MEMS麦克风及其微机电结构的制作方法

mems麦克风及其微机电结构
技术领域
1.本技术涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及mems麦克风及其微机电结构。


背景技术：

2.基于微机电系统(micro electro mechanical systems，mems)制造的器件被称为mems器件，mems器件主要包括振动膜与背板，并且振动膜与背板之间具有间隙。气压的改变会导致振动膜变形，振动膜与电极板之间的电容值发生改变，从而转换为电信号输出。
3.在传统的mems麦克风结构中，主要由背极板和振动膜两个平行板电容结构组成，在芯片尺寸确定的情况下，性能提升有限，为了提升麦克风信噪比，可以采用双背极板麦克风结构输出差分信号，但是由于增加了一个背极板，增加了麦克风结构的复杂程度，进而增加了背极板、振动膜的应力控制难度，导致了差分信号的一致性较差的问题。
4.因此，希望提供一种改进的微机电结构，以提高产品的性能。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了改进的微机电结构，通过采用第一支撑部与第二支撑部将振动膜固定在第一背极板与第二背极板之间，并使得第一支撑部沿振动膜的边缘向中心方向凸出于第二支撑部，从而改善了由于振动膜的应力不一导致差分信号的一致性较差的问题。
6.根据本实用新型实施例的第一方面，提供了一种微机电结构，包括：第一背极板；第二背极板，位于所述第一背极板上；振动膜，位于所述第一背极板与所述第二背极板之间，所述振动膜与所述第一背极板构成第一可变电容，并与所述第二背极板构成第二可变电容；第一支撑部，位于所述第一背极板与所述振动膜之间，并分别与所述第一背极板和所述振动膜固定连接；第二支撑部，位于所述第二背极板与所述振动膜之间，并分别与所述第二背极板和所述振动膜固定连接，其中，所述第一支撑部沿所述振动膜的边缘向所述振动膜的中心方向凸出于所述第二支撑部。
7.可选地，还包括：衬底，所述第一背极板位于所述衬底上；以及第三支撑部，位于所述衬底与所述第一背极板之间，并分别与所述第一背极板和所述衬底固定连接，所述第三支撑部沿所述振动膜的边缘向所述振动膜的中心方向凸出于所述第一支撑部。
8.可选地，所述第一支撑部、所述第二支撑部以及所述第三支撑部均呈环状结构，且所述第一支撑部、所述第二支撑部以及所述第三支撑部的外环对齐。
9.可选地，所述第一背极板包括：第一绝缘层，位于所述第三支撑部上，并与所述第三支撑部固定连接；第一导电层，位于所述第一绝缘层上；以及第二绝缘层，覆盖所述第一绝缘层与所述第一导电层，并与所述第一支撑部固定连接，其中，所述第三支撑部在所述振动膜上的正投影环绕所述第一导电层在所述振动膜上的正投影的外周边缘。
10.可选地，所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度。
11.可选地，还包括至少一个第一隔离部，位于所述第二绝缘层面向所述振动膜的表
面，其中，所述第一隔离部的厚度小于所述第一支撑部的厚度。
12.可选地，所述第二背极板包括：第三绝缘层，位于所述第二支撑部上，并与所述第二支撑部固定连接；以及第二导电层，位于所述第三绝缘层上，其中，所述第二导电层在所述振动膜上的正投影与所述第一导电层在所述振动膜上的正投影相互重合。
13.可选地，所述第二背极板还包括第四绝缘层，覆盖所述第三绝缘层与所述第二导电层，其中，所述第三绝缘层的厚度大于所述第四绝缘层的厚度。
14.可选地，还包括至少一个第二隔离部，位于所述第三绝缘层面向所述振动膜的表面，其中，所述第二隔离部的厚度小于所述第二支撑部的厚度。
15.可选地，所述衬底具有背腔，所述第一背极板覆盖所述背腔并具有至少一个第一通孔，所述第二背极板具有至少一个第二通孔，振动膜具有至少一个泄气孔，其中，所述第一通孔、所述第二通孔、所述泄气孔以及所述背腔连通。
16.根据本实用新型实施例的第二方面，提供了一种微机电结构，包括：第一背极板；第二背极板，位于所述第一背极板上；振动膜，位于所述第一背极板与所述第二背极板之间，所述振动膜与所述第一背极板构成第一可变电容，并与所述第二背极板构成第二可变电容；第一支撑部，位于所述第一背极板与所述振动膜之间，并分别与所述第一背极板和所述振动膜固定连接；以及第二支撑部，位于所述第二背极板与所述振动膜之间，并分别与所述第二背极板和所述振动膜固定连接，其中，所述第一背极板包括第一绝缘层、第二绝缘层以及夹在所述第一绝缘层与所述第二绝缘层之间的第一导电层，所述第二绝缘层并与所述第一支撑部固定连接，其中，所述第一支撑部在所述振动膜上的正投影环绕所述第一导电层在所述振动膜上的正投影的外周边缘。
