专利名称：制备微机电系统麦克风的方法
技术领域：
本发明涉及MEMS工艺和器件，并且具体涉及有关换能器的MEMS工艺和器件，该换能器具体是电容式麦克风。
背景技术：
消费电子器件变得越来越小，并且随着技术的发展，日益增长的性能和功能不断增加。这在诸如移动电话、膝上型计算机、MP3播放器和个人数字助理(PDA)等消费电子产品使用的技术中清楚明显。例如，移动电话产业的要求促使这些组件变得越来越小，同时具有更高的功能以及更低的成本。因此，期望将电子电路的这些功能集成到一起，并且将其与诸如麦克风和扬声器等换能器组合。结果出现了基于微机电系统(MEMS)的换能器器件。例如，这些可以是用于检测和/或产生压力波/声波的电容换能器，或用于检测加速度的换能器。不断地促使通过与操作和处理来自MEMS的信息所需的电子电路集成，移除换能器-电子接口来降低这些器件的尺寸和成本。实现这些目的的挑战之一是，在制造MEMS器件期间难以实现与用于制备互补型金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的标准工艺的兼容性。这是需要的，以使得使用相同的材料和处理机器将MEMS器件直接与常规电子装置集成。本发明试图填补该空白。使用MEMS制备工艺形成的麦克风器件通常包括一个或多个膜，用于读出/驱动的电极设置在这些膜和/或衬底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，读出通常是通过测量电极之间的电容来实现的。在换能器的情况下，器件是通过提供在电极之间的电势差来驱动的。图1示出了在衬底2上形成的电容式麦克风。第一电极4机械连接到膜6。第二电极8机械连接到结构上呈刚性的背板14。在制造上述的MEMS器件期间，使用位于膜6和第二电极8之间的牺牲层形成膜6。使用被称为“背部蚀刻(back-etch)”的蚀刻工艺从衬底下形成背部体积(back-V0lumn)12。位于膜6和第二电极8之间的牺牲层在该工艺中之后被移除，以使膜6挂起并自由移动。上述处理的缺点是当使用湿式蚀刻或干式蚀刻时难以以精确方式执行背部蚀刻。换句话说，难以获得连贯一致的背部体积，特别是当执行湿式背部蚀刻时，因为背部体积的侧面当其接近第一电极4和膜6时倾向于向内会聚，而不是如图1的理想情况所示的平行。该背部蚀刻的逐渐变细可以改变电极4和膜6的尺寸，并且由此改变麦克风的诸如频率响应和灵敏度等工作特性。还应当理解，为了将换能器并入有用的器件，必须将其连接或耦合到电子电路，该电子电路可以位于相同的衬底上或位于单独的集成电路上。然而，这将导致干涉、噪声和寄生电容和电感的问题。
通常，这些膜是薄的，十分之几微米的量级，并且尺寸范围可以从数十到数千微米。因此，这些器件可能是易碎的，并且可能在单元化(singulation)期间被毁坏。单元化是一种工艺，在该工艺中，其上制备有MEMS器件的衬底晶片被切成方块，使每个切成的方块上仅可以找到一个器件(或器件组)。该工艺通常是通过利用高速旋转金刚石刀片将晶片切成方块来实现的。替代地，可以使用激光切割该晶片，或沿晶体轴划割和劈开该晶片。当应用于MEMS结构时，所有这些切割方法都有相关联的问题。在刀片单元化期间，晶片的表面一般充满通常是水的润滑冷却剂，意在防止晶片的温度变得太高并且确保金刚石刀片保持在安全工作的范围内。这从水和晶片的研磨片产生了浆，其可以渗入MEMS结构的任何开口部分并且使其无用，因为由于切割器件的小尺寸导致难以在后续阶段将浆清洁出来。另外，润滑冷却剂可能被高速喷洒到晶片上，从而使得任何精细传感器处于高机械应力下并可能毁坏它。激光单元化比刀片单元化稍微干净，但是更昂贵。然而，通过切割工艺产生的热可能引起热梯度，从而导致传感器结构中不同的热膨胀区域，这可以使其变形并使其无用。激光单元化工艺也产生一些残渣，该残渣可以阻碍任何开口结构，并且阻止器件正常工作。最后，通过划割和劈开来单元化晶片于劈开期间在晶片上施加了极高的机械应力，并且产生了大量的如上所述可能毁坏器件的碎片。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种在衬底上制备微机电系统(MEMS)的方法。该方法包括下列步骤:相对于膜的第一侧沉积第一牺牲层；相对于膜的第二侧沉积第二牺牲层；以及移除所述第一和第二牺牲层，以便形成其中膜可移动的MEMS换能器。提供所述第一和第二牺牲层具有多个优点。第一，牺牲层有助于在其它制备步骤期间保护膜。第二，所述第一和第二牺牲层使膜的尺寸的形成能够独立于随后的背部蚀刻工艺。根据本发明的另一方面，提供了一种在衬底上制备微机电系统(MEMS)麦克风的方法。