专利名称：Mems麦克风与压力集成传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统工艺，特别涉及一种MEMS麦克风与压力集成传感器及其制作方法。
背景技术：
近年来，各种MEMS传感器在手机及其他便携式电子产品中应用的越来越多，例如 MEMS麦克风、压力传感器和陀螺仪等，以其小型化和轻薄化的特点取代传统的传感器。特别是智能手机的快速发展带动了市场对各种MEMS传感器的需求，智能手机应用软件日益庞大的生态系统很大程度上要归功于MEMS传感器。MEMS麦克风是通过微电子机械系统工艺在半导体上蚀刻压力感测膜片而制成的微型麦克风，普遍应用在手机、耳机、笔记本电脑、摄像机和汽车上。在MEMS麦克风与CMOS 兼容的需求和MEMS麦克风尺寸的进一步减小的驱动下，MEMS麦克风的封装结构成为现在研究的热点，Infineon、娄式、Omron等公司投入大量的资金和技术力量进行MEMS麦克风封装结构的研究，但是，上述公司都是分别制作CMOS电路和MEMS麦克风，然后将CMOS电路和 MEMS麦克风放置于基底上，采用Wire-bonding技术将CMOS电路和MEMS麦克风相连。MEMS压力传感器相对于传统的机械量传感器来说尺寸更小，控制精度更高，制作工艺可以与硅集成电路技术兼容，因而其性价比大幅度提高。目前的MEMS压力传感器有电容式压力传感器和电容式压力传感器，两者都是在硅片上制作的MEMS传感器。电容式压力传感器具有以空气为隔离介质的的薄膜平板电容结构，当平板电容的一个薄膜电极受到外界压力而产生形变时，电容值随之变化，经信号处理电路将电容值转换成电压信号后放大输出，具有较高的测量精度和较低的功耗。电容式压力传感器具有以空气为隔离介质的的薄膜平板电容结构，当平板电容的一个薄膜电极受到外界压力而产生形变时，电容值随之变化，经信号处理电路将电容值转换成电压信号后放大输出，具有较高的测量精度和较低的功耗。然而问题在于，上述传统的电容式压力传感器和麦克风传感器的制作方法中，不管是压力传感器芯片还是麦克风传感器芯片，它们与导体连线芯片或者信号处理电路芯片是分立的，各个芯片分别制作后通过封装工艺集成，无论是带空腔加盖的塑封，或金属壳封装的方法，其封装过程都较复杂，不便于和成熟的集成电路制造技术兼容，并且器件尺寸较大，成本也由此升高。另外，由于各种传感器的制作与封装方法之间的明显差异，迄今为止仍未有集成化产品进入市场。而随着各种MEMS传感器在手机中的应用，市场对各种MEMS传感器实现集成的需求已变得越来越明显，因此，研发适用于大规模生产的、集成各种MEMS传感器的芯片结构和制作方法已成为将来的大趋势。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种MEMS麦克风与压力集成传感器及其制作方法，制作和封装过程都相对简单，便于和成熟的集成电路制造技术兼容，并且器件尺寸较小。为解决上述问题，本发明提供一种MEMS麦克风与压力集成传感器，包括第一衬底，具有电容式压力传感单元的感应薄膜、麦克风单元的敏感薄膜和所述第一衬底表面的第一粘合层；第二衬底，具有导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；其中，所述第二衬底与第一衬底相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，所述第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。所述压力传感单元的感应薄膜与麦克风单元的敏感薄膜位于同一膜层中，或者， 所述压力传感单元的感应薄膜与麦克风单元的背板电极位于同一膜层中。所述麦克风单元包括敏感薄膜、空腔和背板电极，所述空腔形成于第一衬底和第二衬底之间，所述背板电极位于空腔内，与敏感薄膜的位置对应；所述第一衬底的背面具有第一开口，该第一开口与所述敏感薄膜或背板电极的位置对应。所述电容式压力传感单元包括感应薄膜、参考压力腔和固定电极，所述参考压力腔位于第一衬底与第二衬底之间，所述固定电极位于参考压力腔中，与感应薄膜的位置对应；所述第一衬底的背面具有第二开口，该第二开口将所述感应薄膜暴露。所述麦克风单元的敏感薄膜和背板电极的位置可以互换。所述敏感薄膜的材料包括低应力多晶硅。所述第二粘合层位于导体连线层上方，或者，所述第二粘合层为导体连线层中的最上层导体层。所述第一粘合层和/或第二粘合层为Ge层、Si层、Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/
