CN105428218B - 空腔形成方法以及半导体器件结构 - Google Patents

空腔形成方法以及半导体器件结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种空腔形成方法以及半导体器件结构，所述空腔形成方法在N型掺杂的硅衬底正面预定区域形成N型掺杂区域，并将硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层，再在硅衬底的正面外延生长单晶硅层，并在单晶硅层中形成暴露所述多孔硅层的通孔，随后去除所述多孔硅层以形成空腔。本发明使用单一硅片即可形成空腔结构，并且通过控制N型掺杂区域的结深就能控制空腔的大小，工艺简单，成本较低。此外，该方法能够与CMOS工艺兼容，可用于制造IC与MEMS兼容的集成器件。

Description

空腔形成方法以及半导体器件结构
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种空腔形成方法以及半导体器件结构。
背景技术
MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS市场的主导产品是压力传感器、加速度计、微陀螺仪和硬盘驱动头等。对于MEMS压力传感器制作工艺而言，形成空腔和悬浮膜是关键步骤。目前通常是采用硅-玻璃或者硅-硅键合方式形成空腔与支撑结构。然而，传统的方法往往是从硅片背面腐蚀减薄硅片来加工压力膜片，由于硅片厚度不可能一致，并且KOH等与CMOS工艺不兼容的湿法刻蚀方法速率不能做到各处相同，加工后的膜厚均匀性是非常棘手的工艺难题，该种膜厚的不均现象将导致压力传感器的灵敏度和成品率等很难提高，并且制造成本高，工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空腔形成方法以及半导体器件结构，以解决现有的技术问题。
本发明提供的空腔形成方法，包括：
提供一N型掺杂的硅衬底；
在所述硅衬底正面的预定区域注入N型杂质离子以形成N型掺杂区域；
将所述硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层；
在所述硅衬底的正面外延生长单晶硅层；
在所述单晶硅层中形成暴露所述多孔硅层的通孔；
去除所述多孔硅层以形成空腔。
可选的，在所述的空腔形成方法中，形成空腔之后，在所述单晶硅层上形成膜层以封闭所述空腔。所述膜层通过外延或淀积工艺形成。
可选的，在所述的空腔形成方法中，所述硅衬底为N型轻掺杂，所述N型掺杂区域为N型重掺杂。所述硅衬底的掺杂浓度小于1018cm-3。所述N型掺杂区域的掺杂浓度大于1019cm-3。所述N型杂质离子是磷离子。
可选的，在所述的空腔形成方法中，所述多孔硅层为中孔硅，孔隙率在10％-70％之间。采用氢氟酸与乙醇的混合溶液、氢氟酸与甲醇的混合溶液、氢氟酸与丙醇的混合溶液、或氢氟酸与异丙醇的混合溶液进行电化学腐蚀工艺形成所述多孔硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，在所述硅衬底的正面外延生长单晶硅层之前，还包括：在所述多孔硅层表面形成二氧化硅层；以及去除所述多孔硅层表面的二氧化硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，所述通孔的横截面形状是矩形，所述通孔的纵截面形状是矩形或倒梯形。
