一种MEMS结构的制作方法

本申请涉及微电机械系统技术领域，具体来说，涉及一种mems结构。

背景技术：

mems(micro-electro-mechanicalsystems，即微电机械系统)麦克风主要包括电容式和压电式两种。mems压电麦克风是利用微电机械系统技术和压电薄膜技术制备的，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压、工作温度范围大、防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着mems压电麦克风的发展。

针对相关技术中如何提高mems结构的灵敏度的问题，目前比较常见的解决方案是将电极层分割成多个部分，但是这种分割电极的方法对于提高灵敏度的范围有限。

技术实现要素：

针对相关技术中如何提高mems结构的灵敏度的问题，本申请提出一种mems结构，能够有效提高灵敏度。

本申请的技术方案是这样实现的：

根据本申请的一个方面，提供了一种mems结构，包括：

衬底，具有空腔；

振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；

第一电极层，形成于所述振动支撑层上方；

压电层，形成于所述第一电极层上方，所述压电层具有凹槽，所述凹槽在厚度方向上延伸穿透所述压电层，所述凹槽将所述mems结构分割成中间区域和外围区域；

第二电极层，形成在所述压电层的所述中间区域和所述外围区域上方。

本申请通过在mems结构内设置凹槽，使得中间区域的各个膜层和外围区域的各个膜层能够输出电压反号，有效减少了电荷中和，通过串联的方式将各个等分区连接，从而提高了mems结构的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1至图10示出了根据一些实施例的mems结构的形成方法的中间阶段的剖面示意图；

图11示出了根据一些实施例的具有沟槽的衬底的剖面示意图；

图12是图11所示的沟槽的放大示意图；

图13是根据一些实施例的mems结构的各个膜层的爆炸视图；

图14是根据一些实施例的mems结构的立体示意图；

图15是根据一些实施例的mems结构的剖面立体图；

图16示出了mems结构的灵敏度频响曲线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

根据本申请的实施例，提供了一种mems结构及其形成方法，以下将通过该mems结构的形成方法来详细说明mems结构。该mems结构可以用于传感器或执行器，例如麦克风、扬声器、水听器。在本申请的实施例中，该mems结构可以包括压电式mems麦克风。

mems结构的形成方法包括以下步骤：

参见图1，在步骤s101中，提供衬底10，在衬底10上方形成阻挡层20、振动支撑层30。衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、soi、sio2/si上的多晶硅)的材料。衬底10可以具有各种形状，不限于五边形、六边形或其他规则或不规则形状。阻挡层20的材料包括二氧化硅、掺磷氧化硅(简称psg)、氧化锌或其他合适的牺牲材料。可以通过cvd(chemicalvapordeposition，即化学气相沉积)、热氧化的工艺形成阻挡层20。如果阻挡层20的材料使氧化锌时，可以采用pvd(physicalvapordeposition，即物理气相沉积)法形成。振动支撑层30的材料包括氮化硅(si3n4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。考虑到控制振动支撑层30的应力问题，可以将振动支撑层30设置为多层结构以减小应力。形成振动支撑层30的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。值得注意的是，在一些实施例中，衬底10的上表面平坦，因而阻挡层20和振动支撑层30的上下表面都是平坦的。在一些实施例中，参见图11和图12，可以通过光刻工艺在衬底10上方形成沟槽11。沟槽11用于形成后续的波浪形褶皱部分(图中未示出)。然后在具有沟槽11的衬底10上方共形地形成阻挡层20和振动支撑层30。

参见图2，在步骤s102中，在振动支撑层30上方形成第一电极材料，并且图形化以形成第一电极层40。可以通过电子束蒸发、磁控溅射工艺形成第一电极材料。第一电极材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。例如，第一电极材料为铝时，可以在功率300w，压强300mpa，常温下采用磁控溅射法形成铝电极层。在图形化第一电极材料的工艺中，可以在径向上将第一电极层40分割成至少两个分区，以及多个第一通孔41。在一些实施例中，这些分区的区域面积相同。在一些实施例中，第一电极层40具有12个等分区。值得注意的是，第一电极层40分割成至少两个分区时，需要在第一电极层40内设置多条隔离槽(图中未示出)。值得注意的是，在衬底10具有沟槽11的实施例中，第一电极层40共形地形成在振动支撑层30上方。

