件300、麦克风背板400、多个突出件(dimples) 500以及互联柱600。SOI基底100包含按下述顺序从上到下层叠的硅器件层110、埋氧(BOX)层120和硅基底130。SOI基底100在硅基底130和BOX层120中有开口，以便露出麦克风振膜200的下表面，因此形成背孔140。振膜200由硅器件层110的一部分形成，该部分由背孔140露出，并且与硅器件层110的用于容纳CMOS电路的其余部分隔开。此外，如图I所示，振膜200与SOI基底100隔开。振膜200的表面既可以是N型掺杂，也可以是P型掺杂，表面电阻小于60欧姆/方块，并且其中央区域特别进行掺杂以便与引出电极形成良好的欧姆接触，后面将对此进行说明。本发明中的振膜200不仅用作振动薄膜，该振动薄膜响应穿过背孔140的外部声波进行振动，而且用作可变电容器1000的一个电极板，该可变电容器1000将声能转换为电能，以便探测声波，如后面将说明的那样。隔离件300由CMOS电介质氧化物(诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氧化物、磷硅玻璃(PSG)、或硼磷硅玻璃(BPSG))形成，并设置在背板400和振膜200之外的硅器件层110之间，因此，在背板400和振膜200之间形成空气间隙150。隔离件300具有垫圈的形状，并在其内侧和外侧具有隔离墙350，该隔离墙由CMOS电介质钝化层(例如氮化硅层)形成。麦克风背板400包括第一 CMOS电介质钝化层400a、图案化金属层400b和第二CMOS电介质钝化层400c，并设置在隔离件300之上，其中，图案化金属层400b夹在所述两个CMOS电介质钝化层之间。被夹的金属层400b可以与空气中的外界腐蚀性气体隔离，并且也可以避免在潮湿环境中背板400和振膜200之间的任何漏电。图2是俯视图，示出了嵌在背板400中的图案化金属层400b的结构。如图2所不，图案化金属层400b可以分为彼此分开的振膜200的引出电极410和背板电极420。背板电极420大致具有圆形形状，它留出轮轴区和轮辐区以容纳通过互联柱600与振膜200电连接的引出电极410，如后面所述。另外，背板电极420在与振膜200相对的部分具有多个通孔430。背板电极420形成了可变电容器1000的另一个电极板，它与电容器1000的所述一个电极板(即振膜200)直接相对。另外，在背板400上设置多个通孔430’，通孔430’对应着背板电极420上的通孔430，并用于使空气通过，以便减小振膜200在开始振动时将遇到的空气阻力。多个突出件500设置在背板400的下表面上，并从该下表面垂直地突出到背板400和振膜200之间的空气间隙150中，但不接触振膜200的上表面。形成突出件500用来防止形成(即湿法释放过程，后面将描述)期间表面张力所引起的或工作期间声压和静电力所引起的振膜200与背板400的粘连。应该注意，突出件500的末端与振膜200的上表面由于例如声压和静电力之故偶然会接触，但在所述结构的内在弹力的作用下会分开。因此，振膜200永远不会坍塌在背板400上从而导致它们之间的短路或导致所述结构的失效。互联柱600包括多个电学上互联的单兀,这些单兀一个层叠在另一个上并垂直对齐。图3是放大图，示出了图I中的互联柱600的结构。如图3所示，每个互联单元包括CMOS电介质氧化物层610以及形成在其中的通孔620，其中，通孔620填充有第一金属 630(诸如铝、钛、铜等等)，第一金属630通过所谓的化学机械抛光(CMP)机平坦化，并在顶部沉积相同的或不同的第二金属640 (诸如铝、钛、铜等)。此外，互联柱600在其外侧具有隔离墙650，隔离墙650由CMOS电介质钝化层(诸如氮化硅层)形成。互联柱600的上部与背板400的下表面结合，并与内嵌在背板400中的振膜200的引出电极410电连接，而互联柱600的下部与振膜200的中心部的上表面结合，并与其形成欧姆接触660。因此，由互联柱600进行中心限制的并掺杂为导电性的振膜200与背板电极420形成可变电容器1000，它们之间的距离会随着声压而变化，从而形成变化的电容，该电容可以由外部电路进行检测，以便实现声信号到电信号的转换。因此，提供一种CMOS兼容的MEMS麦克风，该麦克风利用SOI基底的硅器件层形成振动薄膜，并由互联柱对该振动薄膜进行中心限制，以便使振膜与SOI基底分开并因此使振膜不受任何本征应力影响，以及使振膜与引出电极电连接。与现有技术相比，本发明采用已经制好的且无应力的硅层代替低应力多晶硅膜以形成振膜，因此简化了工艺、提高了本发明所述的MEMS麦克风的性能和制造产率。