该方法包括下列步骤:沉积第一和第二电极；沉积膜，该膜机械耦合到所述第一电极；以及沉积背板，所述背板机械耦合到所述第二电极。所述沉积膜的步骤进一步包括在第一牺牲层上沉积膜的步骤。所述方法进一步包括下列步骤:在所述第一和第二电极之间的区域中沉积第二牺牲层；以及移除所述第一和第二牺牲层来形成MEMS麦克风，所述麦克风具有在膜下的第一腔以及在所述第一和第二电极之间的第二腔，以便所述膜和所述第一电极能够相对于所述第二电极移动。根据本发明的又一个方面，提供了一种微机电系统(MEMS)电容式麦克风,包括:第一和第二电极；机械耦合到所述第一电极的膜；以及机械耦合到所述第二电极的背板；其中所述第一和第二电极均具有不同于膜的直径的直径。根据本发明的又一个方面，提供了一种微机电系统(MEMS)电容式麦克风,包括:第一和第二电极；机械耦合到所述第一电极的膜；以及机械耦合到所述第二电极的背板；其中所述第二电极包括一个或多个开口。根据本发明的又一个方面，提供了一种制备微机电系统(MEMS)麦克风的方法。该方法包括下列步骤:沉积第一和第二电极；沉积膜，该膜机械耦合到所述第一电极；以及沉积背板，所述背板机械耦合到所述第二电极；其中所述沉积第二电极的步骤包括在所述第二电极中形成预定图案的步骤，并且其中所述预定图案包括一个或多个开口。根据本发明的又一个方面，提供了一种测试在晶片上形成的多个微机电系统(MEMS)麦克风的方法，每个MEMS麦克风都包括膜以及至少一个牺牲层。所述方法包括下列步骤:将所述晶片附在载体上；单元化所述晶片以形成两个或更多个MEMS麦克风；移除所述至少一个牺牲层；以及在所述MEMS麦克风附到载体上时对其进行测试。根据本发明的又一个方面，提供了一种微机电系统(MEMS)麦克风，包括衬底;第一和第二电极；机械耦合到所述第一电极的膜；以及机械耦合到所述第二电极的背板；并且进一步包括:在所述膜之下的第一腔，所述第一腔使用第一牺牲层形成；以及在所述第一和第二电极之间的第二腔，所述第二腔使用第二牺牲层形成。根据本发明的又一个方面，提供了一种制备微机电系统麦克风的方法，该方法包括下列步骤:沉积第一和第二电极；沉积膜，该膜机械耦合到所述第一电极；以及沉积背板，所述背板机械耦合到所述第二电极；其中所述沉积第二电极的步骤包括在所述第二电极中形成预定图案的步骤，并且其中所述预定图案包括一个或多个开口，所述开口对应于在所述背板中形成的一个或多个开口，并且在所述第二电极中的至少一个所述开口大于所述背板中的对应开口。
为了更好的理解本发明，并且为了更清楚地显示其是如何实现的，现在将仅以示例的方式参照以下附图，其中:图1是MEMS麦克风的示意性横截面视图；图2是根据本发明的MEMS麦克风的示意性横截面视图；图3是图2中示出的MEMS麦克风的立体图；图4-19是图示了图2和3中详细给出的MEMS麦克风的制备工艺的示意性横截面视图和立体图；图20示出了根据本发明的另一个方面的电极；以及图21a、21b和21c图示了通气孔的布置。
具体实施例方式图2和3分别示出了根据本发明的电容式麦克风器件的示意图和立体图。电容式麦克风器件包括响应于由声波产生的压力差而自由移动的柔性膜11。第一电极13机械率禹合到柔性膜11，并且它们一起形成电容式麦克风器件的第一电容板。第二电极23机械f禹合到通常呈刚性的结构层或背板14，它们一起形成电容式麦克风器件的第二电容板。电容式麦克风被形成在衬底I上，该衬底例如为硅晶片。背部体积33被提供在膜11下面,并且通过对衬底I使用“背部蚀刻(etch-back)”而形成，如在本申请下文将更详细描述的。第一腔9直接位于膜11下面。第一腔9在制备工艺期间使用第一牺牲层而形成。插入第一电极13和第二电极23之间的是第二腔17。第二腔17在制备工艺期间使用第二牺牲层而形成。多个下文称为通气孔15的开口连接第一腔9以及第二腔17。还有多个下文称为声孔31的开口布置在背板14中，以便使得空气分子能够自由移动，从而声波可以进入第二腔17。与背部体积33相关联的第一腔9和第二腔17使得膜11能够响应于通过背板14中的声孔31进入的声波而移动。如从下面图4-19中制备工艺的详细描述中更充分理解的，提供第一和第二牺牲层具有使膜11的形成与背部体积的蚀刻相分离的优点。特别的，使用第一牺牲层来形成第一腔9意味着背部体积的蚀刻并不影响膜的直径的限定。而是，由第一腔9的直径(其进而由第一牺牲层的直径限定)结合第二腔17的直径(其进而由第二牺牲层的直径限定)限定膜11的直径。如下面将更详细解释的，相比于使用湿式蚀刻或干式蚀刻执行的背部蚀刻工艺的直径，使用第一牺牲层形成的第一腔9的直径可以受到更精确地控制。将第一腔9与第二腔17连接的通气孔15具有多个优点。例如，在制备工艺期间，通气孔15帮助移除第一和第二牺牲层。