[發明專利]一種與CMOS電路縱向集成的MEMS硅麥克風及其制備方法

有效

• 申請號: 201110269419.3
• 申請日: 2011-09-13
• 公開（公告）號: CN102333254A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 繆建民
• 申請（專利權）人: 華景傳感科技（無錫）有限公司
• 主分類號: H04R1/08
• 分類號: H04R1/08;H04R31/00
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種硅麥克風及其制備方法，尤其是一種與CMOS電路縱向集成的MEMS硅麥克風及其制備方法，屬于硅麥克風的技術領域。

背景技術

麥克風能把人的語音信號轉化為相應的電信號，廣泛應用于手機，電腦，電話機，照相機及攝像機等。傳統的駐極體電容式麥克風采用特氟龍作為振動薄膜，不能承受在印刷電路板焊接回流工藝近300度的高溫，從而只能與集成電路的組裝分開，單獨手工裝配，大大增加了生產成本。

近三十年的MEMS(Microelectromechanical?Systems)技術與工藝的發展，特別是基于硅芯片MEMS技術的發展，實現了許多傳感器(如壓力傳感器，加速度計，陀螺儀等)的微型化和低成本。MEMS硅麥克風已開始產業化，在高端手機的應用上，逐漸取代傳統的駐極體電容式麥克風。但是，由于制備工藝復雜，MEMS硅麥克風的生產成本與駐極體麥克風相比還相當高，特別是MEMS硅麥克風芯片的生產工藝與CMOS集成電路不兼容，使得與麥克風芯片相配的放大器芯片必須分開制備，而麥克風芯片與放大器芯片的電信號連接需采用焊線鍵合，進一步增加了生產成本，同時降低了可靠性。

MEMS麥克風主要還是采用電容式的原理，由一個振動薄膜和背極板組成，振動薄膜與背極板之間有一個幾微米的間距，形成電容結構。高靈敏的振動薄膜感受到外部的音頻聲壓信號后，改變振動薄膜與背極板間的距離，從而形成電容變化。MEMS麥克風后接CMOS放大器把電容變化轉化成電壓信號的變化，再放大后變成電輸出。

人的語音聲壓信號非常微弱，振動薄膜必須非常靈敏。一般振動薄膜的材料是多晶硅或氮化硅，厚度在零點五到二微米左右，視振動薄膜的大小而異。由于材料的熱膨脹系數不同和高溫工藝，制備后的振動薄膜會有不同程度的殘留應力，大大影響了振動薄膜的靈敏度。所以，用多晶硅作為振動薄膜時，在制備后一般會采用附加退火工藝，來調節殘留應力降到最低；若用氮化硅作為振動薄膜，在制備時通過調節反應氣體間的比例來降低殘留應力。同時，也可以采用改變振動薄膜的機械結構，把一般的平板型振動薄膜改為紋膜，浮膜，或在振動薄膜上切割微小的槽，從而達到減少殘留應力、增加靈敏度的目的。但改變振動薄膜結構的方法會造成制備工藝復雜化，增加成本，降低良率。

背極板除了與振動薄膜形成電容以外，還具有控制麥克風的頻帶，降低聲學噪聲等功能。它需要具有一定的剛度，不會因外部的振動或聲壓而形變。除此以外，一般的設計還需在背極板上制備數百至上千個直徑為幾微米的穿孔，用來調節麥克風的頻帶和降低聲學噪聲。由于穿孔腐蝕制備工藝的深寬比的制約，背極板的厚度一般不會超過幾十微米。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種與CMOS電路縱向集成的MEMS硅麥克風及其制備方法，其可與CMOS電路芯片垂直集成，簡化生產工藝及其封裝結構，降低生產成本，增強器件的可靠性。

按照本發明提供的技術方案，所述與CMOS電路縱向集成的MEMS硅麥克風，包括背極板硅基及位于所述背極板硅基上方振膜硅基；所述背極板硅基上對應于與振膜硅基相連的另一側設有CMOS電路，背極板硅基對應設置CMOS電路的表面上淀積有電絕緣層，所述電絕緣層上設有金屬鍵合層，所述金屬鍵合層與CMOS電路的連接端電連接；背極板硅基上設有若干聲孔，所述聲孔位于振膜硅基的正下方，且聲孔從金屬鍵合層的表面向下延伸貫通背極板硅基，背極板硅基對應于設置聲孔表面的金屬鍵合層形成下電極；振膜硅基對應于與背極板硅基相連的表面設有導電振膜，振膜硅基內設有貫通振膜硅基的深坑，所述深坑位于聲孔的正上方，且深坑與聲孔對應分布；振膜硅基對應于設置振膜的表面鍵合安裝于金屬鍵合層上，導電振膜通過金屬鍵合層與CMOS電路電連接，導電振膜與下電極間隙配合。

所述聲孔的孔徑為50～100μm；所述背極板硅基的厚度為300～500μm。所述電絕緣層包括位于背極板硅基表面的第一絕緣介質層及位于所述第一絕緣介質層上的第二絕緣介質層；所述第一絕緣層為氮化硅層，第二絕緣介質層為二氧化硅層。

所述CMOS電路的連接端包括輸入端及輸出端，所述輸入端鄰近振膜硅基；輸入端及輸出端通過電絕緣層隔離。

所述導電振膜包括生長于振膜硅基上的絕緣支撐膜及淀積于所述絕緣支撐膜上的振膜體薄膜，且所述振膜體薄膜通過高溫退火去除殘余應力。

一種與CMOS電路縱向集成的MEMS硅麥克風制備方法，所述MEMS硅麥克風制備方法包括如下步驟：

a、提供具有CMOS電路的背極板硅基；