[发明专利]一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅麦克风及其制备方法，尤其是一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风及其制备方法，属于硅麦克风的技术领域。

背景技术

麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。传统的驻极体电容式麦克风采用特氟龙作为振动薄膜，不能承受在印刷电路板焊接回流工艺近300度的高温，从而只能与集成电路的组装分开，单独手工装配，大大增加了生产成本。

近三十年的MEMS(Microelectromechanical Systems)技术与工艺的发展，特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器(如压力传感器，加速度计，陀螺仪等)的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。但是，由于制备工艺复杂，MEMS硅麦克风的生产成本与驻极体麦克风相比还相当高，特别是MEMS硅麦克风芯片的生产工艺与CMOS集成电路不兼容，使得与麦克风芯片相配的放大器芯片必须分开制备，而麦克风芯片与放大器芯片的电信号连接需采用焊线键合，进一步增加了生产成本，同时降低了可靠性。

MEMS麦克风主要还是采用电容式的原理，由一个振动薄膜和背极板组成，振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成电容变化。MEMS麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化，再放大后变成电输出。

人的语音声压信号非常微弱，振动薄膜必须非常灵敏。一般振动薄膜的材料是多晶硅或氮化硅，厚度在零点五到二微米左右，视振动薄膜的大小而异。由于材料的热膨胀系数不同和高温工艺，制备后的振动薄膜会有不同程度的残留应力，大大影响了振动薄膜的灵敏度。所以，用多晶硅作为振动薄膜时，在制备后一般会采用附加退火工艺，来调节残留应力降到最低；若用氮化硅作为振动薄膜，在制备时通过调节反应气体间的比例来降低残留应力。同时，也可以采用改变振动薄膜的机械结构，把一般的平板型振动薄膜改为纹膜，浮膜，或在振动薄膜上切割微小的槽，从而达到减少残留应力、增加灵敏度的目的。但改变振动薄膜结构的方法会造成制备工艺复杂化，增加成本，降低良率。

背极板除了与振动薄膜形成电容以外，还具有控制麦克风的频带，降低声学噪声等功能。它需要具有一定的刚度，不会因外部的振动或声压而形变。除此以外，一般的设计还需在背极板上制备数百至上千个直径为几微米的穿孔，用来调节麦克风的频带和降低声学噪声。由于穿孔腐蚀制备工艺的深宽比的制约，背极板的厚度一般不会超过几十微米。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风及其制备方法，其可与CMOS电路芯片垂直集成，简化生产工艺及其封装结构，降低生产成本，增强器件的可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风，包括背极板硅基及位于所述背极板硅基上方振膜硅基；所述背极板硅基上对应于与振膜硅基相连的另一侧设有CMOS电路，背极板硅基对应设置CMOS电路的表面上淀积有电绝缘层，所述电绝缘层上设有金属键合层，所述金属键合层与CMOS电路的连接端电连接；背极板硅基上设有若干声孔，所述声孔位于振膜硅基的正下方，且声孔从金属键合层的表面向下延伸贯通背极板硅基，背极板硅基对应于设置声孔表面的金属键合层形成下电极；振膜硅基对应于与背极板硅基相连的表面设有导电振膜，振膜硅基内设有贯通振膜硅基的深坑，所述深坑位于声孔的正上方，且深坑与声孔对应分布；振膜硅基对应于设置振膜的表面键合安装于金属键合层上，导电振膜通过金属键合层与CMOS电路电连接，导电振膜与下电极间隙配合。

所述声孔的孔径为50～100μm；所述背极板硅基的厚度为300～500μm。所述电绝缘层包括位于背极板硅基表面的第一绝缘介质层及位于所述第一绝缘介质层上的第二绝缘介质层；所述第一绝缘层为氮化硅层，第二绝缘介质层为二氧化硅层。

所述CMOS电路的连接端包括输入端及输出端，所述输入端邻近振膜硅基；输入端及输出端通过电绝缘层隔离。

所述导电振膜包括生长于振膜硅基上的绝缘支撑膜及淀积于所述绝缘支撑膜上的振膜体薄膜，且所述振膜体薄膜通过高温退火去除残余应力。

一种与CMOS电路纵向集成的MEMS硅麦克风制备方法，所述MEMS硅麦克风制备方法包括如下步骤：

a、提供具有CMOS电路的背极板硅基；