一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风及其制备方法

摘要

本发明涉及一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风及其制备方法，其包括背极板硅基及振膜硅基；背极板硅基上设有CMOS电路，背极板硅基对应设置CMOS电路的表面上淀积有电绝缘层，电绝缘层上设有金属键合层，金属键合层与CMOS电路的连接端电连接；背极板硅基上设有若干声孔；振膜硅基对应于与背极板硅基相连的表面设有振膜，振膜硅基内设有贯通振膜硅基的深坑，所述深坑位于声孔的正上方，且深坑与声孔对应分布；振膜硅基对应于设置振膜的表面键合安装于金属键合层上，振膜通过金属键合层与CMOS电路电连接，振膜与下电极间隙配合。本发明可与CMOS电路芯片垂直集成，简化生产工艺及其封装结构，降低生产成本，增强器件的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅麦克风及其制备方法，尤其是一种与CMOS电路纵向集 成的MEMS硅麦克风及其制备方法，属于硅麦克风的技术领域。

背景技术

麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑， 电话机，照相机及摄像机等。传统的驻极体电容式麦克风采用特氟龙作为振动 薄膜，不能承受在印刷电路板焊接回流工艺近300度的高温，从而只能与集成 电路的组装分开，单独手工装配，大大增加了生产成本。

近三十年的MEMS(Microelectromechanical Systems)技术与工艺的发展， 特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器(如压力传感器，加 速度计，陀螺仪等)的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高 端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。但是，由于制备工艺 复杂，MEMS硅麦克风的生产成本与驻极体麦克风相比还相当高，特别是MEMS 硅麦克风芯片的生产工艺与CMOS集成电路不兼容，使得与麦克风芯片相配的 放大器芯片必须分开制备，而麦克风芯片与放大器芯片的电信号连接需采用焊 线键合，进一步增加了生产成本，同时降低了可靠性。

MEMS麦克风主要还是采用电容式的原理，由一个振动薄膜和背极板组成， 振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄 膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成 电容变化。MEMS麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化， 再放大后变成电输出。

人的语音声压信号非常微弱，振动薄膜必须非常灵敏。一般振动薄膜的材 料是多晶硅或氮化硅，厚度在零点五到二微米左右，视振动薄膜的大小而异。 由于材料的热膨胀系数不同和高温工艺，制备后的振动薄膜会有不同程度的残 留应力，大大影响了振动薄膜的灵敏度。所以，用多晶硅作为振动薄膜时，在 制备后一般会采用附加退火工艺，来调节残留应力降到最低；若用氮化硅作为 振动薄膜，在制备时通过调节反应气体间的比例来降低残留应力。同时，也可 以采用改变振动薄膜的机械结构，把一般的平板型振动薄膜改为纹膜，浮膜， 或在振动薄膜上切割微小的槽，从而达到减少残留应力、增加灵敏度的目的。 但改变振动薄膜结构的方法会造成制备工艺复杂化，增加成本，降低良率。

背极板除了与振动薄膜形成电容以外，还具有控制麦克风的频带，降低声 学噪声等功能。它需要具有一定的刚度，不会因外部的振动或声压而形变。除 此以外，一般的设计还需在背极板上制备数百至上千个直径为几微米的穿孔， 用来调节麦克风的频带和降低声学噪声。由于穿孔腐蚀制备工艺的深宽比的制 约，背极板的厚度一般不会超过几十微米。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种与CMOS电路纵向 集成的MEMS硅麦克风及其制备方法，其可与CMOS电路芯片垂直集成，简化 生产工艺及其封装结构，降低生产成本，增强器件的可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克 风，包括背极板硅基及位于所述背极板硅基上方振膜硅基；所述背极板硅基上 对应于与振膜硅基相连的另一侧设有CMOS电路，背极板硅基对应设置CMOS 电路的表面上淀积有电绝缘层，所述电绝缘层上设有金属键合层，所述金属键 合层与CMOS电路的连接端电连接；背极板硅基上设有若干声孔，所述声孔位 于振膜硅基的正下方，且声孔从金属键合层的表面向下延伸贯通背极板硅基， 背极板硅基对应于设置声孔表面的金属键合层形成下电极；振膜硅基对应于与 背极板硅基相连的表面设有导电振膜，振膜硅基内设有贯通振膜硅基的深坑， 所述深坑位于声孔的正上方，且深坑与声孔对应分布；振膜硅基对应于设置振 膜的表面键合安装于金属键合层上，导电振膜通过金属键合层与CMOS电路电 连接，导电振膜与下电极间隙配合。

