CN111170264A - 半导体器件与其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种半导体器件与其制作方法。该半导体器件包括：具有凹槽的第一电极层；介质层，位于凹槽的表面上以及凹槽两侧的第一电极层的表面上，介质层具有电极接触通孔；第二电极层，位于介质层的远离第一电极层的一侧，且第二电极层和凹槽表面上的介质层形成空腔，第一电极层的材料和/或第二电极层的材料包括SiC；第一电极，至少部分位于电极接触通孔中且与第一电极层接触；第二电极，至少部分位于第二电极层的远离介质层的表面上。的半导体器件中，第一电极层的材料和/或第二电极层的材料包括SiC，SiC的耐高温性能较好，使得该半导体器件的耐高温性能较好，可以在大于或者等于500℃的环境下准确测量。
Description
技术领域
本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种半导体器件与其制作方法。
背景技术
压力是仅次于温度的第二大需要测量的物理量，压力传感器是目前广泛应用的一类传感器，随着现代工业技术的进一步发展，在石油化工、航空航天和军事等领域应用的高温压力传感器对我国工业发展至关重要。
虽然，传统的硅基电容型压力传感器已在现代工业中取得了极其广泛的应用，但是硅材料的固有物理化学特性的限制，例如易腐蚀性、低的热机械稳定性(500℃时开始丧失机械可靠性)和相对较窄的禁带宽度(硅基PN结在200℃时开始劣化)等，使传统的硅基传感技术无法完成极端恶劣环境下实时精准探测的要求。
在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种半导体器件与其制作方法，以解决现有技术中的传感器无法在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种半导体器件，上述半导体器件包括：具有凹槽的第一电极层；介质层，位于上述凹槽的表面上以及上述凹槽两侧的上述第一电极层的表面上，上述介质层具有电极接触通孔；第二电极层，位于上述介质层的远离上述第一电极层的一侧，且上述第二电极层和上述凹槽表面上的上述介质层形成空腔，上述第一电极层的材料和/或上述第二电极层的材料包括SiC；第一电极，至少部分位于上述电极接触通孔中且与上述第一电极层接触；第二电极，至少部分位于上述第二电极层的远离上述介质层的表面上。
进一步地，上述第一电极层和/或上述第二电极层的掺杂浓度等于或大于1020/cm3。
进一步地，上述第一电极层和上述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间，和/或上述第二电极层和上述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间。
进一步地，上述介质层的材料包括AlN。
进一步地，上述介质层的厚度在200～500nm之间。
进一步地，上述第一电极层的材料包括SiC，上述第二电极层的材料包括3C-SiC。
进一步地，上述第一电极层的厚度在30～50μm之间，上述第二电极层的厚度在2～4μm之间。
根据本申请的另一方面，提供了一种半导体器件的制作方法，该制作方法包括：提供具有凹槽的第一电极层；在上述凹槽的裸露表面上以及上述凹槽两侧的上述第一电极层的裸露表面上设置预介质层；在上述预介质层的远离上述第一电极层的一侧设置第二预电极层，上述第二预电极层和上述凹槽中的上述介质层形成空腔，上述第一电极层的材料和/或上述第二预电极层的材料包括SiC；去除部分上述第二预电极层，使得上述凹槽两侧的部分上述预介质层裸露，形成第二电极层；去除表面裸露的部分上述预介质层，形成具有电极接触通孔的介质层，上述电极接触通孔使得上述第一电极层的部分裸露；在上述电极接触通孔中设置第一电极材料，形成第一电极；在上述第二电极层的表面上设置第二电极材料，形成第二电极。
进一步地，设置有上述预介质层和上述第一电极层的结构为第一待键合结构，上述在上述预介质层的远离上述第一电极层的一侧设置第二预电极层的过程包括：提供衬底；在上述衬底的表面上设置上述第二预电极层，形成第二待键合结构；将上述第一待键合结合和上述第二待键合结构键合，使得上述第二预电极层与上述预介质层的远离上述第一电极层的部分表面接触，形成键合结构；去除上述键合结构中的上述衬底。
