薄膜结构的形成方法、声电换能器件及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术，具体涉及一种薄膜结构的形成方法、声电换能器件及其形成方法。

背景技术：

声电换能器用于进行声信号和电信号之间的转换。麦克风是将声波(即，声信号)转换成电信号的声电换能器。扬声器则是将电信号转换为声信号的声电换能器。

基于微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)的传感器广泛应用于各类电子设备中。目前，对于麦克风和扬声器等声电换能器件的小型化要求使得越来越多的器件采用mems技术制造。

作为示例，电容式mems麦克风包括背板电极和与电极平行地布置的振膜(membrane)。背板电极和振膜形成平行板电容器。背板电极和振膜由布置在半导体衬底上的支撑结构支撑。背板电极被穿孔，从而声压波穿过背板同时由于形成在振膜上的压力差而使振膜振动。因此，薄膜和背板电极之间的气隙随着振膜的振动而变化。振膜相对于背板电极的位置的变化引起振膜和背板电极之间的电容的变化。电容的这种变化响应于薄膜的移动而被变换成输出信号，并且形成转化的电信号。

使用类似的结构，电信号可被施加在振膜和背板电极之间以便使其振动并且产生声压波。因此，电容式mems结构也可用作微型扬声器。

振膜通常通过沉积一层多晶硅层，然后刻蚀多晶硅层上方和下方的牺牲层形成。在通过半导体制造工艺形成所述振膜的过程中，薄膜结构的应力(stress)参数对于器件的性能和寿命具有较大的影响。部分现有技术通过在振膜上附加其它结构来控制和调节应力。部分现有技术通过调整工艺参数来调节应力参数。受限于设备性能、振膜强度要求和整体电性能参数要求，现有的调节方式均存在一定的应力盲区，难以在一个较宽的范围内调节薄膜结构的应力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种薄膜结构的形成方法、声电换能器件及其形成方法，以扩大对于振膜的应力调节范围，获得期望的应力参数。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种薄膜结构的形成方法，所述方法包括：

在衬底上沉积第一多晶硅层；

调节所述第一多晶硅层的应力至预定的第一范围；以及

在所述第一多晶硅层上沉积第二多晶硅层以使得第二多晶硅层具有与第一多晶硅层不同类型的应力；以及

调节所述第二多晶硅层的应力至预定的第二范围，以使得所述薄膜结构的整体应力在期望的范围中。

进一步地，通过离子注入和/或退火来调节所述第一多晶硅层的应力。

进一步地，调节所述第一多晶硅层的应力包括依次执行如下步骤：

进行离子注入；

进行再氧化；以及

进行第一次退火。

进一步地，通过调节离子注入的能量、离子注入的掺杂量和/或退火温度来调节所述第一多晶硅层的应力。

进一步地，所述第二多晶硅层的形成方法为：在带有掺杂源的环境下通过低压化学气相沉积(lpcvd)沉积多晶硅。

进一步地，通过第二次退火来调节所述第二多晶硅层的应力。

进一步地，所述第二次退火为快速热退火。

进一步地，所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层具有不同厚度。

进一步地，采用不同的工艺类型沉积所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层，以使得所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层产生不同类型的应力；和/或

采用不同的工艺参数沉积所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层，以使得所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层产生不同类型的应力。

进一步地，所述工艺参数包括沉积压力和沉积厚度。

进一步地，所述方法还包括：

在所述第二多晶硅层上再顺序沉积至少一个多晶硅层，并逐一调节每个多晶硅层的应力。

进一步地，所述方法还包括：

在调节所述第二多晶硅层的应力前，在所述第二多晶硅层上沉积氧化物层。

进一步地，所述氧化物层以正硅酸乙酯作为硅前体沉积形成。

进一步地，所述薄膜结构用于形成声电换能器件的振膜。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种声电换能器件的形成方法，所述方法包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底具有相对的第一面和第二面；

在所述半导体衬底的第一面上沉积第一牺牲层；

根据上述第一方面所述的方法在所述第一牺牲层上形成薄膜结构；

在所述薄膜结构上依次沉积第二牺牲层和图案化的背板电极层以获得电容结构；

刻蚀所述半导体衬底的第二面，形成背腔；以及

刻蚀去除至少部分第一牺牲层和第二牺牲层以形成容纳振膜的空腔。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种声电换能器件，包括：