特别地，当使用干式蚀刻工艺从膜11上面蚀刻时，通气孔15例如使得未在之前的背部蚀刻工艺期间蚀刻的第一牺牲层的部分能够通过通气孔15，即从器件上面，被蚀刻。换句话说，一旦从膜上面进行的蚀刻工艺已经移除第二腔17中的第二牺牲层，通气孔15就使得蚀刻工艺能够移除在通气孔15下的区域中、第一腔9的外部区域中的第一牺牲层。另外，一旦牺牲层已经被移除，通气孔15就允许有限或受限的空气流从第二腔17穿过到达第一腔9和背部体积33。该空气流的弯曲路径有助于改进电容式麦克风在特定频率的工作特性。例如，通气孔15可以配置成使它们向具有低于约20Hz的频率(即，人类可听范围的下端)的压力波提供低阻抗，并且向更高频率的压力波提供更大的阻抗。这确保更高频率的压力信号作用于膜，而不是通过通气孔15绕开膜。电容式麦克风的这个特性具有的优点是:通过使不需要的信号，如风噪声，绕过膜来消除这种不需要的低频信号。注意，器件的频率响应服从经典的1/-RC的关系，其中在这种情况下，R与通过通气孔15的受限空气流有关，并且C与背部体积33的体积有关。因此，应理解，该器件的工作特性可以通过在制造工艺期间调节通气孔15和/或背部体积33的位置和大小来改变。还注意，器件的频率响应可以根据麦克风所要与之连接的电子电路的特性来调节。本申请的下文将参照附图4-19提供上述这些方面的进一步的细节。为了处理来自麦克风的电输出信号，设备可以具有使用标准CMOS工艺集成地制备在衬底I上的电路区域(未示出)。该电路区域可以包括导电的(例如铝或铜)电路互连件，其用于通过连接至电路区域的互连点电连接到麦克风。可以使用标准处理技术在CMOS硅衬底中制备该电路区域，该标准处理技术诸如为离子注入、光刻法、金属沉积和蚀刻。该电路区域可以包括可操作连接MEMS麦克风并处理相关联信号的任何电路。例如，一个电路区域可以是前置放大器，连接该前置放大器以便放大来自麦克风的输出信号。另外，另一个电路区域可以是电荷泵，其用于在两个电极上产生例如10伏的偏压。这具有的效果是:电极间隔(即，麦克风的电容板)的变化改变MEMS麦克风的电容；假设电荷恒定，电极上的电压相应改变。优选具有高阻抗的前置放大器用于检测这样的电压改变。电路区域可以可选地包括模数转换器(ADC)，以将麦克风的输出信号或前置放大器的输出信号转换成相应的数字信号，并且可选地包括数字信号处理器，以处理或部分处理这样的数字信号。此外，电路区域还可以包括数模转换器(DAC)和/或适于无线通信的发射机/接收机。然而，本领域的普通技术人员应理解，可以设想可操作地连接到MEMS换能器信号和/或关联信号的很多其它电路布置。还应理解，替代地，麦克风器件可以是混合器件(例如，由此电子电路完全位于单独的集成电路上，或由此电子电路部分位于如麦克风的同一器件上并且部分位于单独的集成电路上)或单块器件(例如，由此电子电路完全集成到如麦克风的集成电路内)。麦克风具有通常为Imm的直径。下面提供了其它直径作为与制备工艺相关的示例。现在将简要描述麦克风的工作。响应与入射到麦克风的压力波对应的声波，膜11从其平衡位置稍微变形。下电极13和上电极23之间的距离相应改变，从而导致随后被电子电路(未示出)检测的两个电极之间的电容改变。现在将参照图4-19并且参照上述图2中的元件描述制备上述实施方案的工艺。图4-19是图示了用于制备图2和3中示出的MEMS麦克风的工艺的示意性横截面视图和/或立体视图。在图4-19的描述中，注意，各种尺寸(文字描述以及图示)仅作为示例来给出。此夕卜，应力值和目标的提及用来指经完全处理的MEMS器件合成的层/形貌的应力，并不是所沉积的单个层/形貌的应力。参照图4，MEMS器件的制备工艺是基于衬底101的。在该实例中，为了集成CMOS电子器件和CMOS处理技术，衬底101是硅片，但应理解，可以使用其它衬底材料和电子制备技术。硅衬底101经历热氧化，以形成热氧化晶片层103和105。硅衬底101具有例如范围在300微米到1000微米的厚度，例如625微米。每个热氧化层103、105都具有高达15微米的厚度，例如0.6微米。注意，热氧化层103、105是有压缩力的。作为使用热氧化的替代，可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积氧化层。在图5中，电介质层，例如氮化硅电介质层107，被沉积到热氧化层103上。可以使用300° C温度下的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等方法来沉积氮化硅电介质层107。氮化硅电介质层107在MEMS器件的后续处理期间(特别是与下面图18中描述的背部体积的蚀刻有关)用作蚀刻停止层。