Ge叠层。所述第一衬底包括硅衬底、所述硅衬底上的第一介质层、所述第一介质层上的第二介质层、镶嵌于所述第二介质层中的第一导体层，以及所述第二介质层上的第二导体层；所述第一粘合层位于第二导体层上；所述电容式压力传感单元还包括位于所述参考压力腔内的可动电极，所述可动电极通过支撑臂与所述感应薄膜中心位置连接；所述感应薄膜和敏感薄膜形成于第一导体层中，所述可动电极和背板电极形成于第二导体层中。所述第二衬底为SOI衬底或者单晶硅衬底，所述导体间介质层下的衬底内还包括信号处理电路。所述第二衬底的背面具有第三开口，与所述麦克风单元的敏感薄膜的位置对应， 将所述空腔暴露。所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，还包括封装衬底，承载MEMS麦克风与压力集成传感器并对应于所述第二衬底的背面；封装体，位于所述封装衬底上方及所述第一衬底和第二衬底周围，并暴露出所述第一开口和第二开口，该封装体的材料包括塑料；封装盖，位于所述封装体顶部，与所述第一衬底之间具有封装空腔；其中，所述封装衬底中具有与所述第三开口连通的声音及压力开口。可选的，所述的MEMS麦克风与压力集成传感器还包括封装衬底，承载MEMS麦克风与压力集成传感器并对应于所述第二衬底的背面；封装体，位于所述封装衬底上方及所述第一衬底和第二衬底周围，并暴露出所述第一开口和第二开口，该封装体的材料包括塑料。优选的，所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间还包括应力缓冲层。优选的，所述第二衬底还包括位于导体连线层外围的多个压焊焊垫，所述多个压焊焊垫所对应的第一衬底被去除。相应的、还提供一种所述的MEMS麦克风与压力集成传感器的制作方法，包括以下步骤步骤Sl 提供第一衬底，在所述第一衬底上形成电容式压力传感单元的感应薄膜、麦克风单元的敏感薄膜和所述第一衬底表面的第一粘合层；步骤S2 提供第二衬底，在所述第二衬底上形成导体间介质层和所述导体间介质层中的导体连线层和固定电极，和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；步骤S3 将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接， 以连接第一衬底和第二衬底；步骤S4 在所述第一衬底的背面形成第一开口和第二开口，所述第一开口暴露出敏感薄膜或背板电极，所述第二开口暴露出感应薄膜。所述的制作方法还包括形成第一开口和第二开口的同时，采用刻蚀工艺去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底和其表面的第一介质层，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫。优选的，所述的制作方法还包括在所述第二衬底的背面形成第三开口，所述第三开口的位置对应于所述麦克风单元的敏感薄膜或背板电极。将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接包括以下步骤将第一衬底的第一粘合层与第二衬底的第二粘合层的位置相对，使其图案相互接触；从两个衬底的背面施加压力，同时进行加热使第一粘合层和第二粘合层的接触面
相互融合。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明提供的MEMS麦克风及压力传感器及其制作方法，通过两个衬底将电容式压力传感单元及麦克风单元集成在一起，适用于大规模生产的、集成各种MEMS传感器的芯片结构，有利于和集成电路工艺兼容，提高制作工艺和封装工艺的标准化和统一化，而且器件体积小，信噪比性能优良，抗干扰能力高。
图1为实施例一中MEMS麦克风与压力集成传感器的结构示意图；图2为图1中MEMS麦克风与压力集成传感器的封装结构示意图3为实施例二中MEMS麦克风与压力集成传感器的结构示意图；图4为图3中MEMS麦克风与压力集成传感器的封装结构示意图；图如为图3中MEMS麦克风与压力集成传感器的另一封装结构示意图；图5为实施例三中MEMSMEMS麦克风与压力集成传感器的制作方法流程示意图；图6至图13为图5中提供的制作方法的过程示意图。
具体实施例方式目前，市场对各种MEMS传感器实现集成的需求已变得越来越明显，但是发明人发现，各种传感器不仅制作与封装方法具有明显差异，而且MEMS传感器芯片和导体连线或 CMOS电路的芯片也要先分开制造，然后在进行封装，导致制造工艺和封装工艺复杂，且体积庞大，成本高。为此，本发明的发明人提出一种MEMS麦克风与压力集成传感器和制作方法，利用麦克风和压力传感器各自的特点，实现独特的器件结构，制作工艺简单，封装成本低。与分立麦克风和压力传感器相比，利用该技术制作的麦克风与压力集成传感器具有明显的体积和成本优势。以下结合附图详细说明所述麦克风与压力集成传感器的实施例。