半导体衬底；

背板电极，形成在半导体衬底的一侧；以及

振膜，设置于背板电极和半导体衬底之间的空腔内；

其中，所述振膜包括顺序叠置的第一多晶硅层和第二多晶硅层。

进一步地，所述第一多晶硅层和/或所述第二多晶硅层为经过掺杂的多晶硅层。

进一步地，所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层具有不同的厚度。

进一步地，所述振膜还包括叠置于所述第二多晶硅层上的至少一个多晶硅层。

相比于现有技术，本发明实施例通过沉积多个多晶硅层来形成所述薄膜结构，并分别调节每个多晶硅层应力，由此，可以扩大薄膜应力调节的范围，获得期望的应力参数。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的薄膜结构的形成方法流程图；

图2-图5是本发明实施例的薄膜结构形成过程的示意图；

图6是本发明实施例中形成的第一多晶硅层的应力变化示意图；

图7是本发明实施例的第二多晶硅层的应力变化示意图；

图8是本发明另一个实施例的薄膜结构的形成方法的流程图；

图9-图14是本发明实施例的mems麦克风的形成过程的示意图；

图15是本发明实施例的mems麦克风的截面图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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。

为便于描述这里可以使用诸如“在…之下”、“在...下面”、“下”、“在…之上”、“上”等空间关系术语以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。应当理解，空间关系术语旨在概括除附图所示取向之外器件在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转过来，被描述为“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件将会在其他元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“在...下面”就能够涵盖之上和之下两种取向。器件可以采取其他取向(旋转90度或在其他取向)，这里所用的空间关系描述符被相应地解释。

图1是本发明实施例的薄膜结构的形成方法流程图。如图1所示，本实施例的薄膜结构的形成方法包括如下步骤：

步骤s100、在衬底10上沉积第一多晶硅层20。

步骤s200、调节所述第一多晶硅层20的应力至预定的第一范围。

步骤s300、在所述第一多晶硅层20上沉积第二多晶硅层30以使得第二多晶硅层30具有与第一多晶硅层20不同类型的应力。

步骤s400、调节所述第二多晶硅层30的应力至预定的第二范围，以使得所述薄膜结构的整体应力在期望的范围中。

具体地，参见图2，提供衬底10。本实施例采用等离子体增强氧化物(plasmaelectrolyticoxidation，peox)作为形成薄膜结构的衬底。等离子体增强氧化物的膜层通常为蜂窝状的多孔结构，耐腐蚀性较低，因此，适于作为牺牲层。应理解，本实施例的衬底也可以采用其它的氧化物或半导体材料等适于应用于mems制造工艺中承载薄膜结构的材料。在一个可选实现方式中，衬底10的厚度为15-20k埃。

参见图3，在步骤s100，在衬底10上沉积第一多晶硅层20。在本实施例中，衬底10的两个面均暴露在沉积设备中，因此，在步骤s100中，在衬底10的两个面均沉积形成第一多晶硅层20。第一多晶硅层20可以以硅烷(sih4)为硅前体通过化学气相沉积(cvd)工艺形成。在一个可选实现方式中，沉积压力为0.1-0.4托(torr)，第一多晶硅层的沉积厚度为200-19000埃。通过调节沉积压力和沉积厚度，第一多晶硅层内的应力可以得到调节。

应理解，也可以仅在衬底10的一个面上沉积第一多晶硅层20以及后续的各层，这适用于后续要描述的制备mems麦克风的工艺制程。

在步骤s200，通过离子注入和退火来调节第一多晶硅层20的应力至预定的第一范围。对于应用于mems声电换能器件的振膜，其需要导电，因此，需要对多晶硅进行掺杂，使得其结构和导电率发生改变。其中的掺杂元素可以为硼等p型杂质，也可以为磷等n型杂质。同时，通过化学气相沉积沉积形成第一多晶硅层20后，也需要进行退火以固化第一多晶硅层20，提高其强度。

通过控制这两个工艺的工艺参数，也可以进一步调节第一多晶硅层20的应力参数。具体地，步骤s200可以包括依次执行的如下步骤：步骤s210、进行离子注入；步骤s220、进行再氧化；以及，步骤s230、进行退火固化。

