MEMS膜超程止挡部技术领域
本公开涉及一种微机电系统(MEMS)装置，尤其涉及一种用于MEMS
装置的竖直超程止挡部。
背景技术
MEMS麦克风是极其敏感的压力传感器。在动态范围的下端，MEMS
麦克风可以检测1/1000Pa或甚至更少的压力波动。在制造、装配和使用过
程中，MEMS麦克风也可经受高达至少一巴(100000Pa)的静态或动态压
力脉冲。例如，有些个体在装置处引导加压空气以清洁所述装置，虽然这
种做法通常是不推荐的。大的动态范围(1/1000Pa至100000帕)通常通
过并入在极端过载情况下限制膜移动的专用超程止挡结构(OTS)来适应。
OTS保护膜，并且还防止膜和用于检测所述膜的偏移的相邻电极之间
的短路。膜和电极之间的接触可以形成短路，并呈现出破坏电子器件、或
MEMS结构本身的可能。在一些方法中，电子保护由串联电阻或OTS上的
隔离层来提供。使用串联电阻需要仔细设计电子器件，且使用隔离层显著
增加了装置的复杂性/成本，甚至可能由于加工限制是不可能的。此外，只
要隔膜和OTS处于不同的电势，在OTS上的隔离层就不是理想的解决方
案。在这种情况下，静电力可以降低接引(pull-in)电压和/或提供足够的
力，以保持膜在接触后停留至电极，通常是背板。可能需要额外的电路来
检测这种故障并关闭系统，以使得所述膜能够从电极释放。
当然，即使在电极(背板)的方向上提供超程保护，该装置仍然可以
通过背离朝向电极基板超程而损坏。虽然已进行各种尝试在基板的方向上
提供OTS，但是现有的方法需要增加制造成本或招致其他缺点。在使用基
板(膜悬置在该基板上方作为OTS)的装置中，背腔形成在基板中，且腔
的边缘用作OTS。这种方法并不需要额外的制造步骤。然而，腔从装置的
背侧形成，同时膜从装置的前侧形成。因此，用于形成腔的掩模必须与装
置的相反侧上的结构特征对准。将背侧结构特征对准至前侧结构特征引入
了错误。此外，用于形成背腔的过程、通常是高速刻蚀(DRIE)过程比其
它过程更不精确。
该方法的另一个实施例包括主背腔，所述主背腔仅部分地蚀刻通过基
板。在该大的腔内侧，第二腔形成为完全延伸穿过基板。虽然这可以减少
所涉及的蚀刻工艺导致的变化，但仍需要前侧到后侧对准。
由于OTS的背侧形成的固有不准确性，合并有上述OTS的装置必须
被设计成适应所述错误。因此，该装置的尺寸增加，以确保在膜和提供OTS
的基板部之间足够的重叠。这增加了材料成本并在装置中引入了空间浪费。
此外，即使在一个优化的生产过程中，在上述方法中的重叠的变化产生了
变化的可靠性，并且还有变化的电容负载以及电接引到基板的风险。所有
的这些缺点必须在装置的设计中调整。
上述缺点通过在2014年1月7日公布的美国专利No.8625823中描述
的系统论述。在专利No.8625823中，装置的现有层被修改以创建OTS，
该OTS不具有先前方法的缺点，同时不导致额外的处理成本。尤其地，背
板的OTS部分直接连接到膜，并由通过蚀刻形成的沟槽而与背板的其余部
分隔离。OTS部分与可移动膜一起移动并接触膜层的未释放部分，所述未
释放部分由背板支撑以限制朝着腔的行程。这种方法大大增加了设备的可
靠性。然而，仍可能出现需要更大可靠性的情形。例如，因为OTS结构必
须电隔离，可靠性由于可围绕膜放置的OTS的有限数目而受到损害。因此，
专利No.8625823的方法固有地不如绕着膜完全延伸的OTS。
鉴于上述情况，提供精确地定位的OTS将是有利的。如果OTS可以
使用已知的MEMS工艺并入，就将是有利的。将进一步有利的是，OTS可
以很容易地被调整以对于特定应用而提供增加的/减少的可靠性。
发明内容
根据一个实施例，一种微机电系统(MEMS)装置包括限定出背腔的
基板、背腔之上的膜、膜之上的背板和第一超程止挡部(OTS)，所述第一
超程止挡部至少部分地定位在膜正下方并由所述背板支撑。
在另一实施例中，一种形成微机电系统(MEMS)装置的方法包括：
在基板之上形成第一氧化物层；在第一氧化物层的上表面上形成套接层；
在套接层的上表面上形成第二氧化物层；在第二氧化物层的上表面上形成
膜层；在所述膜层的上表面上形成牺牲氧化物层；在所述牺牲氧化物层的
上表面上形成背板层；在基板中形成背腔；穿过所述背腔和第一氧化物层
