半导体器件及其制作方法

摘要

本发明实施例涉及半导体器件技术领域，公开了一种半导体器件及其制作方法。本发明中，上述半导体器件的制作方法包括：在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层；其中，所述牺牲层覆盖所述突出结构和/或凹陷结构，形成所述牺牲层的材料为碳涂层材料；在所述牺牲层上形成结构层；释放所述牺牲层，形成所述半导体器件，使得即使在衬底的表面不平整时，也不会影响衬底表面上形成的牺牲层的平整度，牺牲层的平整度较好。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种半导体器件及其制作方法。

背景技术

表面微加工是MEMS(micro-electro-mechanical-system，微机电系统)芯片工艺的基础。表面微加工包括薄膜沉积，功能层图形化，微结构释放、密封等关键步骤。其中微结构释放是指在可动部件的底部形成空腔结构并形成可动结构，微结构释放工艺通过去除在可动结构件和衬底之间的材料来达到释放的目的，该层被去除的材料通常被称为牺牲层。

然而，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：在目前的量产工艺中，在衬底的表面不平整时，衬底表面上形成的牺牲层的平整度也会受到影响，牺牲层不平整会进一步影响到后续的工艺流程。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种半导体器件及其制作方法，使得即使在衬底的表面不平整时，也不会影响衬底表面上形成的牺牲层的平整度，牺牲层的平整度较好。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种半导体器件的制作方法，包括：在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层；其中，所述牺牲层覆盖所述突出结构和/或凹陷结构，形成所述牺牲层的材料为碳涂层材料；在所述牺牲层上形成结构层；释放所述牺牲层，形成所述半导体器件。

本发明的实施方式还提供了一种半导体器件，所述半导体器件采用上述的半导体器件的制作方法制作而成。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层，牺牲层覆盖突出结构和/或凹陷结构，形成牺牲层的材料为碳涂层材料,在牺牲层上形成结构层，释放牺牲层，形成半导体器件。也就是说，在不平整的衬底的表面上形成牺牲层，由于形成牺牲层的材料为碳涂层材料，该碳涂层材料的流动性较好，碳涂层材料作为形成牺牲层的材料因其流动性较好，更容易填平衬底表面上的突出结构和/或凹陷结构，使得在衬底表面上形成的牺牲层的平整度较好，从而使得牺牲层上面形成的结构层的平整度也较好。同时，使用碳涂层材料作为形成牺牲层的材料还能满足释放牺牲层时对牺牲层的要求，即采用碳涂层材料形成牺牲层有利于与半导体工艺很好的兼容；而且形成的牺牲层具有一定的硬度和强度可以适应结构层成型工艺所需的高温和高应力；并且，在释放牺牲层时，碳涂层材料能达到比结构层和衬底更高的选择比。

另外，碳涂层材料的组成元素的质量百分比满足以下条件的其中之一或任意组合：所述碳的质量百分比为80％、所述氢的质量百分比为5％、所述氧的质量百分比为15％。本发明实施方式提供了一种碳涂层材料的组成元素的质量百分比的一种具体选择方式，满足如上所述的质量百分比的碳涂层材料的流动性更好，使得在不平整的衬底表面上形成的牺牲层的平整度更好。

另外，碳涂层材料为富勒烯基高分子材料，富勒烯基高分子材料具有更好的流动性，更容易填平衬底表面上的突出结构和/或凹陷结构，使得在衬底表面上形成的牺牲层的平整度更好。

另外，所述在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层，包括：采用旋涂工艺在所述衬底的表面沉积所述碳涂层材料，形成碳涂层材料层；对所述碳涂层材料层进行固化；对固化后的所述碳涂层材料层进行图形化，形成所述牺牲层。碳涂层材料具有很好的旋涂性能且通过调节旋涂转速可以方便的控制旋涂的碳涂层材料层的厚度，而且旋涂工艺所使用的设备造价较低。

另外，在所述对所述碳涂层材料层进行固化之后，所述对固化后的所述碳涂层材料层进行图形化，形成所述牺牲层之前，还包括：在所述碳涂层材料层上形成中间层；其中，形成所述中间层的材料为无机材料；对所述中间层进行图形化；所述对固化后的所述碳涂层材料层进行图形化，形成所述牺牲层，具体为：将所述中间层进行图形化后的图案转移到所述固化后的所述碳涂层材料层上，形成所述牺牲层。在碳涂层材料层上形成中间层，中间层的材料为无机材料，该层无机材料有利于保护碳涂层材料层，防止碳涂层材料层在后续工艺中挥发污染工艺设备。

