本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种mems装置以及一种形成mems装置的方法。
背景技术：
微机电系统(microelectromechanicalsystem，mems)集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源(微能源)、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等组件于一体，可看作一个独立的智能系统，其整体尺寸通常在几毫米乃至更小。随着电子器件小型化的发展趋势，包括mems的电子装置(以下称为mems装置)如mems麦克风、mems加速度计、mems陀螺仪等等也取得了长足发展，并具有广阔的发展前景。
mems的制造与传统的机械加工制造不同，mems可以利用与cmos兼容的半导体工艺结合面型或者体型的微加工技术制作。并且，随着工艺技术的不断完善和发展，mems工艺研究集中在于工艺的允许范围内向提高mems性能的方向发展。
吸合电压(pull-involtage)测试是用来检测mems吸合性能的重要方法。该方法通过在mems的振膜与背板之间施加电压，当施加电压较小时，振膜可以通过表面电荷的重新分布达到平衡稳定状态，随着施加电压的增大，振膜会产生大变形而失去稳定状态，使振膜失去稳定状态的临界电压即为吸合电压。
现有工艺中，背板通常由低应力氮化物以及覆盖在其上的低应力的导电层构成，但是，出于其它方面的考虑(如为了提高芯片的信噪比)，mems背板会设计得较大，但利用低应力氮化物制作的较大尺寸的背板的拉伸特性较差，会干扰吸合电压测试的灵敏度和准确性。
技术实现要素：
本发明提供一种mems装置，其具有背板，该背板相对于现有结构应力水平提高，可以提高吸合电压测试的灵敏度和准确性。本发明另外提供一种形成mems装置的方法。
一方面，本发明提供一种mems装置，所述mems装置包括振膜以及位于所述振膜上方的背板，所述振膜与所述背板之间设置有空腔，所述背板盖住空腔且包括由下至上依次叠加设置的第一介质层、第二介质层以及导电层，其中，所述第一介质层的应力水平高于所述第二介质层。
可选的，所述背板还包括第三介质层，所述第三介质层设置于所述第一介质层的下表面，所述第三介质层的应力水平低于所述第一介质层。
可选的，所述第二介质层和第三介质层中的至少一个的厚度大于所述第一介质层的厚度。
可选的，所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层均包括氮化硅。
可选的，所述第一介质层的内应力高于所述第二介质层和/或所述第三介质层的内应力至少一个数量级。
可选的，所述第一介质层的内应力在104mpa数量级。
可选的，所述第一介质层的厚度小于或等于
可选的，所述mems装置为声学传感器。
一方面，本发明提供一种形成mems装置的方法，包括以下步骤：
形成振膜以及位于所述振膜上的牺牲层；
形成背板，所述背板覆盖所述牺牲层，所述背板包括由下至上依次叠加设置的第一介质层、第二介质层以及导电层，其中，所述第一介质层的应力水平高于所述第二介质层；
在所述背板中形成若干贯穿孔，所述牺牲层的上表面从所述贯穿孔露出；以及
利用所述贯穿孔释放所述牺牲层，以在所述振膜和所述背板之间形成空腔。
可选的，在形成所述第一介质层之前，在所述牺牲层表面形成第三介质层，所述第三介质层的应力水平低于所述第一介质层。
本发明提供的mems装置中，背板除了第二介质层和导电层外，还包括应力水平高于第二介质层的第一介质层，相对于仅设置低应力介质层的背板，可以提高背板的整体应力以及刚性，在进行吸合电压测试时，有助于提高测试的灵敏度以及准确性，并且有助于实现较大的背板尺寸的同时确保其拉伸性能。此外，由于导电层仍然与较低应力水平的第二介质层接触，第一介质层对导电层的接触性能的影响较小。