可选的，在所述的空腔形成方法中，采用氨水与双氧水混合溶液、氢氟酸与双氧水的混合溶液、或四甲基氢氧化铵溶液去除所述多孔硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，在所述单晶硅层中形成通孔之后，去除所述多孔硅层之前，还包括：将所述多孔硅层氧化为二氧化硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，将所述多孔硅层氧化为二氧化硅层的过程包括：进行低温氧化工艺，所述低温氧化工艺的温度是300℃～400℃；进行高温氧化工艺，所述高温氧化工艺的温度是900℃～1200℃；进行退火工艺形成二氧化硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，采用缓冲氢氟酸溶液或稀释的氢氟酸溶液去除所述二氧化硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，采用氢氟酸气相腐蚀工艺去除所述二氧化硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，通过电化学腐蚀工艺将所述硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层。
可选的，在所述的空腔形成方法中，在所述硅衬底正面的预定区域形成N型掺杂区域的同时，还在所述硅衬底背面形成N型掺杂区域，以作为所述电化学腐蚀工艺的电极。
可选的，在所述的空腔形成方法中，在所述硅衬底正面的预定区域形成N型掺杂区域之后，通过溅射工艺在所述硅衬底的背面形成金或铂金属层，以作为所述电化学腐蚀工艺的电极。
根据本发明的另一面，还提供一种半导体器件结构，包括：
N型掺杂的硅衬底；
形成于所述硅衬底正面内的空腔；
形成于所述硅衬底正面上的单晶硅层；
形成于所述单晶硅层中并暴露所述空腔的通孔。
可选的，在所述的半导体器件结构中，还包括形成于所述单晶硅层上并封
闭所述空腔的膜层。
可选的，在所述的半导体器件结构中，所述硅衬底为N型轻掺杂。所述硅衬底的掺杂浓度小于1018cm-3。
可选的，在所述的半导体器件结构中，所述通孔的横截面形状是矩形，所述通孔的纵截面形状是矩形或倒梯形。
在本发明提供的空腔形成方法中，在N型掺杂的硅衬底正面预定区域形成N型掺杂区域，并将硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层，再在硅衬底的正面外延生长单晶硅层，并在单晶硅层中形成暴露所述多孔硅层的通孔，随后去除所述多孔硅层以形成空腔。本发明使用单一硅片即可形成空腔薄膜结构，并且通过控制N型掺杂区域的结深就能控制空腔的大小，工艺简单，成本较低。此外，该方法能够与CMOS工艺兼容，可用于制造IC与MEMS兼容的集成器件。
附图说明
为了更好的说明本发明的内容，以下结合附图对实施例做简单的说明。附图是本发明的理想化实施例的示意图，为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。图中的表示是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。其中：
图1a～1g为本发明实施例一中空腔薄膜形成过程中的剖面示意图；
图2a～2h为本发明实施例二中空腔薄膜形成过程中的剖面示意图；
图3a至图3c为本发明实施例一或二中多孔硅层局部放大的剖面示意图；
图4为本发明空腔形成方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提出一种空腔形成方法，如图4所示，包括如下步骤：
步骤S1：提供一N型掺杂的硅衬底；
步骤S2：在所述硅衬底正面的预定区域注入N型杂质离子以形成N型掺杂区域；
步骤S3：将所述硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层；
步骤S4：在所述硅衬底的正面外延生长单晶硅层；
步骤S5：在所述单晶硅层中形成暴露所述多孔硅层的通孔；
