带有氮化硅背板和硅牺牲层的mems声学传感器的制造方法
【专利说明】带有氮化硅背板和硅牺牲层的MEMS声学传感器
[0001]相关申请的交叉引用
该申请要求20 I 3年3月14日提交的Feyh等人做出的标题为“MEMS ACOUSTICTRANSDUCER WITH SILICON NITRIDE BACKPLATE AND SILICON SACRIFICIAL LAYER” 的美国临时申请序列号61/781,940的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
[0002]该公开内容大体上涉及麦克风，并且特别地涉及微机电系统(MEMS)麦克风。
【背景技术】
[0003]消费者电子器件正逐渐变得更小并且随着技术进步正得到增加的性能和功能性。这在消费者电子产品诸如移动电话、膝上型计算机、MP3播放器和个人数字助理(PDA)中使用的技术中显而易见。比如，移动电话工业的要求正驱动部件以更高的功能性和减少的成本而变得更小。因此期望将电子电路的功能集成在一起并且将它们与传感器器件诸如麦克风和扬声器组合。
[0004]其结果是基于微机电系统(MEMS)的传感器器件的显现。这些比如可以是用于检测和/或生成压力/声波的电容性传感器或用于检测加速度的传感器。存在持续驱动以通过与对通过去除传感器电子接口来操作和处理来自MEMS的信息所必须的电子电路的集成来减少这些器件的尺寸和成本。达到这些目标的挑战中的一个是在MEMS器件的制造期间实现与用来加工互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的标准工艺的兼容性的困难。这要求允许MEMS器件与使用相同材料和处理机器的传统电子设备的直接集成。该发明寻求处理这个领域。
【附图说明】
[0005]图1描绘依据本公开内容的MEMS麦克风的实施例的横截面视图。
[0006]图2描绘在热氧化之后的图1的衬底。
[0007]图3描绘在已沉积用于MEMS麦克风的膜层并且在膜层上已形成热氧化层之后的图2的衬底。
[0008]图4描绘在已沉积第一牺牲硅层并且在其中形成栓塞结构的部分之后的图3的衬底。
[0009]图5描绘在已沉积第二牺牲层并且在其中形成栓塞结构的剩余部分之后以及在已将背板层沉积到第二牺牲层上之后的图4的衬底。
[0010]图6描绘在已图案化背板层并且已形成键合焊盘区之后的图5的衬底。
[0011]图7是将MEMS麦克风与MEMS压力传感器集成到相同CMOS衬底中的实施例的示意视图。
[0012]图8描绘在将衬底处理成形成用于MEMS麦克风的背侧沟槽和空气间隙以及形成用于MEMS压力传感器的电容性间隙之后的图7的衬底。
【具体实施方式】
[0013]为了促进理解公开内容原理的目的，现在将对在下面所写的说明书中描述的以及在附图中图解的实施例进行参考。理解由此不意图对公开内容的范围进行限制。进一步理解本公开内容包含对图解实施例的更改和修改并且包含公开内容的原理的进一步应用，如该公开内容所属的领域中的普通技术人员通常将想到的。
[0014]图1描绘依据本公开内容的MEMS声学传感器10的实施例的透视图。MEMS声学传感器能够是麦克风、接收器、扬声器、或其组合。在本文中图解MEMS麦克风1IEMS麦克风包含衬底12、柔性膜14、和固定背板16。衬底12包括互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底，诸如硅晶片或绝缘体上硅(SOI)衬底，用于集成到CMOS电子设备和MOS处理技术中，尽管将意识到也能够使用其它衬底材料和电子加工技术。在图1的实施例中，硅衬底12经受热氧化，该热氧化在衬底的前侧和背侧上分别形成热氧化层18和20。作为对使用热氧化的替换方式，可以使用比如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积氧化层。其它技术也是可能的。
[0015]膜14包括在衬底12的前侧上沉积到前侧热氧化层18上的柔性材料(诸如多晶硅)的层。衬底12包含暴露膜14的底表面的背侧沟槽22。膜14被配置成用作用于MEMS麦克风1的下电极。下电极可以以任何适合方式诸如通过膜层的注入掺杂或通过导电薄膜的沉积被集成在膜14中。此外，由于包含掺杂剂全部膜层14能够导电。全导电薄膜的图案化工艺实现电极的限定。
