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，为全固定结构，其中振膜11，背极板110(包括电极层13和其上的绝缘层12)，设置在背极板上的通孔为器件的声孔15，振膜11和衬底10一起构成器件的背腔14。通过振膜11两端的第二绝缘层16(通常为一整圈)来固定振膜11，这种结构方式容易使得振膜材料中的内应力不能得到释放，会极大的降低振膜柔顺度，降低器件灵敏度。
图2为现有的另一种声学换能器结构，其包括：振膜21，背极板210(包括电极层23和其上的第一绝缘层22)，设置在背极板上的通孔为器件的声孔25，振膜21和衬底20一起构成器件的背腔24，其中振膜21通过锚点26和背极板的第一绝缘层22固定，而第一绝缘层22固定在衬底20上。该种结构采用背极板和振膜之间通过锚点固定，会引起背极板的应力集中，而第一绝缘层起到使电极层绝缘的作用，多采用氮化硅作为主要材料，然而氮化硅硬度高韧性差，对于应力集中点非常敏感，会降低器件结构的机械强度。
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、背极板和背腔，其中振膜通过锚点直接固定在衬底上。
由于本发明的实施例中采用振膜通过锚点固定在衬底上的方式，相较于用一整圈做薄膜黏附在衬底或者背极板上的结构，优势主要体现在：振膜的沉积过程中会引入一定的内应力，而工艺正常范围内此应力会有一定的变化，声音换能器对于振膜应力非常敏感，锚点结构受到该层膜内应力的影响很小，可以释放绝大多数薄膜本身的内应力，所以使振膜有较好的结构柔顺度。
可选地，振膜为圆柱形，所述锚点为圆柱体、圆台状体、马蹄形柱体和u形柱体中的任意一种。本实施例中振膜为圆柱形，振膜为圆柱形的设计，使得在同等的面积下在声压作用下做受迫运动可以提供较其他的图形有更好的稳定性，即在向上运动和向下运动时可以保持相同的振幅。
可选地，锚点对称设置在振膜上，数量为6个、8个、10个或20个。放置锚点以可以提供足够的机械强度并且保留足够的振膜结构柔顺度为准。
可选地，衬底设有凹槽，凹槽和振膜形成半导体器件的背腔。
可选地，衬底凹槽为圆柱形。
可选地，凹槽在水平方向上对称的向衬底方向延伸形成若干扩展区，圆柱形区和扩展区组成的背腔一起和振膜形成半导体器件的背腔。扩展区的存在，能够扩大背腔的面积，进一步提高声压信号的强度和器件灵敏度。
可选地，扩展区设有6个、8个、10个或20个。
可选地，凹槽横截面的最大直径小于等于振膜层的直径。
本发明实施例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；
在衬底正面形成锚点和振膜；
在振膜上形成背极板和声孔；
在背极板和振膜之间形成间隙和在衬底背面形成背腔，器件制备完成。
可选地，衬底正面形成锚点和振膜步骤，具体可为：
在衬底的正面形成第一绝缘层，对第一绝缘层进行图形化形成一第一凹槽，第一凹槽暴露出部分衬底；
在第一绝缘层上形成振膜材料层，振膜材料层填充第一凹槽并覆盖第一绝缘层，以在第一凹槽内形成锚点；
对振膜材料层进行图形化，暴露出第一绝缘层的边缘，形成锚点与振膜。
本发明再一方面还提供一种电子装置，其包括前述的半导体器件。
通过该方法制备的半导体器件，因振膜通过锚点直接固定在衬底上，使得振膜的应力能够很好地释放，所以结构柔顺度好，不仅能提供良好的声学性能，有高信噪比，还同时提供良好的机械性能，在可靠性测试中的良好表现。
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为现有的一种半导体器件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的半导体器件结构示意图；
图4为本发明实施例的振膜层和锚点的横截面结构示意图；
图5为本发明实施例的衬底凹槽的横截面结构示意图；
图6为本发明实施例提供的半导体器件的制备流程图；
图7a至图7k为本发明实施例提供的半导体器件的制备步骤示意图；
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3示出了本发明一个实施例的半导体器件结构，其制备在衬底30上，包括：振膜31，背极板310(包括电极层33和其上绝缘层32)、背腔34和声孔35，振膜31通过锚点36直接固定在衬底30上。这里的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30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310可以为多晶硅和氮化硅叠加，还可以只使用多晶硅。
