MEMS麦克风及其制备方法与流程

mems麦克风及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种mems麦克风及其制备方法。


背景技术：

2.采用微电子机械系统工艺(micro electro mechanical system，mems)制备形成的mems麦克风器件，由于其小型化和轻薄化的特点而被广泛应用。在mems麦克风器件中通常包括依次设置在衬底上的下极板和上极板，所述下极板的边缘下方还设置有第一支撑部以用于支撑所述下极板，并在下极板的下方形成背腔，以及所述下极板和所述上极板之间通过第二支撑部，以使所述下极板和所述上极板相互间隔并形成有空腔。
3.其中，在一些特定的mems麦克风器件中，背极板的侧边部会直接设置在振动膜的端部上方，因此希望可以提高背极板的侧边部的机械强度，提高对背极板的支撑性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种mems麦克风的制备方法，以使所制备出的mems麦克风的背极板具有更高的强度。
5.为此，本发明提供了一种mems麦克风的制备方法，包括：在一衬底上形成振动膜，所述衬底具有第一区段，所述振动膜的端部延伸至所述第一区段内；在所述振动膜上形成牺牲材料层；在所述牺牲材料层上形成光阻层，所述光阻层暴露出所述牺牲材料层中位于第一区段内的部分；在所述光阻层的掩模下执行刻蚀工艺，以刻蚀所述牺牲材料层位于第一区段内的部分而暴露出所述振动膜的端部；形成背极板，所述背极板覆盖所述振动膜的端部和所述牺牲材料层；以及，去除所述牺牲材料层，以释放出所述振动膜和所述背极板之间的空间。其中，用于刻蚀第二牺牲层的刻蚀工艺包括：第一刻蚀过程，用于至少部分去除所述牺牲材料层暴露出的部分；以及，第二刻蚀过程，用于降低所述光阻层的侧壁倾斜度，同时降低所述牺牲材料层的侧壁倾斜度。
6.可选的，在所述第二刻蚀过程中降低刻蚀功率，提高对所述光阻层的消耗速率，以降低所述光阻层的侧壁倾斜度。其中，在所述第二刻蚀过程中刻蚀功率可以呈梯度下降。
7.可选的，在执行所述第二刻蚀过程之后，还包括：第三刻蚀过程，用于修整牺牲材料层的倾斜侧壁所对应的顶角，以使所述顶角更为平缓。
8.可选的，所述第三刻蚀过程包括：在第一时间段内降低氧气的流量并进行刻蚀，在第二时间段内提高氧气的流量并进行刻蚀。
9.可选的，在执行第一刻蚀过程之后，并在执行第二刻蚀过程之前，所述牺牲材料层的侧壁倾斜度为70
°‑
90
°
。
10.可选的，在执行第二刻蚀过程之后，所述牺牲材料层的侧壁倾斜度小于等于45
°
。
11.可选的，在形成所述光阻层之前，还包括：对所述牺牲材料层在第一区段和第二区段内的部分进行刻蚀，并刻蚀至预定深度位置，其中所述预定深度位置高于所述振动膜的顶表面位置，所述第二区段位于所述第一区域朝向振动膜中心区域的一侧，并和所述第一
区段连接。
12.基于如上所述的制备方法，本发明还提供了一种mems麦克风，包括：形成在衬底上方的振动膜和背极板，所述背极板具有侧边部和平板部，所述侧边部的底部抵接在所述振动膜的端部上，以及所述侧边部还呈台阶状而逐级攀升至所述平板部，并且所述侧边部中至少最底层台阶的侧壁倾斜度小于等于45
°
。
13.可选的，所述侧边部中至少最底层台阶的顶角为弧形顶角。
14.本发明提供的mems麦克风的制备方法中，在形成背极板之前，去除牺牲材料层中位于振动膜端部的部分，从而可使背极板的侧边部可以抵接至振动膜的端部上以支撑所形成的背极板。其中，在刻蚀牺牲材料层以暴露出振动膜端部的过程中，具体包括第一刻蚀过程和第二刻蚀过程，并在第二刻蚀过程中通过降低光阻层的侧壁倾斜度，以同时使牺牲材料层的侧壁倾斜度降低。而随着牺牲材料层的侧壁倾斜度的降低，使得覆盖在牺牲材料层上的背极板其侧边部相应的具备较小的侧壁倾斜度，有效减小了该倾斜侧壁所对应的顶角上的应力，降低了该顶角在受到冲击时发生破裂的风险，提高了背极板的强度。
