CN104817055B - 半导体结构的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底；在衬底上形成腔体层；在所述腔体层中形成空腔；在空腔内填充牺牲层；在空腔上方形成通孔结构，所述通孔结构具有露出牺牲层的通孔；去除所述牺牲层。在形成半导体结构的过程中，在空腔上方形成通孔结构之前，先在空腔内填充牺牲层，使得在空腔上方形成通孔结构的步骤中，形成通孔结构所产生的聚合物等副产物不会落入空腔内部，在形成通孔结构以后，去除所述牺牲层，这样形成的半导体结构中，空腔内部洁净度高；并且由于在形成通孔结构的过程中，空腔内部充满牺牲层，降低了形成通孔结构过程中的应力使空腔破裂的风险。

Description

半导体结构的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种半导体结构的形成方法。

背景技术

在晶圆制造过程中，尤其是MEMS结构的形成，经常需要在空腔上方形成一些梳状或齿状结构，形成所述结构的步骤包括：刻蚀形成孔。然而，在形成所述结构的过程中往往会产生许多聚合物，这些聚合物出现在所述孔或空腔中很难被完全去除。

下面以具体MEMS结构为例，结合附图进行说明。图1示出了一种MEMS结构的剖视图，在衬底01上形成有第一介电层02，第一介电层02中形成有空腔03，在第一介电层02上形成有第二介电层04，第二介电层04中形成有多个通孔05，多个通孔05位于空腔03上方，通孔05为对第二介电层04进行刻蚀形成的。在对第二介电层04进行刻蚀的过程中，会产生刻蚀副产物，刻蚀副产物残留在通孔与空腔内部，对MEMS结构的性能产生不良影响。

目前业界基本采用两种方法去除刻蚀副产物：湿法清洗和干法去除。但这两种方法都存在一些弊端，例如湿法清洗将会有一些化学试剂残留在空腔内，影响器件的性能。干法去除虽然可以避免化学试剂的残留但却无法将空腔内的刻蚀副产物去除干净。

因此，如何提高在MEMS结构中空腔的洁净度，减少刻蚀副产物对MEMS结构性能的影响成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是，提供一种半导体结构的形成方法，提高在半导体结构中形成的空腔的洁净度。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成腔体层；

在所述腔体层中形成空腔；

在空腔内填充牺牲层；

在牺牲层上方形成通孔结构，所述通孔结构具有露出牺牲层的通孔；

去除所述牺牲层。

可选的，所述半导体结构位于运动传感器中，在形成腔体层之前，还包括：

在所述衬底表面覆盖第一介电层。

可选的，在所述腔体层中形成空腔的步骤包括：对所述腔体层进行刻蚀，形成空腔，所述空腔底部露出所述第一介电层。

可选的，所述半导体结构位于运动传感器中，所述腔体层材料为铝，用作所述运动传感器的固定电极。

可选的，在形成所述空腔之后，形成通孔结构之前，还包括：

在所述空腔内壁、空腔底部以及腔体层表面形成第二介电层，用于使所述固定电极绝缘。

可选的，在空腔内填充牺牲层的步骤包括：

在空腔内填充牺牲层的步骤包括：在所述腔体层表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔内部；

使苯甲醚溶液蒸发，在空腔内部以及腔体层表面形成聚碳酸亚丙酯材料层；

去除腔体层上表面的聚碳酸亚丙酯材料层，保留位于空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层，以位于空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层作为所述牺牲层。