下面将参考图4A-4K描述本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法。图4A到图4K是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法。在下面的描述中，为了清楚简明起见，大量的工艺细节，诸如设备、条件、参数等，考虑到它们为本领域中的技术人员所公知，被省略了。在步骤S401中，如图4A所示，首先，准备好SOI基底100，该SOI基底100包含按下述顺序从上到下层叠的硅器件层110、埋氧层120和硅基底130。优选地，可以对硅器件层100提前进行N型掺杂或P型掺杂，使表面电阻小于60欧姆/方块，但不限于此。然后，用硼离子、砷离子或磷离子等对硅器件层110的一个区域进行选择性离子注入，并对注入离子进行退火以便激活，从而形成欧姆接触区660’。在步骤S403中，如图4B所示，利用光刻和反应离子刻蚀(RIE)使硅器件层110图案化，以界定麦克风振膜区200’和隔离件区300’。在步骤S405中，如图4C所示，在图案化的硅器件层110上沉积CMOS电介质氧化物层610，诸如PECVD氧化物层、PSG层、BPSG层或这些氧化物层的组合。然后，在欧姆接触区660’的正上方的CMOS电介质氧化物层610中形成通孔620。然后在通孔620中沉积第一金属630，诸如铜、铝、钛等，以便与硅器件层110中的欧姆接触区660’形成良好的欧姆接触660。然后用CMP机将CMOS电介质氧化物层610和第一金属630平坦化，并在其平坦化的表面上沉积相同或不同的第二金属640，诸如铜、铝、钛等。在MEMS麦克风的制造和周围电路的形成期间，可以将沉积CMOS电介质氧化物层610、在该氧化物层610中开通孔620、填充第一金属630、将其表面平坦化以及形成第二金属640的步骤重复多次，通常是三次。最终，形成CMOS电介质氧化物厚层310，使一摞通孔-第一金属-第二金属单元嵌入该厚层310中，并在欧姆接触660上对齐，如图4C所示。在步骤S407中，如图4D所示，形成多个浅槽500’，这些浅槽500’从CMOS电介质氧化物层310的上表面向下延伸到振膜区200’上方的某一深度(例如一半的深度)处。多个浅槽500’用来形成多个突出件500，如后面所述。在步骤S409中，如图4E所示，形成多个深槽350’和深槽650’，这些深槽从CMOS电介质氧化物层310的上表面向下一直延伸到硅器件层110的上表面。多个深槽350’和深槽650’设置为使它们分别界定出隔离件300和互联柱600，同时留出在隔离件300和互 联柱600周围形成隔离墙350和隔离墙650的空间。在步骤S411中，如图4F所示，在CMOS电介质氧化物层310上，沉积第一 CMOS电介质钝化层400a，诸如一层PECVD SiN, CMOS电介质钝化层400a填充浅槽500’以及深槽350’和深槽650’，并覆盖CMOS电介质氧化物层310的表面。在步骤S413中，如图4G所示，在上面步骤S405中所描述的一摞通孔-第一金属-第二金属单元的正上方的第一 CMOS电介质钝化层400a和CMOS电介质氧化物层610中开通孔620。然后，在通孔620中填充第一金属630，诸如铜、铝、钛等。之后，在第一 CMOS电介质钝化层400a的表面上形成图案化金属层400b (包括图2所示的振膜200的引出电极410和背板电极420)，使图案化金属层400b的中心部与上述一摞通孔-第一金属-第二金属单元电连接，并且使背板电极420具有多个通孔。可以用诸如铜、铝、钛等金属沉积金属层400b。在步骤S415中，如图4H所示，在金属层400b和第一 CMOS电介质钝化层400a上沉积第二 CMOS电介质钝化层400c，诸如一层PECVD SiN,使得图案化金属层400b夹在两个CMOS电介质钝化层400a和400c之间。在步骤S417中，如图41所示，使用RIE刻蚀CMOS电介质钝化层，以便在背板400上形成通孔430’(通孔430’与金属层400b上的通孔430对齐)，以及露出振膜200的引出电极垫410’和背板电极垫420’。在步骤S419中，如图4J所示，在SOI基底100的硅基底130中，利用硅深槽反应离子刻蚀(DRIE)或湿法刻蚀工艺刻蚀背孔140’，直到露出振膜200下方的埋氧层120的下表面。在步骤S421中，如图4K所示，利用湿法刻蚀去掉振膜200上方的牺牲氧化物层和振膜200下方的埋氧层120。