附图说明
15.图1为一种mems麦克风的结构示意图。
16.图2为本发明一实施例中的mems麦克风的制备方法的流程示意图。
17.图3-图10为本发明一实施例中的mems麦克风在其制备过程中的结构示意图。
18.其中，附图标记如下：
19.100-衬底；
20.100a-第一区段；
21.100b-第二区段；
22.200/20-振动膜；
23.210-阻挡部；
24.310-第一牺牲层；
25.320-第二牺牲层；
26.320a/320b-侧壁；
27.320c-顶角；
28.400-光阻层；
29.400a/400b-侧壁；
30.500-背极板；
31.500a-顶角。
具体实施方式
32.承如背景技术所述，mems麦克风的背极板的机械强度需要进一步优化。例如图1中示出的一种mems麦克风，其背极板50的侧边部直接搭载在振动膜20的端部上以支撑整个背极板50。然而，该mems麦克风中，其背极板50的侧边部形成有台阶，并且该台阶在外界冲击下极易破裂，从而导致背极板50坍塌。
33.对此，本发明的发明人经过大量研究后发现，该mems麦克风中其背极板50的台阶
的侧壁倾斜角度θ通常较大(例如为70
°
～80
°
)，从而使得台阶的顶角位置应力集中，因此，在器件跌落的过程中极易发生破裂。
34.有鉴于此，本发明提供了一种mems麦克风的制备方法，其可以大大提高背极板的机械强度，尤其是能够改善背极板其侧边部的台阶容易破裂的问题。具体可参考图2所示，本发明提供的一实施例中的mems麦克风的制备方法包括如下步骤。
35.步骤s100，在一衬底上形成振动膜，所述衬底具有第一区段，所述振动膜的端部延伸至所述第一区段内。
36.步骤s200，在所述振动膜上形成牺牲材料层。
37.步骤s300，在所述牺牲材料层上形成光阻层，所述光阻层暴露出所述牺牲材料层中位于第一区段内的部分。
38.步骤s400，在所述光阻层的掩模下执行刻蚀工艺，以刻蚀所述牺牲材料层位于第一区段内的部分而暴露出所述振动膜的端部。其中，所述刻蚀工艺包括：第一刻蚀过程，用于至少部分去除所述牺牲材料层暴露出的部分；以及，第二刻蚀过程，用于降低所述光阻层的侧壁倾斜度，同时降低所述牺牲材料层的侧壁倾斜度。
39.步骤s500，形成背极板，所述背极板覆盖所述振动膜的端部和所述牺牲材料层。
40.步骤s600，去除所述牺牲材料层，以释放出振动膜和所述背极板之间的空间。
41.以下结合附图3-图10和具体实施例对本发明提出的mems麦克风及其形成方法作进一步详细说明。其中，图3-图10为本发明一实施例中的mems麦克风在其制备过程中的结构示意图。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当认识到，附图中所示的诸如“上方”，“下方”，“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”之类的相对术语可用于描述彼此之间的各种元件的关系。这些相对术语旨在涵盖除附图中描绘的取向之外的元件的不同取向。例如，如果装置相对于附图中的视图是倒置的，则例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在该元件下方。
42.在步骤s100中，具体参考图3所示，提供一衬底100，并在所述衬底100上形成振动膜200。其中，所述衬底100具有第一区段100a，所述振动膜200的端部延伸至所述第一区段100a内，以及所述振动膜200的材料例如可包括多晶硅等。
