CN105197876B

CN105197876B - 一种半导体器件以及制备方法、电子装置

Info

Publication number: CN105197876B
Application number: CN201410279852.9A
Authority: CN
Inventors: 伏广才; 李华乐
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: CN105197876A

Abstract

本发明涉及一种半导体器件以及制备方法、电子装置，所述方法包括：提供基底，在所述基底上形成有底部电极和第一介电层；在所述第一介电层上依次形成牺牲材料层、第二介电层和顶部电极；图案化所述顶部电极，以形成开口，露出所述第二介电层；以所述顶部电极为掩膜蚀刻所述第二介电层，以露出所述牺牲材料层；以所述顶部电极和所述第二介电层为掩膜蚀刻所述牺牲材料层，以将所述开口转移至所述牺牲材料层中，露出所述第一介电层；其中，所述顶部电极的蚀刻速度和所述牺牲材料层的蚀刻速度相近。本发明所述方法使所述牺牲材料层的蚀刻速度和所述顶部电极的蚀刻速度大致相同，进一步提高了器件的良率和性能。

Description

一种半导体器件以及制备方法、电子装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种半导体器件以及制备方法、电子装置。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，使用微电子机械系统(Micro Electro MechanicalSystem，MEMS)技术制作而成的MEMS器件十分引人注目。MEMS器件是在半导体基板上制作微小的MEMS结构体，来用作传感器、振子等用途。在该MEMS结构体上设有固定电极和可动电极，通过使用可动电极的挠曲来检测产生于固定电极的静电电容等，来获得作为MEMS器件的特性。

在MEMS器件制备过程中首先提供基底，在所述基底上形成底部电极，然后在所述底部电极上形成牺牲材料层等叠层，然后图案化所述叠层形成开口，在形成所述开口的过程中存在以下两个问题：首先，所述开口的侧壁受到损害和侧向侵蚀(undercut，也称为底切)，其次，在所述MEMS器件制备完成之后缺陷检测也变得更加困难，引起大量的脱落问题。

因此，需要对现有技术中所述MEMS器件的制备方法作进一步的改进，以便消除上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种半导体器件的制备方法，包括：

提供基底，在所述基底上形成有底部电极和第一介电层；

在所述第一介电层上依次形成牺牲材料层、第二介电层和顶部电极；

图案化所述顶部电极，以形成开口，露出所述第二介电层；

以所述顶部电极为掩膜蚀刻所述第二介电层，以露出所述牺牲材料层；

以所述顶部电极和所述第二介电层为掩膜蚀刻所述牺牲材料层，以将所述开口转移至所述牺牲材料层中，露出所述第一介电层；

其中，所述顶部电极的蚀刻速度和所述牺牲材料层的蚀刻速度相近。

可选地，图案化所述顶部电极的气氛包括HBr气体，以形成所述开口。

可选地，图案化所述顶部电极的气氛包括Cl₂、O₂以及HBr。

可选地，所述Cl₂、O₂和HBr的流量分别为80-150sccm、1-10sccm和80-150sccm；

图案化所述顶部电极的压力为1-20mtorr，源功率为400-600w，偏执功率为50-70w。

可选地，蚀刻所述牺牲材料层的气氛包括SF₆、C₄F₈和O₂。

可选地，所述SF₆、C₄F₈和O₂的流量分别为60-100sccm、700-1100sccm和200-400sccm；

蚀刻所述牺牲材料层的压力为60-100mtorr，源功率为1000-1500w，偏执功率为60-100w。

可选地，蚀刻所述第二介电层的气氛包括CF₄和CHF₃。

可选地，图案化所述顶部电极的方法包括：

在所述顶部电极的上方形成具有所述开口图案的掩膜层；

以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述顶部电极表面氧化形成的氧化物层；

以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述顶部电极，以形成所述开口。

可选地，蚀刻所述氧化物层的压力为1-20mtorr，源功率为400-600w，偏执功率为30-50w，蚀刻气氛为50-200sccm CF₄。

本发明还提供了一种基于上述的方法制备得到的半导体器件。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的半导体器件。