进一步地，采用表面活性化晶圆键合技术将所属第一待键合结合和上述第二待键合结构键合。
应用本申请的技术方案，上述的半导体器件中，第一电极层的材料和/或上述第二电极层的材料包括SiC，SiC的耐高温性能较好，使得该半导体器件的耐高温性能较好，可以在大于或者等于500℃的环境下准确测量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的一种半导体器件的结构示意图；以及
图2至图9示出了本申请的图1所示的半导体器件的制作过程的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、第一电极层；11、第一预电极层；12、凹槽；20、介质层；21、预介质层；22、电极接触通孔；30、第二电极层；31、第二预电极层；40、第一电极；50、第二电极；60、衬底；01、第一待键合结构；02、第二待键合结构。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的传感器无法在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种半导体器件与其制作方法。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种半导体器件，如图1所示，该半导体器件包括具有凹槽12的第一电极层10、介质层20、第二电极层30、第一电极40和第二电极50。其中，介质层20位于上述凹槽12的表面上以及上述凹槽12两侧的上述第一电极层10的表面上，上述介质层20具有电极接触通孔22；第二电极层30位于上述介质层20的远离上述第一电极层10的一侧，且上述第二电极层30和上述凹槽12表面上的上述介质层20形成空腔，上述第一电极层10的材料和/或上述第二电极层30的材料包括SiC；第一电极40的至少部分位于上述电极接触通孔22中且与上述第一电极层10接触；第二电极50的至少部分位于上述第二电极层30的远离上述介质层20的表面上。
上述的第一电极层和第二电极层的掺杂类型可以相同。
本申请中的一种具体的实施例中，半导体器件为电容型压力传感器，且该传感器由具有凹槽的第一电极层、介质层、第二电极层、第一电极和第二电极形成，如图1所示。
需要说明的是，上述的“第一电极层的材料和/或上述第二电极层的材料包括SiC”包括三种情况：第一种情况为，第一电极层的材料包括SiC，第二电极层的材料不包括SiC；第二种情况为，第二电极层的材料包括SiC，第一电极层的材料不包括SiC；第三种情况为，第二电极层的材料包括SiC，第一电极层的材料也包括SiC。
上述的半导体器件中，第一电极层的材料和/或上述第二电极层的材料包括SiC，SiC的耐高温性能较好，使得该半导体器件的耐高温性能较好，可以在大于或者等于500℃的环境下准确测量。
第一电极层和第二电极层的掺杂浓度对这两个电极层的导电性能影响较大，为了使得第一电极层和第二电极层的导电性能较好，进而提升半导体器件的电性能，本申请的一种实施例中，上述第一电极层和/或上述第二电极层的掺杂浓度等于或大于1020/cm3。
需要说明的是，本申请的上述介质层为绝缘介质层，该绝缘介质层可以采用现有技术中得让任何绝缘的材料形成，比如氮化硅和/或二氧化硅等等，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的绝缘材料形成本申请的上述介质层。
为了进一步避免在高温时由于相邻的材料层的热膨胀系数差别较大导致的材料层之间出现裂痕，进一步保证了器件在高温时的稳定性，本申请的一种实施例中，上述第一电极层和上述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间，和/或上述第二电极层和上述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间。这样使得第一电极层和介质层之间和/或第二电极层和介质层之间的晶格常数差别较小，热膨胀系数差别较小，从而使得高温时，相邻的两个层的形变差别较小，不容易出现裂痕。
本申请中的介质层可以选择任何与第一介质层和/或第二介质层的晶格常数的差值在上述范围内的材料形成，本申请的一种实施例中，上述介质层的材料包括AlN。该材料的绝缘性能较好，且与SiC的晶格常数的差值仅仅为0.04。