步骤S6：去除所述多孔硅层以形成空腔；
步骤S7：在所述单晶硅层上形成膜层以封闭所述空腔。
下面结合剖面图对本发明提出的空腔形成方法作进一步详细说明。
实施例一
参考图1a所示，提供一N型掺杂的硅衬底100。该硅衬底100例如是晶向为<100>的硅衬底，利于形成质量较佳的单晶硅层。该N型掺杂的硅衬底100优选为轻掺杂(N-)衬底，掺杂浓度例如小于1018cm-3，但并不限于此。
参考图1b所示，在所述硅衬底100正面的预定区域注入N型杂质离子，再通过退火工艺，形成N型重掺杂(N+)掺杂区域101，所述N型杂质离子例如是磷离子，退火温度例如是900～1100℃，优选为1000℃，退火时间例如是40～60分钟，优选为50分钟，该N+掺杂区域101的掺杂浓度优选大于1019cm-3。本实施例中，在硅衬底100正面的局部区域注入N型杂质离子的同时，还在硅衬底100整个背面区域注入N型杂质离子，并通过退火工艺，在硅衬底100背面形成N+掺杂区域102，该N+掺杂区域102作为后续电化学腐蚀工艺的电极。可以理解的是，也可不在硅衬底100背面形成该N+掺杂区域102，而是通过溅射等方式在硅衬底100背面形成金或铂等金属层，同样可作为后续电化学腐蚀工艺的电极。应当理解的是，所述轻掺杂(N-)的硅衬底是指相对于所述重掺杂(N+)区域101、102的掺杂浓度较低，此处的“轻掺杂”与“重掺杂”仅是二者比较的结果，而并非是用以限定硅衬底100和N+掺杂区域101、102的具体掺杂浓度。
参考图1c所示，通过电化学腐蚀工艺将硅衬底100正面的N+掺杂区域101转换为多孔硅层103。较佳的，所述多孔硅层103为中孔硅，孔隙率在10％-70％之间，如此有利于避免多孔硅层崩塌。可通过调控电化学腐蚀所用的腐蚀液浓度、电流大小等制备不同孔隙率的多孔硅层。优选的，采用氢氟酸(HF)与乙醇(C2H5OH)的混合溶液进行电化学腐蚀，氢氟酸(HF)与乙醇(C2H5OH)体积比范围为1:10～2:1，体积比优选为1：1。当然，形成所述多孔硅层103的溶液还可以是氢氟酸和甲醇、氢氟酸和丙醇、氢氟酸和异丙醇等。该多孔硅层103的典型厚度为5μm～15μm，但并不限于此。
参考图1d所示，通过外延的方式在硅衬底100的正面生长单晶硅层104，所述单晶硅层104的典型厚度为0.5μm～10μm，但并不限于此。
图3a至图3c所示为多孔硅层局部放大结构的剖面示意图。优选方案中，在硅衬底100正面生长单晶硅层104之前，如图3a所示，先在所述多孔硅层103表面形成二氧化硅层103-1，例如，可在300～500℃的干氧条件下热生长该二氧化硅层103-1；然后，如图3b所示，去除多孔硅层103表面的二氧化硅层103-1，暴露出硅表面；最后，如图3c所示，将所述硅衬底100送入外延炉中进行氢气(H2)退火及外延生长该单晶硅层104。
需要说明的是，本实施例首先在多孔硅层103表面形成二氧化硅层103-1，再去除多孔硅层103表面的二氧化硅层103-1，之后再经由氢气退火和外延工艺来形成该单晶硅层104，这样多孔硅层103结构稳定、不易发生迁移。本领域技术人员应当理解，也可以直接通过外延的方式在多孔硅层103表面生长单晶硅层104。
参考图1e所示，在所述单晶硅层104中形成暴露多孔硅层103的通孔104’。本实施例中，多孔硅层103上方的单晶硅层104变为网格结构，所述网格结构由横条和竖条交叉而成，所述横条的宽度和竖条的宽度相同，并且，所述横条和竖条交叉限定的通孔104’的横截面(平行于硅衬底表面的截面)形状是正方形，所述正方形的边长与横条的宽度和竖条的宽度相同，这样后续外延工艺过程中网格结构的空洞更容易封闭起来；所述通孔104’的纵截面(垂直于硅衬底表面的截面)可以是矩形，也可以是上宽下窄的倒梯形。应当理解的是，上述网格结构的形状和尺寸仅是举例而并非用来限制本发明。
