CN117069053A - 半导体器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件及其制备方法。该半导体器件的制备方法包括：提供衬底，所述衬底包括正面和背面；对所述衬底的正面刻蚀凹槽，并在所述凹槽内填充预埋牺牲层；其中，所述预埋牺牲层的边界与背腔结构的边界对应；对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构，所述第一背腔结构露出所述预埋牺牲层；完全释放所述预埋牺牲层，形成第二背腔结构，所述第一背腔结构和所述第二背腔结构构成所述背腔结构。本发明实施例改善了背腔边界，提升了半导体器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体器件及其制备方法。
背景技术
随着技术的发展，半导体器件广泛应用于各类电子产品。其中，麦克风是一种能量转换器件，可以将声音信号通过不同的方式转换为电信号。由于MEMS麦克风具有体积小、性能稳定、信噪比高、灵敏度好和响应速度快等优点，广泛应用于智能穿戴设备和智能手机。
MEMS麦克风的信噪比除了与材料性能、振膜结构设计有关之外，还与其背腔容积有关，理论上背腔容积越大信噪比越大。在现有技术中，MEMS麦克风采用深硅刻蚀工艺形成背腔结构，然而，深硅刻蚀由于工艺局限性不能做到完全垂直刻蚀，倾角有时可能达到1°左右。且由于MEMS麦克风的背腔的深度较深，1°左右的倾角会导致背腔范围上下波动达到几十微米，背腔边界极大地影响了器件性能。
发明内容
本发明提供了一种半导体器件及其制备方法，以改善背腔边界，提升半导体器件的性能。
根据本发明的一方面，提供了一种半导体器件的制备方法，包括：
提供衬底，所述衬底包括正面和背面；
对所述衬底的正面刻蚀凹槽，并在所述凹槽内填充预埋牺牲层；其中，所述预埋牺牲层的边界与背腔结构的边界对应；
对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构，所述第一背腔结构露出所述预埋牺牲层；
完全释放所述预埋牺牲层，形成第二背腔结构，所述第一背腔结构和所述第二背腔结构构成所述背腔结构。
可选地，在所述凹槽内填充预埋牺牲层之后，还包括：
对所述预埋牺牲层进行抛光，以使所述预埋牺牲层与所述衬底的正面齐平。
可选地，所述衬底的材料包括硅；
所述对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构的工艺包括：深硅刻蚀工艺。
可选地，所述预埋牺牲层的材料包括：氧化硅。
可选地，在所述对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构之前，还包括：
在所述衬底的正面形成至少一层功能层。
可选地，应用于MEMS麦克风；在所述对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构之前，还包括：
在所述至少一层功能层上刻蚀出狭缝，以形成悬臂梁；其中，所述狭缝暴露所述预埋牺牲层。
可选地，所述完全释放所述预埋牺牲层，形成第二背腔结构的工艺包括：干法释放工艺或湿法释放工艺。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体器件，包括：衬底和功能层，所述衬底包括正面和背面，所述功能层设置于所述衬底的正面；所述衬底包括至少一个背腔结构，所述背腔结构包括相互连通的第一背腔结构和第二背腔结构；
其中，所述第一背腔结构位于所述衬底的背面，所述第二背腔结构位于所述衬底的正面；所述第一背腔结构的深度大于所述第二背腔结构，所述第二背腔结构由释放预埋牺牲层形成。
可选地，所述半导体器件为MEMS麦克风，所述第二背腔结构的边界为所述MEMS麦克风有效振膜的边界。
可选地，所述第一背腔结构的深度量级与所述第二背腔结构的深度量级不同。
与现有技术相比，本发明实施例至少能够实现以下有益效果：
第一方面，位于较深位置的第二背腔结构优先被刻蚀，刻蚀精度更好，有利于避免深硅刻蚀到达一定深度后，刻蚀侧壁不再垂直、出现微小倾角的问题。
第二方面，由于第二背腔结构在衬底的正面优先被刻蚀，刻蚀过程无遮挡，无需采用共聚焦显微镜进行观察，能够清楚地定位背腔的边缘。以及，由于第二背腔结构被预埋牺牲层进行了保护，无论刻蚀步骤重复多少次，均不会影响第二背腔结构的边界。因此，本发明实施例能够更好地适用于一片晶圆上存在不同的背腔结构的情况。
