一種電容式硅微型麥克風(fēng)及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電容式硅微型麥克風(fēng)及其制作方法。一種電容式硅微型麥克風(fēng)，包括襯底、背板以及支撐結(jié)構(gòu)，所述襯底上設(shè)有隧穿層，所述隧穿層上設(shè)有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層作為存儲層，所述存儲層上設(shè)有阻擋層；在所述襯底正中下方位置開設(shè)有一空腔，位于所述空腔正上方的襯底、隧穿層、存儲層以及阻擋層共同構(gòu)成一振膜；所述背板設(shè)在所述襯底上方，所述背板設(shè)有通孔；所述背板和所述振膜之間通過支撐結(jié)構(gòu)連接，并在所述振膜正上方形成一間隙。本發(fā)明提供的電容式硅微型麥克風(fēng)無需外加電源，與CMOS工藝兼容，具有易于微型化、低成本、高精度、高可靠性的優(yōu)點，并能應(yīng)用于高溫、高濕等惡劣環(huán)境。
【專利說明】一種電容式硅微型麥克風(fēng)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于CMOS技術(shù)和MEMS技術(shù)的電容式硅微型麥克風(fēng)及其制作方法，尤其涉及一種采用儲存在電荷陷阱型非易失性存儲器中的電荷提供偏壓的電容式硅微型麥克風(fēng)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微型麥克風(fēng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、助聽器等電子產(chǎn)品中。目前微麥克風(fēng)正呈現(xiàn)出微型化、低成本、高精度、集成化的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的通過組裝方法形成的麥克風(fēng)，不僅體積大，而且精度低，難以滿足上述發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)麥克風(fēng)相比，基于CMOS工藝和MEMS工藝形成的硅微型麥克風(fēng)，可借助集成電路(IC)工藝強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)高精度的批量制造，具有體積小、成本低及精度高的優(yōu)點。此外，基于CMOS工藝和MEMS工藝形成的硅微型麥克風(fēng)還可以實現(xiàn)與接口電路的單片集成，有效抑制了引線互聯(lián)及封裝所引入的寄生對麥克風(fēng)性能的影響。因此基于CMOS工藝和MEMS工藝形成的硅微型麥克風(fēng)成為微型麥克風(fēng)發(fā)展的主流。
[0003]根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換原理，硅微型麥克風(fēng)主要包括壓電式、壓阻式及電容式等三種類型。在商用領(lǐng)域中，電容式硅微型麥克風(fēng)應(yīng)用最為廣泛，這是因為電容式硅微型麥克風(fēng)具有高靈敏度以及低功耗等優(yōu)點。電容式硅微型麥克風(fēng)呈可變電容器結(jié)構(gòu)，由可動極板(振膜)和固定極板(背板)組成，并在極板之間施加固定偏壓。在聲壓作用下，振膜發(fā)生振動，改變極板間距，并引起電容發(fā)生變化，電容變化引起振膜與背板間的電荷重新分布，從而實現(xiàn)聲音信號到電學(xué)信號(聲一電)轉(zhuǎn)換。目前加在極板之間的固定偏壓主要由外加電源提供，其體積較大。M.Kranz (人名)等提出基于駐極體的硅微型麥克風(fēng)，采用儲存在駐極體中的電荷為硅微型麥克風(fēng)提供偏壓。駐極體是一種具有電荷存儲和電荷保持能力的電介質(zhì)材料。但是，這種基于駐極體的硅微型麥克風(fēng)存在與CMOS工藝兼容性的問題。M.Wong (人名)等提出基于浮柵式非易失性存儲器的硅微型麥克風(fēng)，采用儲存在浮柵中的電荷為硅微型麥克風(fēng)提供偏壓。