集成cmos/mems麦克风裸片的制作方法
【专利说明】集成CMOS/MEMS麦克风裸片
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年8月30日提交的美国临时专利第61/871,957号申请的权益。
【背景技术】
[0003] 在二十世纪六十年代，微电子学领域中的从业者首先开发了用于使用一系列步骤 制造微小机械结构的技术，该一系列步骤设及将材料层淀积到娃晶片衬底的表面上，然后 选择性地蚀刻掉部分所淀积的材料。到二十世纪八十年代，该行业开始走向将多晶娃用作 机械层来进行娃基表面微加工。然而，虽然多晶娃由于其机械特性、电气特性W及热力特性 而已经被证明是制造微机电系统(MEMS)的有用基础材料，但用于多晶娃基MEMS的制造技术 未与用于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的制造技术一起良好地工作。由此，在现有技 术中，用于控制MEMS的电路传统上在单独的裸片上制造。虽然在将CMOS和多晶娃制造集成 在单个裸片上已经有一些成功，但运些混合CMOS多晶娃器件由于长的设计时间和复杂的制 造要求已经证明是不太理想的。
[0004] 最近，从业者已经尝试使用标准CMOS材料而不是传统用于多晶娃基MEMS结构中的 材料来制造 MEMS结构。在标准CMOS制造中，晶体管形成在娃晶片的表面上，并且电气通路通 过重复地淀积并选择性地去除金属和介电材料层而建立在晶体管上方。在集成CM0S/MEMS 裸片中，在CMOS电路互连在晶片的一部分上的同时，晶片的另一部分上构图后的金属和介 电材料层可W形成复杂的MEMS结构。一旦建立起所有层，则MEMS结构被"释放"一即，使用诸 如vHF (蒸汽氨氣酸)等的蚀刻剂去除MEMS结构周围的牺牲介电材料，运使MEMS结构的机械 部件自由运动。可W使用诸如湿法"衬垫蚀刻"、等离子体或RIE干法蚀刻或其任意组合等的 其他牺牲蚀刻剂。特定牺牲蚀刻剂侵害氮化娃纯化。在一些CMOS处理中所包括的位于纯化 层顶部的聚酷亚胺可W减轻对氮化娃的侵害。
[0005] 运简化了设计和制造，因为不必使用特殊过程和材料W适应制造混合CMOS多晶娃 裸片的不同要求。然而，作为结构性的建造块，CMOS中所使用的金属层缺乏用作结构性MEMS 部件所需的刚度（stiffness),而且，薄金属层在释放之后往往弯曲。虽然可W通过建立由 具有连接各金属层的金属过孔的堆叠金属层组成的结构来处理运些问题，但许多其他问题 依然未解决。
[0006] 第一，虽然多层金属MEMS结构可W是刚性(rigid)的，但是在某些情况下，MEMS结 构的刚性应是各向异性的（即，在一个运动轴线上是刚性的，而在另一个运动轴线上是晓性 的）。例如，许多MEMS结构使用弹黃(spring)来控制运动;将多层金属用于弹黃结构可W创 建防止弹黃弯曲的额外刚度，但沿X轴、y轴W及Z轴的刚度会限制该结构作为弹黃的有效 性。
[0007] 第二，许多种类的MEMS在释放之后需要气密腔室，所W必须安装盖晶片，或者必须 在顶层中构创建孔，W允许蚀刻剂触及介电材料。在前者的情况下，附接盖晶片需要非标准 CMOS处理和成本，使得对接合垫的接近更具挑战性，并且增加了裸片高度。在后者的情况 下，为了在蚀刻步骤之后密封孔，必须淀积金属或其他材料，运冒着将密封材料无意引入到 腔室内部中的危险，运潜在地影响机械部件的运动。
[0008] 第Ξ，为了去除介电材料，vHF(或其他牺牲蚀刻剂)必须与材料物理接触。对于窄 的堆叠结构，vHF可W容易地去除介电材料。然而，对于宽板结构(例如，麦克风背板），vHF可 能花费相当长的时间到达板的内部，并且运可能导致从MEMS结构的其它部分去除比所期望 多的介电材料。
[0009] 第四，对于宽板结构，甚至在去除金属层之间的介电材料之后，板也可能具有很大 的质量。运可能导致较低的谐振频率，运可能负面地影响麦克风的频率响应。
[0010] 第五，如上所述，单个金属层较弱。在未加固的顶金属层覆盖容纳MEMS结构的密封 腔室的情况下，顶层可能由于腔室内部的真空而向内弯曲。增加 MEMS结构与顶层之间的空 间可W阻止顶层与MEMS结构干扰，但附加的空间增大了裸片的高度。
[00川第六，当MEMS结构的机械部件的表面彼此接触时，粘附面力（通常称为"静摩擦 力"）可能使表面变得彼此粘住，运危害器件的机械功能。
[0012]因此，存在对于解决制造集成CM0S/MEMS裸片中的已知问题的结构和方法的未满 足的需要。
【发明内容】
