MEMS传感器及其微机电结构、微机电结构的制造方法

技术领域

本申请涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及MEMS传感器及其微机电结构、微机电结构的制造方法。

背景技术

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)制造的传感器被称为MEMS传感器，MEMS传感器由于极小的体积、良好的性能而被受重视。目前电容式MEMS传感器的感应膜固定方式大多采用四周紧固式或梁结构固定式。感应膜的刚度主要由预应力和尺寸决定。对于四周紧固式而言，感应膜的边缘均会被固定，从而使得感应膜的预应力增加，增加了感应膜的刚度，使得感应膜的形变能力的形变能力变差，与同样尺寸的梁结构固定式感应膜相比，灵敏度低，因此需要通过扩大感应膜面积来尺寸降低感应膜的刚度，以提高器件的灵敏度和信噪比。但是随着感应膜尺寸的增加，MEMS传感器的整体尺寸也会增加，不利于器件的小型化。对于梁结构固定式而言，通过凹槽将感应膜分隔运动区和非运动区，并采用梁结构将运动区和非运动区连接，与四周紧固式感应膜相比，预应力减小，且变形过程中的应力集中也减小，可以实现在较小的尺寸下得到较高的信噪比，进而可降低产品的成本。为进一步电子产品的小型化奠定基础。

然而，在采用梁结构固定感应膜时，梁结构的尺寸很小，使得这类产品的抗机械冲击能力差，产品在应用过程中比较容易失效。

因此，希望提供一种改进的MEMS传感器及其微机电结构，从而在保障MEMS传感器性能的同时，提高MEMS传感器的抗机械冲击能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种改进的MEMS传感器及其微机电结构、微机电结构的制造方法，通过可动结构对感应膜的形变程度进行限制，从而提高MEMS传感器的抗机械冲击能力。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种微机电结构，包括：背板，具有至少一个通孔；感应膜，包括运动区、非运动区、连接所述运动区与所述非运动区的梁结构，所述运动区与所述背板构成可变电容；至少一个连接柱，每个所述连接柱的一端与所述感应膜的运动区固定连接；以及至少一个可动结构，分别位于相应的所述通孔中以与所述背板分离，每个所述可动结构与相应的所述连接柱的另一端固定连接，其中，所述可动结构在所述感应膜上的正投影与部分所述非运动区重合。

可选地，所述连接柱与所述梁结构相邻且不接触。

可选地，所述梁结构包括弯折梁。

可选地，还包括：衬底，具有背腔；第一支撑部，位于所述衬底上，并围绕所述背腔，所述感应膜位于所述第一支撑部上，且所述非运动区与所述第一支撑部固定连接；以及第二支撑部，位于所述感应膜与所述背板之间，且所述非运动区与所述第二支撑部固定连接。

可选地，所述背板包括：绝缘层，位于所述第二支撑部上；以及第二导电层，位于所述绝缘层上，其中，所述第二导电层的位置与运动区对应。

可选地，多个所述可动结构均匀分布在所述第二导电层的边缘。

可选地，所述连接柱与所述可动结构为一体结构。

可选地，还包括至少一个防粘部，位于所述绝缘层面向所述感应膜的表面。

可选地，所述防粘部与所述绝缘层为一体结构。

可选地，所述背板还具有至少一个声孔，所述声孔与所述感应膜的运动区对应，所述感应膜具有至少一个泄气孔，位于所述运动区。

可选地，所述背板在厚度方向上的正投影面积为每个所述可动结构在厚度方向上的正投影面积的6000至15000倍。

可选地，所述背板在厚度方向上的正投影面积为0.2至0.3平方毫米，所述可动结构在厚度方向上的正投影面积为20至30平方微米，所述第二导电层呈圆形，其中，沿所述第二导电层的径向，所述可动结构的长度与所述第二导电层的半径之比为1:3至1:5，所述可动结构的外周边沿到相应所述通孔的侧壁的距离为0.5至1.5微米。