在湿法刻蚀期间，HF基溶液会通过背板400上的孔430’渗透到由背板400的下表面、隔离件300的内表面和振膜200的上表面界定的空间中，从而去掉该空间中的牺牲氧化物层，并形成空气间隙150。这样，振膜200就与SOI基底100分开了。到此为止，提供了本发明的第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法。从上述过程可以看到，本方法与标准的CMOS工艺完全兼容，从而有助于进一步提高本发明所述的MEMS麦克风的性能和制造产率。(第二实施例)下面将参考图5说明本发明的第二实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的具体结构。图5是剖视图，示出了本发明的第二实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风10’的结构。将图5与图I比较，本发明的第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在第二实施例中，互联柱600’设计为布置在振膜200的边缘上。相应地，在第二实施例中，振膜200与SOI基底100不分开，即，振膜200的边缘部是锚固的。因此，优选地，SOI基底100的制备好的硅器件层110的本征应力要小，使振膜200的性能较少受影响。另外，在第二实施例中，在互联柱600’的周围不需要形成隔离墙650，这是因为，互联柱600’嵌在隔离件300中，而隔离件300具有隔离墙350。 此外，在第二实施例中，振膜200的引出电极410以及背板电极420不必是交叉的。本发明的第二实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法类似于第一实施例所述的CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法，因此，其详细描述省略。应该注意，所述CMOS兼容的MEMS麦克风通常优选采用圆形形状，但其它形状诸如方形、长方形或其它多边形形状也是可以的。前面提供的本发明的描述能使本领域中的任何技术人员制造或使用本发明。对于本领域中的技术人员来说，对所述公开作各种修改是很显然的，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以将这里所界定的一般原理运用到其它变型中。因此，本公开不是用来限制在这里所描述的例子上，而是用来与符合这里所公开的原理和新特征的最宽范围一致。
权利要求
1.一种CMOS兼容的MEMS麦克风，包括 SOI基底，其中，CMOS电路容纳在该SOI基底的硅器件层上； 利用所述娃器件层的一部分形成的麦克风振膜，其中，所述麦克风振膜掺杂为导电性的； 麦克风背板，该麦克风背板包括夹有金属层的CMOS钝化层和多个通孔，该麦克风背板设置在所述硅器件层的上方，其中，所述多个通孔形成在该麦克风背板的与所述麦克风振膜相对的部分中，并且所述金属层形成为所述背板的电极板； 多个突出件，该多个突出件从与所述振膜相对的麦克风背板的下表面延伸出来；以及空气间隙，该空气间隙设置在所述振膜和所述麦克风背板之间，其中，构成所述空气间隙的边界的隔离件设置在所述振膜之外或设置在所述振膜的边缘上， 其中，在所述振膜下方的所述基底中形成背孔以允许声音通过，以及 所述麦克风振膜用作电极板，以与所述麦克风背板的电极板形成可变电容性传感元件。
2.根据权利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，还包括 互联柱，该互联柱包括一个层叠在另一个上且垂直对齐的多个电互联单元，该互联柱设置在所述振膜和所述背板之间，用于利用CMOS金属互联方法在力学上对所述振膜进行悬置、以及在电学上对所述振膜向外进行引线， 其中，每个所述互联单元包括CMOS电介质氧化物层以及形成在其中的通孔，所述通孔填充有第一金属，并且第二金属沉积在填充有所述金属的通孔的顶部。
3.根据权利要求2所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述互联柱设置在所述振膜的中心处。
4.根据权利要求3所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述振膜与所述SOI基底分开。
5.根据权利要求2所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述互联柱设置在所述振膜的边缘上。