在一个可选实现方式中，步骤s210中，控制离子注入的能量为100-200kev，掺杂浓度为5e13-5e14。由此，可以在掺杂第一多晶硅层20使得其具有较佳的导电性能的同时，调节了其内部应力。步骤s220的再氧化在温度为约850-900摄氏度下的氧气环境中进行。通过再氧化工艺可以使得多晶硅进行再结晶。步骤s230的退火为在氮气环境下进行，退火温度为约1060-1080摄氏度，退火时间为约60秒。通过退火工艺，第一多晶硅层20可以获得较好的强度。同时，退火会使得第一多晶硅层20内部的晶格排布变化，从而改变其应力大小。通过调节退火温度，可以调节应力。图6是示出了通过上述工艺获得的第一多晶硅层的应力和厚度的关系。如图6所示，通过上述工艺参数进行离子注入和退火获得的第一多晶硅层20的应力参数根据厚度的不同在-600至-180mpa之间变化。由此，通过在步骤s100控制第一多晶硅层的沉积厚度，就可以得到一个应力参数在-600至-180mpa的膜结构。同时，通过调节离子注入的能量、离子注入的掺杂浓度和/或退火温度，就可以改变第一多晶硅层20内部的晶体结构，从而获得不同的应力参数。

参见图4，步骤s300，在所述第一多晶硅层20上沉积第二多晶硅层30。第二多晶硅层30可以通过各种现有的多晶硅沉积工艺形成。在一个可选实现方式中，第二多晶硅层30可以通过低压化学气相沉积(lpcvd)来形成。进一步地，可以同时以含磷气体(例如，ph3)为掺杂源的在沉积第二多晶硅层30的同时进行原位掺杂。进行lpcvd的温度可以为约580至590摄氏度，第二多晶硅层30的厚度可以为(埃)。

应理解，在对薄膜结构的导电性要求不高或没有要求时，也可以不进行掺杂。

通过不同的沉积工艺和掺杂工艺，第二多晶硅层30具有与第一多晶硅层20不同类型的应力，第二多晶硅层30的应力可以与第一多晶硅层20的应力相互抵消，从而在更大的范围内调节整个薄膜结构的应力参数。通过调节第二多晶硅层30的厚度，也可以调节整个薄膜结构的应力参数。

由于步骤s300在沉积多晶硅层的同时进行了原位掺杂，因此，在步骤s400，可以直接进行第二次退火。在本实施例中，通过调节第二次退火的温度，也可以调节第二多晶硅层30的应力至预定的第二范围，进而调节整个薄膜结构的应力参数。在一个可选实现方式中，第二次退火为以850-900摄氏度进行的快速热退火(rapidthermalannealing，rta)。在快速热退火中，快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。应理解，采用其它的退火工艺也能够调节第二多晶硅层30的应力。

参见图5，在第二多晶硅层30进行了掺杂的前提下，为了防止在快速热退火中杂质析出污染快速热退火设备。需要在步骤s300前增加步骤s300a(图1中使用虚线表示)。在步骤s300a，在第二多晶硅层30上沉积氧化层40。氧化层40可以封闭第二多晶硅层30，防止其中的掺杂杂质析出。在一个可选实现方式中，氧化层40通过以正硅酸乙酯(ethylsilicate,teos)为硅前体反应获得，其沉积厚度为(埃)，沉积温度为约680摄氏度。应理解，氧化层40也可以通过硅烷加热cvd工艺、pecvd、pe-teos等工艺或常规氧化工艺形成。

通过上述可选实现方式形成的第二多晶硅层的应力参数和厚度的关系如图7所示。实验表明，第二多晶硅层30的应力参数随其厚度在250-360mpa之间变化。由此，第二多晶硅层30的应力可以与第一多晶硅层20的应力相互抵消一部分，从而使得薄膜结构的整体应力较小，被调节到期望的范围内。

由此，相比于现有技术，本发明实施例通过沉积多个多晶硅层来形成所述薄膜结构，并分别调节每个多晶硅层应力，由此，可以扩大薄膜应力调节的范围，获得期望的应力参数。

图8是本发明另一个实施例的薄膜结构的形成方法的流程图。如图8所示，本实施例的方法包括如下步骤：

步骤s100’、在衬底10上沉积第一多晶硅层20。

步骤s200’、调节所述第一多晶硅层20的应力。

步骤s300’、在所述第一多晶硅层20上沉积第二多晶硅层30以使得第二多晶硅层具有与第一多晶硅层不同类型的应力。

步骤s400’、调节所述第二多晶硅层30的应力。

步骤s500’、在所述第二多晶硅层30上沉积第三多晶硅层50。

步骤s600’、调节所述第三多晶硅层50的应力。

其中，第三多晶硅层50的应力类型可以与第一多晶硅层20相同，也可以与第二多晶硅层相同。

其中，可以通过离子注入和/或退火的工艺参数来控制不同的多晶硅层的应力，从而实现对薄膜结构整体应力的调节。不同的多晶硅层的沉积可以采用不同的工艺类型和/或工艺参数沉积形成。例如，不同的多晶硅层也可以具有不同的厚度。由此，可以在较大的范围内调节形成的薄膜结构的应力。