本发明为了解决所述半导体器件制备过程中存在的侧壁轮廓被破坏、发生侧向侵蚀的问题，提供了一种新的方法，在所述方法中将原来的两个蚀刻步骤分为多个蚀刻步骤，并且在每个蚀刻步骤中根据材料的不同选择不同的蚀刻条件和气氛，以使所述牺牲材料层的蚀刻速度和所述顶部电极的蚀刻速度大致相同，从而避免了由于速度不同而且引起的侧壁被损坏和侧向侵蚀的弊端，进一步提高了器件的良率和性能。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1a-1c为现有技术中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图2为现有技术中MEMS器件存在的缺陷的SEM图；

图3a-3e为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图4为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备工艺流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节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。在其他的例子中，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。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例1

目前MEMS器件的制备方法如图1a-1c所示，首先提供基底，所述基底上形成有底部电极(图中未示出)，然后在所述底部电极上形成第一介电层101、牺牲材料层102、第二介电层103以及顶部电极104，然后在所述顶部电极104形成图案化的掩膜层105，所述图案化的掩膜层105中形成有开口图案，如图1a所示；然后以所述掩膜层105为掩膜蚀刻所述顶部电极104，在所述顶部电极104中形成凹槽，如图1b所示；在该步骤中蚀刻压力为4mtorr，源功率为500w，偏执功率为40w，蚀刻气氛为100sccmCF₄进行蚀刻，然后再以所述掩膜层105为掩膜蚀刻所述底部电极上方的叠层，包括牺牲材料层102、第二介电层103以及顶部电极104，如图1c所示，在该步骤中蚀刻压力为10mtorr，源功率为500w，偏执功率为60w，120sccmCl₂、4sccmO₂、8sccmCF₄的蚀刻气氛进行蚀刻。

所述方法通过两个步骤蚀刻位于所述底部电极上方的叠层，但是通过所述方法制备得到的开口的侧壁性能很差，在蚀刻过程中其侧壁受到损坏，同时底部过度蚀刻引起侧向侵蚀现象(undercut，亦称为底切)，如图2虚线圆圈所示，为了找到产生所述缺陷的原因，申请人进行了大量的分析，发现在所述方法中所述牺牲材料层102选用Ge，顶部电极104选用SiGe，而且在第二步蚀刻中需要蚀刻穿透14KSiGe+0.5KOx+5KGe的叠层，其中，所述SiGe层和Ge层均选用Cl₂/O₂的蚀刻气氛，而所述蚀刻气氛对于所述SiGe层和Ge层的蚀刻速率是不同的，其中两者蚀刻速率比为Ge：SiGe＝1.9:1，由于两者蚀刻速率不同，而且所述Ge的蚀刻速度较大，因此引起所述Ge的侧向侵蚀现象。

申请人为了解决该技术问题，对所述方法进行了改进，提出了一种新的方法，下面结合附图3a-3e对所述方法做详细的说明。

首先，执行步骤201，首先提供基底，所述基底上形成有底部电极以及位于所述底部电极上方的第一介电层201。

具体地，如图3a所示，所述基底包括半导体衬底，以及在所述衬底上形成的各种有源器件，其中所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。

在所述半导体衬底上形成各种有源器件，例如在所述半导体衬底上形成CMOS器件以及其他的有源器件，所述有源器件并不局限于某一种。

在所述基底上形成底部电极的方法包括但不局限于下述示例：在所述基底上沉积层间介电层，然后在所述层间介电层上形成图案化的光刻胶层，所述光刻胶层上形成有底部电极的图案，然后以所述光刻胶层为掩膜图案化所述层间介电层，以在所述层间介电层中形成多个开口。

然后在所述开口中填充金属材料，以形成金属层，以形成所述底部电极。其中，所述金属材料可以选用铝、铜、金、银、钨及其他类似材料。

接着在所述底部电极上方形成第一介电层201，所述第一介电层201可以使用例如氧化物、碳氟化合物(CF)、掺碳氧化硅(SiOC)、或碳氮化硅(SiCN)等。或者，也可以使用在碳氟化合物(CF)上形成了SiCN薄膜的膜等。在该实施例中所述第一介电层201选用SiO₂。

