用于制造包括填充有牺牲材料的腔体的半导体结构的方法

文档序号:9583007阅读:557来源:国知局
用于制造包括填充有牺牲材料的腔体的半导体结构的方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及形成包括一个或更多个腔体的半导体结构的方法,并且涉及使用这些方法制造的结构和装置。
【背景技术】
[0002]半导体结构是在制造半导体装置时使用或形成的结构。半导体装置包括例如电子信号处理器、电子存储器装置、光活性装置和微机电(MEMS)装置。这些结构和装置经常包括一种或更多种半导体材料(例如,硅、锗、πι-v半导体材料等),并且可包括集成电路的至少一部分。
[0003]MEMS装置是既具有物理有源部件又具有电有源部件的装置。MEMS装置的有源部件可具有微米级和/或纳米级部件。例如,MEMS装置可具有截面尺寸是大约100 μ m或更小的有源部件。
[0004]MEMS装置常常包括换能器,其将例如电压或电流形式的电能转换成例如机械偏转或振动形式的动能(物理能量),或者将动能转换成电能。例如,MEMS装置包括谐振器,其响应于施加的电信号,产生谐振机械振动。MEMS装置还包括传感器,传感器用于通过感测因物理现象造成的电信号的振动来感测物理现象(例如,偏转、压力、振动等)。一些MEMS装置可被表征为谐振器和传感器二者。
[0005]许多类型的谐振器是本领域已知的并且包括例如板状声波谐振器、弯曲模式谐振器、体声波(BAW)谐振器、表面声波(SAW)谐振器和膜体声谐振器(FBAR)。

