半导体器件与其制作方法与流程

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。

技术实现要素：

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的制作方法，该制作方法包括：提供第一待键合结构，上述第一待键合结构包括具有凹槽的第一衬底，上述第一衬底的材料包括碳化硅；提供第二待键合结构，上述第二待键合结构包括依次叠置设置的第二衬底、感应层和形变层，上述感应层的材料包括基体材料和n型或p型的掺杂杂质；将上述第一待键合结构和上述第二待键合结构键合，使得上述形变层的远离上述感应层的表面与上述凹槽两侧的上述第一衬底的表面接触，且上述形变层和上述凹槽形成感应空腔；去除上述第二衬底。

进一步地，上述提供上述第二待键合结构的过程包括：在预形变层的表面上设置感应层；提供第二衬底；将上述第二衬底和设置有上述感应层的上述预形变层进行键合，使得上述感应层的远离上述预形变层的表面和上述第二衬底的表面接触；减薄上述预形变层；对减薄后的上述预形变层进行化学机械抛光，形成形变层。

进一步地，在上述预形变层的表面上设置感应层前，上述提供上述第二待键合结构的过程还包括：在预形变层的表面上设置掺杂层，上述感应层设置在上述掺杂层的远离上述预形变层的表面上，上述掺杂层和上述感应层之间形成pn结。

进一步地，在去除上述第二衬底后，上述制作方法还包括：对上述感应层进行刻蚀，形成多个间隔设置的感应部；在各上述感应部的裸露表面和各上述感应部两侧的上述形变层的表面上设置绝缘材料；对上述绝缘材料进行刻蚀，形成具有多个通孔的绝缘层，上述通孔一一对应地使上述感应部的部分表面裸露；至少在各上述通孔中设置电极材料且使得上述电极材料与上述感应层接触，形成多个间隔的电极部。

进一步地，上述感应层的掺杂杂质为n型杂质，上述掺杂层的掺杂杂质为p型杂质，上述感应层的掺杂浓度大于10²⁰/cm³，上述掺杂层的掺杂浓度大于10¹⁸/cm³。

进一步地，上述掺杂层的材料包括碳化硅，上述形变层的材料和上述基体材料均包括碳化硅。

进一步地，上述凹槽的深度在5～50μm之间，上述形变层的厚度在5～50μm。

根据本申请的另一方面，提供了一种半导体器件，该半导体器件包括：具有凹槽的第一衬底，上述第一衬底的材料包括碳化硅；形变层，位于上述衬底的表面上，且上述形变层和上述凹槽形成感应空腔；感应层，位于上述形变层的远离上述第一衬底的表面上，上述感应层的材料包括基体材料和n型或p型的掺杂杂质。

进一步地，上述感应层包括多个间隔设置的感应部，上述半导体器件还包括：绝缘层，位于各上述感应部的裸露表面和各上述感应部两侧的上述形变层的表面上，且上述绝缘层具有多个通孔，上述通孔一一对应地与上述感应部抵接；多个间隔设置的电极部，各上述电极部的至少部分位于一个上述通孔中，且上述电极部与上述感应部一一对应地接触。

进一步地，上述半导体器件还包括：掺杂层，位于上述形变层和上述感应层之间，上述掺杂层和上述感应层形成pn结。

应用本申请的技术方案，上述制作方法形成的半导体器件中，第一衬底的材料包括碳化硅，由于碳化硅材料具有宽禁带、高的热机械稳定性和耐腐蚀性特性，能适应高温高压强腐蚀等极端恶劣环境，因此，采用该材料形成的半导体器件能够在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量；并且，该制作方法中采用键合的方式形成半导体器件，只需要在衬底的正面刻蚀形成合适深度的凹槽，无需从背面刻蚀衬底，形成感应空腔，避免了刻蚀较厚的衬底材料导致的器件的制作效率较低的问题；并且，由于采用键合的方式，可以根据实际的需要设置厚度合适的形变层，即该形变层可以较薄，当该半导体器件为压力传感器时，可以实现小量程的测量。上述的制作方法简单，键合强度几乎可以达到体材料强度，所以可以制作得到绝压大量程all-sic压力传感器。

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至图10示出了本申请的一种实施例中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、第一待键合结构；11、第一衬底；110、凹槽；12、第一预衬底；20、第二待键合结构；21、形变层；210、预形变层；22、掺杂层；230、感应部；23、感应层；24、第二衬底；30、绝缘层；300、绝缘材料；31、通孔；40、电极部。

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的制作方法，该制作方法包括：

提供第一待键合结构10，上述第一待键合结构10包括具有凹槽110的第一衬底11，如图2所示，上述第一衬底11的材料包括碳化硅；

提供第二待键合结构20，如图4所示，上述第二待键合结构20包括依次叠置设置的第二衬底24、感应层23和形变层21，上述感应层23的材料包括基体材料和n型或p型的掺杂杂质；