优选氮化硅电介质层107具有范围在2.3微米到2.7微米的厚度，例如2.5微米，以及在25到75MPa之间的张应力，例如50MPa。应理解，可以使用其它电介质层和/或工艺。例如，该层可以不是纯硅，可以使用硼磷硅玻璃(BPSG)，因为其可以在较低温度下被沉积。本领域的普通技术人员应理解，层的应力将不仅与层的厚度有关，还与沉积条件有关。接着，参照图6a，第一牺牲层109通过沉积和蚀刻涂层而形成在氮化硅电介质层107上。为了确保与CMOS制备技术相容，第一牺牲层109可以由多种材料制成，这些材料可以使用干燥释放工艺被移除。使用干燥释放工艺是有利的，因为在释放牺牲层之后不需要附加的工艺步骤或干燥。聚酰亚胺优选作为牺牲层(例如，日立、杜邦聚酰亚胺PI2610或PI2545)，因为其可以很容易被旋制到衬底上并且利用氧等离子体清洗而去除。聚酰亚胺涂层被旋制到片上以形成保形涂层，并随后在大气压力的空气中于200° C温度下固化30分钟，并然后在大气压力的流动氮化物环境中于375° C下固化30分钟。本领域的普通技术人员应理解，这些参数的值仅作为例子被提供，并且可以考虑任何适于沉积聚酰亚胺牺牲层的条件。底漆(primer)可以用于聚酰亚胺层，该底漆诸如为HD VM651。然后聚酰亚胺层被光阻剂图案化，并在各向异性氧等离子体中被蚀刻，从而留下如图6a所示的第一牺牲层109。第一牺牲层109具有例如在0.9微米到1.1微米之间的厚度，例如I微米。本领域的普通技术人员应理解，可以使用替代的方法来沉积第一牺牲层109，例如应用并蚀刻感光的聚酰亚胺。第一牺牲层109限定了膜下面的腔(即，图2中的第一腔9)的尺寸和形状，当如下所述移除第一牺牲层109时将留下该腔。除了创建第一牺牲层109之外，聚酰亚胺涂层的蚀刻还可以涉及识别和/或对准形貌(例如，图6b立体图中所示的110、110a、110b)的形成。识别和对准形貌有助于MEMS器件的后续处理。出于多种原因提供了第一牺牲层109。这些原因包括在制造工艺期间支撑和保护MEMS器件的膜。第一牺牲层109还被提供用于限定膜的直径，这样，膜的尺寸可以根据第一牺牲层的尺寸事先加以确定，而不是根据在从晶片下面形成背部体积时所执行的蚀刻工艺来确定膜的尺寸。图7中，隔膜层，例如氮化硅隔膜层111，被沉积在氮化硅层107以及第一牺牲层109上。氮化硅隔膜层111的一部分用于形成麦克风的膜(即图2中的膜11)。氮化硅隔膜层111可以使用PECVD工艺在300° C沉积，其中硅烷(SiH4)、氨(NH3)和氮(N2)分别具有40、40和HOOsccm (标准立方厘米/分钟)的流速。RF功率可以是20W，并且可以在高频(13.56MHz)和低频(400kHz)之间每隔6秒改变一次。氮化硅隔膜层111具有例如在0.38微米到0.42微米之间的厚度，例如0.4微米，以及在40到50MPa的张应力，例如45MPa。尽管图6a和7a中未示出，但是第一牺牲层109的上表面可以在其外部区域(即，第一牺牲层109的外围附近)形成有一个或多个凹陷(以小腔的形式)。因此，氮化硅隔膜层111的沉积导致在膜的外部区域或外围形成一个或多个凹陷(以突起的形式)。膜11的外部区域的这些凹陷减少了膜与下方衬底的接触面积。这防止膜粘连到所示的由图2中第一腔9形成的“双向折弯(dog-leg)”中的区域，即在远离背部体积形成的开口的区域。这些凹陷降低了静摩擦力，使它们低于回复力(即膜的张力)，从而允许膜释放自己。注意，膜11可以由氮化硅之外的材料形成。例如，膜还可以是多晶硅。替代地，膜可以是包括金属/氮化物/金属或氮化物/金属/氮化物的夹层结构的一部分。例如，可以由铝/氮化硅/铝(具有例如50纳米/400纳米/50纳米的厚度)形成复合堆。替代地，金属层可以被掩埋在由氮化硅/铝/氮化硅形成的复合堆中。另外，在铝和氮化硅之间可以使用钛粘连层。形成夹层结构具有降低不想要的膜变形的优点。换句话说，如果电极放置在两个氮化物层之间，或反之，那么压力更为均衡，从而使膜的移动伴随较少不想要的变形。接着，参照图8a，通过在氮化硅隔膜层111上沉积或溅射例如铝的导电材料，形成第一电极113。优选第一电极113具有范围在0.04微米到0.06微米的厚度，例如0.05微米，并且在175到225MPa之间的张应力，例如200MPa。注意，这些厚度和应力值是基于由铝制成的第一电极的，并且根据其它材料制成的电极，其它厚度和应力值可以应用。通过溅射来沉积第一电极113因所使用的衬底温度低而优选于诸如热蒸发的其它方法。这确保了与CMOS制备工艺相容。另外，沉积除了铝之外的材料时，该方法从精确控制所沉积的薄膜构成的能力中获益。溅射将材料均匀沉积到所有表面上，所以沉积薄膜必须通过抗蚀剂应用以及利用C12/BC13气体混合物的干燥蚀刻来图案化，以限定下电极15的形状并且限定实现互连到电路区域(即，下面的CMOS电路或片外电路)的互连点114b。
