專利名稱：一種集成硅微麥克風(fēng)與cmos集成電路的芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種集成娃微麥克風(fēng)與CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)集成電路的芯片。
背景技術(shù)：
MEMS麥克風(fēng)作為目前應(yīng)用較多且性能較好的麥克風(fēng)，在其封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的線路板上設(shè)置有MEMS聲換能器和CMOS集成電路。之前，MEMS器件和CMOS集成電路一般采用多片集成方式，即由不同廠商采用不同的工藝流程來(lái)分別獨(dú)立完成MEMS芯片和CMOS集成電路芯片制造，然后再將二者封裝集成為一個(gè)器件單元；這一集成方法的制造工藝成熟，MEMS 器件的設(shè)計(jì)、制造可以單獨(dú)優(yōu)化，缺點(diǎn)在于MEMS器件與CMOS集成電路之間需要通過(guò)外部引線連接，該電氣連接通路容易受外部干擾信號(hào)影響。隨著S0C(System-on_a-chip,系統(tǒng)單芯片)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)MEMS器件和CMOS集成電路的單片集成。單片集成芯片由于是片上放大級(jí)，MEMS器件和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好，幾乎沒(méi)有可能會(huì)把電磁場(chǎng)耦合到MEMS器件中。因此相對(duì)于多片集成方式，單片集成方式可以很好避免電氣連接通路受到外部干擾信號(hào)影響。消費(fèi)電子的快速發(fā)展需要音質(zhì)更好的MEMS麥克風(fēng)，但是MEMS麥克風(fēng)的本底噪聲與MEMS麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)相關(guān)，局限于MEMS麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高M(jìn)EMS麥克風(fēng)的信噪比相當(dāng)困難。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片，能夠提高M(jìn)EMS麥克風(fēng)的總信噪比增益。本實(shí)用新型提供的集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片，所述芯片以硅晶圓為基片，所述硅晶圓一表面劃分為兩個(gè)區(qū)域CMOS集成電路區(qū)域和硅微麥克風(fēng)區(qū)域，其中，所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域包括兩個(gè)或更多個(gè)MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯(lián)、串聯(lián)或者差分的方式彼此互聯(lián)，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過(guò)片內(nèi)的電連接通路實(shí)現(xiàn)電氣連接。優(yōu)選地，所述各個(gè)MEMS聲換能器的背極板由單晶硅和在其上沉積的多晶硅柵層構(gòu)成，所述多晶硅柵層是在制作CMOS集成電路中由沉積的多晶硅柵層同時(shí)延伸至所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域形成；刻蝕所述多晶硅柵層形成各個(gè)MEMS聲換能器的背電極，背電極之間的電連接通路、背電極與CMOS集成電路之間的電連接通路，以及預(yù)留出振膜電極與CMOS集成電路的電氣接口。優(yōu)選地，所述各個(gè)MEMS聲換能器之間良好匹配。優(yōu)選地，所述各個(gè)MEMS聲換能器的振動(dòng)膜上設(shè)置有釋放孔。作為一種優(yōu)選實(shí)施例，本實(shí)用新型的芯片集成了四個(gè)MEMS聲換能器。在所述四個(gè)MEMS聲換能器之間并聯(lián)連接時(shí)，四個(gè)背電極依次連接至CMOS集成電路的一個(gè)預(yù)留接口 ；四個(gè)振膜電極并列連接至CMOS集成電路的另一個(gè)預(yù)留接口。