使套接层成形；以及在套接层已经成形后，蚀刻所述牺牲氧化物层、第一
氧化物层和第二氧化物层。
附图说明
附图示出了本公开的各种实施例，且连同说明书一起阐释了本公开的
原理。
图1示出了包括OTS的MEMS装置的部分剖视图，所述OTS位于膜
之下并由位于膜之上的背板支撑；
图2示出了图1的膜的顶视图；
图3示出了图1的OTS的顶视图；
图4示出了图1的MEMS装置的部分顶平面图，其中，背板被移除；
图5示出了包括OTS的MEMS装置的部分剖视图，所述OTS位于膜
之上并由位于膜之下的背板支撑；
图6-12示出了形成图1的MEMS装置的过程的部分剖视图；
图13示出了对图6-12的过程的修改的部分剖视图，该修改可并入一
过程中，以提供增加的制造精度；
图14示出了具有减少的支撑的一个替代性OTS的顶平面图，该替代
性OTS可使用图6-12的过程并入到图1的装置中；
图15示出了具有增加的支撑的一个替代性OTS的顶平面图，该替代
性OTS可使用图6-12的过程并入到图1的装置中；
图16示出了可使用图6-12的过程形成的MEMS装置连同内部OTS
部分的部分剖视图，所述MEMS装置包括位于膜之下并由位于膜之上的背
板支撑的OTS；
图17示出了现有技术MEMS装置的部分剖视图，其表示了由背腔过
程产生的变化；
图18示出了通过并入套接层而显示出减少的变化的MEMS装置的部
分剖视图；
图19示出了包括套接层中的隔离部分的MEMS装置的部分剖视图，
所述隔离部分定位成与背板的抗粘凸块(anti-stictionbump)相对；
图20示出了包括OTS的MEMS装置的部分剖视图，该OTS位于膜之
下并由位于膜之上的背板支撑，其中，该OTS被构造为下电极。
相应的附图标记表示各个附图的对应的部件。相同的附图标记表示各
个附图的相同的部件。
具体实施方式
尽管本文所示出的系统和过程易具有各种修改和替代性形式，但是其
特定的实施例已经在附图中通过示例被示出，且将在本文中进行详细地描
述。然而，应当理解，并无意图将该系统和过程限制于所公开的特定形式。
相反，本公开应涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替
代物。
参照图1，以麦克风形式的MEMS装置100包括基板102、背板104
和膜106。基板102包括背腔108。膜106通过多个弹簧(spring)110悬置
在背腔108之上，如图2所示。每个弹簧110的端部部分112连接至膜106，
而每个弹簧110的中间部分114与膜106以间隙116间隔开。
弹簧110还包括具有延伸部120的底部部分118(参照图1)。延伸部
120支撑OTS122。OTS122与套接层130的其余部分以间隙132间隔开。
也示于图3，OTS122包括：附连到延伸部120的多个固定部134；和环部
分136，其定位在膜106之下并与膜106以间隙138间隔开。
膜106与OTS122的布置在图4中进一步示出，其中，MEMS麦克风
100被示为背板104被移除。如图4所示，膜106和OTS122都位于背腔
108的基底面上。换言之，当背腔108、膜106和OTS122投影到平行于膜
106的平面上时，限定出背腔108的壁围绕膜106和OTS122，如图4所示。
返回到图1，膜106和OTS122通过连接到背板104的固定部140悬
置在背腔108之上。固定部140是非导电性氧化物，其将膜106和OTS122
相对于背板104电隔离。背板104进而通过固定部142由套接层130支撑，
所述固定部142将背板104与套接层130电隔离。套接层130的一部分由
氧化物层144支撑在基板102之上。尽管图1中未示出，但是在某些实施
例中，套接层130的至少一部分通过移除氧化物层144的一部分而由基板
102直接支撑。
尽管图1示出了套接层130之上的膜106和膜106之上的背板104，相
同的发明的套接层可合并在MEMS系统中，其中，背板104’在基板102’
之上，且膜106’在背板104’之上，且套接层130’在膜之上，如图5所示。
因此，可独立于膜与背板的相对位置来实现使用套接层作为用于膜移动远
离背板的超程止挡部。
MEMS装置100提供了许多优点。一个优点是，OTS122从装置的前