从图8a可以看出，第一电极113并不覆盖膜111的整个直径，因为膜111的外部区域经受更少的移动并且因此贡献相对固定的电容。因此，根据本发明的这个方面，第一电极113的直径不同于膜111的直径。例如，第一电极113的直径可以在膜111的直径的50%-70%之间。然而，本领域的普通技术人员应意识到可以使用其它值。例如，第一电极可以低于膜直径的90% ;低于膜直径的80%，或任何其它值。尽管在优选实施方案中第一电极113的材料是铝，但是本领域的普通技术人员应意识到第一电极113可以包括任何其它适于用作电极的材料的导电材料,如AlS1、AlSiCu、Ti, Tiff, Cu、N1、NiCr、Cr、Pt、Ta 或 Pd。图8b中示出了第一电极113的立体图，该图示出了第一电极113具有关联的轨道114a和衬垫114b，用于将第一电极113互连到在相同衬底或不同集成电路上的其它电路。由于所采用的横截面的性质，在图8a中未示出轨道114a。应理解，可以使用其它电极材料或电极堆来最小化应力。例如，电极堆可以包括钛粘连层以及铝导体。在图9中，在氮化硅隔膜层111的隔膜区域形成了多个开口或通气孔115。通气孔115可以通过在氮化硅隔膜层111中蚀刻孔来形成。例如，通气孔115直径可以是大约2微米。作为在形成第一电极113之后形成通气孔115的替代，注意，通气孔115还可以在形成第一电极113之前并且在形成氮化硅隔膜层111步骤之后立即形成。布置通气孔115，使通过第一通气孔115蚀刻的区域基本上叠盖通过邻近通气孔蚀刻的区域。通气孔可以具有少于100微米的间隔。关于通气孔定位的进一步的细节将在下面关于图21a、21b和22c中讨论。在图1Oa中，第二牺牲层117，优选与第一牺牲层109相同或类似的聚酰亚胺层，沉积在氮化硅隔膜层111上，使第二牺牲层117覆盖第一电极113和通气孔115。第二牺牲层117限定在膜上方的腔(即，图2中的第二腔17)的尺寸和形状，当如下所述移除第二牺牲层117时将留下该腔。第二牺牲层117具有例如在2.1微米到2.3微米之间的厚度，例如为2.2微米。尽管示出了第二牺牲层117具有与第一牺牲层109几乎相同的尺寸，但是注意，第一和第二牺牲层109、117可以具有不同的尺寸，例如具有不同的厚度和/或不同的直径。图1Ob示出了添加有第二牺牲层117的器件的立体图。图11示出了如何在第二牺牲层117的表面形成多个凹陷119 (以小腔的形式)。例如，凹陷119可以是200纳米深。尽管非必要，但是凹陷119减少了在过压或膜吸合(pull-1n)情况下的接触面积，所述过压或膜吸合使膜的表面与MEMS器件的另一表面形成接触。凹陷119降低了静摩擦力，使它们低于回复力(即膜的张力)，从而允许膜释放自己。如图12a所示，然后通过首先沉积下氮化硅背板层121形成用于支撑第二电极的背板。下氮化硅背板层121可以如上所述在300° C使用PECVD工艺沉积。下氮化硅背板层121具有范围在0.28微米到0.32微米的厚度，例如为0.3微米，并且在50到200MPa之间的张应力，例如为lOOMPa。图12b示出了添加有氮化硅背板层121的器件的立体图。如图13a所示，然后通过在下氮化硅背板层121上沉积例如铝的导电层形成第二电极123。第二电极123具有例如在0.09微米和0.11微米之间的厚度，例如为0.1微米。图13b示出了第二电极及其关联轨道124a和衬垫124b的立体视图，该轨道和衬垫用于连接到其它电路组件。应理解，由于所采用的横截面的性质，在图13a中未示出轨道124a。如从图13a可以看出的，第二电极123具有与第一电极113几乎相同的直径。同样，第二电极123的直径不同于膜111的直径。下文将参照图20，在本申请中描述关于本发明的这个方面的进一步的细节，这些细节包括关于第二电极123的形状和尺寸的进一步的方面。如同第一电极113的情况，第二电极123的材料可以包括其他任何适于用作电极材料的导电材料，例如 AlS1、AlSiCu、Ti, Tiff, Cu、Ni, NiCr, Cr、Pt、Ta 或 Pd。接着，在图14中，通过沉积上氮化硅背板层125形成背板的剩余部分。如上，上氮化硅背板层125可以在300° C使用PECVD工艺沉积。上氮化硅背板层125具有例如在2.1微米到2.3微米之间的厚度，例如为2.2微米，以及在125到175MPa之间的张应力，例如为150MPa。下氮化硅背板层和上氮化硅背板层121、125限定了支撑第二电极123的图2的结构上呈刚性的背板14。背板配置为具有比膜更大的硬度量度，例如比膜的硬度量度大十倍的硬度量度。