另外，释放所述牺牲层，形成所述半导体器件，具体为：采用等离子体灰化技术，释放所述牺牲层，形成所述半导体器件。采用等离子体灰化技术可以避免湿法刻蚀工艺的风险，避免对于其他层的破坏。

另外，所述牺牲层的厚度小于300纳米。由于碳涂层材料的流动性较好，因此很容易控制牺牲层的厚度，牺牲层的厚度小于300纳米，即形成的牺牲层的厚度很薄，使得牺牲层释放后得到的空腔结构的高度更低，从而使最后得到的半导体器件更加小型化，驱动电压更小、功耗更低。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式中的半导体器件的制作方法的流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中的半导体器件的制作过程中的截面图；

图3是根据本发明第一实施方式中的半导体器件的制作方法中步骤101的具体实现过程的流程图；

图4是根据本发明第一实施方式中的半导体器件的制作过程中的俯视图；

图5是根据本发明第二实施方式中的半导体器件的制作方法的流程图；

图6是根据本发明第二实施方式中的半导体器件的制作方法中形成牺牲层的过程的示意图；

图7是根据本发明第三实施方式中的半导体器件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种半导体器件的制作方法。本实施方式的核心在于：在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层；其中，牺牲层覆盖突出结构和/或凹陷结构，形成牺牲层的材料为碳涂层材料；在牺牲层上形成结构层；释放牺牲层，形成半导体器件，本实施方式使得即使在衬底的表面不平整时，也不会影响衬底表面上形成的牺牲层的平整度，牺牲层的平整度较好。下面对本实施方式的半导体器件的制作方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本实施方式中，半导体器件可以为超声换能器，超声换能器进一步还可以为电容式超声换能器或者压电式超声换能器。在具体实现中，半导体器件还可以为其他具有可动结构的执行器，然而本实施方式对此不做具体限定。本实施方式中的半导体器件的制作方法的流程图如图1所示，具体包括：

步骤101：在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层。

其中，衬底上形成有突出结构和/或凹陷结构表明衬底表面不平整，突出结构可以为电极、支撑凸块或者任何需要的结构，突出结构和凹陷结构可以为衬底表面本身具有的结构，也可以为根据实际需要在衬底表面设置的结构。衬底的材料可以根据实际需要选择，比如说衬底的材料可以为半导体材料、玻璃、单晶硅等。

在一个例子中，在衬底表面设置的突出结构的方式可以为：首先，在衬底表面沉积薄膜层，其中，该薄膜可以由金属材料形成，也可以由介质材料SiO2等形成，本实施例中该薄膜以由金属材料形成为例，该金属材料可以是Al但在实际应用中并不以此为限。然后，对在衬底表面沉积的金属Al层进行图形化形成金属凸块，图形化工艺可以采用半导体工艺中常用的光刻刻蚀工艺形成，该金属凸块的直径尺寸可以小于500um。参考半导体器件的制作过程的截面示意图，即图2中的S201中，衬底20表面形成的突出结构为金属凸块21。

本实施例中，形成牺牲层的材料为碳涂层材料。碳涂层(Spin-On-Carbon,简称SOC)材料，其主要成分是高碳含量的聚合物。需要说明的是，本实施例中的碳涂层材料可以理解为有机材料，其组成元素主要是碳、氢、氧，但并不以此为限，在具体实现中还可能包含其他元素。在一个例子中，碳涂层材料的组成元素的质量百分比可以满足以下条件的其中之一或任意组合：碳的质量百分比可以大于或等于75％且小于或等于85％，氢的质量百分比可以大于或等于1％且小于10％，氧的质量百分比可以大于10％且小于20％。在另一个例子中，碳涂层材料的组成元素的质量百分比可以满足以下条件的其中之一或任意组合：碳涂层材料的组成元素的质量百分比为以下任意之一或其组合：碳的质量百分比为80％、氢的质量百分比为5％、氧的质量百分比为15％。