所述声孔的孔径为50～100μm；所述背极板硅基的厚度为300～500μm。所述 电绝缘层包括位于背极板硅基表面的第一绝缘介质层及位于所述第一绝缘介质 层上的第二绝缘介质层；所述第一绝缘层为氮化硅层，第二绝缘介质层为二氧 化硅层。

所述CMOS电路的连接端包括输入端及输出端，所述输入端邻近振膜硅基； 输入端及输出端通过电绝缘层隔离。

所述导电振膜包括生长于振膜硅基上的绝缘支撑膜及淀积于所述绝缘支撑 膜上的振膜体薄膜，且所述振膜体薄膜通过高温退火去除残余应力。

一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风制备方法，所述MEMS硅 麦克风制备方法包括如下步骤：

a、提供具有CMOS电路的背极板硅基；

b、在上述背极板硅基对应于形成CMOS电路的表面淀积电绝缘层，所述电 绝缘层覆盖于背极板硅基的表面；

c、选择性地掩蔽和刻蚀覆盖于CMOS电路上的电绝缘层，在CMOS电路 对应的正上方形成输入连接槽及输出连接槽，所述输入连接槽通过位于CMOS 电路中心区的电绝缘层与输出连接槽隔离；

d、在上述背极板硅基对应于设置电绝缘层的表面淀积金属层，所述金属层 覆盖于电绝缘层上，且填充于输入连接槽及输出连接槽内，并在背极板硅基上 形成金属键合层及下电极；

e、在上述背极板硅基对应于设置下电极的表面进行穿孔，在背极板硅基上 形成若干声孔，所述声孔从下电极的表面向下延伸并贯通背极板硅基；

f、提供振膜硅基，并在振膜硅基的中心区刻蚀出浅坑，所述浅坑与振膜硅 基一端的浅槽相连通；

g、在上述振膜硅基上生长绝缘支撑层，所述绝缘支撑层覆盖振膜硅基相对 应的两个表面；

h、在上述振膜硅基的绝缘支撑层上淀积振膜体薄膜，所述振膜体薄膜覆盖 振膜硅基两个表面的绝缘支撑层；

i、去除振膜硅基上对应于设置浅坑另一侧表面的振膜体薄膜；

j、在上述振膜硅基的两个表面上淀积掩膜层，所述掩膜层覆盖于振膜硅基 相对应的表面；

k、去除上述振膜硅基对应于设置浅坑一侧表面的掩膜层，保留振膜硅基另 一侧面的掩膜层；

l、刻蚀振膜硅基表面上的掩膜层及绝缘支撑层，保留位于振膜硅基端部边 缘的掩膜层及绝缘支撑层，在振膜硅基上形成刻蚀窗口；所述刻蚀窗口从掩膜 层表面延伸到振膜硅基的表面；