第三方面，不同于现有技术，第二背腔结构的形成可以通过第一背腔结构的空间去除预埋牺牲层。因此，在一些实施方式中，可以省去释放孔的设置。以及，本发明实施例填充的预埋牺牲层的材料可以与衬底的材料不同，在释放预埋牺牲层时，对于施放时间不再有过多要求(例如，在现有技术中，对施放时间有严格把控，因为时间长了被侧向刻蚀，时间短了释放不完全)，因此，本发明实施例也不存在现有释放工艺存在的刻蚀精度的问题。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种深硅刻蚀工艺在各步骤形成的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种压电式MEMS麦克风的结构示意图；
图4-图6为本发明实施例提供的一种压电式MEMS麦克风的制备方法在各步骤形成的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3B0形成的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3C0形成的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3B0形成的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的又一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3C0形成的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术所述，现有的深硅刻蚀工艺会导致刻蚀倾角的存在，从而影响器件性能。经发明人研究发现，出现该问题的原因如下：
图1为本发明实施例提供的一种深硅刻蚀工艺在各步骤形成的结构示意图。参见图1，以博世工艺(Bosch工艺)为例，包括以下步骤：S110、对Si基底进行各项同性蚀刻；S120、聚合物沉积，形成侧壁保护层；S130、各向异性蚀刻，将底面聚合物去除；S140、对Si基底进行各项同性蚀刻，蚀刻深度相比S110更深；重复S110-S140，完成深硅刻蚀工艺。
由此可见，博世工艺通过不断地形成侧壁保护层达到深硅刻蚀的目的。然而，该工艺存在以下技术问题：
第一方面，到达一定深度后，侧壁保护层有可能厚度发生变化，导致刻蚀侧壁不再垂直，出现微小倾角，在非常深的背腔中会导致原有的背腔边界范围发生扩大或缩小，产生工艺偏差。
以压电式MEMS麦克风为例，麦克风的电极边缘需要与背腔边界对齐或者电极边界略大于背腔边界，从而在应力最大的区域收集到更多的感应电荷。应力最大的区域一般紧靠背腔边界，当背腔边界扩大时，电极无法覆盖到应力最大的区域，也就无法达到最佳性能。
第二方面，对于压电式MEMS麦克风，背腔刻蚀工艺会设置停止层，一般是氧化硅，呈透明色。在背腔刻蚀时会不断地采用共聚焦显微镜进行观察，由于停止层呈透明色，因此在接近结束时可以看到正面结构，但是器件边缘无法看清，也就无法确定背腔边缘的准确位置，从而影响了背腔边界的精度。
在实际应用中，在一片晶圆上往往会存在不同的背腔结构，有的器件背腔面积较大，而有的器件背腔面积较小，背腔面积较小的器件需要更多的刻蚀重复步骤。假设背腔面积较大的器件此时背腔边界正好刻蚀到了设计的尺寸，那么多增加的刻蚀重复步骤会使这部分背腔继续被刻蚀。虽然有停止层的存在阻止了纵向的刻蚀，但会使刻蚀气体向侧向刻蚀，直接导致这部分器件背腔面积过大。因此，小背腔面积和大背腔面积的器件在做深硅刻蚀时不能兼得，极大地降低了设计的自由度，并提高了研发成本。
第三方面，由于停止层是不做图案化的，在后续释放工艺时不容易通过时间控制释放边界大小，很容易释放过大。释放工艺常采用BOE湿法刻蚀或者VHF干法刻蚀，这种释放方式是各向同性的，不好把控。停止层如果侧向释放量过大也会导致和背腔面积过大一样的后果。由于器件结构设计的原因，很多释放槽就在器件边缘，由于各向同性刻蚀，刻蚀气体或液体通过这些释放槽进入时直接就开始往器件外刻蚀，从而影响了刻蚀精度。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体器件的制备方法，该制备方法可以应用于需要进行深硅刻蚀的半导体器件，例如，压电式MEMS麦克风或电容式MEMS麦克风等。图2为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法的流程示意图。参见图2，该半导体器件的制备方法包括以下步骤：
