專利名稱：一種硅微電容傳聲器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體地說，本實用新型涉及一種硅微電容傳聲器芯片。
背景技術(shù)：
硅微電容傳聲器是一種新型的傳聲器，它通常由形成硅微電容的硅芯片部分和外圍電路部分組成。其中硅微電容芯片部分是傳聲器的核心，它是利用現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路工藝，在硅基片上通過復(fù)雜的體刻蝕工藝制作而成。硅微電容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者說聲學孔背板、空氣隙、隔離層、振動膜/金屬膜及金屬電極組成。由于其制作工藝的復(fù)雜性，隨著技術(shù)的發(fā)展，很多新的結(jié)構(gòu)及其制備方法不斷地被提出。
已知，在國外P.-C.Hsu等曾提出采用方形的空氣間隙、隔離層和振動膜的傳聲器芯片結(jié)構(gòu)和制備方法(見Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)，1998IEEE11th International Workshop p580-585，由P.-C.Hsu，C.H.Mastrangelo，andK.D.Wise所著的“A HIGH SENSITIVITY POLYSILICON DIAPHRAGM CONDENSERMICROPHONE”一文中所述)，這種硅微電容傳聲器芯片的缺點是在方形振動膜的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而導(dǎo)致傳聲器的靈敏度下降乃至振動膜破裂，成品率很低。
本申請人在申請?zhí)枮?3153254.3和03153253.5的中國專利申請中提出了克服方形振動膜在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中所帶來的問題，提出了具有圓環(huán)形隔離層和圓形空氣隙的傳聲器芯片及其制備方法，在其制備過程中，分別了使用兩種不同的薄膜材料作為圓環(huán)隔離層和圓形犧牲層。圖1示出了這樣一種硅微電容傳聲器芯片10的剖面圖，包括有一個硅片11。該硅片11具有一基本上為棱臺形的空心區(qū)域12，空心區(qū)域12的上端具有一個成形在硅片上表面的圓形穿孔背板13。該穿孔背板13上具有多個聲學孔14，以便形成聲學孔圖案。在硅片11上表面還形成有一個圓環(huán)形隔離層15，而隔離層15上形成有一個圓形振動膜16。通過隔離層15，在穿孔背板13和振動膜16之間提供了圓形空氣隙17。穿孔背板13和振動膜16上分別具有電極19。在這兩個申請中的，傳聲器芯片10中的圓環(huán)形隔離層15和圓形空氣隙17可以有效降低應(yīng)力的集中，從而提高了傳聲器芯片靈敏度的下降以及振動膜破裂以上幾種已知硅微電容傳聲器芯片的穿孔背板的制備都是先在硅基片(例如圖1的硅片11)前表面進行深度(10至20微米)選擇性濃硼擴散，即在穿孔背板的聲學孔之外的區(qū)域進行濃硼擴散，形成一個摻雜層，該摻雜層同時作為體刻蝕自停止層，然后，再從后表面進行體刻蝕而形成的。這樣形成的穿孔背板(例如圖1中的穿孔背板13)通常僅包括摻雜層一層材料。這種采用深度選擇性濃硼擴散方法制備穿孔背板的缺點主要具有缺點1)聲學孔區(qū)域是通過選擇性濃硼擴散來限定，也就是說，在硅基片的表面進行濃硼擴散時，將要成形為聲學孔的區(qū)域不進行摻雜，而在體刻蝕時將該區(qū)域的硅材料刻蝕去除以形成聲學孔。選擇性的濃硼擴散在工藝上是非常困難的，一是因為在深度方向擴散的同時還存在橫向的擴散，二是擴散掩膜有時不能完全阻止在保留區(qū)域的擴散，從而導(dǎo)致選擇性濃硼擴散的結(jié)果不理想，甚至失敗。
2)由于穿孔背板僅由摻雜層一層材料組成，為了達到穿孔背板的厚度要求(通常在12微米至20微米之間)，因此需要進行深度濃硼擴散。而深度濃硼擴散耗時長(一般要20小時以上)，而且深度濃硼擴散引起硅基片在邊緣上翹，使深度濃硼擴散其后的各種工藝制作比較困難。特別是，對生產(chǎn)用的大的硅基片(如4英寸或更大基片)影響較大。
