MEMS麦克风的制作方法

本实用新型属于微麦克风的技术领域，更具体地，涉及mems麦克风。

背景技术：

mems((micro-electro-mechanicalsystem，微电子机械系统))麦克风是采用半导体技术制造的电容式麦克风。由于具有体积小、灵敏度高、与现有半导体技术兼容性好的优点，mems麦克风在手机等移动终端上的应用越来越广泛。mems麦克风的结构包括彼此相对的膜片和背极板，二者分别经由导电通道连接至相应的电极。在膜片和背极板之间还包括隔离层。该隔离层用于隔开膜片和背极板，并且其中形成有空腔以提供膜片所需的振动空间。

在现有的mems麦克风中，采用氮化硅作为背极板的材料。氮化硅层的刚性较好，可以获得良好的声学性能。然而，在膜片和背极板的设计间距较小的情形下，在湿法蚀刻隔离层以形成空腔的步骤中以及在mems麦克风的应用期间，膜片与背极板之间容易形成粘连，导致器件失效，使得成品率降低。mems麦克风中微结构的粘连已成为mems麦克风的微机械加工和应用过程中产生成品报废的主要原因，严重制约了mems麦克风发展和产业化应用。

作为进一步改进，采用hf酸气相熏蒸的方法以去除隔离层的一部分以形成空腔。然而，hf气相熏蒸会对背极板造成腐蚀，导致器件失效，使得成品率降低。

期待进一步改进mems麦克风以提高成品率和器件性能可靠性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种mems麦克风，其中，在背极板彼此相对的表面形成保护层，从而在释放膜片的蚀刻步骤中保护背极板，以及在释放膜片之后，至少在所述膜片的暴露表面形成单分子层有机膜，从而可以提高成品率和器件性能可靠性。

根据本实用新型提供的一种mems麦克风，包括：在衬底上依次形成的第一隔离层、膜片和第二隔离层；在所述第二隔离层上依次形成的第一保护层、第二保护层、背极板、第三保护层和第四保护层；贯穿所述第一保护层、所述第二保护层、所述背极板、所述第三保护层和所述第四保护层的释放孔；贯穿所述第二隔离层的空腔，所述空腔与所述释放孔连通；以及贯穿所述衬底和所述第一隔离层的声腔，其中，所述第一隔离层和所述第二隔离层夹持所述膜片的周边部分。

优选地，还包括：至少覆盖在所述膜片的暴露表面上的单分子层有机膜。

优选地，在所述膜片的振动期间，所述声腔和所述释放孔作为气流通道。

优选地，还包括金属氧化物膜、氧化硅膜中的至少一层附加膜，所述附加膜与所述单分子层有机膜形成叠层结构。

优选地，所述单分子层有机膜覆盖所述mems麦克风的外部表面以及与外部环境连通的内部表面。

优选地，所述单分子层有机膜覆盖所述第一保护层在所述空腔中的暴露表面。

优选地，所述膜片和所述背极板分别由掺杂的多晶硅组成。

优选地，所述第一保护层至所述第四保护层中的每一个由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。

优选地，所述第一保护层与所述第二保护层的组成材料不同。

优选地，所述第三保护层和所述第四保护层的组成材料不同。

优选地，所述第一隔离层的表面上包括环形凹槽。

优选地，所述膜片共形地覆盖在所述第一隔离层的表面上并在所述凹槽的位置处形成环形弹簧结构。

优选地，所述同心环形的弹簧结构包括嵌套的1至6个圆环形。

优选地，还包括：第一导电通道，穿过所述第四保护层、所述第三保护层、所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层到达所述膜片表面；以及第二导电通道，穿过所述第四保护层、以及所述第三保护层到达所述背极板表面。

优选地，所述第一保护层面对所述膜片的表面上形成多个突起物，以防止所述背极板与所述膜片之间的粘连。

优选地，所述第一保护层的厚度为20纳米至50纳米，所述第二保护层的厚度为80纳米至120纳米。

优选地，所述背极板的厚度为0.3微米～1.0微米。

优选地，所述第三保护层的厚度为300纳米至500纳米，所述第四保护层的厚度为20纳米至30纳米。

优选地，所述单分子层有机膜层的厚度为1纳米～10纳米。

根据本实用新型实施例的mems麦克风，本实用新型采用第一保护层至第四保护层保护背极板，使得在释放器件结构中的膜片时，背极板不被腐蚀，提高了器件的性能和可靠性。以及在释放膜片之后，至少在所述膜片的暴露表面形成单分子层有机膜，利用单分子层有机膜的疏水性和低表面粘附力，可以有效地减少或防止膜片与背极板之间的粘连，从而可以提高成品率和器件性能可靠性。该单分子层有机膜对mems麦克风的电学性能未造成明显的不利影响，从而可以满足器件性能要求。