m、利用上述刻蚀窗口对振膜硅基进行刻蚀，得到位于振膜硅基内的深坑， 所述深坑贯通振膜硅基；

n、将上述振膜硅基对应于设置振膜体薄膜的表面通过共晶键合安装于背极 板硅基上，振膜体薄膜通过金属键合层与CMOS电路电连接。

所述步骤h中，振膜体薄膜淀积于绝缘支撑层上后，并通过高温退火去除 振膜体薄膜的残余应力；振膜体薄膜的材料为导电多晶硅或单晶硅。

所述振膜体薄膜高温退火的温度为1000～1100度；振膜体薄膜的厚度为 0.7～1.2μm。

所述掩膜层为氮化硅薄膜，掩膜层的厚度为100nm。

所述浅坑的深度为2～3μm，浅槽的深度与浅坑的深度相一致；所述浅槽与 浅坑为同一工艺步骤制成。

本发明的优点：背极板硅基上设有振膜硅基，其通过金属-硅共晶键合法与 背极板硅基上的金属键合层键合，导电振膜与背极板的下电极形成电容结构； 且振膜通过金属键合层与CMOS电路电连接，实现了CMOS电路芯片垂直集成； 振膜硅基上设有深坑，背极板硅基上设有声孔，进入深坑或声孔内的声音能作 用于振膜上，CMOS电路通过检测振膜变化输出相应的声音信号，简化生产工 艺及其封装结构，降低生产成本，增强器件的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明背极板的结构示意图。

图3为本发明振膜的结构示意图。

图4～图7为图2的A-A向具体工艺步骤实施剖视图，其中：

图4为在背极板硅基上形成电绝缘层后的剖视图。

图5为在CMOS电路上形成输入连接槽及输出连接槽后的剖视图。

图6为形成金属键合层及下电极后的剖视图。

图7为形成深孔后的剖视图。

图8～图15为图3的B-B向具体工艺步骤实施剖视图，其中：

图8为形成浅坑后的剖视图。

图9为形成绝缘支撑层后的剖视图。

图10为形成振膜体薄膜后的剖视图。

图11为去除振膜硅基上对应于设置浅坑另一表面振膜体薄膜后的剖视图。

图12为形成掩膜层后的剖视图。

图13为去除振膜硅基上对应于设置浅坑另一表面掩膜层后的剖视图。

图14为形成刻蚀窗口后的剖视图。

图15为形成深坑后的剖视图。

图16为将振膜与背极板键合后形成麦克风后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图16所示：本发明包括背极板硅基1、CMOS电路2、第一绝缘介 质层3、第二绝缘介质层4、连接端5、下电极6、金属键合层7、浅槽8、振膜 硅基9、浅坑10、绝缘支撑层11、振膜体薄膜12、掩膜层13、深坑14、输入 连接槽15、输出连接槽16、定位孔17、深孔18、输入端19、输出端20及刻蚀 窗口21。

如图1和图16所示：所述MEMS硅麦克风包括背极板及位于所述背极板 上的振膜体，本发明中背极板包括背极板硅基1，所述背极板硅基1上设有CMOS 电路2，所述CMOS电路2通过常规工艺制造方法得到。所述CMOS电路2内 包括把电容式麦克风的信号进行放大的放大器，以及提供麦克风电压的电荷泵。 为了保护CMOS电路2，背极板硅基1上设有电绝缘层，所述电绝缘层包括第 一绝缘介质层3及位于所述第一绝缘介质层3上的第二绝缘介质层4，其中，第 一绝缘介质层3通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 方式淀积于背极板硅基1对应于设置CMOS电路2表面的氮化硅层，第二绝缘 介质层4为通过PECVD方式淀积于第一绝缘介质层3上的二氧化硅层，通过第 一绝缘层3与第二绝缘介质层4的对应配合，能够提高电绝缘性。为了能够将 信号输入CMOS电路2内，并将CMOS电路2处理的信号输出，所述CMOS 电路2的正上方设有连接端5，所述连接端5能够与CMOS电路2电连接；具 体地，连接端5包括输入端19及输出端20，所述输入端19及输出端20通过电 绝缘层进行隔离。为了形成连接端5，并能电容麦克风的下电极6，通过溅射或 热蒸发淀积金属层，位于CMOS电路2上方的金属层形成输入端19及输出端 20，背极板硅基1对应于设置CMOS电路2一侧表面的金属层形成下电极6， 下电极6外圈的金属层形成金属键合层7。背极板硅基1上对应于设置下电极6 的部位设有若干均匀分布的声孔18，为了形成声孔18需要先通过干法腐蚀法去 除定位孔17下方对应的电绝缘层，即需要先去除定位孔17下方的第一绝缘介 质层3及第二绝缘介质层4；使得定位孔17向下延伸到背极板硅基1的表面。 去除电绝缘层后，通过定位孔17对背极板硅基1进行穿孔，穿孔时，采用皮秒 激光束或深硅反应离子腐蚀法，从而能够在背极板硅基1上形成声孔18，所述 声孔18与定位孔17的位置相对应。声孔18的孔径为50到100微米，而作为 麦克风背极板的背极板硅基1厚度为300到500微米，形成声孔18的孔深与孔 宽比例为3～10；声孔18的大小、数量及位置按需要进行设定，以能够得到所需 的带宽与极低的声学噪音为准。

