CN105120417A - 单片集成芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种单片集成芯片及其制作方法，所述单片集成芯片包括一硅基片、设于硅基片第一区域内的集成电路以及设于第二区域内与集成电路电气连接的电容式微硅麦克风。所述硅基片包括一硅器件层及位于硅器件层下的硅衬底，所述硅器件层为第一极板。所述单片集成芯片还包括设于第二区域内且位于所述第一极板上方的第二极板以及位于第一、第二极板之间的空腔，所述第一极板上设有上下贯穿且与所述空腔连通的若干声孔，所述第二极板为可动的悬臂梁式结构，悬于所述空腔的上方，所述第二极板为采用低温淀积工艺形成。如此，使得集成电路的性能稳定，并且所述电容式微硅麦克风灵敏度高。

Description

单片集成芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器和集成电路的集成结构，属于微电子机械系统及压力传感器等领域。

背景技术

麦克风是一种将声音信号转化为电信号的换能器。电容式麦克风的基本结构包括作为电容一极的敏感膜和作为电容另外一极的背极板，当声音信号作用于麦克风，声压导致敏感膜产生形变，进而引起敏感膜与背极板之间的电容发生变化，此电容变化可由后续处理电路转化为电信号。

自Bell实验室科学家于1962年发明驻极体电容式麦克风（ECM）以来，经过几十年的发展，ECM已经广泛应用于各个领域。但传统ECM在高温下其敏感膜中的常驻电荷会发生泄漏，进而导致ECM失效。而在组装消费类电子产品的工艺中，器件自动化表面贴装工艺常需经历高达260℃的焊接温度，所以ECM在配装至电路板时，目前只能依赖人力手工组装，伴随着手机、PDA、MP3播放器及数码相机等消费类电子产品市场的发展，ECM正逐渐在这些大批量生产的消费类电子产品领域丧失优势。

微机电系统MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem）是近年来高速发展的一项新技术，它采用先进半导体制造工艺，可实现MEMS器件的批量制造。与对应的传统器件相比，MEMS器件在耐高温、体积、功耗、重量以及价格方面有十分明显的优势。而利用MEMS技术制造的微型硅麦克风由于有能耐受表面贴装中高温的优点，正迅速成为ECM产品的代替者，近几年微型硅麦克风市场有着相当的高增长。

利用MEMS技术加工的微硅麦克风与传统ECM一个重要不同点在于偏置电压施加方式。ECM是通过存储在麦克风敏感膜片中的常驻电荷对其进行偏置，而微硅麦克风是通过外电源直接对麦克风提供偏置电压，无须在敏感膜中存储常驻电荷，所以没有常驻电荷在高温下流失的危险，因此微硅麦克风可承受在自动化表面贴装工艺中所需经历的高温，从而可采用自动化表面贴装工艺，而非采用人力手工安装。

目前，MEMS器件和集成电路（IC）一般采用多片集成方式集成化，即由不同厂商采用不同的工艺流程在不同芯片上分别独立完成电路和MEMS器件的制作，然后再将两者混合封装集成为一个功能单元。这种方法的好处是制造工艺难度小，MEMS器件的设计及制造可单独优化。该种方法在多种MEMS器件集成中都有应用，例如压阻型传感器等。

然而对于某些应用，如高输出阻抗的压电及电容等类型的传感器，MEMS器件和IC进行单片集成则更有优势，可有效提高器件整体性能并降低干扰噪声的影响。电容式微硅麦克风即具有高输出阻抗的特点，导致其受环境干扰噪音和寄生电容的影响较大，因此微硅麦克风采用单片集成方式相对于采用多片集成式可在器件整体性能、尺寸、功耗等方面有较大提高。

实现MEMS器件和IC单片集成的制作方法有三种：第一，先完成MEMS器件的制作，然后再在同一基片上完成IC的制作；第二，MEMS器件和IC在制作过程中单步工艺相互交叉进行；第三种方法即“后半导体工艺”，先采用标准工艺制作IC，然后再在同一基片上完成MEMS器件的制作。

