专利名称：一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件领域，具体地说，本发明涉及一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片及其制备方法。
背景技术：
硅微电容传声器是一种新型的传声器，它通常由形成硅微电容的硅芯片部分和外围电路部分组成。其中硅微电容芯片部分是传声器的核心，它是利用现代超大规模集成电路工艺，在硅基片上通过复杂的体刻蚀工艺制作而成。硅微电容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者说声学孔背板、空气隙、隔离层、保护层、振动膜及金属电极组成。由于其制作工艺的复杂性，随着技术的发展，很多新的结构及其制备方法不断地被提出。
已知，在国外P.-C.Hsu等曾提出采用方形的空气间隙、隔离层和多晶硅振动膜的传声器芯片结构和制备方法(见Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)，1998 IEEE 11th International Workshop p580-585，由P.-C.Hsu，C.H.Mastrangelo，and K.D.Wise所著的“A HIGH SENSITIVITY POLYSILICON DIAPHRAGMCONDENSER MICROPHONE”一文中所述)，这种硅微电容传声器芯片的缺点之一是在方形振动膜的尖角处产生应力集中，进而导致传声器的灵敏度下降乃至振动膜破裂，成品率很低。另一个缺点是采用深度(10至20微米)选择性浓硼扩散来制作穿孔背板的声学孔，这会带来许多工艺上的困难。
本申请人在申请号为03153254.3和03153253.5的中国专利申请中就低应力氮化硅振动膜的硅微电容传声器提出了克服方形振动膜在尖角处产生应力集中所带来的问题，提出了具有圆环形隔离层和圆形空气隙的传声器芯片及其制备方法，在其制备过程中，分别使用两种不同的薄膜材料作为圆环隔离层和圆形牺牲层。图1示出了这样一种硅微电容传声器芯片10的剖面图，包括有一个硅片11。该硅片11具有一基本上为棱台形的空心区域12，空心区域12的上端具有一个成形在硅片上表面的圆形穿孔背板13。该穿孔背板13上具有多个声学孔14，以便形成声学孔图案。在硅片11的上表面还形成有一个圆环形隔离层15，而隔离层15上形成有一个圆形振动膜16。通过隔离层15，在穿孔背板13和振动膜16之间提供了圆形空气隙17。穿孔背板13和振动膜16上分别具有电极18。在这两个申请中的，传声器芯片10中的圆环形隔离层15和圆形空气隙17可以有效降低应力的集中，从而提高了传声器芯片灵敏度并减少了振动膜破裂。
以上几种已知硅微电容传声器芯片的振动膜都是低应力氮化硅，其穿孔背板的制备都是先在硅基片(例如图1的硅片11)前表面进行深度(10至20微米)选择性浓硼扩散，即在穿孔背板的声学孔之外的区域进行浓硼扩散，形成一个掺杂层，该掺杂层同时作为体刻蚀自停止层，然后，再从后表面进行体刻蚀而形成的。这样形成的穿孔背板(例如图1中的穿孔背板13)通常仅包括掺杂层一层材料。这种用低应力氮化硅作为振动膜并采用深度选择性浓硼扩散方法制备穿孔背板的缺点主要包括1)低应力氮化硅膜的制作工艺仍在研究阶段，尤其是富硅氮化硅的制作对设备有很强的腐蚀性，很多半导体器件制造商都不能制作低应力氮化硅膜。
2)声学孔区域是通过选择性浓硼扩散来限定，也就是说，在硅基片的表面进行浓硼扩散时，将要成为声学孔的区域不进行掺杂，而在体刻蚀时将该区域的硅材料刻蚀去除以形成声学孔。选择性的浓硼扩散在工艺上是非常困难的，一是因为在深度方向扩散的同时还存在横向的扩散，二是扩散掩膜有时不能完全阻止在保留区域的扩散，从而导致选择性浓硼扩散的结果不理想，甚至失败。
3)由于穿孔背板仅由掺杂层一层材料组成，为了达到穿孔背板的厚度要求(通常在12微米至20微米之间)，需要进行深度浓硼扩散。而深度浓硼扩散耗时长(一般要20小时以上)，而且深度浓硼扩散容易引起硅基片在边缘上翘，使深度浓硼扩散其后的各种工艺制作比较困难。特别是对生产用的大的硅基片(如4英寸或更大基片)影响较大。