6.根据权利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述麦克风振膜为圆形、或方形、或长方形或其它多边形形状。
7.根据权利要求2所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述麦克风振膜进行掺杂以与CMOS金属层形成良好的电学接触。
8.根据权利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述隔离件用CMOS电介质硅氧化物层形成。
9.根据权利要求8所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述CMOS电介质硅氧化物层包括LPCVD或PECVD氧化物，或PSG或BPSG氧化物，或上述氧化物的组合。
10.根据权利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，夹在所述CMOS钝化层内的所述CMOS金属层与外部环境完全隔开；以及所述CMOS钝化层包括PECVD氮化硅层。
11.根据权利要求I所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述隔离件在其每个侧面上也具有用槽形成的隔离墙，并且所述槽填充有CMOS钝化层以包护所述麦克风结构。
12.根据权利要求11所述的CMOS兼容的MEMS麦克风，其中，所述突出件由填充有同样的CMOS钝化层的浅槽形成。
13.一种CMOS兼容的MEMS麦克风的制造方法，包括 通过图案化SOI基底的硅器件层形成麦克风振膜，并对该麦克风振膜掺杂以使该麦克风振膜可导电； 在所述硅器件层以及所述麦克风振膜上形成CMOS电介质氧化物层； 在所述CMOS电介质氧化物层中形成多个深槽和多个浅槽，其中，所述深槽从所述CMOS电介质氧化物层的上表面垂直地形成到所述硅器件层的上表面，所述浅槽从与所述麦克风振膜相对的所述CMOS电介质氧化物层的上表面垂直地形成到CMOS电介质氧化物层的预定深度； 通过在所述槽中沉积CMOS钝化层形成隔离墙和多个突出件； 通过顺序沉积CMOS钝化层、金属层和CMOS钝化层在所述CMOS电介质氧化物层上形成麦克风背板，其中在与所述麦克风振膜相对的所述麦克风背板部分中形成多个通孔； 通过去掉所述麦克风振膜下方的SOI基底部分形成背孔；以及 通过去掉所述多个深槽所界定的CMOS电介质氧化物层部分之外的CMOS电介质氧化物层形成空气间隙。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成CMOS电介质氧化物层的步骤还包括 在所述硅器件层和所述麦克风振膜上形成多个CMOS电介质氧化物层， 其中，在形成所述多个CMOS电介质氧化物层期间，在所述麦克风振膜上方的CMOS电介质氧化物层部分中形成金属互联柱，所述金属互联柱用CMOS电介质硅氧化物层、通孔和CMOS金属层形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述金属互联柱设置在所述振膜的中心。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述振膜与所述硅器件层的其它部分分开。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述金属互联柱设置在所述振膜的一个边缘。
全文摘要
本发明涉及CMOS兼容的MEMS麦克风，其包括SOI基底，其中，CMOS电路容纳在其硅器件层上；利用硅器件层的一部分形成的麦克风振膜，其中，麦克风振膜掺杂为导电性的；麦克风背板，包括夹有金属层的CMOS钝化层和多个通孔，设置在硅器件层的上方，其中，多个通孔形成在麦克风背板的与麦克风振膜相对的部分中，并且金属层形成背板的电极板；多个突出件，从与振膜相对的麦克风背板的下表面延伸；以及空气间隙，设置在振膜和麦克风背板之间，其中，构成空气间隙边界的隔离件设置在振膜之外或振膜边缘上，其中，在振膜下方的基底中形成背孔以允许声音通过，以及麦克风振膜用作电极板，与麦克风背板的电极板形成可变电容性传感元件。
文档编号B81B7/00GK102822084SQ201080062319
公开日2012年12月12日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者王喆 申请人:歌尔声学股份有限公司