一种MEMS麦克风器件及其制造方法与流程

一种mems麦克风器件及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种mems麦克风器件及其制造方法。


背景技术：

2.电容式mems麦克风结构如图1所示，下极板300的两端通过第一牺牲层形成的第一支撑部201a支撑于衬底100上，上极板400设置在下极板300的上方，下极板300上设置第一电极501，上极板400上设置第二电极502，上极板400与下极板300之间形成第二牺牲层，衬底100的背面通过深硅刻蚀形成背腔600。上极板400和下极板300其中一个作为背板，背板上形成贯通背板的释放孔401，另一个作为振膜。上极板400与下极板300之间通过释放工艺形成空腔700，在湿法刻蚀（如氢氟酸溶液）的释放工艺过程中，上极板400与下极板300之间的第二牺牲层以及位于背腔600上方的第一牺牲层被刻蚀去除。该过程中需严格控制释放工艺时间，避免发生过刻蚀造成上、下极板的脱落。
3.如公告号为cn103402164b的发明专利公开了一种mems麦克风结构及其制造方法，该专利中给出的mems麦克风上极板为振膜，下极板为背板，其通过在上极板上形成一开口环形支撑结构使形成空腔的释放工艺停止于开口环形支撑结构内部，避免因释放工艺时间过长导致极板脱落。该专利中的开口环形支撑结构形成于上极板上，对于下极板底部的第一牺牲层的刻蚀量在释放工艺过程中仍然很难控制，存在下极板脱落的风险。结合本发明附图1所示结构，采用湿法刻蚀第一牺牲层时，如图1中两个圆圈处所示，很难保持两侧刻蚀量的一致性，甚至会因过刻蚀导致第一支撑体201a剩余不足或者完全被刻蚀，对于下极板无法形成稳定的支撑，特别是当下极板为振膜时，还会造成mems麦克风器件性能的重复性较差。


技术实现要素：

4.本发明首先公开一种mems麦克风器件，通过设置截止环阻挡湿法刻蚀的横向扩展，有效的控制了湿法刻蚀工艺造成的横向刻蚀不均，避免因过刻蚀造成下极板的脱落，改善了mems麦克风器件重复性差的问题。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种mems麦克风器件，包括：衬底，其具有背腔；第一支撑部，形成于所述衬底的上表面，具有与所述背腔相连通的通孔；截止环，形成于所述通孔内侧的所述衬底的上表面，所述截止环用于阻挡刻蚀所述通孔时对所述第一支撑部的横向刻蚀；下极板，形成于所述第一支撑部及所述截止环的上表面，其包括相互连接的下极板主体部和下极板引出部；上极板，形成于所述下极板主体部的上方且与所述下极板主体部之间形成空腔。
6.进一步，所述截止环包括相互连接的凹陷部及延伸部，所述凹陷部形成于所述衬
底的上表面，所述延伸部形成于所述第一支撑部的上表面。
7.进一步，所述下极板为振膜，所述下极板形成于所述截止环的上表面处形成折弯部。
8.进一步，所述截止环的材料为氮化硅，所述下极板和上极板的材料为金属或掺杂的多晶硅或非晶硅，所述第一支撑部的材料为氧化硅。
9.进一步，所述截止环为具有开口的非闭合环，所述下极板引出部沿所述衬底表面方向上的投影两侧因刻蚀分别形成第一空隙和第二空隙，所述截止环沿所述衬底表面方向上的开口投影至少覆盖部分宽度的所述第一空隙和部分宽度的所述第二空隙。
10.进一步，所述截止环的开口径向延伸形成延长部。