将上述第一待键合结构10和上述第二待键合结构20键合，使得上述形变层21的远离上述感应层23的表面与上述凹槽110两侧的上述第一衬底11的表面接触，且上述形变层21和上述凹槽110形成感应空腔，如图5所示；

去除上述第二衬底24，形成图6所示的结构。

上述制作方法形成的半导体器件中，第一衬底11的材料包括碳化硅，由于碳化硅材料具有宽禁带、高的热机械稳定性和耐腐蚀性特性，能适应高温高压强腐蚀等极端恶劣环境，因此，采用该材料形成的半导体器件能够在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量；并且，该制作方法中采用键合的方式形成半导体器件，只需要在衬底的正面刻蚀形成合适深度的凹槽110，无需从背面刻蚀衬底，形成感应空腔，避免了刻蚀较厚的衬底材料导致的器件的制作效率较低的问题；并且，由于采用键合的方式，可以根据实际的需要设置厚度合适的形变层21，即该形变层21可以较薄，当该半导体器件为压力传感器时，可以实现小量程的测量。上述的制作方法简单，键合强度几乎可以达到体材料强度，所以可以制作得到绝压大量程all-sic压力传感器。

本申请的一种实施例中，上述提供上述第二待键合结构20的过程包括：在上述预形变层210的表面上设置感应层23；提供第二衬底24；将上述第二衬底24和设置有上述感应层23的上述预形变层210进行键合，使得上述感应层23的远离上述预形变层210的表面和上述第二衬底24的表面接触，如图3所示；减薄上述预形变层210；对减薄后的上述预形变层210进行化学机械抛光，形成图4所示的形变层21。在第二衬底24的存在下，进行减薄，可以实现小于20μm的形变层21的制备，甚至可以实现厚度小于5μm的形变层21的制备，从而可以制备得到实现量程小于2mpa的压力传感器。并且，该方法中在减薄后，采用化学机械抛光对减薄后的预形变层210进行处理，可以优化预形变层210的表面粗糙度，形成粗糙度小于0.2nm的形变层21，且形变层21的厚度较均匀。

为了减小器件的漏电流，且提升该半导体器件作为传感器的测量精度，本申请的一种实施例中，在上述预形变层210的表面上设置感应层23前，提供上述第二待键合结构20的过程还包括：在预形变层210的表面上设置掺杂层22，如图3和图4所示，上述感应层23设置在上述掺杂层22的远离上述预形变层210的表面上，上述掺杂层22和上述感应层23之间形成pn结。

为了方便该半导体器件的使用，且提高该半导体器件的使用寿命，同时适用于不同的电阻需求，本申请的一种实施例中，在去除上述第二衬底24后，上述制作方法还包括：对上述感应层23进行刻蚀，形成多个间隔设置的感应部230，如图7所示；在各上述感应部230的裸露表面和各上述感应部230两侧的上述形变层21的表面上设置绝缘材料300，形成图8所示的结构，需要说明的是，由于图8示出的结构中在形变层21的表面上设置有掺杂层22，所以绝缘材料300设置在感应部230以及感应部230两侧的掺杂层22的表面上；对上述绝缘材料300进行刻蚀，形成具有多个通孔31的绝缘层30，如图9所示，上述通孔31一一对应地使上述感应部230的部分表面裸露；至少在各上述通孔31中设置电极材料且使得上述电极材料与上述感应层23接触，形成如图10所示的多个间隔的电极部40。

本申请的一种具体的实施例中，该制作方法制作得到的半导体器件为压阻型压力传感器，该压力传感器由上述的第一衬底11、形变层21、掺杂层22、感应部230、绝缘层30和电极部40形成。

一种具体的实施例中，上述感应层23的掺杂杂质为n型杂质，上述掺杂层22的掺杂杂质为p型杂质，上述感应层23的掺杂浓度大于10²⁰/cm³，上述掺杂层22的掺杂浓度大于10¹⁸/cm³。这样的掺杂浓度能够提升该压力传感器的灵敏度。

为了进一步保证该半导体器件可以应用在温度大于或者等于500℃的极端情况下，本申请的一种实施例中，上述掺杂层22的材料包括碳化硅，上述形变层21的材料和上述基体材料均包括碳化硅。

本申请中的凹槽110的深度和形变层21的厚度可以根据实际需要测量的压力的范围来设计，当需要测量的压力值较大时，则可以将凹槽110的深度和形变层21的厚度设计为较小的值，当需要测量的压力值较大时，则可以将凹槽110的深度和形变层21的厚度设计为较大的值。