第一种及第二种方法的缺点是可能引入污染，导致IC失效，并有进一步可能导致设备污染。第三种集成方法的好处是可避免前两种集成方法引入的污染，还可充分利用现有成熟的标准IC制造流程，不必修改IC制造流程，这有助于提高成品率及降低对设备的投资。第三种集成方法的缺点是在IC完成后，为不影响IC性能，在其后MEMS器件制造过程中不能有高温工艺，因为IC制造流程完成后，作为金属电极的铝等金属不能承受400℃以上的高温。而现有MEMS技术中多采用多晶硅等材料作为结构材料，而制备多晶硅的温度一般高于400℃。

鉴于上述问题，有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需经历高温的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的单片集成芯片及其制作方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单片集成芯片的制作方法，其包括如下步骤：

(a).提供一硅基片，所述硅基片具有硅器件层及位于所述硅器件层上的第一表面，所述第一表面设有用于生成集成电路的第一区域及用于生成电容式微硅麦克风的第二区域；

(b).在所述第一区域上生成与所述电容式微硅麦克风电气连接的所述集成电路，在所述第二区域上形成覆盖在所述第一表面的绝缘层及形成在所述绝缘层上的导电层；

(c).在所述第二区域内，部分去除绝缘层以部分暴露所述硅器件层，接着刻蚀所述硅器件层形成背极板图形以及贯穿所述硅器件层的若干声孔，所述硅器件层为所述电容式微硅麦克风的第一极板；

(d).采用低温淀积工艺在所述背极板上淀积牺牲层，所述牺牲层将所述声孔填充；

(e).接着在所述牺牲层上生成所述电容式微硅麦克风的第二极板；

(f).对所述第二极板进行刻蚀以形成悬臂梁式的第二极板；

(g).所述硅基片还包括与所述硅器件层相对的硅衬底，所述硅衬底具有与所述第一表面相背的第二表面，在所述硅衬底上自所述第二表面向上凹陷成贯穿所述硅衬底的背腔，并自背腔向上去除所述牺牲层以在所述第一极板与第二极板之间形成空腔，进而使得所述第二极板成为可动结构，所述空腔、所述声孔及所述背腔相互连通。

作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤(d)中，所述牺牲层是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成的，所述牺牲层的材料为非晶碳。

作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤(e)中，所述第二极板的材质为多晶硅锗，所述第二极板是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的多晶硅锗薄膜。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第二极板生成的过程中采用硅烷、或者锗烷、或者硼烷作为反应物。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述硅基片还包括位于所述硅器件层与所述硅衬底之间的介质层，在步骤（a）中，所述声孔未贯穿所述介质层。

作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤（g）中，所述背腔贯穿所述硅衬底及所述介质层。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述背腔形成的步骤为：首先在第二区域的所述硅衬底的第二表面处进行光刻，随后采用各向异性腐蚀液湿法腐蚀或者干法刻蚀从而部分去除所述介质层。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述各向异性腐蚀液湿法腐蚀中采用的腐蚀液为氢氧化钾或者四甲基氢氧化铵。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述干法刻蚀为深槽反应离子刻蚀。

作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤（g）中，所述牺牲层被去除后所留下的部分形成用以支撑所述第二极板的锚点，所述第二极板为声音敏感膜，所述锚点位于所述声音敏感膜的边缘。

为实现上述目的，本发明还采用如下一种技术方案：一种单片集成芯片，包括一硅基片、设于硅基片第一区域内的集成电路以及设于第二区域内与集成电路电气连接的电容式微硅麦克风，所述硅基片包括一硅器件层及位于硅器件层下的硅衬底，所述硅器件层为第一极板，所述单片集成芯片还包括设于第二区域内且位于所述第一极板上方的第二极板以及位于第一、第二极板之间的空腔，所述第一极板上设有上下贯穿且与所述空腔连通的若干声孔，所述第二极板为可动的悬臂梁式结构，悬于所述空腔的上方，所述第二极板为采用低温淀积工艺形成。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述硅基片还包括设于所述硅衬底与所述硅器件层之间的介质层，所述硅衬底上设有自下向上贯穿所述硅衬底的背腔，所述背腔同样向上贯穿所述介质层并与所述声孔连通。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述单片集成芯片的第二区域内，在所述硅器件层上还设有支撑所述第二极板的若干锚点，所述锚点连续或者间断的分布在所述第二极板的边缘。