考虑到第一介质层容易在其它材料如牺牲层的刻蚀工艺中被腐蚀，本实施例的mems装置进一步还包括第三介质层，所述第三介质层设置于所述第一介质层的下表面，且所述第三介质层的应力水平低于所述第一介质层，即，将第一介质层设置在较低应力的第二介质层和第三介质层之间，形成三明治结构，这样可以有效保护第一介质层避免被腐蚀。
本发明提供的形成mems装置的方法，在形成振膜以及其上的牺牲层后，形成了包括第一介质层、第二介质层以及导电层的背板，所述第一介质层的应力水平高于所述第二介质层，接着在背板中形成若干可以露出牺牲层表面的贯穿孔，并利用所述贯穿孔释放牺牲层，在振膜和背板之间形成空腔。相对于同样厚度的低应力介质层，利用该方法形成的背板整体应力较大，背板的刚性得到了提高，第一介质层的厚度可以根据应力改善的需要调节。加入第一介质层的背板在进行吸合电压测试时，有助于提高测试的灵敏度以及准确性，从而便于与后续封装工艺的高灵敏度要求匹配。
附图说明
图1是一种mems装置的剖面示意图。
图2是本发明一实施例的mems装置的剖面示意图。
图3是本发明一实施例的mems装置的剖面示意图。
图4是本发明一实施例的形成mems装置的方法的流程图。
附图标记说明：
100、200-衬底；110、210-振膜；120、220-背板；130、230-空腔；10、20-背侧沟槽；12、22-贯穿孔；140、240-氧化层；150、250-支撑体；121-绝缘层；122、223-导电层；221-第一介质层；222-第二介质层；224-第三介质层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的mems装置及形成mems装置的方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，在下文的描述中，给出了诸多具体的细节和数值以便提供对本发明更为彻底的理解，然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施，在其它的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。应当理解，说明书的附图均采用了非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为“在”其他元件或部件“上方”或“之上”。
图1是一种mems装置的剖面示意图。参照图1，该mems装置以mems麦克风为例，从结构来看，包括衬底100、设置于衬底100上的振膜110和设置于振膜110上方的背板120。衬底100中设置有暴露振膜110下表面的背侧沟槽10。背板120和振膜110之间设置有空腔130，背板120中设置有多个贯穿孔12，贯穿孔12允许空气流动到空腔130并对振膜110形成冲击。背板120和振膜110的位于空腔130的外围的部分对应于衬底100的上表面设置。此外，该mems装置还可以包括在衬底的上表面设置的氧化层140以及支撑体150，背板120位于空腔130外围的部分与支撑体150的上表面搭接。
参照图1，现有工艺利用低应力介电材料来形成背板120中的绝缘层121，另外在绝缘层121上沉积导电层122以金属化，从而背板120可以作为mems麦克风的上电极，振膜110可以包括导电材料层或者由导电材料层构成，故而振膜110可以作为mems麦克风的下电极，上电极和下电极从空腔的外围区引出(未示出)。在进行吸合电压测试时，通过在上电极和下电极之间施加逐渐增大的电压，以获得振膜110失去稳定状态的临界电压。为了保证达到要求的灵敏度以及测试的准确性，同时为了与后续封装器件所需的高灵敏度要求匹配，mems装置中的背板120应具有足够的应力，尤其在背板120位于空腔130上的面积设置的较大时，对背板120自身应力的要求更高。
然而，一方面，由于如图1所示的mems装置中，背板120主要由低应力介电材料形成，其应力并不足以满足mems装置所需的大应力要求，有必要对现有背板进行改进；另一方面，由于背板120中的导电层通常应力较小，如果全部改用大应力的绝缘材料制作背板，沉积在大应力绝缘层上的导电层的应力不能与绝缘层的大应力形成良好匹配，容易造成二者界面结合力下降，不利于mems装置的工作稳定性及长寿命。