這種基于浮柵式非易失性存儲器的硅微型麥克風(fēng)與CMOS工藝兼容，但是，與駐極體比較，由于浮柵是導(dǎo)體，儲存在浮柵的電荷能自由移動，當(dāng)后續(xù)工藝導(dǎo)致存儲器產(chǎn)生一個泄漏通道時，所有儲存在浮柵中的電荷會通過這個泄漏通道丟失，導(dǎo)致麥克風(fēng)不能工作，因此可靠性有待改善。此外，儲存在駐極體和浮柵式非易失性存儲器中的電荷在高溫、高濕等環(huán)境下容易丟失，因此基于駐極體或浮柵式非易失性存儲器的硅微型麥克風(fēng)難以在聞溫、聞濕等惡劣環(huán)境中應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種無需外加電源、與CMOS工藝兼容、可靠性高，并能應(yīng)用于惡劣環(huán)境的電容式硅微型麥克風(fēng)及其制作方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明提供了一種電容式娃微型麥克風(fēng)，包括襯底、背板以及支撐結(jié)構(gòu)，所述襯底上設(shè)有隧穿層，所述隧穿層上設(shè)有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層作為存儲層，所述存儲層上設(shè)有阻擋層；位于所述空腔正上方的襯底、隧穿層、存儲層以及阻擋層共同構(gòu)成一振膜；所述背板設(shè)在所述襯底上方，所述背板設(shè)有通孔；所述背板和所述振膜之間通過支撐結(jié)構(gòu)連接，并在所述振膜正上方形成一間隙。所述襯底為N型摻雜硅襯底，所述隧穿層為二氧化硅層，所述介質(zhì)層為氮化硅層，所述阻擋層為二氧化硅層。
[0006]所述背板材料為低阻多晶硅。
[0007]所述支撐結(jié)構(gòu)材料為氧化鋁。
[0008]一種電容式硅微型麥克風(fēng)制作方法，步驟如下:
[0009](I)選用硅作為襯底，在所述襯底正面熱生長二氧化硅作為隧穿層，同時在所述襯底背面熱生長二氧化硅層；
[0010](2)刻蝕所述襯底背面的二氧化硅，以二氧化硅做掩膜使用TMAH試劑對硅襯底進(jìn)行PN結(jié)電化學(xué)自停止?jié)穹涛g，形成空腔；
[0011](3)在所述隧穿層上沉積氮化硅作為存儲層，在所述存儲層上沉積二氧化硅作為阻擋層，在所述阻擋層上沉積氮化鈦作為電極，在所述電極上沉積氧化鋁作為支撐結(jié)構(gòu)，在所述支撐結(jié)構(gòu)上沉積低阻多晶硅作為背板；
[0012](4)刻蝕所述背板，在其上形成通孔；
[0013](5)使用氨水透過通孔刻蝕空腔正上方的支撐結(jié)構(gòu)，形成間隙，并使電極露出表面；
[0014](6)在電極和襯底間加電壓，存儲層進(jìn)行電荷存儲；
[0015](7)刻蝕并去除空腔正上方的電極。
[0016]本發(fā)明在電容式娃微型麥克風(fēng)中引入了電荷陷講式非易失性存儲器存儲電荷的原理，并利用CMOS工藝和MEMS工藝進(jìn)行制作。與駐極體和浮柵式非易失性存儲器比較，利用電荷陷阱式非易失性存儲器的原理進(jìn)行電荷存儲性能優(yōu)越，同時具有優(yōu)越的電荷保持性能和高可靠性，能應(yīng)用于高溫、高濕等惡劣環(huán)境。通過存儲的電荷為電容式硅微型麥克風(fēng)提供偏壓，無需外接電源，體積小且結(jié)構(gòu)簡單。利用CMOS工藝和MEMS工藝制作，具有易于微型化、低成本、高精度的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明電容式硅微型麥克風(fēng)的部件電荷陷阱式非易失性存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明電容式娃微型麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0019]其中:10、電荷陷阱式非易失性存儲器，11、襯底，111、空腔，112、電容下級板，12、隧穿層，13、存儲層，14、阻擋層，15、電極，21、背板，211、通孔，22、支撐結(jié)構(gòu)，23、振膜，24、間隙。