执行步骤202，在所述第一介电层上依次形成牺牲材料层202、第二介电层203和顶部电极204。

具体地，如图3a所示，其中，所述牺牲材料层202选用Ge层，但是并不局限于所述材料，其中所述牺牲材料层在形成顶部电极以及顶部电极和底部电极之间的接触塞之后被去除，以形成空腔，例如形成压力传感器或者加速度传感器空腔等。

其中所述第二介电层203可以和所述第一介电层201选用相同的材料，例如所述第二介电层203选用SiO₂。

所述顶部电极204选用导电材料，可以选用本领域常用的材料，例如选用SiGe等，但并不局限于所述材料。

在所述底部电极上方形成由牺牲材料层202、第二介电层203和顶部电极204组成的叠层，所述叠层中每一层的厚度并不局限于某一数值范围，材料也不局限于上述示例，本领域技术人员可以根据需要进行选择。

执行步骤203，图案化所述顶部电极204，以形成开口，露出所述第二介电层203。

具体地，如图3a所示，首先在所述顶部电极204上方形成图案化的掩膜层205，所述掩膜层205中形成开口图案。

可选地，为了简化工艺以及更好的去除，所述掩膜层205选用光刻胶层。

其中，所述顶部电极204的表面由于氧化物会形成有氧化物层，为了更好的蚀刻所述顶部电极204，需要首先蚀刻打开所述顶部电极204表面的氧化物层。

在该步骤中，蚀刻所述顶部电极204表面氧化形成的氧化物层的压力为1-20mtorr，可选4mtorr，源功率为400-600w，可选500w，偏执功率为30-50w，可选40w，蚀刻气氛为CF₄，气体流量为50-200sccm，可选100sccm。

蚀刻去除所述顶部电极204表面氧化形成的氧化物层之后，得到如图3b所示图案，然后以所述掩膜层205为掩膜蚀刻所述顶部电极204，以将所述开口转移至所述顶部电极204中，在该步骤中，选用包含HBr的气体进行蚀刻，以保证在所述顶部电极204中形成侧壁轮廓性能优越的开口。

其中，除了HBr气体外，还可以包含Cl₂和O₂，其中，所述Cl₂的气体流量为80-150sccm，可选120sccm，O₂的气体流量为为1-10sccm，可选4sccm，HBr的气体流量为80-150sccm，可选120sccm。

进一步，在该步骤中，蚀刻压力为1-20mtorr，可选10mtorr，源功率为400-600w，可选500w，偏执功率为50-70w，可选60w。

在该步骤中以所述第二介电层203为蚀刻停止层，得到如图3c所示的图案。

执行步骤204，以所述顶部电极204为掩膜蚀刻所述第二介电层203，以将所述开口转移至所述第二介电层203中，露出所述牺牲材料层202。

具体地，如图3d所示，在该步骤中蚀刻所述第二介电层203的气氛包括CF₄和CHF₃。

其中，所述CF₄和CHF₃的气体流量分别为30-120sccm、80-150sccm，但并不局限于所述数值范围。

在该步骤中打开所述第二介电层203，露出所述牺牲材料层202后接着执行步骤205，以所述顶部电极204和所述第二介电层203为掩膜蚀刻所述牺牲材料层202，以将所述开口转移至所述牺牲材料层中，以露出所述第一介电层。

具体地，如图3e所示，在该步骤中以所述第一介电层201为蚀刻停止层，其中，蚀刻所述牺牲材料层202的气氛包括SF₆、C₄F₈以及O₂。

进一步，所述SF₆的气体流量为60-100sccm，可选80sccm，C₄F₈的气体流量为700-1100sccm，可选900sccm，O₂的气体流量为200-400sccm，可选300sccm。