可选的，使苯甲醚溶液蒸发的步骤包括：使苯甲醚溶液蒸发的温度在70摄氏度到150摄氏度的范围内。

可选的，所述半导体结构位于运动传感器中，提供衬底的步骤包括：提供第一晶圆，以所述第一晶圆作为衬底；

在牺牲层上方形成通孔结构的步骤包括：

在所述第一晶圆上键合第二晶圆；

对第二晶圆进行减薄处理，在空腔上方的第二晶圆中形成露出所述牺牲层的多个通孔，所述多个通孔构成所述通孔结构。

可选的，去除所述牺牲层的步骤包括：通过热处理去除所述空腔内的聚碳酸亚丙酯材料层。

可选的，进行热处理步骤中，温度在200摄氏度到300摄氏度的范围内。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：在形成半导体结构的过程中，在空腔上方形成通孔结构之前，在空腔内填充牺牲层，使得在空腔上方形成通孔结构的步骤中，形成通孔结构所产生的聚合物等副产物不会落入空腔内部，在形成通孔结构以后，去除所述牺牲层，这样形成的半导体结构中，空腔内部洁净度高；并且由于在形成通孔结构的过程中，空腔内部充满牺牲层，降低了形成通孔结构过程中的应力使空腔破裂的风险。

进一步，填充牺牲层的步骤包括：在所述腔体层表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔内部；使苯甲醚溶液蒸发，在空腔内部以及腔体层表面形成聚碳酸亚丙酯材料层；去除腔体层上表面的聚碳酸亚丙酯材料层，保留位于空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层，以位于空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层作为所述牺牲层。苯甲醚溶液具有较强的流动性和填充性，这样聚碳酸亚丙酯材料层形成的牺牲层能够将所述空腔填充满，并且聚碳酸亚丙酯材料层可以采用热处理的方式去除，聚碳酸亚丙酯材料层经过加热生成二氧化碳和水，这样在去除聚碳酸亚丙酯材料层的过程中，对空腔周围的其他结构以及空腔侧壁的腔体层不会造成损伤，聚碳酸亚丙酯材料层也可以被彻底去除而不产生残留物。

附图说明

图1是现有技术一种MEMS结构的剖视图

图2是本发明半导体结构的形成方法一实施例的流程图；

图3至图9是图2所示的形成方法各个步骤的剖视图。

具体实施方式

在晶圆制造过程中，尤其是MEMS结构的形成，经常需要在空腔上方做一些梳状或齿状结构，形成所述梳状或齿状结构的步骤包括：刻蚀形成通孔。然而，在形成上述结构的过程中往往会产生许多聚合物，这些聚合物出现在所述通孔或空腔中很难被完全去除。

为此，本发明提出一种半导体结构的形成方法，在形成半导体结构的过程中，在空腔上方形成通孔结构之前，先在空腔内填充牺牲层，使得在空腔上方形成通孔结构的步骤中，刻蚀形成通孔所产生的聚合物等副产物不会落入空腔内部，在形成通孔结构以后，去除所述牺牲层，这样形成的半导体结构中，空腔内部洁净度高。

参考图2，示出了本发明半导体结构的形成方法一实施例的流程图，本实施例半导体结构的形成方法大致包括以下步骤：

步骤S1，提供衬底；

步骤S2，在所述衬底上形成腔体层；

步骤S3，在所述腔体层中形成空腔；

步骤S4，在空腔内填充聚碳酸亚丙酯材料层，所述聚碳酸亚丙酯材料层作为牺牲层；

步骤S5，在空腔上方形成通孔结构，所述通孔结构具有露出牺牲层的通孔；

步骤S6，去除所述牺牲层。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本实施例中半导体结构形成方法所形成的半导体结构位于MEMS运动传感器中，但是本发明半导体结构的形成方法不限于形成MEMS运动传感器中的半导体结构，还可以形成其他带有空腔的半导体结构。

参考图3，执行步骤S1，提供衬底100。在本实施例中，提供第一晶圆，第一晶圆作为所述衬底100；所述衬底100材料为硅，在其他实施例中，所述衬底100还可以为锗硅衬底或绝缘体上硅衬底等其它半导体衬底，对此本发明不做任何限制。

在本实施例中，在形成腔体层之前，在衬底100表面覆盖第一介电层101，所述第一介电层101的作用是使之后形成的腔体层与衬底100之间绝缘。

在本实施例中，所述第一介电层101的材料为氧化硅，但是本发明对第一介电层101的具体材料不做限制，在其他实施例中，所述第一介电层101还可以为氮化硅，本发明对是否形成第一介电层101也不做限制，在其他实施例中，所述半导体结构位于其他半导体器件中，还可以不形成第一介电层101。

