CN1813489A - 硅麦克风的制造 - Google Patents

Abstract

采用以下步骤制作硅麦克风：提供第一晶片，该晶片包括重掺杂硅层、硅层和在两个硅层之间的氧化物中间层。该第一晶片在重掺杂硅层的一个表面上具有第一主表面，在硅层上具有第二主表面。第二硅晶片具有第一主表面和第二主表面。在第一和第二晶片的至少第一主表面上形成氧化物层。蚀刻出空腔，其穿过第一晶片的第一主表面上的氧化物层并进入重掺杂硅层中。第一晶片的第一主表面被结合到第二晶片的第一主表面。在第二晶片的第二主表面上形成金属层。在金属层中以及第二晶片的第二主表面中图案化并蚀刻出声学孔。在第一晶片的重掺杂硅上形成至少一个电极，并且在第二晶片上形成至少一个电极。在制造硅麦克风的过程中，至少从膜片的背面蚀刻第一晶片。

Description

硅麦克风的制造

技术领域

本发明涉及硅麦克风，特别是涉及硅麦克风的制造。

背景技术

电容性麦克风通常包括膜片，该膜片包括连在弹性元件上的电极，以及连在另一个电极上、与弹性元件平行的背板。该背板的刚性相对较强，并且典型地包括多个孔以允许空气在背板和弹性元件之间流动。背板和弹性元件形成了电容器的平行板。在膜片上的声压会引起平行板的偏移，使电容器的电容发生变化。电容的变化由电路来处理，从而提供与变化相对应的电信号。

包括微型麦克风的微机电器件(MEMS)通过通常用来制作集成电路的方法来制造的。MEMS麦克风的可能应用包括用于助听器和移动电话，以及车辆压力传感器的麦克风。

许多可利用的MEMS麦克风都涉及到包括许多掩模和蚀刻步骤的复杂制造过程。随着制造过程的复杂性增加，器件不能通过检测以及器件不可用的风险越大。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有较少数目的加工步骤的硅麦克风制造工艺，或者至少是要向公众提供一种有用的选择。

从广泛的角度来说，本发明包括制造硅麦克风的方法，该方法包括下列步骤：

提供第一晶片，该晶片包括重掺杂硅层、硅层和在两个硅层之间的氧化物中间层，并且在重掺杂硅层的一个表面上具有第一主表面，而在硅层上具有第二主表面，

提供具有第一主表面和第二主表面的第二硅晶片，

在第一晶片的至少第一主表面上形成氧化物层，

在第二晶片的至少第一主表面上形成氧化物层，

蚀刻空腔，其穿过第一晶片的第一主表面上的氧化物层并进入重掺杂硅层中，

第一晶片的第一主表面被结合到第二晶片的第一主表面，

在第二晶片的第二主表面上形成金属层，

在金属层中以及第二晶片的第二主表面中图案化并蚀刻声学孔，以及

在第一晶片的重掺杂硅上形成至少一个电极，并且在第二晶片上形成至少一个电极，以及

还包括在硅麦克风的制造过程中，至少从膜片的背面蚀刻第一晶片的氧化物层的步骤。

第一晶片在与第二晶片结合之前或以后，可以被减薄以形成膜片。或者，第一晶片可以在处理之前包括膜片。

在第一和第二晶片的至少一个主表面上形成氧化物层的步骤优选地包括在两块晶片的两个主表面上形成氧化物层。

在晶片的主表面上形成的氧化物层优选地生长在晶片的主表面上。或者可以使用其它任何合适的方法来形成氧化物层。

如果氧化物层在第二晶片的第二主表面上形成，优选在第一晶片被减薄之前去除该氧化物层。

如果氧化物层在第一晶片的第二主表面上形成，优选在第一晶片被减薄之前去除该氧化物层。

在第二晶片的另一个主表面上形成金属层的步骤可以通过将金属溅射到第二晶片的第二主表面上来执行。

在本发明的一个实施例中，还包括从第二主晶片的第二主表面到其第一主表面附近蚀刻第二主晶片一部分，该部分围绕晶片的周边。优选该蚀刻在声学孔被蚀刻时执行。

优选地当第一晶片在其第二主表面处被减薄时，第一晶片被减薄到中间氧化物层。

在一个实施例中，在第一晶片的重掺杂硅层上以及第二晶片上形成电极的步骤是通过在第一晶片的重掺杂硅层的整个外露表面上和第二晶片的第一主表面的外露表面上形成金属电极层来执行的。该金属层然后通过蚀刻以形成电极。