在所述四個(gè)MEMS聲換能器之間串聯(lián)連接時(shí)，四個(gè)背電極彼此隔離，其中第一個(gè)背電極單獨(dú)與CMOS集成電路的一個(gè)預(yù)留接口連接，其余三個(gè)背電極各預(yù)留一個(gè)接口用于與另一 MEMS聲換能器的振膜電極相連，四個(gè)振膜電極串聯(lián)連接，其中前三個(gè)振膜電極依次連接至對(duì)應(yīng)的另一 MEMS聲換能器的背電極的預(yù)留接口，最后一個(gè)振膜電極連接至CMOS集成電路的另一個(gè)預(yù)留接口。在所述四個(gè)MEMS聲換能器之間差分連接時(shí)，四個(gè)背電極依次連接至CMOS集成電路的一個(gè)預(yù)留接口，四個(gè)振膜電極分別對(duì)應(yīng)連接至CMOS集成電路的四個(gè)預(yù)留接口，所述四個(gè)預(yù)留接口構(gòu)成差分放大器的四個(gè)輸入點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的方案一方面通過(guò)將硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路 進(jìn)行單片集成，從而相對(duì)于多片集成方式可以顯著提升MEMS麥克風(fēng)整體性能、尺寸和功耗；另一方面通過(guò)由兩個(gè)或更多個(gè)MEMS聲換能器構(gòu)成硅微麥克風(fēng)，MEMS聲換能器之間以并聯(lián)、串聯(lián)或者差分的方式彼此互聯(lián)，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與單片集成的CMOS集成電路之間通過(guò)片內(nèi)的電連接通路實(shí)現(xiàn)電氣連接，從而相對(duì)于僅集成單個(gè)MEMS聲換能器的MEMS麥克風(fēng)，能夠提高M(jìn)EMS麥克風(fēng)的總信噪比增益。具體而言，在η個(gè)MEMS聲換能器之間并聯(lián)連接時(shí)，雖然整體信號(hào)未有改變，靈敏度與單個(gè)MEMS換能器情況一致，但是總的非相關(guān)噪聲降低士·,由此總信噪比增益提高ν ；在η個(gè)MEMS聲換能器之間串聯(lián)連接時(shí)，整體信號(hào)增大η倍，但是同時(shí)總的非相關(guān)噪聲增大‘，由此總信噪比增益提高;在η個(gè)MEMS聲換能器之間差分連接時(shí)，整體信號(hào)增大η倍，但是同時(shí)總的非相關(guān)噪聲增大,由此總信噪比增益提高^(guò)。

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I示出了本實(shí)用新型集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片的示意圖；圖2示出了多個(gè)MEMS聲換能器并聯(lián)連接的電路示意圖；圖3示出了多個(gè)MEMS聲換能器串聯(lián)連接的電路示意圖；圖4示出了多個(gè)MEMS聲換能器差分連接的電路示意圖；圖5示出了四個(gè)MEMS聲換能器并聯(lián)連接時(shí)背電極的連接示意圖；圖6示出了四個(gè)MEMS聲換能器并聯(lián)連接時(shí)振膜電極的連接示意圖；圖7示出了四個(gè)MEMS聲換能器串聯(lián)連接時(shí)背電極的連接示意圖；圖8示出了四個(gè)MEMS聲換能器串聯(lián)連接時(shí)振膜電極的連接示意圖；圖9示出了四個(gè)MEMS聲換能器差分連接時(shí)背電極的連接示意圖；圖10示出了四個(gè)MEMS聲換能器差分連接時(shí)振膜電極的連接示意圖；圖11示出了在MEMS聲換能器的振動(dòng)膜上設(shè)置釋放孔的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本實(shí)用新型提供的集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，圖I示出了本實(shí)用新型集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片的示意圖。