侧成形。图6-12示出了一种使用现有MEMS形成过程来形成MEMS装置
100的过程。首先，提供基板150，通常是硅(图6)。然后，薄的下氧化物
层沉积到基板150的上表面。薄的下氧化物层和以下讨论的其他层可使用
化学机械抛光(CMP)来进行平面化。然后使用任何期望的过程将下氧化
物层结构化(structured)，以限定套接层的形状，如以下所讨论。如图6所
示，下氧化物层被蚀刻，以形成由间隔156隔开的下氧化物部分152和154。
套接层158形成在氧化物部分152/154的上表面上和基板152的露出
部分上(图7)。套接层在一个实施例中使用硅形成。上氧化物层然后沉积
在套接层158上，且被结构化以提供由间隔166隔开的上氧化物部分162
和164(图8)。
硅膜层然后沉积在结构化的上氧化物层上。膜层的一部分沉积在间隔
166中，以形成延伸部(例如，图1的延伸部120)。膜层然后被结构化，
以形成弹簧170和包括间隙174的膜172(图9)。随后，牺牲氧化物层176
沉积在结构化的膜层和上氧化物部分162上。在牺牲氧化物层176结构化
后(图10)，背板层沉积在结构化的牺牲氧化物层上和套接层158的露出部
分上。背板层(178)被结构化为电极，包括空气孔180的形成(图11)。
参考图12，背腔182然后通过蚀刻基板150形成。基板150的蚀刻也
蚀刻了未受氧化物保护的硅层。尤其地，下氧化物部分152与下氧化物部
分154之间的间隔156(见图6)允许套接层158的一部分被蚀刻，从而形
成图1的间隙132。另外，下氧化物部分154限定了套接层158的形成了固
定部和环部分的部分(例如，见图3的固定部134和环部分136)。因此，
图6的氧化物层是以被蚀刻的套接层的形状而被图案化的掩膜。因此，如
果套接层包括多个环和连接环的支杆(strut)，氧化物层就将被图案化成包
括多个环和连接环的支杆。因此，蚀刻过程形成了期望形状的OTS184。
蚀刻还形成了在图3的环部分136中示出的穿孔。
最后，牺牲氧化物使用定时蚀刻过程被蚀刻，从而产生图1的构型。
定时蚀刻使得膜172能够从背板178释放，因为膜172之上的牺牲氧化物
主要通过空气孔180被蚀刻。形成在套接层158(图12)中的沟槽也使得
能够从背腔182来蚀刻沟槽正上方的上氧化物层和牺牲层，同时背板178
中的沟槽使得能够蚀刻上氧化物层和牺牲层。通过适当地定时蚀刻过程，
固定部分140和142(见图1)在蚀刻后保留。唇部186帮助保护弹簧170
正上方的牺牲层。
另外，蚀刻过程将膜172从OTS182释放，并形成间隙116。因此，
氧化物部分164设置了膜106与OTS122之间的间隙138。OTS中的穿孔
(见图3)提供了OTS的增加的有效宽度以增加支撑，同时仍保证上氧化
物部分164被完全蚀刻。
以上描述的装置和过程因此提供了膜下方的附加层(套接层)，其仅从
晶圆的上侧限定，且从背侧释放。这实现了高精度和易加工。例如，套接
层不需要在前侧加工期间结构化，因为下氧化物层用作掩膜层，从而使得
套接层的蚀刻在背腔蚀刻期间完成。仅使用前侧加工来限定关键结构允许
设计上的高灵活性，并在所制造的麦克风结构上产生小的变化。
以上描述的装置和过程实现了OTS的期望厚度和定位，以用于特定应
用。在一个实施例中的基本设计包括膜下方的穿孔环，以在超载事件期间
支撑膜。环的径向位置被优化，以将稳定性最大化。
在一些实施例中，在套接层结构的限定中可能期望增加的精度。可容
易地修改上述过程来提供附加的精度。例如，在沉积和结构化上氧化物部
分之前(见图8)，套接层158被蚀刻以限定套接层内的结构的特定尺寸。
因此，如图13所示，当上氧化物层形成时，套接层158中的沟槽被填充了
氧化物支柱(oxidepillar)190、192和194。因此，在形成间隙132的背腔
蚀刻过程中，套接层158的侧壁由氧化物支柱190、192和194保护。如上
所述的该过程参照图8-12继续，且氧化物支柱190、192和194在定时蚀
刻期间被移除。
尽管以上参照图1-4所描述的装置提供了完整的环部分136，该支撑水
平在特定应用中可能不需要。图6-12(和13)的过程可用于简单地通过改
变下氧化物部分154而提供较低程度的支撑。例如，图14示出了可用于