参考图1f所示，通过湿法腐蚀工艺去除该多孔硅层103，保留单晶硅层104，形成空腔103’。可采用氨水与双氧水混合溶液(NH4OH/H2O2/H2O，SC1)或者氢氟酸与双氧水的混合溶液(HF/H2O2/H2O，SC2)腐蚀所述多孔硅层103，当然，还可采用四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性腐蚀液腐蚀多孔硅层103。本实施例中，在N型掺杂的硅衬底100上形成N+掺杂区域101，电化学腐蚀形成多孔硅层103时，不会腐蚀N型掺杂的硅衬底100，如此，通过控制N+掺杂区域101的结的深度就能控制形成的多孔硅层103的大小，进而控制最终形成的空腔103’的大小，工艺简单，成本较低。
参考图1g所示，在单晶硅层104上形成膜层105，以密闭单晶硅层104上的通孔，形成空腔薄膜结构。本实施例中，所述膜层105为单晶硅，以单晶硅层104为种子层，通过外延的方式形成。在其他实施例中，所述膜层亦可是其他材质，可通过淀积工艺形成。
实施例二
参考图2a所示，提供一N型掺杂的硅衬底200。该N型掺杂的硅衬底200优选为轻掺杂(N-)衬底，掺杂浓度例如小于1018cm-3，但并不限于此。
参考图2b所示，在硅衬底200正面的局部区域注入N型杂质离子，再通过高温退火工艺，形成N+掺杂区域201。在硅衬底200正面的局部区域进行离子注入的同时，还在硅衬底200整个背面区域注入N型杂质离子，并通过高温退火工艺，在硅衬底200背面形成N+掺杂区域202。
参考图2c所示，通过电化学腐蚀工艺方法，将硅衬底200正面的N+掺杂区域201转换为多孔硅层203。
参考图2d所示，通过外延的方式在所述硅衬底200正面生长单晶硅层204，该单晶硅层204的典型厚度为0.5μm～20μm，但并不限于此。
参考图2e所示，刻蚀所述单晶硅层204形成通孔204’。所述通孔204’的截面可以是矩形，也可以是上宽下窄的倒梯形。可通过常规的半导体工艺方法形成通孔，该通孔贯穿整个外延单晶硅层。
参考图2f所示，通过通孔204’氧化单晶硅层204下方的多孔硅层203，以将所述多孔硅层203转换为二氧化硅层203a，与此同时，单晶硅层204的表面也被氧化。作为一个非限制性的例子，氧化多孔硅层203的过程包括：首先，进行低温氧化工艺，以固定多孔硅层203，所述低温氧化工艺的温度例如是300℃～400℃；接着，进行高温氧化工艺，以氧化多孔硅层203，所述高温氧化工艺的温度例如是900℃～1200℃；最后，进行退火工艺形成二氧化硅层203a，所述退火工艺的温度例如是900～1100℃，优选为1000℃，退火时间例如是20～40分钟，优选为30分钟。
参考图2g所示，通过湿法腐蚀或者氢氟酸(HF)气相腐蚀工艺去除由多孔硅层203转换的二氧化硅层203’，此步骤中，单晶硅层204表面的二氧化硅层也被一并去除。所述湿法腐蚀工艺采用的溶液例如是缓冲氢氟酸(BOE)或稀释的氢氟酸(DHF)溶液。
参考图2h所示，以单晶硅层204为种子层，通过外延的方式在单晶硅层204上生长膜层205，以密闭单晶硅层204上的通孔，形成空腔薄膜结构。
实施例三
本实施例提供一种半导体器件结构，可利用实施例一或实施例二所述的方法形成。参考图1g所示，并结合图1a～1f所示，所述半导体器件结构包括：N型掺杂的硅衬底100；形成于所述硅衬底100正面内的空腔103’；形成于所述硅衬底100正面上的单晶硅层104；形成于所述单晶硅层104中并暴露所述空腔103’的通孔104’。
进一步的，所述半导体器件结构还包括形成于所述单晶硅层104上并封闭所述空腔103’的膜层105。
其中，所述硅衬底100为N型轻掺杂，所述硅衬底的掺杂浓度小于1018cm-3。所述通孔104’的横截面形状是矩形，所述通孔104’的纵截面形状是矩形或倒梯形。