所述振膜体包括振膜硅基9，振膜硅基9的外径尺寸小于背极板硅基1的外 径尺寸，所述振膜硅基9上设有导电振膜，所述导电振膜包括振膜体薄膜12， 所述振膜体薄膜12的材料包括导电多晶硅或单晶硅。为了能够在振膜硅基9上 得到振膜体薄膜12，在振膜硅基9上先设置绝缘支撑层11，然后在绝缘支撑层 11上淀积得到振膜体薄膜12，通过高温退火工艺，去除振膜体薄膜12的残余 应力，提高麦克风的灵敏度；高温退火的工艺温度在1000～1100度。振膜硅基9 内设有深孔14，所述深孔14位于振膜硅基9的中心区，且深孔14贯通振膜硅 基9，即深孔14从振膜硅基9的表面延伸到振膜体薄膜12。振膜硅基9对应于 形成振膜的表面与背极板硅基1上的金属键合层7通过金属-硅共晶键合法安装 于背极板硅基1上。当振膜硅基9安装于背极板硅基1上后，振膜硅基9放置 于设置声孔18的上方，位于CMOS电路2的一侧；深孔14的位置与声孔18 相对应，振膜体薄膜12与下电极6间间隙配合，且振膜体薄膜12与下电极6 间的间隙与声孔18相连通。振膜体薄膜12与下电极6形成电容式麦克风的两 个导电电极，振膜体薄膜12通过金属键合层7与CMOS电路2中的输入端19 电连接，从而CMOS电路2中的电荷泵能够提供麦克风的工作电压，并能够通 过内部的放大器进行声音信号放大。振膜硅基9上对应于设置振膜体薄膜12另 一侧面上设有绝缘支撑层11，所述绝缘支撑层11设有掩膜层13，所述绝缘支 撑层11及掩膜层13位于深坑14的外圈，通过绝缘支撑层11及掩膜层13能够 形成刻蚀深坑14的刻蚀窗口21。

如图2～图16所示：上述结构的MEMS硅麦克风，通过下述工艺步骤实现：

a、提供具有CMOS电路2的背极板硅基1；

所述CMOS电路2通过常规工艺步骤制备，通过提供具有CMOS电路2的 背极板硅基1能够达到硅麦克风与CMOS电路2的纵向集成；

b、在上述背极板硅基1对应于形成CMOS电路2的表面淀积电绝缘层，所 述电绝缘层覆盖于背极板硅基1的表面；

如图4所示：所述电绝缘层包括第一绝缘介质层3及第二绝缘介质层4，所 述第一绝缘介质层3为氮化硅层，第二绝缘介质层4为二氧化硅层；第一绝缘 介质层3及第二绝缘介质层4能保护CMOS电路2，同时第一绝缘介质层3及 第二绝缘介质层4同时覆盖于CMOS电路2；

c、选择性地掩蔽和刻蚀覆盖于CMOS电路2上的电绝缘层，在CMOS电 路2对应的正上方形成输入连接槽15及输出连接槽16，所述输入连接槽15通 过位于CMOS电路2中心区的电绝缘层与输出连接槽16隔离；

