[发明专利]集成CMOS/MEMS麦克风裸片

说明书

相关申请

本申请要求2013年8月30日提交的美国临时专利第61/871,957号申请的权益。

背景技术

在二十世纪六十年代，微电子学领域中的从业者首先开发了用于使用一系列步骤 制造微小机械结构的技术，该一系列步骤涉及将材料层淀积到硅晶片衬底的表面上， 然后选择性地蚀刻掉部分所淀积的材料。到二十世纪八十年代，该行业开始走向将多 晶硅用作机械层来进行硅基表面微加工。然而，虽然多晶硅由于其机械特性、电气特 性以及热力特性而已经被证明是制造微机电系统(MEMS)的有用基础材料，但用于 多晶硅基MEMS的制造技术未与用于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的制造 技术一起良好地工作。由此，在现有技术中，用于控制MEMS的电路传统上在单独 的裸片上制造。虽然在将CMOS和多晶硅制造集成在单个裸片上已经有一些成功， 但这些混合CMOS多晶硅器件由于长的设计时间和复杂的制造要求已经证明是不太 理想的。

最近，从业者已经尝试使用标准CMOS材料而不是传统用于多晶硅基MEMS结 构中的材料来制造MEMS结构。在标准CMOS制造中，晶体管形成在硅晶片的表面 上，并且电气通路通过重复地淀积并选择性地去除金属和介电材料层而建立在晶体管 上方。在集成CMOS/MEMS裸片中，在CMOS电路互连在晶片的一部分上的同时， 晶片的另一部分上构图后的金属和介电材料层可以形成复杂的MEMS结构。一旦建 立起所有层，则MEMS结构被“释放”--即，使用诸如vHF(蒸汽氢氟酸)等的蚀刻剂 去除MEMS结构周围的牺牲介电材料，这使MEMS结构的机械部件自由运动。可以 使用诸如湿法“衬垫蚀刻”、等离子体或RIE干法蚀刻或其任意组合等的其他牺牲蚀刻 剂。特定牺牲蚀刻剂侵害氮化硅钝化。在一些CMOS处理中所包括的位于钝化层顶 部的聚酰亚胺可以减轻对氮化硅的侵害。

这简化了设计和制造，因为不必使用特殊过程和材料以适应制造混合CMOS多 晶硅裸片的不同要求。然而，作为结构性的建造块，CMOS中所使用的金属层缺乏用 作结构性MEMS部件所需的刚度(stiffness)，而且，薄金属层在释放之后往往弯曲。 虽然可以通过建立由具有连接各金属层的金属过孔的堆叠金属层组成的结构来处理 这些问题，但许多其他问题依然未解决。

第一，虽然多层金属MEMS结构可以是刚性(rigid)的，但是在某些情况下， MEMS结构的刚性应是各向异性的(即，在一个运动轴线上是刚性的，而在另一个 运动轴线上是挠性的)。例如，许多MEMS结构使用弹簧(spring)来控制运动；将 多层金属用于弹簧结构可以创建防止弹簧弯曲的额外刚度，但沿x轴、y轴以及z轴 的刚度会限制该结构作为弹簧的有效性。

第二，许多种类的MEMS在释放之后需要气密腔室，所以必须安装盖晶片，或 者必须在顶层中构创建孔，以允许蚀刻剂触及介电材料。在前者的情况下，附接盖晶 片需要非标准CMOS处理和成本，使得对接合垫的接近更具挑战性，并且增加了裸 片高度。在后者的情况下，为了在蚀刻步骤之后密封孔，必须淀积金属或其他材料， 这冒着将密封材料无意引入到腔室内部中的危险，这潜在地影响机械部件的运动。

第三，为了去除介电材料，vHF(或其他牺牲蚀刻剂)必须与材料物理接触。对 于窄的堆叠结构，vHF可以容易地去除介电材料。然而，对于宽板结构(例如，麦克 风背板)，vHF可能花费相当长的时间到达板的内部，并且这可能导致从MEMS结构 的其它部分去除比所期望多的介电材料。

第四，对于宽板结构，甚至在去除金属层之间的介电材料之后，板也可能具有很 大的质量。这可能导致较低的谐振频率，这可能负面地影响麦克风的频率响应。

第五，如上所述，单个金属层较弱。在未加固的顶金属层覆盖容纳MEMS结构 的密封腔室的情况下，顶层可能由于腔室内部的真空而向内弯曲。增加MEMS结构 与顶层之间的空间可以阻止顶层与MEMS结构干扰，但附加的空间增大了裸片的高 度。

第六，当MEMS结构的机械部件的表面彼此接触时，粘附面力(通常称为“静摩 擦力”)可能使表面变得彼此粘住，这危害器件的机械功能。

因此，存在对于解决制造集成CMOS/MEMS裸片中的已知问题的结构和方法的 未满足的需要。

发明内容