为了使得该半导体器件能够测量较小的压力范围，本申请的一种实施例中，上述凹槽110的深度在5～50μm之间，上述形变层21的厚度在5～50μm。

本申请中的绝缘层30的材料可以为现有技术中的半导体领域中任何可用的材料，例如可以为二氧化硅、氮化硅和/或氮化铝，为了使得绝缘层30和形变层21之间的晶格常数更加匹配，同时使得绝缘层30和感应层23之间的晶格常数更加匹配，当形变层21和感应层23为碳化硅层时，绝缘层30可以为氮化铝层，氮化铝的晶格常数为3.11，碳化硅的晶格常数为3.07，二者之间仅差0.04。

本申请的绝缘层30的设置过程可以采用现有技术中的任何可行的方法实施，具体可以根据实际情况来选择合适的工艺来形成对应的绝缘层30，比如热氧化法、沉积法或者真空蒸镀法等。

本申请的电极部40的材料可以采用现有技术中的任何耐高温的电极材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的电极材料形成本申请的上述电极部，比如铂金电极部或钛镍金电极部。

本申请的第一待键合结构10和第二待键合结构20之间的键合过程可以采用现有技术中的任何可以用的键合方式，本申请的一种实施例中，采用表面活性化晶圆键合技术，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。

本申请的去除第二衬底24的过程可以采用现有技术中的任何可行的工艺实施，例如可以选择湿法刻蚀，也可以选择干法刻蚀，具体可以根据实际情况(例如第二衬底24的材料)来选择合适的工艺。

本申请的上述第二衬底24可以为现有技术中的任何可用的衬底，比如硅衬底、锗衬底、硅锗衬底或蓝宝石衬底等，本领域技术人员可以根据实际情况选择选择合适的衬底。

本申请的感应层23、掺杂层22和预形变层210的形成过程可以采用现有技术中的任何工艺所实施。具体地，可以根据实际的材料等需求来选择合适的工艺方法，比如化学气相沉积法或物理气相沉积法等。

本申请的刻蚀过程可以采用现有技术中的任何合适的刻蚀工艺实施，例如湿法刻蚀和/或干法刻蚀，具体的刻蚀溶液或者刻蚀气体可以根据实际情况来选择。

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，如图10所示，该半导体器件包括具有凹槽110的第一衬底11、形变层21和感应层23，其中，上述第一衬底11的材料包括碳化硅；形变层21位于上述衬底的表面上，且上述形变层21和上述凹槽110形成感应空腔；感应层23位于上述形变层21的远离上述第一衬底11的表面上，上述感应层23的材料包括基体材料和n型或p型的掺杂杂质。

上述的半导体器件中，第一衬底11的材料包括碳化硅，由于碳化硅材料具有宽禁带、高的热机械稳定性和耐腐蚀性特性，能适应高温高压强腐蚀等极端恶劣环境，因此，采用该材料形成的半导体器件能够在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量。

为了方便该半导体器件的使用，且提高该半导体器件的使用寿命，同时适用于不同的电阻需求，本申请的一种实施例中，如图10所示，上述感应层23包括多个间隔设置的感应部230，上述半导体器件还包括绝缘层30和多个间隔设置的电极部40，其中，绝缘层30位于各上述感应部230的裸露表面和各上述感应部230两侧的上述形变层21的表面上，且上述绝缘层30具有多个通孔31，上述通孔31一一对应地与上述感应部230抵接；各上述电极部40的至少部分位于一个上述通孔31中，且上述电极部40与上述感应部230一一对应地接触。

为了进一步降低器件的漏电流，且提高器件的测量精确度，本申请的一种实施例中，上述半导体器件还包括掺杂层22，掺杂层22位于上述形变层21和上述感应层23之间，上述掺杂层22和上述感应层23形成pn结。

一种具体的实施例中，上述感应层23的掺杂杂质为n型杂质，上述掺杂层22的掺杂杂质为p型杂质，上述感应层23的掺杂浓度大于10²⁰/cm³，上述掺杂层22的掺杂浓度大于10¹⁸/cm³。这样的掺杂浓度能够提升该压力传感器的灵敏度。

为了进一步保证该半导体器件可以应用在温度大于或者等于500℃的极端情况下，本申请的一种实施例中，上述掺杂层22的材料包括碳化硅，上述形变层21的材料和上述基体材料均包括碳化硅。

本申请中的凹槽110的深度和形变层21的厚度可以根据实际需要测量的压力的范围来设计，当需要测量的压力值较大时，则可以将凹槽110的深度和形变层21的厚度设计为较小的值，当需要测量的压力值较大时，则可以将凹槽110的深度和形变层21的厚度设计为较大的值。