在一个替代的实施例中，在第一晶片的重掺杂硅层上以及第二晶片上形成电极的步骤可以通过溅射金属并且使用屏蔽掩模从而图案化电极来执行。

在一个实施例中，在第二晶片的第二主表面上形成的金属层是铬和金的合金或混合物。或者可以使用其它任何合适的导电金属来制作电极。

当在第二晶片的第二主表面上形成的金属层中图案化并蚀刻声学孔时，锚件(anchors)通常要被图案化并且形成在第二晶片的第二主表面上形成的金属层中晶片边缘处。这些锚件的其中之一可以被用作电极。其它的锚件可以包括第二晶片的一部分和金属覆盖部分。金属覆盖部分理想地与声学孔周围的金属分隔开来。当在金属中图案化并蚀刻声学孔时，分隔步骤可以通过图案化和蚀刻分隔区来执行。

从广泛的角度来说，本发明另一个方面包括使用本发明的方法形成的硅麦克风。

附图说明

参照下面附图，通过仅示例而非限制的方式进一步描述制造硅麦克风的方法，其中：

图1A是制造之前的第一晶片的侧视图；

图1B是制造之前的第二晶片的侧视图；

图2A是在氧化物的沉积或生长以后，第一晶片的侧视图；

图2B是在氧化物的沉积或生长以后，第二晶片的侧视图；

图3是在图案化并蚀刻出空腔以后，第一晶片的侧视图；

图4是结合在一起的两块晶片的侧视图；

图5是在氧化物层被剥离以后，两块晶片的侧视图；

图6是减薄第一晶片以后，两块晶片的侧视图；

图7是在第二晶片上形成金属和在第二晶片中形成声学孔以后，两块晶片的侧视图；

图7A是在第二晶片上形成金属和在第二晶片中形成声学孔以后，通过图11中的线A-A得到的第二侧视图；

图8是在从两块晶片之间的结合蚀刻氧化物以后，两块晶片的侧视图；

图8A是在从两块晶片之间的结合蚀刻氧化物以后，沿图11中的线A-A得到的两块晶片的第二侧视图；

图9是在第一晶片的重掺杂硅层上形成金属以后，两块晶片的侧视图；

图9A是在第一晶片的重掺杂硅层上形成金属以后，沿图11中的线A-A得到的两块晶片的第二侧视图；

图10是在已经形成电极以后，两块晶片的侧视图；

图10A是在已经形成电极以后，沿图11中的线A-A得到的两块晶片的第二侧视图；

图11是已完成的硅麦克风的顶视图；

图12是没有电极的硅麦克风的第二实施例的侧视图；

图13是带有电极的图12中的麦克风的侧视图；以及

图14是膜片上带有折皱的硅麦克风的侧视图。

具体实施方式

图1A是用来制造硅麦克风的第一晶片的侧视图。该晶片是由高度掺杂的硅第一层1，氧化物中间层2以及硅衬底的第三层3形成的。一个实施例中，第一层是p⁺⁺掺杂硅，而第三层是n型衬底。在一个替代的实施例中，第一层可以是n⁺⁺掺杂硅，而第三层可以是p型衬底。通常第一层1大约有4微米左右的厚度，而第二层大约有2微米左右的厚度。用在硅麦克风中的这些层的厚度将取决于麦克风的所需特征。衬底层要比其它两层厚，例如可以有大约400到600微米的厚度。

在替代的实施例中，衬底的厚度可以小于上述的厚度。或者，衬底可以在处理之前，或者在与第二晶片结合之前或以后，通过图案化以形成膜片。

应该注意的是所示的侧视图并不是按比例绘制，而只是为了说明的目的而提供的。

图1B是用来制造硅麦克风的第二晶片的侧视图。该晶片包括硅晶片4。晶片是重掺杂硅并且可以是p型或n型硅。在优选实施例中，晶片为<100>硅。在其它实施例中，可以使用不同的硅表面或结构。