3)由于硅本身在腐蝕液的各向異性，對硅微電容傳聲的芯片來講，背板厚度要求在12微米至20微米之間，這樣一來，用深度濃硼擴散制備的背板穿孔就不能太小，因此，硅微電容傳聲器芯片的尺寸就不能太小，這使大批量生產(chǎn)時硅微電容傳聲器芯片的成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的之一在于克服深度選擇性濃硼擴散制作的硅微電容傳聲器芯片背板穿孔所帶來的缺點和不足，從而提供一種硅微電容傳聲器芯片。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種硅微電容傳聲器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，所述隔離層位于所述穿孔背板和所述振動膜之間，用以提供所述穿孔背板和所述振動膜之間的空氣隙，所述穿孔背板包括一摻雜層且具有由多個聲學孔組成的聲學孔圖案；所述穿孔背板上的聲學孔是刻蝕一連續(xù)的摻雜層形成。
所述穿孔背板僅有摻雜層組成，所述聲學孔穿過所述摻雜層；或者，所述穿孔背板還包括一位于摻雜層之下的硅材料層，所述聲學孔穿過所述摻雜層和所述硅材料層。所述隔離層為圓環(huán)形。所述穿孔背板上的聲學孔是用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕所述連續(xù)的摻雜層形成。
本實用新型具有如下有益效果1)本實用新型采用在連續(xù)的摻雜層上通過刻蝕來預(yù)先制備得到聲學孔，特別是可以選擇ICP(感應(yīng)耦合等離子體)刻蝕工藝來刻蝕摻雜層，原則上講，這種方法制備的背板穿孔小到幾個微米量級，這樣，硅微電容傳聲器芯片的聲孔尺寸將不再成為限制硅微電容傳聲器芯片尺寸的因素。
2)在本實用新型的一種優(yōu)選實施方式中，傳聲器芯片的穿孔背板可以是復(fù)合背板，包括一層摻雜層和一層未腐蝕掉而殘留的硅材料層，這樣，在用諸如濃硼擴散來制備摻雜層時，不需要進行深度擴散，從而避免了深度選擇性濃硼擴散制作背板穿孔帶來硅基片邊沿上翹和硅微電容傳聲器芯片不能太小等問題。
總之，本實用新型提供的硅微電容傳聲器芯片克服了現(xiàn)有技術(shù)中用深度選擇性濃硼擴散制作背板及背板穿孔所帶來的問題和困難，為工業(yè)化生產(chǎn)傳聲器芯片提供一套簡便易行的工藝。


圖1是背景技術(shù)中涉及的一種硅微電容傳聲器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例1中在硅基片上表面形成摻雜層后的剖面示意圖；圖3是實施例1中繼圖2之后在硅基片上形成隔離層并刻蝕出聲學孔后的剖面示意圖；圖4是實施例1中繼圖3之后在硅基片上形成犧牲層和振動膜后的剖面示意圖；圖5是實施例1中繼圖4之后對硅基片進行體刻蝕去除犧牲層并設(shè)置電極后最終形成的硅微電容傳聲器芯片的剖面示意圖；圖6是圖5所示硅微電容傳聲器芯片的俯視圖；圖7是實施例2中在硅基片上表面形成摻雜層后的剖面示意圖；圖8是實施例2中繼圖7之后在硅基片上形成隔離層并刻蝕出聲學孔后的剖面示意圖；圖9是實施例2中繼圖8之后在硅基片上形成犧牲層和振動膜后的剖面示意圖；圖10是實施例2中繼圖9之后對硅基片進行體刻蝕去除犧牲層并設(shè)置電極后最終形成的硅微電容傳聲器芯片的剖面示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述。
實施例1圖2～圖5示出了在一個實施例中本實用新型的硅微電容傳聲器芯片的制備流程，其中圖5為根據(jù)本實用新型的方法制備好的傳聲器芯片。