另外，本实施例中，碳涂层材料可以是一种富含碳的可旋涂聚合物，具体可以为富勒烯基高分子材料，但在具体实现中并不以此为限。

具体的说，步骤101中在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层的具体方式可以参考图3中的流程图，包括：

步骤301：采用旋涂工艺在衬底的表面沉积碳涂层材料，形成碳涂层材料层。

具体的说，参考图2中的S202，采用旋涂工艺在衬底20的表面均匀沉积一层碳涂层材料，形成碳涂层材料层22。碳涂层材料具有很好的旋涂性能，旋涂厚度和旋涂转速有关，通过调节旋涂转速可以来调节衬底表面最终形成的碳涂层材料层的厚度。由于，碳涂层材料具有较好的流动性，因此，可以控制使得碳涂层材料层的厚度很薄，通常碳涂层材料层的厚度可以控制在小于300纳米。由图2中的S202可以看出碳涂层材料层22覆盖了金属凸块21，且碳涂层材料层22表面平整。

步骤302：对碳涂层材料层进行固化。

具体的说，可以采用烘烤工艺对碳涂层材料层进行固化，可以采用热板，也可以是烘箱烘烤。烘烤的温度和时间可以根据实际需要进行设置，通常固化温度低于400度，本实施方式中的固化温度可以设置为350度，固化时间可以设置为4分钟，但在实际应用中并不以此为限。

步骤303：对固化后的碳涂层材料层进行图形化，形成牺牲层。

具体的说，首先，可以在碳涂层材料层表面涂覆刻蚀阻挡层。该阻挡层可以是光阻材料，也可以是用金属掩模版制作的金属层，本实施例中采用光阻材料来做阻挡层，但在实际应用中，并不以此为限。然后，可以对阻挡层进行图形化，阻挡层的图形化工艺一般是指光刻工艺，包括曝光显影工艺。接着，可以采用等离子体灰化工艺，将阻挡层图像化后的图案转移到碳涂层材料层上。其中，等离子体灰化是指采用等离子刻蚀工艺在碳涂层材料层表面选择性刻蚀，形成图形，等离子体灰化碳涂层材料层的气体可以采用氧气，氢气，氮气等。最后，可以将阻挡层去除，一般如果阻挡层采用光阻材料制成，是通过灰化工艺去除阻挡层光阻，如果阻挡层采用金属材料制成，可以通过湿法去除工艺去除金属阻挡层。最终形成如图2中S203所示的牺牲层23。

本实施方式中，制作半导体器件过程中器件的俯视图可以参考图4，对固化后的碳涂层材料层进行图形化可以理解为将不需要的碳涂层材料去除。其中，留下来的碳涂层材料形成的图形可以包括，如图4中S401所示的空腔40和通道41。空腔40的形状可以根据实际需要进行设置，如圆形、方形等，本实施方式中以圆形实例，但在实际应用中并不以此为限。通道41的数量大于或等于1条，本实施方式中以4条为例，但在实际应用中并不以此为限。

步骤102：在牺牲层上形成结构层。

具体的说，结构层的材料可以为多晶硅，绝缘介质，如SiO2、SiN等材料，对应的沉积工艺可以为化学气相沉积工艺，也就是说，通过化学气相沉积工艺在牺牲层上沉积SiO2、SiN等材料形成结构层。结构层的材料还可以为有机材料，如聚偏氟乙烯PVDF、聚对二甲苯parylene或者富含硅的有机层等材料，对应的沉积工艺可以为涂敷工艺和低温烘烤工艺。参考图2中S204，即为在牺牲层上形成的结构层24。

步骤103：释放牺牲层，形成半导体器件。

具体的说，首先，可以对结构层进行图形化，将不需要的位置的结构层材料去除。这里需要去除的位置包括在牺牲层上方形成释放孔。可以参考俯视图，图4中S402，在通道41的末端开释放孔43，该开孔工艺可以是半导体的光刻刻蚀工艺。释放孔43还可以参考截面图，图2中的S205。通过释放孔43以及通道41，采用等离子体灰化工艺将空腔40内的形成牺牲层的碳涂层材料全部去除，在结构层下方形成空腔或架空结构，从而得到可动结构。去除牺牲层采用等离子体灰化技术可以避免湿法刻蚀工艺的风险，避免对于其他层的破坏。可以理解的是，牺牲层的释放速度即牺牲层去除的速度和通道41的宽度正相关。

