CN105848074B - 微机电麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微机电麦克风，该微机电麦克风包含有一绝缘底半导体结构，且该绝缘底半导体结构包含有一基底、一绝缘层、以及一半导体层。该微机电麦克风还包含多个设置于该半导体层内的电阻、多个形成于该半导体层内的第一开口、以及一形成于该绝缘层与该基底内的通气孔。该多个电阻彼此连接且形成一电阻图案，且该多个第一开口设置于该电阻图案内。

Description

微机电麦克风

技术领域

本发明涉及一种微机电(microelectromechanical systems，以下简称为MEMS)麦克风，尤其是涉及一种电阻式MEMS麦克风。

背景技术

微机电系统(MEMS)技术，是利用现有的半导体的制作工艺来制造微小的机械元件，通过半导体技术例如电镀、蚀刻等方式，完成具有微米尺寸的机械元件，并且利用电磁(electromagnetic)、电致伸缩(electrostrictive)、热电(thermoelectric)、压电(piezoelectric)、压阻(piezoresistive)等效应来操作。常见的应用有在喷墨打印机内使用的电压控制元件，在汽车中作为侦测汽车倾斜的陀螺仪，或者是MEMS麦克风等。

现有MEMS麦克风可分为三种型态：压电式麦克风、压阻式麦克风、和电容式(capacitive)麦克风。压电式麦克风是利用压电材料制作振膜，当振膜接收到声压时，即产生对应的电子信号。压阻式麦克风则是利用压阻材料在接收声压后电阻发生改变的特性，以将声音信号转换成电子信号。电容式麦克风则是提供两片导电薄膜及其间的电容，当导电薄膜之间的距离因接收声压而改变时，即导致其间的电容改变，以将声音信号转换成电子信号。

然而，压电式麦克风与压阻式麦克风除了需采用特别的压电材料与压阻材料制成振膜之外，其更有对声压的敏感度较低、系统噪声较大等缺点。而电容式麦克风还包含其特有的缺点，举例来说，由于电容式麦克风需要两片导电薄膜，故其生产成本相对较高。此外，当这两片导电薄膜产生缺陷，例如两片独立的导电薄膜因水汽影响或遭遇撞击或振动而彼此沾粘时，将导致电容无法正常运作，其产生的电子信号就会被扭曲。

因此，目前仍然需要一种不同于上述三种现有类型的MEMS麦克风。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种不同于上述压电式、压阻式与电容式的电阻式MEMS麦克风及电阻式MEMS麦克风布局结构。

为达上述目的，根据本发明提供一种MEMS麦克风，该MEMS麦克风包含有一绝缘底半导体(semiconductor-on-insulator)结构，且该绝缘底半导体结构包含有一基底、一绝缘层、以及一半导体层。该MEMS麦克风还包含多个设置于该半导体层内的电阻、多个形成于该半导体层内的第一开口、以及一形成于该绝缘层与该基底内的通气孔(vent hole)。该多个电阻彼此连接且形成一电阻图案，且该多个第一开口设置于该电阻图案内。

本发明另提供一种MEMS麦克风布局结构，该MEMS麦克风布局结构包含有一形成于一第一膜层内的电阻图案、一形成于一第二膜层内的通气孔、以及一形成于该第一膜层内的第一开口图案，且该第一开口图案与至少部分的该电阻图案与该通气孔重叠。

根据本发明所提供的MEMS麦克风及MEMS麦克风布局结构，利用该多个第一开口构成的第一开口图案定义出振膜，且振膜与电阻相连。当振膜接收到声波而振动并因此产生形变时，即改变与振膜相连的电阻的电阻值。而通过此电阻值的改变，可将声音信号转变成为电子信号。更重要的是，本发明所提供的MEMS麦克风可直接与现行半导体制作工艺整合，且可直接采用现行半导体制作工艺的所有材料，而不再需要其他特殊的材料例如压电材料或压阻材料，故可在降低产品复杂度以及降低制作成本的前提下，提供具高灵敏度的MEMS麦克风。