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)的說明，使本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。并未刻意按比例繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。[0021]圖1為本發(fā)明電容式硅微型麥克風(fēng)的部件電荷陷阱式非易失性存儲器10的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，電荷陷阱式非易失性存儲器10包括襯底11，在襯底11的正中下方位置開設(shè)有空腔111，在空腔111正上方的襯底11部分為電容下級板112，在電容下級板112上設(shè)有隧穿層12，在隧穿層12上設(shè)有介質(zhì)層，介質(zhì)層作為存儲層13，在存儲層13上設(shè)有阻擋層14，在阻擋層14上設(shè)有電極15。通過在電極15和襯底11之間加電，電荷從襯底11注入并儲存到存儲層13。
[0022]在本發(fā)明中，在存儲層13儲存所需電荷后，去除電極15，以便于儲存在存儲層13中的電荷極化可變電容器，并提高電容式硅微型麥克風(fēng)的可靠性。
[0023]圖2為本發(fā)明電容式硅微型麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的電容式硅微型麥克風(fēng)包括圖1所示的電荷陷阱式非易失性存儲器10、背板21以及支撐結(jié)構(gòu)22。位于空腔111正上方的襯底部分即電容下級板112、隧穿層12、存儲層13以及阻擋層14共同構(gòu)成振膜23。背板21設(shè)有通孔211，背板21和襯底11之間通過支撐結(jié)構(gòu)22連接，并且在振膜23正上方形成一間隙24。在本發(fā)明中，通孔211不僅用于聲音信號傳輸，減輕振膜振動所引起的空氣阻尼，而且還用于形成間隙以及便于非易失性存儲器進(jìn)行電荷存儲時電極的引出。
[0024]在本發(fā)明具體實施例中，襯底11為N型摻雜硅襯底，隧穿層12為二氧化硅層，介質(zhì)層為氮化硅層，阻擋層14為氧化鋁層，電極15為氮化鈦電極，背板21材料為低阻多晶硅，支撐結(jié)構(gòu)22材料為氧化鋁。
[0025]很明顯，在本發(fā)明中，作為存儲層的介質(zhì)層還可以是氮化鋁層、氧化鉿層、氧化鋁鉿層、氧化鋯層、氧化鑭層、氧化鉭層等具有高介電常數(shù)的介質(zhì)層。
[0026]在本發(fā)明具體實施例中，電容下級板112與背板21組成可變電容器，儲存在存儲層13中的電荷在背板21和電容下級板112中感應(yīng)出等量、極性相反的電荷。在聲壓作用下，振膜在間隙24與空腔111之間振動。導(dǎo)致電容下級板112與背板21的間距發(fā)生變化，從而引起電容發(fā)生變化，電容變化引起背板21和電容下級板112間的感應(yīng)電荷重新分布從而實現(xiàn)聲一電轉(zhuǎn)換。
[0027]在本發(fā)明中，隧穿層和阻擋層與存儲層形成勢壘，防止儲存在存儲層中的電荷丟失，并且避免了存儲層中的電荷直接與工作環(huán)境接觸，此外，由于采用了氮化硅層作為存儲層，儲存在存儲層中的電荷不能自由移動，大大提高了本發(fā)明的硅微型麥克風(fēng)的可靠性。
[0028]此外，本發(fā)明中位于背板21和電容下級板112之間的隧穿層12、存儲層13以及阻擋層14還防止了背板21和電容下級板112短路。