应理解，对比膜具有更大的硬度量度的背板14的提及意在包括应力本身之内的硬度和应力的组合。在图15中，在上氮化硅层125中蚀刻衬垫连接孔127，以提供到第一和第二电极113U23的电极轨道的衬垫的连接。在该阶段还可以蚀刻其它孔，例如以提供到硅衬底101或MEMS器件的其它区域的连接。接着，在图16a中，例如使用具有在0.95微米到1.05微米之间的厚度(如I微米)的Ti/Al沉积来应用衬垫加厚掩模129。钛用于粘连的目的。例如，这涉及首先沉积50纳米的钛层，然后沉积铝的剩余部分。图16b示出了图16a的立体图。应用衬垫加厚掩模129，以改善各自衬垫的强度。如图17a所示，然后在上氮化硅背板层125中形成多个声孔131。声孔131延伸到第二牺牲层117。当使用如图13a和13b中示出的第二电极时，这涉及蚀刻通过上氮化硅背板层125和第二电极123区域中的第二电极123的步骤。然而，如从下面第二电极123的进一步的讨论中将理解的，当如参照图20所讨论的，当电极形成时带有预先存在的孔时，在该阶段可以免去第二电极123的蚀刻。在制备工艺期间，声孔131使得第二牺牲层117 (以及第一牺牲层109的部分，通过通气孔115)可以从晶片上方蚀刻。在使用麦克风器件期间，即，在移除这些牺牲层之后，声孔131使得声波可以穿过到达该膜。声孔131具有例如约5微米的直径，以及例如约15微米的间隔。图17b示出了声孔131的布置的立体图。应理解，可以提供更少或附加的孔。参照图18a，然后通过从衬底下蚀刻形成背部体积133。可以使用湿式蚀刻来执行该蚀刻，一直蚀刻到用作第一蚀刻停止层的氮化硅电介质层107。该湿式蚀刻涉及利用抗蚀剂图案化晶片的背面，然后该图案被转移到晶片背面上的氮化硅电介质层107上，该处没有受到湿式蚀刻化学药品腐蚀。掩模图案通常是方形的，并且对准晶片晶体平面。湿式蚀刻是使用22%四甲基氢氧化铵(TMAH)和78%水的含水溶液执行的，在膜上造成更小的但方形的开口。本领域的普通技术人员应理解，可以利用氢氧化钾执行湿式蚀刻工艺。然后执行进一步的蚀刻通过氮化硅电介质层107直到用作聚酰亚胺蚀刻停止层的第一牺牲层109。如图18b所示，一旦已经如上所述蚀刻了背部体积133，然后就可以从晶片下，SP在远离衬底并且朝向第一牺牲层109的方向上，蚀刻第一牺牲层109的内部区域。第一牺牲层109的内部区域对应于被转移到氮化硅电介质层107的图案。在所述背部体积133与第一牺牲层109接触的平面中的背部体积133的区域小于该平面中第一牺牲层109的区域。如本领域的普通技术人员应理解的，蚀刻该尺寸的背部体积133的工艺导致背部体积自然的逐渐变细(即，随着蚀刻移向蚀刻停止层，掩模图案的方形形状变得更小，从而产生了金字塔形状)。然而，如上所述，由于膜的直径是由第一牺牲层109的外直径(结合第二牺牲层117的外直径)有效限定的，所以与湿式蚀刻工艺期间背部体积的逐渐变细程度无关，因为在背部体积接触第一牺牲层109的点的附近(即图18中点135附近)的背部体积区域并未有助于限定膜的直径。相反，膜的直径是通过后续移除第一牺牲层109的剩余部分，即第一牺牲层109的外部区域，来限定的。这在下面关于图19中进行了描述。作为对湿式蚀刻工艺的替代，可以使用干式蚀刻来形成背部体积133，从而利用相对厚(8微米)的抗蚀剂来图案化衬底，并且在使用表面技术系统感应耦合等离子体(STSICP)机器的反应离子蚀刻中使用sf6/c4f8气体组合物来干式蚀刻衬底。该干式蚀刻可以用于提供具有例如约900纳米直径的背部体积。尽管并不像湿式蚀刻工艺的逐渐变细一样明显，但是干式蚀刻工艺随着其通过衬底、通过第一牺牲层109、朝向氮化娃电介质层107延伸也呈现出背部体积直径的降低。然而，如上所述，由于膜的直径是由第一牺牲层109的外直径有效限定的，所以与干式蚀刻工艺期间背部体积逐渐变细的程度是不相关的，因为在背部体积接触第一牺牲层109的点的附近(即图18a中点135附近)的背部体积的直径没有限定膜的直径。相反，如下所述，膜的直径是通过后续移除第一牺牲层109的剩余部分，SP外部区域，来限定的。为了在上述蚀刻工艺期间一特别在湿式蚀刻工艺期间保护晶片，可以在执行背部蚀刻之前将保护层(未示出)放置在上氮化硅背板层125上。保护层用于在背部蚀刻工艺期间保护晶片的前端。除了在背部蚀刻工艺期间保护基片以免损坏，保护层还防止声孔131被单元化工艺期间可能产生的任何碎片阻塞(也将在下面描述)。一旦已经如上图18a中所述蚀刻了背部体积，并且如图18b所述蚀刻了第一牺牲层109的内部区域，然后就可以通过执行前端蚀刻，即从晶片上方移除第一牺牲层109的剩余部分(即外部区域)以及整个第二牺牲层117。