Cmos兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)及其制造方法。所述麥克風(fēng)（1000）包括：硅基底（100），其中，CMOS電路容納在該硅基底上；支撐在硅基底上的第一剛性導(dǎo)電穿孔背板（200），其中在兩者之間插有絕緣層（120）；形成在第一背板上方的第二剛性穿孔背板（400），包括CMOS鈍化層（400a、400c）以及夾在所述CMOS鈍化層之間作為第二背板的電極板的金屬層(400b)，其中在第一背板和第二背板的相對(duì)的穿孔區(qū)域之間設(shè)有空氣間隙，并且隔離件構(gòu)成了其邊界；設(shè)置在第一背板和第二背板之間的順應(yīng)性振膜（300），其中，在第一背板下方的硅基底中形成背孔（150）以允許聲音通過(guò)，以及振膜和第一背板構(gòu)成第一可變電容器，振膜和第二背板構(gòu)成第二可變電容器，第一可變電容器和第二可變電容器構(gòu)成差分電容器。
【專利說(shuō)明】CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及麥克風(fēng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說(shuō)，涉及一種CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]廣泛地應(yīng)用在助聽(tīng)器、移動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)和玩具中的硅基MEMS麥克風(fēng)正在走向它們的極限。對(duì)靈敏度高且噪聲水平低的更小、更便宜、健壯的麥克風(fēng)的需求是無(wú)止境的。減小麥克風(fēng)的尺寸會(huì)使其性能(諸如靈敏度)變差。然而當(dāng)今，微工藝技術(shù)對(duì)麥克風(fēng)的關(guān)鍵尺寸和特性提供了非常好的控制，使麥克風(fēng)的進(jìn)一步小型化和優(yōu)化成為可能。另外，可以應(yīng)用更為復(fù)雜的MEMS麥克風(fēng)原理(諸如具有差分電容器和差分前置放大器的麥克風(fēng))，使MEMS麥克風(fēng)的性能(諸如靈敏度)得以保持或提高。
[0003]在一個(gè)非專利文獻(xiàn)(JesperBay, Ole Hansen and Siebe Bouwstra, Design of asilicon microphone with differential read-out of a sealed double parallel—platecapacitor,The 8th International Conference on Solid-State Sensors andActuators, and Eurosensors IX, Stockholm, Sweden, June 25-29，1995)中，提供了一種具有差分電容讀出和高靈敏度的密封電容性麥克風(fēng)，其中，該麥克風(fēng)包括兩個(gè)振膜，在這兩個(gè)振膜之間有穿孔中心電極，并且這兩個(gè)振膜可以用柱子互聯(lián)。這種雙振膜結(jié)構(gòu)的不利之處在于，它給出了電容的共模變化，并且在振膜之間具有柱子的情形中，振膜的順應(yīng)性較差。
[0004]在另一個(gè)非專利文獻(xiàn)(P.Rombach, M.Mullenborn, U.Klein and K.Rasmussen, Thefirst low voltage, low noise differential condenser silicon microphone, The 14thEuropean Conference on Solid-State Transducers, August27_30, 2000，Copenhagen, Denmark)中,給出了一種低電壓、低噪聲差分電容器娃麥克風(fēng),該麥克風(fēng)包括非平面結(jié)構(gòu)，并連續(xù)沉積所有的結(jié)構(gòu)層然后再分別回蝕以形成所述結(jié)構(gòu)。然而，這種結(jié)構(gòu)或許不適合與CMOS電路的集成和/或倒裝法鍵合。
[0005]在另一個(gè)非專利文獻(xiàn)(DavidT.Martin, Jian Liu, Karthik KadirveI，RobertM.Fox, Mark Sheplak, and Toshikazu Nishida, A micromachined dual—backplatecapacitive microphone for aeroacoustic measurements, Journal ofMicroelectromechanical Systems, Vol.16, N0.6, December 2007)中，提供了 一種用于空氣聲學(xué)測(cè)量的微機(jī)械加工的雙背板電容性麥克風(fēng)，其中，層疊三層多晶娃層分別作為單振膜和雙背板，振膜夾在雙背板之間。然而，由于所述三層低應(yīng)力多晶硅層之故，這種結(jié)構(gòu)不會(huì)是CMOS兼容的。另外，所述麥克風(fēng)的三個(gè)多晶硅板具有略微不同的半徑，使得所述差分電容器的電容之間的關(guān)系不太簡(jiǎn)單。