附图说明

图1至图7为本发明所提供的MEMS麦克风以及MEMS麦克风布局结构的制作方法的一第一优选实施例的示意图；

图8为本发明所提供的一MEMS麦克风的部分示意图；

图9为第一优选实施例的一变化型的示意图；

图10至图12为本发明所提供的MEMS麦克风及MEMS麦克风布局结构的一第二优选实施例的示意图。

主要元件符号说明

100、200 绝缘底半导体结构

100a、200a 基底

100b、200b 绝缘层

100c、200c 半导体层

110、210 电阻图案

112、212 电阻

120 第一开口图案

220a 第一开口图案

220b 第二开口图案

122 第一开口

222a 第一开口

222b 第二开口

224 重叠区域

130、230 通气孔

140、240 振膜

150、150a、150b、250 MEMS麦克风

A-A’、B-B’ 切线

C 电阻图案中心

具体实施方式

请参阅图1至图7，其为本发明所提供的MEMS麦克风以及MEMS麦克风布局结构的制作方法的一第一优选实施例的示意图。需注意的是，其中图3为图2中沿A-A’切线的剖面示意图、图5为图4中沿A-A’切线的剖面示意图、而图7为图6中沿A-A’切线的剖面示意图。如图1所示，本优选实施例首先提供一绝缘底半导体(semiconductor on insulator)结构100，其包含一基底100a、一形成于基底100a上的绝缘层100b、以及一形成于绝缘层100b上的半导体层100c。在本优选实施例中，半导体层100c可以是一单晶硅层，是以，单晶硅半导体层100c、绝缘层100b与基底100a形成一硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)晶片。然而，在本优选实施例的一变化型中，半导体层100c可包含一多晶硅层、一外延硅层或一非晶硅层。

请参阅图2及其剖视图图3。接下来，在基底100上形成一掩模层(图未示)，随后利用一第一光刻制作工艺图案化掩模层(图未示)。该图案化掩模于进行一离子注入制作工艺时作为注入掩模，而该离子注入制作工艺于半导体层100c内形成多个掺杂区域，而该多个掺杂区域即作为电阻112。更重要的是，电阻112彼此实体且电连接而形成一如图2所示的电阻图案110。电阻图案110可包含一多边形图案，但不限于此。如图2所示，电阻图案110可包含一平行四边形，如一正方形图案；如图9所示，电阻图案110可包含一平行四边形，如一矩形图案；又如图10所示，电阻图案110可包含一圆形图案。然而，熟悉该项技术的人士应知，电阻112可依照任何需求排列成不同的几何图案，故电阻图案110的型态并不限于此。另外，各电阻112(即电阻图案110的边)分别包含一锯齿状图案或波形图案，但不限于此。

值得注意的是，在本优选实施例的一变化型中，当半导体层110c包含多晶硅层、外延硅层或非晶硅层等材料时，电阻112可通过离子注入制作工艺或以外的方法形成。举例来说，可先于半导体层100c上形成一金属层，随后利用图案化制作工艺图案化金属层，而于半导体层100c上形成包含金属导线的电阻112及其连接形成的电阻图案110。又或者，可直接图案化半导体层100c，随后于图案化的半导体层100c内形成包含金属导线的电阻112及其连接形成的电阻图案110。另外，在本发明的其他变化型中，甚至不限使用半导体层，由于电阻112与电阻图案100可通过绝缘层100b与基底100a电性隔离，故凡可顺利形成电阻112与电阻图案110的材料层都可使用。

接下来请参阅图4与其剖视图图5。接下来，在基底100上形成一另一掩模层(图未示)，随后利用一第二光刻制作工艺图案化掩模层(图未示)。该图案化掩模于进行一蚀刻制作工艺时作为蚀刻掩模，而该蚀刻制作工艺于半导体层100c内形成多个第一开口122。更重要的是，第一开口122如图4所示设置在电阻图案110的图案轮廓之内，并且排列形成一第一开口图案120。在本优选实施例中，第一开口图案120更排列经过电阻图案110的中心C，而如图4所示包含一十字形状。然而，熟悉该项技术的人士应知，第一开口122可依照任何需求排列成不同的图案，故第一开口图案120的型态也不限于此。举例来说，当电阻图案110为一多边形图案时，第一开口图案120包含对应该多边形各内角的放射图案。