然而，在如此移除第一牺牲层109的剩余部分以及整个第二牺牲层117之前，首先将晶片放置在例如切割胶带的用于单元化的载体上。还可以使用其它载体，例如结合粘连胶带的玻璃载体。当在衬底，即晶片上形成大量的MEMS麦克风时，在称为单元化的工艺中将包含MEMS麦克风的衬底切割成块，以使每个切割块仅有一个器件(或器件的功能组)。注意，在本文中，器件包括一个或多个如上所述的MEMS换能器(以及可能的电路区域)。该方法的这个实施方案是有利的，因为第二牺牲层117以及第一牺牲层109的剩余部分在单元化期间为脆弱的膜结构提供了机械支撑。保护层防止声孔131被切割工艺期间可能产生的任何碎片阻塞或损坏。单元化衬底的方法可以是下列方法中的一个:利用高速金刚石刀片切割；激光切割；或沿晶体方向划刻衬底并劈开衬底。衬底通常附到高温切割胶带。切割胶带可以是适于在移除第二牺牲层117和第一牺牲层109的剩余部分的工艺中保存下来的任何粘连胶带。在单元化期间，未损伤的第二牺牲层117 (以及第一牺牲层109的外部部分)对膜提供了强度和保护，而保护层防止声孔131被从单元化工艺产生的碎片阻塞。单元化之后，每个切割块仅有一个器件，或当生产器件阵列时有多个器件。从晶片上方使用干式蚀刻工艺(例如氧等离子系统)处理仍然在切割胶带上的单元化过的衬底，以移除保护层、第二牺牲层117以及第一牺牲层109的剩余部分。例如，通过声孔131引入的氧等离子体将蚀刻通过到第二牺牲层117，并且还通过通气孔115，以移除第一牺牲层109的剩余部分。在该工艺期间，氧被引入其中放置衬底并且建立等离子体的室中。等离子体中的氧与有机牺牲层反应，以形成然后可以从该室移除的易挥发氧化物。通常，用于该工艺的条件是:温度150° C下在氧等离子体中接近3小时(40%02、射频功率350W、磁场660mT)。然而，本领域的普通技术人员应理解，可以考虑适于移除聚酰亚胺牺牲层的任何条件。因此，如可从上述内容理解的，通气孔115帮助在制备工艺期间移除第一牺牲层109。另外，通气孔115允许受限气流在由第二牺牲层117创建的腔以及由第一牺牲层109和背部体积133创建的腔之间穿过。这导致低频下改善的性能。根据本发明的另一个方面，可以在各器件还在切割胶带上时，但是是在它们已经被单元化之后并且在已经移除牺牲层之后，对它们进行测试。这使得衬底能够大批量被测试，而不是必须得将各器件安装到用于测试的载体上。将所完成的MEMS麦克风从切割胶带移除，并且安装在组件(未示出)中。这可以使用自动取放系统来实现，该自动取放系统从切割胶带举起麦克风芯片并将其放置在封装中，所述封装适于电连接到任何可操作地连接麦克风的器件。除了上述用于移除第一和第二牺牲层的工艺和步骤之外，注意，在本发明的范围内还可以采用其它工艺和步骤。例如，可以在如图18a所述的蚀刻背部体积133工艺之后，但是在移除第一牺牲层109的任何部分之前，将晶片放置在切割胶带上。然后可以单元化该晶片，而第一和第二牺牲层109、117完好无损。然后可以通过从晶片上方蚀刻，即蚀刻通过声孔131、第二牺牲层117、通气孔115以及最后是第一牺牲层109，来移除第一和第二牺牲层109、117。替代地，可以将切割胶带穿孔，以便从晶片下方蚀刻第一牺牲层109的内部部分(如图18b所述)，而从晶片上方蚀刻第二牺牲层117以及第一牺牲层117的外部区域(即，如图19所述)。作为将切割胶带穿孔的替代，载体可以包括具有预定通道、沟槽、突出或其它结构的玻璃载体或硅晶片载体，用于允许在牺牲层放置到载体上之后通过背部体积从下面蚀刻该牺牲层。换句话说，根据该布置，预定通道、沟槽、突出或其它结构使得蚀刻材料或气体能够接触背部体积，以及因此接触第一牺牲层的内部区域。作为替代，或除了具有这种通道、沟槽、突出或其它结构的载体之外，注意，还可以将它们放置在衬底本身上，用于当衬底位于载体上时允许蚀刻材料或气体能够进入背部体积。本发明还包括通过从晶片下方，S卩，从衬底朝向第一牺牲层109的方向上，蚀刻第一和第二牺牲层来移除第一和第二牺牲层。在这样的布置中，通过背部体积133和通气孔115蚀刻第二牺牲层。根据如图20所示的本发明的另一个方面，可以以预定图案沉积第二电极123。预定图案可以包括对应于背板中一个或多个开口——即用于使得声波能够穿过到达图2的第二腔17的声孔131——的位置的一个或多个开口或孔。换句话说，通过使用预定图案形成第二电极，图17a中所述的用于形成声孔131的蚀刻工艺仅需要蚀刻通过氮化硅，而不是通过氮化硅和第二电极。这简化了蚀刻工艺。此外，可以使电极中预制孔的直径大于声孔的直径。这具有封装第二电极并且因此防止器件在使用期间受潮的优点。注意，耦合到膜的电极还可以以类似的方式被封装以在使用期间受到保护。