CN109399553A - 一种半导体器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体器件的制备方法。所述方法包括：提供SOI基底，所述SOI基底包括自下而上的体硅、氧化埋层和顶层硅；图案化所述顶层硅，以在所述顶层硅中形成若干相互间隔的孔；执行退火步骤，以使由所述孔相间隔的所述顶层硅迁移形成空腔顶壁和空腔；在所述空腔顶壁的表面形成若干压阻条；在若干所述压阻条上形成导电引线。本发明提供的空腔的制备方法，与CMOS工艺兼容，可实现SON(silicon on nothing)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，极大的降低了工艺成本，而且进一步提高了器件的性能和良率。

Description

一种半导体器件的制备方法
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的制备方法。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，在传感器(motion sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电系统(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传动传感器产品的发展方向是规模更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。
其中，MEMS传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等，电子音像领域：麦克风等设备。
目前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
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。
本发明提供了一种半导体器件的制备方法，所述方法包括：
提供SOI基底，所述SOI基底包括自下而上的体硅、氧化埋层和顶层硅；
图案化所述顶层硅，以在所述顶层硅中形成若干相互间隔的孔；
执行退火步骤，以使由所述孔相间隔的所述顶层硅迁移形成空腔顶壁和空腔；
在所述空腔顶壁的表面形成若干压阻条；
在若干所述压阻条上形成导电引线。
可选地，所述方法还进一步包括：
图案化所述体硅，以形成背腔，露出所述氧化埋层。
可选地，所述方法还进一步包括：
去除所述空腔和所述背腔之间的所述氧化埋层。
可选地，使用氢氟酸蒸汽蚀刻系统去除所述氧化埋层。
可选地，所述孔的关键尺寸为0.5μm-1μm。
可选地，所述孔的深度为1μm-20μm。
可选地，所述孔的间隔为0.5μm-1μm。
可选地，所述退火步骤在非氧气气氛下进行。
可选地，所述退火步骤的温度大于800℃。
可选地，对所述空腔顶壁的表面进行离子掺杂，以形成若干所述压阻条。
可选地，所述半导体器件包括压阻式差压压力传感器结构。
本发明提供了一种半导体器件的制备方法，在所述方法中所述衬底为SOI衬底，在所述SOI衬底上执行SON工艺(silicon on nothing)，以在所述SOI衬底上形成空腔，然后形成压阻条和导电引线。本发明提供的空腔的制备方法，与CMOS工艺兼容，可实现SON(silicon on nothing)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，极大的降低了工艺成本，而且进一步提高了器件的性能和良率。所述SOI衬底中形成有氧化埋层，所述氧化埋层在后续的步骤中可以作为隔离，简化了工艺步骤，降低了成本。
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1为本发明中所述半导体器件的制备工艺流程图；
图2a-2f为本发明中所述半导体器件的制备过程示意图。
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。
实施例一
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种半导体器件的制备方法，下面结合附图对所述方法作进一步的说明。
其中，图2a-2f为本发明中所述半导体器件的制备过程示意图。
图1为本发明中所述半导体器件的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供SOI基底，所述SOI基底包括自下而上的体硅、氧化埋层和顶层硅；
步骤S2：图案化所述顶层硅，以在所述顶层硅中形成若干相互间隔的孔；
步骤S3：执行退火步骤，以使由所述孔相间隔的所述顶层硅迁移形成空腔顶壁和空腔；
步骤S4：在所述空腔顶壁的表面形成若干压阻条；
步骤S5：在若干所述压阻条上形成导电引线。