参见图3，在步骤s103中，在第一电极层40上方形成压电材料，并且图形化以形成具有凹槽51的压电层50。压电材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(pzt)、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。可以通过cvd工艺或磁控溅射工艺或其他合适工艺形成压电材料。当氧化锌作为压电材料时，可以采用射频磁控溅射法，靶材为zno，射频功率为80w，压强为2pa，在室温下，在衬底10上方形成氧化锌薄膜。当氮化铝作为压电材料时，可以采用射频磁控溅射法，靶材为铝，射频功率为200w，压强为0.27pa，偏压为0到-320v，室温到80℃之间，在衬底10上方形成氮化铝薄膜。在图形化压电层50的步骤中，使得凹槽51与第一通孔41的位置相对应。值得注意的是，在形成压电层50时，压电材料也可以填充隔离槽。凹槽51将mems结构分割成中间区域100和外围区域200。而且，在衬底10具有沟槽11的实施例中，沟槽11与凹槽51的位置对应，并且凹槽51的正下方的振动支撑层30和第一电极层40具有波浪形褶皱部分(图中未示出)，波浪形褶皱部分位于中间区域100和外围区域200之间。

参见图4，在步骤s104中，在压电层50的上方、凹槽51的侧壁和第一电极层40的上表面共形地形成第一隔离材料，并且图形化以形成第一隔离层60。第一隔离材料包括二氧化硅、氮化硅、掺磷氧化硅或其他合适的材料。可以通过cvd工艺形成第一隔离材料。当二氧化硅作为第一隔离层60时，可以在温度300℃，气体sih4和n2o，压强1torr下通过pecvd(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，即等离子体增强化学的气相沉积)方法获得。在具有第一通孔41的实施例中，第一隔离材料还填充第一通孔41。第一隔离层60用于将第一电极层40和第二电极层70分隔开。值得注意的是，在一些实施例中，通过设置第一电极层40和第二电极层70的图形以确保第一电极层40和第二电极层70不会短路连接时，步骤s104可以省略或跳过。

参见图5，在步骤s105中，在第一隔离层60上方形成第二电极材料，并且图形化以形成第二电极层70。第二电极层70的材料和形成工艺与第一电极层40的材料和形成工艺可以相同。凹槽51将mems结构分割成中间区域100和外围区域200。并且在图形化以形成第二电极层70的步骤中，使得第一电极层40和第二电极层70均具有分隔开的相对应的至少两个等分区，在每个等分区内，第一电极层40和第二电极层70中的一个的中间区域100和外围区域200相连，第一电极层40和第二电极层70中的另一个的中间区域100和外围区域200分隔开。在图5所示的实施例中，第一电极层40的中间区域100与外围区域200经图中未示出的其他导线相连，第二电极层70的中间区域100与外围区域200分隔开，并且通过第一导线72、第二导线71和第三导线90连接。

而且，在图形化以形成第二电极层70的步骤中，形成第一导线72、第二导线71(在图13、图14和图15中示出)。其中，第一电极层40和第二电极层70中的另一个的第一等分区的外围区域200经第一导线72向外延伸并且第一导线72作为mems结构的一个端子。第一电极层40和第二电极层70中的另一个的第一等分区的中间区域100通过第二导线71连接第一电极层40和第二电极层70中的另一个的第二等分区的外围区域200以实现串联，第一等分区与第二等分区相邻，并且通过多个第二导线71依次重复连接相邻两个等分区。第一电极层40和第二电极层70中的另一个的最后等分区的中间区域100经第三导线90向外延伸并且第三导线90作为mems结构的另一个端子。并且第三导线90通过以下步骤s106形成。