虽然图1A和图1B是两块晶片的侧视图，但是晶片是三维的，具有两个主表面。第一晶片的两个主表面是顶面和底面(图1A中没有示出)。第一主表面，顶面，包括高度掺杂硅。第二主表面，底面，包括硅衬底。

在图1B中，主表面在晶片的顶部和底部，并且都包括重掺杂硅晶片。

在硅麦克风的制造中，两块晶片最初在结合在一起之前分别加工，然后再进一步加工。

图2A和图2B示出在晶片的主表面上形成氧化物5之后的第一和第二晶片。氧化物通常通过热生长或沉积工艺在两块晶片的两个表面上形成。在每个晶片的两个主表面上形成氧化物降低了这种风险，即如果氧化物仅在每个晶片的一个侧面上形成，就会引发晶片的变形。在替代的实施例中，氧化物仅在每个晶片的一个主表面上形成。如图2A和2B所示，氧化物层5的厚度小于硅晶片的厚度。

要了解的是其它任何合适的介电材料或绝缘材料，例如氮化硅，都可以用来代替氧化物层。

图3示出一个实施例，其中在第一晶片的第一主表面内图案化并蚀刻出空腔6。在该步骤中，一部分重掺杂硅层被蚀刻以产生重掺杂部分1的薄区。可以使用湿硅蚀刻或干硅蚀刻。由于该薄区最终将形成麦克风的膜片，薄片的厚度决定了硅麦克风的性能。在一个实施例中，使用反应离子蚀刻(RIE)来形成空腔。该蚀刻是一种定时蚀刻，所以重掺杂部分的薄区的最终厚度取决于蚀刻时间。

空腔的预期形状是由硅麦克风的所需性能来确定的。

在一个实施例中，从掺杂部分1到氧化物层2的一部分晶片可以被蚀刻以允许在随后的加工步骤中在第二晶片4上形成电极。这可以在蚀刻膜片空腔时蚀刻。

如图4所示，两块晶片被结合在一起。结合在一起的主表面是第一晶片的第一主表面1和第二晶片4的其中一个主表面。在一个优选的实施例中，通过使用熔融键合(fusion bonding)将两块晶片结合在一起。如图4所示，第二晶片4的氧化物层5和第一晶片的图案化氧化物层5被结合在一起。

图5示出在将氧化物层从这些晶片的外露主表面剥离之后的两块晶片。氧化物剥离是众所周知的，并且可以使用任何合适的技术来将氧化物从外露表面剥离。

图6示出在硅衬底已经从第一晶片中去除之后的两块晶片。在优选实施例中，这种减薄是在单个的操作中执行的。可以使用任何合适的技术来将衬底层从第一晶片中去除。

在第一晶片被减薄之后，在第二晶片中图案化并蚀刻出第一晶片声学孔，如图7所示。为了图案化和蚀刻声学孔，第一步要在第二晶片4的外部主表面上形成金属层7。在一个实施例中，金属被溅射到第二晶片的主表面上。随后在金属上覆盖一层抗蚀剂，抗蚀剂然后被图案化。执行蚀刻工艺以蚀刻穿过金属7和硅4的声学孔。蚀刻工艺同样可以蚀刻在声学孔底部的氧化物层5，从而提供在声学孔和第一晶片的重掺杂层1中形成的空腔之间的通道(access)。

金属可以是铬和金的混合物，或者其它任何合适的金属或金属混合物，例如钛或铝。在一个实施例中，金属7被图案化和蚀刻以包括角锚件焊盘(corner anchor pads)，其中麦克风可以通过该焊盘连接到下层托架上。

图11示出多孔和金属化硅层以及角锚件焊盘。如果与第二晶片的硅层4的连接是从另一侧进行，所有的焊盘就可以与金属层7分离，如图11所示。例如，如果其中一个锚件焊盘用作与第二晶片的硅层4连接的电极，其它的锚件焊盘就可以与金属层的剩余部分分离。锚件焊盘与块状金属的分离减少了锚件焊盘所引起的噪音。在剩余的金属中图案化和蚀刻出分隔区。