MEMS麦克风100中的OTS200。OTS200包括多个固定部202和环部分
204。环部分204不提供完整环。此外，可使用更少或更多数量的固定部134
和环部分136。部分环实施例在制造过程中提供了较少支撑和改进的湿法净
化。
如果对于特定应用而期望增加的稳定性，则图6-12(和13)的过程可
用于简单地通过修改下氧化物部分154而提供增加程度的支撑。例如，图
15示出了可用于MEMS麦克风100中的OTS210。OTS210包括多个固定
部212和外环部分214。环部分214提供了完整环。此外，多个OTS支杆
216从外环部分214延伸至内环部分218。支杆216和内环部分218提供了
附加的支撑。对于特定应用，可相对于图15所示的情况而修改支杆和内环
的数量。
此外，尽管上述实施例提供了与膜电势相同的OTS，从而允许低寄生
电容以及还避免膜与OTS之间的任何接引，但是在不关心接引的实施例中，
可修改图6-13的过程以提供图16的结构。图16中，以麦克风形式的MEMS
装置230包括基板232、背板234和膜236。基板232包括背腔238。膜236
由多个弹簧240(类似图2中所示的那些弹簧)悬置在背腔238之上，所述
多个弹簧240通过间隙246与膜236隔开。弹簧240还包括具有延伸部250
的底部部分248。延伸部250支撑OTS252。OTS252与OTS122、OTS200
或OTS210基本上相同，且与OTS122、OTS200或OTS210以相同方式
支撑。
因此，MEMS装置230与MEMS装置100基本上相同，且可使用图
6-13的过程来形成。然而，图6-13的布局被修改，以提供图16的附加结
构特征。尤其地，除了由OTS252提供的支撑之外，MEMS装置230还包
括一个或多个OTS260。OTS260位于膜区域内，且通过支承柱262由背
板234支撑。OTS260与OTS252处于相同水平。本文所使用的术语“相
同水平”是指：所述结构特征形成于相同层。因此，在剖视图中观看时，
处于“相同水平”的两个构件的至少部分将处于相同高度。因此，因为OTS
252和OTS260处于相同水平，因此膜236与OTS252和260之间的间隙
(由用于形成图7的氧化物部分162/164的氧化物层设置)非常一致。
因此，OTS260在膜区域内提供了附加支撑，但是与背板234不是电
隔离。在一些实施例中，电隔离通过以下方式来提供：与图8的氧化物部
分162/164相比，在相同层上在支承柱262与OTS260之间形成氧化物部
分。
尽管在上述实施例中在提供OTS的意义上讨论套接层，但是套接层还
可用于提供其他益处。例如，图17示出了现有技术的MEMS装置270，其
包括基板272、背板274、膜276和背腔278。膜276通过固定部280从背
板274支撑，同时背板274通过固定部282由基板272支撑。固定部280/282
形成在氧化物层284中。
图17还示出了用于形成背腔278的背蚀刻过程的变化，由基板272的
阴影部分286表示。因此，当氧化物层284被蚀刻以形成固定部280/282
时，固定部282中的阴影区域288示出了固定部282的延伸范围的变化。
固定部282的尺寸必须被设计成适应该宽度变化，而不损失固定部282的
结构整体性，从而产生增加的尺寸需求。此外，固定部尺寸上的变化引起
背板与基板之间的寄生电容的变化。上述套接层改善了固定部延伸范围的
变化。
尤其地，图18示出了包括基板292、背板294、膜296和背腔298的
MEMS装置290。膜296通过固定部300从背板294支撑，同时背板294
通过固定部302由基板292支撑。固定部300/302形成在氧化物层284中。
MEMS装置290还包括套接层310，所述套接层310部分地形成在基板292
上且部分地形成在氧化物部分312上。
套接层310和氧化物部分312与图1的套接层130和氧化物层144相
比以相同方式形成。例如，类似于套接层130和氧化物层144，套接层310
和氧化物部分312也保护定位于它们上方的固定部分。
图18还示出了用于形成背腔沟槽298的背蚀刻过程的变化，由基板292
的阴影部分314表示。然而，套接层310保护氧化物层304。因此，当氧化