另外，可以根据实际需要选择是否密封释放孔43，比如，如果需要密封释放孔43可以通过在在结构层表面沉积一层密封材料而把释放孔43堵上从而达到密封的目的，该密封材料通常可以是氧化硅，也可以是通过熔融的流动性差的材料将释放孔密封。可以参考图2中的S206，采用密封材料44，密封释放孔43。最终形成的半导体器件的截面图可以为图2中的S206。

在一个例子中，最终制作得到的半导体器件可以为超声波换能器。超声波换能器是一种能量转换器件，其工作原理为：由压电效应将电信号转换为机械振动，当超声波换能器通以电脉冲信号时，由于振子的机械振动会产生超声波信号，再将超声波信号传递出去。其中，振子的机械振动即可以认为制作的半导体器件中的可动结构的机械振动，在具体的工艺流程中，去除牺牲层后，在结构层下方形成空腔或架空结构，可以实现上述的可动结构。

与现有技术相比，本实施方式在形成有突出结构和/或凹陷结构的衬底的表面形成牺牲层，牺牲层覆盖突出结构和/或凹陷结构，形成牺牲层的材料为碳涂层材料，在牺牲层上形成结构层，释放牺牲层，形成半导体器件。也就是说，在不平整的衬底的表面上形成牺牲层，由于形成牺牲层的材料为碳涂层材料，该碳涂层材料的流动性较好，碳涂层材料作为形成牺牲层的材料因其流动性较好，更容易填平衬底表面上的突出结构和/或凹陷结构，使得在衬底表面上形成的牺牲层的平整度较好，从而使得牺牲层上面形成的结构层的平整度也较好。同时，使用碳涂层材料作为形成牺牲层的材料还能满足释放牺牲层时对牺牲层的要求，即采用碳涂层材料形成牺牲层有利于与半导体工艺很好的兼容；而且形成的牺牲层具有一定的硬度和强度可以适应结构层成型工艺所需要的高温和高应力；并且，在释放牺牲层时，碳涂层材料能达到比结构层和衬底更高的选择比。

本发明的第二实施方式涉及一种半导体器件的制作方法。第二实施方式是第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于，在本发明第二实施方式中，在碳涂层材料层与结构层之间增加中间层，由于该中间层的材料为无机材料，可以用于保护碳涂层材料层，有利于防止碳涂层材料层在后续工艺中挥发污染工艺设备。本实施方式中的半导体器件的制作方法可以如图5所示，包括：

步骤501：采用旋涂工艺在衬底的表面沉积碳涂层材料，形成碳涂层材料层。

步骤502：对碳涂层材料层进行固化。

步骤501至步骤502与第一实施方式中步骤301至步骤302大致相同，为避免重复在此不再一一赘述。

步骤503：在碳涂层材料层上形成中间层。

其中，形成中间层的材料主要为无机材料，比如说为硅、硅氧烷或者SiO2等的材料。在碳涂层材料层表面形成中间层。该层中间层的材料可以用于保护碳涂层材料层，防止碳涂层材料在后续工艺中挥发污染工艺设备。

具体的说，在碳涂层材料层上形成中间层的方式可以为：采用旋涂工艺在碳涂层材料层的表面沉积无机材料，形成中间层，然后对碳涂层材料层的表面沉积的无机材料进行固化，比如可以采用烘烤的方式进行固化。

在一个例子中，可以参考图6，图6为本实施方式中，形成牺牲层的过程的示意图。其中，S601至S602与图2中S201至S202大致相同，为避免重复，在此不再一一赘述。图6中S603，即实现了在碳涂层材料层22上形成中间层61。

步骤504：对中间层进行图形化。

具体的说，可以采用光刻工艺对中间层进行图形化。先将光刻胶材料旋涂在中间层表面，在光刻胶上形成需要的图形，之后采用刻蚀工艺将形成的图形转移到中间层上，从而实现对中间层的图形化。

在一个例子中，参考图6，S604中展示的是将光刻胶材料旋涂在中间层61表面形成的刻蚀阻挡层62，S605中展示的是在光刻胶上形成需要的图形，即对刻蚀阻挡层进行图形化，得到图形化后的刻蚀阻挡层63。然后，参考S606，将采用刻蚀工艺将图形化后的刻蚀阻挡层63上的图形转移到中间层61上，得到图形化后的中间层64。