在硅晶片中的声学孔或声学开口可以是圆形的，并且在矩形的硅晶片内设置，其中该硅晶片的中心位于硅晶片叠层的中心，但是其长度和宽度要小于晶片叠层的长度和宽度。声学开口的形状和布置要通过选择以提供合适的麦克风声学性能。

图7A示出沿图11的平面图中的A-A线得到的硅麦克风的典型示意侧视图。该图示出麦克风的不同区域中的硅麦克风的不同层。如图7A所示，金属层7并不覆盖硅晶片4的整个第二主表面。

如图7和7A所示，第一晶片中的空腔要大于第二晶片的声学孔所定义的区域。通过为第一晶片的膜片1提供较大的空腔6，减少了声学孔的位置所需的准确度。

同样如图7所示，在声学孔的蚀刻期间，同样可以蚀刻出绕硅麦克风的周边的较小区域或缺口。在优选实施例中，该蚀刻是通过反应离子蚀刻延迟(RIE-lag)来执行的。RIE-lag是一种现象，在这种情况下，通过这种现象，抗蚀剂掩模中较小尺寸的周边缺口蚀刻为具有深度小于较大尺寸的声学孔的深度。由于RIE-lag，绕硅麦克风周边的缺口不会完全蚀刻穿过硅层4。该缺口在图7到图10A的侧视图中是作为一个台阶来示出的。不完全蚀刻的周边提供了弱化线，其中当结合的晶片受到压力作用，也就是承受由辊子所施加的压力时，将会发生断裂。该不完全蚀刻的形成允许晶片在不使用磨蚀或湿处理的情况下，切割为单个的麦克风芯片，从而减少了对易碎膜片的可能损坏。部分蚀刻应该足够深以允许晶片在切割时易于断裂，但是也应该足够浅从而在切割之前，允许在不使晶片破损的情况下容易处理晶片。

图8和图8A示出在结合的晶片上进一步图案化和蚀刻步骤的结果。在这些步骤中，氧化层2被图案化以定义随后蚀刻的重掺杂硅1的分离区域。然后从重掺杂硅层1上蚀刻去除氧化物层2。膜片的分离区域周围的氧化物层5被蚀刻去除从而暴露通常第二晶片4内部主面的多个部分。声学孔内部的氧化物层5被蚀刻去除。在使用RIE的情况中，结合的硅晶片的相对表面的蚀刻要在分开的步骤中进行。在这些蚀刻步骤以后，由分离区域所限定的剩余部分的高度掺杂硅1，其长度要小于第二晶片的大部分硅4(除了在硅麦克风周边的部分蚀刻的硅)的长度。

图9示出一个实施例，其中在第一晶片的重掺杂硅层上和第二晶片的外露硅上形成金属层。如图9所示，该金属层被全局性地溅射。然后金属被蚀刻以形成图10中所示的至少两个电极10，11。至少一个电极11形成在重掺杂硅层上，而至少一个电极10形成在第二晶片硅4外露的第一内部主面上。

在另一个实施例中，电极10，11通过使用屏蔽掩模来形成，从而直接按所需的图案沉积金属。

如图10所示，电极11与第一晶片1的重掺杂层接触，而电极10与第二晶片的硅层4接触。这就允许麦克风通过仅由麦克风的一侧所形成的连接结合(connection bonds)连接到另一个器件上。或者，当在麦克风的另一侧上有金属层7时，该金属层可以用作第二晶片的硅4的电极，并且可以通过焊接、导电胶、或其它任何合适的方法来连接到下层托架上。通过在第二晶片的相对表面上提供两个晶片电极，实现了封装的灵活性。

在硅麦克风的一侧提供两个电极同样可以有助于硅麦克风的探测，例如在麦克风连接到托架或其它***之前。硅麦克风的探测可以通过只探测麦克风一侧上的探针来执行，而不是要探测麦克风两侧上的探针。

