專利名稱：一種集成硅微麥克風與cmos集成電路的芯片的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種集成娃微麥克風與CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor,互補金屬氧化物半導體)集成電路的芯片。
背景技術：
MEMS麥克風作為目前應用較多且性能較好的麥克風，在其封裝結構內部的線路板上設置有MEMS聲換能器和CMOS集成電路。之前，MEMS器件和CMOS集成電路一般采用多片集成方式，即由不同廠商采用不同的工藝流程來分別獨立完成MEMS芯片和CMOS集成電路芯片制造，然后再將二者封裝集成為一個器件單元；這一集成方法的制造工藝成熟，MEMS 器件的設計、制造可以單獨優化，缺點在于MEMS器件與CMOS集成電路之間需要通過外部引線連接，該電氣連接通路容易受外部干擾信號影響。隨著S0C(System-on_a-chip,系統單芯片)技術的發展,現已實現MEMS器件和CMOS集成電路的單片集成。單片集成芯片由于是片上放大級，MEMS器件和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好，幾乎沒有可能會把電磁場耦合到MEMS器件中。因此相對于多片集成方式，單片集成方式可以很好避免電氣連接通路受到外部干擾信號影響。消費電子的快速發展需要音質更好的MEMS麥克風，但是MEMS麥克風的本底噪聲與MEMS麥克風的設計相關，局限于MEMS麥克風的結構設計，進一步提高MEMS麥克風的信噪比相當困難。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片，能夠提高MEMS麥克風的總信噪比增益。本實用新型提供的集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片，所述芯片以硅晶圓為基片，所述硅晶圓一表面劃分為兩個區域CMOS集成電路區域和硅微麥克風區域，其中，所述硅微麥克風區域包括兩個或更多個MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯、串聯或者差分的方式彼此互聯，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過片內的電連接通路實現電氣連接。優選地，所述各個MEMS聲換能器的背極板由單晶硅和在其上沉積的多晶硅柵層構成，所述多晶硅柵層是在制作CMOS集成電路中由沉積的多晶硅柵層同時延伸至所述硅微麥克風區域形成；刻蝕所述多晶硅柵層形成各個MEMS聲換能器的背電極，背電極之間的電連接通路、背電極與CMOS集成電路之間的電連接通路，以及預留出振膜電極與CMOS集成電路的電氣接口。優選地，所述各個MEMS聲換能器之間良好匹配。優選地，所述各個MEMS聲換能器的振動膜上設置有釋放孔。作為一種優選實施例，本實用新型的芯片集成了四個MEMS聲換能器。在所述四個MEMS聲換能器之間并聯連接時，四個背電極依次連接至CMOS集成電路的一個預留接口 ；四個振膜電極并列連接至CMOS集成電路的另一個預留接口。在所述四個MEMS聲換能器之間串聯連接時，四個背電極彼此隔離，其中第一個背電極單獨與CMOS集成電路的一個預留接口連接，其余三個背電極各預留一個接口用于與另一 MEMS聲換能器的振膜電極相連，四個振膜電極串聯連接，其中前三個振膜電極依次連接至對應的另一 MEMS聲換能器的背電極的預留接口，最后一個振膜電極連接至CMOS集成電路的另一個預留接口。在所述四個MEMS聲換能器之間差分連接時，四個背電極依次連接至CMOS集成電路的一個預留接口，四個振膜電極分別對應連接至CMOS集成電路的四個預留接口，所述四個預留接口構成差分放大器的四個輸入點。與現有技術相比，本實用新型的方案一方面通過將硅微麥克風與CMOS集成電路 進行單片集成，從而相對于多片集成方式可以顯著提升MEMS麥克風整體性能、尺寸和功耗；另一方面通過由兩個或更多個MEMS聲換能器構成硅微麥克風，MEMS聲換能器之間以并聯、串聯或者差分的方式彼此互聯，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與單片集成的CMOS集成電路之間通過片內的電連接通路實現電氣連接，從而相對于僅集成單個MEMS聲換能器的MEMS麥克風，能夠提高MEMS麥克風的總信噪比增益。具體而言，在η個MEMS聲換能器之間并聯連接時，雖然整體信號未有改變，靈敏度與單個MEMS換能器情況一致，但是總的非相關噪聲降低士·,由此總信噪比增益提高ν ；在η個MEMS聲換能器之間串聯連接時，整體信號增大η倍，但是同時總的非相關噪聲增大‘，由此總信噪比增益提高;在η個MEMS聲換能器之間差分連接時，整體信號增大η倍，但是同時總的非相關噪聲增大,由此總信噪比增益提高^。