换句话说，如果膜包括夹层电极，同时膜具有对应于夹层电极中一个或多个孔的一个或多个孔，那么可以使电极中的至少一个孔大于膜中的对应孔，从而封装该电极。图21a、21b和21c更详细图示了通气孔115的布置，并且特别是通气孔115关于第一牺牲层109和背部体积133的边界或外部边缘的定位。图21a示出了具有64个通气孔的MEMS器件，图21b示出了具有120个通气孔的MEMS器件，并且图21c示出了具有136个通气孔的MEMS器件。参照图21a，通气孔212布置在第一和第二同心圆上，在第一牺牲层的边缘210附近。每个通气孔212都蚀刻区域211。通气孔212被布置成使区域211互相重叠，从而使得牺牲层的外部区域被蚀刻掉。线213表示背部体积与第一牺牲层接触的平面处的背部体积区域。线213表示由背部蚀刻工艺引入的误差幅度。从湿式蚀刻工艺形成图21a中示出的背部体积(即，具有基本上方形的横截面)。应理解，使用干式蚀刻工艺所产生的背部体积将导致大致圆形的区域。图21b示出了 120个布置在三个同心圆上的通气孔212，而图21c示出了 136个布置在三个同心圆中的通气孔212。注意，选择通气孔212的精确数量和定位，以便调节器件的工作特性，例如器件的低频响应。在太多孔和太少孔之间有一折衷，太多孔影响低频滑落(roll-off)，并且太少孔妨碍正确蚀刻工艺。另外，注意，可以根据连接器件的电子电路来调节器件的性能，或反之亦然。根据本发明的进一步的方面，尽管示出第一电极113沉积在膜一即氮化硅隔膜层111的上部，但是第一电极113还可以形成膜的集成部分，或位于膜的底面上。这样的布置防止膜变形。注意，在示例实施方案中，通过仔细控制膜中的应力并且将膜和第一电极的组合热膨胀系数与硅的热膨胀系数紧密匹配，解决降低温度依赖和增加MEMS麦克风的灵敏度的问题。这在共同未决的PCT申请PCT-06-019中进一步详细地被描述。这可以被实现是因为膜和衬底的热膨胀系数的差别导致膜中依赖温度的应力。因为器件的灵敏度与膜的应力成反比，所以可以通过选择相对低的膜应力来最大化灵敏度。然而，在先前已知的器件中，温度的小变化可能导致灵敏度的大变化，或膜的张力可能被完全释放，从而使器件无用。第一实施方案的膜结构试图解决该问题。首先，仔细选择沉积氮化硅隔膜层111的工艺参数，以控制合成应力。沉积并图案化铝，以形成合成的第一电极113结构。选择这些工艺参数以控制沉积膜111的张应力，以便张应力在40-50MPa的范围中。因为硅衬底具有通常大于氮化硅的热膨胀系数，所以在没有沉积电极的情况下，对于氮化硅膜，膜的张力随温度的增加而增加。相反，铝和其它候选电极材料呈现出比硅更高的热膨胀系数。因此，示例实施方案使用复合膜，其中膜加电极的组合的热膨胀系数更紧密匹配于硅的热膨胀系数。优选材料的典型材料性能列于表I中，来源是 P.R.Scheeper “A silicon condenser microphone:materials and technology，，，ISBN90-9005899-0,54 页。表I
权利要求
1.一种制备微机电系统麦克风的方法，该方法包括下列步骤: 沉积第一和第二电极； 沉积膜，该膜机械耦合到所述第一电极；以及 沉积背板，所述背板机械耦合到所述第二电极；其中所述沉积第二电极的步骤包括在所述第二电极中形成预定图案的步骤，并且其中所述预定图案包括一个或多个开口，所述开口对应于在所述背板中形成的一个或多个开口，并且在所述第二电极中的至少一个所述开口大于所述背板中的对应开口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜包括对应于所述第一电极中一个或多个开口的一个或多个开口。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一电极中至少一个开口大于所述膜中对应的开口。
全文摘要
一种制备微机电系统麦克风的方法，该方法包括下列步骤沉积第一和第二电极；沉积膜，该膜机械耦合到所述第一电极；以及沉积背板，所述背板机械耦合到所述第二电极；其中所述沉积第二电极的步骤包括在所述第二电极中形成预定图案的步骤，并且其中所述预定图案包括一个或多个开口，所述开口对应于在所述背板中形成的一个或多个开口，并且在所述第二电极中的至少一个所述开口大于所述背板中的对应开口。
文档编号H04R31/00GK103096235SQ201310020998
公开日2013年5月8日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年3月20日
发明者R·I·拉明, M·贝格比, A·特雷纳 申请人:沃福森微电子股份有限公司