相较于现有技术，本发明单片集成芯片的制作方法，包括在完成标准半导体工艺的硅基片上采用低温工艺形成声音敏感膜41、牺牲层3等结构组成电容式微硅麦克风，以实现电容式微硅麦克风与硅基片上已有电路达成集成，如此使得集成电路中的金属导电层不需要经过高温的炙烤，从而使得集成电路的性能稳定。另外采用悬臂梁结构设计第二极板，使得其具有较强的灵敏度，如此可将集成电路器件同微型硅麦克风集成在一起形成具有高灵敏度的单片集成芯片。

附图说明

图1是本发明单片集成芯片制作方法的第一步所呈现的剖面结构示意图。

图2是本发明单片集成芯片制作方法的第二步所呈现的剖面结构示意图。

图3是本发明单片集成芯片制作方法的第三步所呈现的剖面结构示意图。

图4是本发明单片集成芯片制作方法的第四步所呈现的剖面结构示意图。

图5是本发明单片集成芯片制作方法的第五步所呈现的剖面结构示意图。

图6是本发明单片集成芯片制作方法的第六步所呈现的剖面结构示意图。

图7是本发明单片集成芯片制作方法的第七步所呈现的剖面结构示意图。

图8是本发明单片集成芯片的立体结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种无需经历高温的集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的单片集成芯片及其制作方法，用于实现电路器件与MEMS器件的单片集成。请参图1至图7所示，以下将以基于SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）基片的集成电路（未标号）和电容式微硅麦克风（未标号）单片集成为例，进行详细说明。

请参图1所示，首先提供一SOI硅基片1，所述SOI硅基片1包括一位于下方的硅衬底13、位于上方的硅器件层11以及位于硅衬底13与硅器件层11之间的介质层12。所述硅器件层11的上表面为所述SOI硅基片1的第一表面111，所述硅衬底13的下表面为第二表面112。所述SOI硅基片1在第一表面111上设有用于生成集成电路的第一区域A和用于生成电容式微硅麦克风的第二区域B。所述介质层12为绝缘氧化硅层。接着按照标准半导体工艺流程在所述第一区域A上生成与电容式微硅麦克风电气连接的集成电路，所述集成电路可为场效应晶体管、电阻电容等。在本实施方式中仅以金属氧化物场效应晶体管为例进行说明。在第一区域A上生成场氧化层21、介质绝缘层22、金属导电层23以及钝化层24等。同时在生成集成电路的同时，所述第一区域A内介质绝缘层22、金属导电层23进一步延伸至所述第二区域22，即所述第二区域上有与制作集成电路时一同制作的介质绝缘层22和金属导电层23。

请参图2所示，在所述第二区域B内，部分去除介质绝缘层22及金属导电层23以部分暴露出所述SOI硅基片1的硅器件层11，然后采用光刻胶作掩膜，采用各向异性反应离子刻蚀工艺在所述硅器件层11上进行刻蚀形成背极板图形，直至所述SOI硅基片1的介质层12停止，并且得到若干贯穿所述硅器件层11的若干声孔113。已经形成背极板图形及声孔113的所述硅器件层11为所述电容式微硅麦克风的第一极板。

请参图3所示，本实施方式中，在所述硅衬底13的上方，采用低于400℃的低温淀积工艺淀积非晶碳形成牺牲层3。所述牺牲层3在所述硅器件层11顶部生长的同时也会在所述声孔113内部生长。在其他实施方式中，所述牺牲层3也可以利用等离子体增强化学气相沉积形成非晶碳层作为牺牲层3，所述等离子体增强化学气相沉积的温度为350℃～450℃。根据实际需要形成的MEMS的种类进行确定所形成的牺牲层3的厚度。

请参图4所示，在所述牺牲层3上采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺，生成多晶硅锗(PolySi1-xGex)薄膜层4所述多晶硅锗薄膜层4除了覆盖在所述牺牲层3上，还覆盖在介质绝缘层22上。在上述工艺过程中需要采用硅烷、锗烷、硼烷等做为反应物，同时根据需要调节各反应物的流量、压力、比例等来形成所需要的硅锗比例，这样可得到满足一定应力及耐腐蚀要求的多晶硅锗薄膜。