如圖2所示，首先選取一個硅基片100，該硅基片100可以為n型或者p+型硅片。硅基片100具有一個上表面101和一個下表面102，在一個實施例中，該硅基片100的厚度為400微米，但是可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)所需要的傳聲器芯片尺寸而選擇不同厚度的硅基片100。硅基片100經(jīng)過高溫氧化工藝生長一層高溫二氧化硅，示例性地，該高溫二氧化硅的厚度為1微米；在硅基片100的上表面101上對該層高溫二氧化硅光刻后利用氫氟酸腐蝕高溫二氧化硅制成掩膜103。在掩膜103的覆蓋區(qū)域之外，從上表面101對硅基片100進行摻雜，以形成一個連續(xù)的摻雜層104。在這里，對硅基片100的摻雜可以采用濃硼擴散或磷注入摻雜。從下文的描述可知，在本實施例中，傳聲器芯片的穿孔背板僅由摻雜層104一層材料形成，因此，在本實施例中摻雜層104的厚度和所需要的穿孔背板的厚度相同。例如，傳聲器芯片穿孔背板的厚度通常在12微米至20微米之間，因此，在本實施例中，摻雜層104的厚度也可在12微米至20微米之間選擇，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實際需要作出其它選擇。
如圖3所示，用氫氟酸去除圖2中的高溫二氧化硅掩膜103，然后在硅基片100的上表面101形成一隔離層105。在圖6中看得更清楚，該隔離層105優(yōu)選為圓環(huán)形，可通過如下方法形成在硅基片100的上表面101形成一層低溫二氧化硅，然后對該層低溫二氧化硅進行光刻后用氫氟酸腐蝕出圓環(huán)形的隔離層105。然后在摻雜層105上刻蝕聲學孔106，在一個實施例中，對隔離層105所包圍的摻雜層104區(qū)域表面進行甩膠，光刻出所需要的聲學孔圖案，然后用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)工藝刻蝕出組成聲學孔圖案的多個聲學孔106。這些聲學孔106透過摻雜層104的整個厚度，其高度稍大于摻雜層104的厚度。此外，聲學孔106可以采用諸如正方形等本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的形狀。這樣，包括由多個聲學孔106的摻雜層104形成了硅微電容傳聲器芯片的穿孔背板。
從圖2和圖3可知，相比于通過選擇性的摻雜來限定聲學孔，在本實用新型中，傳聲器芯片穿孔背板的聲學孔106是在一個連續(xù)的摻雜層104上刻蝕而成的。
如圖4所示，去除光刻聲學孔圖案時所甩的膠之后，在隔離層105所圍繞的區(qū)域周圍形成一犧牲層107。該犧牲層107充滿隔離層105所圍繞的空間，并且同時充滿了在圖3中形成的各個聲學孔106。在一個實施例中，可用平面磁控濺射的方法，淀積出一個氧化鋅材料的犧牲層107，由于平面磁控濺射時，硅基片100是浸在輝光放電的等離子體中的，所以氧化鋅在ICP刻蝕出的聲學孔106的各個側(cè)面同時淀積，聲學孔106將很快被氧化鋅填充滿，此時淀積的犧牲層基本平坦，只是在聲學孔106的中心有一個微小的凹坑，此凹坑對器件性能沒有影響。然后，對犧牲層107進行光刻后用磷酸腐蝕出所需要的犧牲層形狀，例如對于圖4中圓環(huán)形隔離層105，可將犧牲層107進行光刻后用磷酸腐蝕出與圓環(huán)形隔離層105同心的圓形犧牲層107。然后，在硅基片100的上表面101和下表面102雙面淀積一層氮化硅，示例性地，該氮化硅層的厚度為1微米。在硅基片100的上表面101光刻后將氮化硅層刻蝕成振動膜108，在下表面102光刻后刻蝕出體刻蝕保護膜109。如圖6所示，對于圓環(huán)形隔離層105，振動膜108的形狀相應(yīng)地為圓形。在圖4中，體刻蝕保護膜109的未覆蓋區(qū)域為一正方形，以便從該正方形區(qū)域開始對硅基片100進行體刻蝕。
如圖5所示，從硅基片100的下表面102開始對硅基片100用氫氧化鉀進行硅體刻蝕，當氫氧化鉀腐蝕到氧化鋅材料的犧牲層107填充的聲學孔106時，由于氫氧化鉀對聲學孔106內(nèi)的氧化鋅犧牲層107的腐蝕速度遠高于其周圍摻雜層104區(qū)域，使聲學孔106內(nèi)犧牲層107被很快腐蝕掉，從而暴露出原先在圖3中刻蝕形成的聲學孔106。然后，氫氧化鉀通過聲學孔106進一步到達隔離層105所包圍的氧化鋅犧牲層107，并將犧牲層107全部腐蝕完，從而在摻雜層104或者說穿孔背板與振動膜108之間形成空氣隙110。最后，在振動膜108以及摻雜層104的表面分別設(shè)置一金屬電極111，這在圖6中看得更清楚。這兩個金屬電極111可通過在硅基片100的上表面101蒸鍍一層金屬薄膜，例如鋁膜，然后對該金屬薄膜光刻并用磷酸腐蝕成電極111。