S210、提供衬底，衬底包括正面和背面；
S220、对衬底的正面刻蚀凹槽，并在凹槽内填充预埋牺牲层；其中，预埋牺牲层的边界与背腔结构的边界对应；
S230、对衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构，第一背腔结构露出预埋牺牲层；
S240、完全释放预埋牺牲层，形成第二背腔结构，第一背腔结构和第二背腔结构构成背腔结构。
本发明实施例将背腔结构的刻蚀分为两个步骤，分别为一次刻蚀形成第一背腔结构，二次刻蚀形成第二背腔结构。其中，第二背腔结构的形成步骤是，在第一背腔结构形成之前，首先在衬底的正面形成第二背腔结构的位置形成凹槽并填充预埋牺牲层。由于第二背腔结构(预埋牺牲层)从衬底的正面进行刻蚀，第一背腔结构从衬底的背面进行刻蚀，与现有技术相比，减小了刻蚀深度，即使存在小角度的刻蚀偏差也不会引起横向尺寸的大范围扩大，以使得背腔结构的边界与设计边界相齐。另外，预埋牺牲层的作用是相当于将第二背腔结构保护起来，避免后续工艺对第二背腔结构的边界的影响。因此，与现有技术相比，本发明实施例至少能够实现以下有益效果：
第一方面，位于较深位置的第二背腔结构优先被刻蚀，刻蚀精度更好，有利于避免深硅刻蚀到达一定深度后，刻蚀侧壁不再垂直、出现微小倾角的问题。
第二方面，由于第二背腔结构在衬底的正面优先被刻蚀，刻蚀过程无遮挡，无需采用共聚焦显微镜进行观察，能够清楚地定位背腔的边缘。以及，由于第二背腔结构被预埋牺牲层进行了保护，无论刻蚀步骤重复多少次，均不会影响第二背腔结构的边界。因此，本发明实施例能够更好地适用于一片晶圆上存在不同的背腔结构的情况。
第三方面，不同于现有技术，第二背腔结构的形成可以通过第一背腔结构的空间去除预埋牺牲层。因此，在一些实施方式中，可以省去释放孔的设置。以及，本发明实施例填充的预埋牺牲层的材料可以与衬底的材料不同，在释放预埋牺牲层时，对于施放时间不再有过多要求(例如，在现有技术中，对施放时间有严格把控，因为时间长了被侧向刻蚀，时间短了释放不完全)，因此，本发明实施例也不存在现有释放工艺存在的刻蚀精度的问题。
下面以压电式MEMS麦克风为例，对本发明实施例提供的制备方法的优选方案进行进一步的说明。
为了清楚说明本发明实施例提供的技术方案，首先对本发明实施例提供的一种压电式MEMS麦克风的结构进行说明，但需要注意的是，该结构并不构成对本发明的限定。图3为本发明实施例提供的一种压电式MEMS麦克风的结构示意图。参见图3，可选地，压电式MEMS麦克风包括衬底1，在衬底1上设置有多个收声梁2以及狭缝3，收声梁2包括悬臂梁21和连接梁22。悬臂梁21和连接梁22在圆周上围绕连接结构4交错设置，悬臂梁21包括悬臂梁电极211，连接梁22包括连接梁电极221。
图4-图6为本发明实施例提供的一种压电式MEMS麦克风的制备方法在各步骤形成的结构示意图。其中，图4-图6所示的结构为图3中沿A-A的剖面结构示意图。参见图3和图4-图6，在本发明的一种实施方式中，该制备方法包括以下步骤：
S310、提供衬底1，衬底1包括正面101和背面102；对衬底1的正面101刻蚀凹槽，并在凹槽内填充预埋牺牲层110。
其中，预埋牺牲层110的边界与背腔结构的边界对应，可选地，预埋牺牲层110的边界即为背腔结构的边界。可选地，衬底1的材料包括硅，优选为高阻硅。
优选地，预埋牺牲层110的材料包括氧化硅。其中，氧化硅的类型有多种，比如TEOS(四乙氧基硅烷，Tetraethoxysilane)、PSG(Phospho-Silicate Glass，磷硅玻璃)或USG(Undoped Silicon Glass，无掺杂硅玻璃)等。需要说明的是，除了氧化硅之外，其他材料也可以用作牺牲层材料，本发明不做限定。
可选地，在凹槽内填充预埋牺牲层110之后，还包括：对预埋牺牲层110进行抛光，以使预埋牺牲层110与衬底1的正面101齐平。可选地，抛光工艺为化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing-CMP)。这样设置，进一步提升了工艺的精细度，有利于进一步提升半导体器件的性能。
S320、在衬底1的正面101溅射形成种子层120。
