基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法及芯片

摘要

一种基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法及芯片，SOI基片上具有第一区域及第二区域，SOI基片上位于第二区域上的器件层作为电容的一极，首先在所述第一区域的器件层上生成集成电路，接着在所述第二区域的器件层上采用低于400℃的低温工艺生成牺牲层，并采用低温工艺在所述牺牲层上形成导电膜，最后将腐蚀液自所述导气孔进入以部分腐蚀所述牺牲层后形成由所述导电膜作为电容另一极的电容式微硅麦克风，如此可减小芯片尺寸，降低制造成本，同时可避免采用高温工艺来减小作为振动模的器件层的应力，也可避免采用工艺复杂且重复性不佳的复合振动模方式来减小应力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法及形成的单片集成芯片。

背景技术

麦克风是一种将声音信号转化为电信号的换能器。电容式麦克风的基本结构包括一敏感膜作为电容一极，一背极板作为电容另外一极。当声音信号作用于麦克风，声压导致敏感膜产生形变，从而引起敏感膜与背极板之间的电容发生变化，此电容变化再经由后续处理电路转化为电信号。

自Bell实验室科学家于1962年发明驻极体电容式麦克风(ECM)以来，经过几十年的发展，ECM已经广泛应用于各个领域。但传统ECM在高温下其敏感膜中的常驻电荷会发生泄漏，进而导致ECM失效。而在消费类电子产品的组装工艺中，器件自动化表面贴装工艺需经历高达260℃的焊接温度，所以ECM在装配至电路板时只能依赖人力手工组装，伴随着手机、PDA、MP3播放器及数码相机等消费类电子产品市场的发展，ECM正逐渐在这些大批量生产的消费类电子产品领域丧失优势。

MEMS是近年来高速发展的一项新技术，它采用先进的半导体制造工艺，可实现MEMS器件的批量制造。与采用传统技术制作的对应器件相比，MEMS器件在耐高温、体积、功耗、重量以及价格方面有十分明显的优势。而利用MEMS技术制造的电容式微型硅麦克风由于可耐受表面贴装中高温，正迅速成为ECM产品的代替者，近几年电容式微型硅麦克风的市场占有率有着相当的高增长。

利用MEMS技术加工的电容式微硅麦克风与传统ECM一个重要不同点在于偏置电压施加方式。ECM是通过存储在麦克风敏感膜片中的常驻电荷对其进行偏置，而电容式微硅麦克风是通过外电源直接对麦克风提供偏置电压，无须在敏感膜中存储常驻电荷，所以没有常驻电荷在高温下流失的危险，因此电容式微硅麦克风可承受在自动化表面贴装工艺中所需经历的高温，从而可采用自动化表面贴装工艺，而无须采用人力手工安装。

目前，MEMS器件和集成电路(IC)一般采用多片集成方式集成化，即由不同厂商采用不同的工艺流程来分别独立完成电路和MEMS器件的制作，然后再将两者混合封装集成为一个功能单元。这种方法的好处是制造工艺难度小，MEMS器件的设计及制造可单独优化。该种方法在多种MEMS器件集成中都有应用，例如压阻型传感器等，该种方法的缺点是MEMS器件与集成电路之间的电气连接通路较长且易受干扰信号影响。

对于某些易受干扰的应用，如高输出阻抗的压电式及电容式等类型的传感器，MEMS器件和IC进行单片集成则更有优势，可有效提高器件整体性能并降低干扰噪声的影响。电容式微硅麦克风高输出阻抗的特点，导致其受环境干扰噪音和寄生电容的影响较大，因此微硅麦克风采用单片集成方式相对于采用多片集成式可在器件整体性能、尺寸、功耗等方面有较大提高。

实现MEMS器件和IC单片集成的制造方法有三种：第一，先完成MEMS器件的制作，然后再在同一基片上完成IC的制作；第二，MEMS器件和IC在制作过程中单步工艺相互交叉进行；第三种方法即“后半导体工艺”，先做完标准的IC，然后再在同一基片上完成MEMS器件的制作。其中，第一种及第二种办法的缺点是有可能引入污染，导致IC失效，并有可能导致设备污染。第三种集成办法的好处是可避免前两种集成方法可能导致的污染，并可充分利用现有成熟的标准IC制造流程，有助于提高成品率及降低对设备的投资；第三种集成办法的缺点是在IC完成后，为不影响IC性能，在其后MEMS器件制造过程中不能有高温工艺。因为IC制造流程完成后，作为金属电极的铝等金属不能承受400℃以上的高温，另外高温也可能导致电路器件性能发生变化。目前已有的第三种集成方法都是在普通硅片上实现的，该方法需要用多晶硅、金属或复合膜作为振动膜，这样面临一个应力控制的难题，同时工艺也较为复杂。

因此，如何解决现有技术存在的缺点实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无须经历高温且又无须采用复合膜作为振动模的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法。