[0006]專利申請(qǐng)國(guó)際公布號(hào)WO 2007/089505公開(kāi)了一種差分麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)具有中心膠接的轉(zhuǎn)動(dòng)振膜，使得該振膜能夠響應(yīng)聲波繞著所述鉸鏈來(lái)回?fù)u擺，從而形成兩個(gè)差分電容器。該麥克風(fēng)的特征在于，它不需要形成背部腔，然而，振膜的搖擺依賴于聲波的方向，并且沒(méi)有穿孔背板以減小空氣阻尼。此外，這種結(jié)構(gòu)或許不適合與其它CMOS調(diào)節(jié)電路集成。
[0007]專利申請(qǐng)公布號(hào)US 2008/0089536示出了一種麥克風(fēng)微芯片器件，其中，提供附加的匹配電容器，以便與麥克風(fēng)電容器的電容進(jìn)行差分，并使用差分接收器來(lái)處理麥克風(fēng)信號(hào)與基本固定的電壓之間的差。
[0008]因此，需要一種具有差分傳感以增加信噪比性能的CMOS兼容的單片硅麥克風(fēng)芯片，以及這種麥克風(fēng)芯片的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)及其制造方法。采用這種CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，可以增加該麥克風(fēng)的信噪比。此外，這種差分電容性麥克風(fēng)傳感器與CMOS工藝兼容，并且能夠與前置放大器和/或差分放大器集成電路制造和集成為單個(gè)芯片。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng),其包括:娃基底，其中，CMOS電路容納在該硅基底上；形成在所述硅基底上的第一剛性導(dǎo)電穿孔背板，其中，該第一背板的周沿支撐在所述硅基底上，并在它們之間插有絕緣層；形成在所述第一背板上方的第二剛性穿孔背板，包括CMOS鈍化層以及夾在所述CMOS鈍化層之間作為該第二背板的電極板的金屬層；由CMOS兼容層形成并設(shè)置在所述第一背板和所述第二背板之間的順應(yīng)性振膜；將所述第一背板與所述振膜隔開(kāi)的第一空氣間隙以及將所述振膜與所述第二背板隔開(kāi)的第二空氣間隙，其中，所述兩個(gè)空氣間隙均由設(shè)置在所述第一背板和所述第二背板之間的隔離件作為邊界；形成在所述第一背板下方的所述硅基底中以允許聲音通過(guò)的背孔，其中，所述振膜和所述第一背板構(gòu)成第一可變電容器，所述振膜和所述第二背板構(gòu)成第二可變電容器，以及所述第一可變電容器和所述第二可變電容器構(gòu)成差分電容器。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng)還可以包括:互聯(lián)柱，該互聯(lián)柱設(shè)置在所述振膜和所述第二背板之間，用于在力學(xué)上對(duì)所述振膜進(jìn)行懸置以及在電學(xué)上對(duì)所述振膜向外引線，其中，所述互聯(lián)柱包括由CMOS鈍化層作側(cè)墻的CMOS電介質(zhì)氧化物支柱、以及穿過(guò)該支柱并將所述振膜電連接到所述形成在第二背板中的金屬層的通孔金屬，其中，所述振膜在中心處與所述互聯(lián)柱相連，并通過(guò)該振膜的邊緣處的狹縫與所述麥克風(fēng)的其余部分分開(kāi)。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述振膜的周沿可以通過(guò)環(huán)繞所述振膜和所述第二背板之間的第二空氣間隙的側(cè)墻懸置到所述第二背板上，其中，所述側(cè)墻由所述CMOS鈍化層形成。
[0013]此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，容納在所述硅基底上的CMOS電路可以包括:產(chǎn)生施加在所述振膜上的偏置電壓的電荷泵電路；與所述第一背板電連接的第一源隨前置放大器；與所述第二背板電連接的第二源隨前置放大器；其中，當(dāng)所述振膜響應(yīng)輸入的聲壓信號(hào)振動(dòng)時(shí)，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出構(gòu)成差分電壓輸出。
[0014]在本發(fā)明的另一方面，提供一種CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng)的制造方法，該方法包括:在硅基底上形成絕緣層；在形成在所述硅基底上的絕緣層上形成第一穿孔背板；在所述第一穿孔背板上沉積第一 CMOS電介質(zhì)氧化物層；通過(guò)在所述CMOS電介質(zhì)氧化物層上沉積CMOS兼容層形成振膜，其中，所述振膜與所述第一穿孔背板對(duì)齊；在所述第一CMOS電介質(zhì)氧化物層和所述振膜上沉積第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層；通過(guò)在所述第二和第一 CMOS電介質(zhì)氧化物層中順序地刻蝕槽并沉積第一 CMOS鈍化層形成隔離墻，以限制將所述第一和第二背板隔開(kāi)的隔離件，并且所述第二 CMOS電介質(zhì)氧化物中的隔離墻連接在所述振膜和所述第二背板之間；通過(guò)順序沉積圖案化金屬層和第二 CMOS鈍化層在所述第二CMOS電介質(zhì)氧化物層上形成第二背板、并在與所述振膜相對(duì)的該第二背板中刻蝕多個(gè)穿孔，其中，所述第二背板與所述振膜垂直對(duì)齊；通過(guò)去掉所述硅基底和所述絕緣層的在所述第一背板下方的部分形成背孔；以及通過(guò)去掉所述第一和第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層的由所述多個(gè)隔離墻限制的部分之外的部分，在所述第一背板和所述振膜之間形成第一空氣間隙，在所述振膜和所述第二背板之間形成第二空氣間隙。
