一种MEMS结构的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种mems(microelectromechanicalsystems的简写，即微机电系统)结构。

背景技术：

mems传声器(麦克风)主要包括电容式和压电式两种。mems压电传声器是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，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压电传声器的发展。而且，压电式mems传声器的谐振频率难以调节。

针对相关技术中如何调节压电式mems传声器的谐振频率的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中调节mems结构的谐振频率的问题，本申请提出一种mems结构，能够有效地调节控制mems结构的谐振频率。

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；压电复合振动层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔，所述压电复合振动层在外围区域具有分割槽；质量块，形成在所述压电复合振动层的上表面的中间区域。

其中，所述分割槽沿第一方向从所述压电复合振动层的上表面连续延伸至所述压电复合振动层的下表面，并且所述分割槽连续地沿第二方向从所述外围区域朝向所述中间区域，所述第一方向与所述第二方向垂直。

其中，所述压电复合振动层包括：第一电极层，形成在所述衬底上方；第一压电层，形成在所述第一电极层上方；第二电极层，形成在所述第一压电层上方。

其中，所述压电复合振动层还包括：振动支撑层，形成在所述衬底和所述第一电极层之间。

其中，所述压电复合振动层还包括：第二压电层，形成在所述第二电极层上方；第三电极层，形成在所述第二压电层上方。

其中，所述mems结构还包括牺牲支撑层，所述牺牲支撑层形成在所述压电复合振动层下方以支撑所述压电复合振动层并且之后所述牺牲支撑层被去除。

其中，所述衬底的部分材料形成在所述压电复合振动层的正下方和所述空腔之间。

其中，所述质量块的面积小于或等于所述中间区域的面积，所述质量块的密度大于氮化硅的密度。

其中，所述外围区域的所述第一电极层的材料和所述第二电极层的材料具有至少两个相互隔离的分区，同一所述分区内的所述第一电极层的材料和所述第二电极层的材料构成电极层对，不同所述分区间的所述电极层对依次串联。

其中，所述外围区域的所述第一电极层的材料、所述第二电极层的材料和所述第三电极层的材料具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的所述第一电极层的材料和所述第三电极层的材料电连接之后与所述第二电极层的材料构成电极层对，不同所述分区间的所述电极层对依次串联。

其中，所述中间区域处无电极材料，所述分割槽将所述外围区域的所述第一电极层、所述第二电极层或所述第三电极层分隔成至少两个相互隔离的所述分区。

其中，同一层级内的所述外围区域的电极材料和所述中间区域的电极材料分隔开，所述分割槽将所述外围区域的所述第一电极层的材料、所述第二电极层的材料或所述第三电极层的材料分隔成至少两个相互隔离的所述分区。

本申请的mems结构中的分割槽形成在压电复合振动层的外围区域，并且质量块形成在压电复合振动层的上表面的中间区域。因此，压电复合振动层的中间区域并未被分割槽隔离开，从而提高了mems结构的稳定性和产品的一致性。

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。

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本申请的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1是根据本申请实施例的mems结构的俯视图；

图2至图4是制造mems结构的中间阶段的沿图1所示的mems结构的b-b线的截面图；

图5是沿图1所示的mems结构的a-a线的截面图。

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。

以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。

此外，为便于描述，空间相对术语如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部(lower)”、“在...之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。另外，术语“由...制成”可以意为“包括”或者“由...组成”。

根据本申请的实施例，提供了一种mems结构及其制造方法，该mems结构可以应用于声电转换器，例如麦克风。

在一些实施例中，mems结构的制造方法包括以下步骤：

综合参见图1和图2，步骤s101，在衬底10的正面上形成振动支撑层24。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)。振动支撑层24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24的应力问题，可以将振动支撑层24设置为多层结构以减小应力。在一些步骤中，可以省略或删除该步骤s101。形成振动支撑层24的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。

步骤s102，在振动支撑层24上方依次形成第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。在此实施例中，第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23构成压电复合层。第一压电层22可将施加的压力转换成电压，第一电极层21和第二电极层23可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。在一些实施例中，第一压电层22的材料包括氧化锌、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。形成第一压电层22的方法包括磁控溅射法或其他合适的方法。第一电极层21和第二电极层23的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。形成第一电极层21和第二电极层23的方法包括物理气相沉积或其他合适的方法。

步骤s103，在第二电极层23上方形成第二压电层(图中未示出)，在第二压电层上方形成第三电极层(图中未示出)。第二压电层的材料包括氧化锌、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。第二压电层的材料和形成方法与第一压电层22的材料和形成方法可以相同，也可以不同。第三电极层的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第三电极层的材料和形成方法与第一电极层21的材料和形成方法可以相同，也可以不同。并且，在此实施例中，mems结构的压电复合层具有第一电极层21、第一压电层22、第二电极层23、第二压电层和第三电极层，从而构成了双晶片结构，提高了mems结构的压电转换效率。在没有设置振动支撑层24的实施例中，可以在第二电极层23上方依次形成第二压电层和第三电极层。在一些实施例中，该步骤s103可以省略或跳过。值得注意的是，在图2所示的实施例中，压电复合振动层20包括振动支撑层24、第一电极层21、第一压电层22和第二电极层23。

步骤104，在压电复合振动层20的中间区域形成质量块30，从而有助于降低压电复合振动层20的谐振频率，增加mems结构的灵敏度。质量块30的密度大于氮化硅的密度。质量块30的面积小于或等于中间区域的面积。具体的是，质量块30的密度大于3.2kg/dm3。质量块30的材料可以包括钨、金、银等金属。

