一种半导体器件及其制备方法和包含其的电子装置与流程

本发明实施例涉及一种半导体器件，尤其涉及一种声学的半导体器件及其制备方法。

背景技术

在半导体领域中，一种mems器件为声学换能器，该器件能感受声音引起的空气振动使得声学换能器中的可动电极板做受迫简谐振动，引起模拟信号的变化，最终将声音信号转化为电信号。声学换能器主要包括振膜，即可动电极板；背极板，即固定电极板；背腔结构，即声压信号进入通道。

图1为现有的一种声学换能器结构，其中振膜，背极板(包括电极层和其上的绝缘层)，设置在背极板上的通孔为器件的声孔，振膜和衬底一起构成器件的背腔。通过振膜11通过若干锚点固定在衬底上，这种结构方式容易使得振膜具有较大的灵敏性，但并不密封，导致器件的低频表现不佳。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种半导体器件，其能提供一种声学性能更好的器件。

本发明实施例的半导体器件，制备在衬底上，包括：振膜结构、背极板结构和背腔，其中所述振膜结构包含：中间振膜和外围振膜，以及由所述中间振膜和所述外围振膜组成的细缝，所述中间振膜由若干离散锚点固定在所述衬底上，所述外围振膜由一薄膜圈固定在所述衬底上。

本发明实施例提供的半导体器件，通过外部的一薄膜圈实现了结构的封闭性；内部离散的锚点，使得振膜可以获得更大的机械灵敏度；通过内外部多晶硅之间的细缝实现了电性隔离，振膜的相对封闭设计，能够提升器件低频性能。

可选地，所述振膜为圆柱形，所述离散锚点为圆柱体、圆台状体、马蹄形柱体和u形柱体中的任意一种。

可选地，所述离散锚点对称设置在所述中间振膜和衬底之间上，数量为4个、6个、8个、10个或20个。通过数量的选择，实现离散锚点对振膜支撑的同时，还能使振膜保持足够的灵活性。

可选地，所述中间振膜为类圆形，且所述类圆形四周设有若干延伸部，所述中间振膜通过所述延伸部固定在所述衬底上。

通过设置延伸部，通过振膜延伸部进行锚点固定，使得内部离散锚点远离振膜，这使得背孔的尺寸设计有了很大的空间，可以实现大尺寸(可大于振膜有效震动面积)的背孔，还可以在底端封装实现更高的灵敏度，在顶端封装实现更加优异的低频表现。

可选地，所述延伸部的横截面为半圆形、半椭圆形形或马蹄形，数量为4个、6个、8个、10个或20个。

可选地，所述细缝的形状与所述中间振膜的外轮廓相匹配。

可选地，所述细缝的宽度不大于所述振膜厚度的1/2。

设计该细缝的宽度的设计，可以实现对于器件低频表现的调节，使得该设计即可用于顶端封装又可以用于底端封装。

本发明还提供一种电子装置实施例，其包含前述的半导体器件。

本发明还提供一种半导体器件的制备方法，包括如下步骤：

准备一衬底；

在所述衬底正面形成中间振膜和外围振膜，固定中间振膜的离散锚点和固定外围振膜的一薄膜圈；

在所述振膜上形成背极板和声孔；

在所述背极板和所述振膜之间形成间隙，在所述中间振膜和所述外围振膜之间形成细缝，以及在所述衬底背面形成背腔，器件制备完成。

可选地，所述在衬底正面形成锚点和振膜的步骤，具体包括：

在所述衬底的正面形成第一绝缘层，对所述第一绝缘层进行图形化形成一第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽暴露出部分所述衬底；

在所述第一绝缘层上形成振膜材料层，所述振膜材料层填充所述第一凹槽和第二凹槽，并覆盖所述第一绝缘层；

对所述振膜材料层进行图形化，暴露出所述第一绝缘层的边缘，形成所述中间振膜和外围振膜，固定所述中间振膜的离散锚点和固定所述外围振膜的一薄膜圈。

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要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种半导体器件结构示意图；