17.根据本实用新型实施例的第三方面，提供了一种mems麦克风，包括如上所述的微机电结构。
18.本实用新型实施例提供的微机电结构通过第一支撑部与第二支撑部将振动膜固定在第一背极板与第二背极板之间，其中，第一支撑部位于第二支撑部下方，并通过让第一支撑部沿振动膜的边缘向中心方向凸出于第二支撑部，以保证振动膜的可动区域(在第二支撑部围绕的区域内)不会被第一支撑部压住，增加了振动膜的可动区域厚度的一致性，并保证振动膜的可动区域不会因某部分单独被第一支撑部压迫而改变应力，增加了振动膜的可动区域的应力的一致性，从而改善了由于振动膜的应力不一导致差分信号的一致性较差的问题，进而提升了产品的灵敏度与信噪比。
19.通过将第一背极板、第二背极板设置为两绝缘层之间夹持一导电层的三层结构，并使得导电层的位置与振动膜的可动部分对应，从而减少背极板与振动膜之间的寄生电容，进而提升了产品的灵敏度与信噪比。
20.因此，本实用新型提供的mems麦克风及其微机电结构可以大大提高产品的性能。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本技术的一些实施例，而非对本技术的限制。
22.图1示出了相关技术中的微机电结构的结构示意图。
23.图2示出了本实用新型实施例的微机电结构的立体结构示意图。
24.图3示出了本实用新型实施例的微机电结构的截面图。
25.图4示出了本实用新型实施例的mems麦克风的结构示意图。
具体实施方式
26.以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
27.应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
28.如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在
……
上面”或“在
……
上面并与之邻接”等表述方式。
29.在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。
30.本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
31.图1示出了相关技术中的微机电结构的结构示意图。
32.在相关技术中，差分电容式微机电结构包括：下背极板510、上背极板520、振动膜530、衬底540、支撑部502、支撑部503以及支撑部504，其中，振动膜530位于下背极板510和上背极板520之间，三者构成差分电容。理论上，双侧电容的差值为单侧的电容变化量的2被，因此，在相同芯片大小下，差分电容式微机电结构相比于单背极板微机电结构的灵敏度能提升2倍。此外，相比于单背极板微机电结构，差分电容式微机电结构可以滤除外界的环境干扰信号，从而将信噪比提升1.4倍。然而，对于振动膜530而言，位于支撑部503上方的支撑部504沿振动膜530的边缘向振动膜530的中心方向凸出于支撑部503，受到重力作用，支撑部504会对一部分振动膜530施加压力，且该部分的压力无法通过支撑部503抵消，从而造成振动膜530的厚度不均、应力不均。此外，由于下背极板510与上背极板520均与振动膜530的非运动部分之间存在寄生电容，上述一些问题都会降低差分电容式微机电结构灵敏度与信噪比，使得灵敏度与信噪比不能提升到理论值，也会造成差分信号的一致性较差的问题。
33.图2示出了本实用新型实施例的微机电结构的立体结构示意图，图2示出了本实用新型实施例的微机电结构的截面图。
34.如图2与图3所示，本实用新型的微机电结构100包括：第一背极板110、第二背极板120、振动膜130、衬底140、第一支撑部101、第二支撑部102以及第三支撑部103。其中，第一背极板110位于衬底140上，第二背极板120位于第一背极板110上。振动膜130位于第一背极板110与第二背极板120之间，并且振动膜130与第一背极板110构成第一可变电容，与第二背极板120构成第二可变电容。衬底140具有背腔141，第一背极板110覆盖背腔141并具有至少一个第一通孔110a，第二背极板120具有至少一个第二通孔120a，振动膜130具有至少一个泄气孔130a，其中，第一通孔110a、第二通孔120a、泄气孔130a以及背腔141连通，泄气孔130a的孔径不小于1um。其中，第一支撑部101、第二支撑部102以及第三支撑部103的材料例