11.本发明还公开一种mems麦克风器件的制造方法，包括以下内容：在衬底的上表面形成第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上刻蚀形成环形的截止环沉积沟槽，所述截止环沉积沟槽的底部暴露出所述衬底表面；沉积阻挡层，并对部分所述阻挡层进行刻蚀，保留所述截止环沉积沟槽内的所述阻挡层以形成截止环；沉积下极板层，并对所述下极板层进行图形化，形成包括相互连接的下极板主体部和下极板引出部的下极板，所述下极板引出部沿所述衬底表面方向上的投影两侧的部分下极板层因被刻蚀分别形成第一空隙和第二空隙；沉积第二牺牲层，在所述第二牺牲层上沉积上极板层并图形化形成上极板；刻蚀所述衬底的下表面形成贯通的背腔；以所述截止环作为横向刻蚀的停止层，对所述截止环内侧的所述第一牺牲层进行湿法刻蚀以形成与所述背腔连通的通孔；刻蚀所述上极板与所述下极板主体部之间的所述第二牺牲层以形成空腔。
12.进一步，所述截止环沉积沟槽为具有开口的非闭合环形沟槽，所述截止环为具有所述阻挡层的开口非闭合环，所述截止环沿所述衬底表面方向上的开口投影至少覆盖部分宽度的所述第一空隙和部分宽度的所述第二空隙。
13.进一步，所述阻挡层为氮化硅层，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层均为氧化硅层，所述下极板层及上极板层为金属层或掺杂的多晶硅层或非晶硅层。
14.进一步，所述下极板为振膜，所述上极板为背板，所述上极板上开设释放孔。
15.本发明在mems麦克风器件的衬底上设置截止环，利用截止环将湿法释放工艺停止于截止环内部，避免了湿法刻蚀时间过长造成的横向过刻蚀问题，有效规避了因过刻蚀造成的下极板脱落的风险，对于下极板为振膜结构还能够起到释放振膜应力的作用，减小振膜破损的发生，能够改善mems麦克风器件重复性差的问题。
附图说明
16.图1为现有技术中一种mems麦克风的剖面结构图；图2为本发明图4中牺牲层释放前的c-c向剖面图；图3为图2所示结构形成背腔及牺牲层释放后的剖面结构图；图4为本发明mems麦克风的开口截止环俯视方向示意图；图5为图4中a-a向剖面图；图6为图4中b-b向剖面图；
图7为图4中d-d向剖面图；图8为将图4中的截止环设置成封闭结构的俯视图；图9为图8中e-e向剖面图；图10为图8中f-f向剖面图；图11为另外一种截止环结构的俯视图。
17.附图标记说明：100、100＇：衬底；201＇：第一牺牲层；201a、201＇a：第一支撑部；202、202＇：第二牺牲层；300、300＇：下极板；301：折弯部；302：下极板主体部；303：下极板引出部；304：下极板残留物；305：其他区域的下极板沉积层；400、400＇：上极板；401、401＇：释放孔；501、501＇：第一电极；502、502＇：第二电极；600、600＇：背腔；700、700＇：空腔；800：截止环；801：延长部；901:第一空隙；902：第二空隙。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
19.本实施例公开一种mems麦克风器件以及制造该mems麦克风器件的方法，其中，本实施例提及的mems麦克风器件结构如图2至图7所示，主要包括如下结构：衬底100＇，其具有背腔600＇；第一支撑部201＇a，形成于衬底100＇的上表面，具有与背腔600＇相连通的通孔（图上未标出）；截止环800，形成于通孔内侧衬底100＇的上表面，用于阻挡湿法刻蚀通孔时对第一支撑部201＇a的横向刻蚀；下极板300＇，形成于第一支撑部201＇a及截止环800的上表面，其包括相互连接的下极板主体部302和下极板引出部303；
上极板400＇，形成于下极板主体部302的上方且与下极板主体部302之间形成空腔。
20.上述给出的mems麦克风结构中，下极板300＇上的截止环800具有横向刻蚀阻挡作用，当采用湿法释放工艺释放截止环800内部的牺牲层以形成第一支撑部201＇a时，利用截止环800将湿法释放工艺停止于截止环800内部，避免了湿法刻蚀时间过长造成的横向过刻蚀问题，有效规避了因过刻蚀造成的下极板300＇脱落的风险。