[0015]盡管上面簡(jiǎn)述了各個(gè)實(shí)施例，但應(yīng)該明白，不一定所有的實(shí)施例都包括同樣的特征，在一些實(shí)施例中，上述一些特征并非必須，而是希望存在。下面將詳細(xì)描述各種其它特征、實(shí)施例和益處。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的目的和特征將變得很清楚，在附圖中:
[0017]圖1是剖視圖，示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)；
[0018]圖2是示意圖，示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的一個(gè)示例性CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的等效電路；
[0019]圖3A至3L為剖視圖，示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的制造方法；以及
[0020]圖4是剖視圖，示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面參考附圖來(lái)描述要求保護(hù)的主題的各個(gè)方面，其中，附圖中的圖是示意性的，未按比例來(lái)畫，并且在所有的附圖中使用同樣的附圖標(biāo)記來(lái)指示同樣的元件。在下面的描述中，為了說(shuō)明的目的，闡述了很多具體細(xì)節(jié)，以便提供一個(gè)或多個(gè)方面的透徹理解。然而很顯然，在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下也可以實(shí)現(xiàn)這些方面。在其它情形中，公知的結(jié)構(gòu)和器件以方框圖形式來(lái)示出，以便于描述一個(gè)或多個(gè)方面。
[0022](第一實(shí)施例)
[0023]下面，參考圖1來(lái)描述本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)。
[0024]圖1是剖視圖，示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅麥克風(fēng)1000可以包括硅基底100、下背板200、隔離件250、順應(yīng)性振膜300、互聯(lián)柱350以及上背板400。振膜300和下背板200構(gòu)成了下可變電容器，振膜300和上背板400構(gòu)成了上可變電容器，所述下可變電容器和上可變電容器構(gòu)成了差分電容器。
[0025]如圖1所示，硅基底100用來(lái)支撐下背板200和隔離件250。此外，硅基底100也可以用來(lái)在其上容納CMOS電路(在圖1中未示出)。
[0026]下背板200為剛性導(dǎo)電穿孔背板，該背板由例如第一多晶硅層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶硅層的復(fù)合層形成，其中，夾在所述第一多晶硅層和第二多晶硅層之間的氧化物或氮化物層能夠提供剛性背板。下背板200的周沿支撐在硅基底100上，在它們之間插入由例如氧化硅和/或氮化硅形成的絕緣層120。這里的下背板200可以對(duì)應(yīng)上面提及的第一剛性導(dǎo)電穿孔背板。
[0027]背孔150形成在硅基底100中，將下背板200露在空氣中，使得聲音可以經(jīng)硅基底100中形成的背孔150和下背板200中形成的穿孔210通過(guò)硅基底100和下背板200，抵達(dá)振膜300。導(dǎo)電性下背板200可以作為差分電容器(即，麥克風(fēng)1000的傳感兀件)的一個(gè)電極板。
[0028]隔離件250由CMOS電介質(zhì)氧化物(諸如低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)氧化硅、磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)或其組合)形成，并設(shè)置在下背板200和上背板400 (后面將描述)之間。此外，隔離件250在其內(nèi)側(cè)和外側(cè)可以具有隔離墻460，隔離墻460由CMOS電介質(zhì)鈍化層(諸如氮化硅層)形成。在下背板200和上背板400的相對(duì)的穿孔區(qū)域之間形成空氣間隙，隔離件250構(gòu)成該空氣間隙的邊界。
[0029]上背板400為形成在隔離件250上的剛性導(dǎo)電穿孔背板，包括由例如PECVD氮化硅形成的CMOS鈍化層400a和400c以及夾在CMOS鈍化層400a和400c之間的圖案化金屬層400b。CMOS鈍化層400a和400c可以保護(hù)所夾的金屬層400b在腐蝕性或潮濕環(huán)境中免受腐蝕以及完全不會(huì)漏電。金屬層400b可以包括上背板400的電極板420及其引出電極10b、振膜300的引出電極10a、下背板200的引出電極10c、以及可選擇的硅基底100的引出電極130。另外，上背板400在與振膜300相對(duì)的部分中穿孔以便空氣流通，從而減小振膜300在開(kāi)始振動(dòng)時(shí)將遇到的空氣阻力。電極板420形成差分電容器(即麥克風(fēng)1000的傳感元件)的另一個(gè)電極板。
