CN105439074A - 空腔薄膜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空腔薄膜及其制造方法，所述方法包括：提供第一掺杂浓度的N型硅片；在所述第一掺杂浓度的N型硅片表面形成第二掺杂浓度的第一N型层，所述第二掺杂浓度高于第一掺杂浓度；通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层；通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜；在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层；通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔；通过外延生长工艺形成单晶硅层，密闭所述多个通孔。从而与CMOS工艺兼容，可实现SON器件与薄膜传感器的集成；制造工艺简单，对设备要求低。

Description

空腔薄膜及其制造方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种空腔薄膜及其制造方法。
背景技术
MEMS(MicroElectromechanicalSystem，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。它是在融合多种细微加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前言学科。
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技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18％，因此对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
市场上的MEMS传感器通常是薄膜传感器，比如先在支撑的硅片上沉积一层厚度在几十纳米到几微米之间的薄膜，通过在后续工艺中移除硅片以获得局部的薄膜区域，传感器的各种结构制造在薄膜的中间区域。MEMS压力传感器是一种重要的薄膜传感器。该薄膜传感器可以用类似于集成电路的设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单、易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样，像集成电路那么微小，而且成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，相对于传统“机械”制造技术，其性价比大幅度提高。
MEMS压力传感器的一个关键结构就是空腔薄膜(即薄膜内具有空腔)，因此提供一种适合大规模生产的空腔薄膜的制造方法成了本领域技术人员亟待解决的一个技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空腔薄膜及其制造方法，以满足现有技术中对于适合大规模生产的空腔薄膜的制造方法的需求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种空腔薄膜的制造方法，所述空腔薄膜的制造方法包括：
提供第一掺杂浓度的N型硅片；
在所述第一掺杂浓度的N型硅片表面形成第二掺杂浓度的第一N型层，所述第二掺杂浓度高于所述第一掺杂浓度；
通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层；
通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜；
在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层；
通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔；
通过外延生长工艺形成单晶硅层，密闭所述多个通孔。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，在通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜之后，在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层之前，还包括：
在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜表面形成第二掺杂浓度的第二N型层；
通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第二N型层变成第二多孔硅层；
通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第二N型空腔隔膜。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，同时在所述第二N型空腔隔膜和第一N型空腔隔膜中形成多个通孔所述多个通孔露出部分第一多孔硅层和部分第二多孔硅层；通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔，同时使得所述第二多孔硅层变成第二空腔。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，重复执行前述两项中的步骤。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层之后，通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜之前，还包括：
通过氧化方式固化所述第一多孔硅层。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，通过氧化方式固化所述第一多孔硅层中的工艺温度为300℃～500℃。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，通过氧化方式固化所述第一多孔硅层之后，还包括：
使用稀释的氢氟酸去除氧化方式固化所述第一多孔硅层过程中所形成的氧化层。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，所述稀释的氢氟酸中氟化氢与水的体积比为1：40。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，在所述第一掺杂浓度的N型硅片表面形成第二掺杂浓度的第一N型层包括：
在所述第一掺杂浓度的N型硅片上形成氮化硅薄膜；
在所述氮化硅薄膜中形成窗口；
对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面执行离子注入工艺，形成第二掺杂浓度的第一N型层。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，所述氮化硅薄膜的厚度为1500埃～3000埃。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面执行离子注入工艺包括：
对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面注入磷离子；
对注入磷离子后的第一掺杂浓度的N型硅片执行退火工艺。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面注入磷离子中，所述磷离子的注入剂量为1E14～1E16，所述磷离子的注入能量为40Kev～80Kev。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，对注入磷离子后的第一掺杂浓度的N型硅片执行退火工艺中，采用的工艺条件为：
反应气体：氮气和氧气；
反应温度：800℃～1200℃；