在替代的实施例中，在将两个晶片结合在一起以后，硅衬底3未被减薄。在本实施例中，衬底3在空腔周围或将要形成电极的任何区域被选择性地减薄。本实施例的优点在于制作出来的硅麦克风的机械强度得到改进。在本实施例中，蚀刻衬底3中的背板和蚀刻硅晶片中的开口的次序并不重要。图12示出在衬底3的一部分已被蚀刻以形成电极位置之后，硅麦克风的侧视图。该蚀刻可以与在衬底3上蚀刻膜片背板同时进行。用于电极的金属然后可以在将氧化物从电极位置去除以后，使用屏蔽掩模沉积在硅麦克风上。图13示出在形成电极以后，硅麦克风的最终视图。

在另外一个替代实施例中，在将晶片结合在一起之前或以后，衬底3被减薄为预定的厚度。然后衬底3可以被选择性地图案化和蚀刻。

在另外一个替代实施例中，晶片之一或二者可以在加工晶片之前具有最终的晶片厚度。

图14示出本发明的硅麦克风的一个替代实施例。在这个实施例中，硅麦克风的膜片被过度蚀刻从而在膜片中形成许多折皱。过度蚀刻的优点在于其改进了硅麦克风的强度。应该注意的是图14中的硅麦克风是不完整的，而且没有示出任何电极。在膜片上形成折皱可以与本发明的硅麦克风的其它任何实施例结合起来。例如折皱可以与图11或图13中的麦克风结合。

本发明的实施例将通过下面的实例做进一步的图解。

实例

提供了两块晶片：第一晶片包括4微米厚的p⁺⁺掺杂硅层，2微米厚的氧化物层，以及n型衬底；第二晶片包括n型硅。

大约1微米厚的氧化物层通过热生长在两块晶片的每一个主表面上生长。然后从一部分第一晶片上蚀刻氧化物层，并且p⁺⁺掺杂硅层的底层部分被蚀刻以在p⁺⁺掺杂硅中提供大约2微米的空腔。蚀刻工艺为干反应离子蚀刻。

第一晶片的空腔侧面然后被熔融键合到第二晶片的氧化物覆盖表面，并且每块晶片的外部氧化物层都被剥离。同样使用合适的剥离技术，例如抛光，研磨或蚀刻，来剥离第一晶片的硅衬底。

然后铬/金被溅射到第二晶片的外露主表面上，并且被图案化以形成声学孔口和沿晶片周边的被减薄和削弱的硅区域。在第二晶片中的硅的质量是用来为硅麦克风提供刚度。

执行反应离子蚀刻以蚀刻硅中的声学孔。由于抗蚀剂提供的用于蚀刻的表面区域小于声学孔的表面区域，反应离子蚀刻延迟使得在硅麦克风晶片周边的蚀刻的速率较慢，因而蚀刻的深度较小。然后进一步蚀刻金属从而将三个角焊盘与块状金属隔离，并且进一步限定金属区域。

随后，从声学孔处蚀刻氧化物，并且第一晶片的外部氧化物层也被蚀刻去除。在该步骤之后，在绕晶片周边蚀刻两块晶片之间的硅p⁺⁺层和氧化物层，从而暴露第二晶片的硅的前表面，当前内表面的一部分。

然后将金属溅射到硅p⁺⁺层以及第二晶片的硅的外露部分。金属被图案化蚀刻以形成两个电极。

上文部分描述了包括其优选形式的本发明。对于本领域中的技术人员显然的变更和修改包括在本发明的范畴内，如权利要求所限定的那样。

Claims (25)