[0030]順應(yīng)性振膜300由導(dǎo)電性SiGe或其它CMOS兼容的層形成，并設(shè)置在下背板200和上背板400之間，其中，下背板200和上背板400之間的空氣間隙分為將下背板200與振膜300隔開(kāi)的下空氣間隙(即，第一空氣間隙)和將振膜300與上背板400隔開(kāi)的上空氣間隙(即，第二空氣間隙)。這里使用SiGe代替多晶硅是有利的，因?yàn)樗軌蛟谳^低的溫度(低于400°C)下沉積，這個(gè)溫度不會(huì)影響之前形成的CMOS器件。順應(yīng)性振膜300在其中心通過(guò)互聯(lián)柱350在力學(xué)上和電學(xué)上與上背板400相連，除此之外，振膜300在其周沿通過(guò)縫隙與麥克風(fēng)1000的其余部分隔開(kāi)。振膜300可以具有圓形、方形、長(zhǎng)方形或多邊形形狀。此夕卜，振膜300可以具有其它合適的形狀。
[0031 ] 互聯(lián)柱350設(shè)置在振膜300與上背板400之間，用于在力學(xué)上對(duì)振膜300進(jìn)行懸置并在電學(xué)上對(duì)振膜300向外引線。互聯(lián)柱350可以包括由CMOS鈍化層351作側(cè)墻的CMOS電介質(zhì)氧化物352支柱、以及穿過(guò)該支柱并與振膜300和形成在上背板400中的金屬層400b電連接的通孔金屬353。
[0032]下背板200和上背板400的與振膜300相對(duì)的部分優(yōu)選具有相等的面積和相同的穿孔，以及下空氣間隙和上空氣間隙優(yōu)選具有相同的厚度，使得振膜300與下背板200之間的電容等于振膜300與上背板400之間的電容，這樣有利于消除共模噪聲。在另一個(gè)例子中，下背板200和上背板400的與振膜300相對(duì)的部分可以不具有相等的面積和相同的穿孔，以及下空氣間隙和上空氣間隙可以不具有相同的厚度。
[0033]此外，為了防止形成(即濕法釋放過(guò)程，后面描述)期間由表面張力引起或工作期間由聲壓和靜電力引起振膜300與上背板400粘連，本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000還可以包括從與振膜300相對(duì)的上背板400的下表面突出的多個(gè)尖頭突出件(dimples) 410。相應(yīng)地，可以采取其它措施來(lái)防止振膜300與下背板200粘連，例如，通過(guò)增加它們之間的分開(kāi)距離。
[0034]可選擇地，可以形成接地接觸130，其目的是，例如，當(dāng)在本發(fā)明所述的差分電容器麥克風(fēng)的背面上做聲孔時(shí)減小光靈敏度。
[0035]上面提到但在圖1中沒(méi)有示出的容納在硅基底上的CMOS電路用來(lái)處理聲電轉(zhuǎn)換后所獲得的電信號(hào)。在一個(gè)例子中，所述CMOS電路可以包括產(chǎn)生施加到振膜300上的偏置電壓的電荷泵電路、與下背板200電連接的第一源隨前置放大器、以及與上背板400電連接的第二源隨前置放大器，這些電路與包括振膜、上背板和下背板的傳感元件集成在同一硅基底上。當(dāng)振膜響應(yīng)輸入的聲壓信號(hào)振動(dòng)時(shí)，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出形成差分電壓輸出。此外，在另一個(gè)例子中，所述CMOS電路還可以包括差分放大器(未示出)，其中，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出端還分別與該差分放大器的第一和第二輸入端電連接。
[0036]圖2是電路圖，示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的一個(gè)示例性CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000的等效電路，在這個(gè)例子中，所述CMOS電荷泵電路、第一源隨前置放大器和第二源隨前置放大器。
[0037]如圖2所示，所述電路包括一對(duì)可變差分電容器11和12，該一對(duì)可變差分電容器
11和12分別表示由振膜300和上背板400形成的上可變電容器以及由振膜300和下背板200形成的下可變電容器；電源20,該電源20表不產(chǎn)生偏置電壓Vbias的電荷泵電路,偏置電壓Vbias施加在由一對(duì)可變差分電容器11和12共享的公共板IOa (對(duì)應(yīng)著圖1所示的振膜300的引出電極IOa)上；第一運(yùn)算放大器30，該第一運(yùn)算放大器30具有負(fù)反饋環(huán)并表示所述第一源隨前置放大器，其中，第一運(yùn)算放大器30的輸入端30a與可變差分電容器
11的另一板IOb (對(duì)應(yīng)著圖1所示的上背板400的引出電極IOb)電連接；以及第二運(yùn)算放大器40，該第二運(yùn)算放大器40具有負(fù)反饋環(huán)并表示所述第二源隨前置放大器，其中，第二運(yùn)算放大器40的輸入端40a與可變差分電容器12的另一板IOc (對(duì)應(yīng)著圖1所示的下背板200的引出電極10c)電連接。因此，第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出30b和40b構(gòu)成了差分電壓輸出Vout。
