帶有氮化硅背板和硅犧牲層的mems聲學(xué)傳感器的制造方法
【專利說(shuō)明】帶有氮化硅背板和硅犧牲層的MEMS聲學(xué)傳感器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
該申請(qǐng)要求20 I 3年3月14日提交的Feyh等人做出的標(biāo)題為“MEMS ACOUSTICTRANSDUCER WITH SILICON NITRIDE BACKPLATE AND SILICON SACRIFICIAL LAYER” 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/781,940的優(yōu)先權(quán)，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用整體結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]該公開(kāi)內(nèi)容大體上涉及麥克風(fēng)，并且特別地涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)。
【背景技術(shù)】
[0003]消費(fèi)者電子器件正逐漸變得更小并且隨著技術(shù)進(jìn)步正得到增加的性能和功能性。這在消費(fèi)者電子產(chǎn)品諸如移動(dòng)電話、膝上型計(jì)算機(jī)、MP3播放器和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)中使用的技術(shù)中顯而易見(jiàn)。比如，移動(dòng)電話工業(yè)的要求正驅(qū)動(dòng)部件以更高的功能性和減少的成本而變得更小。因此期望將電子電路的功能集成在一起并且將它們與傳感器器件諸如麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器組合。
[0004]其結(jié)果是基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的傳感器器件的顯現(xiàn)。這些比如可以是用于檢測(cè)和/或生成壓力/聲波的電容性傳感器或用于檢測(cè)加速度的傳感器。存在持續(xù)驅(qū)動(dòng)以通過(guò)與對(duì)通過(guò)去除傳感器電子接口來(lái)操作和處理來(lái)自MEMS的信息所必須的電子電路的集成來(lái)減少這些器件的尺寸和成本。達(dá)到這些目標(biāo)的挑戰(zhàn)中的一個(gè)是在MEMS器件的制造期間實(shí)現(xiàn)與用來(lái)加工互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電子器件的標(biāo)準(zhǔn)工藝的兼容性的困難。這要求允許MEMS器件與使用相同材料和處理機(jī)器的傳統(tǒng)電子設(shè)備的直接集成。該發(fā)明尋求處理這個(gè)領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1描繪依據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的MEMS麥克風(fēng)的實(shí)施例的橫截面視圖。
[0006]圖2描繪在熱氧化之后的圖1的襯底。
[0007]圖3描繪在已沉積用于MEMS麥克風(fēng)的膜層并且在膜層上已形成熱氧化層之后的圖2的襯底。
[0008]圖4描繪在已沉積第一犧牲硅層并且在其中形成栓塞結(jié)構(gòu)的部分之后的圖3的襯底。
[0009]圖5描繪在已沉積第二犧牲層并且在其中形成栓塞結(jié)構(gòu)的剩余部分之后以及在已將背板層沉積到第二犧牲層上之后的圖4的襯底。
[0010]圖6描繪在已圖案化背板層并且已形成鍵合焊盤(pán)區(qū)之后的圖5的襯底。
[0011]圖7是將MEMS麥克風(fēng)與MEMS壓力傳感器集成到相同CMOS襯底中的實(shí)施例的示意視圖。