请参阅图6及其剖视图图7。在形成第一开口122以及第一开口图案120之后，由绝缘底半导体结构100的背面，即基底100a背面形成另一掩模层(图未示)，随后利用一第三光刻制作工艺图案化掩模层(图未示)。该图案化掩模于进行一蚀刻制作工艺时作为蚀刻掩模，而该蚀刻制作工艺于基底100a内形成一开口(图未示)。随后还通过该开口蚀刻绝缘层100b，最终于绝缘层100b与基底100c内形成一通气孔130。请注意在图6中，通气孔130的边缘由虚线标示。如图6与图7所示，通气孔130与至少部分的电阻图案110重叠，且通气孔130还与第一开口图案120重叠。换句话说，第一开口122与至少部分各电阻112悬置于通气孔130上。至此，完成本优选实施例所提供的一MEMS麦克风150以及布局结构的制作。简单地说，本优选实施例的第一开口122/第一开口图案120与电阻112/电阻图案110形成于相同的膜层内，而通气孔130则形成于另一膜层内。

请继续参阅图6与图7。更重要的是，第一开口122/第一开口图案120还定义出多个振膜140，且如图7所示，振膜140形成于通气孔130的上方。从另一方面来看，由第一开口122定义出来的振膜140及与部分电阻图案120(与其连接的电阻122)形成一多边形，像是如图6所示的三角形，且电阻122与第一开口120分别是该三角型的各边。

请参阅图8，图8为本发明所提供的一MEMS麦克风150的部分示意图，尤其是一振膜140的示意图。如图8所示，根据本发明所提供的MEMS麦克风150，由第一开口图案120/第一开口122定义出来的振膜140内包含有至少部分的电阻112，且振膜140与其内的部分电阻112悬置于通气孔130上。当振膜140接收到声压时，将产生振动，同时因振动而产生如图8所示的形变，且在振膜140的边缘处，此形变最大。故此形变将拉动形成于振膜140边缘的部分电阻112，使电阻112的电阻值产生相对应的变化。而通过惠氏电桥(Wheastone bridge)可以量测到这个微小的电阻值变化，并将其转换成实际的应变值。是以，声音信号就可以通过本发明所提供的MEMS麦克风150转换成电子信号。

另外，请参阅图9，图9为上述第一优选实施例的一变化型的示意图。首先需注意的是，本变化型所提供的MEMS麦克风及其布局结构可通过上述优选实施例所提供的制作方法获得，故该制作方法于此不再赘述，且相同的组成元件以相同的元件符号说明。如图9所示，在本变化型中，同一绝缘底半导体100上可包含多个布局结构不同的MEMS麦克风150a、150b。如图9图左所示，图左MEMS麦克风150a的布局结构包含一电阻图案110与一第一开口图案120，且第一开口图案120通过电阻图案110的中心C。MEMS麦克风150a还包含一通气孔130(以虚线表示)，而第一开口图案120与至少部分电阻图案110与通气孔130重叠。第一开口图案120还定义出多个振膜140，且如图9所示，振膜140形成于通气孔130的上方。从另一方面来看，由第一开口图案120定义出来的振膜140及与其连接的电阻112/电阻图案120形成一多边形，像是如图9所示的矩形，且电阻112与第一开口图案120分别是该矩形的各边。

请参阅图9图右。图右MEMS麦克风150b的布局结构还包含一电阻图案110与一第一开口图案120、与一通气孔130(以虚线表示)，而第一开口图案120与至少部分电阻图案110与通气孔130重叠。第一开口图案120还定义出多个振膜140，且如图9图右所示，振膜140形成于通气孔130的上方。值得注意的是，虽然在MEMS麦克风150b的布局结构中，第一开口图案120并未通过电阻图案110的中心，但由第一开口图案120定义出来的振膜140及与其连接的电阻112/电阻图案110仍然形成一多边形，像是如图9所示的矩形，且电阻图案110与第一开口图案120分别是该矩形的各边。