图2至图4为本发明一具体实施例提供的半导体器件结构示意图；

图5至图9为本发明另一具体实施例提供的半导体器件结构示意图；

图10为本发明实施例提供的半导体器件的制备流程图；

图11至图20为本发明一实施例提供的半导体器件的制备步骤示意图；

其中附图标记为

100为现有半导体器件：其中10为衬底；11为振膜；12为电极层；13为绝缘层；14为背腔；15为声孔；16为锚点。

200为本发明一实施例半导体器件：其中20为衬底；21为振膜；211为中间振膜；212为外围振膜；22为电极层；23为绝缘层；24为背腔；25为声孔；261为离散锚点；262为薄膜圈；27为细缝。

400为本发明一实施例半导体器件：其中40为衬底；41为振膜；411为中间振膜；412为外围振膜；4111为延伸部；42为电极层；43为绝缘层；44为背腔；45为声孔；461为离散锚点；462为薄膜圈；47为细缝；401为第一介质层；403为第二介质层；s1为衬底正面；s2为衬底背面；410为控制专用芯片；420为金属盖；430为封装基材；440为金属；450为底端开口；460为顶端开口。

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。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。

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，以便阐释本发明提出的技术方案。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。

图2至图4示出了本发明一个实施例的半导体器件200的结构示意图，图3为半导体器件200的振膜部分结构示意图，图4为沿振膜的a-a’界面的本导体器件200的部分截面示意图。半导体器件200其制备在衬底20上，包括：振膜21，背极板(包括电极层22和其上绝缘层23)、背腔24和声孔25，振膜21包含：中间振膜211和外围振膜212，以及由中间振膜和外围振膜组成的细缝27，中间振膜211由若干离散锚点261固定在衬底20上，外围振膜212由一薄膜圈262固定在衬底20上。

本发明实施例提供的半导体器件，通过外部的连续锚点实现了结构的封闭性；内部离散的锚点，使得振膜可以获得更大的机械灵敏度；通过内外部多晶硅之间的细缝实现了电性隔离。振膜的相对封闭设计，能够提升器件低频性能。

离散锚点可为圆柱体、圆台状体、马蹄形柱体和u形柱体中的任意一种。离散锚点的设置可依具体情况来设计，一种方式为对称设置在中间振膜边缘上，数量可为4个、6个、8个、10个或20个，以能够较好地支撑振膜而不丧失灵活性为好。通过数量的选择，实现离散锚点对振膜支撑的同时，还能使振膜保持足够的灵活性。

中间振膜的形状不固定，在一个实施例中，中间振膜为圆形，中间振膜和外围振膜形成一细缝。在这种结构中，中间振膜通过离散锚点直接固定在衬底上，外围振膜用一整圈薄膜黏附在衬底上，通过这种结构实现中间振膜的密封。振膜的相对封闭设计，能够较好提升器件低频性能。

外围振膜围绕在中间振膜外，和中间振膜之间形成细缝。在一个具体实施例中该细缝的形状和中间振膜的轮廓相匹配。细缝的宽度可根据器件性能进行设计，可以实现对于器件低频表现的调节，使得该设计即可用于顶端封装又可以用于底端封装。在一个具体实施例中，细缝的宽度不大于振膜厚度的1/2。

中间振膜为器件的可动电极，背极板为固定电极，背腔为声压信号进入通道。衬底的材质可以为硅衬底，也可以是锗、锗硅、砷化镓衬底或绝缘体上硅衬底。本领域技术人员可以根据需要选择衬底，因此衬底的类型不应限制本发明的保护范围。背极板可以为多晶硅和氮化硅叠加，还可以只使用多晶硅。

图5至图7为本发明的另一个具体实施例的半导体器件400结构示意图，图6为半导体器件400的振膜部分结构示意图，图7为沿振膜的a-a’界面的本导体器件400的部分截面示意图。半导体器件400其制备在衬底40上，包括：振膜41，背极板(包括电极层42和其上绝缘层43)、背腔44和声孔45，振膜41包含：中间振膜411和外围振膜412，以及由中间振膜和外围振膜组成的细缝47，中间振膜411由若干离散锚点461固定在衬底40上，外围振膜412由一薄膜圈462固定在衬底40上。

中间振膜为类圆形，且类圆形四周设有若干延伸部4111，离散锚点461设置在延伸部下方，用于将中间振膜411固定在衬底40上。延伸部的横截面的形状可根据需要设计，可为半圆形、半椭圆形形或马蹄形。延伸部的数量可根据离散锚点的数量进行设计，可为4个、6个、8个、10个、20个或其他可较好支撑中间振膜的数量。