[0016]背板16悬空在膜14上方并且被配置成用作用于电容性MEMS麦克风10的固定上电极。背板16由硅隔板24支撑，该硅隔板24在膜14上的热氧化层23上形成。在背板16和膜14之间去除隔板24的硅材料以形成声学腔26，该声学腔26形成用于麦克风的空气间隙。背板16包含被配置成允许空气流动到声学腔26中以对膜14冲击的多个穿孔或开口 28。
[0017]依据本公开内容，通过低应力富硅氮化物(SiN)来形成背板，该低应力富硅氮化物(SiN)是带有良好机械属性的抗刻蚀绝缘材料。局部金属化(不可见)被沉积到背板16上以形成用于电容性麦克风的上电极。用于电极的金属化可以包括任何适合的金属材料，诸如铂(Pt)、铝(Al)、钛(Ti)等等。在一个实施例中，使用原子层沉积(ALD)工艺将金属层沉积为非常薄的薄膜(例如，1nm或更小)，从而它对背板16的机械属性具有很小影响或不具有影响。另一个可能性是在薄氧化物的顶上使用掺杂的硅薄膜。硅薄膜用作导电电极，氧化物薄膜用作在Si牺牲层刻蚀步骤中的保护层并且在稍后的氧化物刻蚀过程中被刻蚀掉。
[0018]膜14的下电极和背板16的固定上电极一起形成平行板电容器。在操作期间，穿过多孔背板16进入声学腔的声波引起柔性膜14振动。当膜14振动时，膜14和背板16之间的距离改变，这引起上电极和下电极之间的电容的对应改变。在图1的实施例中，背板16和膜14的电极被电连接到在衬底的键合焊盘区30中提供的键合焊盘32。键合焊盘被配置成将电极连接到读出和控制电路(未示出)。读出和控制电路被配置成监测膜和背板之间的电容并且输出表不对膜冲击的声波的信号。
[0019]结合用于牺牲/隔板层的硅的用于背板16的低应力富硅氮化物(SiN)的使用能够实现带有高性噪比(例如，SNR>65dB)的麦克风设置，而同时能够实现CMOS集成，从而MEMS麦克风能够与其它类型传感器(诸如MEMS压力传感器)在相同芯片上实施。比如，SiN材料能够以小的层厚度(例如，1_3μπι)来提供刚性、机械稳定的结构，并且其能够被图案化以实现相对高的多孔性而没有影响背板的结构完整性。这允许增加空气间隙的尺度，从而能够优化空气流动行为而没有显著影响性能。这也能够使膜14配有低的多孔性，这能够增强到器件的耦合。
[0020]此外，因为SiN材料更抗典型地在CMOS处理期间用来刻蚀硅和氧化硅材料的某些刻蚀剂诸如蒸气(vap0r)HF(氢氟酸)，所以去除硅牺牲层以释放背板并且形成背板和膜之间的空气间隙能够被执行为正常CMOS流程的部分。如能够在图1中看到，SiN或类似类型材料诸如四乙基原硅酸盐(TEOS)被用来形成在背板16和衬底膜14之间延伸的栓塞结构34。栓塞结构被配置成用作针对声学腔的刻蚀停止并且在背板16和膜14之间增加机械稳定性以及提供电绝缘。
[0021]参考图1，SiN/TE0S栓塞结构36也可以被结合在器件中以在器件的键合焊盘区32中提供从键合焊盘到衬底的电绝缘和增加的电阻。在图1的实施例中，SiN/TEOS栓塞结构36被提供在键合焊盘区32和膜层14之间并且形成支撑框架，该支撑框架允许去除或部分去除键合焊盘32和膜层14之间的导电层由此增加电阻。
[0022]图2-6示意性描绘用于诸如在图1中描绘的MEMS麦克风的加工工艺的实施例。参考图2，MEMS麦克风的加工工艺以硅衬底12开始，该硅衬底12经受热氧化以在衬底12的相对侧上形成热氧化层18、20。热氧化层18、20可以随后被图案化以限定特征，诸如接触区或刻蚀停止诸如图3中的刻蚀停止38。
[0023]如在图3中描绘的，膜/电极层14以取决于期望性能特性的适合厚度被沉积在上热氧化层18上并且被图案化以限定下电极的期望尺寸和形状。在一个实施例中，膜层14包括使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积的多晶硅。未示出:膜层14能够以期望穿孔程度来图案化以允许与膜的两侧的静态压力交换。此外，膜(区域和形状)本身要被图案化。随后执行热氧化工艺以在膜14的上表面上形成薄的热氧化层23。热氧化层23保护膜14免于用来形成空气间隙的Si牺牲刻蚀。随后图案化热氧化层23以限定任何期望特征，诸如接触区40(图4)和用于栓塞结构34、36的贯穿孔。
[0024]随后在热氧化层23上形成硅牺牲/隔板层结构24。牺牲硅层结构24可以以任何适合方式来形成。在一个实施例中，硅牺牲层结构包括一层或多层外延生长的硅。硅层的厚度和/或数目取决于空气间隙的期望厚度以及结合在器件中的诸如栓塞和互连的任何结构的配置。
[0025]在图1的实施例中，MEMS麦克
【专利说明】带有氮化硅背板和硅牺牲层的MEMS声学传感器