参考图4，执行步骤S2，在衬底100上形成腔体层102。

具体地，在本实施例中，所述腔体层102材料为铝，所述腔体层102的作用是形成MEMS运动传感器的固定电极，通过固定电极与之后形成的活动电极之间的相对位置发生变化，固定电极与活动电极之间的电容相应变化，从而反应运动的方向以及加速度等参数，MEMS运动传感器为本领域常见半导体器件，MEMS运动传感器的工作原理在这里不再赘述。

在其他实施例中，所述半导体结构位于其他半导体器件中，所述腔体层102材料还可以为氧化硅或氮化硅，本发明对腔体层102的材料不做限制。

继续参考图4，执行步骤S3，在所述腔体层102中形成空腔103。

具体地，在本实施例中，对所述材料为铝的腔体层102进行光刻，在腔体层102中形成空腔103。在运动传感器中，所述空腔103的作用是为活动电极提供活动的空间，但是本发明对所述空腔103的作用不做限制，在其他实施例中，所述半导体结构位于其他半导体器件中，所述空腔103还可以用作其他功能，例如在MEMS压力传感器中作为弹性膜片的位移空间，本发明对此不作限制。

需要说明的是，在本实施例中，如图5所示，在形成空腔103以后，，在所述空腔103内壁以及腔体层102表面形成第二介电层104，以将材料为铝的固定电极与固定电极上方的第二晶圆绝缘。

参考图6，执行步骤S4，在空腔103内填充聚碳酸亚丙酯材料层，所述聚碳酸亚丙酯材料层作为牺牲层105。

具体地，在本实施例中，形成牺牲层105的步骤包括：在所述腔体层102表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔103内部，使苯甲醚溶液蒸发，在空腔103内以及腔体层102表面形成聚碳酸亚丙酯材料层，去除腔体层102表面的聚碳酸亚丙酯材料层，保留位于空腔103内部的聚碳酸亚丙酯材料层，位于空腔103内部的聚碳酸亚丙酯材料层为所述牺牲层105。

可选的，使苯甲醚溶液蒸发的温度在70摄氏度到150摄氏度的范围内。

由于在空腔103中填充了牺牲层105，使得之后在空腔103上方形成具有通孔的通孔结构的过程中，刻蚀通孔而形成的聚合物以及其他刻蚀副产物不会落入到空腔103中，使得最终形成的MEMS运动传感器中空腔103内部洁净度高，MEMS运动传感器的反应更灵敏。

此外，由于在空腔103填充了牺牲层105，之后的刻蚀通孔过程中，刻蚀剂不会接触到空腔103侧壁的固定电极，避免了固定电极受通孔刻蚀影响而产生缺陷。此外，充满牺牲层105的空腔103能够承受一定应力，能够避免在通孔刻蚀过程中空腔103受应力发生破裂的风险。

本发明的牺牲层105的材料采用聚碳酸亚丙酯的好处在于，由于苯甲醚溶液具有较强的流动性和填充性，这样形成的聚碳酸亚丙酯材料层能够对空腔103实现良好的填充。

此外，聚碳酸亚丙酯可以采用热处理的方式去除，并且去除聚碳酸亚丙酯的温度在聚碳酸亚丙酯材料层经过加热生成二氧化碳和水，这样在去除聚碳酸亚丙酯材料层的过程中对空腔103周围的其他结构以及空腔103侧壁不会造成损伤，聚碳酸亚丙酯也可以被彻底的去除而不产生残留物。

但是本发明对牺牲层105的材料不做限制，在其他实施例中，所述牺牲层105的材料还可以为无定形碳等其他材料。

结合参考图7至图8，执行步骤S5，在空腔103上方形成通孔结构，所述通孔结构具有露出牺牲层105的通孔106。

具体地，在本实施例中，如图5所示，在所述第一晶圆上键合第二晶圆201，第二晶圆201的材料也为硅，对第二晶圆201进行减薄处理，然后在牺牲层105上方的第二晶圆201中形成多个通孔106，所述多个通孔106露出所述牺牲层105。多个通孔106之间的剩余的硅形成梳状结构或蛇形结构107，这些梳状结构或蛇形结构107作为MEMS运动传感器的活动电极。