[0012]圖8描繪在將襯底處理成形成用于MEMS麥克風(fēng)的背側(cè)溝槽和空氣間隙以及形成用于MEMS壓力傳感器的電容性間隙之后的圖7的襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為了促進(jìn)理解公開(kāi)內(nèi)容原理的目的，現(xiàn)在將對(duì)在下面所寫(xiě)的說(shuō)明書(shū)中描述的以及在附圖中圖解的實(shí)施例進(jìn)行參考。理解由此不意圖對(duì)公開(kāi)內(nèi)容的范圍進(jìn)行限制。進(jìn)一步理解本公開(kāi)內(nèi)容包含對(duì)圖解實(shí)施例的更改和修改并且包含公開(kāi)內(nèi)容的原理的進(jìn)一步應(yīng)用，如該公開(kāi)內(nèi)容所屬的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常將想到的。
[0014]圖1描繪依據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的MEMS聲學(xué)傳感器10的實(shí)施例的透視圖。MEMS聲學(xué)傳感器能夠是麥克風(fēng)、接收器、揚(yáng)聲器、或其組合。在本文中圖解MEMS麥克風(fēng)1IEMS麥克風(fēng)包含襯底12、柔性膜14、和固定背板16。襯底12包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)襯底，諸如硅晶片或絕緣體上硅(SOI)襯底，用于集成到CMOS電子設(shè)備和MOS處理技術(shù)中，盡管將意識(shí)到也能夠使用其它襯底材料和電子加工技術(shù)。在圖1的實(shí)施例中，硅襯底12經(jīng)受熱氧化，該熱氧化在襯底的前側(cè)和背側(cè)上分別形成熱氧化層18和20。作為對(duì)使用熱氧化的替換方式，可以使用比如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)來(lái)沉積氧化層。其它技術(shù)也是可能的。
[0015]膜14包括在襯底12的前側(cè)上沉積到前側(cè)熱氧化層18上的柔性材料(諸如多晶硅)的層。襯底12包含暴露膜14的底表面的背側(cè)溝槽22。膜14被配置成用作用于MEMS麥克風(fēng)1的下電極。下電極可以以任何適合方式諸如通過(guò)膜層的注入摻雜或通過(guò)導(dǎo)電薄膜的沉積被集成在膜14中。此外，由于包含摻雜劑全部膜層14能夠?qū)щ?。全?dǎo)電薄膜的圖案化工藝實(shí)現(xiàn)電極的限定。
[0016]背板16懸空在膜14上方并且被配置成用作用于電容性MEMS麥克風(fēng)10的固定上電極。背板16由硅隔板24支撐，該硅隔板24在膜14上的熱氧化層23上形成。在背板16和膜14之間去除隔板24的硅材料以形成聲學(xué)腔26，該聲學(xué)腔26形成用于麥克風(fēng)的空氣間隙。背板16包含被配置成允許空氣流動(dòng)到聲學(xué)腔26中以對(duì)膜14沖擊的多個(gè)穿孔或開(kāi)口 28。
[0017]依據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，通過(guò)低應(yīng)力富硅氮化物(SiN)來(lái)形成背板，該低應(yīng)力富硅氮化物(SiN)是帶有良好機(jī)械屬性的抗刻蝕絕緣材料。局部金屬化(不可見(jiàn))被沉積到背板16上以形成用于電容性麥克風(fēng)的上電極。用于電極的金屬化可以包括任何適合的金屬材料，諸如鉑(Pt)、鋁(Al)、鈦(Ti)等等。在一個(gè)實(shí)施例中，使用原子層沉積(ALD)工藝將金屬層沉積為非常薄的薄膜(例如，1nm或更小)，從而它對(duì)背板16的機(jī)械屬性具有很小影響或不具有影響。另一個(gè)可能性是在薄氧化物的頂上使用摻雜的硅薄膜。硅薄膜用作導(dǎo)電電極，氧化物薄膜用作在Si犧牲層刻蝕步驟中的保護(hù)層并且在稍后的氧化物刻蝕過(guò)程中被刻蝕掉。
[0018]膜14的下電極和背板16的固定上電極一起形成平行板電容器。在操作期間，穿過(guò)多孔背板16進(jìn)入聲學(xué)腔的聲波引起柔性膜14振動(dòng)。當(dāng)膜14振動(dòng)時(shí)，膜14和背板16之間的距離改變，這引起上電極和下電極之間的電容的對(duì)應(yīng)改變。在圖1的實(shí)施例中，背板16和膜14的電極被電連接到在襯底的鍵合焊盤(pán)區(qū)30中提供的鍵合焊盤(pán)32。鍵合焊盤(pán)被配置成將電極連接到讀出和控制電路(未示出)。讀出和控制電路被配置成監(jiān)測(cè)膜和背板之間的電容并且輸出表不對(duì)膜沖擊的聲波的信號(hào)。