物层304被蚀刻以形成固定部300/302时，在固定部302中没有变化(与
图17的阴影部分288相比)。而是仅有的变化出现在氧化物部分312中的
阴影区域316中。该变化可通过限制氧化物部分312的尺寸(横向延伸范
围)和/或通过由基板292提供套接层310的附加直接支撑来控制。
因此，添加套接层保护了背板固定部区域。固定部和寄生效果的变化
被显著降低。由于设计通常被布局以针对最差情况的背腔开口(阴影区域
280/314)，因此套接层的并入使得能够降低晶片尺寸，同时保持总体稳定
性不变。
套接层还可用于隔离抗粘凸块。图19示出了包括膜332和背板334的
MEMS装置330的一部分。该装置的其余部分可以以上述各种实施例的方
式成型。背板304与其他所描述的背板的不同在于，背板304包括抗粘凸
块336。抗粘凸块336用作上OTS，且有限的表面区域在背板334和膜332
处于不同电势时降低了粘连的可能。然而，在现有技术的装置中，与抗粘
凸块和膜的接触引起了膜与背板之间的电压势的下降。相比之下，抗粘凸
块336与膜332的隔离部分338相对定位。
隔离部分338由隔离部分桥体340支撑，所述隔离部分桥体340由支
承部342和344从膜332悬置。用于形成图8的氧化物部分162和164的
上氧化物层的剩余部346位于隔离部分桥体340上且支撑隔离部分338，同
时将隔离部分338电隔离。
图19中的附加构件的结构化通过简单修改以上参照图6-13所述的过
程来完成。尤其地，套接层130还被图案化成用于提供隔离部分桥体340。
于是，用于形成图7的氧化物部分162/164的上氧化物层还被图案化成用
于提供支承部342/344，所述支承部342/344在弹簧170和膜172形成时创
建(图9)。在沉积牺牲氧化物层176之前，膜172被蚀刻，以限定隔离部
分338的外边界，且沟槽在牺牲氧化物层176沉积时被填充。隔离区域的
尺寸被选择成：保证牺牲氧化物层176的定时蚀刻不消除隔离部分桥体340
与隔离部分338之间的上氧化物层的全部，从而留下剩余部346。因此，不
需要专用隔离层来覆盖MEMS晶片。
通过稍微修改关于图19的实施例所描述的过程，套接层OTS还可充
当膜下方的电极。例如，图20示出了包括基板352、膜354和背板356的
MEMS装置350。膜354通过由背板356支撑的固定部360悬置在背腔358
上方。背板356进而由固定部362支撑，且固定部360/362由氧化物层364
形成。
MEMS装置350还包括定位于膜层下方的OTS366。OTS366从套接
层OTS366形成，所述套接层OTS366部分地定位在下氧化物层的剩余部
370的上表面上且部分地定位在基板352的上表面上。MEMS装置350在
那些方面基本上相同于MEMS装置100。图1和图20的实施例之间的不同
在于：OTS366在由膜354支撑的同时通过上氧化物层的部分372与膜354
电隔离。另外，OTS366通过形成有膜354的层的分支部分(feederportion)
374被电配置为电极。因此，简单地通过修改掩膜的形状而采用图6-13中
所描述的相同层来形成装置350。
因此，MEMS装置350提供了完全不同的感测。将负电压施加于第二
电极(OTS366)并用负电压驱动第二电极使得能够在两个电极(OTS366
和背板356)上感测，从而可用于使敏感度加倍和/或将电噪声降低3dB。
替代性地，MEMS装置350可配置为双敏感度麦克风。例如，第二电
极(OTS366)与主电极(背板356)相比可具有更小的区域，且可具有更
低的缺省敏感度。这可用于探测更高的声压，而不使输入电路超载。
在另一实施例中，MEMS装置350配置为用于提供低功率麦克风模式。
尤其地，下电极(OTS366)与膜354之间的间隙远远小于/可远远小于背
板356与膜354之间的间隙。这意味着，OTS366可随小得多的偏电压使
用，从而可需要更少级的电荷泵以及更小的电流。缺点是需要很靠近接引
来驱动它，以实现必要的敏感度，从而将使动态范围减至高声压值。
尽管在附图以及前述说明书中详细地示出和描述了本公开，然而这些
内容应被认为是说明性的且不限于字面意思。应理解的是，仅优选的实施
例被提出，且落入本公开的精神内的所有改变、修改和进一步应用都期望
被保护。