反应时间：30分钟～60分钟。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，电化学腐蚀工艺所采用的反应溶液为：氟化氢与醇类的混合溶液。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层的电化学腐蚀工艺的腐蚀电流为：100mA/cm2～400mA/cm2。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，所述多孔硅层的孔隙率为30％～70％。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，所述单晶硅层的厚度为0.5μm～10μm。
可选的，在所述的空腔薄膜的制造方法中，使用SiH2Cl2为气源在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层。
本发明还提供一种空腔薄膜，所述空腔薄膜包括：硅片，所述硅片中形成有空腔。
可选的，在所述的空腔薄膜中，还包括：空腔隔膜，所述空腔隔膜位于所述硅片上，所述空腔隔膜中形成有空腔。
可选的，在所述的空腔薄膜中，所述空腔隔膜的数量为一层或者多层。
可选的，在所述的空腔薄膜中，所述硅片和空腔隔膜均为N型。
本发明提供的空腔薄膜及其制造方法，与CMOS工艺兼容，可实现SON(silicononnothing)器件与薄膜传感器的集成；制造工艺相对简单，对设备要求低。
附图说明
图1～图9是本发明实施例的空腔薄膜的制造方法所形成的结构的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空腔薄膜及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本申请实施例中，采用N型硅片制造具有多个空腔的空腔薄膜。所述空腔薄膜的制造方法包括：
步骤10：提供第一掺杂浓度的N型硅片；
步骤11：在所述第一掺杂浓度的N型硅片表面形成第二掺杂浓度的第一N型层，所述第二掺杂浓度高于所述第一掺杂浓度；
步骤12：通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层；
步骤13：通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜；
步骤14：在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层；
步骤15：通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔；
步骤16：通过外延生长工艺形成单晶硅层，密闭所述多个通孔。
在本申请实施例中，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜之后，在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层之前，还可包括：
步骤13a：在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜表面形成第二掺杂浓度的第二N型层；
步骤13b：通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第二N型层变成第二多孔硅层；
步骤13c：通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第二N型空腔隔膜。
则此时，同时在所述第二N型空腔隔膜和第一N型空腔隔膜中形成多个通孔所述多个通孔露出部分第一多孔硅层和部分第二多孔硅层；通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔，同时使得所述第二多孔硅层变成第二空腔。
具体的，请参考图1～图9，其为本发明实施例的空腔薄膜的制造方法所形成的结构的剖面示意图。
首先，如图1所示，提供第一掺杂浓度的N型硅片100，在此，所述第一掺杂浓度也可以称为低掺杂浓度。接着，在所述第一掺杂浓度的N型硅片100表面形成第二掺杂浓度的第一N型层101，所述第二掺杂浓度高于所述第一掺杂浓度，即所述第二掺杂浓度也可以称为高掺杂浓度。
具体的，在所述第一掺杂浓度的N型硅片100表面形成第二掺杂浓度的第一N型层101包括：在所述第一掺杂浓度的N型硅片100上形成氮化硅薄膜；在所述氮化硅薄膜中形成窗口；对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片100表面执行离子注入工艺，形成第二掺杂浓度的第一N型层101。优选的，所述氮化硅薄膜的厚度为1500埃～3000埃。其中，在所述氮化硅薄膜中形成窗口可以通过匀胶、光刻及刻蚀的工艺实现。
进一步的，对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片100表面执行离子注入工艺包括：对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片100表面注入磷离子；对注入磷离子后的第一掺杂浓度的N型硅片100执行退火工艺。优选的，所述磷离子的注入剂量为1E14～1E16，所述磷离子的注入能量为40Kev～80Kev。
进一步的，对注入磷离子后的第一掺杂浓度的N型硅片100执行退火工艺中，采用的工艺条件为：反应气体：氮气和氧气；反应温度：800℃～1200℃；反应时间：30分钟～60分钟。
接着，如图2所示，通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层101变成第一多孔硅层102。所述电化学腐蚀工艺所采用的反应溶液为：氟化氢与醇类的混合溶液。例如，采用体积比为1:1的HF与C2H5OH的混合溶液执行电化学腐蚀工艺。优选的，所述电化学腐蚀工艺的腐蚀电流为：100mA/cm2～400mA/cm2。在本申请实施例中，所述多孔硅层102的孔隙率为30％～70％。
在本申请实施例中，在形成了所述第一多孔硅层102之后，还通过氧化方式固化所述第一多孔硅层102。通过氧化方式固化所述第一多孔硅层102中的工艺温度为300℃～500℃。由此可以保证所述第一多孔硅层102的质量及可靠性。在氧化过程中，所述N型硅片100将形成一层薄氧化层，因此在本申请实施例中还包括：使用稀释的氢氟酸去除氧化方式固化所述第一多孔硅层102过程中所形成的氧化层。优选的，所述稀释的氢氟酸中氟化氢与水的体积比为1：40。
接着，如图3所示，通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片100上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜103。在本申请实施例中，使用SiH2Cl2为气源在所述第一掺杂浓度的N型硅片100上生长单晶硅层。所述单晶硅层的厚度为0.5μm～10μm。
如图4所示，在本申请实施例中，接着在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜103表面形成第二掺杂浓度的第二N型层104。其中，所述第二N型层104的形成方式与所述第一N型层101的形成方式相同，本申请对此不再赘述。
接着，如图5所示，通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第二N型层104变成第二多孔硅层105。其中，所述第二多孔硅层105的形成方式可参考所述第一多孔硅层102的形成方式，本申请对此不再赘述。
在本申请实施例中，接着，如图6所示，通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜103上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第二N型空腔隔膜106。其中，所述第二N型空腔隔膜106的形成方式可参考所述第一N型空腔隔膜103的形成方式，本申请对此不再赘述。