本實(shí)用新型實(shí)施例的芯片I以硅晶圓為基片，硅晶圓一表面劃分為兩個(gè)區(qū)域CMOS集成電路區(qū)域3和硅微麥克風(fēng)區(qū)域2，其中，硅微麥克風(fēng)區(qū)域2包括兩個(gè)或更多個(gè)MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯(lián)、串聯(lián)或者差分的方式彼此互聯(lián)，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過(guò)片內(nèi)的電連接通路實(shí)現(xiàn)電氣連接。多個(gè)MEMS聲換能器以并聯(lián)、串聯(lián)以及差分連接的方式彼此互聯(lián)的簡(jiǎn)化電路圖依次參見(jiàn)圖2-圖4。其中并聯(lián)連接時(shí)，CMOS集成電路與單個(gè)MEMS聲換能器情況一致，CMOS集成電路部分毋須重新設(shè)計(jì)；串聯(lián)連接時(shí)，CMOS集成電路中的DC-DC偏置電壓電路需要根 據(jù)串聯(lián)支路上連接的MEMS聲換能器數(shù)量n，設(shè)計(jì)輸出電壓為單個(gè)MEMS聲換能器情況的η倍；而差分連接時(shí)，則需要在原有集成電路的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的差分放大電路，同時(shí)DC-DC偏置電壓電路的輸出電壓也應(yīng)與各支路上串聯(lián)的MEMS換能器個(gè)數(shù)匹配。其中，硅微麥克風(fēng)區(qū)域的每個(gè)MEMS聲換能器的背極板是由殘余的單晶硅層與附著其上的多晶柵硅層共同構(gòu)成，所述多晶硅柵層是在制作CMOS集成電路中由沉積的多晶硅柵層同時(shí)延伸至所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域形成；刻蝕所述多晶硅柵層形成各個(gè)MEMS聲換能器的背電極，背電極之間的電連接通路、背電極與CMOS集成電路之間的電連接通路，以及預(yù)留出振膜電極與CMOS集成電路的電氣接口。為達(dá)到更好的總信噪比增益，優(yōu)選地，MEMS聲換能器之間良好匹配。以硅微麥克風(fēng)區(qū)域包括四個(gè)良好匹配的MEMS聲換能器為優(yōu)選實(shí)施例，下面對(duì)MEMS聲換能器之間在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)及差分連接的方式進(jìn)行具體說(shuō)明。參見(jiàn)圖5和圖6，在芯片設(shè)計(jì)所集成的四個(gè)MEMS聲換能器以并聯(lián)方式連接時(shí)，圖5示出了四個(gè)MEMS聲換能器并聯(lián)時(shí)的背電極的連接示意圖，圖6示出了四個(gè)MEMS聲換能器并聯(lián)時(shí)的振膜電極的連接示意圖。在制作完成CMOS集成電路時(shí)，依照預(yù)設(shè)計(jì)，形成有CMOS集成電路與MEMS聲換能器電氣連接的兩個(gè)預(yù)留接口(41、42)，四個(gè)背電極通過(guò)多晶硅連接通路40依次連接至CMOS集成電路的預(yù)留接口 41，四個(gè)振膜電極通過(guò)金屬電氣通路(沉積的金屬電極層刻蝕形成)并列連接至CMOS集成電路的預(yù)留接口 42。在該并聯(lián)連接方式下，芯片整體信號(hào)未有改變，即靈敏度與單個(gè)MEMS換能器情況一致，但是總的非相關(guān)噪聲下降一半，由此總信噪比增益提高2倍。參見(jiàn)圖7和圖8，在芯片設(shè)計(jì)所集成的四個(gè)MEMS聲換能器以串聯(lián)方式連接時(shí)，圖7示出了四個(gè)MEMS聲換能器串聯(lián)時(shí)的背電極的連接示意圖，圖8示出了四個(gè)MEMS聲換能器串聯(lián)時(shí)的振膜電極的連接示意圖。在制作完成CMOS集成電路時(shí)，依照預(yù)設(shè)計(jì)，形成有CMOS集成電路與MEMS聲換能器電氣連接的兩個(gè)預(yù)留接口(41、42)，四個(gè)背電極(51a、51b、51c、51 d)彼此隔離，其中第一個(gè)背電極51 a單獨(dú)與CMOS集成電路的預(yù)留接口 41連接，其余三個(gè)背電極各預(yù)留一個(gè)接口用于與另一 MEMS聲換能器的振膜電極相連；四個(gè)振膜電極串聯(lián)連接，其中前三個(gè)振膜電極依次連接至對(duì)應(yīng)的另一 MEMS聲換能器的背電極的預(yù)留接口，最后一個(gè)振膜電極52d連接至CMOS集成電路的預(yù)留接口 42。