参见图6和图7，在步骤s106中，在第二电极层70上方形成第二隔离材料和导电材料，并且图形化第二隔离材料和导电材料以形成第二隔离层80和第三导线90。换句话说，第二电极层70的相邻等分区之间通过第二导线71实现串联，然后通过第一导线72和第三导线90连接至外部电路。第二隔离材料和形成工艺与第一隔离材料和形成工艺可以相同，也可以不同。值得注意的是，图6和图7是在图13至图15中具有第二隔离层80和第三导线90处的径向剖面图，而图1至图5以及图8至图12为不具有第二隔离层80和第三导线90处的径向剖面图。在其他实施例中，第一电极层70和第二电极层40的设置可以交换，例如，第二电极层70的中间区域100和外围区域200连接，第一电极层40采用导线串联连接。

参见图8，在步骤s107中，在凹槽51内形成贯穿第一隔离层60、第一电极层40和振动支撑层30的第二通孔52。第二通孔52由第一通孔41限定尺寸。可以通过干法蚀刻来获得第二通孔52。

参见图9和图10，在步骤s108中，底部蚀刻衬底10直至振动支撑层30的底面以形成空腔12。蚀刻去除部分阻挡层20以形成空腔12，第二通孔52与空腔12连通。凹槽51的投影区域在空腔12的投影区域内。具体的，通过标准光刻工艺在衬底10的背面依次沉积形成绝缘材料和光刻胶，图形化该光刻胶以形成掩模层，干法蚀刻露出的绝缘材料和衬底10直至露出阻挡层20，然后采用湿法蚀刻去除露出的阻挡层20。最后去除衬底10的背面的绝缘材料，从而形成空腔12。至此，制造获得了mems结构。该mems结构的压电层50在压电效应下实现声能转换为电能。第一电极层40和第二电极层70将所产生的电能传送至其他电路元件。

图16中的结构特定尺寸和参数下的灵敏度频响曲线。其中，空腔12半径为500μm，凹槽51到中心的距离300μm，凹槽51宽度20μm。其中第一电极层40、第二电极层70的厚度均为100nm，材料为铝(al)。压电层50的厚度500nm，材料为氧化锌(zno)。从灵敏度频响曲线可以看到，mems结构在100～20000hz频率范围内，灵敏度在-33db以上，并且在10khz以内非常平坦。

另外，为了更加清楚地说明mems的结构，以下将详细介绍。参见图13、图14和图15，该mems结构包括：

衬底10，具有空腔12；

振动支撑层30，形成在衬底10上方并且覆盖空腔12；

第一电极层40，形成于振动支撑层30上方；

压电层50，形成于第一电极层40上方，压电层50具有凹槽51，凹槽51在厚度方向上延伸穿透压电层50，凹槽51将mems结构分割成中间区域100和外围区域200；

第一隔离层60，共形地形成于压电层50的上方、凹槽51的侧壁和第一电极层40的上表面；

第二电极层70，形成在中间区域100和外围区域200的第一隔离层60上方。

综上，借助于本申请的上述技术方案，本申请实施例的mems结构，凹槽51将mems结构分成中间区域100和外围区域200，中间区域100的各个膜层相当于悬置在空腔12上方，外围区域200的各个膜层的边缘固支在衬底10上方，这样的悬空结构有利于减小振动支撑层30、第一电极层40、压电层50和第二电极层70的残余应力。在没有设置凹槽51的mems结构中，由于整个膜片的外围区域和中间区域表面产生的电荷反号，使得由压电层50所产生的电荷大部分被中和，导致降低了mems结构的输出电压，从而降低了灵敏度。

本申请通过在mems结构内设置凹槽51，使得中间区域100的各个膜层和外围区域200的各个膜层能够输出电压反号，并且有效减少了电荷中和，通过串联的方式将各个等分区连接，从而提高了mems结构的输出电压，提高了mems结构的灵敏度。再次，通过在凹槽51内开设第二通孔52，进一步降低了mems结构的各个膜层的残余应力。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。