本发明的另一目的在于具有高灵敏度的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成芯片。

为了达到上述目的，本发明提供的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法，包括步骤：1)提供一SOI基片，其一表面具有用于制作集成电路的第一区域及用于制作电容式微硅麦克风的第二区域；在所述第二区域上的器件层作为电容的一极；2)在处于所述第一区域的器件层上生成集成电路；3)在处于所述第二区域的器件层上采用低于400℃的低温工艺生成牺牲层；4)采用低温工艺在所述牺牲层上形成导电膜；5)在所述导电膜进行光刻及腐蚀工艺以形成导气孔；6)在所述SOI基片另一表面相对于第二区域处进行光刻及腐蚀以形成背腔；7)腐蚀液自所述导气孔进入以部分腐蚀所述牺牲层后形成由所述导电膜作为电容另一极的电容传感器。

可采用干法腐蚀(例如深槽反映离子刻蚀法)形成所述背腔，也可采用各向异性腐蚀液(例如以氢氧化钾及四甲基氢氧化铵为腐蚀液)进行湿法腐蚀以形成所述背腔。

所述牺牲层部分被腐蚀后所留下的部分可处于所述导电膜的边缘，例如不连续分布在所述导电膜边缘的多点或一点。

所述牺牲层的材料可为氧化硅、金属、光刻胶或聚酰亚胺有机物，当牺牲层材料为氧化硅、非晶硅、光刻胶、或聚酰亚胺材料时可采用干法刻蚀所述牺牲层，当牺牲层材料为金属或光刻胶材料时可采用湿法腐蚀所述牺牲层。

所述导电层可为采用物理气相淀积工艺、化学镀或电镀工艺所形成的金属层与介质层材料形成的复合层。

本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成芯片，包括：一表面具有用于制作集成电路的第一区域及用于制作电容式微硅麦克风的第二区域的SOI基片；生长在位于第一区域上的器件层上的集成电路的集成电路区；及包括生长在位于所述第二区域上的器件层上的连接层、及生长在所述连接层上且作为电容另一极的导电层、在所述SOI基片另一表面被腐蚀形成的背腔、及在所述导电层形成的多个导气孔的电容式微硅麦克风区。

可采用干法腐蚀(例如深槽反映离子刻蚀法)形成所述背腔，也可采用各向异性腐蚀液(例如以氢氧化钾及四甲基氢氧化铵为腐蚀液)进行湿法腐蚀以形成所述背腔。

所述连接层的材料为氧化硅、金属、光刻胶或聚酰亚胺有机物，其可连续处于所述导电膜全部边缘，也可分散处于所述导电膜边缘的一点或多点。

所述导电层可为采用物理气相淀积工艺、化学镀或电镀工艺所形成的金属层与介质层材料形成的复合层。

综上所述，本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法及形成的单片集成芯片提出了一套基于SOI硅片的“后半导体工艺”，该工艺将集成电路器件与电容式微硅麦克风集成在一起，并采用SOI硅片的器件层制作电容式微硅麦克风的振动膜，可减小芯片尺寸，降低制造成本，同时可避免采用高温工艺来减小振动模应力，也可避免采用工艺复杂且重复性不佳的复合振动模方式来减小应力。

附图说明

图1至图5为本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法的步骤流程示意图。

图6为本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成芯片的三维剖面透视图。

具体实施方式

请参阅图1至图6，本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法为一套基于SOI硅片的“后半导体工艺”用于实现集成电路器件同MEMS器件的单片集成方法，所述方法不须对标准半导体工艺进行改变，只需在已经完成标准半导体工艺的电路SOI硅片上继续进行MEMS器件制造，在本实施方式中，以集成电路与电容式微硅麦克风为例进行详细说明。

所述基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法其主要包括以下步骤：

第一步：提供一SOI基片20，其一表面具有用于制作集成电路的第一区域22及用于制作电容式微硅麦克风的即微硅麦克风的第二区域21，位于第二区域21上的器件层41作为电容的一极。

第二步：在所述第一区域22的器件层上生成与微硅麦克风配合的集成电路(例如场效应晶体管、电阻电容等)。为简明起见，所述集成电路仅以金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)为例进行说明，即在所述第一区域22的器件层上由标准半导体工艺分别形成MOSFET器件的场氧化层25a、栅氧化层25b、源漏掺杂区23、栅导电层24、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27等，在所述集成电路完成后露出位于第二区域21上的部分器件层区域50。

第三步：在所述第二区域21的部分器件层区域50上采用低于400℃的低温工艺生成牺牲层材料，然后再通过光刻、腐蚀等工艺可得到有图形的牺牲层51，所述牺牲层51材料可为氧化硅、金属、光刻胶或聚酰亚胺等有机物。