接下来，请参图5所示，对所述多晶硅锗薄膜4进行光刻及刻蚀，以形成悬臂梁式的麦克风电容的第二极板41，在本实施例中第二极板41为声音敏感膜41。同时，通过所述多晶硅锗薄膜4也实现了与金属导电层23进行电气连接的目的，进而使所述电容式微硅麦克风与所述集成电路实现两者的电气连接。所述声音敏感膜4的形状可为圆形、矩形，多边形等。在本实施方式中，所述第二极板41为悬臂梁式结构，目的在于提高小尺寸声音敏感膜4的敏感度，并容易释放应力。

请参图6所示，在所述硅基片1的所述硅衬底13的下表面，即第二表面112对应于第二区域B处进行光刻，随后采用各向异性腐蚀液湿法腐蚀或者干法刻蚀去除介质层12下方的部分硅衬底13，由此形成背腔131。该背腔131具有传递声音、调节频响等功能。在本实施方式中，所述各向异性腐蚀液为氢氧化钾(KOH)腐蚀液或四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液。所述干法刻蚀为深槽反应离子刻蚀。

请参图7所示，自所述背腔131进一步向上通过稀释的氢氟酸溶液或者气相氢氟酸腐蚀掉介质层12，接着用干法氧离子或者氢氟酸硫酸溶液腐蚀掉声孔113内柱状非碳晶及所述硅器件层11上的平坦的非晶碳层，即腐蚀掉所述牺牲层3，从而使得第二极板41成为可动结构。并且在所述声音敏感膜41与所述硅器件层11之间的形成了空腔5。所述牺牲层3被腐蚀后所留下的部分，即覆盖在介质绝缘层22上的部分，形成所述锚点31，所述锚点31位于所述声音敏感膜41的边缘用来支撑所述声音敏感膜41。所述锚点31可连续处于声音敏感膜41的全部边缘，也可连续或者间断地分散处于所述声音敏感膜41的边缘的。

如此，经过上述众多步骤，则制作完成一具有集成电路和电容式微硅麦克风的单片集成芯片100。所述单片集成芯片100包括一硅基片1、设于硅基片第一区域A内的集成电路以及设于第二区域B内的电容式微硅麦克风，所述硅基片1包括硅器件层11及位于硅器件层11下方的硅衬底13以及位于所述硅器件层11与所述硅衬底13之间的介质层12，在所述第二区域B内，所述单片集成芯片100还包括悬臂梁式悬于所述硅器件层11上方的第二极板41，所述第一极板为硅器件层11，所述第二极板为声音敏感膜41。所述第一极板、第二极板之间的空腔5使得所述声音敏感膜41敏感度提高。所述硅衬底13上设有上下贯穿所述硅衬底的背腔131，所述硅器件层还设有上下贯穿所述硅器件层11的声孔113，所述声孔113、背腔131以及所述空腔5上下贯通。

在本实施方式中，所述单片集成芯片的100的所述集成电路包括场氧化层21、源漏掺杂区25、栅导电层26、介质绝缘层22、金属导电层23及钝化层24。需要说明的是：在制作集成电路的过程中，至少第一区域21上的介质绝缘层22及金属导电层23进一步延伸至所述第二区域22。所述第一极板11与第二极板41构成电容式微硅麦克风电容的两个极板。所述集成电路与所述电容式微硅麦克风通过金属导电层23电气连接。

综上所述，本发明中所述单片集成芯片的制作方法，通过在SOI硅衬底上结合集成电路与电容式微硅麦克风单片集成的制作方法，包括在完成标准半导体工艺的硅基片上采用低温工艺形成声音敏感膜41、牺牲层3等结构组成电容式微硅麦克风，以实现电容式微硅麦克风同硅基片上已有电路的集成，如此使得集成电路中的金属导电层不需要经过高温的炙烤，从而使得集成电路的性能稳定。另外采用悬臂梁结构设计声音敏感膜41，使得其具有较强的灵敏度，如此可将集成电路器件同微型硅麦克风集成在一起形成具有高灵敏度的单片集成芯片100。

另外，以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (13)