在該串聯(lián)連接方式下，整體信號(hào)增大4倍，但同時(shí)總的非相關(guān)噪聲增大2倍，由此總信噪比增益提高2倍。注意在串聯(lián)連接時(shí)，CMOS集成電路部分要做相應(yīng)的設(shè)計(jì)改動(dòng)，如DC-DC偏置電壓電路部分需要根據(jù)串聯(lián)支路上連接的MEMS換能器數(shù)量n，設(shè)計(jì)輸出電壓為單個(gè)MEMS聲換能器情況的η倍。參見(jiàn)圖9和圖10，在芯片設(shè)計(jì)所集成的四個(gè)MEMS聲換能器以差分方式連接時(shí)，圖9示出了四個(gè)MEMS聲換能器差分連接時(shí)的背電極的連接示意圖，圖10示出了四個(gè)MEMS聲換能器差分連接時(shí)的振膜電極的連接示意圖。在制作完成CMOS集成電路時(shí)，依照預(yù)設(shè)計(jì)，形成有CMOS集成電路與MEMS聲換能器電氣連接的五個(gè)預(yù)留接口(41、42a、42b、42c、42d)，由于各個(gè)MEMS聲換能器均有各自與集成電路的接觸點(diǎn)，因此由其中四個(gè)預(yù)留接口(42a、42b、42c、42·d)構(gòu)成差分放大器的正、負(fù)輸入支路的四個(gè)輸入點(diǎn)；四個(gè)背電極通過(guò)多晶娃連接通路40依次連接至CMOS集成電路的預(yù)留接口 41，四個(gè)振膜電極分別對(duì)應(yīng)連接至上述四個(gè)輸入點(diǎn)(42a、42b、42c、42d)。在該差分連接方式下，整體信號(hào)增大4倍，但是同時(shí)總的非相關(guān)噪聲增大2倍，由此總信噪比增益提高2倍。注意在差分連接時(shí)，集成電路部分要做相應(yīng)的設(shè)計(jì)改動(dòng)，如增加相應(yīng)的差分放大電路。需要說(shuō)明的是，多個(gè)MEMS聲換能器也能依照上述串聯(lián)、并聯(lián)、差分等連接方式組合在一起的連接方式進(jìn)行連接。—種優(yōu)選方案,在各個(gè)MEMS聲換能器的振動(dòng)膜上設(shè)置釋放孔,參見(jiàn)圖11,圖11不出了在MEMS聲換能器的振動(dòng)膜上設(shè)置釋放孔的示意圖。釋放孔50分布在振動(dòng)膜的邊緣處，振動(dòng)膜的四個(gè)角區(qū)域無(wú)釋放孔分布，最終僅四個(gè)角的犧牲層被保留。在振動(dòng)膜上設(shè)置釋放孔的方案，一方面可以方便犧牲層的釋放，得到符合設(shè)計(jì)要求的絕緣支撐體結(jié)構(gòu)，例如可使得犧牲層在被部分刻蝕后或僅留下一處或多處分散處于振動(dòng)膜邊緣的部分，或留下連續(xù)的處于振動(dòng)膜全部邊緣的部分；另一方面，可相對(duì)減少背極板上開孔的設(shè)置，從而有效避免由于在各個(gè)MEMS聲換能器的背極板上開設(shè)大量開孔所導(dǎo)致的軟背極效應(yīng)。綜上所述，本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片，一方面通過(guò)將硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路進(jìn)行單片集成，從而相對(duì)于多片集成方式可以顯著提升MEMS麥克風(fēng)整體性能、尺寸和功耗；另一方面通過(guò)由兩個(gè)或更多個(gè)MEMS聲換能器構(gòu)成硅微麥克風(fēng)，MEMS聲換能器之間以并聯(lián)、串聯(lián)或者差分的方式彼此互聯(lián)，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與單片集成的CMOS集成電路之間通過(guò)片內(nèi)的電連接通路實(shí)現(xiàn)電氣連接，從而相對(duì)于僅集成單個(gè)MEMS聲換能器的MEMS麥克風(fēng)，能夠提高M(jìn)EMS麥克風(fēng)的總信噪比增益。