图6中虚线圈表示背腔的位置，通过在中间振膜上设置延伸部，通过在延伸部上设置离散锚点将中间振膜固定在衬底上定，使得内部离散锚点可以远离振膜，这使得背腔的尺寸设计有了很大的空间，可以实现大尺寸(可大于振膜有效震动面积)的背腔。图8为半导体器件400的底端封装结构示意图，其中控制专用芯片(简称：asic芯片)410和半导体器件400一起封装在由金属盖420形成的顶、封装基材430和金属440多层叠加构成底端的结构中；设在由封装基材430和金属440多层叠加构成底端的底端开口450作为声音通路。上述背腔结构能使背腔开口更大，可以给底端开口的封装形式半导体器件提供了更大的声压来源所以信噪比会更加高。图9为半导体器件400的顶端封装结构示意图，设在金属盖420上的顶端开口460作为声音通路，在这种封装形式中，背腔体积是振动背腔，体积越大，低频表现越优异。

本发明的半导体器件的制备方法一实施例(参见图10)，包括如下步骤：

步骤s1001，准备一衬底；

步骤s1002，在衬底正面形成中间振膜和外围振膜，固定中间振膜的离散锚点和固定外围振膜的一薄膜圈；

步骤s1003，在振膜上形成背极板和声孔；

步骤s1004，在背极板和振膜之间形成间隙，在中间振膜和外围振膜之间形成细缝，以及在衬底背面形成背腔，器件制备完成。

通过上述制备工艺制备的半导体器件，其中通过离散锚点固定的中间振膜和通过一薄膜圈固定的外围振膜组成密封性能良好的振膜结构，通过内外部振膜之间的细缝实现了电性隔离。

下面参考图11至图20对本发明的半导体器件400的一个具体实施的制备方法进行详细描述，其中图11至图20示出了制备过程中的相关步骤形成的结构的剖视图。

在步骤s1001中，提供一衬底40，衬底具有正面s1与背面s2(见图11)。衬底的材质可以为硅衬底，也可以是锗、锗硅、砷化镓衬底或绝缘体上硅衬底。本领域技术人员可以根据需要选择衬底，因此衬底的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中的衬底优选为硅衬底。衬底的正面s1与背面s2位于衬底40的相对两侧。

在步骤s1002中，在衬底的正面s1形成振膜和锚点，形成如图14所示的结构。

首先，在衬底40的正面s1形成第一介质层401，对第一介质层401进行图形化形成一凹槽，凹槽暴露出部分衬底40，如图13所示。

具体的，在衬底40的正面s1上沉积第一介质层401(见图12)，在第一介质层401上形成光刻胶层(未图示)，对光刻胶层进行曝光与显影，形成图像化的光刻胶层，暴露出第一介质层401上预定形成凹槽的位置，以图形化的光刻胶层为掩膜对第一介质层401进行刻蚀，至暴露出衬底40，在第一介质层401内形成凹槽，最后通过灰化工艺去除图形化的光刻胶层。可选的，第一介质层401的材质为氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅的叠层，或本领域技术人员已知的其他材料。

接着，在第一介质层401上形成振膜材料层，振膜材料层在本实施中具体为多晶硅层，振膜材料层填充凹槽并覆盖第一介质层401；然后，对振膜材料层进行图形化，暴露出第一介质层401的边缘，形成振膜41，包括带有延伸部4111的中间振膜411和外围振膜412、分别支撑中间振膜和外围振膜的离散锚点461与薄膜圈462，如图14所示。振膜材料层的材质还可为本领域技术人员已知的其他材料。

中间振膜411后续作为mems器件的振膜，振膜的材料可以选择多晶硅、锗硅、锗或其他具有弹性的金属或半导体材料，确保振膜受到声音或惯性力等的作用力而振动变形后还能回复原状，并且确保振膜具有良好的导电性。

