單片cmos-mems麥克風(fēng)及制造方法
【專利說(shuō)明】 單片CMOS-MEMS麥克風(fēng)及制造方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求2013年5月2日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/818，641以及2013年6月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/830，492的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容都通過(guò)引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置，例如MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)和制造MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制造CM0S-MEMS裝置的方法。提供了一種層式結(jié)構(gòu)，其包括基板層、犧牲層、MEMS膜、CMOS電路部件和MEMS背板。所述MEMS膜在層式結(jié)構(gòu)的水平橫截面的MEMS區(qū)域內(nèi)定位在犧牲層和基板層之間。所述MEMS背板相反于所述MEMS膜鄰近所述犧牲層定位。所述CMOS電路部件定位在所述層式結(jié)構(gòu)的水平橫截面的電路區(qū)域內(nèi)。所述電路區(qū)域和所述MEMS區(qū)域在所述層式結(jié)構(gòu)的所述水平橫截面上不重疊。
[0005]該方法還包括在層式結(jié)構(gòu)的頂表面上沉積局部防護(hù)層，從而使得所沉積的防護(hù)層覆蓋所述電路區(qū)域?；鍖拥牡谝痪植课g刻從層式結(jié)構(gòu)的底側(cè)實(shí)施，以在層式結(jié)構(gòu)的MEMS區(qū)域內(nèi)在MEMS膜之下形成第一間隙。犧牲層的第二局部蝕刻從層式結(jié)構(gòu)的頂側(cè)實(shí)施，以在層式結(jié)構(gòu)的MEMS區(qū)域內(nèi)去除MEMS膜和MEMS背板之間的犧牲層部分。第二局部蝕刻釋放所述MEMS膜，從而所述MEMS膜可響應(yīng)于壓力而移動(dòng)。沉積的局部防護(hù)層防止第二局部蝕刻蝕刻掉犧牲層的位于所述層式結(jié)構(gòu)的電路區(qū)域內(nèi)的一部分，且還防止第二局部蝕刻損壞CMOS電路部件。
[0006]在一些實(shí)施例中，MEMS膜由多晶硅材料形成，且基板層由硅基材料形成。犧牲層由氧化物材料形成。所述層式結(jié)構(gòu)還包括多晶硅MEMS膜與硅基基板層之間的防護(hù)氧化物層。氧化物層在基板層的第一局部蝕刻過(guò)程中充當(dāng)蝕刻停止部并保護(hù)MEMS膜。第二局部蝕刻然后將MEMS膜從犧牲層和防護(hù)氧化物層釋放。
[0007]在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制造CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的方法。該方法包括提供一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括多晶硅麥克風(fēng)膜、金屬氧化物背板以及膜與背板之間的氧化物限定式間隙層。麥克風(fēng)膜鄰近基板層安裝，從而背板定位在膜之上。CMOS電路部件集成在該結(jié)構(gòu)中，但是不位于膜和背板之間。防護(hù)蝕刻停止部沉積在CMOS電路部件上，以在去除膜和背板之間的氧化物材料的釋放蝕刻過(guò)程期間保護(hù)CMOS電路部件。
[0008]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了制造CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的措施。該方法包括:通過(guò)鄰近陶瓷粘附層沉積主蝕刻停止層(也稱作鈍化層)來(lái)在釋放過(guò)程期間選擇性地保護(hù)MEMS系統(tǒng)的區(qū)域免受蝕刻腐蝕的措施。在一個(gè)實(shí)施例中，鈍化層可沉積在MEMS芯片的頂部上，且被圖案化以以允許釋放有效MEMS結(jié)構(gòu)，同時(shí)保護(hù)其他區(qū)域不被釋放。當(dāng)這種鈍化層被圖案化、且尤其當(dāng)意圖進(jìn)行鈍化處理以使一層免于快速蝕刻速度，重要的是在鈍化層被圖案化處具有好的邊緣密封，以便防止圍繞這種鈍化層的不期望的蝕刻不足(underetch)。因此，鈍化層必須在這種鈍化處理下對(duì)蝕刻劑具有低選擇比(selectivity)，且必須良好地粘附至基底層。本發(fā)明詳述了沉積薄陶瓷層(比如氧化金屬(例如A1203))的措施，從而作為結(jié)合層來(lái)促進(jìn)粘附較厚的主鈍化層(例如富硅氮化硅)。陶瓷結(jié)合層表現(xiàn)了到金屬和多晶硅的好的粘附性，以及對(duì)常見的釋放蝕刻劑(比如液態(tài)HF和氣相HF)的好的選擇比。
[0009]在一些實(shí)施例中，該方法包括:圍繞MEMS部件的周邊在MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂表面上沉積防護(hù)蝕刻停止部。背面蝕刻在硅基板中形成了腔室。然后使用頂側(cè)蝕刻，以去除圍繞膜的氧化物材料以及膜與金屬背板之間的犧牲氧化物限定式間隙層。在一些實(shí)施例中，所有露出表面在蝕刻步驟完成后都涂覆有保護(hù)性防粘連層。
[0010]本發(fā)明的其他方面將通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明書和附圖而顯現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ] 圖1是CMOS MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的頂側(cè)圖。