以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種集成娃微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片,所述芯片以娃晶圓為基片,所述娃晶圓一表面劃分為兩個(gè)區(qū)域=CMOS集成電路區(qū)域和硅微麥克風(fēng)區(qū)域，其特征在于， 所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域包括兩個(gè)或更多個(gè)MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯(lián)、串聯(lián)或者差分的方式彼此互聯(lián)，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過(guò)片內(nèi)的電連接通路實(shí)現(xiàn)電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的芯片，其特征在于，所述各個(gè)MEMS聲換能器的背極板由單晶硅和在其上沉積的多晶硅柵層構(gòu)成，所述多晶硅柵層是在制作CMOS集成電路中由沉積的多晶硅柵層同時(shí)延伸至所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域形成；刻蝕所述多晶硅柵層形成各個(gè)MEMS聲換能器的背電極，背電極之間的電連接通路、背電極與CMOS集成電路之間的電連接通路，以及預(yù)留出振膜電極與CMOS集成電路的電氣接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片，其特征在于，所述各個(gè)MEMS聲換能器之間良好匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域包括四個(gè)MEMS聲換能器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四個(gè)MEMS聲換能器之間并聯(lián)連接四個(gè)背電極依次連接至CMOS集成電路的一個(gè)預(yù)留接口 ；四個(gè)振膜電極并列連接至CMOS集成電路的另一個(gè)預(yù)留接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四個(gè)MEMS聲換能器之間串聯(lián)連接四個(gè)背電極彼此隔離，其中第一個(gè)背電極單獨(dú)與CMOS集成電路的一個(gè)預(yù)留接口連接，其余三個(gè)背電極各預(yù)留一個(gè)接口用于與另一 MEMS聲換能器的振膜電極相連，四個(gè)振膜電極串聯(lián)連接，其中前三個(gè)振膜電極依次連接至對(duì)應(yīng)的另一 MEMS聲換能器的背電極的預(yù)留接口，最后一個(gè)振膜電極連接至CMOS集成電路的另一個(gè)預(yù)留接口。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四個(gè)MEMS聲換能器之間差分連接四個(gè)背電極依次連接至CMOS集成電路的一個(gè)預(yù)留接口，四個(gè)振膜電極分別對(duì)應(yīng)連接至CMOS集成電路的四個(gè)預(yù)留接口，所述四個(gè)預(yù)留接口構(gòu)成差分放大器的四個(gè)輸入點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述各個(gè)MEMS聲換能器的振動(dòng)膜上設(shè)置有釋放孔。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種集成硅微麥克風(fēng)與CMOS集成電路的芯片，所述芯片以硅晶圓為基片，硅晶圓一表面劃分為兩個(gè)區(qū)域CMOS集成電路區(qū)域和硅微麥克風(fēng)區(qū)域，其中，所述硅微麥克風(fēng)區(qū)域包括兩個(gè)或更多個(gè)MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯(lián)、串聯(lián)或者差分的方式彼此互聯(lián)，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過(guò)片內(nèi)的電連接通路實(shí)現(xiàn)電氣連接。本實(shí)用新型一方面相對(duì)于多片集成方式可以顯著提升MEMS麥克風(fēng)整體性能、尺寸和功耗，另一方面相對(duì)于僅集成單個(gè)MEMS聲換能器的芯片，能夠提高M(jìn)EMS麥克風(fēng)的總信噪比增益。
文檔編號(hào)H04R19/04GK202679626SQ201220281909
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者潘昕, 宋青林 申請(qǐng)人:歌爾聲學(xué)股份有限公司