在本实施例中，优选的，离散锚点461呈圆柱体状、圆台状或长方体状，或本领域技术人员已知的其他结构。离散锚点461对称设置在中间振膜下，数量可以为4个、6个、8个、10个或20个，中间振膜411的相对于多个离散锚点在中间振膜411的投影所组成的整体中心对称。本发明对离散锚点461的结构及数量并不做限定。支撑外围振膜412的薄膜圈462也同步形成。

在步骤s1003中，在振膜上形成背极板和声孔。参考图15到图19所示。

在步骤s1004中，在背极板和振膜之间形成间隙，在中间振膜和外围振膜之间形成细缝，以及在衬底背面形成背腔，器件制备完成。

以下对步骤s1003与步骤s1004进行详细介绍：

在中间振膜411上形成电极层42，形成如图18所示结构。

具体的，首先，在中间振膜411上形成第二介质层403，如图15所示。需要说明的是，第二介质层403与第一介质层401的材质可以完全相同；当然，第二介质层403也可以采用与第一介质层401不同的材质，本发明对此并不做限定。

第二介质层403覆盖振膜以及第一介质层401。接着，对第二介质层403与第一介质层401进行图形化，具体的，在第二介质层403上形成图形化的光刻胶层，以图形化的光刻胶层为掩膜，对第二介质层403与第一介质层401进行刻蚀，暴露出衬底40的边缘，并且在第二介质层403内形成多个凹槽，如图16所示。凹槽的深度小于第二介质层403的厚度，即凹槽并未暴露出振膜。可选的，凹槽均匀分布于第二介质层403上，且凹槽与振膜相对应。接着再次刻蚀第一介质层和第二介质层至衬底，形成如图17所示结构。

接着，形成一电极层42，电极层42填满凹槽并覆盖第二介质层403以及衬底40。最后，对电极层42进行图形化，即在电极层42上形成图形化的光刻胶层，以图形化的光刻胶层为掩膜，对电极层42进行刻蚀，暴露出衬底40的边缘以及第二介质层403的边缘，形成电极层42，如图18所示。电极层42的材料可选择多晶硅、锗硅或锗，还可以为其他金属如铝，或者本领域技术人员已知的其他材料。

在背极板上形成通孔。

具体的，首先，形成一绝缘层43，绝缘层43覆盖电极层42、第二介质层403以及衬底40；然后，对绝缘层43与电极层42进行图像化，形成暴露出第二介质层403的多个通孔，其中电极层42和绝缘层43一起构成器件的背极板，多个通孔即为器件的声孔。例如可以通过在绝缘层43上形成图形化的光刻胶层，暴露出预定形成的通孔在第三绝缘层上的位置，然后以图形化的光刻胶层为掩膜，对绝缘层43以及电极层42进行刻蚀，直至暴露出第二介质层403，在绝缘层43以及电极层42中形成多个通孔(见图19)。通孔作为mems器件的声孔。

接着，可选的，在衬底40的正面s1上形成第四绝缘层(未图示)，第四绝缘层填充通孔，并覆盖绝缘层43以及衬底40，亦即第四绝缘层覆盖衬底40的正面s1。避免后续对衬底40的背面进行操作时对衬底40的正面的结构造成影响。第四绝缘层的材料优选为氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅的叠层结构，或本领域技术人员已知的其他材料。

然后，在衬底40的背面s2上形成凹槽，如图20所示。具体的，对衬底40的背面s2进行图形化，形成暴露第一介质层401的凹槽。

在背极板与振膜之间形成间隙，在振膜和衬底之间形成背腔44，以及形成中间振膜、外围振膜、离散锚点和薄膜圈，形成如图5所示的结构。

具体的，采用boe(bufferedoxideetch，缓冲氧化物刻蚀)法，将上一步骤中形成的结构放置于氧化物刻蚀液中，刻蚀液通过凹槽对所述第一介质层401进行刻蚀至暴露出所述振膜，在衬底40的背面形成背腔44。在刻蚀液对第一介质层401进行刻蚀的过程中，刻蚀液同时对第四绝缘层进行刻蚀，去除第四绝缘层之后，通过通孔对第二介质层403进行刻蚀，去除部分第二介质层403，形成位于所述振膜与背极板之间的间隙。也就是说，第四绝缘层的去除、间隙、振膜结构与背腔44的形成，以及形成完整的振膜结构和支撑结构等，是在同一工艺步骤(即boe)中进行的。

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。