进一步地，在释放膜片的蚀刻步骤中，利用已经形成的释放孔和声腔作为反应气体的供给通道，使得反应气体容易进入mems麦克风的内部空腔，因此，单分子层有机膜可以形成在mems麦克风的内部表面上，形成高质量的防粘附层。

进一步地，该方法的各个步骤与现有的半导体工艺，特别是cmos工艺兼容，因此，可以用于大规模和低成本的生产。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的mems麦克风的制造方法的流程示意图；

图2至图14是根据本实用新型实施例的mems麦克风的制造方法中各个步骤对应的器件剖面示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1所示，根据本实施例的mems麦克风的制造方法可以包括如下步骤。

在步骤s01中，在衬底101上形成第一隔离层102，如图2所示。

在该实施例中，衬底101例如是<100>晶向的硅衬底。可选地，衬底掺杂为n型。第一隔离层例如是氧化硅层。例如，通过热氧化或化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)的方法在衬底101上形成氧化硅层，作为第一隔离层102。

第一隔离层102的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片下方的声腔的一部分，并且还利用第一隔离层102的厚度限定膜片与衬底之间的间距。第一隔离层102的厚度例如是0.5微米至2微米。

在步骤s02中，在第一隔离层102的表面形成波浪形的凹槽131，如图3所示。

在该实施例中，在第一隔离层102的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第一隔离层102的暴露部分。通过控制蚀刻时间，该蚀刻可以在到达第一隔离层102的预定深度停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

凹槽131在第一隔离层102的表面开口，并且向下延伸。从第一隔离层102的表面观察，凹槽131的形状为同心环形，例如包括嵌套的1至6个圆环形。从第一隔离层102的截面观察，凹槽131的形状为底面尺寸小于开口面尺寸的大致梯形或v字形。凹槽131的深度例如是0.5微米至0.8微米。优选地，凹槽131的开口面与第一隔离层102的表面形成圆滑的曲面。凹槽131用于限定后续步骤将形成的膜片的弹簧结构。

在步骤s03中，在第一隔离层102上形成共形的膜片104，如图4所示。

在该实施例中，膜片104例如由掺杂的多晶硅组成。例如，采用低压化学气相沉积(lowpressurechemicalvapordeposition,lpcvd)在第一隔离层102上沉积多晶硅，沉积温度例如是570摄氏度至630摄氏度，从而形成膜片104。该膜片104的第一部分覆盖第一隔离层102的表面，第二部分与第一部分连续且共形地覆盖凹槽131的底面和侧壁，从而形成弹簧结构103。膜片104的厚度例如是0.3微米至1微米，优选为0.4微米。进一步地，膜片104共形地覆盖在所述第一隔离层102的表面上并在凹槽的位置处形成环形弹簧结构，所述同心环形的弹簧结构包括嵌套的1至6个圆环形。

优选地，在该步骤还可以形成与膜片104相连接的布线。例如，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，从而将多晶硅层的不同区域分别形成膜片和布线的图案。

在步骤s04中，在膜片104上形成第二隔离层105，如图5所示。

在该实施例中，第二隔离层105例如是氧化硅层。例如，通过低压化学气相沉积(lowpressurechemicalvapordeposition,lpcvd)或等离子增强型化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition,pecvd)的方法在膜片104上形成氧化硅层，作为第二隔离层105。

第二隔离层105的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片104上方的空腔，并且还利用第二隔离层105的厚度限定膜片与背极板之间的间距。根据mems麦克风的电学和声学性能选择第二隔离层105的厚度，例如是2微米至4微米。

在步骤s05中，在第二隔离层105上形成第一保护层106a和第二保护层106b的叠层结构，如图6所示。

第一保护层106a和第二保护层106b例如分别由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成，二者的组成材料不同。在该实施例中，第一保护层106a例如是氮化硼层，第二保护层106b例如是氮化硅层。优选的,第一保护层106a和第二保护层106b的厚度不同。例如，通过热丝辅助的等离子体增强化学气相沉积(pecvd)的方法在第二隔离层105上形成氮化硼层，其中，以n2、h2、以及由h2稀释的b2h6作为反应气体,基板温度为400摄氏度至500摄氏度，反应压强约为100pa。第一保护层106a的厚度例如为20纳米至50纳米。例如，通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或低压化学气相沉积(lpcvd)的方法在第一保护层106a上形成氮化硅层。第二保护层106b的厚度例如为80纳米至120纳米。

在步骤s06中，在第一保护层106a和第二保护层106b上形成背极板107，如图7所示。

在该实施例中，背极板107是导电层，例如由掺杂的多晶硅组成。例如，采用低压化学气相沉积(lpcvd)在第一保护层106a和第二保护层106b上形成掺杂的多晶硅层，基板温度例如是570摄氏度至630摄氏度。背极板107例如是0.3微米至1微米。然后，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，以形成背极板107的图案。