步骤505：将中间层进行图形化后的图案转移到固化后的碳涂层材料层上，形成牺牲层。

具体的说，可以将中间层作为硬掩模，把硬掩模上的图案转移到固化后的碳涂层材料层上，比如可以将硬掩模上的图案刻蚀到碳涂层材料层上，形成牺牲层，同时可以大幅减少在高温下形成牺牲层的碳涂层材料的挥发。

在一个例子中，参考图6，其中，S606即实现了将中间层进行图形化后的图案转移到固化后的碳涂层材料层上，形成牺牲层23，最后将图形化后的刻蚀阻挡层63去除，本实施例中的去除工艺可以采用灰化工艺，但在实际应用中并不以此为限。参考图6中的S607，本实施例中在释放牺牲层之前保留图形化后的中间层64，以保护牺牲层23，防止形成牺牲层23的碳涂层材料在后续工艺中挥发污染工艺设备。在具体实现中，该中间层的材料在牺牲层被去除后可以保留在器件结构中而不被去除，也可以在牺牲层被释放后去除中间层，对此本实施方式不做具体限定。

步骤506：在牺牲层上形成结构层。

步骤507：释放牺牲层，形成半导体器件。

步骤506至步骤507与第一实施方式中步骤102至步骤103大致相同，为避免重复在此不再一一赘述。

与现有技术相比，本实施方式中在对碳涂层材料层进行固化之后，对固化后的碳涂层材料层进行图形化，形成牺牲层之前，还包括：在碳涂层材料层上形成中间层；其中，形成中间层的材料为无机材料；对中间层进行图形化；对固化后的碳涂层材料层进行图形化，形成牺牲层，具体为：将中间层进行图形化后的图案转移到固化后的碳涂层材料层上，形成牺牲层。在碳涂层材料层上形成中间层，中间层的材料为无机材料，该层无机材料有利于保护碳涂层材料层，防止碳涂层材料层在后续工艺中挥发污染工艺设备。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种半导体器件，如图7所示，本实施例中的半导体器件可以通过第一或第二实施方式中的半导体器件的制作方法制作得到。图7中的半导体器件可以包括衬底20，衬底20上具有突出结构21，结构层24与衬底20之间形成有空腔结构71，通过上述半导体器件的制作方法制作得到的半导体器件中，最终可以实现结构层24为可动机构。

在一个例子中，半导体器件可以为超声换能器，超声换能器可以为电容式超声换能器或压电式超声换能器。

在一个例子中，空腔结构的高度小于300纳米，使得半导体器件更加小型化，驱动电压更小、功耗也更小。本实施方式中的半导体器件由于采用第一或第二实施方式中的半导体器件的制作方法制作得到，通过在衬底表面沉积碳涂层材料形成碳涂层材料层，因碳涂层材料具有很好的流动性，可以将碳涂层材料层做的很薄，从而使得形成的牺牲层也很薄，最终使得释放牺牲层后形成的空腔结构的高低很低，可以控制在小于300纳米。

与现有技术相比，本实施方式中的半导体器件采用第一或第二实施方式中的半导体器件的制作方法制作得到，在不平整的衬底的表面上形成牺牲层，由于形成牺牲层的材料为碳涂层材料，该碳涂层材料的流动性较好，碳涂层材料作为形成牺牲层的材料因其流动性较好，更容易填平衬底表面上的突出结构和/或凹陷结构，使得在衬底表面上形成的牺牲层的平整度较好，从而使得牺牲层上面形成的结构层的平整度也较好。同时，使用碳涂层材料作为形成牺牲层的材料还能满足释放牺牲层时对牺牲层的要求，即采用碳涂层材料形成牺牲层有利于与半导体工艺很好的兼容；而且形成的牺牲层具有一定的硬度和强度可以适应结构层成型时的温度和应力；并且，在释放牺牲层时，牺牲层能达到比结构层和衬底更高的选择比。而且，由于采用碳涂层材料作为形成牺牲层的材料，更容易将牺牲层做的很薄，使得释放牺牲层后，衬底与结构层之间的空腔结构高度较低，使得半导体器件更加小型化，驱动电压更小、功耗也更小。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。