43.具体示例中，在制备所述振动膜200之前，还包括在衬底100上形成第一牺牲层310，所述第一牺牲层310的材料例如可包括氧化硅。以及，所述振动膜200即形成在所述第一牺牲层310上，其中，所述第一牺牲层310中对应在振动膜200的中间区域的部分将在后续步骤中被去除，以释放出振动膜200的下方空间。
44.继续参考图3所示，所述振动膜200的端部下方还形成有阻挡部210，本实施例中，所述阻挡部210即形成在所述第一区段100a内，以及所述阻挡部210从所述振动膜200的端部向下贯穿所述第一牺牲层310。在后续执行刻蚀工艺以去除所述第一牺牲层310的中间部分时，即可利用该阻挡部210阻挡刻蚀剂的横向侵蚀，避免振动膜200端部的正下方的牺牲材料被去除，保护振动膜200端部的牺牲材料，如此，即可利用保留下牺牲材料构成支撑部，用于对振动膜200进行支撑。
45.进一步的，可在所述振动膜210的端部下方设置至少一道阻挡部210，也可以设置两道或两道以上的阻挡部210，两道或两道以上的阻挡部210具体可沿着由振动膜200的中
心至端部的方向依次排布。通过设置多道阻挡部210，可以有效提高对刻蚀剂的阻挡效果，并且也可以利用该阻挡部210辅助支撑所述振动膜200。
46.本实施例中，所述阻挡部210可以和所述振动膜200采用相同材料，并在同一工艺中同时制备。例如，所述阻挡部210和所述振动膜200的制备方法可包括：在形成第一牺牲层310之后，在第一牺牲层310对应于振动膜端部的区域内形成至少一个开口；接着，淀积用于形成振动膜的材料层，该材料层填充所述开口以构成所述阻挡部210，该材料层还覆盖顶部牺牲层310的顶表面以构成所述振动膜200。
47.在步骤s200中，具体参考图4所述，在所述振动膜200上形成牺牲材料层(即，图4所示的第二牺牲层320)，其中所述第二牺牲层320的材料可以和第一牺牲层310的材料相同，例如均包括氧化硅。以及，所述第二牺牲层320具体可用于为后续形成的背极板提供制备平台，并定义出振动膜200的上方振动空间。
48.在传统工艺中，通常会在沉积第二牺牲层320之后，直接在第二牺牲层320上形成背极板，之后，再去除第一牺牲层310和第二牺牲层320对应在振动膜200中间区域的部分，以释放出振动膜200的上下两侧的振动空间。然而，在部分去除第一牺牲层310和第二牺牲层320的刻蚀过程中，若难以严格控制刻蚀参数，则容易导致振动膜200的端部位置的牺牲材料会被侧向侵蚀而被大量去除，尤其是位于振动膜端部上方的第二牺牲层的余量较少，从而难以保证对背极板的稳固支撑。
49.针对如上问题，本实施例中在沉积第二牺牲层320之后，还进一步去除第二牺牲层320覆盖振动膜200端部的部分(包括：至少去除第二牺牲层320中位于第一区段100a内的部分)，从而使后续形成的背极板可以直接搭载在振动膜200的端部上，规避了传统工艺中由于牺牲材料容易被侵蚀而导致支撑力不佳的问题。
50.在去除第二牺牲层320中位于第一区段100a内的部分后，即可在第二牺牲层320的端部形成台阶，后续制备背极板时，背极板的侧边部即可以顺应第二牺牲层320的台阶而以逐级攀升的方式延伸至背极板的平板部(例如图9所示的背极板500)。具体示例中，可以对第二牺牲层320执行多道刻蚀，以形成两级或两级以上台阶，例如本实施例中，具体可参考图5-图8所示，第二牺牲层320在第一区段100a和第二区段100b内形成有两级台阶，其中第一区段100a内形成有最底层台阶，第二区段100b内形成有上一级台阶，第二区段100b具体位于第一区段100a靠近振动膜中心区域的一侧并和第一区段100a连接。
51.经过研究发现，在背极板的侧边部中，最底层台阶通常需要承受更大的应力，受到外界冲击时，更大概率的出现断裂等问题，因此需要提高侧边部中最底层台阶的抗破坏性能。本实施例中，通过增大最底层台阶的侧壁倾斜度，以提高其抗破坏性能，此将在后续的步骤s300和步骤s400中详细说明。