[0019]結(jié)合用于犧牲/隔板層的硅的用于背板16的低應(yīng)力富硅氮化物(SiN)的使用能夠?qū)崿F(xiàn)帶有高性噪比(例如，SNR>65dB)的麥克風(fēng)設(shè)置，而同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)CMOS集成，從而MEMS麥克風(fēng)能夠與其它類(lèi)型傳感器(諸如MEMS壓力傳感器)在相同芯片上實(shí)施。比如，SiN材料能夠以小的層厚度(例如，1_3μπι)來(lái)提供剛性、機(jī)械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且其能夠被圖案化以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的多孔性而沒(méi)有影響背板的結(jié)構(gòu)完整性。這允許增加空氣間隙的尺度，從而能夠優(yōu)化空氣流動(dòng)行為而沒(méi)有顯著影響性能。這也能夠使膜14配有低的多孔性，這能夠增強(qiáng)到器件的耦合。
[0020]此外，因?yàn)镾iN材料更抗典型地在CMOS處理期間用來(lái)刻蝕硅和氧化硅材料的某些刻蝕劑諸如蒸氣(vap0r)HF(氫氟酸)，所以去除硅犧牲層以釋放背板并且形成背板和膜之間的空氣間隙能夠被執(zhí)行為正常CMOS流程的部分。如能夠在圖1中看到，SiN或類(lèi)似類(lèi)型材料諸如四乙基原硅酸鹽(TEOS)被用來(lái)形成在背板16和襯底膜14之間延伸的栓塞結(jié)構(gòu)34。栓塞結(jié)構(gòu)被配置成用作針對(duì)聲學(xué)腔的刻蝕停止并且在背板16和膜14之間增加機(jī)械穩(wěn)定性以及提供電絕緣。
[0021]參考圖1，SiN/TE0S栓塞結(jié)構(gòu)36也可以被結(jié)合在器件中以在器件的鍵合焊盤(pán)區(qū)32中提供從鍵合焊盤(pán)到襯底的電絕緣和增加的電阻。在圖1的實(shí)施例中，SiN/TEOS栓塞結(jié)構(gòu)36被提供在鍵合焊盤(pán)區(qū)32和膜層14之間并且形成支撐框架，該支撐框架允許去除或部分去除鍵合焊盤(pán)32和膜層14之間的導(dǎo)電層由此增加電阻。
[0022]圖2-6示意性描繪用于諸如在圖1中描繪的MEMS麥克風(fēng)的加工工藝的實(shí)施例。參考圖2，MEMS麥克風(fēng)的加工工藝以硅襯底12開(kāi)始，該硅襯底12經(jīng)受熱氧化以在襯底12的相對(duì)側(cè)上形成熱氧化層18、20。熱氧化層18、20可以隨后被圖案化以限定特征，諸如接觸區(qū)或刻蝕停止諸如圖3中的刻蝕停止38。
[0023]如在圖3中描繪的，膜/電極層14以取決于期望性能特性的適合厚度被沉積在上熱氧化層18上并且被圖案化以限定下電極的期望尺寸和形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，膜層14包括使用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝沉積的多晶硅。未示出:膜層14能夠以期望穿孔程度來(lái)圖案化以允許與膜的兩側(cè)的靜態(tài)壓力交換。此外，膜(區(qū)域和形狀)本身要被圖案化。隨后執(zhí)行熱氧化工藝以在膜14的上表面上形成薄的熱氧化層23。熱氧化層23保護(hù)膜14免于用來(lái)形成空氣間隙的Si犧牲刻蝕。隨后圖案化熱氧化層23以限定任何期望特征，諸如接觸區(qū)40(圖4)和用于栓塞結(jié)構(gòu)34、36的貫穿孔。
[0024]隨后在熱氧化層23上形成硅犧牲/隔板層結(jié)構(gòu)24。犧牲硅層結(jié)構(gòu)24可以以任何適合方式來(lái)形成。在一個(gè)實(shí)施例中，硅犧牲層結(jié)構(gòu)包括一層或多層外延生長(zhǎng)的硅。硅層的厚度和/或數(shù)目取決于空氣間隙的期望厚度以及結(jié)合在器件中的諸如栓塞和互連的任何結(jié)構(gòu)的配置。
[0025]在圖1的實(shí)施例中，MEMS麥克