21.作为对上述方案的进一步说明，截止环800采用氮化硅材料沉积而成，在采用如氢氟酸作为湿法刻蚀液时具有横向刻蚀阻挡作用。截止环800包括相互连接的凹陷部及延伸部，其中沉积在衬底100＇表面及第一支撑部201＇a侧壁的部分构成凹陷部，与凹陷部相连沉积在第一支撑部201＇a上表面的部分构成延伸部。沉积在截止环800表面的下极板300＇随行生长形成内凹的折弯部301。当上述给出的结构中，下极板300＇为振膜，上极板400＇为背板时，上极板400＇上开设有多个释放孔401＇，此时由于形成的截止环800为沟槽结构，作为下极板300＇的振膜沉积在截止环800处形成一个内凹的折弯部301，该折弯部301能够起到释放振膜应力的作用，能够降低振膜破损的风险。再者，折弯部301可以起到支撑作用，折弯部301不直接与衬底100＇接触，两者之间用截止环800进行隔离，有助于实现对振膜更稳固的支撑。
22.上述提及的下极板300＇和上极板400＇的材料为导电材质，可以选用如金属、掺杂的多晶硅、非晶硅中的任何一种。如图7所示，在下极板引出部303上沉积金属层形成第一电极501＇，在上极板400＇上沉积金属层形成第二电极502＇，其中第一电极501＇作为下极板300＇的电极引出端，第二电极502＇作为上极板400＇的电极引出端。
23.进一步说明，形成第一支撑部201＇a所用的材料为非导电介质，如氧化硅，便于采用如氢氟酸溶液作为刻蚀液对截止环800内侧的牺牲层进行刻蚀。
24.对上述方案中截止环800结构的进一步说明，本实施例中将截止环800设计为具有开口的非闭合环，截止环800的开口对应于下极板引出部303。下极板引出部303沿衬底100＇表面方向上的投影两侧因下极板沉积层被刻蚀分别形成第一空隙901和第二空隙902，第一空隙901和第二空隙902是通过对下极板300＇外围一圈的下极板沉积层进行刻蚀而形成，第一空隙901和第二空隙902将下极板300＇与刻蚀后保留下来的其他区域的下极板沉积层305进行分隔，此处的截止环800沿衬底100＇表面方向上的开口投影至少覆盖部分宽度的第一空隙901和部分宽度的第二空隙902。结合图4-图10进行对比，图4为本发明提出的具有开口的非闭合截止环800，其图4中开口处a-a处（图5所示）的剖面结构可以看出，此处在衬底100＇上仅形成有第一牺牲层201＇，该表面为平整表面，在刻蚀下极板沉积层以形成第一空隙901时，能够保证刻蚀干净，避免下极板300＇与其他区域的下极板沉积层305连接在一起形成漏电。而图8所展示的为闭合的截止环结构，从图9所展示的e-e剖面图和图6所展示b-b剖面图看两者无差异，但从图10所展示的闭合处f-f剖面图与图5所展示的开口处a-a剖面图对比上可以看出，图10中闭合处形成内凹的截止环800，在进行下极板沉积层即多晶硅电极图形化干法刻蚀时，闭合处的截止环800内凹的角落中的多晶硅残留物304很难刻蚀干净，容易导致下极板300＇的多晶硅与其他区域的下极板沉积层305的多晶硅相接触而形成漏电，进而影响器件的性能。因此，令下极板引出部303所在处的截止环800形成开口，可以避免漏电的发生。截止环800的开口如图4所示设置在下电极引出部303所在处，截止环800
开口两端的断开点分列于下电极引出部303的两侧。
25.本发明的截止环800除了可以设计为图4所展示的环形外，也可以采用图11所示结构，截止环800的开口端沿径向向外延伸形成一延长部801。
26.参考图2-图7，形成上述mems麦克风器件的制造方法如下：步骤s1：在衬底100＇的上表面形成第一牺牲层201＇。
27.衬底100＇的材质可以是硅、锗或锗硅，第一牺牲层201＇可以为热氧化方式形成的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积方法沉积而成的无掺杂氧化硅、掺磷的氧化硅或掺有硼磷的氧化硅。
28.步骤s2：对部分第一牺牲层201＇进行刻蚀以暴露出衬底100＇的上表面，刻蚀后形成环形的截止环沉积沟槽。