图1为本实施例中MEMS麦克风与压力传感器的结构示意图，如图所示，该MEMS麦克风与压力集成传感器包括第一衬底100，具有电容式压力传感单元101的感应薄膜IOla和可动电极101d、 麦克风单元108的敏感薄膜108a和背板电极108b、电连线层103，以及所述第一衬底100 表面的第一粘合层102 ；第二衬底200，具有导体间介质层203、位于所述导体间介质层203中的导体连线层201和所述第二衬底200表面的第二粘合层202，以及，电容式压力传感单元101的固定电极201a。其中，所述第二衬底200与第一衬底100相对设置，通过第一粘合层102和第二粘合层202固定连接，所述第一粘合层102与第二粘合层202的图案对应并且均为导电材料。 所述“图案对应”是指第一粘合层102与第二粘合层202相应位置的图案匹配，尺寸、形状均可以不同，位置可以也可错位，只需要第二衬底200与第一衬底100相对设置后，图案能够具有交叠的部分可以相互接触。需要说明的是，下文中表示位置关系的“上”、“下”仅限于图中所示的第一衬底100倒置于第二衬底200上方的情况。第二衬底200与第一衬底100相对粘接后，它们之间即形成电容式压力传感单元 101的封闭的参考压力腔101b，以及麦克风单元108的封闭的空腔108d，由于所述背板电极 108b具有多个通孔108e，则空腔108d还包括背板电极108b和敏感薄膜108a之间的空间， 此外，所述空腔还可以包括延伸至第二衬底200内的沟槽208。第一衬底100背面(即背向第二衬底200)具有第二开口 IOlc和第一开口 108c， 其中第二开口 IOlC将所述电容式压力传感单元101的感应薄膜IOla暴露，第一开口 108c 将所述麦克风单元108的敏感薄膜108a暴露。所述第一粘合层102和/或第二粘合层202为Si层、Ge层、Au层、Al层、Au/Sn 叠层或Al/Ge叠层，也可以为其他金属或合金材料。同为导电材料的第一粘合层102和第二粘合层202相互接触，则可以实现第一衬底100和第二衬底200的电连接，从而将第一衬底100内的麦克风单元108、电容式压力传感单元101与第二衬底200内的导体连线层201 电性连接，从而实现传感单元和导体连线的集成。电容式压力传感单元101包括感应薄膜101a、可动电极101d、参考压力腔IOlb和固定电极201a，可动电极IOld通过支撑臂106a与所述感应薄膜IOla的中心位置连接。所述固定电极201a位于参考压力腔IOlb中，与感应薄膜IOla的位置对应，第一开口 108c将所述感应薄膜IOla暴露。麦克风单元108包括敏感薄膜108a、空腔108d和背板电极108b，所述背板电极 108b位于空腔108d内，与敏感薄膜108a的位置对应，第一开口 108c与所述敏感薄膜108a 的位置对应。本实施例中，第一衬底依次包括硅衬底100、所述硅衬底100上的第一介质层 105、所述第一介质层105上的第二介质层106、镶嵌于所述第二介质层106中的第一导体层 104，以及所述第二介质层106上的第二导体层107。其中，敏感薄膜108a和感应薄膜IOla均形成于所述第一导体层104中，背板电极 108b和可动电极IOld均形成于所述第二导体层107中，所述第一粘合层102的图案形成于第二导体层107表面上。支撑臂106a可以由第一导体层104和第二导体层107的材料形成，也可以有第二介质层的材料106形成。所述第二衬底200包括SOI衬底或者单晶硅衬底，优选的，第二衬底200内还具有信号处理电路(图中未示出)，位于导体间介质层203和导体连线层201的下方，所述信号处理电路例如为CMOS电路，用于接收、转化和检测电容式压力传感单元101感应到的外界压力信号，导体连线层201用于连接不同的器件并连接第二粘合层202和第二衬底200内的信号处理电路。所述第二粘合层202位于导体连线层201上方，或者，所述第二粘合层 202为导体连线层201中的最上层导体连线层。正是由于所述开口 IOlc和参考压力腔IOlb的存在，感应薄膜IOla才具有沿垂直于第一衬底100和第二衬底200方向形变的自由度。所述参考压力腔IOlb和开口 IOlc分别位于感应薄膜IOla的两侧，并且参考压力腔IOlb相对于外界密封，从而为另一侧开口端的压力变化提供固定的参考压力值。此外，所述电容式压力传感单元101及麦克风单元108上还可以具有保护介质层 (图中未示出)，用于防止在后续形成第一粘合层的过程中损伤感应薄膜，同时也可以作为后续工艺的刻蚀停止层。所述第二衬底200包括SOI衬底或者单晶硅衬底，以及衬底上的导体间介质层 203、位于所述导体间介质层203中的导体连线层201。优选的，第二衬底200内具有信号处理电路(图中未示出)，位于导体间介质层 203和导体连线层201的下方，所述信号处理电路例如为CMOS电路，用于接收、转化和检测电容式压力传感单元101感应到的外界压力信号，导体连线层201用于连接不同的器件并连接第二粘合层202和第二衬底200内的信号处理电路。所述固定电极201a形成于最上层的导体连线层201中，与所述可动电极IOld相对设置。所述第二粘合层202位于导体连线层201上方，或者，所述第二粘合层202为导体连线层201中的最上层导体层。