【发明内容】

[0006]提供这个总结是为了以简单形式介绍构思的选取。在对以下公开的示例实施方式的详细描述中,更详细地描述这些构思。这个总结不旨在指示要求保护的主题的关键特征或必要的特征,也不是旨在用于限制要求保护的主题的范围。
[0007]在一些实施方式中,本公开包括一种制造半导体结构的方法。按照给方法,在第一基板中形成一个或更多个腔体。所述一个或更多个腔体从所述第一基板的第一主表面起至少部分延伸到所述第一基板中。在所述一个或更多个腔体内设置牺牲材料。在所述第一基板的所述第一主表面上接合第二基板,通过从所述第二基板去除所述第二基板的相对厚层并且留下所述第一基板的所述第一主表面上接合的所述第二基板的相对薄层,使所述第二基板变薄。形成穿透所述第二基板的所述相对薄层的一个或更多个孔,通过所述一个或更多个孔从所述一个或更多个腔体内去除所述牺牲材料。
[0008]在另外的实施方式中,本公开包括一种半导体结构,该半导体结构包括一个或更多个腔体,所述一个或更多个腔体从第一基板的第一主表面起至少部分延伸通过所述第一基板。牺牲材料设置在所述一个或更多个腔体内。衬垫材料在所述第一基板的在所述一个或更多个腔体内的表面上延伸,所述衬垫材料设置在所述第一基板的所述表面和所述牺牲材料之间。相对薄层设置在所述第一基板的所述第一主表面上并且在设置在所述一个或更多个腔体内的所述牺牲材料上延伸。一个或更多个孔延伸通过所述相对薄层,所述一个或更多个孔与所述牺牲材料相邻地设置。
【附图说明】
[0009]虽然说明书的结束是特别指出并且明确地声明被视为本发明实施方式的内容的权利要求书,但当结合附图进行阅读时,可根据对本公开的实施方式的示例的描述,更容易地弄清本公开的实施方式的优点,其中:
[0010]图1至图14示出可用于形成可用于制造MEMS换能器的半导体结构的方法的示例,这些结构包括可暂时填充牺牲材料的一个或更多个腔体;
[0011]图1是不出基板的简化截面图;
[0012]图2示出图1的基板中形成的腔体;
[0013]图3A示出形成在图2的腔体内的基板表面上或里的衬垫材料;
[0014]图3B示出形成在图4的衬垫材料上的附加的衬垫材料;
[0015]图4示出通过在图2的腔体内设置牺牲材料而形成的结构;
[0016]图5示出形成在图4的结构上的接合层;
[0017]图6示出包括破裂平面的第二基板;
[0018]图7示出接合到图5的结构的图6的第二基板;
[0019]图8示出形成在图7的结构表面上的保护电介质层;
[0020]图9示出蚀刻通过图8的结构的材料相对薄层的孔;
[0021]图10示出孔内的侧壁表面上形成的附加的保护电介质层;
[0022]图11示出通过从基板中的一个或更多个腔体内去除牺牲材料而形成的结构;
[0023]图12示出图2的结构的平面图;以及
[0024]图13示出包括由图11的结构形成的MEMS换能器的半导体器件的一部分。
【具体实施方式】
[0025]本文中呈现的图示不旨在是任何特定半导体材料、结构或装置的实际图,但仅仅是用于描述本公开的实施方式的理想呈现。
[0026]本文中使用的任何标题不应该被视为限制如以下权利要求书及其法律等同物限定的本发明的实施方式的范围。任何特定标题中描述的构思一般可应用于整个说明书中的其它部分。
[0027]如本文中使用的,术语“II1-V半导体材料”意指并且包括至少主要包括周期表的IIIA族中的一个或更多个元素(B、Al、Ga、In和Τ1)和周期表的VA族中的一个或更多个元素(N、P、As、Sb和Bi)的任何半导体材料。例如,II1-V半导体材料包括(但不限于)GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AIN、A1P、AlAs、InGaN、InGaP、GalnN、InGaNP、GalnNAs 等。
[0028]本公开包括可用于形成包括一个或更多个腔体的结构的方法。可利用这些结构制造诸如MEMS谐振器和/或MEMS传感器的MEMS装置。以下,更详细地公开这些方法的示例。
[0029]图1至图14示出可用于形成包括一个或更多个腔体的半导体结构的方法的非限制示例,其中,可利用这一个或更多个腔体形成一个或更多个MEMS换能器。
[0030]图1是示出基板100的简化剖面侧视图。基板100可包括在本领域中被称为“晶片”或“晶圆”的东西,并且可以是大体平面的。基板100可包括传统上在制造集成电路时用于基板的多种材料中的任一种。作为非限制示例,基板100可包括氧化物(例如,氧化铝、氧化锆、二氧化硅等)、氮化物(例如,氮化硅)、碳化物(例如,碳化硅)或半导体材料(例如,硅、锗、II1-V半导体材料等)。在一些实施方式中,基板100可包括非晶材料。在其它实施方式中,基板100可包括结晶材料(例如,多晶或单晶材料)。另外,基板100可至少基本上包括单个大体均质材料,或者基板100可包括多层结构。如图1中所示,基板包括位于基板100 —侧的第一主表面102和位于基板100的与第一主表面102相反侧的第二主表面104。
[0031]参照图2,可在基板100中形成一个或更多个腔体106。腔体106可被形成为基板100的第一主表面102。换句话讲,腔体106可从基板100的第一主表面102延伸到基板100中。可最终使用一个或更多个腔体106来形成MEMS换能器的至少一部分。图2示出基板100中的两(2)个腔体106,尽管基板100可事实上包括任何量(一个或更多个)腔体106。可使用例如光刻掩模和蚀刻处理,在基板100的第一主表面102中形成腔体106。在这些实施方式中,可在基板100的第一主表面102上淀积掩模材料,可选择性地对该掩模材料构图,以在基板100中的期望被蚀刻的位置形成穿透该掩模材料的开口,以形成腔体106。在形成此构图的掩模层之后,可使用例如湿法化学蚀刻处理或干法反应离子蚀刻处理来蚀刻基板100中通过构图的掩模层中的开口所露出的一个或多个区域,以通过第一主表面102在基板100中形成腔体106。在蚀刻处理之后,可去除构图后的掩模层。
[0032]作为一个非限制示例,在基板100包括硅的实施方式中,可使用湿法化学蚀刻处理在硅基板100中蚀刻腔体106,在湿法化学蚀刻处理中,溶液包括按体积大约20%到大约50%之间的氢氧化钾(Κ0Η)和按体积大约50%到大约80%之间的水(H20)。可在大约二十摄氏度(20°C )到大约一百摄氏度(100°C )之间的温度下执行蚀刻处理达足够时间以形成腔体106,并且使得腔体106具有所需尺寸。作为另一个非限制示例,可使用干法等离子体蚀刻处理在基板100中蚀刻腔体106,在基板100包括硅半导体材料的实施方式中,干法等离子体蚀刻处理可采用基于氯和/或基于氟的离子蚀刻物质。
[0033]作为非限制示例,一个或更多个腔体106可从第一主表面102起在基板100中延伸至少大约一微米(1 μm)、至少大约十微米(ΙΟμ??)、至少大约一百微米(ΙΟΟμπι)、至少大约两百微米(200 μπι)或甚至五百微米(500 μπι)或更大的平均深度(d)(从图2的角度看,垂直尺寸)。另外,腔体106可以具有至少大约五十微米(50 μπι)、至少大约五百微米(500 μm)、至少大约一千微米(1000 μπι)或甚至更大的、与基板100的第一主表面102和/或第二主表面104平行的平均截面尺寸(例如,宽度(X)、长度(Υ)、直径等)(从图2的角度看,水平尺寸)。
[0034]腔体106的截面形状可依赖于蚀刻处理中采用的蚀刻剂是各向同性蚀刻剂还是各向异性蚀刻剂,以及依赖于在基板100中蚀刻腔体106所利用的构图掩模层中的开口的截面形状,如之前所讨论的。腔体106可具有任何所需的大小和形状,所需的大小和形状可至少部分地随可随后使用腔体106来形成的MEMS换能器的类型和构造的变化而变化。在利用腔体106作为用于谐振器的MEMS换能器的实施方式中,谐振器的谐振频率可至少部分随腔体106的大小和形状的变化而变化,可设计并且选择腔体106的大小和形状以得到所需的谐振频率。
[0035]再参照图2,第一基板100中的一个或更多个腔体106可被形成为具有是第一基板100的第一主表面102上的第一基板100的外周边缘包围的面积的至少百分之三十(30% )、至少百分之四十(40% )、或至少百分之五十(50% )的、与第一基板100的第一主表面102平行的平面上的截面面积总和。图12中示出非显示示例,图12示出从第一基板100的第一主表面102看的第一基板100中形成的腔体106的平面图。腔体106的截面面积总和是各腔体106的个体面积之和。如图12中所示,腔
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