在本实施例中，由于第二晶圆201的厚度大于MEMS运动传感器中梳状结构或蛇形结构107所需要的厚度，所以需要对第二晶圆201进行减薄处理，但是由于第二晶圆201的厚度可以人为调整，所以本发明对是否进行减薄处理不做限制。

在本实施例中，形成多个通孔106的方法为干法刻蚀，但是本发明对通孔106的形成方法不做限制，在其他实施例中，还可以采用其他方式形成所述通孔106。

在形成多个通孔106以后，还可以采用湿法清洗对所述多个通孔106内部进行清洗工艺，以将通孔106内的刻蚀副产物清除干净。

需要说明的是，在其他实施例中，所述半导体结构位于其他半导体器件中，所述通孔106还可以用作其他功能，例如作为互联结构中的通孔等，本发明对此不作限制。

参考图9，执行步骤S6，去除所述牺牲层105。

具体地，在本实施例中，去除所述牺牲层105的步骤包括：对所述第一晶圆及第二晶圆201进行热处理，去除所述空腔103内的聚碳酸亚丙酯材料层。

可选的，对所述第一晶圆、第二晶圆201进行热处理的温度在200摄氏度到300摄氏度的范围内，聚碳酸亚丙酯材料层经过加热生成二氧化碳和水，并通过通孔106排出空腔104。这样在去除材料为聚碳酸亚丙酯的牺牲层105的过程中，空腔103内露出的固定电极以及梳状结构或蛇形结构107等较精密的部分所承受的温度较低，不容易造成损伤，并且在去除聚碳酸亚丙酯材料层的过程中不会产生其他难以去除的污染物，去除聚碳酸亚丙酯材料层以后，空腔103内部的洁净度高。

这样将所述牺牲层105去除干净后，即形成了本实施例所述MEMS运动传感器，需要说明的是，MEMS运动传感器的形成过程还包括其他细致工艺，本发明仅以MEMS运动传感器为例对所述半导体结构的形成方法进行说明，在此仅对MEMS运动传感器的主要形成步骤进行说明，对于其他步骤，均可参照现有MEMS运动传感器形成方法的惯用技术，在此不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成腔体层；

在所述腔体层中形成空腔；

在空腔内填充牺牲层；

在牺牲层上方形成通孔结构，所述通孔结构具有露出牺牲层的通孔；

去除所述牺牲层；

在空腔内填充牺牲层的步骤包括：在所述腔体层表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔内部；

使苯甲醚溶液蒸发，在空腔内部以及腔体层表面形成聚碳酸亚丙酯材料层；

去除腔体层上表面的聚碳酸亚丙酯材料层，保留位于空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层，位于空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层为所述牺牲层。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述半导体结构位于运动传感器中，在形成腔体层之前，还包括：

在所述衬底表面覆盖第一介电层。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，在所述腔体层中形成空腔的步骤包括：对所述腔体层进行刻蚀，形成空腔，所述空腔底部露出所述第一介电层。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述半导体结构位于运动传感器中，所述腔体层材料为铝，用作所述运动传感器的固定电极。

5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，在形成空腔之后，形成通孔结构之前，还包括：

在所述空腔内壁、空腔底部以及腔体层表面形成第二介电层，用于使所述固定电极绝缘。

6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，使苯甲醚溶液蒸发的步骤包括：蒸发苯甲醚溶液的温度在70摄氏度到150摄氏度的范围内。

7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述半导体结构位于运动传感器中，提供衬底的步骤包括：提供第一晶圆，所述第一晶圆作为作为衬底；

在牺牲层上方形成通孔结构的步骤包括：

在所述第一晶圆上键合第二晶圆；

对第二晶圆进行减薄处理，在空腔上方的第二晶圆中形成露出所述牺牲层的多个通孔，所述多个通孔构成所述通孔结构。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲层的步骤包括：通过热处理去除所述空腔内的聚碳酸亚丙酯材料层。

9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，进行热处理步骤中，温度在200摄氏度到300摄氏度的范围内。