29.步骤s2的具体方法为：先在第一牺牲层201＇的上表面形成掩膜层，去除需开设截止环沉积沟槽位置的掩膜层以形成刻蚀窗口，然后将刻蚀窗口下方的第一牺牲层201＇完全去除令衬底100＇上表面外露。本实施例中的截止环沉积沟槽为具有开口的非闭合环形沟槽。
30.步骤s3：在第一牺牲层201＇的上表面及截止环沉积沟槽内部沉积阻挡层。
31.本实施例中的阻挡层材料为氮化硅，截止环沉积沟槽底部及侧壁上均沉积有阻挡层。
32.步骤s4：对部分阻挡层进行刻蚀暴露出第一牺牲层201＇的上表面，至少保留截止环沉积沟槽底部及侧壁的阻挡层以形成开口的截止环800。本实施例中截止环800为具有阻挡层的开口非闭合环。
33.刻蚀阻挡层时，沉积在截止环沉积沟槽底部、侧壁及沿截止环沉积沟槽侧壁顶部向两侧延伸的一段阻挡层进行保留，剩余区域的阻挡层通过刻蚀去除，另外，保留下来用于形成截止环800的开口处阻挡层也需要被刻蚀以形成截止环800的开口。
34.步骤s5：步骤s4完成后，在暴露出的第一牺牲层201＇的上表面及截止环800的表面沉积导电的下极板层，对下极板层进行图形化形成下极板300＇，下极板300＇包括相互连接的下极板主体部302和下极板引出部303。下极板层图形化时，将下极板300＇四周一圈的下极板层刻蚀掉，通过刻蚀将下极板300＇与剩余的其他区域的下极板沉积层305分隔开，下极板引出部303沿衬底100＇表面方向上的投影两侧的部分下极板层因被刻蚀分别形成第一空隙901和第二空隙902。
35.本实施例中的下极板300＇为振膜，下极板层在凹槽结构的截止环800处形成一个下凹的折弯部301，有利于释放振膜的应力。
36.步骤s6：在下极板层的上表面形成第二牺牲层202＇，第二牺牲层202＇材质的选择参照上述给出的第一牺牲层201＇材质。
37.步骤s7：在第二牺牲层202＇的上表面沉积上极板层，对上极板层图形化形成上极板400＇。本实施例中的上极板400＇为背板，上极板400＇上开设若干释放孔401＇。
38.步骤s8：对衬底100＇的背面进行刻蚀形成贯通的背腔600＇。
39.执行步骤s8时，通常先在已完成的结构正面涂覆保护材料将正面图形保护起来，衬底100＇背面涂覆光刻胶，去除需要开设背腔600＇处的光刻胶形成刻蚀窗口，采用深硅刻蚀工艺将刻蚀窗口处的衬底完全去除形成贯通的背腔600＇，背腔600＇可以为圆柱形或圆锥
形。
40.步骤s9：通过释放孔401＇对第一牺牲层201＇和第二牺牲层202＇进行释放，即：刻蚀去除上极板400＇与下极板主体部303之间的第二牺牲层202＇以形成空腔700＇，对第一牺牲层201＇采用湿法工艺刻蚀，以截止环800作为横向刻蚀的停止层，对截止环800内侧的第一牺牲层201＇进行湿法刻蚀以形成与背腔600＇连通的通孔，截止环800外侧保留下来的第一牺牲层201＇形成支撑下极板300＇的第一支撑部201＇a。未被刻蚀的第二牺牲层202＇可以作为上极板400＇的支撑部。释放工艺采用湿法腐蚀液进行湿法刻蚀，如氢氟酸溶液或氢氟酸与氟化铵的混合溶液。
41.结合图2所示，在上述步骤s7之前，还可以在第二牺牲层202＇的上表面先沉积一层绝缘介质层（附图未给出标号），如氮化硅层，令该氮化硅层覆盖第二牺牲层202＇的上表面和侧壁，以及覆盖外露的部分下极板层，而步骤s7中沉积的上极板层直接沉积在该氮化硅层的表面，利用该氮化硅层增加上极板400＇与下极板300＇之间的绝缘效果。
42.采用上述给出的mems麦克风器件制造方法，能够确保下极板300＇底部的牺牲层在湿法释放工艺中不发生横向过刻蚀，降低了下极板300＇发生脱落的风险，另外截止环800还有助于释放振膜的应力，减少振膜破损。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。