支撑柱、微型集音器、CMOS麦克风单晶片及制造方法与流程

文档序号:13651027
支撑柱、微型集音器、CMOS麦克风单晶片及制造方法与流程

本发明关于一种半导体,特别是关于一种支撑柱。



背景技术:

运用微机电(MEMS)技术所制作出来的电容板应用范围十分广泛,可以使用在惯性感 测器、声音感测器、流体感测器、触觉感测器、压力感测器、致动器等。为了要达到很好的 感测效果,常常运用到如梳状电极、质量块的制作以达到较好的感测灵敏度。一般来说,运 用微机电制程(制造工艺)所制作出来的电容板与标准的互补式金氧半导体是完全不相同 的。目前,运用微机电技术所制作出来的电容板,相对上成本也比较高。运用标准的金属氧 化半导体制程(CMOS),同样可制作出电容板的架构,其价格相对便宜。

无论是运用MEMS制程或CMOS制程所制作出来的电容板,当中的必要结构就是可 动元件的部分。此可动元件都需要有一定的支撑力,让可动元件可以稳固地产生预期的物理 变化(如:形变或位移等),并于物理变化的过程产生所需要的感应信号。而此支撑可动元件 的提供方式,其中一种就是采用支撑柱的架构。

目前,无论是MEMS或CMOS制程所制作出来的支撑柱,都是单纯的一个金属柱再 包覆氧化层的架构,其强度尚可。但若能设计出尺度相当,但强度更佳的支撑住,将可有效 提高可动元件的稳固性、延长使用寿命等。此为可动元件设计相当重要的一环。



技术实现要素:

鉴于以上现有技术的问题,本发明针对现有技术的上述缺陷,提供一种支撑柱,可 达到抵抗强烈震动与较佳抗制程蚀刻的技术功效。

本发明提供一种支撑柱,形成于一可动薄膜下方,用以支撑该可动薄膜,包含:数 个第一微形金属柱、基底金属连接柱层与第一氧化包覆层。其中,第一微形金属柱形成于可 动薄膜下方,并与可动薄膜形成金属导接;基底金属连接柱层形成于第一微形金属柱下方, 与第一微形金属柱导接;第一氧化包覆层完全或部分包覆第一微形金属柱而使第一微形金属 柱与空气绝缘而可使支撑柱形成柱状。

本发明另提供一种支撑柱,包含:复数金属层柱体;及至少一层绝缘层柱体;其 中,相邻的两个该金属层柱体由数个微形金属柱连接,且该至少一层绝缘层柱体完全或部分 包覆全部或部分该些微形金属柱体。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂,下文特举数个较佳实 施例,并配合所附图式,作详细说明如下(实施方式)。

附图说明

图1A、1B,其为本发明支撑柱所应用的可动元件感测晶片的一实施例的剖面图与上 视图。

图2A~2D,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的一具体实施例。

图3A~3D,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。

图4A~4D,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。

图5A~5D,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。

图6A~6C,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。

图7A~7C,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。

图8A、8B,其为无帽盖结构的本发明支撑柱所应用的可动元件感测晶片的一实施例 的剖面图与上视图。

图9A~9C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。

图10A~10C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图11A~11C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图12A~12C,其为无帽盖结构的本发明的又一实施例。

图13A~13C,其为图12A、12B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图14A~14C,其为图12A、12B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图15A~15C,其为图12A、12B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图16A~16C,其为图12A、12B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图17A~17C,其为图12A、12B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图18A~18C,其为图12A、12B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施 例。

图19,本发明的CMOS麦克风单晶片的一具体实施例的剖面示意图。

图20A、20B、20C,本发明的CMOS麦克风单晶片的一具体实施例。

图21A、21B,本发明的CMOS麦克风单晶片的内环支撑型集音薄膜的另两个具体实 施例。

图22,本发明的CMOS麦克风单晶片运用周边支撑型集音薄膜的一具体实施例。

图23A~23G,本发明的CMOS单晶片的一具体实施例的制程的各步骤剖面示意图。

图24则显示了藉由图23A~23G的步骤所制作出的CMOS单晶片的上视图。

图25A、25B,本发明的CMOS单晶片的另一具体实施例的制程的最终步骤的剖面示 意图。

具体实施方式

本发明运用了类似钢筋混拟土的概念,运用以氧化层包覆多个微形金属柱,并作为 可动元件的导电层支撑且连接的结构,来制作出强化CMOS制程或者MEMS制程或者其它 制程方法所制作出来的支撑柱的结构强度,让未来的支撑柱,都具有优于目前单一材料的金 属结构强度的特性。