当外界压力变化时，电容式压力单元101的感应薄膜IOla沿垂直于第一衬底100 和第二衬底200的方向形变，可动电极IOld也随之移动，与固定电极201a之间的距离发生变化，从而使得电容式压力传感单元101的电容值改变，经由信号处理电路输出。由于支撑臂106a与感应薄膜IOla的中心位置连接，这样，可动电极IOld的移动能够反映感应薄膜 IOla的最大形变，从而实现更好的灵敏度及线性度。所述麦克风的背板电极108b的位置固定，它与敏感薄膜108a构成电容器的两个极板，麦克风的敏感薄膜变形时，所述电容器的两个极板之间的距离改变，将声音信号转为电信号。第一开口 108c作为将声音信号施加至麦克风的敏感薄膜的入口，声音信号通过第一开口 108c可以传递至所述麦克风的敏感薄膜上。优选的，所述敏感薄膜的材料包括低应力多晶硅，由低应力多晶硅的制作的敏感薄膜108a能够降低外界给予所述敏感薄膜108a的应力的敏感度，受外界的应力影响较小； 所述敏感薄膜108a的形状为方形、圆形或者其他形状，本领域的技术人员可以根据待形成 MEMS麦克风选择适应的形状，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围；还需要说明的是，由于选择低应力多晶硅来形成敏感薄膜108a，使得采用低应力多晶硅的敏感薄膜 108的MEMS麦克风能够进一步减小尺寸，从而降低生产成本。此外，所述第二衬底200上还具有多个压焊焊垫204，所述压焊焊垫204位于第二衬底200的导体连线层201 (或信号处理电路)之外，位于所述第二粘合层202的同一膜层。 压焊焊垫204对应的第一衬底100被去除，使得压焊焊垫204暴露，与引线焊接。优选的，本发明的另一实施例中的MEMS集成传感器还可以包括与所述电容式压力传感单元的结构相同的参考单元，电容式压力传感单元和参考单元共同组成差分式传感器，两者均由第一衬底和第二衬底相对连接而成，而且结构相同，但参考单元的感应薄膜上方的第一衬底中并没有开口。同时测量电容式压力传感单元电容和参考单元电容，取其差值做差分输出，可以减小外界环境因素(温度，应力等)对传感器输出的影响。另外，本发明的其他实施例中，所述麦克风单元的敏感薄膜和背板电极的位置可以互换，换言之，将图1所示的敏感薄膜108a和背板电极108b交换位置，此时，从第一开口 108c传入的声音信号能够由所述背板电极108b的通孔108e中进入空腔108d，进而引起敏感薄膜108a针对，将声音信号转换为电信号。此种结构的优势在于背板电极108b直接朝向第一开口 108c能够保护敏感薄膜。不限于图中所示，第一衬底100上可以包括多个所述MEMS电容式压力传感单元和麦克风单元组成的阵列，第二衬底200上包括与多个所述MEMS压力传感单元对应的导体连线或信号处理电路阵列(图中未示出)，两者集成后再进行分割得到MEMS传感器的芯片，经过芯片封装工艺形成MEMS麦克风与压力集成传感器。进行封装工艺之后，如图2所示，本实施例中所述麦克风与压力集成传感器还包括封装衬底300，位于所述第二衬底200的背面(背向第一衬底100)，具有多个压焊管脚301 ；封装体302，位于所述封装衬底300上方及所述第一衬底100和第二衬底周围 200，并暴露所述第一衬底100背面的一部分，使得第一开口 108c和第二开口 IOlc露出，该封装体302的材料包括塑料；
粘合胶303，将所述第二衬底200和封装衬底300连接；引线304，位于所述封装体301内，引线的两端分别与压焊焊垫204和压焊管脚 301焊接。优选的，所述封装体302和固定连接的第一衬底100、第二衬底200之间还包括应力缓冲层(图中未示出)，用于缓冲封装体301的应力，从而避免对感应薄膜敏感度的干扰。实施例一中，第一衬底100的背面一部分暴露于封装体外，换言之，第一开口 108c 和第二开口 IOlc作为分别声音和压力的入口，将声波和压力变化引入敏感薄膜和感应薄膜，实际上，也可以采用不同的声音和压力入口设计，以下实施例详细说明。实施例二图3为本实施例中所述的MEMS麦克风与压力集成传感器的结构示意图，图4为图 3中集成传感器的封装结构示意图。如图所示，所述MEMS麦克风与压力集成传感器，与上述实施例不同之处在于，所述第二衬底200’的背面(背向第一衬底100’)具有第三开口 109，与麦克风单元的敏感薄膜108c’的位置对应，将空腔108d，暴露，而所述敏感薄膜108a，和背板电极108b’中均具有通孔，于是，第一开口 108c，、空腔108d，和第三开口 209在第一衬底100，和第二衬底 200’中形成一个贯穿的通道，能够同时作为声音及压力的传播通道。