為了更清楚地說明本實用新型的技術方案，下面將對實施例所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I示出了本實用新型集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片的示意圖；圖2示出了多個MEMS聲換能器并聯連接的電路示意圖；圖3示出了多個MEMS聲換能器串聯連接的電路示意圖；圖4示出了多個MEMS聲換能器差分連接的電路示意圖；圖5示出了四個MEMS聲換能器并聯連接時背電極的連接示意圖；圖6示出了四個MEMS聲換能器并聯連接時振膜電極的連接示意圖；圖7示出了四個MEMS聲換能器串聯連接時背電極的連接示意圖；圖8示出了四個MEMS聲換能器串聯連接時振膜電極的連接示意圖；圖9示出了四個MEMS聲換能器差分連接時背電極的連接示意圖；圖10示出了四個MEMS聲換能器差分連接時振膜電極的連接示意圖；圖11示出了在MEMS聲換能器的振動膜上設置釋放孔的示意圖。
具體實施方式
下面對本實用新型提供的集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片進行詳細說明。參見圖1，圖I示出了本實用新型集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片的示意圖。本實用新型實施例的芯片I以硅晶圓為基片，硅晶圓一表面劃分為兩個區域CMOS集成電路區域3和硅微麥克風區域2，其中，硅微麥克風區域2包括兩個或更多個MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯、串聯或者差分的方式彼此互聯，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過片內的電連接通路實現電氣連接。多個MEMS聲換能器以并聯、串聯以及差分連接的方式彼此互聯的簡化電路圖依次參見圖2-圖4。其中并聯連接時，CMOS集成電路與單個MEMS聲換能器情況一致，CMOS集成電路部分毋須重新設計；串聯連接時，CMOS集成電路中的DC-DC偏置電壓電路需要根 據串聯支路上連接的MEMS聲換能器數量n，設計輸出電壓為單個MEMS聲換能器情況的η倍；而差分連接時，則需要在原有集成電路的基礎上增加相應的差分放大電路，同時DC-DC偏置電壓電路的輸出電壓也應與各支路上串聯的MEMS換能器個數匹配。其中，硅微麥克風區域的每個MEMS聲換能器的背極板是由殘余的單晶硅層與附著其上的多晶柵硅層共同構成，所述多晶硅柵層是在制作CMOS集成電路中由沉積的多晶硅柵層同時延伸至所述硅微麥克風區域形成；刻蝕所述多晶硅柵層形成各個MEMS聲換能器的背電極，背電極之間的電連接通路、背電極與CMOS集成電路之間的電連接通路，以及預留出振膜電極與CMOS集成電路的電氣接口。為達到更好的總信噪比增益，優選地，MEMS聲換能器之間良好匹配。以硅微麥克風區域包括四個良好匹配的MEMS聲換能器為優選實施例，下面對MEMS聲換能器之間在芯片內實現串聯、并聯及差分連接的方式進行具體說明。參見圖5和圖6，在芯片設計所集成的四個MEMS聲換能器以并聯方式連接時，圖5示出了四個MEMS聲換能器并聯時的背電極的連接示意圖，圖6示出了四個MEMS聲換能器并聯時的振膜電極的連接示意圖。在制作完成CMOS集成電路時，依照預設計，形成有CMOS集成電路與MEMS聲換能器電氣連接的兩個預留接口(41、42)，四個背電極通過多晶硅連接通路40依次連接至CMOS集成電路的預留接口 41，四個振膜電極通過金屬電氣通路(沉積的金屬電極層刻蝕形成)并列連接至CMOS集成電路的預留接口 42。在該并聯連接方式下，芯片整體信號未有改變，即靈敏度與單個MEMS換能器情況一致，但是總的非相關噪聲下降一半，由此總信噪比增益提高2倍。參見圖7和圖8，在芯片設計所集成的四個MEMS聲換能器以串聯方式連接時，圖7示出了四個MEMS聲換能器串聯時的背電極的連接示意圖，圖8示出了四個MEMS聲換能器串聯時的振膜電極的連接示意圖。在制作完成CMOS集成電路時，依照預設計，形成有CMOS集成電路與MEMS聲換能器電氣連接的兩個預留接口(41、42)，四個背電極(51a、51b、51c、51 d)彼此隔離，其中第一個背電極51 a單獨與CMOS集成電路的預留接口 41連接，其余三個背電極各預留一個接口用于與另一 MEMS聲換能器的振膜電極相連；四個振膜電極串聯連接，其中前三個振膜電極依次連接至對應的另一 MEMS聲換能器的背電極的預留接口，最后一個振膜電極52d連接至CMOS集成電路的預留接口 42。在該串聯連接方式下，整體信號增大4倍，但同時總的非相關噪聲增大2倍，由此總信噪比增益提高2倍。注意在串聯連接時，CMOS集成電路部分要做相應的設計改動，如DC-DC偏置電壓電路部分需要根據串聯支路上連接的MEMS換能器數量n，設計輸出電壓為單個MEMS聲換能器情況的η倍。參見圖9和圖10，在芯片設計所集成的四個MEMS聲換能器以差分方式連接時，圖9示出了四個MEMS聲換能器差分連接時的背電極的連接示意圖，圖10示出了四個MEMS聲換能器差分連接時的振膜電極的連接示意圖。在制作完成CMOS集成電路時，依照預設計，形成有CMOS集成電路與MEMS聲換能器電氣連接的五個預留接口(41、42a、42b、42c、42d)，由于各個MEMS聲換能器均有各自與集成電路的接觸點，因此由其中四個預留接口(42a、42b、42c、42·d)構成差分放大器的正、負輸入支路的四個輸入點；四個背電極通過多晶娃連接通路40依次連接至CMOS集成電路的預留接口 41，四個振膜電極分別對應連接至上述四個輸入點(42a、42b、42c、42d)。