请参考图1A,本发明的支撑柱的第一具体实施例的剖面图,此实施例为运用四层金 属层制作于基板1上,来制作CMOS可动元件的实施例,并于第三层制作可动元件,第四 层制作支撑柱的帽盖结构。

第一层金属层可制作半导体元件层72,如电晶体、电阻、电容等,也就是感测电路 的部分,以及焊垫区300所需的焊垫层71。

第二层金属层可制作可动元件所需的基底金属层55,以及旁侧的连接线路层52,还 有,焊垫300所需的焊垫层51。介于第一层金属层与第二层金属层的穿孔层61则为导通两 层之间线路的桥梁。而在其中则有绝缘层(氧化层)布满其间。

第三层金属层则为可动元件层的部分,请同时参考第1B图,其为一内环支撑型集音 薄膜35的实施例(其为运用于麦克风的实施例),其包含了悬梁臂,同时,旁侧的连接线路 层32(第1B图未显示本层),还有,焊垫区300所需的焊垫层31(第1B图皆未显示本层)也 配置于同一层。在此实施例中,同步于可动元件层旁配置了侧边金属层37(其与内环支撑型 集音薄膜由环状沟槽203所区隔),以加强可动元件的电容感度。

第四层金属层则为专门为了帽盖而制作,可增加支撑柱的强度,而其包含了顶面金 属连结柱层13、连接线路层12,还有,焊垫区300所需的焊垫层11也配置于同一层。焊垫 区300的各个焊垫层之间,皆由连接柱所连接,分别为连接柱21、41、61。

在图1B的实施例中,焊垫区300由晶片上方观之,可看到六个焊垫11-1、11-2、11- 3、11-4、11-5、11-6,其由保护层92所区隔。

内环支撑型集音薄膜35的实施例运用了叶片结构33,在第1B图中有4个,叶片结 构33排列为环状,每个叶片结构33系各由一连续沟槽201定义,四个连续沟槽201定义出 膜臂井(井状膜臂结构)。叶片结构33设计为等长L形状的箝制梁臂构造,两个支撑柱配置 于等长L形状的箝制梁臂的尾端,箝制梁臂的连接处形成悬浮梁臂36。叶片结构33彼此间 隔出至少一中央走道,中央走道贯穿内环支撑型集音薄膜35的中心并构成一悬浮支点38。 此外,整个内环支撑型集音薄膜35,包括叶片结构33与中央走道、悬浮支点38的部分, 皆透过均匀分布的穿孔205来让内环支撑型集音薄膜35可执行悬浮功能的等向性蚀刻制 程。

再回头参考图1A,本实施例的支撑柱1000分别从第一层金属层开始,一直到第四层 金属层,每个金属层可以是纯金属、合金或复合迭加金属。结构上,此复杂的支撑柱1000 结构,分别包含了:支撑柱本体、帽盖与底柱。支撑柱本体由数个第一微形金属柱43、基 底金属连结柱层53、第一氧化包覆层44所构成。帽盖由至少一个第二微形金属柱23、顶面 金属连接柱层13与第二氧化包覆层24(图1A未显示本层)所构成。底柱由至少一个第三微形 金属柱63、底部金属连接柱层72、第四氧化包覆层64所构成。

其中,支撑柱本体的数个第一微形金属柱43形成于叶片结构33之下而构成金属连 结性支撑,并且,藉由支撑柱本体的金属与氧化包覆层所构成的混成强化结构,让叶片结构 33有良好的支撑。再藉由帽盖的第二微形金属柱23与顶面金属连结柱层13的金属连接性 支撑,以及帽盖的金属与氧化包覆层的混成强化结构,形成帽盖与支撑柱本体对叶片结构 33上下夹持的结构,让叶片结构33可获得双重的优异支撑特性。如此,可让叶片结构33 所构成对内环支撑型集音薄膜35整体支撑的稳固性增强,进而延长内环支撑型集音薄膜35 的寿命,并让其声音响应持续稳定化。