[0001]相关申请的交叉引用
该申请要求20 I 3年3月14日提交的Feyh等人做出的标题为“MEMS ACOUSTICTRANSDUCER WITH SILICON NITRIDE BACKPLATE AND SILICON SACRIFICIAL LAYER” 的美国临时申请序列号61/781,940的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
[0002]该公开内容大体上涉及麦克风，并且特别地涉及微机电系统(MEMS)麦克风。
【背景技术】
[0003]消费者电子器件正逐渐变得更小并且随着技术进步正得到增加的性能和功能性。这在消费者电子产品诸如移动电话、膝上型计算机、MP3播放器和个人数字助理(PDA)中使用的技术中显而易见。比如，移动电话工业的要求正驱动部件以更高的功能性和减少的成本而变得更小。因此期望将电子电路的功能集成在一起并且将它们与传感器器件诸如麦克风和扬声器组合。
[0004]其结果是基于微机电系统(MEMS)的传感器器件的显现。这些比如可以是用于检测和/或生成压力/声波的电容性传感器或用于检测加速度的传感器。存在持续驱动以通过与对通过去除传感器电子接口来操作和处理来自MEMS的信息所必须的电子电路的集成来减少这些器件的尺寸和成本。达到这些目标的挑战中的一个是在MEMS器件的制造期间实现与用来加工互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的标准工艺的兼容性的困难。这要求允许MEMS器件与使用相同材料和处理机器的传统电子设备的直接集成。该发明寻求处理这个领域。
【附图说明】
[0005]图1描绘依据本公开内容的MEMS麦克风的实施例的横截面视图。
[0006]图2描绘在热氧化之后的图1的衬底。
[0007]图3描绘在已沉积用于MEMS麦克风的膜层并且在膜层上已形成热氧化层之后的图2的衬底。
[0008]图4描绘在已沉积第一牺牲硅层并且在其中形成栓塞结构的部分之后的图3的衬底。
[0009]图5描绘在已沉积第二牺牲层并且在其中形成栓塞结构的剩余部分之后以及在已将背板层沉积到第二牺牲层上之后的图4的衬底。
[0010]图6描绘在已图案化背板层并且已形成键合焊盘区之后的图5的衬底。
[0011]图7是将MEMS麦克风与MEMS压力传感器集成到相同CMOS衬底中的实施例的示意视图。
[0012]图8描绘在将衬底处理成形成用于MEMS麦克风的背侧沟槽和空气间隙以及形成用于MEMS压力传感器的电容性间隙之后的图7的衬底。
【具体实施方式】
[0013]为了促进理解公开内容原理的目的，现在将对在下面所写的说明书中描述的以及在附图中图解的实施例进行参考。理解由此不意图对公开内容的范围进行限制。进一步理解本公开内容包含对图解实施例的更改和修改并且包含公开内容的原理的进一步应用，如该公开内容所属的领域中的普通技术人员通常将想到的。
[0014]图1描绘依据本公开内容的MEMS声学传感器10的实施例的透视图。MEMS声学传感器能够是麦克风、接收器、扬声器、或其组合。在本文中图解MEMS麦克风1IEMS麦克风包含衬底12、柔性膜14、和固定背板16。衬底12包括互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底，诸如硅晶片或绝缘体上硅(SOI)衬底，用于集成到CMOS电子设备和MOS处理技术中，尽管将意识到也能够使用其它衬底材料和电子加工技术。在图1的实施例中，硅衬底12经受热氧化，该热氧化在衬底的前侧和背侧上分别形成热氧化层18和20。作为对使用热氧化的替换方式，可以使用比如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积氧化层。其它技术也是可能的。
[0015]膜14包括在衬底12的前侧上沉积到前侧热氧化层18上的柔性材料(诸如多晶硅)的层。衬底12包含暴露膜14的底表面的背侧沟槽22。膜14被配置成用作用于MEMS麦克风1的下电极。下电极可以以任何适合方式诸如通过膜层的注入掺杂或通过导电薄膜的沉积被集成在膜14中。此外，由于包含掺杂剂全部膜层14能够导电。全导电薄膜的图案化工艺实现电极的限定。
[0016]背板16悬空在膜14上方并且被配置成用作用于电容性MEMS麦克风10的固定上电极。背板16由硅隔板24支撑，该硅隔板24在膜14上的热氧化层23上形成。在背板16和膜14之间去除隔板24的硅材料以形成声学腔26，该声学腔26形成用于麦克风的空气间隙。背板16包含被配置成允许空气流动到声学腔26中以对膜14冲击的多个穿孔或开口 28。