52.而在制备最底层台阶之前，优先形成上一级台阶。例如参考图5所示，在执行步骤s300之前，还包括：刻蚀所述第二牺牲层320中位于第一区段100a和第二区段100b内的部分，并刻至预定深度位置，所述预定深度位置高于振动膜200的顶表面位置，由此，即定义出上一级台阶的高度位置。
53.接着，执行步骤s300，具体参考图6所示，在所述第二牺牲层320上形成光阻层400，光阻层400暴露出第二牺牲层320位于第一区段内100a的部分。此时，所述光阻层400相应的覆盖第二区段100b。
54.具体的，所述光阻层400的制备方法包括：旋涂光阻材料层，并执行光刻工艺和显影工艺，以形成暴露出振动膜端部区域的光阻层400。需要说明的是，通过光刻工艺和显影工艺直接形成的光阻层，为确保具备较高的图形解析度，其侧壁400a的侧壁倾斜度通常较高(例如高于70
°
)。
55.本实施例中，所述光阻层400的端部边界停止在第一区段100a内，并且光阻层400的端部还从第二区段100b延伸覆盖部分第一区段100a，由此构成的延伸部将在后续的回推过程中被消耗，具体参考步骤s400。
56.在步骤s400中，具体参考图6-图8所示，在所述光阻层400的掩模下刻蚀所述第二牺牲层320，以暴露出所述振动膜200的端部。其中，用于刻蚀所述第二牺牲层320的刻蚀工艺包括：第一刻蚀过程，用于至少部分去除所述第二牺牲层320暴露出的部分；以及，第二刻蚀过程，用于降低所述光阻层400的侧壁倾斜度，同时降低所述第二牺牲层320的侧壁倾斜度。
57.首先参考图6所示，利用第一刻蚀过程，至少部分去除所述第二牺牲层320暴露出的部分。本实施例中，可以刻蚀停止在第二牺牲层320中，而不暴露出振动膜200的端部，并且在振动膜200的端部上方保留有少量的牺牲材料。需要说明的是，在第一刻蚀过程中，对第二牺牲层320和对光阻层400具有较高的刻蚀选择比，从而可以快速消耗第二牺牲层320，并能够精准的将光阻层400的图形复制至第二牺牲层320中，使得第二牺牲层320的侧壁320a具有较高的侧壁倾斜度θ1(例如为70
°‑
90
°
)。
58.接着参考图7所示，利用第二刻蚀过程，降低光阻层400的侧壁倾斜度，同时降低所述第二牺牲层320的侧壁倾斜度。具体而言，随着光阻层400其侧壁400b的侧壁倾斜度的降低，那么在继续刻蚀第二牺牲层320时，即可相应的使第二牺牲层320的侧壁320b的侧壁倾斜度θ2降低(例如可降低至小于等于45
°
，具体示例中，可使侧壁倾斜度θ2降低至20
°‑
45
°
)。
59.进一步的，可通过降低第二刻蚀过程中的刻蚀功率(具体示例中，第二刻蚀过程的刻蚀功率可呈梯度下降)，以提高对所述光阻层400的消耗速率，从而减薄光阻层400的厚度，使得光阻层400的侧壁400b更为平缓，在此过程中，还可使光阻层400的端部边界被逐步回推(具体的，光阻层400的端部边界可由第一区段100a朝向第二区段100b的方向被逐步回推)，此时，再同时对第二牺牲层320进行刻蚀，即有利于实现第二牺牲层320的侧壁320b也更为平缓，降低侧壁倾斜度θ2。即，在第二刻蚀过程后，即可使第二牺牲层320在第一区段100a内形成侧壁倾斜度θ2较小的台阶。此外，在第二刻蚀过程中，还可进一步对暴露出第一牺牲层310进行刻蚀。
60.可选的方案中，用于刻蚀所述第二牺牲层320的刻蚀工艺还可包括：第三刻蚀过程，用于修整第二牺牲层320的这一倾斜侧壁所对应的顶角320c，以使所述顶角320c更为平缓。
61.具体的，所述第三刻蚀过程例如包括，首先降低对第二牺牲层320和光阻层400的刻蚀选择比，以进一步减小顶角位置的倾斜度；之后，增大对第二牺牲层320和光阻层400的刻蚀选择比，如此，即有利于将所述顶角320c修整为平缓的圆滑顶角。一示例中，可通过调整氧气的流量以改变第三刻蚀过程中对第二牺牲层320和光阻层400的刻蚀选择比，进而达到台阶的顶角圆化的目的。例如，在第三刻蚀过程中，可以在第一时间段内降低氧气的流量并进行刻蚀，在第一时间段内例如可梯度降低氧气的流量；之后，在第二时间段内提高氧气