可选地，所述可动结构在厚度方向上的正投影形状包括多边形、圆形、椭圆形、扇形中的至少一种。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种MEMS传感器，包括如上所述的微机电结构。

可选地，所述微机电结构包括麦克风芯片、压力传感器芯片、骨传导芯片中的至少之一。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种微机电结构的制造方法，包括：形成背板，所述背板具有至少一个通孔；形成感应膜，所述感应膜包括运动区、非运动区、连接所述运动区与所述非运动区的梁结构，所述运动区与所述背板构成可变电容；形成至少一个连接柱，每个所述连接柱的一端与所述感应膜的运动区固定连接；以及形成至少一个可动结构，每个所述可动结构分别位于相应的所述通孔中以与所述背板分离，每个所述可动结构与相应的所述连接柱的另一端固定连接，其中，所述可动结构在所述感应膜上的正投影与部分所述非运动区重合。

可选地，所述连接柱与所述梁结构相邻且不接触。

可选地，所述梁结构包括弯折梁。

可选地，还包括在衬底上形成第一牺牲层，其中，形成感应膜的步骤包括：在所述第一牺牲层上形成第一导电层；刻蚀所述第一导电层形成凹槽，以将所述第一导电层分隔为所述运动区、所述非运动区、以将所述梁结构。

可选地，还包括：在所述第一导电层上形成第二牺牲层；以及刻蚀所述第二牺牲层形成连接孔，其中，形成所述背板的步骤包括形成覆盖所述第二牺牲层并填充在所述连接孔中的绝缘层，填充在所述连接孔中的绝缘层与所述感应膜接触以作为所述连接柱。

可选地，形成所述背板的步骤还包括：在所述绝缘层上形成第二导电层；以及去除部分所述绝缘层与部分所述第二导电层形成隔离槽，其中，被所述隔离槽围绕的所述绝缘层与所述第二导电层作为可动结构。

可选地，还包括：刻蚀所述第二牺牲层形成导电孔，所述导电孔的位置与所述非运动区对应；在所述导电孔中填充隔离部；刻蚀所述绝缘层、所述隔离部形成导电通道；以及在所述导电通道中形成导电部，所述导电部与所述非运动区接触，其中，所述导电孔与所述连接孔在同一步骤中形成，所述绝缘层还填充在所述导电孔中，填充在所述导电孔中的绝缘层作为所述隔离部。

可选地，还包括：在所述第二牺牲层表面形成至少一个凹陷；以及在每个所述凹陷中形成防粘部，其中，所述绝缘层还填充在所述凹陷中，填充在所述凹陷中的绝缘层作为所述防粘部。

可选地，还包括：在所述衬底中形成背腔，所述背腔与所述运动区对应；去除与所述背腔对应的所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，未被去除的所述第一牺牲层作为第一支撑部，未被去除的所述第二牺牲层作为第二支撑部。

根据本发明实施例提供的MEMS传感器及其微机电结构，通过连接柱将感应膜与可动结构相连，并使得可动结构能够通过背板上的通孔，在感应膜朝向背板运动时，可动结构不会被背板阻挡进而影响感应膜的位移量，在感应膜背向背板运动时，在感应膜的最大位移量被可动结构限制，这是由于可动结构在感应膜上的正投影与感应膜的部分非运动区重合，当感应膜背向背板移动至某一位置时，可动结构会被感应膜的部分非运动区挡住，进而阻止了感应膜进一步背向背板运动，从而提高了MEMS传感器的抗机械冲击能力。