为了进一步保证介质层具有较好的绝缘性能，且降低器件的成本，本申请的一种实施例中，上述介质层的厚度在200～500nm之间。
本申请的另一种实施例中，上述第一电极层的材料包括4H-SiC，上述第二电极层的材料包括3C-SiC。具体地，上述第一电极层为4H-SiC层，第二电极层为3C-SiC层，这样的半导体器件的检测灵敏度较高。当然，本申请的第二电极层也可以为4H-SiC层，这样的半导体器件的检测灵敏度相对第二电极层为3C-SiC层的器件低一些。
为了进一步保证半导体器件具有较好的导电性能，较好的稳定性，具有较合适的测量范围，本申请的一种实施例中，上述第一电极层的厚度在30～50μm之间，上述第二电极层的厚度在2～4μm之间。
当然，在实际的应用中，可以根据实际情况将第一电极层和第二电极层设置为合适的厚度。
需要说明的是，本申请中的第一电极和第二电极的材料可以为任何现有技术中可用的且耐高温的电极材料，例如，钛镍金或铂金等，二者的材料可以为相同的，也可以为不同的，当二者的材料为相同时，第一电极和第二电极可以同步形成。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种半导体器件的制作方法，该制作方法包括：提供具有凹槽12的第一电极层10，如图3所示；在上述凹槽12的裸露表面上以及上述凹槽12两侧的上述第一电极层10的裸露表面上设置预介质层21，如图4所示；在上述预介质层21的远离上述第一电极层10的一侧设置第二预电极层31，上述第二预电极层31和上述凹槽12中的上述介质层20形成空腔，上述第一电极层10的材料和/或上述第二预电极层31的材料包括SiC，形成图7所示的结构；去除部分上述第二预电极层31，使得上述凹槽12两侧的部分上述预介质层21裸露，形成第二电极层30，形成如图8所示的结构；去除表面裸露的部分上述预介质层21，形成具有电极接触通孔22的介质层20，上述电极接触通孔22使得上述第一电极层10的部分裸露，如图9所示；在上述电极接触通孔22中设置第一电极40材料，形成第一电极40；在上述第二电极层30的表面上设置第二电极50材料，形成第二电极50，形成图1所示的结构。
上述的制作方法制作得到的半导体器件的第一电极层和/或第二电极层包括SiC，SiC的耐高温性能较好，使得该半导体器件的耐高温性能较好，可以在大于或者等于500℃的环境下准确测量。且上述制作方法简单，制作效率较高。
一种具体的制作过程中，设置有上述预介质层21和上述第一电极层10的结构为第一待键合结构01，上述在上述预介质层21的远离上述第一电极层10的一侧设置第二预电极层31的过程包括：提供衬底60；在上述衬底60的表面上设置上述第二预电极层31，形成第二待键合结构02；将上述第一待键合结合和上述第二待键合结构02键合，使得上述第二预电极层31与上述预介质层21的远离上述第一电极层10的部分表面接触，形成键合结构；去除上述键合结构中的上述衬底60。
为了增强第二电极层30和介质层20的键合强度，进而实现绝压大量程的测量，本申请的一种实施例中，采用表面活性化晶圆键合技术将所属第一待键合结构01和上述第二待键合结构02键合。该技术在键合前先将待键合结构裸露表面上的氧化层去除，进而使得表面悬挂键裸露，从而使得两个待键合结构表面的悬挂键直接键合，增强了键合强度，并且该键合技术可以在常温下进行，并且采用较小的键合压力就可以实现键合。
第一电极层和第二电极层的掺杂浓度对这两个电极层的导电性能影响较大，为了使得第一电极层和第二电极层的导电性能较好，进而提升半导体器件的电性能，本申请的一种实施例中，上述第一电极层和/或上述第二电极层的掺杂浓度大于1020/cm3。
需要说明的是，本申请的上述介质层为绝缘介质层，该绝缘介质层可以采用现有技术中得让任何绝缘的材料形成，比如氮化硅和/或二氧化硅等等，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的绝缘材料形成本申请的上述介质层。