4)由于硅本身在腐蚀液的各向异性，对硅微电容传声的芯片来讲，背板厚度要求在12微米至20微米之间，这样一来，用深度浓硼扩散制备的背板穿孔就不能太小，因此，硅微电容传声器芯片的尺寸就不能太小，这使大批量生产时硅微电容传声器芯片的成本比较高。
发明内容
本发明的目的在于克服深度选择性浓硼扩散制作硅微电容传声器芯片背板穿孔所带来的缺点和不足，从而提供一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、保护层、振动膜和电极，所述的保护层在所述的隔离层之上，并将其包围，所述隔离层和保护层位于所述穿孔背板和所述振动膜之间，用以提供所述穿孔背板和所述振动膜之间的空气隙，所述穿孔背板包括一掺杂层且具有由多个声学孔组成的声学孔图案；所述穿孔背板上的声学孔是刻蚀一连续的掺杂层形成。
所述穿孔背板仅由掺杂层组成，所述声学孔穿过所述掺杂层；或者，所述穿孔背板还包括一位于掺杂层之下的硅材料层，所述声学孔穿过所述掺杂层和所述硅材料层。所述隔离层为圆环形。所述穿孔背板上的声学孔是用感应耦合等离子体刻蚀所述连续的掺杂层形成。所述振动膜是经过离子注入和退火的多晶硅振动膜。所述保护层采用低应力氮化硅膜。
本发明提供的多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片的制备方法，包括步骤一提供一具有上表面和下表面的硅基片；步骤二在所述硅基片的上表面形成一连续的掺杂层；步骤三在所述硅基片的上表面之上形成一隔离层；步骤四在所述隔离层之上形成一保护层；步骤五从所述连续的掺杂层的上表面向下刻蚀出由多个声学孔组成的声学孔图案；步骤六在所述硅基片的上表面之上以及所述声学孔内形成一牺牲层；步骤七在所述牺牲层之上形成一多晶硅振动膜并进行离子注入和退火；步骤八在所述多晶硅振动膜和掺杂层上分别形成电极；步骤九从所述硅基片的下表面对所述硅基片进行刻蚀，并刻蚀去除所述牺牲层，所述掺杂层形成硅微电容传声器芯片的至少一部分穿孔背板。
在步骤九中，从所述硅基片的下表面对所述硅基片进行刻蚀时，该刻蚀进行至所述掺杂层，使得所述穿孔背板仅由所述掺杂层组成。在步骤九中，从所述硅基片的下表面对所述硅基片进行刻蚀时，该刻蚀还残留一位于所述掺杂层下方的硅材料层，使得所述穿孔背板由所述掺杂层和所述残留的硅材料层组成。在步骤九中，利用控制刻蚀的时间来控制所述残留的硅材料层的厚度。
在步骤五中，所述声学孔图案是用感应耦合等离子体刻蚀所述连续的掺杂层形成。
本发明具有如下有益效果
1)本发明采用的多晶硅作振动膜的硅微电容传声器芯片及其制备方法与现有的平面半导体工艺完全兼容，可以直接从实验室样品转化到工业化大批量生产。
2)本发明采用在连续的掺杂层上通过刻蚀来预先制备得到声学孔，特别是可以选择ICP(感应耦合等离子体)刻蚀工艺来刻蚀掺杂层，原则上讲，这种方法制备的背板穿孔小到几个微米量级，这样，硅微电容传声器芯片的声孔尺寸将不再成为限制硅微电容传声器芯片尺寸的因素。
3)在本发明的一种优选实施方式中，传声器芯片的穿孔背板可以是复合背板，包括一层掺杂层和一层未腐蚀掉而残留的硅材料层，这样，在用诸如浓硼扩散来制备掺杂层时，不需要进行深度扩散，从而避免了深度选择性浓硼扩散制作背板穿孔带来硅基片边沿上翘和硅微电容传声器芯片不能太小等问题。
总之，本发明提供的多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片及其制备方法，不但与现有半导体工艺兼容，而且克服了深度选择性浓硼扩散制作背板及背板穿孔所带来的问题和困难，为工业化生产传声器芯片提供一套简便易行的工艺。
图1是背景技术中涉及的一种硅微电容传声器芯片的结构示意图；图2是本发明实施例1中在硅基片上表面形成掺杂层后的剖面示意图；图3是本发明实施例1中继图2之后在硅基片上形成隔离层、保护层并刻蚀出声学孔后的剖面示意图；图4是本发明实施例1中继图3之后在硅基片上形成牺牲层和振动膜后的剖面示意图；图5是本发明实施例1的结构示意图，即继图4之后对硅基片进行体刻蚀去除牺牲层并设置电极后最终形成的硅微电容传声器芯片的剖面示意图；图6是本发明实施例1的硅微电容传声器芯片的俯视图；图7是本发明实施例2中在硅基片上表面形成掺杂层后的剖面示意图；图8是本发明实施例2中继图7之后在硅基片上形成隔离层并刻蚀出声学孔后的剖面示意图；图9是本发明实施例2的结构示意图，即继图8之后在硅基片上形成牺牲层和振动膜后的剖面示意图；