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中制作電容式硅微型麥克風(fēng)的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030]參照圖2，首先選用硅作為襯底11，在其正面熱生長二氧化硅作為隧穿層12，同時在所述襯底背面熱生長二氧化硅層；刻蝕襯底背面的二氧化硅，形成襯底刻蝕窗口，以二氧化硅做掩膜使用TMAH試劑對硅襯底進(jìn)行PN結(jié)電化學(xué)自停止?jié)穹涛g，形成空腔111及電容下級板112 ;在硅片正面沉積氮化硅作為存儲層13 ;在存儲層上13沉積二氧化硅作為阻擋層14 ;在阻擋層14上沉積氮化鈦作為電極15 ;在電極15上沉積氧化鋁作為支撐結(jié)構(gòu)22 ；在支撐結(jié)構(gòu)22上沉積低阻多晶硅作為背板21 ;刻蝕多晶硅形成通孔211 ;使用氨水刻蝕氧化鋁，氨水透過通孔刻蝕位于空腔正上方的氧化鋁，形成間隙24 ;在位于空腔上方的氧化招被刻蝕后，電極15露出表面，在電極15與襯底11間加電壓，實現(xiàn)電荷陷講式非易失性存儲器10的電荷存儲；在實現(xiàn)所需電荷存儲后，刻蝕并去除位于空腔正上方的電極15。
[0031]在本發(fā)明具體實施例中，本發(fā)明所采用的材料都是優(yōu)選的材料，但是材料的選擇并不是唯一的，若其他方案以其他材料以基本相同的手段，實現(xiàn)基本相同的功能，達(dá)到基本相同的效果，也在本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。
[0032]在以上的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是以上描述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電容式娃微型麥克風(fēng),包括襯底、背板以及支撐結(jié)構(gòu),其特征在于: 所述襯底上設(shè)有隧穿層，所述隧穿層上設(shè)有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層作為存儲層，所述存儲層上設(shè)有阻擋層； 在所述襯底正中下方位置開設(shè)有一空腔，位于所述空腔正上方的襯底、隧穿層、存儲層以及阻擋層共同構(gòu)成一振膜； 所述背板設(shè)在所述襯底上方，所述背板設(shè)有通孔； 所述背板和所述襯底之間通過支撐結(jié)構(gòu)連接，并在所述振膜正上方形成一間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式硅微型麥克風(fēng)，其特征在于:所述襯底為N型摻雜硅襯底，所述隧穿層為二氧化硅層，所述介質(zhì)層為氮化硅層，所述阻擋層為二氧化硅層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式硅微型麥克風(fēng)，其特征在于:所述背板材料為低阻多晶娃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式硅微型麥克風(fēng)，其特征在于:所述支撐結(jié)構(gòu)材料為氧化招。
5.一種制作權(quán)利要求1所述的電容式娃微型麥克風(fēng)的方法，其特征在于: 步驟如下: (1)選用硅作為襯底，在所述襯底正面熱生長二氧化硅作為隧穿層，同時在所述襯底背面熱生長二氧化硅層； (2)刻蝕所述襯底背面的二氧化硅，以二氧化硅做掩膜使用TMAH試劑對硅襯底進(jìn)行PN結(jié)電化學(xué)自停止?jié)穹涛g，形成空腔； (3)在所述隧穿層上沉積氮化硅作為存儲層，在所述存儲層上沉積二氧化硅作為阻擋層，在所述阻擋層上沉積氮化鈦作為電極，在所述電極上沉積氧化鋁作為支撐結(jié)構(gòu)，在所述支撐結(jié)構(gòu)上沉積低阻多晶硅作為背板； (4)刻蝕所述背板，在其上形成通孔； (5)使用氨水透過所述通孔刻蝕所述空腔正上方的所述支撐結(jié)構(gòu)，形成間隙，并使所述電極露出表面； (6)在所述電極和所述襯底間加電壓，所述存儲層進(jìn)行電荷存儲； (7)刻蝕并去除所述空腔正上方的所述電極。
【文檔編號】H04R31/00GK103888888SQ201410159536
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】黃曉東, 黃見秋, 蔣明霞 申請人:東南大學(xué)