为了进一步避免在高温时由于相邻的材料层的热膨胀系数差别较大导致的材料层之间出现裂痕，进一步保证了器件在高温时的稳定性，本申请的一种实施例中，上述第一电极层和上述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间，和/或上述第二电极层和上述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间。这样使得第一电极层和介质层之间和/或第二电极层和介质层之间的晶格常数差别较小，热膨胀系数差别较小，从而使得高温时，相邻的两个层的形变差别较小，不容易出现裂痕。
本申请中的介质层可以选择任何与第一介质层和/或第二介质层的晶格常数的差值在上述范围内的材料形成，本申请的一种实施例中，上述介质层的材料包括AlN。该材料的绝缘性能较好，且与SiC的晶格常数的差值仅仅为0.04。
为了进一步保证介质层具有较好的绝缘性能，且降低器件的成本，本申请的一种实施例中，上述介质层的厚度在200～500nm之间。
本申请的另一种实施例中，上述第一电极层的材料包括4H-SiC，上述第二电极层的材料包括3C-SiC。具体地，上述第一电极层为4H-SiC层，第二电极层为3C-SiC层，这样的半导体器件的检测灵敏度较高。当然，本申请的第二电极层也可以为4H-SiC层，这样的半导体器件的检测灵敏度相对第二电极层为3C-SiC层的器件低一些。
为了进一步保证半导体器件具有较好的导电性能，较好的稳定性，具有较合适的测量范围，本申请的一种实施例中，上述第一电极层的厚度在30～50μm之间，上述第二电极层的厚度在2～4μm之间。
当然，在实际的应用中，可以根据实际情况将第一电极层和第二电极层设置为合适的厚度。
需要说明的是，本申请的半导体器件中的各个结构层可以采用现有技术中的任何可行的方式形成，比如介质层可以采用化学气相沉积法、热氧化法或物理气相沉积法等形成，电极层可以采用磁控溅射法或真空蒸镀法等。具体的方法，可以根据实际情况设计，例如根据具体的材料来选择对应的方法。
上述的衬底可以为现有技术中任何可以作为衬底的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成衬底，比如硅、锗或蓝宝石等等。去除上述衬底方法可以根据实际情况选择，比如可以根据具体的材料来选择湿法刻蚀或者干法刻蚀，进一步选择对应的额事发刻蚀溶液或干法刻蚀气体等。
本申请的上述去除部分上述第二预电极层的方法和去除部分上述预介质层的方法可以根据实际情况来选择合适的方法，可以为干法刻蚀，也可以为湿法刻蚀。
为了使得本领域技术人员更加清楚本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案和技术效果。
实施例
该半导体器件为电容性压力传感器，该压力传感器的制作过程由以下步骤构成：
提供第一预电极层11，如图2所示，该第一预电极层为4H-SiC层，该层掺杂有P，掺杂浓度为1020/cm3；
采用等离子刻蚀工艺，在第一预电极层11上刻蚀，得到20μm深的凹槽12，形成第一电极层10，如图3所示；
在第一电极层10的表面上沉积
的AlN，形成预介质层21，进而形成第一待键合结构01，如图4所示；
提供衬底60，该衬底60为硅衬底，在衬底60上沉积第二预电极层31，该第一预电极层为3C-SiC层，该层掺杂有P，掺杂浓度为1020/cm3，形成第二待键合结构02，如图5所示；
采用表面活性化晶圆键合技术将第一待键合结构01和第二待键合结构02键合，使得上述第二预电极层与上述预介质层的远离上述第一电极层的部分表面接触，形成键合结构，如图6所示；
用KOH腐蚀工艺去除图5中的上述衬底60，如图7所示；
采用SiC刻蚀工艺去除部分上述第二预电极层31，使得上述凹槽12两侧的部分上述预介质层21裸露，如图8所示，形成3μm宽的第二电极层30，该第二电极层30也为感压层；
采用AlN刻蚀工艺去除表面裸露的部分上述预介质层21，形成具有电极接触通孔22的介质层20，上述电极接触通孔22使得上述第一电极层10的部分裸露，形成图9所示的结构；
在上述电极接触通孔22中以及上述第二电极层的表面上设置电极材料，并采用剥离工艺形成第一电极40和第二电极50，形成图1所示的结构。