图10是本发明实施例2中继图9之后对硅基片进行体刻蚀去除牺牲层并设置电极后最终形成的硅微电容传声器芯片的剖面示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。
实施例1图2～图5示出了在一个实施例中本发明的硅微电容传声器芯片的制备流程，其中图5为根据本发明的方法制备好的传声器芯片。
如图2所示，首先选取一个硅基片100，该硅基片100可以为n型或者p+型硅片。硅基片100具有一个上表面101和一个下表面102，在一个实施例中，该硅基片100的厚度为400微米，但是可以理解，本领域的技术人员可根据所需要的传声器芯片尺寸而选择不同厚度的硅基片100。硅基片100经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅，示例性地，该高温二氧化硅的厚度为1微米；在硅基片100的上表面101上对该层高温二氧化硅光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜103。在掩膜103的覆盖区域之外，从上表面101对硅基片100进行掺杂，以形成一个连续的掺杂层104。在这里，对硅基片100的掺杂可以采用浓硼扩散或磷注入掺杂。从下文的描述可知，在本实施例中，传声器芯片的穿孔背板仅由掺杂层104一层材料形成，因此，在本实施例中掺杂层104的厚度和所需要的穿孔背板的厚度相同。例如，传声器芯片穿孔背板的厚度通常在12微米至20微米之间，因此，在本实施例中，掺杂层104的厚度也可在12微米至20微米之间选择，本领域的技术人员也可根据实际需要作出其它选择。
如图3所示，用氢氟酸去除图2中的高温二氧化硅掩膜103，然后在硅基片100的上表面101形成一低温二氧化硅隔离层105和氮化硅保护层106，而硅基片100的下表面102上是一层残留的复合膜108。该隔离层105优选为空心圆形，周围被保护层106包围。可通过如下方法形成在硅基片100的上表面101形成一层低温二氧化硅，然后对该层低温二氧化硅进行光刻后用反应离子刻蚀(IRE)出包括空心圆形和底电极的隔离层105；然后，在其上淀积一低应力氮化硅膜保护层106，并用反应离子刻蚀(IRE)出空心圆形；由于通常情况下，氮化硅膜的应力较大，较厚的氮化硅膜采用氮化硅/二氧化硅/氮化硅三明治复合膜结构。然后在掺杂层104上刻蚀声学孔107，在一个实施例中，隔离层105低温二氧化硅的厚度为3.5微米，保护层106氮化硅的厚度为0.35微米(其中采用的夹层结构，即0.15微米氮化硅/0.05微米二氧化硅/0.15微米氮化硅)，对隔离层105和保护层106所包围的掺杂层104区域表面进行甩胶，光刻出所需要的声学孔图案，然后用感应耦合等离子体(ICP)工艺刻蚀出组成声学孔图案的多个声学孔107。这些声学孔107透过掺杂层104的整个厚度，其高度稍大于掺杂层104的厚度。此外，声学孔107可以采用诸如正方形等本领域技术人员所公知的形状。这样，包括由多个声学孔107的掺杂层104形成了硅微电容传声器芯片的穿孔背板。
从图2和图3可知，相比于通过选择性的掺杂来限定声学孔，在本发明中，传声器芯片穿孔背板的声学孔107是在一个连续的掺杂层104上刻蚀而成的。
如图4所示，去除光刻声学孔图案时所甩的胶之后，在保护层106所围绕的区域周围形成一牺牲层109，并在其上形成一多晶硅振动膜110。该牺牲层109充满保护层106所围绕的空间，并且同时充满了在图3中形成的各个声学孔107。在一个实施例中，可用淀积的方法，淀积出一个磷硅玻璃(PSG)的牺牲层109，由于淀积时，硅基片100是浸在等离子体中的，所以磷硅玻璃(PSG)在ICP刻蚀出的声学孔107的各个侧面同时淀积，声学孔107将很快被磷硅玻璃(PSG)牺牲层109充满，此时淀积的牺牲层基本平坦，只是在声学孔107的中心有一个微小的凹坑，此凹坑对器件性能没有影响。