在本实施例中，振膜通过锚点直接固定在衬底上，相较于用一整圈做薄膜黏附在沉底衬底或者背极板上的优势，主要体现在：振膜的沉积过程中会引入一定的内应力，而工艺正常范围内此应力会有一定的变化，声音换能器对于振膜应力非常敏感，锚点结构的设计使得振膜受到该层膜内应力的影响很小，可以释放绝大多数薄膜本身的内应力，因而具有较好的结构柔顺度。
锚点对称地设置在振膜四周以支撑振膜，锚点形状为圆柱体状、圆台状或长方体状，马蹄形柱体状和u形柱体状也可以是其他熟知的结构，在本实施例中锚点为圆柱体状。振膜锚点的数量可根据实际情况进行设置，在本实施例中是对称设置在振膜四周，数量可为6或8个(如图4)，也可以为10个或20个，可以提供足够的机械强度并且保留足够的振膜结构柔顺度。
衬底背面设有背腔34，背腔34由设在衬底上的凹槽和振膜组成。凹槽可为圆柱形，也可以为其他任何形状，在本实施例中设置为圆柱形。凹槽还可以在水平方向上对称的向衬底方向上延伸形成若干扩展区，其中保留用于作锚点支撑的位置，扩展区的形状也可以自由设计。图5为一种背腔的具体结构示意图，组成背腔34的凹槽包括设在衬底中的圆柱形区341和若干扩展区342，其中扩展区之间为保留用于作为锚点36支撑的区域。和锚点相对应，扩展区的数量可为6个、8个、10个或20个。为了达到较好的效果，衬底凹槽水平方向上(也可称横截面上)的最大直径小于等于振膜的直径。
本发明的半导体器件的制备方法一实施例(参见图6)，包括如下步骤：
步骤s601，准备一衬底；
步骤s602，在衬底上形成锚点和振膜；
步骤s603，在振膜上形成背极板和声孔；
步骤s604，在振膜和背极板之间形成间隙，同时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，其中振膜通过锚点直接固定在衬底上，使得该结构中的振膜可以有较好的结构柔顺度。
下面参考图7a至7k对本发明的半导体器件的一个具体实施的制备方法进行详细描述，其中图7a至图7k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s601中，提供一衬底700，衬底具有正面s1与背面s2(见图7a)。衬底700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700优选为硅衬底。衬底的正面s1与背面s2位于衬底700的相对两侧。
在步骤s602中，在衬底700的正面s1形成振膜和锚点，形成如图7d所示的结构。
首先，在衬底700的正面s1形成第一绝缘层710(见图7b)，对第一绝缘层710进行图形化形成一第一凹槽711，第一凹槽711暴露出部分衬底700，如图7c所示。
具体的，在衬底700的正面s1上沉积第一绝缘层710，在第一绝缘层710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，暴露出第一绝缘层710上预定形成第一凹槽的位置，以图形化的光刻胶层为掩膜对第一绝缘层710进行刻蚀，至暴露出衬底700，在第一绝缘层710内形成第一凹槽711，最后通过灰化工艺去除图形化的光刻胶层。可选的，第一绝缘层710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，在第一绝缘层710上形成振膜材料层，振膜材料层填充第一凹槽711并覆盖第一绝缘层710，以在第一凹槽711内形成锚点721；然后，对振膜材料层进行图形化，暴露出第一绝缘层710的边缘，形成锚点721与振膜720，如图7d所示。振膜材料层的材质为多晶硅，或本领域技术人员已知的其他材料。
振膜720后续作为mems器件的振膜，振膜720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，锚点721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。锚点721的数量也可以为6个、8个、10个或20个，所述振膜720的相对于多个锚点在振膜720上的投影所组成的整体中心对称。本发明对锚点721的结构及数量并不做限定。