如图9所示，根据本发明所提供的MEMS麦克风150a、150b，由第一开口图案120/第一开口122定义出来的振膜140内包含有部分的电阻112，且振膜140与其内的电阻112悬置于通气孔130上。当振膜140接收到声压时，将产生振动同时因振动而产生如前述图8所示的形变，而此形变将拉动形成于振膜140内的部分电阻112，使电阻112的电阻值产生相对应的变化。而通过惠氏电桥可以量测到这个微小的电阻值变化，并将其换成实际的应变值。是以，声音信号就可以通过本发明所提供的MEMS麦克风150a、150b转换成电子信号。更重要的是，本变化型更于同一绝缘底半导体结构100上提供振膜尺寸不同的MEMS麦克风150a、150b，而这些不同尺寸的振膜140可以侦测到不同频率的声波。是以，本变化型可更提升声音感侧器的整体灵敏度与正确性。

接下来请参阅图10至图12，图10至图12为本发明所提供的MEMS麦克风及MEMS麦克风布局结构的一第二优选实施例的示意图。首先需注意的是，本优选实施例所提供的MEMS麦克风及其布局结构可通过上述实施例所提供的制作方法获得，故该制作方法于此不再赘述。

根据本优选实施例，提供一MEMS麦克风250及其布局结构，如图10与图11所示，MEMS麦克风250包含有一首先提供一绝缘底半导体结构200，其包含一基底200a、一形成于该基底200a上的绝缘层200b、以及一形成于绝缘层200b上的半导体层200c。半导体层200c的材料如前所述，可包含一单晶硅层、一多晶硅层、一外延硅层或一非晶硅层。MEMS麦克风250及其布局结构还包含多个电阻212，其可配合所采用的半导体层200c的材料而包含形成于半导体层200c内的掺杂区域或形成于半导体层200c上的金属导线。如图10所示，电阻212彼此实体且电连接而形成一电阻图案210，且在本优选实施例中，电阻图案210为一圆形图案。

请继续参阅图10与图11。MEMS麦克风250及其布局结构更包含多个形成于半导体层200c内的第一开口222a与多个形成于半导体层200c的第二开口222b。如图10所示，第一开口222a设置在电阻图案210之内，并且排列形成一第一开口图案220a；而第二开口222b设置在电阻图案210之外，并且排列形成一第二开口图案220b。第一开口图案220a与第二开口图案220b形成一同心图案，且第一开口图案220a与第二开口图案220b定义出一振膜240。在本优选实施例中，由水平观之，第一开口图案220a与第二开口图案220b之间分别定义有一重叠区域224，而电阻212分别形成于第一开口图案220a与第二开口图案220b之间的重叠区域224内。换句话说，任一电阻212的两侧必定分别包含一第一开口222a与一第二开口222b。

请仍然参阅图10及图11。本优选实施例所提供的MEMS麦克风250及其布局结构还包含一通气孔230(在图10中以虚线示之)，形成于绝缘层200b与基底200a之内。如图10所示，在本优选实施例中，通气孔230与第二开口图案220b、电阻图案210、与第一开口图案220a重叠。换句话说，第一开口222a、电阻212与第二开口222b都形成于通气孔230上方，即悬置于通气孔230上方。

请参阅图12，图12为本优选实施例所提供的一MEMS麦克风250的运作示意图。如图12所示，根据本发明所提供的MEMS麦克风250，由第一开口图案220a与第二开口图案220b定义出来的振膜240内包含有电阻212，且振膜240与其内的电阻212都悬置于通气孔230上。当振膜240接收到声压时，将产生振动同时因振动而产生如图12所示的形变，而此形变将拉动形成于振膜240内的电阻212，使电阻212的电阻值产生相对应的变化。而通过惠氏电桥可以量测到这个微小的电阻值变化，并将其换成实际的应变值。是以，声音信号可以通过本发明所提供的MEMS麦克风250转换成电子信号。