[0038]本發(fā)明所述的麥克風(fēng)的傳感元件10模型化為一對(duì)可變差分電容器11和12，它包括三個(gè)平行板，即振動(dòng)膜、固定而穿孔的上背板和固定而穿孔的下背板。所述振膜位于所述兩個(gè)背板之間，并優(yōu)選地與這兩個(gè)背板等距，使得上和下平行板電容器形成為振膜由所述兩個(gè)電容器共享。在這種配置下，當(dāng)振膜響應(yīng)輸入聲壓信號(hào)而振動(dòng)時(shí)，所述上下電容器沿相反的方向變化。就是說(shuō)，如果電容器11的兩個(gè)板之間的間距的變化為Ad，那么，電容器12的兩個(gè)板之間的間距的變化為-Ad。由于電容器的電容增量的絕對(duì)值正比于該電容器的間距增量的絕對(duì)值，因此，振膜的振動(dòng)引起上下電容器的電容的差分變化，即，如果電容器11的電容變化為Λ C，那么，電容器12的電容變化將是-Λ C。
[0039]簡(jiǎn)單的計(jì)算表明，在上述配置下，第一源隨前置放大器30的輸入端30a處的電勢(shì)增量的絕對(duì)值，除了正比于其它一些值外，基本上正比于電荷泵電路20所施加的偏置電壓Vbias，并正比于電容器11的兩個(gè)板之間的間距增量的絕對(duì)值。對(duì)于電容器12也是如此。由于電荷泵電路20可以將Vbias升至大于10V，這個(gè)電壓高于普通IC器件的工作電壓，因此，采用電荷泵電路20能夠大大地提高本發(fā)明所述的麥克風(fēng)的靈敏度。此外，如果第一源隨前置放大器30的輸入端30a的電勢(shì)變化為Λ V，那么，第二源隨前置放大器40的輸入端40a的電勢(shì)變化就為-Λ V，反之亦然，因此，由第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出30b和40b形成的差分電壓輸出Vout將是2 X Λ V，這個(gè)輸出是沒(méi)有差分輸出的普通麥克風(fēng)的靈敏度的兩倍。
[0040]應(yīng)該注意，盡管在上述的論述中，振膜與所述傳感元件的上下背板優(yōu)選為等間距和/或等大小，但并非必須。在振膜不與所述傳感元件的上下背板等間距和/或等大小的情形中，同樣的原理也是適用的。此外，由于所述傳感元件具有小的電容，這就導(dǎo)致非常大的阻抗，因此，所述兩個(gè)源隨器實(shí)際上可以作為具有或不具有放大功能的阻抗轉(zhuǎn)換器。
[0041]下面將參考圖3Α至圖3L來(lái)說(shuō)明上述本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000的制造方法。圖3A至3L為剖視圖，示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000的制造方法。在下面的描述中，為了清楚簡(jiǎn)明起見(jiàn)，省略了大量的工藝細(xì)節(jié)，諸如設(shè)備、條件、參數(shù)等，這是考慮到它們?yōu)楸绢I(lǐng)域中的技術(shù)人員所公知。
[0042]在步驟S301中，如圖3A所示，在硅基底100上生長(zhǎng)厚的熱氧化物110以形成用于背孔150刻蝕(后面描述)的刻蝕終止層。在形成用于背孔150刻蝕的終止層時(shí)，熱氧化物比普通沉積的氧化物或氮化物有優(yōu)勢(shì)。
[0043]在步驟S303中，如圖3B所示，在硅基底100和熱氧化物層110的上表面上沉積絕緣層120，諸如氧化硅和氮化硅電介質(zhì)層。
[0044]在步驟S305中，如圖3C所示，在絕緣層120上沉積第一多晶硅層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶硅層的復(fù)合層，然后在所沉積的復(fù)合層上刻蝕多個(gè)穿孔210以形成下背板200，其中，下背板200與熱氧化物層110垂直對(duì)齊。
[0045]在步驟S307中，如圖3D所示，在下穿孔背板200和絕緣層120上沉積第一 CMOS電介質(zhì)氧化物層250a，諸如LPCVD或PECVD氧化物、PSG或BPSG，然后在CMOS電介質(zhì)氧化物層250a上沉積SiGe或其它CMOS兼容層以形成振膜300，其中，振膜300與下背板200垂
直對(duì)齊。
[0046]在步驟S309中，如圖3E所示，在CMOS電介質(zhì)氧化物層250a中刻蝕通孔，并在該通孔中填充金屬(諸如銅、鋁、鈦等)以形成通孔金屬260，然后在通孔金屬260的頂端沉積金屬墊270，以便引出與硅基底100以及與下背板200的歐姆接觸。
[0047]在步驟S311中，如圖3F所示，在第一 CMOS電介質(zhì)氧化物層250a、振膜300和金屬墊270上沉積第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層250b，在振膜300上方的CMOS電介質(zhì)氧化物層250b中形成多個(gè)淺槽280a。
[0048]在步驟S313中，如圖3G所示，沉積第三CMOS電介質(zhì)氧化物層250c，使得在CMOS電介質(zhì)氧化物層250c的表面上保形形成多個(gè)尖頭坑280b，該多個(gè)尖頭坑280b與所述多個(gè)淺槽280a相對(duì)應(yīng)。
[0049]在步驟S315中，如圖3H所示，在上述步驟中沉積的CMOS電介質(zhì)氧化物層中刻蝕槽290，以界定將下背板和上背板200和400分開(kāi)的隔離件250，并界定將振膜300的中心連接到第二背板400的柱352，其中，隔離件250與下背板200的周沿重疊。