如图5所示：通过干法或湿法腐蚀法，去除CMOS电路2上方对应部分的 第一绝缘介质层3及第二绝缘介质层4，从而能够得到输入连接槽15及输出连 接槽16，输入连接槽15与输出连接槽16通过中心区的电绝缘层相隔离；

d、在上述背极板硅基1对应于设置电绝缘层的表面淀积金属层，所述金属 层覆盖于电绝缘层上，且填充于输入连接槽15及输出连接槽16内，并在背极 板硅基1上形成金属键合层7及下电极6；

如图6所示：所述金属层通过溅射或热蒸发形成，金属层填充于输入连接 槽15及输出连接槽16内，从而形成输入端19及输出端20；在背极板硅基1对 应部位的金属层形成下电极6，下电极6外圈的金属层形成金属键合层7，所述 金属键合层7与输入端19电连接；下电极6间具有定位孔17；

e、在上述背极板硅基1对应于设置下电极6的表面进行穿孔，在背极板硅 基1上形成若干声孔18，所述声孔18从下电极6的表面向下延伸并贯通背极板 硅基1；

如图7所示：穿孔时先要去除定位孔17下方的第一绝缘介质层3及第二绝 缘介质层4，穿孔时，采用皮秒激光束或深硅反应离子腐蚀法进行穿孔，通过上 述工艺后能够形成电容式麦克风的背极板结构；

f、提供振膜硅基9，并在振膜硅基9的中心区刻蚀出浅坑10，所述浅坑10 与振膜硅基9一端的浅槽8相连通；

如图8所示：所述浅坑10及浅槽8通过干法腐蚀法进行刻蚀，浅坑10及 浅槽8的深度一致，浅坑10的深度为2微米到3微米，浅槽8及浅坑10为同 一工艺步骤制备形成，通过浅槽8能够保证振膜体薄膜12与下电极6间连接线 的不接触，避免短路；浅槽8的存在不会影响麦克风50Hz以上的声学性能；

g、在上述振膜硅基9上生长绝缘支撑层11，所述绝缘支撑层11覆盖振膜 硅基9相对应的两个表面；

如图9所示：所述绝缘支撑层11为通过热氧化法在振膜硅基9上形成的二 氧化硅层，绝缘支撑层11的厚度为100nm左右；

h、在上述振膜硅基9的绝缘支撑层11上淀积振膜体薄膜12，所述振膜体 薄膜12覆盖振膜硅基9对应表面的绝缘支撑层11；

如图10所示：所述振膜体薄膜12通过LPCVD(低压化学气相沉积)沉淀 方式形成于振膜硅基9对应表面的绝缘支撑层11上，振膜体薄膜12的材料包 括导电多晶硅或单晶硅；得到振膜体薄膜12后，通过高温退火方式去除振膜体 薄膜12上的残余应力，得到振膜体薄膜12的残余应力为0；高温退火的温度为 1000～1100度，振膜体薄膜12的厚度为0.7微米～1.2微米；

i、去除振膜硅基9上对应于设置浅坑10另一侧表面的振膜体薄膜12；

如图11所示：通过干法腐蚀法去除振膜硅基9对应于设置浅坑10另一侧 面的振膜体薄膜12，振膜硅基9对应于设置浅坑10一侧表面的振膜体薄膜12 作为振膜；

j、在上述振膜硅基9的两个表面上淀积掩膜层13，所述掩膜层13覆盖于 振膜硅基9相对应的表面；

如图12所示：所述掩膜层13为通过LPCVD形成的氮化硅层，掩膜层13 的厚度为100nm，通过掩膜层13作为氢氧化钾或四甲基氢氧化氨体硅腐蚀的掩 膜；

k、去除上述振膜硅基9对应于设置浅坑10一侧表面的掩膜层13，保留振 膜硅基9另一侧面的掩膜层13；

如图13所示：为了能够得到振膜，需要将振膜硅基9对应于设置浅坑10 表面的掩膜层13，去除掩膜层13后，使得振膜体薄膜12表面露出；

l、刻蚀振膜硅基9表面上的掩膜层13及绝缘支撑层11，保留位于振膜硅 基9端部边缘的掩膜层13及绝缘支撑层11；在振膜硅基9上形成刻蚀窗口21， 所述刻蚀窗口21从掩膜层13表面延伸到振膜硅基9的表面；