该压力传感器的第一电极层和第二电极层的材料均包括SiC，使得该压力传感器的耐高温性能较好；且该压力传感器的介质层为AlN层，与电极层的晶格常数差别较小，保证了器件的稳定性，且该介质层的耐高温性能较好；并且，采用表面活性化晶圆键合技术键合第一待键合结构和第二待键合结构，增强了3C-SiC与AlN键合强度，实现了绝压大量程压力传感器的制作。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的半导体器件中，第一电极层的材料和/或上述第二电极层的材料包括SiC，SiC的耐高温性能较好，使得该半导体器件的耐高温性能较好，可以在等于或大于或者等于500℃的环境下准确测量。
2)、本申请的制作方法制作得到的半导体器件的第一电极层和/或第二电极层包括SiC，SiC的耐高温性能较好，使得该半导体器件的耐高温性能较好，可以在等于或大于或者等于500℃的环境下准确测量。且上述制作方法简单，制作效率较高。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
具有凹槽的第一电极层；
介质层，位于所述凹槽的表面上以及所述凹槽两侧的所述第一电极层的表面上，所述介质层具有电极接触通孔；
第二电极层，位于所述介质层的远离所述第一电极层的一侧，且所述第二电极层和所述凹槽表面上的所述介质层形成空腔，所述第一电极层的材料和/或所述第二电极层的材料包括SiC；
第一电极，至少部分位于所述电极接触通孔中且与所述第一电极层接触；
第二电极，至少部分位于所述第二电极层的远离所述介质层的表面上。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一电极层和/或所述第二电极层的掺杂浓度等于或大于1020/cm3。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一电极层和所述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间，和/或所述第二电极层和所述介质层的晶格常数的差值在0.01～0.10之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述介质层的材料包括AlN。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述介质层的厚度在200～500nm之间。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述第一电极层的材料包括SiC，所述第二电极层的材料包括3C-SiC。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述第一电极层的厚度在30～50μm之间，所述第二电极层的厚度在2～4μm之间。
8.一种半导体器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供具有凹槽的第一电极层；
在所述凹槽的裸露表面上以及所述凹槽两侧的所述第一电极层的裸露表面上设置预介质层；
在所述预介质层的远离所述第一电极层的一侧设置第二预电极层，所述第二预电极层和所述凹槽中的所述介质层形成空腔，所述第一电极层的材料和/或所述第二预电极层的材料包括SiC；
去除部分所述第二预电极层，使得所述凹槽两侧的部分所述预介质层裸露，形成第二电极层；
去除表面裸露的部分所述预介质层，形成具有电极接触通孔的介质层，所述电极接触通孔使得所述第一电极层的部分裸露；
在所述电极接触通孔中设置第一电极材料，形成第一电极；
在所述第二电极层的表面上设置第二电极材料，形成第二电极。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，设置有所述预介质层和所述第一电极层的结构为第一待键合结构，所述在所述预介质层的远离所述第一电极层的一侧设置第二预电极层的过程包括：
提供衬底；
在所述衬底的表面上设置所述第二预电极层，形成第二待键合结构；
将所述第一待键合结合和所述第二待键合结构键合，使得所述第二预电极层与所述预介质层的远离所述第一电极层的部分表面接触，形成键合结构；
去除所述键合结构中的所述衬底。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，采用表面活性化晶圆键合技术将所属第一待键合结合和所述第二待键合结构键合。
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