帽盖为选择性配置,可进一步强化支撑柱的强度。而底柱同样为选择性配置,可协 助将信号进行传导,同样也可采取与帽盖或支撑柱本体相同的结构。

在图1A、1B的实施例中,可动元件系以内环支撑型集音薄膜35来实现。可以发 现,内环支撑型集音薄膜35与基底金属层55形成一个篓空的空间,而侧边金属层37也与 基底金属层55形成一个侧边空腔202,两者合而为一,让内环支撑型集音薄膜35的篓空腔 体变大,声压感度可增加。

支撑柱的微形金属柱以及其与各个金属层的连接方式,以下将分别说明之。请参考 图2A~2D,其为图1A、1B的实施例中,本发明的支撑柱结构的一具体实施例,图2A、2B 为本实施例中的分层结构图,图2C、2D为本实施例中,沿B-B、C-C线的剖面图。

图2A~2D揭露了完整的支撑柱结构,其中,最上层的保护层92,可为半导体制程所 熟习的厚膜光阻,或氧化层,或有机化合物。顶面金属连接柱层13的结构为四个第三穿孔 13O,并且,由第三氧化包覆层14所包覆。在顶面金属连接柱层13下方为五个第二微形金 属柱23,其由第二氧化包覆层24所包覆。在其下为叶片结构33与第一穿孔33O。接着, 其下为五个第一微形金属柱43,并由第一氧化包覆层44所包覆。接着,其下为基底金属层 连接柱53的部分,其由五个对应的基底金属柱所构成,并由基底金属氧化层54所包覆。在 往下层,则由五个第三微形金属柱63以及第四氧化包覆层64所包覆而构成。最下面一层则 为导线层,其为第一金属层73的主要结构,也就是,由此将可动元件(也就是内环支撑型集 音薄膜35)所产生的感测信号传送出来的线路。在最下面一层,也可形成数个穿孔73O,让 氧化层彼此相通。

请参考图2C、2D,顶面金属连结柱层13、第二微形金属柱23、叶片结构33、第一 微形金属柱43、基底金属层连接柱53、第三微形金属柱63、第一金属层73等金属的部 分,彼此形成连接的结构,不仅可导通,更具备彼此间的间隙,让氧化包覆层可以整体包 覆,而构成如钢筋混拟土般的结构。同时,在图2C、2D,保护层92、第三氧化包覆层14、 第二氧化包覆层24、第一穿孔33O、第一氧化包覆层44、基底金属氧化层54、第四氧化包 覆层64、穿孔73O等氧化层的部分,同样彼此形成连接的结构,并且,与金属的部分彼此 交错、混成为混拟结构。顶面金属连结柱层13与叶片结构33的大小,大于且可完全放置第 二微形金属柱23,而四个第一穿孔33O可完全与第二氧化包覆层24、第一氧化包覆层44 连接。基底金属连接柱53的大小,大于且可完全放置第一微形金属柱43与第三微形金属柱 63。

明显地,从图2A~2D的结构中可以看到,金属层之间彼此连接,并且,氧化层之间 也彼此连接。整个支撑柱从保护层、帽盖、支撑柱本体到底柱都是金属之间彼此连接,并 且,各个微形金属柱由氧化层包覆,而氧化层之间彼此可通透连接,进而构成一个交错的混 成结构。此结构类似钢筋混泥土结构,相较于以往的金属柱、氧化层结构,在弹性、刚性的 表现上优异许多,因此,可提供可动元件较佳的弹性、支撑、刚性、稳固性等。

接着,请参考图3A~3D的实施例,其与图2A~2D的实施例差异在于基底金属层的部 分,基底金属层连接柱53由四个第二穿孔53O所穿透。基底金属连接柱53的大小,大于 且可完全放置第一微形金属柱43与第三微形金属柱63,而四个第二穿孔53O可完全与第一 氧化包覆层44连接。其余者与图2A~2D的实施例相同,于此不多加赘述。