由于感应膜的运动区在靠近梁结构的位置形变量最大，通过让连接柱与感应膜的梁结构相邻，以将可动结构设置在梁结构的附近，进一步提高了MEMS传感器的抗机械冲击能力。

通过将背板中的导电层与感应膜的运动区对应，从而微机电结构中的减小了寄生电容。

通过将连接柱与可动结构设置为一体结构，从而简化了连接柱与可动结构的形成步骤，并增加了连接柱与可动结构之间的牢固程度。

通过在背板的绝缘层面向感应膜的表面设置防粘部，从而防止了感应膜与背板的粘连。

通过将防粘部与背板的绝缘层设置为一体结构，从而简化了防粘部的形成步骤，并增加了防粘部与背板之间的牢固程度。

通过让导电孔与连接孔在同一步骤中形成，进一步简化了工艺步骤。

通过让多个可动结构均匀分布在第二导电层的边缘，当可动结构被感应膜的部分非运动区挡住后，均匀分布的可动结构可以增加感应膜的受力均匀程度，提高了感应膜的寿命。

因此，本发明提供的微机电结构的尺寸小、成本低、灵敏度高、抗机械冲击能力强，从而达到在保障MEMS传感器性能的同时提高MEMS传感器的可靠性、降低成本进而用于大量生产的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

图1示出了本发明实施例的微机电结构的俯视图。

图2示出了图1中的局部结构的放大示意图。

图3示出了图1中沿AA线的截面图。

图4示出了发明实施例的微机电结构的工作原理示意图。

图5至图12本发明实施例在制造的微机电结构时的一些步骤中结构的示意图。

图13示出了本发明实施例的MEMS传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”等表述方式。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出了本发明实施例的微机电结构的俯视图，图2示出了图1中的局部结构的放大示意图，图3示出了图1中沿AA线的截面图。

如图1至图3所示，本发明实施例的微机电结构包括：背板100、感应膜200、连接柱300以及可动结构400。背板100具有通孔101。感应膜200包括：运动区210、非运动区220以及梁结构230。感应膜200具有凹槽202，运动区210和非运动区220被凹槽202分隔。梁结构230用于连接运动区210与非运动区220。其中，感应膜200的运动区210与背板100构成可变电容。连接柱300的一端与感应膜200的运动区210固定连接，另一端与可动结构400连接。可动结构400位于通孔101中并与背板100分离，既可动结构400的外周边沿401与通孔101的侧壁不接触，从图2中可以看出，可动结构400的外周边沿401与通孔101的侧壁构成了隔离槽，可动结构400的外周边沿401到相应通孔101的侧壁的距离d为0.5至1.5微米。其中，可动结构400在感应膜200上的正投影与部分感应膜200的非运动区210重合，可动结构400在厚度方向上的正投影面积为20至30平方微米，可动结构400在厚度方向上的正投影形状包括多边形、圆形、椭圆形、扇形中的至少一种。

在一些具体的实施例中，连接柱300与感应膜200的梁结构230相邻且不接触，梁结构230为弯折梁，梁结构230还可以为悬臂梁。梁结构230、通孔101、连接柱300以及可动结构400的数量对应，例如均为4个。连接柱300与可动结构400为一体结构。背板100还具有多个声孔102，声孔102与感应膜200的运动区210对应。感应膜200还具有一个位于运动区220的泄气孔201。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对梁结构230、通孔101、声孔102、连接柱300、可动结构400以及泄气孔201的数量进行其他设置。

在一些具体的实施例中，背板100由相连的绝缘层110与导电层120(第二导电层)构成，绝缘层110相比于导电层120更靠近感应膜200，且导电层120的位置与感应膜200的振动区210对应。多个可动结构400均匀分布在导电层120的边缘。其中，导电层120呈圆形(导电层120在厚度向上的正投影呈圆形)，沿导电层120的径向，可动结构400的长度L与导电层120的半径之比为1:3至1:5，如图1所示。例如，可动结构400的长度L为50微米，导电层120的半径为200微米，可动结构400的长度L与导电层120的半径之比就为1:4。