所述半导体器件结构可以应用在微机电传感器领域，尤其是压力传感器。
综上所述，本发明提供一种新型体硅微机械加工技术，规避了传统的压阻式压力传感器加工方法存在的不足，具有如下优点：
(1)使用单一硅片即可形成空腔薄膜结构，成本较低；
(2)薄膜厚度均匀，易于大规模生产制造；
(3)能够与CMOS工艺兼容，可用于制造IC与MEMS兼容的集成器件。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (17)

1.一种空腔形成方法，其特征在于，包括：
提供一N型掺杂的硅衬底；
在所述硅衬底正面的预定区域注入N型杂质离子以形成N型掺杂区域；
将所述硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层；
在所述硅衬底的正面外延生长单晶硅层；
在所述单晶硅层中形成暴露所述多孔硅层的通孔；
去除所述多孔硅层以形成空腔；以及
在所述单晶硅层上形成膜层以封闭所述空腔；
其中，在所述硅衬底的正面外延生长单晶硅层之前，还包括：在所述多孔硅层表面形成二氧化硅层；以及去除所述多孔硅层表面的二氧化硅层。
2.如权利要求1所述的空腔形成方法，其特征在于，所述膜层通过外延或淀积工艺形成。
3.如权利要求1所述的空腔形成方法，其特征在于，所述硅衬底为N型轻掺杂，所述N型掺杂区域为N型重掺杂。
4.如权利要求1所述的空腔形成方法，其特征在于，所述硅衬底的掺杂浓度小于1018cm-3。
5.如权利要求1所述的空腔形成方法，其特征在于，所述N型掺杂区域的掺杂浓度大于1019cm-3。
6.如权利要求1所述的空腔形成方法，其特征在于，所述N型杂质离子是磷离子。
7.如权利要求1所述的空腔形成方法，其特征在于，所述多孔硅层的孔隙率在10％-70％之间。
8.如权利要求1至7中任一项所述的空腔形成方法，其特征在于，采用氢氟酸与乙醇的混合溶液、氢氟酸与甲醇的混合溶液、氢氟酸与丙醇的混合溶液、或氢氟酸与异丙醇的混合溶液进行电化学腐蚀工艺形成所述多孔硅层。
9.如权利要求1至7中任一项所述的空腔形成方法，其特征在于，所述通孔的横截面形状是矩形，所述通孔的纵截面形状是矩形或倒梯形。
10.如权利要求1至7中任一项所述的空腔形成方法，其特征在于，采用氨水与双氧水混合溶液、氢氟酸与双氧水的混合溶液、或四甲基氢氧化铵溶液去除所述多孔硅层。
11.如权利要求1至7中任一项所述的空腔形成方法，其特征在于，在所述单晶硅层中形成通孔之后，去除所述多孔硅层之前，还包括：
将所述多孔硅层氧化为二氧化硅层。
12.如权利要求11所述的空腔形成方法，其特征在于，将所述多孔硅层氧化为二氧化硅层的过程包括：
进行低温氧化工艺，所述低温氧化工艺的温度是300℃～400℃；
进行高温氧化工艺，所述高温氧化工艺的温度是900℃～1200℃；
进行退火工艺形成二氧化硅层。
13.如权利要求11所述的空腔形成方法，其特征在于，采用缓冲氢氟酸溶液或稀释的氢氟酸溶液去除所述二氧化硅层。
14.如权利要求11所述的空腔形成方法，其特征在于，采用氢氟酸气相腐蚀工艺去除所述二氧化硅层。
15.如权利要求1至7中任一项所述的空腔形成方法，其特征在于，通过电化学腐蚀工艺将所述硅衬底正面的N型掺杂区域转换为多孔硅层。
16.如权利要求15所述的空腔形成方法，其特征在于，在所述硅衬底正面的预定区域形成N型掺杂区域的同时，还在所述硅衬底背面形成N型掺杂区域，以作为所述电化学腐蚀工艺的电极。
17.如权利要求15所述的空腔形成方法，其特征在于，在所述硅衬底正面的预定区域形成N型掺杂区域之后，通过溅射工艺在所述硅衬底的背面形成金或铂金属层，以作为所述电化学腐蚀工艺的电极。
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