接着,请参考图4A~4D的实施例,其与图2A~2D的实施例差异在于顶面金属连结柱 层13的结构,其为与第二微形金属柱23对应配置的五个微形金属柱结构。顶面金属连结柱 层13的大小,大于且可完全对应连接第二微形金属柱23。其余者与图2A~2D的实施例相 同,于此不多加赘述。

接着,请参考图5A~5D的实施例,其与图3A~3D的实施例差异在于顶面金属连结柱 层13的结构,其为与第二微形金属柱23对应配置的五个微形金属柱结构。顶面金属连结柱 层13的大小,大于且可完全对应连接第二微形金属柱23。其余者与图3A~3D的实施例相 同,于此不多加赘述。

接着,请参考图6A~6C的实施例,其与图4A~4D及图5A~5D的实施例差异在于基 底金属层的部分,基底金属层连接柱53直接连接作为导线层,并且由四个第二穿孔53O所 穿透。其余者与图4A~4D及图5A~5D的实施例相同,于此不多加赘述。

接着,请参考图7A~7C的实施例,其与图2A~2D及图3A~3D的实施例差异在于基 底金属层的部分,基底金属层连接柱53直接连接作为导线层,并且由四个第二穿孔53O所 穿透。其余者与图2A~2D及图3A~3D的实施例相同,于此不多加赘述。

其中,图6A~6C及图7A~7C的实施例中,底柱的部分并未绘出,其同样可相应制 作,并作为辅助支撑之用。

支撑柱本体由数个第一微形金属柱43、基底金属连结柱层53、第一氧化包覆层44 所构成。帽盖由至少一个、与所构成。底柱由至少一个第三微形金属柱63、底部金属连接 柱层73、第四氧化包覆层64所构成。

接着,请参考图8A、8B,其为无帽盖结构的本发明的另一实施例。回头参考图 1A、1B的实施例,比较后可发现,图8A、8B的实施例少了帽盖结构,因此,少了一层金 属层,仅需要三层金属层即可制作出CMOS可动元件与控制晶片整合的积体电路。少了帽 盖结构,图8B的焊垫31-1、31-2、31-3、31-4、31-5、31-6则为相对应于图1B焊垫11-1、 11-2、11-3、11-4、11-5、11-6,其于的部分都与图1A、1B的实施例相同,于此不多加赘 述。

接着,请参考图9A~9C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一 具体实施例。相对应于图2A~2D与图3A~3D的实施例,少了帽盖结构的部分,其余者与图 2A~2D与图3A~3D的实施例相同,于此不多加赘述。

接着,请参考图10A~10C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。相对应于图4A~4D、图5A~5D的实施例,少了帽盖结构的部分,其余者与图4A~4D、图5A~5D的实施例相同,于此不多加赘述。

接着,请参考图11A~11C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体实施例。相对应于图6A~6C、图7A~7C的实施例,少了帽盖结构的部分,其余者与图6A~6C、图7A~7C的实施例相同,于此不多加赘述。

接着,请参考图12A、12B,其为无帽盖结构的本发明的又一实施例。与图8A、8B 比较可发现,在此实施例,在叶片结构33上方,并未包覆保护层92,其余皆于图8A、8B 相同,于此不多加赘述。

请参考图13A~13C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体 实施例。相对应于图9A~9C的实施例,少了保护层92的部分,其余者与图9A~9C的实施 例相同,于此不多加赘述。

请参考图14A~14C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体 实施例。相对应于图10A~10C的实施例,少了保护层92的部分,其余者与图10A~10C的 实施例相同,于此不多加赘述。

请参考图15A~15C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体 实施例。相对应于图11A~11C的实施例,少了保护层92的部分,其余者与图11A~11C的 实施例相同,于此不多加赘述。

请参考图16A~16C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体 实施例。相对应于图13A~13C的实施例,少了第一穿孔33O的部分,其余者与图13A~13C 的实施例相同,于此不多加赘述。

请参考图17A~17C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体 实施例。相对应于图14A~14C的实施例,少了第一穿孔33O的部分,其余者与图14A~14C 的实施例相同,于此不多加赘述。