在該差分連接方式下，整體信號增大4倍，但是同時總的非相關噪聲增大2倍，由此總信噪比增益提高2倍。注意在差分連接時，集成電路部分要做相應的設計改動，如增加相應的差分放大電路。需要說明的是，多個MEMS聲換能器也能依照上述串聯、并聯、差分等連接方式組合在一起的連接方式進行連接。—種優選方案,在各個MEMS聲換能器的振動膜上設置釋放孔,參見圖11,圖11不出了在MEMS聲換能器的振動膜上設置釋放孔的示意圖。釋放孔50分布在振動膜的邊緣處，振動膜的四個角區域無釋放孔分布，最終僅四個角的犧牲層被保留。在振動膜上設置釋放孔的方案，一方面可以方便犧牲層的釋放，得到符合設計要求的絕緣支撐體結構，例如可使得犧牲層在被部分刻蝕后或僅留下一處或多處分散處于振動膜邊緣的部分，或留下連續的處于振動膜全部邊緣的部分；另一方面，可相對減少背極板上開孔的設置，從而有效避免由于在各個MEMS聲換能器的背極板上開設大量開孔所導致的軟背極效應。綜上所述，本實用新型實施例所提供的集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片，一方面通過將硅微麥克風與CMOS集成電路進行單片集成，從而相對于多片集成方式可以顯著提升MEMS麥克風整體性能、尺寸和功耗；另一方面通過由兩個或更多個MEMS聲換能器構成硅微麥克風，MEMS聲換能器之間以并聯、串聯或者差分的方式彼此互聯，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與單片集成的CMOS集成電路之間通過片內的電連接通路實現電氣連接，從而相對于僅集成單個MEMS聲換能器的MEMS麥克風，能夠提高MEMS麥克風的總信噪比增益。以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種集成娃微麥克風與CMOS集成電路的芯片,所述芯片以娃晶圓為基片,所述娃晶圓一表面劃分為兩個區域=CMOS集成電路區域和硅微麥克風區域，其特征在于， 所述硅微麥克風區域包括兩個或更多個MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯、串聯或者差分的方式彼此互聯，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過片內的電連接通路實現電氣連接。
2.根據權利要求I所述的芯片，其特征在于，所述各個MEMS聲換能器的背極板由單晶硅和在其上沉積的多晶硅柵層構成，所述多晶硅柵層是在制作CMOS集成電路中由沉積的多晶硅柵層同時延伸至所述硅微麥克風區域形成；刻蝕所述多晶硅柵層形成各個MEMS聲換能器的背電極，背電極之間的電連接通路、背電極與CMOS集成電路之間的電連接通路，以及預留出振膜電極與CMOS集成電路的電氣接口。
3.根據權利要求2所述的芯片，其特征在于，所述各個MEMS聲換能器之間良好匹配。
4.根據權利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述硅微麥克風區域包括四個MEMS聲換能器。
5.根據權利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四個MEMS聲換能器之間并聯連接四個背電極依次連接至CMOS集成電路的一個預留接口 ；四個振膜電極并列連接至CMOS集成電路的另一個預留接口。
6.根據權利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四個MEMS聲換能器之間串聯連接四個背電極彼此隔離，其中第一個背電極單獨與CMOS集成電路的一個預留接口連接，其余三個背電極各預留一個接口用于與另一 MEMS聲換能器的振膜電極相連，四個振膜電極串聯連接，其中前三個振膜電極依次連接至對應的另一 MEMS聲換能器的背電極的預留接口，最后一個振膜電極連接至CMOS集成電路的另一個預留接口。
7.根據權利要求4所述的芯片，其特征在于，所述四個MEMS聲換能器之間差分連接四個背電極依次連接至CMOS集成電路的一個預留接口，四個振膜電極分別對應連接至CMOS集成電路的四個預留接口，所述四個預留接口構成差分放大器的四個輸入點。
8.根據權利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述各個MEMS聲換能器的振動膜上設置有釋放孔。
專利摘要本實用新型公開了一種集成硅微麥克風與CMOS集成電路的芯片，所述芯片以硅晶圓為基片，硅晶圓一表面劃分為兩個區域CMOS集成電路區域和硅微麥克風區域，其中，所述硅微麥克風區域包括兩個或更多個MEMS聲換能器，MEMS聲換能器之間以并聯、串聯或者差分的方式彼此互聯，并且MEMS聲換能器之間以及MEMS聲換能器與CMOS集成電路之間通過片內的電連接通路實現電氣連接。本實用新型一方面相對于多片集成方式可以顯著提升MEMS麥克風整體性能、尺寸和功耗，另一方面相對于僅集成單個MEMS聲換能器的芯片，能夠提高MEMS麥克風的總信噪比增益。
文檔編號H04R19/04GK202679626SQ201220281909
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者潘昕, 宋青林 申請人:歌爾聲學股份有限公司