然后，对牺牲层109进行光刻后用缓冲的氢氟酸腐蚀出所需要的牺牲层形状，例如对于图4中空心圆形的隔离层105和保护层106，可将牺牲层109腐蚀出与空心圆形隔离层105和保护层106空心圆形同心的圆形牺牲层109。然后，在牺牲层109和保护层106上淀积一多晶硅膜110，并进行离子注入和刻蚀，形成圆形的低应力振动膜。示例性地，牺牲层109的厚度为4微米，多晶硅膜110的厚度为3微米。用淀积的方法生成多晶硅膜后，要进行离子注入和退火以增加膜的导电性并减少膜的内应力。然后，再用感应耦合等离子体(ICP)工艺刻蚀出圆形的多晶硅振动膜110，此时的振动膜也是导电膜。如图6所示，对于空心圆形隔离层105和保护层106以及圆形的牺牲层109，振动膜110的形状相应地为圆形。在图4中，基片100下表面的残留复合膜108又增加了一层磷硅玻璃和多晶硅材料，它可以用作体刻蚀的掩膜。
如图5所示，从掺杂层104上刻蚀出底电极的窗口，并在多晶硅振动膜110和掺杂层104上真空蒸镀金属并光刻腐蚀出金属电极111(如金电极)，该金属电极包括顶电极和底电极。用残留复合膜108作为掩膜，从硅基片100的下表面102开始对硅基片100用EPW或氢氧化钾进行硅体刻蚀，由于腐蚀液对硅基片腐蚀的各向异性，当腐蚀到掺杂层104时，体刻蚀便自动停止形成空心的棱台112。然后，用缓冲的氢氟酸腐蚀磷硅玻璃(PSG)牺牲层109，由于缓冲的氢氟酸对声学孔107内的磷硅玻璃(PSG)牺牲层109的腐蚀速度远高于其周围掺杂层104区域，使声学孔107内牺牲层109被很快腐蚀掉，从而暴露出原先在图3中刻蚀形成的声学孔107。进而，氢氟酸通过声学孔107进一步到达保护层106所包围的磷硅玻璃(PSG)牺牲层109，并将牺牲层109全部腐蚀完。最后，再利用置换和低温升华的方法将腐蚀液和水释放出去，从而在掺杂层104或者说穿孔背板与振动膜110之间形成空气隙113。振动膜110和金属电极111的位置在图6中看得更清楚。从图中可以看出，多晶硅振动膜110同时也作为导电膜，因为整个振动膜上并没有覆盖导电金属，而其上的金属电极111只是用来连接引线的。
实施例2图7～图10示出了在另一个实施例中本发明的硅微电容传声器芯片的制备流程，其中图10在该实施例中根据本发明的方法制备好的传声器芯片。在下文对实施例2的描述中，与实施例1相同的部分不再叙述，重点描述实施例2与实施例1的区别之处，其中，在图7～图10中，和实施例1相同的组成仍然使用和图2～图5一致的标号，与实施例1不同的部分采用另外的标号。
如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于掺杂层104的厚度明显小于图2中掺杂层104的厚度。从后面的描述可知，在本实施例中，传声器芯片的穿孔背板为复合层结构，由掺杂层104以及其下的一层刻蚀后残留的硅材料层组成。因此，在本实施例中，在由硅材料层保证穿孔背板厚度的情况下，掺杂层104可以比较薄，通常可以在0.1微米～3微米之间选择。
如图8所示，与图3的区别在于声学孔107透过掺杂层104的整个厚度并且继续向下延伸，声学孔107的高度基本上与所要求的穿孔背板的厚度相同。基本上和掺杂层104的厚度相同。例如，传声器芯片穿孔背板的厚度通常在12微米至20微米之间，因此，在本实施例中，声学孔107的高度也可在12微米至20微米之间选择，本领域的技术人员也可根据实际需要做出其它选择。
如图9所示，与图4相比，除去掺杂层104与图3中的掺杂层104厚度不同外，其它过程基本相同。
如图10所示，与图5相比，在本实施例中，在对硅基片100进行体刻蚀时，在掺杂层104的下方残留有一个硅材料层214，该残留的硅材料层214和掺杂层104形成的复合层结构与声学孔107一起组成了硅微传声器芯片的穿孔背板。其中，穿孔背板复合层的厚度——具体地说是硅材料层214的厚度可通过控制对硅基片100的体刻蚀的时间来决定，由于硅微电容传声芯片对穿孔背板复合层厚度的精度要求不高，因此在现有的工艺条件下，采用时间法控制是本领域的技术人员很容易做到的。
权利要求