请参考图18A~18C,其为图8A、8B的实施例中,本发明的支撑柱结构的另一具体 实施例。相对应于图15A~15C的实施例,少了第一穿孔33O的部分,其余者与图15A~15C 的实施例相同,于此不多加赘述。

以上的实施例,系以可动薄膜当中的麦克风的内环支撑型集音薄膜为一实施例,并 且,以整合于CMOS制程的实施例为范例。基本上,本发明的支撑柱,可用于所有的可动 薄膜,包含以微机电制程(MEMS)单独制作的可动薄膜,并成为可动薄膜所需的不可分割部 分以及提供良好支撑柱解决方案。而这些可动薄膜一般系当作平行电容之用,其应用范围含 括了惯性感测器、声音感测器、流体感测器、触碰感测器、压力感测器、致动器等。这些都 可能运用本发明的支撑柱,以达到支撑可动薄膜、提高可动薄膜的耐久性的目的。

总结以上的说明可知,本发明的支撑柱,基本上包含了支撑柱本体的部分,可选择 性包含帽盖、底柱。其中,支撑柱本体形成于可动薄膜下方,用以支撑可动薄膜,可动薄膜 可以一CMOS制程或一微机电制程制作。支撑柱包含:数个第一微形金属柱、基底金属连 接柱层与第一氧化包覆层。其中,第一微形金属柱形成于可动薄膜下方,并与可动薄膜形成 金属导接;基底金属连接柱层形成于第一微形金属柱下方,与第一微形金属柱导接;第一氧 化包覆层包覆该些第一微形金属柱而使第一微形金属柱与空气绝缘而可使该支撑柱形成柱 状。

帽盖则包含:至少一个第二微形金属柱、顶面金属连接柱层与第二氧化包覆层。其 中,第二微形金属柱与可动薄膜形成金属导接;顶面金属连接柱层与第二微形金属柱形成导 接;第二氧化包覆层包覆第二微形金属柱而使第二微形金属柱与空气绝缘而可形成柱状。

底柱则包含:至少一个第三微形金属柱、底部金属连接柱层、第四氧化包覆层。其 中,第三微形金属柱与基底金属连接柱层导接;底部金属连接柱层与第三微形金属柱形成导 接;第四氧化包覆层包覆第三微形金属柱而使第三微形金属柱与空气绝缘而可形成柱状。

综合以上的说明,本发明的支撑柱适当震动的抵抗能力。

以下说明本发明的微型集音器的实施例:本发明运用一内环支撑型集音薄膜的特殊 结构,由于此集音薄膜的支撑点在于内部的环状排列的支撑柱,不在中央,也不在外周边, 因此,可以让周边呈现悬空且构成气道,因此,毋须占用垂直的立体空间。本发明再藉由支 撑柱的配置设计,同时可兼顾集音薄膜的可靠度(高可靠度)、灵敏度(高灵敏度)、空间需求 性(最佳化)。最后,本发明还藉由整合CMOS制程,实现制程简化与整合性,并让晶片面积 最佳化,达到整体成本(生产、封装)大幅降低的优异技术功效。

请参考图19,本发明的CMOS麦克风单晶片的一具体实施例的剖面示意图(沿图20A 的A-A线),其包含了:微型集音器区100、电路集成区200与焊垫区300。可以发现,在图 19的实施例中,微型集音器区100配置于电路集成区200的上方以及其侧边,焊垫区300 则配置于电路集成区200的侧边,因此,可在图19及图20A~20C可以看到在内环支撑型集 音薄膜35的旁侧,有线路区32、线路区52的配置。而电路集成200包含了线路区52与电 子元件区72(形成于基板1之上)。就另一实施例而言,电路集成区200可仅配置于微型集音 器区100的下方,而焊垫区300配置于微型集音器区100的旁侧。