的流量并进行刻蚀，在第二时间段内也可梯度增大氧气的流量。
62.在步骤s500中，具体参考图9所示，形成背极板500，所述背极板500覆盖所述振动膜200的端部和所述第二牺牲层320。此时，所述背极板500即随形的覆盖第二牺牲层320的表面，从而在第二牺牲层320的台阶位置也相应的形成有台阶，并且背极板500中的台阶也相应的具备较小的侧壁倾斜度。
63.具体而言，所述背极板500的侧边部的底部抵触在振动膜200的端部上，并且该侧边部还顺应第二牺牲层320表面覆盖，使得侧边部上所形成的台阶(至少包括最底层台阶)具备较小的侧壁倾斜度。本实施例中，背极板500中的台阶的顶角500a也同样呈现为平缓、圆滑的弧形顶角，甚至也还可使该台阶其整个侧壁也呈现为弧形侧壁，进一步提高了背极板500的抗破坏性能。
64.其中，所述背极板500的制备方法具体可包括：依次形成绝缘材料层和导电材料层，所述绝缘材料层的材料例如包括氮化硅。需要说明的是，图9-图10中虽未明确示意出绝缘材料层和导电材料层，但是可以理解其中包括由下至上堆叠设置的绝缘材料层和导电材料层。
65.在步骤s600中，具体参考图10所示，去除所述第二牺牲层，以释放出振动膜200和所述背极板500之间的空间。
66.本实施例中，同时去除振动膜200的上下两侧的第一牺牲层310和第二牺牲层320。其中，在去除第一牺牲层时，由于振动膜200的端部下方设置有阻挡部210，避免了位于振动膜200端部下方的牺牲层被去除，进而可构成支撑部用于支撑所述振动膜200。以及，在去除第二牺牲层时，可完全去除振动膜200上方的牺牲材料。因此，本实施例中，对于第一牺牲层和第二牺牲层的刻蚀难度较低，不需要追求更高的刻蚀精度仍可以避免过度侵蚀的问题。
67.基于如上所述的制备方法，即可使所形成的mems麦克风中其背极板具有更高的强度，提高mems麦克风的性能和使用寿命。以下针对制备的mems麦克风的结构进行说明。
68.具体可参考图10所示，本实施例中mems麦克风包括：形成在衬底100上的振动膜200和背极板500。其中，所述背极板500具有侧边部和平板部，所述侧边部的底部抵接在振动膜200的端部上，以使背极板500支撑在所述振动膜200的上方。以及，所述侧边部还呈台阶状而逐级攀升至所述平板部，并且所述侧边部中至少最底层台阶具备较小的侧壁倾斜度，例如最底层台阶的侧壁倾斜度小于等于45
°
。
69.本实施例中，所述侧边部中至少最底层台阶的顶角500a呈现为平缓、圆滑的弧形顶角，甚至也还可使该台阶其整个侧壁也呈现为弧形侧壁，进一步提高了背极板500的抗破坏性能。
70.综上所述，本实施例提供的mems麦克风的制备方法中，在形成背极板之前，去除牺牲材料层中位于振动膜端部的部分，从而可使背极板的侧边部可以抵接至振动膜的端部上以支撑所形成的背极板。并且，通过降低牺牲材料层的侧壁倾斜度，相应的使覆盖在该牺牲材料层上的背极板其侧边部也相应的具备较低的侧壁倾斜度，有效减小了该倾斜侧壁所对应的顶角上的应力，降低了该顶角在受到冲击时发生破裂的风险，提高了背极板的强度。
71.需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等
同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
72.还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
73.此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。