如为氧化硅，振动膜130的材料例如为多晶硅，衬底140例如为硅衬底。本领域技术人员还可以根据需要对第一通孔110a、第二通孔120a、泄气孔130a的形状、个数、尺寸等进行其他设置，也可以根据需要对第一支撑部101、第二支撑部102、第三支撑部103、振动膜130以及衬底140的材料进行其他设置。
35.在本实施例中，第一支撑部101位于第一背极板110与振动膜130之间，并分别与第一背极板110和振动膜130固定连接。第二支撑部102位于第二背极板120与振动膜130之间，并分别与第二背极板120和振动膜130固定连接。第三支撑部103位于衬底140与第一背极板110之间，并分别与第一背极板110和衬底140固定连接。其中，第一支撑部101沿振动膜130的边缘向振动膜130的中心方向凸出于第二支撑部102。第三支撑部103沿振动膜130的边缘向振动膜130的中心方向凸出于第一支撑部101。在一些具体的实施例中，第一支撑部101、第二支撑部102以及第三支撑部103均呈环状结构，且第一支撑部101、第二支撑部102以及第三支撑部103的外环对齐。
36.在本实施例中，第三支撑部103为该层牺牲层释放之后在衬底140上留下来的部分，第三支撑部103位于衬底140的周边缘上，采用周边缘全固支的方式将位于第三支撑部103上方的第一背极板110支撑在衬底140上方，使得第一背极板110未与第三支撑部103接触的部分和衬底140之间间隔第一预设距离。第一支撑部101为该层牺牲层释放之后在第一背极板110上留下来的部分，采用周边缘全固支的方式将位于第一支撑部101上方的振动膜130支撑在第一背极板110上方，使得振动膜130未与第一支撑部101接触的部分和第一背极板110之间间隔第二预设距离。第二支撑部102为该层牺牲层释放之后在振动膜130上留下来的部分，采用周边缘全固支的方式将位于第二支撑部102上方的第二背极板120支撑在振动膜130上方，使得第二背极板120未与第二支撑部102接触的部分和振动膜130之间间隔第三预设距离。第一预设距离、第二预设距离以及第三预设距离分别与第三支撑部103、第一支撑部101以及第二支撑部102的厚度对应，本领域技术人员可以根据需要进行设置。
37.在本实施例中，在如图3所示的截面上，第三支撑部103、第一支撑部101以及第二支撑部102沿振动膜130的周边缘向中心方向的长度逐级递减。其中，对于振动膜130而言，第一支撑部101用于支撑振动膜130，第二支撑部102用于下压固定振动膜130，且由于第一支撑部101与第二支撑部102的外环平齐，内环凸出于第二支撑部102，因此第二支撑部102对振动膜130的作用力可以抵消对应部分的第一支撑部101对振动膜130的作用力。在完成如图1与图2所述的微机电结构100后，需要对微机电结构100进行退火，退火后，对于振动膜130而言，第一支撑部101未被第二支撑部102抵消的作用力可以使振动膜130为拉应力。第一背极板110与第二背极板120的受力情况与振动膜130类似，此处不再赘述。
38.在本实施例中，第一背极板110包括：第一绝缘层111、第一导电层112以及第二绝缘层113。第一绝缘层111位于第三支撑部103上，并与第三支撑部103固定连接。第一导电层112位于第一绝缘层111上。第二绝缘层113覆盖第一绝缘层111与第一导电层112，并与第一支撑部101固定连接。其中，第一导电层112夹在第一绝缘层111与第二绝缘层113之间，且第三支撑部103在振动膜130上的正投影环绕第一导电层112在振动膜130上的正投影的外周边缘。
39.在一些具体实施例中，第一绝缘层111与第二绝缘层113的材料例如为氮化硅，第一导电层112的材料例如为多晶硅。第一绝缘层111的厚度大于第二绝缘层112的厚度，其
中，第一绝缘层111用于支撑厚度为纳米级的第一导电层112，使得第一导电层112不易变形，第二绝缘层113用于隔离振动膜130与第一导电层112，防止振动膜130与第一导电层112电连接。本领域技术人员还可以根据需要对第一绝缘层111、第一导电层112以及第二绝缘层113的材料和厚度进行其他设置。