其中，种子层120为压电式MEMS麦克风的一层功能层，压电式MEMS麦克风的功能层还包括：压电层和电极焊盘等。根据压电式MEMS麦克风的结构不同，压电层包括：压电单晶片或压电双晶片。以下以压电双晶片为例进行说明。
S330、在种子层120上沉积底层电极层131，并进行图案化。
S340、在底层电极层131上沉积下层压电层132并进行图案化，将连接区域B的底层电极层131暴露出来。
S350、在下层压电层132上沉积中层电极层133并进行图案化，确保连接区域B的中层电极层133与底层电极层131相连。
S360、在中层电极层133上沉积上层压电层134并进行图案化，将连接区域B的中层电极层133暴露出来。
S370、在上层压电层134上沉积上层电极层135并进行图案化，将连接区域B的上层电极层135与中层电极层133相连。
S380、在上层电极层135上沉积保护层140并进行图案化，暴露引出区域C的上层电极层134。
S390、在保护层140上沉积导电材料，形成电极焊盘150。
其中，导电材料可以是铝或金等导电材料，示例性地，采用lift-off剥离工艺形成电极焊盘150。
S3A0、在至少一层功能层刻蚀出狭缝3以形成悬臂梁21。
示例性地，包括压电单晶片或压电双晶片的各层结构，如：种子层120、底层电极层131、下层压电层132、中层电极层133、上层压电层134、上层电极层135和保护层140等。
可选地，狭缝3暴露预埋牺牲层110，可作为后续工艺的释放槽。
需要说明的是，具有狭缝3的结构针对的是悬臂梁解结构的麦克风，除了悬臂梁结构之外还有圆膜结构的麦克风，圆膜结构的麦克风不需要正面101有狭缝3。
S3B0、对衬底1的背面102进行刻蚀，形成第一背腔结构151，第一背腔结构露出预埋牺牲层110。
可选地，形成第一背腔结构151的刻蚀工艺为深硅刻蚀工艺。
S3C0、完全释放预埋牺牲层110，形成第二背腔结构152，第一背腔结构151和第二背腔结构152构成背腔结构150。
可选地，形成第二背腔结构152的工艺包括：干法释放工艺(VHF)或湿法释放工艺(BOE)。
由以上步骤可以看出，在半导体器件正下方设置预埋牺牲层110，预埋牺牲层110的边界为半导体器件有效振膜的边界，该预埋牺牲层110既可以作为背腔深硅刻蚀的停止层，也可以在释放预埋牺牲层110时保证释放边界的绝对准确。因此，本发明实施例从工艺的角度能够有效提高压电式MEMS麦克风的输出。
需要说明的是，本发明实施例不仅可以适用于压电式MEMS麦克风，还适用于其他需要做背腔深硅刻蚀的器件，可以有效解决背腔边界无法准确控制的问题。
参见图4-图6，在上述各实施例中，可选地，背腔结构150的边界正好等于设计边界。
图7为本发明实施例提供的另一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3B0形成的结构示意图，图8为本发明实施例提供的另一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3C0形成的结构示意图。在本发明的一种实施方式中，可选地，背腔结构150的边界小于设计边界。
图9为本发明实施例提供的又一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3B0形成的结构示意图，图10为本发明实施例提供的又一种压电式MEMS麦克风的制备方法在S3C0形成的结构示意图。在本发明的一种实施方式中，可选地，背腔结构150的边界大于设计边界。
理论上在版图绘制时，背腔结构150的边界是与半导体器件有效振膜的设计边界对齐的，理论上讲，只有背腔结构150的边界等于设计边界的时候，半导体器件才能达到最佳性能。但是在本发明实施例中，第一背腔结构151的边界的绘制可以小于、等于或大于设计边界，优选第一背腔结构151的边界小于或等于设计边界。这是因为，本发明实施例提供了第二背腔结构152，由于工艺优势，本发明实施例提供的第二背腔结构152的边界可以等于设计边界。具体地，本发明实施例增加预埋牺牲层110，其不止可以继续作为深硅刻蚀的停止层，还可以完全准确的控制器件第二背腔结构152的边界。因为在释放停止层时，腐蚀性气体或液体只与预埋牺牲层110的材料发生反应，因此理论上可以长时间释放直到释放完全，而无需考虑是否会对第二背腔结构152的边界有影响。
综上所述，本发明实施例达到的效果是现有技术所远不能达到的，真正实现了背腔边界的准确可控。