如图14所示：通过光刻和干法腐蚀法刻蚀振膜硅基9对应于设置浅坑10 另一侧面的部分掩膜层13及绝缘支撑层11，从而在振膜硅基9上形成刻蚀窗口 21，所述刻蚀窗口21的轴线与振膜硅基9的轴线位于同一直线上；刻蚀窗口21 与浅坑10位于振膜硅基9对应的表面；

m、利用上述刻蚀窗口21对振膜硅基9进行刻蚀，得到位于振膜硅基9内 的深坑14，所述深坑14贯通振膜硅基9；

如图15所示：通过氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化氨进行体硅刻蚀，得到深 坑14，刻蚀深坑14时一直刻蚀到绝缘支撑层11；

n、将上述振膜硅基9对应于设置振膜体薄膜12的表面通过共晶键合安装 于背极板硅基1上，振膜体薄膜12通过金属键合层7与CMOS电路2电连接。

振膜硅基9通过共晶键合法安装于背极板硅基1上时，振膜硅基9上的浅 槽8邻近CMOS电路2，通过浅槽8能够避免连接的短路。

如图1～图16所示：工作时，将CMOS电路2的输出端与外部检测设备相 连，振膜体薄膜12与下电极6间形成电容结构。当外部有声音从深坑14或声 孔18进入；进入深坑14或声孔18的声音会对振膜体薄膜12产生作用力，振 膜体薄膜12的表面受到作用力会产生相应的形变。当振膜体薄膜12发生形变 时，振膜体薄膜12与下电极6间形成电容结构也会发生对应变化，通过CMOS 电路2的电荷泵及放大器后通过输出端20进行输出变化，来检测对应的声音信 号。

本发明背极板在背极板硅基1上来实现，声孔18的直径设计为50微米到 100微米，完全可以用激光束或深硅反应离子腐蚀法对300微米到500微米厚的 背极板硅基1直接进行穿孔，不需要对背极板硅基1进行减薄。而通常设计的 背极板上声孔18大小为几微米，无法用激光束工艺来实现；若用深硅反应离子 腐蚀法，因其工艺的刻蚀深宽比的限制，要实现几微米声孔穿孔，需要对背极 板硅基1进行减薄。而本发明的背极板设计与制备方法，在保证麦克风性能的 同时，简化了制备工艺，实现了CMOS电路2与硅麦克风背极板工艺的兼容性， 并可集成在同一张背极板硅基1上。麦克风的下电极6与共晶键合时所需的键 合金属层7用单一工艺一步完成，进一步简化了工艺流程。金属-硅共晶键合法 可在实现麦克风振膜硅片与背极板键合的同时，实现电路连接导电多晶硅振膜 到CMOS放大器电路的连接端5。在振膜硅基9上的浅槽8深度为2微米到3 微米之间，其作用在于保证振膜体薄膜12与下方位于下电极6到CMOS放大器 电路2输入端的金属引线间不接触，避免短路。浅槽8的设计会造成低频声学 泄漏，但不会影响硅麦克风所要求的50赫兹以上的声学性能。形成振膜的振膜 体薄膜12由LPCVD法沉淀，随后通过高温退火的方式，降低残余应力接近于 零。用氢氧化钾或四甲基氢氧化氨溶液进行体硅的腐蚀，形成麦克风的深坑14。 金属-硅共晶键合法最终完成麦克风振膜硅基9与背极板硅基1的键合，实现 CMOS电路垂直集成的MEMS硅麦克风芯片制备。