本发明实施例并不限制沉积的多晶硅层的数量，可以根据需要沉积更多的多晶硅层，并在每一层多晶硅层沉积后调节该多晶硅层的应力，从而将最终获得的薄膜结构的整体应力控制在期望的范围内。

本发明实施例的形成方法适于形成声电换能装置的振膜。以下以电容式mems麦克风的形成过程为例来进行说明。应理解，以下说明仅为示例性的，其它类型的声电换能器件以及具有其它结构的mems麦克风或其它的适用于声电换能器的制程均可以适用本发明实施例的薄膜结构的形成方法。

参见图9，在步骤s1000，提供半导体衬底1。半导体衬底1可以为硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底、玻璃衬底或iii-v族化合物衬底(例如氮化镓衬底或砷化镓衬底等)。用于形成mems麦克风的半导体衬底1与在前所述的用于承载多晶硅层的衬底10并不相同，两者可以采用相同或不同的材料形成。

参见图10，在步骤s2000，在半导体衬底1上沉积牺牲层11。牺牲层可以为通过peox工艺沉积的氧化物层。

参见图11，在步骤s3000，在牺牲层11上通过上述实施例的形成方法形成具有多个多晶硅层的薄膜结构12。

参见图12，在步骤s4000，在薄膜结构12上依次沉积牺牲层13，和背板电极层14。进而，对背板电极层14进行图案化，形成具有若干通孔141的背板电极。其中，牺牲层11和牺牲层13的材料与薄膜结构12的材料之间具有较高的刻蚀选择比，同时，上述牺牲层的材料与背板电极层14的材料之间也具有较高的刻蚀选择比。这可以保证后续通过刻蚀去除背腔底部的牺牲层11和牺牲层13时，薄膜结构12(也即振膜)以及背板电极层14基本不受影响。

由此，经过步骤s4000，可以制备获得形成在半导体衬底1上的电容结构。

参见图13，在步骤s5000，经过多个步骤的刻蚀将半导体衬底1从背面刻蚀形成开口图形15，使得牺牲层11暴露在开口中。所述开口图形15用于形成背腔。

参见图14，在步骤s6000，通过湿法刻蚀去除牺牲层11的部分和牺牲层13，同时去除作为刻蚀背腔的掩膜的氧化层(图中未示出)。

通过本发明实施例的方法形成薄膜结构12由于均是多晶硅，因此在湿法刻蚀过程中基本不会受到刻蚀液的影响。同时，由于在形成过程中薄膜结构12的应力得到较好的调整，在设计者的期望范围内。因此，根据本实施例方法形成的麦克风的振膜具有较好应力参数，进而使得其性能参数与设计参数的一致性较高，并具有更好的良率。

图15是根据上述方法形成的mems麦克风的截面图。如图15所示，本实施例的麦克风包括半导体衬底1、形成在衬底一侧的背板电极14和振膜12。振膜12设置于背板电极14和半导体衬底1之间的空腔中。在振膜12下方的半导体衬底1还设置有背腔15。

振膜12包括顺序叠置的第一多晶硅层121和第二多晶硅层122。可选地，第一多晶硅层121和第二多晶硅层122具有不同的厚度。可选地，第一多晶硅层121和第二多晶硅层122通过不同的退火工艺退火固化从而具有不同的应力，进而使得整个振膜的应力参数在期望的范围内。

为了使得振膜12具有导电性，第一多晶硅层121和第二多晶硅层122中至少一层为掺杂多晶硅层。在两层均为掺杂多晶硅层时，两者可以通过不同的掺杂工艺形成。

应理解，本实施例的振膜12仅包括两个多晶硅层。而在其它的实施例中，振膜12可以叠置更多的多晶硅层以获得期望应力参数。

相比于现有技术，本发明实施例通过沉积多个多晶硅层来形成所述薄膜结构，并分别调节每个多晶硅层应力，由此，可以扩大薄膜应力调节的范围，获得期望的应力参数。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。