1.一种制造硅麦克风的方法，其包括下列步骤：

提供第一晶片，该晶片包括重掺杂硅层、硅层和在两个硅层之间的氧化物中间层，并且在重掺杂硅层的一个表面上具有第一主表面，且在所述硅层上具有第二主表面，

提供具有第一主表面和第二主表面的第二硅晶片，

在所述第一晶片的至少第一主表面上形成氧化物层，

在所述第二晶片的至少第一主表面上形成氧化物层，

蚀刻空腔，其穿过所述第一晶片的第一主表面上的氧化物层并进入所述重掺杂硅层中，

所述第一晶片的第一主表面被结合到所述第二晶片的第一主表面，

在所述第二晶片的第二主表面上形成金属层，

在所述金属层中以及所述第二晶片的第二主表面中图案化并蚀刻出声学孔，

在所述第一晶片的重掺杂硅上形成至少一个电极，并且在所述第二晶片上形成至少一个电极，以及

还包括在硅麦克风的制造过程中，至少从膜片的背面蚀刻第一晶片的氧化物层的步骤。

2.根据权利要求1中所述的制造硅麦克风的方法，还包括所述第一晶片的第二主表面一部分被减薄以形成所述硅麦克风的膜片的步骤。

3.根据权利要求2中所述的制造硅麦克风的方法，其中蚀刻所述第一晶片第二主表面的一部分的步骤是在将所述第一晶片的第一主表面结合到所述第二晶片的第一主表面之前执行的。

4.根据权利要求2中所述的制造硅麦克风的方法，其中所述蚀刻第一晶片第二主表面的一部分的步骤是在将第一晶片的第一主表面结合到第二晶片的第一主表面之后执行的。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的制造硅麦克风的方法，还包括在所述硅麦克风的膜片上蚀刻折皱的步骤。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在两块晶片的至少一个主表面上形成氧化物层的步骤包括在两块晶片的两个主表面上形成氧化物层。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述晶片的主表面上形成的氧化物层生长在所述晶片的主表面上。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中使用其它任何合适的方法来形成所述氧化物层。

9.根据权利要求2到8中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第二晶片的第二主表面上形成的氧化物层在所述第一晶片被减薄之前被去除。

10.根据权利要求2到8中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第一晶片的第二主表面上形成的氧化物层在所述第一晶片被减薄之前被去除。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第二晶片的第二主表面上形成金属层的步骤通过将金属溅射到所述第二晶片的第二主表面上来执行。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的制造硅麦克风的方法，还包括从所述第二晶片的第二主表面到其第一主表面附近蚀刻所述第二晶片一部分的步骤，该部分围绕所述晶片的周边。

13.根据权利要求12中所述的制造硅麦克风的方法，其中对所述第二晶片的周边部分的蚀刻是在蚀刻声学孔时执行的。

14.根据权利要求1到13中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第一晶片在其第二主表面处被减薄时，该第一晶片被减薄到中间氧化物层。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第一晶片的重掺杂硅层上以及所述第二晶片上形成电极的步骤是通过在所述第一晶片的重掺杂硅层的整个外露表面上和所述第二晶片的第一主表面的外露表面上形成金属电极层来执行的。

16.根据权利要求15中所述的制造硅麦克风的方法，其中所述金属电极层被蚀刻从而形成电极。

17.根据权利要求1到14中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第一晶片的重掺杂硅层上以及所述第二晶片上形成电极的步骤是通过溅射金属和使用屏蔽掩模以图案化电极来执行的。

18.根据权利要求1到17中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中在所述第二晶片的第二主表面上形成的金属层是铬和金的合金或混合物。

19.根据权利要求1到18中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中任何合适的导电金属都可用来制作电极。

20.根据权利要求1到19中任一项所述的制造硅麦克风的方法，其中当在所述第二晶片的第二主表面上形成的金属层中图案化并蚀刻所述声学孔时，在所述第二晶片的第二主表面上形成的金属层中，在所述晶片的边缘处图案化并形成多个锚件。

21.根据权利要求20中所述的制造硅麦克风的方法，其中所述锚件中的一个用作电极。

22.根据权利要求21中所述的制造硅麦克风的方法，其中其它锚件包括所述第二晶片的一部分和金属覆盖部分。

23.根据权利要求22中所述的制造硅麦克风的方法，其中所述金属覆盖部分与声学孔周围的金属分隔开来。

24.根据权利要求23中所述的制造硅麦克风的方法，其中当在金属中图案化并蚀刻出声学孔时，所述分隔步骤通过图案化和蚀刻分隔区来执行。

25.一种采用权利要求1到24中任一项的方法形成的硅麦克风。

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