[0050]在步驟S317中，如圖31所示，沉積例如PECVD氮化硅，以便通過(guò)填充槽290形成隔離件250的隔離墻460和柱352的隔離墻351，以及形成上背板400的第一 CMOS鈍化層400a，然后在隔離件250中以及在柱352中形成通孔金屬，以便對(duì)下背板200、對(duì)振膜300以及可選地對(duì)基底100向外引線，并在第一 CMOS鈍化層400a上形成圖案化金屬層400b，該圖案化金屬層400b包括上背板400的穿孔電極板420及其引出電極10b、振膜300的引出電極10a、下背板200的引出電極IOc以及可選的硅基底100的引出電極130。
[0051]在步驟S319中，如圖3J所示，沉積第二 CMOS鈍化層400c以完成上背板400的形成，并在與振膜300相對(duì)的上背板400中刻蝕多個(gè)穿孔430。
[0052]在步驟S321中，如圖3K所示，以熱氧化物層110作為終止層，通過(guò)刻蝕硅基底100的在下背板200下方的部分形成背孔150。
[0053]在圖S323中，如圖3L所示，去掉終止層110以及其上的絕緣層120部分，去掉CMOS電介質(zhì)氧化物層250a、250b和250c的由多個(gè)隔離墻460和351界定的部分之外的部分所形成的犧牲層，從而在下背板200與振膜300之間形成下空氣間隙以及在振膜300與上背板400之間形成上空氣間隙，其中，振膜300的周沿通過(guò)與振膜300的周邊相鄰的縫隙與傳感元件10的其余部分分開(kāi)，同時(shí)，形成與振膜300相對(duì)的多個(gè)尖頭突出件410。
[0054]應(yīng)該注意，上述過(guò)程只是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的制造過(guò)程。在不偏離本發(fā)明的精神的情況下，可以對(duì)該實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變型。例如，可以省略上述過(guò)程中的一個(gè)或多個(gè)步驟。在另一實(shí)施例中，不形成突出件，從而可以省掉在第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層250b上形成槽280a并沉積第三CMOS電介質(zhì)氧化物層250c以形成尖頭坑280b的步驟。在另一個(gè)實(shí)施例中，步驟S301可以省略。
[0055]應(yīng)該注意，在上述步驟中，本發(fā)明所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000的制造方法還可以包括:形成電荷泵電路20，該電路20產(chǎn)生施加在振膜300上的偏置電壓；形成第一源隨前置放大器30，該前置放大器30的輸入端與上背板400電連接；以及形成第二源隨前置放大器40，該前置放大器40的輸入端與下背板200電連接。當(dāng)振膜300響應(yīng)輸入的聲壓信號(hào)振動(dòng)時(shí)，第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出構(gòu)成差分電壓輸出。
[0056]可選擇地，在上述步驟中，本發(fā)明所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的制造方法還可以包括:形成差分放大器，其中，第一和第二源隨前置放大器30和40的輸出端分別與該差分放大器的第一輸入端和第二輸入端電連接。
[0057]應(yīng)該注意，在本發(fā)明中，包括振膜、下背板和上背板的傳感元件、以及電荷泵電路、第一源隨前置放大器和第二源隨前置放大器形成在同一硅基底100上。
[0058]已經(jīng)參考圖1到圖3描述了第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)及其制造方法。
[0059]上述CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)在于,對(duì)于要求的麥克風(fēng)靈敏度,通過(guò)減小3dB的上拉增益(pull-up gain)，信噪比可以增加3dB，以及由于差分輸出之故，可以提高麥克風(fēng)的總的噪聲性能。在硅基底上所容納的CMOS電路還包括差分放大器的情形中，所述偏置電路的波紋電壓噪聲對(duì)差分輸出Vout的影響可以得到抑制，而由于上述差分電容器配置之故，差分輸出對(duì)所述偏置電路的波紋電壓噪聲雙倍地敏感。[0060](第二實(shí)施例)
[0061]下面將參考圖4描述本發(fā)明的第二實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000’的結(jié)構(gòu)。將圖4與圖1對(duì)比，本發(fā)明的第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的差別只在于，在第二實(shí)施例中，振膜300的周沿懸置到上背板400上，如圖1所示第一實(shí)施例中互聯(lián)柱350將振膜300的中心連接到上背板400變?yōu)槿鐖D4所示第二實(shí)施例中互聯(lián)柱350’位于振膜300的周沿，以及在隔離件250中形成通孔金屬353’，該通孔金屬353’將導(dǎo)電性振膜300的周沿連接到在上背板400中形成的引出電極IOa以便對(duì)振膜300向外引線。CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)1000’的其余部分與圖1所示的麥克風(fēng)1000的相同，這里就省略其詳細(xì)描述。