第四步：采用低温工艺在所述牺牲层51上形成导电膜即背极板，例如可先采用物理气相淀积(PVD)工艺(如溅射、蒸发)、化学镀或者电镀的办法形成金属层，然后再结合低温生成的介质层材料形成所述导电膜即复合层30，在复合层30进行光刻及腐蚀工艺可得到有图形的复合层30，作为微硅麦克风的背极板。

第五步：在所述导电膜即复合层30进行光刻及腐蚀工艺以形成多个导气孔31。

第六步：在所述SOI基片20另一表面相对于第二区域21处进行光刻及腐蚀以形成背腔33，可采用采用各向异性腐蚀液进行湿法腐蚀(例如以氢氧化钾KOH，四甲基氢氧化铵TMAH等作为腐蚀液)或者干法刻蚀(例如深槽反映离子刻蚀DRIE)到氧化层40即可形成所述背腔33。

第七步：腐蚀液自多个导气孔31进入以部分腐蚀所述牺牲层51后形成由所述复合层30作为电容另一极的电容式微硅麦克风，通常当牺牲层51材料为金属或光刻胶材料时可采用湿法腐蚀，当牺牲层51材料为氧化硅、非晶硅、光刻胶、及聚酰亚胺材料中的一种时可采用干法刻蚀，需注意的是，所述牺牲层51部分被腐蚀后所留下的部分51a可处于所述复合层30的边缘，其可不连续的分布在所述复合层30边缘的一点或多点，也可连续分布在所述复合层30的全部边缘，而被腐蚀的牺牲层部分则在所述背极板与所述声音敏感膜间形成空隙32。

需注意的是，本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法并非以上述步骤顺序为限，本领域技术人员可根据实际情况调整步骤顺序，例如可先进行牺牲层的腐蚀再完成生成背腔的步骤，此外，也可根据其它电容式微硅麦克风的制作流程，将本发明的方法融合入电容式微硅麦克风的制作流程中。

本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成芯片主要包括：SOI基片20、集成电路区、及电容式微硅麦克风区，在本实施方式中，以集成电路与微硅麦克风形成的单片集成芯片为例进行详细说明。

所述SOI基片20其一表面具有用于制作集成电路的第一区域22及用于制作电容式微硅麦克风的第二区域21。

处于所述第二区域21上的器件层41被作为电容的一极即作为微硅麦克风的声音敏感膜。

所述集成电路区生长在位于第一区域22上的器件层上的集成电路，以集成电路为金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)为例进行说明，即在所述第一区域22的器件层41上由标准半导体工艺分别形成MOSFET器件的场氧化层25a、栅氧化层25b、源漏掺杂区23、栅导电层24、介质绝缘层25c、金属导电层26及钝化层27等，在所述集成电路完成后露出位于第二区域21上的部分器件层区域50。

所述电容式微硅麦克风区包括生长在位于所述第二区域21上的器件层41上的连接层、及生长在所述连接层上且作为电容另一极的导电层，其中，所述连接层为牺牲层51被腐蚀后所留下的部分51a，其材料可为氧化硅、金属、光刻胶或聚酰亚胺有机物，所述连接层可连续处于所述导电膜全部边缘，也可分散处于所述导电膜边缘的一点或多点，当所述处于所述第二区域上的器件层41为声音敏感膜且所述导电层为背极板时，所述电容式微硅麦克风区还包括在所述SOI基片20另一表面被腐蚀形成的背腔33、及在所述导电层形成的多个导气孔31，所述背腔33可采用各向异性腐蚀液进行湿法腐蚀(例如以氢氧化钾及四甲基氢氧化铵为腐蚀液)来形成，也可采用干法腐蚀(例如采用深槽反映离子刻蚀)来形成。所述导电层可为采用物理气相淀积工艺、化学镀或电镀工艺所形成金属层与介质层材料形成的复合层30，同时由于连接层仅位于所述背极板的边缘，因此在所述背极板与所述声音敏感膜之间具有空隙32，当声音经过背极板30上的导气孔31，穿过空气间隙32到达声音敏感膜时，会引起声音敏感膜产生形变，进而导致电容变化，由于声音敏感膜由几乎没有残余应力的器件层形成，微硅麦克风的信号通过导电材料34与集成电路相连，所述集成电路将电容的形变信号转变为电压信号并最终传输到下一级电路进行相应处理。

综上所述，本发明的基于SOI硅片的集成电路与电容式微硅麦克风的单片集成方法可在SOI硅片上实现无须经历高温的且又无须采用复合膜作为声音敏感膜的单片集成，同时连接层处于声音敏感膜的边缘，相对于四周完全固定的声音敏感膜而言，其具有更高的灵敏度，此外，因采用几乎没有应力的SOI硅片器件层来作为声音敏感膜，这样即可以避免采用高温工艺来减小振动模应力，也可避免采用工艺复杂且重复性不佳的复合振动模方式来减小应力，还能减小芯片的尺寸，降低制造成本。