第一衬底100’和第二衬底200’连接后实现了 MEMS麦克风与压力传感单元单元和导体连线或信号处理电路的集成，然后再将衬底进行分割得到MEMS集成传感器的芯片， 经过芯片封装工艺形成MEMS麦克风与压力集成传感器，还包括封装衬底300’，位于所述第二衬底200’的背面，具有多个压焊管脚301’，所述封装衬底300’中具有与所述第三开口 209连通的声音及压力开口 300c ；封装体302，，位于所述封装衬底300，上方及所述第一衬底100，和第二衬底200， 周围，并暴露出所述第一衬底100’的背面的一部分(包括第一开口 108c’和第二开口 IOlc')，该封装体302’的材料包括塑料；封装盖306，位于所述封装体302’顶部，与所述第一衬底100’之间具有封装空腔 307 ；粘合胶303’，将所述第二衬底200’和封装衬底300’连接，并将所述第一衬底100’ 和封装盖306连接；引线304，，位于所述封装体302，内，两端分别与压焊焊垫204，和压焊管脚301，焊接。与实施例一不同，本实施例中虽然第一衬底100’的背面暴露于封装体302’外，但第一开口 108c’和第二开口 101c’被封装盖306密封与封装空腔307内，并不与外界接触， 而声音及压力由封装衬底背面的开口 300c’进入，经由第三开口 209’、空腔108d’和第一开口 108c’进入封装空腔307，对麦克风单元的敏感薄膜108a’和电容式压力传感单元的感应薄膜101a’作用。这种结构能够有效防止敏感薄膜和感应薄膜暴露于外界而容易损坏。本实施例中，所述MEMS麦克风与压力集成传感器还可以采用图如中的封装结构， 如图所示，封装体302’的上方没有封装盖，封装衬底300’中也没有任何开口而是将第三开口 209封堵，封装体302，在第一衬底100，的背面形成喇叭形开口 308，这样，声音及压力通过喇叭形开口 308分别进入第一开口 108c，和第二开口 101c，，而喇叭形开口 308有利于收集声音信号。第三开口 209被封装衬底封堵后作为麦克风单元的延伸空腔，此外，还可以通过设置于第二衬底和封装衬底之间的另一衬底来形成更大的封装空腔，这一衬底也通过粘合胶与封装衬底连接。类似的，实施例一中的MEMS麦克风与压力集成传感器也可以采用图如中的封装结构，即封装体高出第一衬底的背面，暴露第一开口和第二开口的同时形成喇叭形开口作为声音和压力的入口。所述MEMS麦克风与压力集成传感器的其他结构与实施例一类似在此不再一一赘述。实施例三下面结合附图详细说明实施例一中MEMS麦克风及压力传感器的制作方法。图5 为本发明实施例中所述MEMS麦克风及压力传感器的制作方法的流程图，图6至图13为所述MEMS压力传感器的制作方法的示意图。如图所示，所述制作方法包括步骤Sl 提供第一衬底，在所述第一衬底上形成电容式压力传感单元的感应薄膜、麦克风单元的敏感薄膜和所述第一衬底表面的第一粘合层。具体的，如图6所示，首先，所述第一衬底100包括硅衬底，在所述硅衬底上形成第一介质层105，优选的，所述第一介质层105为氧化硅膜层，然后在所述第一介质层105上沉积第一导体层104，优选的，所述第一导体层104为多晶硅。接着，通过光刻、刻蚀工艺在所述第一导体层104中制作麦克风单元的敏感薄膜108a和电容式压力传感单元的感应薄膜 IOla及电连线层103。所述敏感薄膜108a用于和后续形成背板电极形成电容，且所述敏感薄膜108a可以在声信号的作用下振动，将声信号转换为电信号；所述敏感薄膜108a和感应薄膜IOla 的材料为低应力多晶硅，低应力多晶硅能够降低外界给予所述敏感薄膜108a和感应薄膜 IOla的应力的敏感度，受外界的应力影响较小。然后，如图7所示，在具有敏感薄膜108a和电容式压力传感单元的感应薄膜IOla 的第一衬底表面淀积第二介质层106，优选的，所述第二介质层106为氧化硅膜层，进行光刻、刻蚀所述氧化硅膜层在第二介质层106中制作通孔(图中未标号)。接着，如图8所示，在所述第二介质层106上沉积第二导体层107，同时也填充通孔 (用于形成支撑臂和其他连接结构)，优选的，所述第二导体层107为多晶硅，接着，通过光刻、刻蚀工艺在所述第二导体层107中制作麦克风单元的背板电极108b和电容式压力传感单元的可动电极101d，然后淀积第一粘合材料层(图中未示出)，所述第一粘合材料层形成于第二导体层107上面，但并不位于背板电极108b和可动电极IOld上，避免影响器件的灵敏度；采用第一掩模板进行光刻工艺，然后对第一粘合材料层进行刻蚀从而形成第一粘合层102，优选的，还可以同时形成背板电极中的通孔，该步骤的刻蚀工艺可以采用传统的湿法刻蚀或等离子刻蚀工艺。最后，如图9所示，进行MEMS结构释放，去除暴露出的第二介质层106的材料，从而完成第一衬底100的制作过程。步骤S2 提供第二衬底，在所述第二衬底上形成导体间介质层和所述导体间介质层中的导体连线层和固定电极，和/或所述第二衬底表面的第二粘合层。