[0062]顯然，除了在步驟S315-S319中形成在振膜300和上背板400之間的如圖1和圖4所示的互聯(lián)部350和350’在兩個(gè)實(shí)施例中的形成不同之外，本發(fā)明的第一實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的制造方法同樣也可以應(yīng)用到本發(fā)明的第二實(shí)施例所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，就是說(shuō)，在第一實(shí)施例中，互聯(lián)部350形成在振膜300的中心，而在第二實(shí)施例中，互聯(lián)部350’形成在振膜300的周沿。
[0063]應(yīng)該注意，對(duì)于本發(fā)明所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，通常優(yōu)選圓形形狀，但其它形狀(比如方形、長(zhǎng)方形或其它多邊形形狀)也是可以的。
[0064]前面提供的本發(fā)明的描述能使本領(lǐng)域中的任何技術(shù)人員制造或使用本發(fā)明。對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)所述公開(kāi)作各種修改是很顯然的，并且在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以將這里所界定的一般原理運(yùn)用到其它變型中。因此，本公開(kāi)不是用來(lái)限制在這里所描述的例子上，而是用來(lái)與符合這里所公開(kāi)的原理和新特征的最寬范圍一致。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng),包括: 硅基底，其中，CMOS電路容納在該硅基底上； 形成在所述硅基底上的第一剛性導(dǎo)電穿孔背板，其中，該第一背板的周沿支撐在所述娃基底上，并在它們之間插有絕緣層； 形成在所述第一背板上方的第二剛性穿孔背板，包括CMOS鈍化層以及夾在所述CMOS鈍化層之間作為該第二背板的電極板的金屬層； 由CMOS兼容層形成并設(shè)置在所述第一背板和所述第二背板之間的順應(yīng)性振膜；將所述第一背板與所述振膜隔開(kāi)的第一空氣間隙以及將所述振膜與所述第二背板隔開(kāi)的第二空氣間隙，其中，所述兩個(gè)空氣間隙均由設(shè)置在所述第一背板和所述第二背板之間的隔離件作為邊界； 形成在所述第一背板下方的所述硅基底中以允許聲音通過(guò)的背孔， 其中，所述振膜和所述第一背板構(gòu)成第一可變電容器，所述振膜和所述第二背板構(gòu)成第二可變電容器，以及所述第一可變電容器和所述第二可變電容器構(gòu)成差分電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，還包括: 互聯(lián)柱，該互聯(lián)柱設(shè)置在所述振膜和所述第二背板之間，用于在力學(xué)上對(duì)所述振膜進(jìn)行懸置以及在電學(xué)上對(duì)所述振膜向外引線， 其中，所述互聯(lián)柱包括由CMOS鈍化層作側(cè)墻的CMOS電介質(zhì)氧化物支柱、以及穿過(guò)該支柱并與所述振膜和所述形成在第二背板中的金屬層電連接的通孔金屬，以及 所述振膜在中心處與所述互聯(lián)柱相連，并通過(guò)該振膜的邊緣處的狹縫與所述麥克風(fēng)的其余部分分開(kāi)。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，其中，所述振膜的周沿通過(guò)環(huán)繞所述振膜和所述第二背板之間的第二空氣間隙的側(cè)墻懸置到所述第二背板上，其中，所述側(cè)墻由所述CMOS鈍化層形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，其中，所述振膜由硅鍺(SiGe)層或其它CMOS兼容層形成，以及所述第一剛性導(dǎo)電穿孔背板由第一多晶硅層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶硅層的復(fù)合層形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，其中，所述隔離件由CMOS電介質(zhì)氧化物形成并由CMOS鈍化層側(cè)墻保護(hù)，所述絕緣層包括氧化硅和/或氮化硅，所述CMOS電介質(zhì)氧化物包括LPCVD或PECVD氧化硅、或PSG或BPSG氧化物或它們的組合，以及所述CMOS鈍化層包括PECVD氮化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一權(quán)利要求所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng),其中，所述第一背板和所述第二背板的與所述振膜相對(duì)的部分具有相等的面積和相同的穿孔，以及所述第一空氣間隙和所述第二空氣間隙具有相等的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一權(quán)利要求所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng),其中，所述振膜具有圓形、或方形、或長(zhǎng)方形、或多邊形形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一權(quán)利要求所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，還包括從與所述振膜相對(duì)的所述第二背板的下表面伸出的多個(gè)尖頭突出件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一權(quán)利要求所述的CMOS兼容的娃差分電容器麥克風(fēng),其中，所述CMOS電路包括:產(chǎn)生施加在所述振膜上的偏置電壓的電荷泵電路； 