本发明的mems装置是在上述研究的基础上提出的。需要说明的是，以下描述的mems装置主要以用于声学传感器(例如mems麦克风)的mems为例进行说明，但是本发明以下所描述的mems并不限定用于声学传感器，也不限定用在本说明书附图所示的结构中。本发明以下描述的实施例中的背板适用于需要提高背板应力的各类mems装置。
图2是本发明一实施例的mems装置的剖面示意图。参照图2，一实施例中，mems装置包括振膜210以及位于所述振膜210上方的背板220，所述振膜210与背板220之间设置有空腔230，所述背板220盖住空腔230且包括由下至上依次叠加设置的第一介质层221、第二介质层222以及导电层223，其中，所述第一介质层221的应力水平高于所述第二介质层222。
具体的，本实施例的mems装置还包括设置在振膜210下方(即远离背板220一侧)的衬底200，衬底200的材料可以是硅、锗、硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟或锑化铟等，也可以是绝缘体上覆硅(soi)或者绝缘体上覆锗(goi)，或者还可以为其它的材料，例如gaas、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp或gainasp等，或者还可以是上述材料的组合。衬底200可以包括掺杂的外延层、梯度半导体层和位于不同类型的其它半导体层上面的半导体层(例如锗硅层上的硅层)。在同一衬底200上，还可以集成设置有晶体管、场效应晶体管、mems或者其它合适的组件。本实施例中，衬底200的正面形成有氧化层240，此外，对应于空腔230的位置，衬底200中形成有暴露出振膜210下表面的背侧沟槽20。
振膜210形成在衬底200的上表面一侧，振膜210的处于位于空腔230外围的部分搭接在衬底200表面的氧化层240上，振膜暴露于空腔230的部分悬空设置在衬底200的背侧沟槽20上方。振膜中也可以设置有孔。本实施例中，振膜210作为mems装置的下电极，其可以由导电材料制成或者表面形成有导电膜。作为示例，振膜210由包含掺杂剂的多晶硅形成。在另一些实施例中，振膜210可以包括金属、合金、金属氮化物或者金属氧化物等。
背板220设置于振膜210远离衬底200的一侧，并且，背板220和振膜210之间通过空腔230隔开设置，对于mems麦克风，通过背板220上的贯穿孔22以及该空腔230，空气振动可以对振膜形成冲击，因而可用于实现声学传感功能。空腔230在振膜210上的延伸范围可以根据设置于衬底200上的支撑体250的范围及高度限定。支撑体250设置于振膜210上，其可以包括氮化硅等绝缘材料。
本实施例中，背板220作为mems装置的另一个电极，即上电极。背板220与振膜210形成的下电极分别构成mems麦克风的平行板电容器的两个极板，在工作时，从背板220上的贯穿孔22穿过进入空腔230的声波引起振膜210振动，而振膜210的振动使得它与背板220之间的距离改变，进而引起所述平行板电容器的电容量变化。振膜210和背板220上的导电层可以从各自的边缘区域引出，并连接至mems装置的驱动及处理电路。
参照图2，本实施例中，背板220包括依次在厚度方向叠加设置的第一介质层221、第二介质层222以及导电层223，第一介质层221的应力水平高于第二介质层222的应力水平。应力水平的差异可以通过调整介质层的材料以及制备工艺实现。本实施例中，所述第一介质层221和第二介质层222的应力水平指的是二者内应力的大小，此处具体体现为张应力的大小。所述第一介质层221的内应力可以高于所述第二介质层222的内应力至少一个数量级。例如，第一介质层221的内应力在104mpa数量级，而第二介质层222的内应力在102mpa数量级。第一介质层221和第二介质层222的应力范围可以根据需要调整。应力的大小可以根据本领域公开的测试方法(如利用应力仪测量)得到。一实施例中，通过改变生长条件(例如生长温度、气体成分、生长速度等)，得到由高应力富硅氮化物形成的第一介质层221和由低应力氮化物形成的第二介质层222。第一介质层221和第二介质层222也可以根据本领域对于高应力材料和低应力材料的标准确定。