参照图10所示，所述第二衬底200包括SOI衬底或者单晶硅衬底，优选的，按照传统工艺在该第二衬底200内先形成信号处理电路，所述信号处理电路例如包括CMOS电路； 然后形成信号处理电路上的导体间介质层203(也可以直接形成导体连线层)、位于所述导体间介质层203中的导体连线层201，其中导体连线层中包括固定电极201a，该步骤可以采用铜互连工艺或者铝互连工艺。接着，在所述导体间介质层203上淀积第二粘合材料层(图中未示出)，采用第二掩模板进行光刻工艺，然后对第二粘合材料层进行刻蚀从而形成第二粘合层202，该第二粘合层202可以由导体间介质层中的通孔和连接插塞与其下方的导体连线层201电性连接。所述固定电极201a用于与之前形成的感应薄膜IOla形成电容，并将电容感应到的压力信号转换成电信号。其中，所述第一粘合层102与第二粘合层202均为导电材料，例如，所述第一粘合层102和/或第二粘合层202为Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/Ge叠层。当所述第一粘合 102层和/或第二粘合层202为Au/Sn叠层时，采用电镀工艺形成其图形，Al/Ge叠层可以采用光刻、刻蚀工艺形成其图形。优选的，第二粘合层202采用与导体连线层201相同的材料，例如Al，则所述第二粘合层202为导体连线层中的最上层导体层，换言之，在制造导体连线层中的最上层导体层的过程中，同时制作第二粘合层202的图案，这样可以节省一道光刻工艺，有利于降低成本。经过光刻、刻蚀工艺后，所述第一粘合层102与第二粘合层202的图案对应，这里 “对应”的含义是当第一衬底100和第二衬底200相对设置时，第一粘合层102朝向第二粘合层202，两者图案的位置和形状相互配合，能够对应连接。可选的，如图11所示，制作第二衬底200过程还可以包括在第二衬底200内形成对应与第一衬底100敏感薄膜位置的沟槽208，以延伸空腔108d(参见图12、13)的空间。形成第二粘合层202的同时，在所述导体连线层201以及之外的第二衬底200上形成压焊焊垫区的多个压焊焊垫204。各个压焊焊垫204与第二粘合层202同一工艺中形成。具体的，所述信号处理电路和所述导体连线层201位于第二衬底200的器件区内， 所述器件区之外为压焊焊垫区，压焊焊垫区包括多个压焊焊垫204，用于与压焊引线连接， 此外，所述器件区之外还具有芯片分割区。步骤S3 将所述第一粘合层102和第二粘合层202相对设置并按照图案对应的方式粘接，以连接第一衬底100和第二衬底200。具体的，参照图12所示，先将第一衬底100的第一粘合层102与第二衬底200的第二粘合层202的位置相对，使其图案相互接触，然后从两个衬底的背面施加压力，同时进行加热使第一粘合层102和第二粘合层202的接触面相互融合，例如所述第一粘合层102 和第二粘合层202为Al层，通过衬底背面的吸盘对衬底施加40k-90k牛顿压力，加热衬底至400°C，相互接触的Al层发生固态扩散，降温后实现固定连接。上述连接工艺的工艺参数因第一粘合层102和第二粘合层202材料不同而不同。第一粘合层102和第二粘合层202均为导电材料，例如金属或者合金，固定连接的同时还能够将第一衬底100的电容式压力传感单元101及电连线层103与第二衬底200的导体连线层201 (或信号处理电路)电连接，实现麦克风单元、电容式压力传感单元与导体连线层(或信号处理电路)的集成。步骤S4 在所述第一衬底中形成第一开口和第二开口，所述第一开口暴露出敏感薄膜或背板电极，所述第二开口暴露出感应薄膜。如图13所示，在第一衬底背面形成具有第一开口和第二开口图案的光刻胶层(图中未示出)，以第一衬底100的背面作为刻蚀起始面，去除未被光刻胶保护的硅衬底材料和第一介质层105的材料，直到暴露出敏感薄膜108c和感应薄膜101c。如果敏感薄膜108c 和感应薄膜IOlc不在同一层，则分为两道光刻程序刻蚀。优选的，如图13所示，连接第一衬底100和第二衬底200之后还包括形成第一开口 108c和第二开口 IOlc的同时，采用刻蚀工艺去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底100 和第一介质层105，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫204。为保证与第一开口 108c 和第二开口 IOlc刻蚀过程的一致性，需要在制作第一衬底的过程中(步骤Si)，刻蚀第二介质层106的通孔的同时去除压焊焊垫区对应的第二介质层106材料。另外，上述步骤也可以在第一衬底100的第一粘合层102与第二衬底200的第二粘合层202的图案相互接触之前单独对第一衬底100进行，这样可以避免刻蚀工艺对第二衬底200的污染。