實施例2圖7～圖10示出了在另一個實施例中本實用新型的硅微電容傳聲器芯片的制備流程，其中圖10在該實施例中根據(jù)本實用新型的方法制備好的傳聲器芯片。在下文對實施例2的描述中，與實施例1相同的部分不再敘述，重點描述實施例2與實施例1的區(qū)別之處，其中，在圖7～圖10中，和實施例1相同的組成仍然使用和圖2～圖5一致的標號，與實施例1不同的部分采用另外的標號。
如圖7所示，本實施例與實施例1的區(qū)別在于摻雜層204的厚度明顯小于圖2中摻雜層104的厚度。從后面的描述可知，在本實施例中，傳聲器芯片的穿孔背板為復(fù)合層結(jié)構(gòu)，由摻雜層204以及其下的一層刻蝕后殘留的硅材料層組成。因此，在本實施例中，在由硅材料層保證穿孔背板厚度的情況下，摻雜層204可以比較薄，通?？梢栽?.1微米～3微米之間選擇。
如圖8所示，與圖3的區(qū)別在于聲學孔106透過摻雜層204的整個厚度并且繼續(xù)向下延伸，聲學孔106的高度基本上與所要求的穿孔背板的厚度相同?；旧虾蛽诫s層104的厚度相同。例如，傳聲器芯片穿孔背板的厚度通常在12微米至20微米之間，因此，在本實施例中，聲學孔106的高度也可在12微米至20微米之間選擇，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實際需要作出其它選擇。
如圖9所示，與圖4相比，除去摻雜層204與圖3中的摻雜層104厚度不同外，其它過程基本相同。
如圖10所示，與圖5相比，在本實施例中，在對硅基片100進行體刻蝕時，在摻雜層204的下方殘留由一個硅材料層212，該殘留的硅材料層212和摻雜層204形成的復(fù)合層結(jié)構(gòu)與聲學孔106一起組成了硅微傳聲器芯片的穿孔背板。其中，而穿孔背板復(fù)合層的厚度——具體地說是硅材料層212的厚度可通過控制對硅基片100的體刻蝕的時間來決定，由于硅微電容傳聲芯片對穿孔背板復(fù)合層的厚度的精度要求不高，因此在現(xiàn)有的工藝條件下，采用時間法控制是本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易做到的。
權(quán)利要求1.一種硅微電容傳聲器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，所述隔離層位于所述穿孔背板和所述振動膜之間，用以提供所述穿孔背板和所述振動膜之間的空氣隙，所述穿孔背板包括一摻雜層且具有由多個聲學孔組成的聲學孔圖案；其特征在于，所述穿孔背板上的聲學孔是刻蝕一連續(xù)的摻雜層形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微電容傳聲器芯片，其特征在于，所述穿孔背板僅有摻雜層組成，所述聲學孔穿過所述摻雜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微電容傳聲器芯片，其特征在于，所述穿孔背板還包括一位于摻雜層之下的硅材料層，所述聲學孔穿過所述摻雜層和所述硅材料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微電容傳聲器芯片，其特征在于，所述隔離層為圓環(huán)形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微電容傳聲器芯片，其特征在于，所述穿孔背板上的聲學孔是用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕所述連續(xù)的摻雜層形成。
專利摘要本實用新型公開了一種硅微電容傳聲器芯片。該硅微電容傳聲器芯片包括硅基片及其上的穿孔背板，該穿孔背板包括一摻雜層且具有由多個聲學孔，該聲學孔是刻蝕一連續(xù)的摻雜層形成。該穿孔背板僅有摻雜層組成，或者還包括一位于摻雜層之下的硅材料層。本實用新型采用在連續(xù)的摻雜層上通過刻蝕來預(yù)先制備得到聲學孔，克服了深度選擇性濃硼擴散制作背板及背板穿孔所帶來的問題和困難。
文檔編號H04R31/00GK2783675SQ20042005863
公開日2006年5月24日 申請日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者喬東海, 田靜, 徐聯(lián), 汪承灝 申請人:中國科學院聲學研究所