一实施例中，导电层223可以包括掺杂的半导体材料(例如包括掺杂剂的多晶硅)、金属及合金、金属氮化物、金属氧化物等中的任意一种。由于导电层223的厚度较薄，背板的应力大小与导电层223以外的介质层紧密相关。本实施例中，通过加入第一介质层221，可以提高背板220整体的应力，从而提高背板220整体的刚性，在进行吸合电压测试时，可以提高测试的灵敏度以及准确性，而且背板220应力的提高对于大尺寸空腔230以及大尺寸背板220(如直径在800μm以上)的设计是有利的，由于应力水平提高，有助于在实现较大的背板尺寸的同时确保其拉伸性能。并且，由于导电层223仍然与较低应力水平的第二介质层222接触，二者的应力匹配，第二介质层222和导电层223的接触性能较好。
导电层223可以设计为朝向振膜210或者背离振膜210。也即，虽然图2所示意的背板220中，第一介质层221、第二介质层222以及导电层223沿远离衬底200的方向依次叠加设置。但本发明不限于此，例如在另一实施例中，导电层、第二介质层以及第一介质层沿远离衬底的方向依次叠加设置，具体与背板的设计及制作工艺有关。导电层223可以是经过图形化的层，例如在一实施例中，导电层223中的开口可以将第二介质层222暴露出来(未示出)。
上述第一介质层221以及第二介质层222的厚度可以根据设计需要具体设定，例如，可以先根据mems的整体结构设计获得背板220所需的应力，然后根据背板220所需的应力，设置预设厚度的第一介质层221和第二介质层222。并且，为了获得综合性能最佳的背板220，也可以调整第一介质层221和第二介质层222的厚度比。为了减低第一介质层221因高应力水平而存在的卷曲(peeling)风险，优选的，第一介质层221的厚度不超过
研究发现，高应力氮化硅相对于低应力氮化硅，刻蚀阻挡能力容易变差。具体的，对于用来刻蚀氧化硅(例如可作为填充在空腔230中的牺牲层材料)的boe(缓冲氢氟酸)蚀刻来说，其同时会对高应力氮化硅存在明显的刻蚀，而对低应力氮化硅的刻蚀较不明显。因此，上述结构中的第一介质层221在沉积时，可以考量入一定的刻蚀损失，例如可以通过计算牺牲材料释放工艺对第一介质层221的刻蚀速率，进而控制第一介质层221沉积的厚度。
本实施例的mems装置的背板不限于上述的双层介电层结构，例如，考虑到在释放牺牲材料时第一介质层容易被刻蚀而导致需要沉积的厚度很大，而且，在一些实施例中，背板朝向振膜的表面会设置有防粘的凸起结构，由于第一介质层221朝向振膜210，如果第一介质层221在刻蚀牺牲材料时被显著刻蚀，容易破坏所述凸起结构，导致失效吸膜等问题。因此，可选的，本实施例的mems装置中，背板还可包括叠加设置在第一介质层221下表面的另一低应力介质层。具体说明如下。
图3是本发明一实施例的mems装置的剖面示意图。参照图3，一实施例中，mems装置的背板220中，除了第一介质层221、第二介质层222以及导电层223外，还包括第三介质层224，所述第三介质层224设置于所述第一介质层221的下表面(即远离所述第二介质层222的一侧表面)。从而，第一介质层221设置在第二介质层222和第三介质层224之间，形成三明治结构，这样在诸如释放牺牲材料的工艺中可以有效保护第一介质层221避免被腐蚀。图3和图2所示的mems装置中原则上相同的标号表示相应的组件，其特征与在图2所示的mems装置中的特征类似。第三介质层224的应力水平可设置为低于第一介质层221，例如，第三介质层224的应力水平可以与第二介质层222接近或相同，其内应力约在102mpa数量级。第三介质层224可以包括氮化硅或者全部由氮化硅形成。