[0013] 在本发明的一个实施方式中，蚀刻剂借助晶片底部中的孔引入到裸片的内部中， 而不是从晶片的顶侧引入蚀刻剂。在完成蚀刻步骤之后，密封晶片(例如，娃或玻璃)可W附 接到晶片的底部。运比将构图后的盖晶片添加到晶片的顶部或者采取防止密封材料借助顶 面中的孔进入MEMS腔室所必需的预防措施简单且成本低。进一步地，密封晶片的底部使得 顶面上的接合垫不受影响。更进一步地，密封晶片可W在应用之后折叠 W使整体结构厚度 变薄。
[0014] 在本发明的另一个实施方式中，板由多个交替的金属和介电材料层制成，在金属 层之间有金属过孔。金属层中的至少一个具有多个开口，使得在引入蚀刻剂时，蚀刻剂通过 开口去除介电材料且迅速到达并去除金属层之间的介电材料。所产生的结构因蚀刻剂更迅 速地触及全部介电材料而较容易制造。进一步地，与具有连续金属层的多层板相比，本发明 的板具有几乎同样的刚度但明显更小的质量。
[0015] 在本发明的另一个实施方式中，在顶金属层覆盖容纳含有MEMS结构的密封腔室的 情况下，在晶片与顶金属层之间延伸的结构支撑物向顶金属层提供支撑。运些结构支撑物 可W是独立柱子或可W是MEMS结构自身的固定部的一部分，向可能另外由于腔室内部的真 空而向内弯曲的顶金属层提供支撑。
[0016] 在本发明的另一个实施方式中，多个交替的金属和介电材料层(在金属层之间有 金属过孔)组成用于活塞式MEMS麦克风膜片的弹黃。该弹黃比其宽度高得多，使得在去除层 之间的介电材料之后，弹黃沿竖直方向比沿水平方向硬得多；由此，与由各向同性弹黃支撑 的膜片相比，由本发明的弹黃支撑的膜片对于给定声信号具有大致50%的更多的电容变 化。
[0017] 在本发明的另一个实施方式中，多个交替的金属和介电材料层(在金属层之间有 金属过孔)组成活塞式MEMS麦克风膜片。在膜片的一侧上，膜片的顶金属层从相邻支撑结构 的金属层偏离，使得在膜片向下运动时，膜片的金属层将与支撑结构的金属层接触，防止膜 片进一步向下运动。在膜片的另一侧上，膜片的底金属层从相邻支撑结构的金属层偏离，使 得在膜片向上运动时，膜片的金属层将与支撑结构的金属层接触，防止膜片进一步向上运 动。
[0018] 在本发明的另一个实施方式中，可W形成几行过孔，而没有金属层在过孔上方，运 实际上看起来像桐穴的石算。类似地，可W形成几行过孔，而没有金属层在过孔下方，运实 际上看起来像桐穴的钟乳石。当运动部件和支撑结构部件相对于彼此偏离时，类似于之前 的实施方式，运动将在钟乳石过孔与其下方的金属层接触时受限，或者在石算过孔与其上 方的金属层接触时受限。或者，在另一个构造中，运动将在钟乳石与直接在其下方的石算接 触时受限。消除一个或两个金属层允许与之前的实施方式中不同的器件运动范围，在之前 的实施方式中由于金属层对金属层的接触而阻止了运动。进一步地，消除一个或两个金属 层减小了器件的重量。进一步地，因为接触区域仅与过孔一样宽，而不是与整个金属层一样 宽，所W大大降低两个部件之间的静摩擦力的可能性。
【附图说明】
[0019] 图1是Ξ层弹黃结构的角度图。
[0020] 图2是五层弹黃结构的角度图。
[0021 ]图3是释放之前的真空密封裸片的截面图。
[0022] 图4是释放之后的真空密封裸片的截面图。
[0023] 图5是刚性电容式传感器板的一部分的截面图。
[0024] 图6是用作活塞式电容式麦克风中的膜片的刚性电容式传感器板的角度图。
[0025] 图7是内置到可运动MEMS结构(静止)中的机械阻挡件的截面图。
[0026] 图8是内置到可运动MEMS结构(延伸到向上停止点）中的机械阻挡件的截面图。
[0027] 图9是内置到可运动MEMS结构(延伸到向下停止点）中的机械阻挡件的截面图。
[0028] 图10是用过孔和金属层(静止)建立的机械阻挡件的截面图。
[0029] 图11是用过孔和金属层(延伸到停止点)建立的机械阻挡件的截面图。
[0030] 图12是用相对的过孔(延伸到停止点)建立的机械阻挡件的截面图。
[0031] 图13是在不使用偏移金属层的情况下建立的机械阻挡件的截面图。
[0032] 图14是包括单个过孔系列的结构支撑柱的截面图。
[0033] 图15是包括多个金属层和多个过孔的结构支撑柱的截面图。
[0034] 图16是集成到MEMS结构中的结构支撑柱的截面图。
[0035] 图17是使用发明的结构和方法制造的示例性MEMS麦克风裸片的膜片的角度图。
[0036] 图18是使用发明的结构和方法制造的示例性MEMS麦克风裸片的膜片的第二角度 图。
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