在步骤s07中，在背极板107上形成第三保护层108a和第四保护层108b的叠层结构，如图8所示。

第三保护层108a和第四保护层108b例如分别由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成，二者的组成材料不同。在该实施例中，第三保护层108a例如是氮化硅层，第四保护层108b例如是氮化硼层。优选的,第三保护层108a和第四保护层108b的厚度不同。例如，通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或低压化学气相沉积(lpcvd)的方法在背极板107上形成氮化硅层。第三保护层108a的厚度例如为300纳米至500纳米。例如，通过热丝辅助的等离子体增强化学气相沉积(pecvd)的方法在第三保护层108a上形成氮化硼层，其中，以n2、h2、以及由h2稀释的b2h6作为反应气体,基板温度为400摄氏度至500摄氏度，反应压强约为100pa。第四保护层108b的厚度例如为20纳米至30纳米。

由于背极板107经过图案化，第三保护层108a的第一部分形成在背极板107的表面上，第二部分形成在第二保护层106b的表面上。

在步骤s08中，形成分别到达膜片104和背极板107的表面的多个通道孔132，如图9所示。

在该实施例中，在第四保护层108b的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂，形成多个通道孔132。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻以膜片104和背极板107作为停止层。在第四保护层108b的第一部分区域，该蚀刻从上至下依次去除第四保护层108b、第三保护层108a经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达背极板107的通道孔132。在第四保护层108b的第二部分区域，该蚀刻从上向下依次去除第四保护层108b、第三保护层108a、第二保护层106b、第一保护层106a、第二隔离层105各自经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达膜片104的通道孔132。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

由于上述背极板107的图案化步骤，第三保护层108a的第二部分与第二保护层106b的相应部分直接接触。至少一个通道孔132从第四保护层108b的第二部分表面开始，经由第四保护层108b、第三保护层108a、第二保护层106b、第一保护层106a和第二隔离层105，延伸至背极板107下方的膜片104。

在步骤s09中，形成分别到达膜片104和背极板107的表面的多个导电通道110，如图10所示。

在该实施例中，导电通道110由导电材料组成，例如选自铝、金、银、铜、镍、钛、铬或其合金中的任一种。用于导电通道的铝合金例如包括铝硅合金(硅的重量百分比1％)，钛合金包括氮化钛。例如，通过溅射或蒸发的方法，在第四保护层108b的表面形成金属层。该金属层的厚度例如是1微米至2微米，并且填充多个通道孔132。

在金属层的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除金属层的暴露部分。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻以第四保护层108b作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

在第四保护层108b的第一部分区域，至少一个导电通道110穿过第四保护层108b、第三保护层108a到达背极板107。在第四保护层108b的第二部分区域，至少一个通道孔110依次穿过第四保护层108b、第三保护层108a、第二保护层106b、第一保护层106a、第二隔离层105到达膜片104。

由于上述背极板107和导电通道110的图案化步骤，在多个导电通道110中，至少一个导电通道110延伸至膜片104，且与背极板107彼此隔开。

在步骤s10中，形成贯穿第四保护层108b、第三保护层108a、背极板107、第二保护层106b、第一保护层106a的释放孔122，如图11所示。

在该实施例中，在第四保护层108b的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第四保护层108b、第三保护层108a、背极板107、第二保护层106b、第一保护层106a各自的暴露部分，从而形成释放孔122。由于蚀刻剂的选择性，第二隔离层105作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

该步骤例如采用专门的深槽刻蚀机形成释放孔122。

在步骤s11中，在膜片104的下方形成贯穿衬底101的声腔121，如图12所示。

在该实施例中，通过化学机械平面化或减薄工艺，将衬底101的厚度减小至设计值。例如，衬底101的彼此相对的第一表面和第二表面，分别在第一表面上形成上述的第一隔离层102以及将第二表面作为自由表面，对第二表面进行研磨以减小衬底101的厚度。然后，在衬底101的第二表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除衬底101的暴露部分，从而形成声腔121。在该实施例中，所述声腔是方形开口，替代地，还可以是倒梯形开口。由于蚀刻剂的选择性，第一隔离层102作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

在步骤s12中，经由声腔121去除第一隔离层102的一部分，以及经由释放孔122去除第二隔离层105的一部分，以释放膜片104，如图13所示。

在该实施例中，例如，采用hf酸作为蚀刻剂，采用上述步骤中形成声腔121和释放孔122作为蚀刻剂的进入通道。第一保护层106a、第二保护层106b、第三保护层108a、第四保护层108b分别作为背极板107的保护膜，使得在该蚀刻步骤中背极板107未受到蚀刻。在该实施例中，采用耐hf腐蚀的材料形成多层结构的mems麦克风背极板，其中第一保护层、第二保护层、第三保护层、第四保护层作为mems麦克风中背板多晶层的绝缘保护膜，使得采用hf酸气相熏蒸来释放器件结构中的牺牲氧化膜时，背极板仍不会受到蚀刻，提高了器件的性能和可靠性。