[0017]依据本公开内容，通过低应力富硅氮化物(SiN)来形成背板，该低应力富硅氮化物(SiN)是带有良好机械属性的抗刻蚀绝缘材料。局部金属化(不可见)被沉积到背板16上以形成用于电容性麦克风的上电极。用于电极的金属化可以包括任何适合的金属材料，诸如铂(Pt)、铝(Al)、钛(Ti)等等。在一个实施例中，使用原子层沉积(ALD)工艺将金属层沉积为非常薄的薄膜(例如，1nm或更小)，从而它对背板16的机械属性具有很小影响或不具有影响。另一个可能性是在薄氧化物的顶上使用掺杂的硅薄膜。硅薄膜用作导电电极，氧化物薄膜用作在Si牺牲层刻蚀步骤中的保护层并且在稍后的氧化物刻蚀过程中被刻蚀掉。
[0018]膜14的下电极和背板16的固定上电极一起形成平行板电容器。在操作期间，穿过多孔背板16进入声学腔的声波引起柔性膜14振动。当膜14振动时，膜14和背板16之间的距离改变，这引起上电极和下电极之间的电容的对应改变。在图1的实施例中，背板16和膜14的电极被电连接到在衬底的键合焊盘区30中提供的键合焊盘32。键合焊盘被配置成将电极连接到读出和控制电路(未示出)。读出和控制电路被配置成监测膜和背板之间的电容并且输出表不对膜冲击的声波的信号。
[0019]结合用于牺牲/隔板层的硅的用于背板16的低应力富硅氮化物(SiN)的使用能够实现带有高性噪比(例如，SNR>65dB)的麦克风设置，而同时能够实现CMOS集成，从而MEMS麦克风能够与其它类型传感器(诸如MEMS压力传感器)在相同芯片上实施。比如，SiN材料能够以小的层厚度(例如，1_3μπι)来提供刚性、机械稳定的结构，并且其能够被图案化以实现相对高的多孔性而没有影响背板的结构完整性。这允许增加空气间隙的尺度，从而能够优化空气流动行为而没有显著影响性能。这也能够使膜14配有低的多孔性，这能够增强到器件的耦合。
[0020]此外，因为SiN材料更抗典型地在CMOS处理期间用来刻蚀硅和氧化硅材料的某些刻蚀剂诸如蒸气(vap0r)HF(氢氟酸)，所以去除硅牺牲层以释放背板并且形成背板和膜之间的空气间隙能够被执行为正常CMOS流程的部分。如能够在图1中看到，SiN或类似类型材料诸如四乙基原硅酸盐(TEOS)被用来形成在背板16和衬底膜14之间延伸的栓塞结构34。栓塞结构被配置成用作针对声学腔的刻蚀停止并且在背板16和膜14之间增加机械稳定性以及提供电绝缘。
[0021]参考图1，SiN/TE0S栓塞结构36也可以被结合在器件中以在器件的键合焊盘区32中提供从键合焊盘到衬底的电绝缘和增加的电阻。在图1的实施例中，SiN/TEOS栓塞结构36被提供在键合焊盘区32和膜层14之间并且形成支撑框架，该支撑框架允许去除或部分去除键合焊盘32和膜层14之间的导电层由此增加电阻。
[0022]图2-6示意性描绘用于诸如在图1中描绘的MEMS麦克风的加工工艺的实施例。参考图2，MEMS麦克风的加工工艺以硅衬底12开始，该硅衬底12经受热氧化以在衬底12的相对侧上形成热氧化层18、20。热氧化层18、20可以随后被图案化以限定特征，诸如接触区或刻蚀停止诸如图3中的刻蚀停止38。
[0023]如在图3中描绘的，膜/电极层14以取决于期望性能特性的适合厚度被沉积在上热氧化层18上并且被图案化以限定下电极的期望尺寸和形状。在一个实施例中，膜层14包括使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积的多晶硅。未示出:膜层14能够以期望穿孔程度来图案化以允许与膜的两侧的静态压力交换。此外，膜(区域和形状)本身要被图案化。随后执行热氧化工艺以在膜14的上表面上形成薄的热氧化层23。热氧化层23保护膜14免于用来形成空气间隙的Si牺牲刻蚀。随后图案化热氧化层23以限定任何期望特征，诸如接触区40(图4)和用于栓塞结构34、36的贯穿孔。
[0024]随后在热氧化层23上形成硅牺牲/隔板层结构24。牺牲硅层结构24可以以任何适合方式来形成。在一个实施例中，硅牺牲层结构包括一层或多层外延生长的硅。硅层的厚度和/或数目取决于空气间隙的期望厚度以及结合在器件中的诸如栓塞和互连的任何结构的配置。
[0025]在图1的实施例中，MEMS麦克
再多了解一些
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