参见图3，步骤105，蚀刻衬底10的背面以形成空腔11，压电复合振动层20覆盖空腔11。可以使用drie(深反应离子蚀刻)或湿法蚀刻来形成空腔11。在一些实施例中，可以在质量块30的正下方和空腔11之间保留衬底10的部分材料12。该保留的衬底10的部分材料12也可以用于进一步调节压电复合振动层20的谐振频率。因此，空腔11包括第一深度d1的第一区域和第二深度d2的第二区域，其中，第二区域保留衬底10的部分材料12，第二深度d2小于第一深度d1。

可以通过以下步骤来形成保留的衬底10的部分材料12，例如：

可以采用步骤s1051，将第一区域和第二区域的衬底10蚀刻至相同深度，之后利用掩模层掩蔽保护第二区域的衬底10并且继续蚀刻第一区域的衬底10直至到达衬底10上方的层,从而获得保留的衬底10的部分材料12。

或者可以采用步骤s1052，利用掩模层掩蔽保护第二区域的衬底10并蚀刻第一区域和第二区域的衬底10以将衬底10蚀刻至不同深度，直至蚀刻第一区域的衬底10到达衬底10上方的层。此处利用了掩模层和衬底10之间不同的蚀刻速率，从而获得保留的衬底10的部分材料12。

参见图4，步骤s106，在空腔11的顶面和侧壁上共形地形成牺牲支撑层50，牺牲支撑层50在压电复合振动层20下方以支撑压电复合振动层20。牺牲支撑层50的材料包括金属，例如铝或其他合适材料。该牺牲支撑层50用于在后续工艺中支撑压电复合振动层20。

综合参见图1和图5，步骤s107，蚀刻压电复合振动层20以在压电复合振动层20的外围区域形成分割槽60。分割槽60沿第一方向从压电复合振动层20的上表面连续延伸至压电复合振动层20的下表面，并且分割槽60连续地沿第二方向从外围区域朝向中间区域，第一方向与第二方向垂直。在一些实施例中，分割槽60可以沿第二方向从外围区域到中间区域，直至邻近质量块30。

步骤s108，在形成分割槽60之后去除牺牲支撑层50，牺牲支撑层50的材料包括金属。

因此，本申请的mems结构中的分割槽60形成在压电复合振动层20的外围区域，并且质量块30形成在压电复合振动层20的上表面的中间区域。因此，压电复合振动层20的中间区域并未被分割槽60隔离开，从而提高了mems结构的稳定性和产品的一致性。而且，该中间区域未被分割槽60隔离开的结构相比于悬臂梁结构降低了工艺难度，理由是完全悬臂梁结构对控制各层的应力要求苛刻，使得实现平整的悬臂梁结构工艺难度大。但是本申请相对降低了控制各层应力的要求，降低了工艺难度。而且，中间区域未被分割槽60隔离开的结构相对于完全蚀刻分开的悬臂梁结构提高了谐振频率。通过质量块30还可以进一步降低谐振频率，从而有利于调节获得所需最佳谐振频率。

此外，在mems结构的压电复合层具有第一电极层21、第一压电层22、第二电极层23，即单晶片的实施例中，外围区域的第一电极层21的材料和第二电极层23的材料具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的第一电极层21的材料和第二电极层23的材料构成电极层对，不同分区间的电极层对依次串联，以将mems结构所产生的电压通过引线导出。

在mems结构的压电复合层具有第一电极层21、第一压电层22、第二电极层23、第二压电层和第三电极层，即双晶片的实施例中，外围区域的第一电极层21的材料、第二电极层23的材料和第三电极层的材料具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的第一电极层21的材料和第三电极层的材料电连接之后与第二电极层23的材料构成电极层对，不同分区间的电极层对依次串联，以将mems结构所产生的电压通过引线导出。

另外，从图1中可以明显看出，由于压电复合振动层20的中间区域并未被分割槽60隔离开，使得本申请中的电极层设置存在两种情况，第一种情况是中间区域存在电极层的材料。第二种情况是中间区域中不存在电极层的材料，使得单个层级内的电极层被分割槽60隔离成至少两个导电体部分，并且使得质量块30形成在压电层上方。以下具体说明这两种情况的电极层设置。

在第一种情况下，当中间区域存在电极层的材料，并且同一层级内的外围区域的电极材料与中间区域的电极材料分隔开时，外围区域的电极材料被分隔槽60分成独立分区，即分割槽60将外围区域的第一电极层21的材料、第二电极层23的材料或第三电极层的材料分隔成至少两个相互隔离的分区，然后串联不同分区内的电极层对，从而将外围区域的所产生的电压通过引线导出，此时质量块30形成在电极层的材料(即最上方的电极层的材料)上方。或者当中间区域存在电极层的材料，并且单个层级内的外围区域的电极材料与中间区域的电极材料未被分隔开时，使得在单个层级内的电极层构成一整块导电体，此时不需要将电极层对串联后通过引线引出。

在第二种情况下，在压电复合振动层20的中间区域处无第一电极层21的材料和第二电极层23的材料时(即单晶片结构)，质量块30位于第一压电层22上方，并且第一电极层21和第二电极层23具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的第一电极层21和第二电极层23的分区构成电极层对，不同分区间的电极层对依次串联，从而提高了mems结构的灵敏度。或者，在压电复合振动层20的中间区域处无第一电极层21的材料、第二电极层23的材料和第三电极层的材料(即双晶片结构)，此时质量块30位于第二压电层上方。

相应的，本申请还提供了基于上述制造方法所获得的mems结构，该mems结构包括衬底10，具有空腔11；压电复合振动层20，形成在衬底10上方并且覆盖空腔11，压电复合振动层20在外围区域具有分割槽60；质量块30，形成在压电复合振动层20的上表面的中间区域。关于该mems结构的各种细节在方法流程中已经作出了说明，在此不再赘述。

以上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。