1.一种单片集成芯片的制作方法，其包括如下步骤：

(a).提供一硅基片，所述硅基片具有硅器件层及位于所述硅器件层上的第一表面，所述第一表面设有用于生成集成电路的第一区域及用于生成电容式微硅麦克风的第二区域；

(b).在所述第一区域上生成与所述电容式微硅麦克风电气连接的所述集成电路，在所述第二区域上形成覆盖在所述第一表面的绝缘层及形成在所述绝缘层上的导电层；

(c).在所述第二区域内，部分去除绝缘层以部分暴露所述硅器件层的第一表面，接着刻蚀所述硅器件层形成背极板图形以及贯穿所述硅器件层的若干声孔，所述硅器件层为所述电容式微硅麦克风的第一极板；

(d).采用低温淀积工艺在所述背极板上淀积牺牲层，所述牺牲层将所述声孔填充；

(e).接着在所述牺牲层上生成所述电容式微硅麦克风的第二极板；

(f).对所述第二极板进行刻蚀以形成悬臂梁式的第二极板；

(g).所述硅基片还包括与所述硅器件层相对的硅衬底，所述硅衬底具有与所述第一表面相背的第二表面，在所述硅衬底上自所述第二表面向上凹陷成贯穿所述硅衬底的背腔，并自背腔向上去除所述牺牲层以在所述第一极板与第二极板之间形成空腔，进而使得所述第二极板成为可动结构，所述空腔、所述声孔及所述背腔相互连通。

2.如权利要求1所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：在步骤(d)中，所述牺牲层是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或者等离子体增强气相淀积工艺生成的，所述牺牲层的材料为非晶碳。

3.如权利要求1所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：在步骤(e)中，所述第二极板的材质为多晶硅锗，所述第二极板是采用低于400℃的低压气相淀积工艺或等离子体增强气相淀积工艺而生成的多晶硅锗薄膜。

4.如权利要求3所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：所述第二极板生成的过程中采用硅烷、或者锗烷、或者硼烷作为反应物。

5.如权利要求1所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：所述硅基片还包括位于所述硅器件层与所述硅衬底之间的介质层，在步骤（a）中，所述声孔未贯穿所述介质层。

6.如权利要求5所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：在步骤（g）中，所述背腔贯穿所述硅衬底及所述介质层。

7.如权利要求6所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：所述背腔形成的步骤为：首先在第二区域的所述硅衬底的第二表面处进行光刻，随后采用各向异性腐蚀液湿法腐蚀或者干法刻蚀从而部分去除所述介质层。

8.如权利要求7所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：所述各向异性腐蚀液湿法腐蚀中采用的腐蚀液为氢氧化钾或者四甲基氢氧化铵。

9.如权利要求7所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：所述干法刻蚀为深槽反应离子刻蚀。

10.如权利要求1所述的单片集成芯片的制作方法，其特征在于：在步骤（g）中，所述牺牲层被去除后所留下的部分形成用以支撑所述第二极板的锚点，所述第二极板为声音敏感膜，所述锚点位于所述声音敏感膜的边缘。

11.一种单片集成芯片，包括一硅基片、设于硅基片第一区域内的集成电路以及设于第二区域内与集成电路电气连接的电容式微硅麦克风，所述硅基片包括一硅器件层及位于硅器件层下的硅衬底，所述硅器件层为第一极板，其特征在于：所述单片集成芯片还包括设于第二区域内且位于所述第一极板上方的第二极板以及位于第一、第二极板之间的空腔，所述第一极板上设有上下贯穿且与所述空腔连通的若干声孔，所述第二极板为可动的悬臂梁式结构，悬于所述空腔的上方，所述第二极板为采用低温淀积工艺形成。

12.如权利要求11所述的单片集成芯片，其特征在于：所述硅基片还包括设于所述硅衬底与所述硅器件层之间的介质层，所述硅衬底上设有自下向上贯穿所述硅衬底的背腔，所述背腔同样向上贯穿所述介质层并与所述声孔连通。

13.如权利要求11所述的单片集成芯片，其特征在于：所述单片集成芯片的第二区域内，在所述硅器件层上还设有支撑所述第二极板的若干锚点，所述锚点连续或者间断的分布在所述第二极板的边缘。