40.在本实施例中，第二背极板120包括第三绝缘层121与第二导电层122。第三绝缘层121位于第二支撑部102上，并与第二支撑部102固定连接。第二导电层122位于第三绝缘层121上。其中，第二导电层122在振动膜130上的正投影与第一导电层112在振动膜130上的正投影相互重合，既第二导电层122与第一导电层112的位置对应，形状、面积均相同。由于第一导电层112与第二导电层122仅对应于衬底140的背腔141或对应于振动膜130的可动部分(未被支撑部固支的部分)，从而减小了第一导电层112、第二导电层122与振动膜130和/或衬底140之间的寄生电容，从而提升产品的灵敏度与信噪比。
41.在一些具体实施例中，第三绝缘层121的材料例如为氮化硅，第二导电层122的材料例如为多晶硅。本领域技术人员还可以根据需要对第三绝缘层121与第二导电层122的材料进行其他设置。
42.在一些其他实施例中，第二背极板120还包括第四绝缘层(未示出)，第四绝缘层覆盖第三绝缘层121与第二导电层122(具体可由参照第一背极板110的结构)，其中，第三绝缘层121的厚度大于第四绝缘层的厚度。
43.进一步参照图2与图3，本实用新型的微机电结构100还包括：多个第一隔离部151、多个第二隔离部152以及多个焊盘160。第一隔离部151位于第一背极板110的第二绝缘层113面向振动膜130的表面，并且第一隔离部151的厚度小于第一支撑部101的厚度。第二隔离部152位于第二背极板120的第三绝缘层121面向振动膜130的表面，并且第二隔离部152的厚度小于第二支撑部102的厚度。通过将第一隔离部151与第二隔离部152分别设置在第一背极板110与第二背极板120上，既可以防止振动膜130与两个背极板之间的粘连，又可以提高振动膜130的厚度与应力的一致性，从而提升微机电结构100的良率。
44.在一些具体的实施例中，第一隔离部151与第二隔离部152的材料例如为氮化硅。其中，第一隔离部151与第二绝缘层113为一体结构，第二隔离部152与第三绝缘层121为一体结构。第一隔离部151与第二隔离部152呈圆柱和/或圆锥结构，第一隔离部151与第二绝缘层113接触的表面直径不小于0.3um，第二隔离部152与第三绝缘层121接触的表面直径不小于0.3um，而且第一隔离部151与第二绝缘层113的高度不小于0.3um。本领域技术人员还可以根据需要对第一隔离部151与第二隔离部152的材料、个数、形状以及尺寸进行其他设置。
45.焊盘160的数量至少为3个，均位于第二背极板120上，且分别与第一导电层112、第二导电层122以及振动膜130电连接。然而本实用新型实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对焊盘160的个数、位置进行其他设置。
46.图4示出了本实用新型实施例的mems麦克风的结构示意图。
47.如图4所示，该mems麦克风包括：微机电结构100、芯片结构200、基板300、外壳400。本实用新型施例的微机电结构100可以参照图1至图2的描述，此处不再赘述，芯片结构200例如为asic芯片，基板300例如为引线框架或pcb电路板。在本实施例中，微机电结构100与芯片结构200通过焊盘160电连接，基板300与外壳400用于形成容置腔，微机电结构100与芯
片结构200位于容置腔内。
48.对于通过在可动区域与边缘区域中间开槽以实现电性分开的效果，从而减小微机电结构寄生电容的方案而言，在开槽的地方膜层强度比较弱，应力容易集中，产品的可靠性较差。此外，对于通过提高膜层本身应力从而提高应力的一致性的方案而言，需要提高芯片结构的偏置电压，对芯片结构的供电要求高，成本高。而通过本实用新型提供的方案，控制支撑部、振动膜、背极板之间的结构关系，保证实际可动膜层(振动膜、第一背极板、第二背极板与背腔对应的部分)退火后是拉应力，应力控制的效果好，成本低，适用于大量生产，同时，通过背极板中的绝缘层实现支撑，只保留中间有效导电层面积，改善寄生电容问题，提升性能的同时能保证可靠性，改善寄生电容问题的效果好，成本低，适用于大量生产。
49.采用本实用新型实施例提供的微机电结构，在相同芯片大小下，相比于单背极板微机电结构的灵敏度能提升2倍，信噪比能提升1.4倍，因此，本实用新型提供的mems麦克风及其微机电结构可以大大提高产品的性能。
50.在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
51.以上对本实用新型的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本实用新型的范围之内。