背板100在厚度方向上的正投影面积为每个可动结构400在厚度方向上的正投影面积的6000至15000倍，使得可动结构400对微机电结构的有效电容面积影响较小，例如可动结构400在厚度方向上的正投影面积为20至30平方微米的情况下，背板100在厚度方向上的正投影面积可以设置为0.2至0.3平方毫米，其中，绝缘层110在厚度方向上的正投影呈长方形，面积为0.2至0.3平方毫米，导电层120在厚度向上的正投影呈圆形，面积为0.05至0.1平方毫米。本领域技术人员也可以根据需要对背板100和可动结构400之间的相对尺寸比例进行调整。

进一步参照图1至图3，本发明实施例的微机电结构还包括：衬底500、第一支撑部600、第二支撑部700、防粘结构800、第一焊盘910以及第二焊盘920。

在本实施例中，衬底500具有背腔501。第一支撑部600位于衬底上500，并围绕背腔501。感应膜200位于第一支撑部600上，且感应膜200的非运动区220与第一支撑部600固定连接。第二支撑部700位于感应膜200与背板100之间，且感应膜200的非运动区220与第二支撑部700固定连接，第二支撑部700围绕背腔501且位置与第一支撑部600对应，其中，背板100的绝缘层110位于第二支撑部700上。在一些其他实施例中，背板100与感应膜200的位置可以对调。

防粘部800位于背板100的绝缘层110面向感应膜200的表面。在一些优选的实施例中，防粘部800与背板100的绝缘层110为一体结构。

第一焊盘910位于背板100的绝缘层110上，与背板100的导电层120电连接，第二焊盘920位于背板100的绝缘层110上，通过导电通道与感应膜200的非运动区220电连接。

在本实施例中，背板100的绝缘层110的材料为氮化硅、导电层120的材料为多晶硅，感应膜200的材料为多晶硅，连接柱300与防粘部800的材料为氮化硅，可动结构400与背板100在同一工艺中形成，其结构层与材料均和背板100相同，衬底500为硅衬底，第一支撑部600与第二支撑部700的材料为氧化硅。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对微机电结构中的材料进行其他设置。

图4示出了发明实施例的微机电结构的工作原理示意图。

如图4所示，在感应膜200的运动区210沿背向背板100的方向移动时，会带动连接柱300和可动结构400一起移动，当感应膜200的形变量要超过第二支撑部700的厚度时，可动结构400会被感应膜200的部分非运动区220挡住，阻止了感应膜200进一步背向背板100运动，阻止了感应膜200因形变量过大导致失效。

图5至图12本发明实施例在制造的微机电结构时的一些步骤中结构的示意图。下面将结合图5至图12对本发明实施例微机电结构的制造方法进行详细说明。

如图5至图7所示，在衬底500上形成第一牺牲层610，在第一牺牲层610上形成第一导电层，并刻蚀第一导电层以形成具有泄气孔201和凹槽202的感应膜200，其中，图5为该步骤的俯视图，图6为图5中虚框出的局部放大图，图7为图5中沿AA线的截面图。

在本实施例中，凹槽202将感应膜200分隔运动区210、非运动区220以将梁结构230，第一牺牲层610经泄气孔201和凹槽202暴露，在后续步骤中，第一牺牲层610会形成第一支撑部600。

进一步的，在感应膜200上形成第二牺牲层710，并刻蚀第二牺牲层710形成连接孔711和导电孔713，如图8与图9所示，其中，图8为该步骤的俯视图，图9为图8中沿AA线的截面图。

在本实施例中，感应膜200通过连接孔711和导电孔713暴露，连接孔711与感应膜200的运动区对应，导电孔713与感应膜200的非运动区对应。第二牺牲层710覆盖住感应膜200的泄气孔与凹槽，在后续步骤中第二牺牲层710会形成第二支撑部700。

在一些优选地实施例中，还会刻蚀第二牺牲层710形成凹陷712，凹陷712的深度小于第二牺牲层710的厚度，凹陷712用于限定防粘结构的位置，凹陷712与感应膜200的运动区对应，数量可以根据本领域技术人员的需要进行确定。