本发明提供了一种半导体器件的制备方法，在所述方法中所述衬底为SOI衬底，在所述SOI衬底上执行SON工艺(silicon on nothing)，以在所述SOI衬底上形成空腔，然后形成压阻条和导电引线。本发明提供的空腔的制备方法，与CMOS工艺兼容，可实现SON(silicon on nothing)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，极大的降低了工艺成本，而且进一步提高了器件的性能和良率。
下面以附图1中的工艺流程图为基础，对所述方法展开进行详细说明。
执行步骤一，提供SOI基底，所述SOI基底包括自下而上的体硅、氧化埋层和顶层硅。
具体地，如图2a所示，绝缘体上硅(SOI)，包括自下而上的体硅201、氧化埋层202和顶层硅203。
其中，在本发明中所述半导体器件包括各种MEMS器件，各种MEMS传感器，例如应用于汽车电子的：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；应用于消费电子的：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；应用于工业电子的：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等，电子音像领域：麦克风等设备。
在本发明中以差压压力传感器为例对所述半导体器件的制备方法进行说明，但是并不局限于该示例，还可以应用于上述提及的各种MEMS器件中，在此不再赘述。
本发明中由于SOI被制成器件有源区下方具有氧化埋层，该氧化埋层埋置于半导体基底层，从而使器件具有更加优异的性能。
此外，所述SOI衬底中形成有氧化埋层，所述氧化埋层在后续的步骤中可以作为隔离，简化了工艺步骤，降低了成本。
执行步骤二，图案化所述顶层硅，以在所述顶层硅中形成若干相互间隔的孔。
具体地，如图2a所示，在该步骤中通过电化学腐蚀工艺使顶层硅203变成具有孔的顶层硅。
在本申请实施例中，所述顶层硅的孔隙率为20％～80％。
在本申请实施例中，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。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。
可选地，对所述顶层硅的电化学腐蚀工艺的腐蚀电流为：20mA/cm2～120mA/cm2。
其中，所述孔的关键尺寸为0.5μm-1μm。在本发明中所述孔的关键尺寸是指所述孔的开口尺寸，例如直径、长或宽等。
具体地，通过所述电化学腐蚀可以使所述孔的直径或者边长达到0.5μm-1μm。
可选地，所述孔的深度为1μm-20μm。
可选地，所述孔相互间隔设置，其中相邻的孔之间为柱形结构，所述孔的间隔为0.5μm-1μm。
作为本发明的一种替代性实施方法，除了选用电化学腐蚀以外，还可以选用深反应离子刻蚀(DRIE)的方法蚀刻所述顶层硅，以形成所述孔。
具体地，在所述深反应离子刻蚀(DRIE)步骤中选用气体六氟化硅(SF6)作为工艺气体，施加射频电源，使得六氟化硅反应进气形成高电离，所述蚀刻步骤中控制工作压力为20mTorr-8Torr，功率为600W，频率为13.5MHz，直流偏压可以在-500V-1000V内连续控制，保证各向异性蚀刻的需要，选用深反应离子刻蚀(DRIE)可以保持非常高的刻蚀光阻选择比。所述深反应离子刻蚀(DRIE)系统可以选择本领常用的设备，并不局限于某一型号。
作为另一种实施方式，图案化所述顶层硅的同时图案化所述氧化埋层，以在所述顶层硅和所述氧化埋层中形成相互间隔的所述孔。
执行步骤三，执行退火步骤，以使由所述孔相间隔的所述顶层硅迁移形成空腔顶壁和空腔。
具体地，如图2b所示，执行退火工艺，以使所述顶层硅迁移至所述孔的顶部，并且结合所述孔两侧的所述顶层硅，以在所述体硅上方形成密闭的空腔。
同时在顶层硅迁移形成所述空腔顶壁的过程中，所述顶壁作为后续外延工艺的种子层。
例如所述顶层硅为硅时，通过迁移形成的所述种子层为单晶硅，在外延之后形成的外延层仍为单晶结构。
在该步骤中通过退火工艺使具有孔的顶层硅迁移形成空腔，所述退火工艺在非氧气气氛下进行，例如在氢气，氮气或其他惰性气体中间进行。所述退火温度大于800℃。
例如，所述退火工艺的条件为：反应气体：氢气；反应温度：800℃～1200℃，例如1000℃左右。
执行步骤四，在所述空腔顶壁的表面形成若干压阻条。
具体地，如图2c所示，在该步骤中对所述空腔顶壁的表面进行离子掺杂，以形成若干所述压阻条。
其中，所述离子掺杂类型并不局限于某一种，可以根据实际需要进行选择，例如N型或者P型。
在本发明的一具体实施方式中，利用淡硼掺杂工艺在所述空腔顶壁上设置压阻条204。
其中，所述压阻条204的数目并不局限于某一数值范围，可以根据实际需要进行选择。
例如在本发明的一个实施例中，所述压阻条204设置于所述空腔顶壁的中心区域，并且数目为两个。
其中，所述压阻条204受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。
执行步骤五，在若干所述压阻条上形成导电引线。
具体地，如图2d所示，在该步骤中在所述压阻条上形成导电引线，例如形成金属线。
其中，所述金属线的材料可以选用铜或铝等，但并不局限于上述示例，还可以选用其他常用的导电材料。
其中，所述导电引线用于将所述压阻条产生的电阻变化信号引出。