接着，如图7所示，同时在所述第二N型空腔隔膜106和第一N型空腔隔膜103中形成多个通孔所述多个通孔107露出部分第一多孔硅层102和部分第二多孔硅层105。其中，所述多个通孔107的形成可通过匀胶、光刻及刻蚀工艺完成。
在本申请实施例中，接着可参考图8，通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层102变成第一空腔108，同时使得所述第二多孔硅层105变成第二空腔109。其中，可采用SC1溶液执行所述腐蚀工艺。
在本申请实施例中，接着可通过外延生长工艺形成单晶硅层110，密闭所述多个通孔，具体如图9所示。
由此，便可形成具有两个空腔的空腔薄膜。所述空腔薄膜包括硅片，所述硅片中形成有空腔；还包括空腔隔膜，所述空腔隔膜位于所述硅片上，所述空腔隔膜中也形成有空腔。在本申请实施例中，仅在第一层空腔隔膜中形成了空腔；在本申请的其他实施例中，也可以在后续几层空腔隔膜中形成空腔，从而形成具有更多空腔的空腔薄膜。或者也可以不在空腔隔膜中形成空腔，即仅在硅片中形成空腔，从而得到具有一个空腔的空腔薄膜。对此，可根据具体需求进行制造，本申请对此不作限定。
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 (22)

1.一种空腔薄膜的制造方法，其特征在于，包括：
提供第一掺杂浓度的N型硅片；
在所述第一掺杂浓度的N型硅片表面形成第二掺杂浓度的第一N型层，所述第二掺杂浓度高于所述第一掺杂浓度；
通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层；
通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜；
在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层；
通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔；
通过外延生长工艺形成单晶硅层，密闭所述多个通孔。
2.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，在通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜之后，在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜中形成多个通孔，所述多个通孔露出部分第一多孔硅层之前，还包括：
在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜表面形成第二掺杂浓度的第二N型层；
通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第二N型层变成第二多孔硅层；
通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第二N型空腔隔膜。
3.如权利要求2所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，同时在所述第二N型空腔隔膜和第一N型空腔隔膜中形成多个通孔所述多个通孔露出部分第一多孔硅层和部分第二多孔硅层；通过腐蚀工艺使所述第一多孔硅层变成第一空腔，同时使得所述第二多孔硅层变成第二空腔。
4.如权利要求3所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，重复执行权利要求2和权利要求3中的步骤。
5.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，通过电化学腐蚀工艺使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层之后，通过外延生长工艺在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层，形成第一掺杂浓度的第一N型空腔隔膜之前，还包括：
通过氧化方式固化所述第一多孔硅层。
6.如权利要求5所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，通过氧化方式固化所述第一多孔硅层中的工艺温度为300℃～500℃。
7.如权利要求5所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，通过氧化方式固化所述第一多孔硅层之后，还包括：
使用稀释的氢氟酸去除氧化方式固化所述第一多孔硅层过程中所形成的氧化层。
8.如权利要求7所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，所述稀释的氢氟酸中氟化氢与水的体积比为1：40。
9.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，在所述第一掺杂浓度的N型硅片表面形成第二掺杂浓度的第一N型层包括：
在所述第一掺杂浓度的N型硅片上形成氮化硅薄膜；
在所述氮化硅薄膜中形成窗口；
对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面执行离子注入工艺，形成第二掺杂浓度的第一N型层。
10.如权利要求9所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜的厚度为1500埃～3000埃。
11.如权利要求9所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面执行离子注入工艺包括：
对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面注入磷离子；
对注入磷离子后的第一掺杂浓度的N型硅片执行退火工艺。
12.如权利要求11所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，对所述窗口中的第一掺杂浓度的N型硅片表面注入磷离子中，所述磷离子的注入剂量为1E14～1E16，所述磷离子的注入能量为40Kev～80Kev。
13.如权利要求11所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，对注入磷离子后的第一掺杂浓度的N型硅片执行退火工艺中，采用的工艺条件为：
反应气体：氮气和氧气；
反应温度：800℃～1200℃；
反应时间：30分钟～60分钟。
14.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，电化学腐蚀工艺所采用的反应溶液为：氟化氢与醇类的混合溶液。
15.如权利要求14所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，使第二掺杂浓度的第一N型层变成第一多孔硅层的电化学腐蚀工艺的腐蚀电流为：100mA/cm2～400mA/cm2。
16.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，所述多孔硅层的孔隙率为30％～70％。
17.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，所述单晶硅层的厚度为0.5μm～10μm。
18.如权利要求1所述的空腔薄膜的制造方法，其特征在于，使用SiH2Cl2为气源在所述第一掺杂浓度的N型硅片上生长单晶硅层。
19.一种空腔薄膜，其特征在于，包括：硅片，所述硅片中形成有空腔。
20.如权利要求19所述的空腔薄膜，其特征在于，还包括：空腔隔膜，所述空腔隔膜位于所述硅片上，所述空腔隔膜中形成有空腔。
21.如权利要求20所述的空腔薄膜，其特征在于，所述空腔隔膜的数量为一层或者多层。
22.如权利要求21所述的空腔薄膜，其特征在于，所述硅片和空腔隔膜均为N型。
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