通过hf酸气相熏蒸的方式或hf酸湿法腐蚀的方法，分别去除第一隔离层102和第二隔离层105各自的一部分，使得膜片104彼此相对的第一表面和第二表面各自的一部分重新暴露，因而释放膜片104，其中，第一隔离层102和第二隔离层105夹持膜片104的周边部分。在去除第一隔离层102的一部分之后，声腔121从衬底101的第二表面延伸至膜片104的第二表面。在去除第二隔离层102的一部分之后，在第一保护层106a和膜片104的第一表面之间形成空腔123。释放孔122与空腔123彼此连通，在膜片104的振动期间提供气流通道。

在该步骤中，膜片104的弹簧结构103也暴露于声腔121和空腔123中。

在优选的实施例中，还包括步骤s13。在步骤s13中，在膜片104的暴露表面形成单分子层有机膜112，从而形成mems麦克风100，如图14所示。

在该实施例中，采用上述步骤形成的声腔121和释放孔122作为反应气体的供给通道，通过化学气相沉积，在膜片104的暴露表面上形成单分子层有机膜112。单分子层有机膜112的厚度例如为1至10纳米。在优选的实施例中，单分子层有机膜112覆盖mems麦克风100暴露的外部表面以及与外部环境连通的内部表面。

单分子层有机膜112例如由选自有机硅烷或有机硅氧烷中的任一种组成，厚度例如为1纳米至10纳米。单分子层有机膜112具有疏水特性和低表面粘附力，因而，既可以起到防粘附的目的，又不影响器件性能，从而提高了器件的可靠性。

在优选的实施例中，mems麦克风100还包括与单分子层有机膜122形成叠层结构的至少一层附加膜，该附加膜位于单分子有机膜122的表面。附加膜例如为金属氧化膜或氧化硅膜。可以利用原子层淀积(atomiclayerdeposition,ald)设备来淀积al2o3和tio2等金属氧化膜，膜的厚度控制在1纳米至3纳米。可以利用分子气相淀积(molecularvapordeposition,mvd)设备淀积氧化硅膜，膜的厚度各控制在1纳米至3纳米。

采用上述方法制造的mems麦克风的结构如图14所示。

该mems麦克风100包括：在衬底101上依次形成的第一隔离层102、膜片104和第二隔离层105；在第二隔离层105上依次形成的第一保护层106a、第二保护层106b、背极板107、第三保护层108a、第四保护层108b；贯穿第一保护层106a、第二保护层106b、背极板107、第三保护层108a、第四保护层108b的释放孔122；贯穿第二隔离层105的空腔123，空腔123与释放孔122连通；贯穿衬底101和第一隔离层102的声腔121。第一隔离层102和第二隔离层105夹持膜片104的周边部分。该膜片104被第一隔离层102和第二隔离层105夹持的周边部分为膜片104未通过所述空腔123和所述声腔121暴露的区域。

膜片104包括环形弹簧结构103。在膜片104的振动期间，声腔121和释放孔122作为气流通道。

膜片104和背极板107分别由掺杂的多晶硅组成。第一保护层106a、第二保护层106b、第三保护层108a、第四保护层108b中的每一个由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。第一保护层106a和第二保护层106b的组成材料不同，第三保护层108a和第四保护层108b的组成材料不同。

在优选的实施例中，还包括至少覆盖在膜片104的暴露表面上的单分子层有机膜112。进一步地，单分子层有机膜112还覆盖第一保护层106在空腔123中的暴露表面。单分子层有机膜112由选自有机硅烷和有机硅氧烷中的任一种组成。

该mems麦克风100还包括多个导电通道110。在多个导电通道110中，第一导电通道穿过第四保护层108b、第三保护层108a、第二保护层106b、第一保护层106a、以及第二隔离层105到达膜片104表面，第二导电通道穿过第四保护层108b、第三保护层108a到达背极板107表面。

在优选的实施例中，mems麦克风100还包括与单分子层有机膜122形成叠层结构的至少一层附加膜。附加膜例如金为属氧化膜或氧化硅膜。可以利用原子层淀积(atomiclayerdeposition,ald)设备来淀积al2o3和tio2等金属氧化膜，膜的厚度控制在1纳米至3纳米。可以利用分子气相淀积(molecularvapordeposition,mvd)设备淀积氧化硅膜，膜的厚度各控制在1纳米至3纳米。

进一步地，膜片104共形地覆盖在所述第一隔离层102的表面上并在凹槽的位置处形成环形弹簧结构，所述同心环形的弹簧结构包括嵌套的1至6个圆环形。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。