在步骤s603中，在振膜720上形成背极板和声孔。背极板与振膜720绝缘隔离间隙760，在背极板中形成有连通间隙760的多个通孔751，参考图7e到图7j所示。
在步骤s604中，在衬底700的背面s2形成背腔701，背腔701暴露出振膜720且背向间隙760，请参考图7k所示。
以下对步骤s603与步骤s604进行详细介绍：
在振膜720上形成电极层740，形成如图7i所示结构。
具体的，首先，在振膜720上形成第二绝缘层730，如图7e所示。需要说明的是，第二绝缘层730与第一绝缘层710的材质可以完全相同；当然，第二绝缘层730也可以采用与第一绝缘层710不同的材质，本发明对此并不做限定。
第二绝缘层730覆盖振膜720以及第一绝缘层710。接着，对第二绝缘层730与第一绝缘层710进行图形化，具体的，在第二绝缘层730上形成图形化的光刻胶层，以图形化的光刻胶层为掩膜，对第二绝缘层730与第一绝缘层710进行刻蚀，暴露出衬底700的边缘，并且在第二绝缘层730内形成多个第二凹槽731，如图7f所示。第二凹槽731的深度小于第二绝缘层730的厚度，即第二凹槽731并未暴露出振膜720。可选的，第二凹槽731均匀分布于第二绝缘层730上，且第二凹槽731与振膜720相对应。接着再次刻蚀第一绝缘层和第二绝缘层至衬底，形成如图7h所示结构。
接着，形成一电极层740，电极层740填满第二凹槽731并覆盖第二绝缘层730以及衬底700。最后，对电极层740进行图形化，即在电极层740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740进行刻蚀，暴露出衬底700的边缘以及第二绝缘层730的边缘，形成电极层740，如图7i所示。电极层740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。
在背极板上形成第一通孔751，如图7j所示。
具体的，首先，形成一第三绝缘层750，第三绝缘层750覆盖电极层740、第二绝缘层730以及衬底700(见图7i)；然后，对第三绝缘层750与电极层740进行图像化，形成暴露出第二绝缘层730的多个第一通孔751，其中电极层740和第三绝缘层750一起构成器件的背极板。例如可以通过在第三绝缘层750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，对第三绝缘层750以及电极层740进行刻蚀，直至暴露出第二绝缘层730，在第三绝缘层750以及电极层740中形成多个第一通孔751(见图7j)。第一通孔751主要作为mems器件的声孔。
接着，可选的，在衬底700的正面s1上形成第四绝缘层(未图示)，第四绝缘层填充第一通孔751，并覆盖第三绝缘层750以及衬底700，亦即第四绝缘层覆盖衬底700的正面s1。避免后续对衬底700的背面进行操作时对衬底700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700的背面s2上形成第三凹槽701。具体的，对衬底700的背面s2进行图形化，形成暴露第一绝缘层710的第三凹槽701，并保留第三凹槽701中与锚点721具有正对面积的衬底。第三凹槽701的横截面具有圆形区和多个扩展区域，扩展区的数量可根据锚点来设置，可为6个、8个、10个或20个，具体数量再次不做限定。
在背极板与振膜720之间形成间隙760，在振膜和衬底之间形成背腔701，形成如图7k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，刻蚀液通过第三凹槽701对所述第一绝缘层710进行刻蚀至暴露出所述振膜720，在所述衬底700的背面形成背腔701。在刻蚀液对所述第一绝缘层710进行刻蚀的过程中，所述刻蚀液同时对所述第四绝缘层进行刻蚀，去除所述第四绝缘层之后，通过所述通孔751对所述第二绝缘层730进行刻蚀，去除部分所述第二绝缘层730，形成位于所述振膜720与背极板之间的间隙760。也就是说，所述第四绝缘层的去除、所述间隙760的形成与所述背腔701的形成，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。