一种MEMS结构的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种mems(microelectromechanicalsystems的简写，即微机电系统)结构。

背景技术：

mems传声器(麦克风)主要包括电容式和压电式两种。mems压电传声器是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，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压电传声器的发展。

针对相关技术中如何提高压电式mems结构的灵敏度的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本申请提出了一种mems结构，能够有效地提高mems结构的灵敏度。

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；

压电复合振动层，形成在所述空腔的正上方；

连接件，形成在所述衬底上方并且连接所述衬底和所述压电复合振动层，其中，所述连接件在所述压电复合振动层的外围并且所述连接件的上表面和下表面中的至少一个表面呈平直面。

其中，所述连接件具有纵向穿透所述连接件的镂空孔和/或镂空槽。

其中，从俯视角度看，所述连接件包括一个或多个梁，所述梁呈直辐条状或弯曲辐条状以连接所述衬底和所述压电复合振动层。

其中，所述连接件的上表面和下表面中只有一个表面呈平直面，所述连接件的上表面和下表面的中的另一个表面凹凸不平。

其中，在露出的所述衬底上具有凹槽，所述凹槽邻近所述连接件。

其中，所述凹槽横向延伸至所述连接件下方。

其中，所述压电复合振动层包括：

振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；

压电单元，形成在所述振动支撑层上方，并且，所述压电单元悬置在所述空腔上方。

其中，所述连接件的第一端连接所述衬底，所述连接件的第二端连接所述振动支撑层并且与所述振动支撑层具有共同的顶面，或者，所述连接件的第二端连接在露出的所述振动支撑层上方。

其中，所述mems结构还包括分割槽，所述分割槽从所述压电单元的上表面穿过所述振动支撑层延伸至所述空腔。

其中，所述连接件的材料与所述振动支撑层的材料相同或不同，所述连接件的材料包括聚酰亚胺薄膜、聚对二甲苯、聚氨酯。

综上，本申请所提供的mems结构，通过连接件连接衬底和压电复合振动层，从而有助于压电复合振动层释放应力，提高振动幅度，从而提高mems结构的灵敏度。此外，通过对连接件本身的改进，例如在连接件上开设镂空孔或镂空槽，或者是将连接件设为一个或多个梁的结构，来降低了mems结构的谐振频率，从而进一步提高了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。

图1示出了根据一些实施例提供的mems结构的示意图；

图2的a，b，c,d示出了根据一些实施例提供的镂空孔和镂空槽的示意图；

图3示出了根据一些实施例提供的梁的示意图；

图4示出了根据一些实施例提供的mems结构的示意图；

图5至图8示出了形成图1的mems结构的中间阶段示意图；

图9至图11示出了形成图4的mems结构的中间阶段示意图。

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。

参见图1，根据本申请的实施例，提供了一种mems结构，该mems结构可以但不限用于传声器或麦克风等传感器，或其他执行器。在一些实施例中，mems结构包括衬底10、压电复合振动层20和连接件30。以下将详细介绍该mems结构。

衬底10的材料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)。衬底10内具有空腔11。可以通过drie(deepreactiveionetching的缩写，即深反应离子蚀刻)或湿法蚀刻来形成空腔11。

压电复合振动层20形成在衬底10上方。在一些实施例中，压电复合振动层20包括振动支撑层21和压电单元。振动支撑层21形成在衬底10上方并且覆盖空腔11。振动支撑层21包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构。考虑到控制振动支撑层21的应力问题，可以将振动支撑层21设置为多层结构以减小应力。形成振动支撑层21的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。在一些实施例中，形成振动支撑层21的步骤可以跳过或省略。压电单元形成在振动支撑层21上方，并且，压电单元悬置在空腔11上方。压电单元包括第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24。第一电极层22形成在振动支撑层21上方。第一压电层23形成在第一电极层22上方。第二电极层24形成在第一压电层23上方。第一压电层23包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。形成第一压电层23的方法包括磁控溅射法、沉积或其他合适的方法。第一电极层22和第二电极层24的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬中的一种或它们组成的复合膜或其他合适的材料。形成第一电极层22和第二电极层24的方法包括物理气相沉积或其他合适的方法。在此实施例中，第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24构成压电复合层。第一压电层23可将施加的压力转换成电压，第一电极层22和第二电极层24可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。第一电极层22和第二电极层24具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的第一电极层22和第二电极层24的分区构成电极层对，多个电极层对依次串联。

在一些实施例中，在第二电极层24上方依次形成第二压电层(图1中未示出)和第三电极层(图1中未示出)，第二压电层的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。第二压电层的材料和形成方法与第一压电层23的材料和形成方法可以相同，也可以不同。第三电极层的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第三电极层的材料和形成方法与第一电极层22的材料和形成方法可以相同，也可以不同。并且，在此实施例中，mems结构的压电复合层具有第一电极层22、第一压电层23、第二电极层24、第二压电层和第三电极层，从而构成了双晶片结构，提高了mems结构的压电转换效率。另外，在没有设置振动支撑层21的实施例中，可以在第二电极层24上方依次形成第二压电层和第三电极层。在设置有振动支撑层21的实施例中，在第二电极层24上方没有第二压电层和第三电极层。值得注意的是，在本申请图1所示的实施例中，压电复合振动层20包括振动支撑层21、第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24。

连接件30形成在衬底10上方并且连接衬底10和压电复合振动层20，其中，连接件30在压电复合振动层20的外围并且连接件30的上表面和下表面中的至少一个表面呈平直面。在一些实施例中，连接件30的上表面和下表面可以均为平直面。在一些实施例中，当连接件30有一个表面呈平直面时，连接件30的另一个表面凹凸不平。该凹凸不平的表面可以由径向或周向的凸起或凹陷构成，或者可以由不规则凸起或凹陷构成，该凹凸不平的表面有利于降低残余应力，提高灵敏度。