在该步骤中选用SF₆、C₄F₈以及O₂的蚀刻气氛可以保证所述牺牲材料层不会发生侧向侵蚀现象。

进一步，蚀刻所述牺牲材料层202的压力为60-100mtorr，可选80mtorr，源功率为1000-1500w，可选1300w，偏执功率为60-100w，可选80w。

在该步骤中所述SF₆、C₄F₈和O₂对所述牺牲材料层202的蚀刻速度与所述HBr、Cl₂和O₂对所述顶部电极204的蚀刻速率相近，大约为2000埃/分钟，由于所述牺牲材料层202和所述顶部电极204具有相近的蚀刻速率，从而避免了所述牺牲材料层发生侧向侵蚀现象，同时使所述开口的侧壁轮廓性能更加优异。

至此，完成了本发明实施例的半导体器件制备工艺的相关步骤的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，例如选用导电材料填充所述第一介电层上方所形成的开口，以形成接触塞，然后去除所述牺牲材料层以形成空腔等常规步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

本发明为了解决所述半导体器件制备过程中存在的侧壁轮廓被破坏，发生侧向侵蚀的问题，提供了一种新的方法，在所述方法中将原来的两个蚀刻步骤分为多个蚀刻步骤，并且在每个蚀刻步骤中根据材料的不同选择不同的蚀刻条件和气氛，以使所述牺牲材料层的蚀刻速度和所述顶部电极的蚀刻速度大致相同，从而避免了由于速度不同而且引起的侧壁被损坏和侧向侵蚀的弊端，进一步提高了器件的良率和性能。

图4为本发明一具体实施方式中所述传感器的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：

步骤201提供基底，在所述基底上形成有底部电极和第一介电层；

步骤202在所述第一介电层上依次形成牺牲材料层、第二介电层和顶部电极；

步骤203图案化所述顶部电极，以形成开口，露出所述第二介电层；

步骤204以所述顶部电极为掩膜蚀刻所述第二介电层，以露出所述牺牲材料层；

步骤205以所述顶部电极和所述第二介电层为掩膜蚀刻所述牺牲材料层，以将所述开口转移至所述牺牲材料层中，露出所述第一介电层；其中，所述顶部电极的蚀刻速度和所述牺牲材料层的蚀刻速度相近。

实施例2

本发明还提供了一种半导体器件，所述半导体器件选用实施例1所述的方法制备。通过本发明所述方法制备得到的半导体器件中连接底部电极和顶部电极的接触塞的侧壁没有受到损坏，而且不会发生侧向侵蚀，连接性能更加稳定，提高了所述半导体器件的良率。

实施例3

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例2所述的半导体器件。其中，半导体器件为实施例2所述的半导体器件，或根据实施例1所述的制备方法得到的半导体器件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述半导体器件的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的半导体器件，因而具有更好的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种半导体器件的制备方法，包括：

提供基底，在所述基底上形成有底部电极和第一介电层；

图案化所述顶部电极，以形成开口，露出所述第二介电层；

其中，所述顶部电极的蚀刻速度和所述牺牲材料层的蚀刻速度相近，以避免所述牺牲材料层发生侧向侵蚀现象。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，图案化所述顶部电极的气氛包括HBr气体，以形成所述开口。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，图案化所述顶部电极的气氛包括Cl₂、O₂以及HBr。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述Cl₂、O₂和HBr的流量分别为80-150sccm、1-10sccm和80-150sccm；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蚀刻所述牺牲材料层的气氛包括SF₆、C₄F₈和O₂。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述SF₆、C₄F₈和O₂的流量分别为60-100sccm、700-1100sccm和200-400sccm；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蚀刻所述第二介电层的气氛包括CF₄和CHF₃。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，图案化所述顶部电极的方法包括：

在所述顶部电极的上方形成具有所述开口图案的掩膜层；

以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述顶部电极，以形成所述开口。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，蚀刻所述氧化物层的压力为1-20mtorr，源功率为400-600w，偏执功率为30-50w，蚀刻气氛为50-200sccmCF₄。

10.一种基于权利要求1至9之一所述的方法制备得到的半导体器件。

11.一种电子装置，包括权利要求10所述的半导体器件。