[0012]圖2是圖1的預(yù)蝕刻CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的剖視圖。
[0013]圖3是示出了釋放圖2的CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)中的膜的方法的流程圖。
[0014]圖4是圖2的CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的在防護(hù)層沉積和圖案化后的剖視圖。
[0015]圖5是圖4的CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的使用背面蝕刻以形成麥克風(fēng)腔室后的剖視圖。
[0016]圖6是圖5的CM0S-MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的使用氧化物釋放蝕刻以將膜從犧牲氧化物層釋放后的剖視圖。
[0017]圖7是CM0S-MEMS系統(tǒng)的另一示例的剖視圖。
[0018]圖8是CM0S-MEMS系統(tǒng)的實(shí)施附加犧牲蝕刻后的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在詳細(xì)闡述本發(fā)明的任何實(shí)施方式之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明在其應(yīng)用方面不限于在以下說(shuō)明書中提出的或在附圖中示出的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情形和構(gòu)件的布置方式。本發(fā)明能夠具有其他實(shí)施方式且能夠以多種方式來(lái)實(shí)施或執(zhí)行。
[0020]圖1示出了包括MEMS圓形MEMS麥克風(fēng)101的麥克風(fēng)系統(tǒng)100的頂側(cè)圖。如下文詳細(xì)描述，MEMS麥克風(fēng)包括響應(yīng)于聲壓而移動(dòng)的膜以及背板。電路檢測(cè)膜相對(duì)于背板的移動(dòng)(例如，由于變化的電容)并產(chǎn)生表不聲壓(即，聲音)的電信號(hào)。圖1的麥克風(fēng)系統(tǒng)包括CMOS和ASIC部件，該CMOS和ASIC部件集成到同一單片結(jié)構(gòu)中作為MEMS麥克風(fēng)101，并繞著麥克風(fēng)膜的外周定位，以便避免與麥克風(fēng)膜的移動(dòng)產(chǎn)生物理干擾。盡管圖1的示例示出了定位于方形芯片中的單個(gè)圓形麥克風(fēng)部件101，但是其他構(gòu)造可包括不同布置結(jié)構(gòu)，例如包括其他形狀(例如，方形或矩形)的麥克風(fēng)、其他形狀的硅芯片、同一芯片上的多個(gè)麥克風(fēng)、以及圍繞麥克風(fēng)101的外周的變化量的芯片表面。
[0021]圖2示出了麥克風(fēng)系統(tǒng)100的沿著線103的剖視圖，以進(jìn)一步示出單片結(jié)構(gòu)的不同層和部件。圖2中的單片結(jié)構(gòu)以其預(yù)蝕刻狀態(tài)被示出。圖2所示的晶圓的總厚度為研磨后大約400 μm(研磨前大約725 μm)。麥克風(fēng)系統(tǒng)100包括定位于基板層203之上的犧牲、界金屬電介質(zhì)(inter-metal dieletric) (IMD)層201。IMD層201由非摻雜正娃酸乙酯(TEOS)形成，且基板層203由硅基材料形成。L0C0S( “硅局部氧化”)層205定位在頂D層201和硅基板層203之間。
[0022]多晶硅膜207在L0C0S層205之上定位在頂D層201內(nèi)。該膜大約700nm厚。如下文詳細(xì)描述，膜207將通過(guò)蝕刻過(guò)程從頂D層201釋放，從而膜207可響應(yīng)于聲壓而移動(dòng)。因此，晶圓包括也埋設(shè)在MD層201中的夾式支承結(jié)構(gòu)209。當(dāng)膜207被釋放時(shí)，夾式支承結(jié)構(gòu)209將仍部分地埋設(shè)在剩余的氧化物層201中，以便為可移動(dòng)的膜205提供固定支承。
[0023]CMOS部件211也埋設(shè)在頂D層201中。在該示例中，CMOS部件211形成在麥克風(fēng)膜207的外周的外側(cè)。CMOS部件211的尺寸被選擇成且被定位成:使CMOS部件211不延伸到膜207之上或之下的物理空間。鈍化層213 (由比如SiN或Si02的材料形成)形成在IMD層201之上。鈍化層在MEMS結(jié)構(gòu)(S卩，膜207)之上的部分在釋放膜207之前被去除。
[0024]金屬背板215定位在Π?層201頂部上，且部分地由鈍化層213固定。金屬背板215是具有多個(gè)間隙的格柵型結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)間隙隨著膜207的移動(dòng)引起背板215與膜207之間的間隙容積的變化而將最終允許空氣經(jīng)過(guò)。在該示例中，背板215大約2000nm厚，且以一層或多層AlCu、Ti和TiN構(gòu)造。背板215還包括防止膜207物理地接觸背板215的一個(gè)或更多個(gè)超程停止結(jié)構(gòu)217。
[0025]最后，圖2的晶圓還包括鄰近膜207定位的、埋設(shè)在頂D層201中的間層電介質(zhì)(ILD)部件219。在該示例中，該ILD部件219由硼磷娃玻璃(borophosphosilicate glass)(BPSG)或 NSG 構(gòu)造。
[0026]圖3示出了一種蝕刻圖1和2所示的結(jié)構(gòu)以形成麥克風(fēng)腔室和將膜205從氧化物層釋放的方法。首先，將防護(hù)層沉積在晶圓的頂表面上(步驟301)。如圖4所示，防護(hù)層401被沉積在鈍化層213之上且不覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)(S卩，膜207和背板215)。防護(hù)層401可包括原子層沉積(ALD)和/或富硅氮化物材料，且將在下文所述的蝕刻過(guò)程期