如图2所示，在一些实施例中，在连接件30的上表面和下表面中的一个表面呈平直面的条件下，连接件30具有纵向穿透连接件30的镂空孔32和/或镂空槽33。镂空孔32或镂空槽33可以在连接件30上呈周向排列(如图2中的a，b所示)，镂空孔32也可以呈径向排列(如图2中的c所示)，或者是其他不规则的排列方式(如图2中的d所示的，镂空孔32错向排列)。

如图3所示，在一些实施例中，从俯视角度看，连接件30包括一个或多个梁34，梁34呈直辐条状或弯曲辐条状以连接衬底10和压电复合振动层20。本申请通过在连接件30上设置镂空孔32或镂空槽33，或者是一个或多个梁34的结构，释放了整个振动膜的残余应力，可以增加mems结构的灵敏度。具体的，相比于没有设置镂空孔32或镂空槽33的连接件30，在图2和图3所示的实施例中的mems结构具有较低的谐振频率和较高的灵敏度。

如图1所示，在一些实施例中，连接件30的第一端连接衬底10，连接件30的第二端连接振动支撑层21并且与振动支撑层21具有共同的顶面。并且在图1所示实施例中，连接件30的材料与振动支撑层21的材料相同。或者，如图4所示，在一些实施例中，连接件30的第二端连接在露出的振动支撑层21上方，并且当连接件30与振动支撑层21的材料不一致时，增加了连接件30与振动支撑层21的接合力，降低连接件30与振动支撑层21断层开裂的几率。

在一些实施例中，连接件30的材料与振动支撑层21的材料相同或不同，连接件30的材料可以包括但不限于聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚氨酯或者其他有机膜。当连接件30采用聚酰亚胺等相比于振动支撑层21较软的材料时，有助于压电复合振动层20释放应力，提高振动幅度，从而提高mems结构的灵敏度。值得注意的是，连接件30的材料的杨氏模量小于或等于氮化硅的杨氏模量。

此外，如图1所示，还可以在露出的衬底10上设置凹槽31，凹槽31邻近连接件30。在另一些实施例中，凹槽31横向延伸至入连接件30下方。通过设置凹槽31，从而可以进一步增加mems结构的振动幅度，以增加灵敏度。

mems结构还可以包括分割槽(图中未示出)，分割槽从压电单元的上表面穿过振动支撑层21延伸至空腔11，从而将mems结构的压电单元分割成两瓣或多瓣，提高了灵敏度，提高了信噪比。

在一些实施例中，衬底10厚度为50-500μm，第一电极层22的厚度范围为5-500nm，第一压电层23的厚度为10-1000nm，第二电极层24的厚度为5-500nm，并且，第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24的半径为50-5000nm，振动支撑层21的半径范围为50-5000nm。

综上，本申请所提供的mems结构，通过连接件30连接衬底10和压电复合振动层20，从而有助于压电复合振动层20释放应力，提高振动幅度，从而提高mems结构的灵敏度。此外，通过对连接件30本身的改进，例如在连接件30上开设镂空孔32或镂空槽33，或者是将连接件30设为一个或多个梁34的结构，来降低了mems结构的谐振频率，从而进一步提高了mems结构的灵敏度。

此外，本申请还提供了形成该mems结构的方法，值得注意的是，在第一实施例中，连接件30的材料与振动支撑层21的材料相同。具体步骤如下：

如图5所示，步骤s101，提供衬底10，并且在衬底10上依次形成振动支撑层21、第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24。关于衬底10、振动支撑层21、第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24的材料和形成方法以上已经说明，在此不再赘述。其中，第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24的半径小于振动支撑层21的半径。在一些实施例中，可以在衬底10上方依次形成第一电极层22、第一压电层23、第二电极层24、第二压电层和第三电极层，从而得到具有双晶片结构的mems结构。

如图6所示，步骤s102，底部蚀刻衬底10，从而形成穿透衬底10的空腔11。

如图7所示，步骤s103，在衬底10的底部形成支撑材料层40。该支撑材料层40包括铝或其他金属材料。支撑材料层40用于在后续步骤中支撑压电复合振动层20。

如图8所示，步骤s104，蚀刻振动支撑层21，以形成镂空孔32或镂空槽33，或是梁34。

如图8所示，步骤s105，通过蚀刻振动支撑层21和衬底10，形成延伸入衬底10内的凹槽31。在一些实施例中，该凹槽31还可以横向延伸连接件30的下方(图中未示出)。在一些实施例中，步骤s104和步骤s105的先后次序可以互换。

步骤s106，去除支撑材料层40，从而得到图1所示的mems结构。

在第二实施例中，连接件30的材料可以与振动支撑层21的材料不同，该步骤与第一实施例的区域在于。第二实施例在第一实施例的步骤s103之后，去除部分振动支撑层21以露出衬底10，并且保留的振动支撑层21的区域面积大于第一电极层22的区域面积，从而得到了如图9所示的结构图。然后在衬底10、支撑材料层40以及振动支撑层21上方形成连接件30，形成了如图10所示的结构图。之后继续进行第一实施例中的步骤s104，s106，如图11所示的形成镂空孔32，之后去除支撑材料层40，从而获得图4所示的mems结构。

综上，借助于本申请的上述技术方案，本申请制备工艺稳定，有效地提升信噪比、增加性能稳定性。基于该制备方法所提供的mems结构具有较高灵敏度。

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。