本发明实施例还提供了一种半导体器件，该半导体器件可以采用本发明任意实施例所提供的半导体器件的制备方法。图11为本发明实施例提供的一种半导体器件的结构示意图。参见图11，该半导体器件包括：衬底1和位于衬底1上的功能层，衬底1包括正面101和背面102，功能层设置于衬底1的正面101；衬底1包括至少一个背腔结构150，背腔结构150包括相互连通的第一背腔结构151和第二背腔结构152；
其中，第一背腔结构151位于衬底1的背面102，第二背腔结构152位于衬底1的正面101；第一背腔结构151的深度大于第二背腔结构152，第二背腔结构152由释放预埋牺牲层110形成。
继续参见图11，在上述各实施例的基础上，可选地，半导体器件为MEMS麦克风，第二背腔结构152的边界为MEMS麦克风有效振膜的边界。该MEMS麦克风可以是电容式MEMS麦克风或压电式MEMS麦克风。以压电式MEMS麦克风为例，功能层包括：种子层120、底层电极层131、下层压电层132、中层电极层133、上层压电层134、上层电极层135和保护层140等。
继续参见图11，在上述各实施例的基础上，可选地，第一背腔结构151的深度量级与第二背腔结构152的深度量级不同，第一背腔结构151的深度远大于第二背腔结构152的深度。。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底包括正面和背面；
对所述衬底的正面刻蚀凹槽，并在所述凹槽内填充预埋牺牲层；其中，所述预埋牺牲层的边界与背腔结构的边界对应；
对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构，所述第一背腔结构露出所述预埋牺牲层；
完全释放所述预埋牺牲层，形成第二背腔结构，所述第一背腔结构和所述第二背腔结构构成所述背腔结构。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，在所述凹槽内填充预埋牺牲层之后，还包括：
对所述预埋牺牲层进行抛光，以使所述预埋牺牲层与所述衬底的正面齐平。
3.根据权利要求1所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料包括硅；
所述对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构的工艺包括：深硅刻蚀工艺。
4.根据权利要求3所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，所述预埋牺牲层的材料包括：氧化硅。
5.根据权利要求1所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，在所述对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构之前，还包括：
在所述衬底的正面形成至少一层功能层。
6.根据权利要求5所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，应用于MEMS麦克风；在所述对所述衬底的背面进行刻蚀，形成第一背腔结构之前，还包括：
在所述至少一层功能层上刻蚀出狭缝，以形成悬臂梁；其中，所述狭缝暴露所述预埋牺牲层。
7.根据权利要求1所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，所述完全释放所述预埋牺牲层，形成第二背腔结构的工艺包括：干法释放工艺或湿法释放工艺。
8.一种半导体器件，其特征在于，包括：衬底和功能层，所述衬底包括正面和背面，所述功能层设置于所述衬底的正面；所述衬底包括至少一个背腔结构，所述背腔结构包括相互连通的第一背腔结构和第二背腔结构；
其中，所述第一背腔结构位于所述衬底的背面，所述第二背腔结构位于所述衬底的正面；所述第一背腔结构的深度大于所述第二背腔结构，所述第二背腔结构由释放预埋牺牲层形成。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为MEMS麦克风，所述第二背腔结构的边界为所述MEMS麦克风有效振膜的边界。
10.根据权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，所述第一背腔结构的深度量级与所述第二背腔结构的深度量级不同。
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