本实施例的mems装置不限于图2或图3所示的mems结构，例如在一实施例中，mems装置可以包括分别设置在振膜两侧的两个背板，每个背板均可以作为mems装置的一个电极，在该实施例中，每个背板均可以具有上述具有应力水平不同的第一介质层221和第二介质层222，并且也可以采用与上述mems装置类似的设置。
本实施例的mems装置例如是声学传感器，所述声学传感器可以是麦克风、接收器、扬声器或者包括它们中两种以上组合的设备。参照图2和图3，由于mems装置的背板220不仅具有较低应力水平的第二介质层222以及导电层223，还具有较高应力水平的第一介质层221，利用第一介质层221，可以提高背板220的整体应力，从而提高背板220的刚性，有助于设计较大的背板尺寸。此外，在进行吸合电压测试时，有助于提高测试的灵敏度以及准确性，并且，由于导电层223仍然与较低应力水平的第二介质层222接触，第一介质层221对导电层223的接触性能影响较小。进一步的，参照图3，所述背板220还可以包括在第一介质层221的下表面与振膜210间隔空腔230相对设置的第三介质层224，如此可以保护第一介质层221避免被腐蚀。可见，采用本发明实施例的mems装置可以提高所述声学传感器的综合性能。
本实施例还包括一种形成mems装置的方法，该方法可以用来制作本发明实施例描述的mems装置，但不限于此，利用该方法也可以制备其它结构的mems装置。
图4是本发明一实施例的形成mems装置的方法的流程图。参照图4，本实施例中，形成mems装置的方法包括如下步骤：
s1：形成振膜以及位于所述振膜上的牺牲层；
s2：形成背板以盖住所述牺牲层，所述背板包括由下至上依次叠加设置的第一介质层、第二介质层以及导电层，其中，所述第一介质层的应力水平高于所述第二介质层；
s3：在所述背板中形成若干贯穿孔，所述牺牲层的表面从所述贯穿孔露出；
s4：利用所述贯穿孔去除所述牺牲层，以在所述振膜和所述背板之间形成空腔。
具体的，参照图2、图3及图4，在步骤s1中，振膜210可以形成于衬底200上，并且为了减小应力，在衬底200上表面可以形成有氧化层240后再形成振膜210。振膜210例如由包括掺杂剂的多晶硅形成，振膜210可以作为要形成的mems装置的下电极。在形成牺牲层之前，可以先在振膜210上形成支撑体250，支撑体250用来限定牺牲层的范围。牺牲层(未示出)例如由氧化硅形成。接着在步骤s2中形成背板220，背板220可以覆盖牺牲层并且搭接在支撑体250上。
作为示例，在形成背板250时，可以在牺牲层沿远离振膜210的方向依次沉积形成第一介质层221、第二介质层222以及导电层223，并且一实施例中，为了避免释放牺牲层时过多损耗第一介质层221的不良影响，可以在形成第一介质层221之前，先沉积一层低应力介质层(作为第三介质层224)，使背板220中的第二介质层222和第三介质层224将第一介质层221上下覆盖(类似于三明治结构)。第一介质层221、第二介质层222以及第三介质层224可以均采用氮化硅形成，通过调节诸如生长温度、生长气氛以及生长速率等条件而实现应力水平的调整。其中第二介质层222和第三介质层224的应力水平基本相同，并均低于第一介质层221的应力水平。对于常用的牺牲层刻蚀工艺(如boe蚀刻)中，由于低应力氮化硅相对于高应力氮化硅不易被腐蚀，从而通过采用所述三明治结构，可以提高背板220的抗腐蚀性能，有助于提高要形成的mems装置的综合性能。可选的，第二介质层222、第三介质层224以及第一介质层221的厚度可以根据背板应力的需要进行调整。可选的，所述第二介质层222和第三介质层224中的至少一个的厚度大于所述第一介质层221的厚度。背板220作为要形成的mems装置的上电极。所述导电层223可以包括金属材料或者掺杂的半导体材料。在第二介质层222上沉积要求厚度的导电材料后，可以通过图形化工艺得到导电层223，以获得所需的上电极图形。