去除电容式压力传感单元101的感应薄膜IOla对应的第一衬底100可以依次去除第一衬底100和第一介质层105，仅剩余感应薄膜IOla和敏感薄膜108a ；也可以使刻蚀停止在第一介质层105表面而仅去除第一衬底100，这样第一介质层105可以起到保护感应薄膜的作用，这种方案需要在制作第一衬底的步骤Sl中提前去除压焊焊垫区对应的第一衬底上的第一介质层105。本发明的另一实施例中，以上步骤Sl和步骤S2的顺序可以相互调换，也可以同时进行，不分先后顺序，实际生产中第一衬底和第二衬底制作工艺可以能够在不同的机台完成，有利于提高产能。实施例二中MEMS麦克风及压力传感器的制作方法与本实施例不同之处在于还包括形成第三开口 209(参见图4)，该第三开口 209可以在第一衬底和第二衬底连接之前形成，也可以在第一衬底和第二衬底连接之后形成。例如，在第一衬底100’和第二衬底200’ 粘合工艺完成后，需要在第二衬底200’背面形成具有第三开口图案的光刻胶层(图中未示出)，以第二衬底200’的背面作为刻蚀起始面，依次去除未被光刻胶保护的硅衬底材料和导体间介质层203’的材料，直到暴露出所述空腔108d’。本发明其他实施例中，优选的，在第二衬底的第二粘合层形成之后，在第二衬底的正面覆盖具有第三开口图案的光刻胶层， 通过刻蚀工艺形成第三开口。采用本发明提供的MEMS麦克风及压力传感器体积小，性能高，且所述第一基底和第二基底构成封闭结构，本发明的MEMS麦克风及压力传感器及其制作方法不但制造工艺和封装工艺简单，且体积小，信噪比性能优良，抗干扰能力高。以上实施例所述MEMS麦克风及压力集成传感器，其第二衬底均包括至少一层导体连线层和第二粘合层，事实上，也可以仅具有一层导体连线层，该导体连线层兼作第二粘合层。本发明实施例所述的导体连线层、导体间介质层或第一导体层、第二导体层中的 “导体”包括但不限于金属、合金或半导体等材料。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，包括第一衬底，具有电容式压力传感单元的感应薄膜、麦克风单元的敏感薄膜和所述第一衬底表面的第一粘合层；第二衬底，具有导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；其中，所述第二衬底与第一衬底相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，所述第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述压力传感单元的感应薄膜与麦克风单元的敏感薄膜位于同一膜层中，或者，所述压力传感单元的感应薄膜与麦克风单元的背板电极位于同一膜层中。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述麦克风单元包括敏感薄膜、空腔和背板电极，所述空腔形成于第一衬底和第二衬底之间，所述背板电极位于空腔内，与敏感薄膜的位置对应；所述第一衬底的背面具有第一开口，该第一开口与所述敏感薄膜或背板电极的位置对应。
4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述电容式压力传感单元包括感应薄膜、参考压力腔和固定电极，所述参考压力腔位于第一衬底与第二衬底之间，所述固定电极位于参考压力腔中，与感应薄膜的位置对应；所述第一衬底的背面具有第二开口，该第二开口将所述感应薄膜暴露。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述麦克风单元的敏感薄膜和背板电极的位置可以互换。
6.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述敏感薄膜的材料包括低应力多晶硅。
7.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述第二粘合层位于导体连线层上方，或者，所述第二粘合层为导体连线层中的最上层导体层。
8.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述第一粘合层和/或第二粘合层为Ge层、Si层、Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/Ge叠层。
9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述第一衬底包括硅衬底、所述硅衬底上的第一介质层、所述第一介质层上的第二介质层、镶嵌于所述第二介质层中的第一导体层，以及所述第二介质层上的第二导体层；所述第一粘合层位于第二导体层上；所述电容式压力传感单元还包括位于所述参考压力腔内的可动电极，所述可动电极通过支撑臂与所述感应薄膜中心位置连接；所述感应薄膜和敏感薄膜形成于第一导体层中，所述可动电极和背板电极形成于第二导体层中。