进一步的，形成覆盖第二牺牲层710并填充在连接孔711、凹陷712以及导电孔713中的绝缘层111，如图10所示。进一步参考图8与图11，填充在连接孔711中的绝缘层111与感应膜200接触作为连接柱300、填充在凹陷712中的绝缘层111作为防粘部800、位于第二牺牲层710表面的绝缘层111作为背板100的绝缘层110、填充在导电孔713中的绝缘层111作为隔离部。进一步的，在绝缘层110上形成第二导电层120。

进一步的，去除部分绝缘层110与部分第二导电层120形成隔离槽(通孔101)，被隔离槽围绕的绝缘层110与第二导电层120作为可动结构400，如图12所示。

进一步的，刻蚀绝缘层110和位于导电孔713中的隔离部形成导电通道，在导电通道中形成导电部，导电部与感应膜200的非运动区接触，然后在绝缘层110的表面形成如图1所示的第一焊盘910与第二焊盘920，其中，第二焊盘920通过导电部与感应膜200的非运动区电连接。

进一步的，刻蚀衬底500形成与感应膜200运动区对应的背腔501，然后去除与背腔501对应的第一牺牲层和第二牺牲层，未被去除的第一牺牲层作为第一支撑部600，未被去除的第二牺牲层作为第二支撑部700。

图13示出了本发明实施例的MEMS传感器的结构示意图。

如图13所示，该MEMS传感器包括：微机电结构10、信号处理芯片20、基板30、外壳40。其中，基板30与外壳40作为该器件的封装结构。本发明施例的微机电结构10可以参照图1至图12的描述，此处不再赘述，其中，本发明实施例中的微机电结构可以为麦克风芯片、也可以是压力传感器芯片、骨传导芯片等等MEMS传感器芯片。本发明对传感器芯片的类型不做限制。信号处理芯片20例如为ASIC芯片，基板30例如为引线框架或PCB电路板。

根据本发明实施例提供的MEMS传感器及其微机电结构，通过连接柱将感应膜与可动结构相连，并使得可动结构能够通过背板上的通孔，在感应膜朝向背板运动时，可动结构不会被背板阻挡进而影响感应膜的位移量，在感应膜背向背板运动时，在感应膜的最大位移量被可动结构限制，这是由于可动结构在感应膜上的正投影与感应膜的部分非运动区重合，当感应膜背向背板移动至某一位置时，可动结构会被感应膜的部分非运动区挡住，进而阻止了感应膜进一步背向背板运动，从而提高了MEMS传感器的抗机械冲击能力。

由于感应膜的运动区在靠近梁结构的位置形变量最大，通过让连接柱与感应膜的梁结构相邻，以将可动结构设置在梁结构的附近，进一步提高了MEMS传感器的抗机械冲击能力。

通过将背板中的导电层与感应膜的运动区对应，从而微机电结构中的减小了寄生电容。

通过将连接柱与可动结构设置为一体结构，从而简化了连接柱与可动结构的形成步骤，并增加了连接柱与可动结构之间的牢固程度。

通过在背板的绝缘层面向感应膜的表面设置防粘部，从而防止了感应膜与背板的粘连。

通过将防粘部与背板的绝缘层设置为一体结构，从而简化了防粘部的形成步骤，并增加了防粘部与背板之间的牢固程度。

通过让导电孔与连接孔在同一步骤中形成，进一步简化了工艺步骤。

通过让多个可动结构均匀分布在第二导电层的边缘，当可动结构被感应膜的部分非运动区挡住后，均匀分布的可动结构可以增加感应膜的受力均匀程度，提高了感应膜的寿命。

因此，本发明提供的微机电结构的尺寸小、成本低、灵敏度高、抗机械冲击能力强，从而达到在保障MEMS传感器性能的同时提高MEMS传感器的可靠性、降低成本进而用于大量生产的目的。

在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。