为了使得该半导体器件能够测量较小的压力范围，本申请的一种实施例中，上述凹槽110的深度在5～50μm之间，上述形变层21的厚度在5～50μm。

本申请中的绝缘层30的材料可以为现有技术中的半导体领域中任何可用的材料，例如可以为二氧化硅、氮化硅和/或氮化铝，为了使得绝缘层30和形变层21之间的晶格常数更加匹配，同时使得绝缘层30和感应层23之间的晶格常数更加匹配，这样更好地保证该器件在高温时的稳定性，进一步避免了在高温时由于不同的材料层之间的晶格常数差别较大，使得二者之间的热膨胀系数差别较大导致高温时材料层之间出现裂痕的问题，当形变层21和感应层23为碳化硅层时，绝缘层30可以为氮化铝层，氮化铝的晶格常数为3.11，碳化硅的晶格常数为3.07，二者之间仅差0.04。

本申请的电极部40的材料可以采用现有技术中的任何耐高温的电极材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的电极材料形成本申请的上述电极部。

本申请的上述第二衬底24可以为现有技术中的任何可用的衬底，比如硅衬底、锗衬底、硅锗衬底或蓝宝石衬底等，本领域技术人员可以根据实际情况选择选择合适的衬底。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术效果和技术方案。

实施例

该半导体器件为压阻型压力传感器，其制作过程由以下步骤构成：

提供第一预衬底12，第一预衬底12为碳化硅层，如图1所示；

采用等离子刻蚀工艺，对第一预衬底12进行刻蚀，形成具有凹槽110的第一衬底11，进而形成第一待键合结构10，凹槽110的深度为20μm，如图2所示；

采用外延生长方式在预形变层210的表面上生长5μm的p型sic层和2μm的n型sic层，其中，p型sic层为掺杂层22，且该层中的p型杂质的掺杂浓度为10¹⁸/cm³，n型sic层为感应层23，且该层中的n型杂质的掺杂浓度为10²⁰/cm³；

提供第二衬底24，第二衬底24为硅衬底；

将第二衬底24和包括依次设置的预形变层210、掺杂层22和感应层23的结构进行键合；

采用减薄和cmp工艺对预形变层210进行减薄和化学机械抛光，形成厚度为20μm且粗糙度小于0.2nm的形变层21，进而形成第二待键合结构20，如图4所示；

将图2所示的第一待键合结构10和图4所示的第二待键合结构20进行键合，形成如图5所示的结构，其中预形变层210和凹槽110形成感应空腔；

采用koh腐蚀工艺将第二衬底24全部剥离，形成图6所示的结构；

采用刻蚀工艺对感应层23进行刻蚀，形成多个间隔设置的2μm宽的感应部230，即形成压阻条，如图7所示；

采用lpcvd技术沉积包括氮化硅和二氧化硅的材料，形成图8上述的结构；

对上述绝缘材料300进行刻蚀，形成具有多个通孔31的绝缘层30，如图9所示；

最后，在裸露的表面上设置电极材料，采用剥离工艺形成金属互联线，完成电极部40的制作，形成图10所示的结构。

上述的制作方法避免使用深度大于200μm的sic刻蚀工艺，仅适用深度小于20μm的sic刻蚀工艺，此优化不但降低工艺加工成本，而且缩短工艺加工时间，因此加工工艺更加高效；

上述制作方法使用sic与si衬底键合后再减薄工艺，由于si衬底的存在，可以实现小于20μm的sic薄膜制备，甚至可以实现sic膜厚小于5μm，因此，可以实现量程小于2mpa的all-sic压力传感器制作；上述制作方法在sic减薄后采用化学机械抛光工艺优化sic减薄面的粗糙度，可以实现粗糙度小于0.2nm，可以实现膜厚均匀的sic应力膜；上述的制作方法中采用键合工艺实现sic空腔结构制作，工艺简单，键合强度几乎可以达到体材料强度，所以可以实现绝压大量程all-sic压力传感器制作。

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)、本申请的制作方法形成的半导体器件中，第一衬底的材料包括碳化硅，由于碳化硅材料具有宽禁带、高的热机械稳定性和耐腐蚀性特性，能适应高温高压强腐蚀等极端恶劣环境，因此，采用该材料形成的半导体器件能够在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量；并且，该制作方法中采用键合的方式形成半导体器件，只需要在衬底的正面刻蚀形成合适深度的凹槽，无需从背面刻蚀衬底，形成感应空腔，避免了刻蚀较厚的衬底材料导致的器件的制作效率较低的问题；并且，由于采用键合的方式，可以根据实际的需要设置厚度合适的形变层，即该形变层可以较薄，当该半导体器件为压力传感器时，可以实现小量程的测量。上述的制作方法简单，键合强度几乎可以达到体材料强度，所以可以制作得到绝压大量程all-sic压力传感器。

2)、本申请的半导体器件中，第一衬底的材料包括碳化硅，由于碳化硅材料具有宽禁带、高的热机械稳定性和耐腐蚀性特性，能适应高温高压强腐蚀等极端恶劣环境，因此，采用该材料形成的半导体器件能够在高温等极端恶劣的环境下实现精准测量。

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。