同时请参考图20A,其中,微型集音器区100包含了几个主要的元件:内环支撑型集 音薄膜35、支撑柱(由支撑柱核心43与绝缘层44构成)与基底金属层55。

请参考图20A,内环支撑型集音薄膜35配置于CMOS麦克风单晶片的顶面,具有以 内环支撑型集音薄膜35的中心配置的多个叶片结构33。内环支撑型集音薄膜35本身为金 属,例如,可采用铝或铜或混合金属如AlCu、TiN、Ti(铝制程、铜制程或混制程)。叶片结 构33在图20A为4个,叶片结构33排列为环状,每个叶片结构33系各由一连续沟槽201 定义,四个连续沟槽201定义出膜臂井(井状膜臂结构)。叶片结构33设计为等长L形状的 箝制梁臂构造,两个支撑柱配置于等长L形状的箝制梁臂的尾端,箝制梁臂的连接处形成悬 浮梁臂36。叶片结构33彼此间隔出至少一中央走道,中央走道贯穿内环支撑型集音薄膜35 的中心并构成一悬浮支点38。此外,整个内环支撑型集音薄膜35,包括叶片结构33与中央 走道、悬浮支点38的部分,皆透过均匀分布的穿孔205来让内环支撑型集音薄膜35可执行 悬浮的等向性蚀刻制程。

连续沟槽201、穿孔205与悬浮空间39的设计,可取代传统的背蚀刻技术,并可改 善机械功能,如降低流固耦合、压膜阻尼、紊流、涡流的影响以提升感测能力、频率响应能 力,以及声噪比。

此外,本发明亦可配合功能与制程需求,改变悬浮支点38、悬浮梁臂36、单侧箝制 梁臂与支撑柱的位置、尺寸长度、尺寸宽度与尺寸厚度。并且,透过适当调整内环支撑型集 音薄膜35的形状与悬浮支点38、叶片结构33(箝制梁臂形状)、悬浮梁臂36与支撑柱相关 物理位置与形状,可使本发明的CMOS麦克风单晶片成为无指向性、单指向性或多指向性 等不同功能。

此外,配合于材料参数、功能评估与制程需求,内环支撑型集音薄膜35、悬浮支点 38、叶片结构33(箝制梁臂形状)、悬浮梁臂36与支撑柱的物理形状与位置可以设计为能抵 抗重力作用、残留应力形变、热应力形变与不适当外力作用。外界信号刺激施加于内环支撑 型集音薄膜35时,将因应上述条件但限制于材料参数、功能评估与制程需求等要求,反映 出适当的力学响应。

请接续参考图19与图20B,支撑柱均匀配置于内环支撑型集音薄膜35的叶片结构 33的边缘下方(在图20A为L型两臂的尾端),以提供叶片结构33的支撑力。此外,支撑柱 的支撑柱核心43与绝缘层44,分别提供了支撑柱与内环支撑型集音薄膜35的导电机制。

请接续参考图19与图20C,基底金属层55,形成于支撑柱的下方,与支撑柱藉由绝 缘层54隔离(支撑柱则透过基底金属层55同一层的支撑柱核心53连接至下方的电路集成区 200),并与内环支撑型集音薄膜35面对而构成一篓空空间。电路集成区200形成于基底金 属层55之下,连接支撑柱的支撑柱核心43与基底金属层55,以供应内环支撑型集音薄膜 35、基底金属层55所构成的微型集音器所需的工作电压,并接收内环支撑型集音薄膜35所 感测的音波信号所转换的电压信号,并转换为一输出信号。

输出信号的输出是藉由焊垫区300的焊垫进行输出。同时,焊垫区300也将外部的 电源导入与控制指令等传送至电路集成区300,让本发明的CMOS麦克风单晶片可进行工 作。请同时参考图1、图2A~2D,配置于CMOS麦克风单晶片顶层的焊垫31-1、31-2、31- 3、31-4、31-5、31-6,与其下各个金属层的焊垫连接点51-1、51-2、51-3、51-4、51-5、51- 6,以及焊垫连接点71-1、71-2、71-3、71-4、71-5、71-6等,其数量与大小仅为示意用,实 际的设计端视设计需求考量,于此不多加赘述。

在图19及图20C中,电路集成区200当中的线路区32、52,以及电子元件区72等的具体线路,端视设计者的设计成果有所差异,于此不多加赘述。

其中,本发明的叶片结构33的箝制梁臂系选自以下的任意组合:一直条形、一等长 L形、一等长V形、一方形、一圆形、一椭圆形、一类心型、一心型。

请参考图21A、21B,本发明的CMOS麦克风单晶片的内环支撑型集音薄膜的另两个 具体实施例。图21A即为箝制梁臂的形状采用方形的结构;图21B即为箝制梁臂为直条形 的结构。