综上所述，根据本发明所提供的MEMS麦克风及MEMS麦克风布局结构，利用该多个第一开口构成的第一开口图案定义出振膜，且振膜与电阻相连。当振膜接收到声波而振动并因此产生形变时，即改变与振膜相连的电阻的电阻值。而通过此电阻值的改变，可将声音信号转变成为电子信号。更重要的是，本发明所提供的MEMS麦克风可直接与现行半导体制作工艺整合，且可直接采用现行半导体制作工艺的所有材料，而不再需要其他特殊的材料例如压电材料或压阻材料，故可在降低产品复杂度以及降低制作成本的前提下，提供具高灵敏度的MEMS麦克风。另外，本发明所提供的MEMS麦克风布局结构更可依各类产品需要而具有多种尺寸与类型，例如多边形、圆形等图形轮廓，因此更提升了产品弹性与实用性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (17)

1.一种电阻式微机电麦克风，包含有：

绝缘底半导体(semiconductor on insulator)结构，其包含有基底、绝缘层、以及半导体层；

多个电阻，设置于该半导体层内，该多个电阻彼此连接且形成一电阻图案；

多个第一开口，形成于该半导体层内，且该多个第一开口设置于该电阻图案内；

通气孔(vent hole)，形成于该绝缘层与该基底内；以及

多个振膜，该多个振膜由该多个第一开口定义出，且该多个振膜与至少部分的各该电阻形成于该通气孔上方。

2.如权利要求1所述的电阻式微机电麦克风，其中该多个电阻分别包含一掺杂区域。

3.如权利要求2所述的电阻式微机电麦克风，其中该半导体层、该绝缘层与该基底形成一硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)晶片。

4.如权利要求1所述的电阻式微机电麦克风，其中该多个电阻分别包含金属导线。

5.如权利要求4所述的电阻式微机电麦克风，其中该半导体层包含多晶硅层、外延硅层或非晶硅层。

6.如权利要求1所述的电阻式微机电麦克风，其中该多个第一开口排列经过该电阻图案的中心。

7.如权利要求1所述的电阻式微机电麦克风，还包含多个第二开口，形成于该半导体层内。

8.如权利要求7所述的电阻式微机电麦克风，其中该多个第一开口与该多个第二开口分别形成于各该电阻的两侧。

9.如权利要求8所述的电阻式微机电麦克风，还包含多个重叠区域，定义于该第一开口与该第二开口之间，且该多个电阻分别形成于该多个重叠区域内。

10.如权利要求7所述的电阻式微机电麦克风，其中该多个第一开口、该多个电阻与该多个第二开口都形成于该通气孔上方。

11.一种电阻式微机电麦克风布局结构，包含有：

电阻图案，形成于一第一膜层内；

通气孔，形成于一第二膜层内；以及

第一开口图案，形成于该第一膜层内，该第一开口图案与至少部分的该电阻图案与该通气孔重叠，其中该第一开口图案于该第一膜层中定义出至少一振膜。

12.如权利要求11所述的电阻式微机电麦克风布局结构，其中该振膜与部分的该电阻图案形成一多边形。

13.如权利要求12所述的电阻式微机电麦克风布局结构，其中该部分的该电阻图案与该第一开口图案分别形成该多边形的各边。

14.如权利要求11所述的电阻式微机电麦克风布局结构，其中该第一开口图案经过该电阻图案的中心。

15.如权利要求11所述的电阻式微机电麦克风布局结构，还包含第二开口图案，形成于该第一膜层内，且该第一开口图案与该第二开口图形成一同心图案。

16.如权利要求15所述的电阻式微机电麦克风布局结构，其中该电阻图案形成于该第一开口图案与该第二开口图案之间。

17.如权利要求16所述的电阻式微机电麦克风布局结构，其中该第二开口图案、该电阻图案、与该第一开口图案都与该通气孔重叠。

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