执行步骤六，图案化所述体硅，以形成背腔，露出所述氧化埋层。
具体地，如图2e所示，去除部分所述体硅，以形成背腔。
可选地，选用缓冲蚀刻工艺(Buffered Oxide Etch)蚀刻所述体硅，以形成背腔。
其中，所述缓冲蚀刻工艺选用缓冲蚀刻液，缓冲蚀刻液BOE是HF与NH4F依不同比例混合而成。
例如6:1BOE蚀刻即表示49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(体积比)的成分混合而成。其中，HF为主要的蚀刻液，NH4F则作为缓冲剂使用。其中，利用NH4F固定H+的浓度，使之保持一定的蚀刻率。
执行步骤七，去除所述空腔和所述背腔之间的所述氧化埋层。
具体地，如图2f所示，蚀刻去除所述空腔和所述背腔之间的所述氧化埋层，以使所述空腔和所述背腔连通。
在该步骤中使用氢氟酸蒸汽(VHF)蚀刻系统去除所述氧化埋层。
其中，氢氟酸蒸汽是一种可以有选择性的去除氧化层的干蚀刻剂法。由于传统的湿法蚀刻会造成粘连，采用氢氟酸蒸汽蚀刻既防止裸露的金属被氧化，又能渗透结构较小的部件。在传统的湿蚀刻制程当中，微结构和衬层被拉扯的过程导致液体表面张力的腐蚀剂干燥现象，造成粘连，并损坏设备结构。氢氟酸蒸汽方案避免了这些问题，从而提高器件良率。
本发明所述压阻式压力传感器一般通过导电引线接入惠斯登电桥中。平时敏感压阻条没有外加压力作用，电桥处于平衡状态(称为零位)，当传感器受压后压阻条电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。出现在大部分压力传感器用制造集成电路的方法，形成四个电阻值相等的电阻条，并将它们连接制成惠斯登电桥。惠斯登电桥采用恒流供电，这样电桥的输出不受温度的影响，惠斯登电桥检测出电阻值的变化，经过输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA的标准输出信号，进而得到压力相关的信息。
至此，完成了本发明实施例的半导体器件的制备过程的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，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。
本发明提供了一种半导体器件的制备方法，在所述方法中所述衬底为SOI衬底，在所述SOI衬底上执行SON工艺(silicon on nothing)，以在所述SOI衬底上形成空腔，然后形成压阻条和导电引线。本发明提供的空腔的制备方法，与CMOS工艺兼容，可实现SON(silicon on nothing)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，极大的降低了工艺成本，而且进一步提高了器件的性能和良率。所述SOI衬底中形成有氧化埋层，所述氧化埋层在后续的步骤中可以作为隔离，简化了工艺步骤，降低了成本。
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 (10)

1.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供SOI基底，所述SOI基底包括自下而上的体硅、氧化埋层和顶层硅；
图案化所述顶层硅，以在所述顶层硅中形成若干相互间隔的孔；
执行退火步骤，以使由所述孔相间隔的所述顶层硅迁移形成空腔顶壁和空腔；
在所述空腔顶壁的表面形成若干压阻条；
在若干所述压阻条上形成导电引线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还进一步包括：
图案化所述体硅，以形成背腔，露出所述氧化埋层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还进一步包括：
去除所述空腔和所述背腔之间的所述氧化埋层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用氢氟酸蒸汽蚀刻系统去除所述氧化埋层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的关键尺寸为0.5μm-1μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的深度为1μm-20μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的间隔为0.5μm-1μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火步骤在非氧气气氛下进行。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火步骤的温度大于800℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体器件包括压阻式差压压力传感器结构。
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