其中,支撑柱系为环状对称配置,并且支撑柱系至少3个。其中,内环支撑型集音 薄膜35,较佳者为圆形,也可采用其他对称的图案设计,例如,方形、长方形、多边形 等。

综合以上的说明,本发明的CMOS麦克风单晶片,可以减少制造工序步骤与复杂度 并与辅助电路整合,因此可以大幅降低制造成本;可以增加晶元单位面积元件数量且降低封 装体积与面积,因此可以大幅降低封装成本;直接由CMOS制程结束后进入封装步骤,大 幅提升产品良率。封装体不会降低与干扰的麦克风膜感测功能表现。悬浮结构设计可充分增 加灵敏度但不失对于不适当震动的抵抗能力。

以下,说明本发明具侧边空腔的微型集音器的实施例。本发明运用一内环支撑型集 音薄膜的特殊结构,由于此集音薄膜的支撑点在于内部的环状排列的支撑柱,不在中央,也 不在外周边,因此,可以让周边呈现悬空且构成气道,因此,毋须占用垂直的立体空间。本 发明再藉由支撑柱的配置设计,同时可兼顾集音薄膜的可靠度(高可靠度)、灵敏度(高灵敏 度)、空间需求性(最佳化)。最后,本发明还藉由整合CMOS制程,实现制程简化与整合 性,并让晶片面积最佳化,达到整体成本(生产、封装)大幅降低的优异技术功效。

回头参考图12A,其同时为本发明的具侧边空腔的CMOS麦克风单晶片的一具体实 施例的剖面示意图(沿图12B的A-A线),包含了:微型集音器区100、电路集成区200与焊 垫区300。

同时请参考图12B,微型集音器区100包含了几个主要的元件:内环支撑型集音薄膜 35、侧边金属层37、支撑柱(由支撑柱核心43与绝缘层44构成)与基底金属层55。其中, 内环支撑型集音薄膜35由支撑柱支撑整个结构,而侧边金属层37则由环状侧壁支撑其结构 (其下方同样可制作支撑柱)。从图12A、图12B可以看到,侧边金属层37与内环支撑型集 音薄膜35形成于同一层,由环状侧壁固定而与内环支撑型集音薄膜35的周边间隔一距离而 环绕内环支撑型集音薄膜35,侧边金属层37与基底金属层55面对而形成一侧边空腔202, 以辅助流体运动。

请参考图12C,侧边金属层37增加了四个通气孔207,以增加气体流动的顺畅性。

图22,本发明的CMOS麦克风单晶片运用周边支撑型集音薄膜的一具体实施例。在 此实施例中,采用了周边支撑型集音薄膜35B的架构,同样地,搭配侧边金属层37包围其 周围。周边支撑型集音薄膜35B则由多个连接段371将其与侧边金属层37连结,整个可动 薄膜由周边支撑型集音薄膜35B、连接段371与侧边金属层37构成。换言之,在此实施例 中,周边支撑型集音薄膜35B是由连接段371来提供支撑力的。同样地,侧边金属层37的 支撑是由支撑柱与环状侧壁来提供。

此外,本发明的侧边空腔亦可应用中央支撑型的可动薄膜。其具体的实施方式如周 边支撑型、内环支撑型,于此不多加赘述。

CMOS感测元件的实施例:本发明充分运用CMOS制程来同步制作感测元件与感测 电路集成,实现制程简化与整合性,并让晶片面积最佳化,达到整体成本(生产、封装)大幅 降低的优异技术功效。

以下请参考图23A~23G,本发明的CMOS单晶片的一具体实施例的制程的各步骤剖 面示意图。图24则显示了藉由图23A~23G的步骤所制作出的CMOS单晶片的上视图。