與所述第一背板電連接的第一源隨前置放大器； 與所述第二背板電連接的第二源隨前置放大器； 其中，當(dāng)所述振膜響應(yīng)輸入的聲壓信號(hào)振動(dòng)時(shí)，所述第一和第二源隨前置放大器的輸出構(gòu)成差分電壓輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)，其中，所述CMOS電路還包括差分放大器，其中，所述第一和所述第二源隨前置放大器的輸出端進(jìn)一步分別與該差分放大器的第一輸入端和第二輸入端電連接。
11.一種CMOS兼容的硅差分電容器麥克風(fēng)的制造方法，包括: 在硅基底上形成絕緣層； 在形成在所述硅基底上的絕緣層上形成第一穿孔背板； 在所述第一穿孔背板上沉積第一 CMOS電介質(zhì)氧化物層； 通過(guò)在所述CMOS電介質(zhì)氧化物層上沉積CMOS兼容層形成振膜，其中，所述振膜與所述第一穿孔背板對(duì)齊； 在所述第一 CMOS電介質(zhì)氧 化物層和所述振膜上沉積第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層； 通過(guò)在所述第一和第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層中順序地刻蝕槽并沉積第一 CMOS鈍化層形成隔離墻，以限制將所述第一和第二背板隔開(kāi)的隔離件，并且所述第二 CMOS電介質(zhì)氧化物中的隔離墻連接在所述振膜和所述第二背板之間； 通過(guò)順序沉積圖案化金屬層和第二 CMOS鈍化層在所述第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層上形成第二背板、并在與所述振膜相對(duì)的該第二背板中刻蝕多個(gè)穿孔，其中，所述第二背板與所述振膜垂直對(duì)齊； 通過(guò)去掉所述硅基底和所述絕緣層的在所述第一背板下方的部分形成背孔；以及通過(guò)去掉所述第一和第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層的由所述多個(gè)隔離墻限制的部分之外的部分，在所述第一背板和所述振膜之間形成第一空氣間隙，在所述振膜和所述第二背板之間形成第二空氣間隙。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過(guò)沉積第一多晶硅層、氧化物和/或氮化物層以及第二多晶硅層的復(fù)合層形成所述第一穿孔背板，以及通過(guò)沉積硅鍺(SiGe)層形成所述振膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述第二CMOS電介質(zhì)氧化物中形成隔離墻的步驟中，在所述振膜的中心也形成互聯(lián)柱，其中，形成通孔金屬以便對(duì)所述振膜向外引線。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述第二CMOS電介質(zhì)氧化物中形成隔離墻的步驟中，環(huán)繞所述振膜的邊緣也形成側(cè)墻，其中，在該側(cè)墻外形成通孔金屬以便對(duì)所述振膜向外引線。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述硅基底中形成厚的熱氧化物層，并且該熱氧化物層由所述絕緣層覆蓋，以便為背孔刻蝕提供終止層。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在形成所述第二背板的步驟中，在所述隔離件中、以及在所述互聯(lián)柱中或所述隔離墻外也形成通孔金屬，以便對(duì)所述第一背板和所述振膜向外引線。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述第一 CMOS電介質(zhì)氧化物層上沉積第二CMOS電介質(zhì)氧化物層的步驟之后，并在形成所述隔離墻的步驟之前，還包括: 在所述振膜上方的所述第二 CMOS電介質(zhì)氧化物層中形成多個(gè)淺槽； 沉積第三CMOS電介質(zhì)氧化物層； 其中，在所述第三CMOS電介質(zhì)氧化物層的表面上保形形成多個(gè)尖頭坑，該多個(gè)尖頭坑與所述多個(gè)淺槽對(duì)應(yīng)，使得在形成隔離墻和形成所述第二背板的步驟中形成與所述振膜相對(duì)的多個(gè)尖頭突出件。`
【文檔編號(hào)】H04R19/00GK103563399SQ201180007064
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月11日
【發(fā)明者】王喆 申請(qǐng)人:歌爾聲學(xué)股份有限公司