1.一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，其特征在于所述硅微电容传声器芯片还包括保护层；所述的保护层位于隔离层和振动膜之间，并将隔离层包围，所述隔离层和保护层位于所述穿孔背板和所述振动膜之间，用以提供所述穿孔背板和所述振动膜之间的空气隙，所述穿孔背板包括一掺杂层且具有由多个声学孔组成的声学孔图案；所述穿孔背板上的声学孔是刻蚀一连续的掺杂层形成。
2.根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述穿孔背板仅由掺杂层组成，所述声学孔穿过所述掺杂层。
3.根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述穿孔背板还包括一位于掺杂层之下的硅材料层，所述声学孔穿过所述掺杂层和硅材料层。
4.根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述隔离层为圆环形。
5.根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述穿孔背板上的声学孔是用感应耦合等离子体刻蚀所述连续的掺杂层形成。
6.根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述振动膜是经过离子注入和退火的多晶硅振动膜；所述保护层采用低应力氮化硅膜。
7.一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片的制备方法，包括步骤一提供一具有上表面和下表面的硅基片；步骤二在所述硅基片的上表面形成一连续的掺杂层；步骤三在所述硅基片的上表面之上形成一隔离层；步骤四在所述隔离层之上形成一保护层；步骤五从所述连续的掺杂层的上表面向下刻蚀出由多个声学孔组成的声学孔图案；步骤六在所述硅基片的上表面之上以及所述声学孔内形成一牺牲层；步骤七在所述牺牲层之上形成一多晶硅振动膜并进行离子注入和退火；步骤八在所述多晶硅振动膜和掺杂层上分别形成电极；步骤九从所述硅基片的下表面对所述硅基片进行刻蚀，并刻蚀去除所述牺牲层，所述掺杂层形成硅微电容传声器芯片的至少一部分穿孔背板。
8.根据权利要求7所述硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，在步骤九中，从所述硅基片的下表面对所述硅基片进行刻蚀时，该刻蚀进行至所述掺杂层，使得所述穿孔背板仅由所述掺杂层组成。
9.根据权利要求7所述硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，在步骤九中，从所述硅基片的下表面对所述硅基片进行刻蚀时，该刻蚀还残留一位于所述掺杂层下方的硅材料层，使得所述穿孔背板由所述掺杂层和所述残留的硅材料层组成。
10.根据权利要求9所述硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，在步骤九中，利用控制刻蚀的时间来控制所述残留的硅材料层的厚度。
11.根据权利要求7所述硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，在步骤四中，所述声学孔图案是用感应耦合等离子体刻蚀所述连续的掺杂层形成。
全文摘要
本发明公开了一种多晶硅振动膜硅微电容传声器芯片及其制备方法。该硅微电容传声器芯片包括多晶硅振动膜、保护层、隔离层、空气间隙、硅基片及其上的穿孔背板，该穿孔背板包括一掺杂层且具有由多个声学孔，该声学孔是刻蚀一连续的掺杂层形成。在该硅微电容传声器芯片的制备方法中，在所述硅基片的上表面形成一连续的掺杂层，该掺杂层形成硅微电容传声器芯片的至少一部分穿孔背板，从该连续的掺杂层的上表面向下刻蚀出由多个声学孔组成的声学孔图案。本发明采用多晶硅作为振动膜，制作工艺与平面半导体工艺完全兼容；本发明还克服了深度选择性浓硼扩散制作背板及背板穿孔所带来的问题和困难，为工业化生产传声器芯片提供一套简便易行的工艺。
文档编号H04R31/00GK1859815SQ20051006800
公开日2006年11月8日 申请日期2005年4月30日 优先权日2005年4月30日
发明者乔东海, 胡维, 田静, 徐联, 汪承灏 申请人:中国科学院声学研究所