首先,如图23A,提供一个半导体基板400,再于半导体基板400上形成一电路集成区(即图19的电路集成区200的部分),电路集成区至少包括一电子元件区ILD(内层介电层)与一第一金属层IMD1、第二金属层IMD2(内金属介电层),第一金属层IMD1、第二金属层IMD2即为线路区的部分。如第23A图所示者,电子元件区ILD当中,至少有多个电晶体761、762、763、764形成于其中,在第一金属层IMD1、第二金属层IMD2则有多组线路区711、712、721、722形成于其中。电路集成区系依据一般的CMOS制程制作,其中,第一金属层IMD1、第二金属层IMD2的金属连接层不限于一层。制作过程皆须制作绝缘层700于各区块。

接着,形成一基底金属层55于绝缘的该电路集成上,请参考图23B。基底金属层55 是对应于可动薄膜所设置,其有两个功能:A.与可动薄膜对应形成可动元件的一个电容 板;B.作为蚀刻停止层。如果可动元件区的面积小于电路集成区的面积,则可在基底金属 层55旁侧的空间再利用,布上金属层,当作线路区的一部分,此即为第三金属层IMD3。 同样地,制作过程皆须制作绝缘层700于各区块。

此外,在此实施例中,有支撑柱43的设计,因此,也同步制作出支撑柱区的金属 层。

接下来,请参考图23C,形成可动薄膜区351与焊垫区31于基底金属层55上方,并 藉由绝缘层700与基底金属层55隔离。支撑柱43与可动薄膜区351电导并连接至电路集成 区,基底金属层55与电路集成区电连接)。同时,图23C的实施例中,由于电路集成区的面 积比较大,因此,可动薄膜区351的旁侧同样可配置线路区32而作为电路集成区的一部 分。这层即为第四金属层IMD4。

此外,于可动薄膜区351需制作多个均匀配置的穿孔205,以作为气道及蚀刻道。

接着,请参考图23D,形成一保护层800于可动薄膜区351与焊垫区31。接下来, 定义可动薄膜区351的可动暴露区与焊垫区31的焊垫暴露区,也就是形成相对应的光阻层 410,于保护层800上,以作进一步的可动薄膜区351的可动元件的释放区以及焊垫区31的 焊垫暴露,如图23E所示者。

接着,蚀刻该可动暴露区与焊垫暴露区,如图23F所示者。最后,底蚀刻可动暴露 区,以使可动薄膜区351的可动部分悬空,如图23G所示者。最后,即可形成可动元件区 100、电路集成区200与焊垫区300。底蚀刻的方式,可进行等向性蚀刻。蚀刻可动元件区 下方的残余氧化层40的蚀刻液可以选择有高选择比的SV3,BFH2等,也可以选择气体干 式蚀刻。

接下来,请参考图24,本发明图23A~23G的步骤所制作出的CMOS单晶片的上视 图。从图24可以直接由单晶片上看到可动薄膜351的可动元件所暴露的部位,以及焊垫区 31的焊垫暴露部位。其他的部分则是保护层800的部分。

可动元件的选择与设计上,亦可采用周边支撑的可动薄膜352的设计。请参考图 25A、25B,本发明的CMOS单晶片的另一具体实施例的制程的最终步骤的剖面示意图,以 及本发明图25A的CMOS单晶片的上视图。在此实施例中,明显地,支撑柱可化约为周边 支撑的设计。

综合以上的说明,本发明提供了一种CMOS感测元件,运用互补式金氧半导体制程 (CMOS)制作,包含:可动薄膜、至少一支撑柱以及基底金属层。其中,可动薄膜具有多个 穿孔。支撑柱则配置于可动薄膜之下,以提供可动薄膜支撑力。基底金属层形成于支撑柱的 下方,与支撑柱隔离,并与可动薄膜面对以构成一微型电容器以感测外界的一感测信号。在 制程上,基底金属层同时也当作蚀刻停止层,基底金属层的面积大于可动薄膜的面积。其 中,感测信号系选自:一加速度、一声音、一流体流速、一压力、一动量、一冲量、一应 力、一温度变化、一湿度变化、一电极性变化。此外,可动薄膜与基底金属层的高度可调, 在CMOS制程上,可以多道金属层蚀刻的方式制作。

虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任 何熟习此技艺者,在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰,皆应涵盖于本发明的范畴 内,因此本发明的保护范围以权利要求书所界定者为准。

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