在形成上述多层结构的背板220后，接着执行步骤s3，在所述背板220中形成若干贯穿孔22，使得位于背板220下方的牺牲层的表面从所述贯穿孔22露出，以便于去除牺牲层而得到空腔230。在mems装置工作时，所述贯穿孔22可以作为声波在空腔230外部与振膜210之间传输的通道。
然后执行步骤s4，利用所述贯穿孔22释放所述牺牲层，以在所述振膜210和所述背板220之间形成空腔230。释放牺牲层可以采用干法或者湿法蚀刻工艺。作为示例，本实施例中牺牲层为氧化硅，则可以采用boe蚀刻液进行湿法刻蚀，蚀刻液从贯穿孔22穿过背板220，蚀刻掉的牺牲层材料从所述贯穿孔22流出。在步骤s4完成后，在背板220与振膜210之间形成了空腔230。本实施例中，要形成的mems装置例如为mems麦克风，mems麦克风在工作时，气流进入空腔冲击振膜振动(或者一反向过程)，可用于声波的感应。在释放牺牲层的工艺中，若对第一介质层221的材料也存在明显的刻蚀，则背板220中的介质层可以采用如图3所示的三明治结构，利用第二介质层222和第三介质层224将第一介质层221上下覆盖起来，则可以降低第一介质层221被腐蚀的风险。
上述形成mems装置的方法，在形成振膜210以及其上的牺牲层后，形成了包括第一介质层221的背板220，接着在背板220中形成若干可以露出牺牲层表面的贯穿孔22，并利用所述贯穿孔22去除牺牲层，在振膜210和背板220之间形成空腔。相对于同样厚度的低应力介质层，利用该方法形成的背板220的整体应力较大，背板220的刚性得到了提高，第一介质层221的厚度可以根据改善应力的需要进行调节。在进行吸合电压测试时，可以提高测试的灵敏度以及准确性，有助于与后续封装工艺的高灵敏度要求匹配。
需要说明的是，本说明书实施例采用递进的方式描述，对于实施例公开的方法而言，其特征与实施例公开的mems装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处可以参照理解。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
1.一种mems装置，其特征在于，所述mems装置包括振膜以及位于所述振膜上方的背板，所述振膜与所述背板之间设置有空腔，所述背板盖住空腔且包括由下至上依次叠加设置的第一介质层、第二介质层以及导电层，其中，所述第一介质层的应力水平高于所述第二介质层。
2.如权利要求1所述的mems装置，其特征在于，所述背板还包括第三介质层，所述第三介质层设置于所述第一介质层的下表面，所述第三介质层的应力水平低于所述第一介质层。
3.如权利要求2所述的mems装置，其特征在于，所述第二介质层和第三介质层中的至少一个的厚度大于所述第一介质层的厚度。
4.如权利要求2所述的mems装置，其特征在于，所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层均包括氮化硅。
5.如权利要求2所述的mems装置，其特征在于，所述第一介质层的内应力高于所述第二介质层和/或所述第三介质层的内应力至少一个数量级。
6.如权利要求1至5任一项所述的mems装置，其特征在于，所述第一介质层的内应力在104mpa数量级。
7.如权利要求1至5任一项所述的mems装置，其特征在于，所述第一介质层的厚度小于或等于
8.如权利要求1至5任一项所述的mems装置，其特征在于，所述mems装置为声学传感器。
9.一种其形成mems装置的方法，特征在于，包括：
形成振膜以及位于所述振膜上的牺牲层；
形成背板，所述背板覆盖所述牺牲层，所述背板包括由下至上依次叠加设置的第一介质层、第二介质层以及导电层，其中，所述第一介质层的应力水平高于所述第二介质层；
在所述背板中形成若干贯穿孔，所述牺牲层的上表面从所述贯穿孔露出；以及
利用所述贯穿孔释放所述牺牲层，以在所述振膜和所述背板之间形成空腔。
10.如权利要求9所述的形成mems装置的方法，其特征在于，在形成所述第一介质层之前，在所述牺牲层表面形成第三介质层，所述第三介质层的应力水平低于所述第一介质层。
技术总结