10.根据权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述第二衬底为SOI衬底或者单晶硅衬底，所述导体间介质层下的衬底内还包括信号处理电路。
11.根据权利要求3或4所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述第二衬底的背面具有第三开口，与所述麦克风单元的敏感薄膜的位置对应，将所述空腔暴露。
12.根据权利要求11所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，还包括 封装衬底，承载MEMS麦克风与压力集成传感器并对应于所述第二衬底的背面；封装体，位于所述封装衬底上方及所述第一衬底和第二衬底周围，并暴露出所述第一开口和第二开口，该封装体的材料包括塑料；封装盖，位于所述封装体顶部，与所述第一衬底之间具有封装空腔； 其中，所述封装衬底中具有与所述第三开口连通的声音及压力开口。
13.根据权利要求4所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，还包括 封装衬底，承载MEMS麦克风与压力集成传感器并对应于所述第二衬底的背面；封装体，位于所述封装衬底上方及所述第一衬底和第二衬底周围，并暴露出所述第一开口和第二开口，该封装体的材料包括塑料。
14.根据权利要求11或12所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于， 所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间还包括应力缓冲层。
15.根据权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器，其特征在于，所述第二衬底还包括位于导体连线层外围的多个压焊焊垫，所述多个压焊焊垫所对应的第一衬底被去除。
16.一种如权利要求1所述的MEMS麦克风与压力集成传感器的制作方法，其特征在于， 包括以下步骤步骤Sl 提供第一衬底，在所述第一衬底上形成电容式压力传感单元的感应薄膜、麦克风单元的敏感薄膜和所述第一衬底表面的第一粘合层；步骤S2 提供第二衬底，在所述第二衬底上形成导体间介质层和所述导体间介质层中的导体连线层和固定电极，和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；步骤S3 将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接，以连接第一衬底和第二衬底；步骤S4 在所述第一衬底的背面形成第一开口和第二开口，所述第一开口暴露出敏感薄膜或背板电极，所述第二开口暴露出感应薄膜。
17.根据权利要求16所述的制作方法，其特征在于，还包括形成第一开口和第二开口的同时，采用刻蚀工艺去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底和其表面的第一介质层，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫。
18.根据权利要求16所述的制作方法，其特征在于，还包括在所述第二衬底的背面形成第三开口，所述第三开口的位置对应于所述麦克风单元的敏感薄膜或背板电极。
19.根据权利要求16所述的制作方法，其特征在于，将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接包括以下步骤将第一衬底的第一粘合层与第二衬底的第二粘合层的位置相对，使其图案相互接触； 从两个衬底的背面施加压力，同时进行加热使第一粘合层和第二粘合层的接触面相互融合。
全文摘要
一种MEMS麦克风与压力集成传感器及其制作方法，包括第一衬底，具有电容式压力传感单元的感应薄膜、麦克风单元的敏感薄膜和所述第一衬底表面的第一粘合层；第二衬底，具有导体间介质层、位于导体间介质层中的导体连线层和/或第二衬底表面的第二粘合层；第二衬底与第一衬底相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。本发明提供的MEMS麦克风及压力传感器及其制作方法，通过两个衬底将电容式压力传感单元及麦克风单元集成，适用于大规模生产的、集成各种MEMS传感器的芯片结构，有利于和集成电路工艺兼容，提高制作工艺和封装工艺的标准化，器件体积小信噪比性能优良，抗干扰能力高。
文档编号H04R19/04GK102158787SQ201110061170
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者柳连俊 申请人:迈尔森电子(天津)有限公司