一种半导体结构及其制备方法与流程

本发明实施例涉及半导体，尤其涉及一种半导体结构及其制备方法。

背景技术：

1、采用微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)加工工艺，基于压电薄膜而制备的mems压电器件，具有体积小、重量轻、灵敏度高、集成度高、成本低等优点，成为研究和使用的重点。

2、但是，目前mems压电器件存在灵敏度不够高、耐受高声压有一定的限制以及检测谐振频率单一等缺陷，在使用上具有一定的局限性。因此，如何提高mems压电器件的灵敏度、高声压耐受性以及扩大检测频率带宽，成为本领域人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种半导体结构及其制备方法，以提高半导体结构的灵敏度、高声压耐受度以及扩大检测频率带宽。

2、根据本发明的一方面，提供了一种半导体结构，包括：

3、衬底，所述衬底的一侧具有第一凹槽；

4、多层压电传感结构，依次层叠在所述衬底远离所述第一凹槽的一侧；相邻两层压电传感结构之间的边缘处设置有支撑结构，以在相邻两层压电传感结构之间形成空腔；

5、其中，每一所述压电传感结构包括固定端以及多个由边缘向内部延伸的悬臂梁结构；位于第一层的所述压电传感结构的固定端由所述衬底支撑，位于第一层所述压电传感结构上方的所述压电传感结构的固定端由所述支撑结构支撑；不同层的所述悬臂梁结构的受压面积和/或长度不同。

6、可选的，位于同一层的所述压电传感结构中的所述悬臂梁结构长度相同，并且受压面积相同。

7、可选的，每一所述悬臂梁结构包括压电层和位于所述压电层相对两侧的第一电极层和第二电极层。

8、可选的，每一所述悬臂梁结构包括多层压电层；相邻两层所述压电层之间设置一共用电极层。

9、可选的，沿着垂直于所述压电传感结构的方向，所述悬臂梁结构的长度逐渐变化。

10、可选的，沿着所述衬底指向所述压电传感结构的方向上，所述悬臂梁结构的长度逐渐减小，并且，同层中相邻两个所述悬臂梁结构之间的间隙逐渐变大。

11、可选的，所述压电传感结构的形状包括圆形或多边形；所述悬臂梁结构的形状包括条形、方形、三角形和扇形中的至少一种。

12、可选的，所述压电层的材料包括pzt、zno、pvdf、pnmpc和aln中的至少一种，所述第一电极层、所述第二电极层和所述共用电极层的材料均包括mo、al、au、ag、cu、ni、pt、pd和cr中的至少一种。

13、可选的，所述支撑结构包括支撑主体以及覆盖在所述支撑主体一侧表面上的键合薄膜；其中所述键合薄膜用于与位于所述支撑结构下方的压电传感结构键合。

14、可选的，所述第一凹槽部分贯穿所述衬底；或者，所述第一凹槽完全贯穿所述衬底，以使位于第一层的悬臂梁结构完全悬空；

15、其中，在所述第一凹槽部分贯穿所述衬底时，所述第一凹槽的底部具有开口，所述开口与第一层中相邻两个所述悬臂梁结构之间的间隙贯通，并且所述开口的宽度与第一层中相邻两个所述悬臂梁结构之间的间隙宽度相等。

16、可选的，每一支撑结构与位于其上方的压电传感结构之间还包括绝缘层；所述绝缘层用于电隔离相邻的两层压电传感结构；

17、其中，所述绝缘层附着压电传感结构靠近衬底一侧的整个表面；或者所述绝缘层由边缘向内部延伸至固定端与悬臂梁结构的分界线处，以使位于第一层的悬臂梁结构上方的悬臂梁结构完全悬空。

18、根据本发明的一方面，提供了一种半导体结构的制备方法，包括：

19、提供衬底；

20、在所述衬底的一侧形成多层压电传感结构，并在相邻两层压电传感结构之间的边缘处形成支撑结构，以在相邻两层压电传感结构之间形成空腔；

21、其中，每一所述压电传感结构包括固定端以及多个由边缘向内部延伸的悬臂梁结构；位于第一层的所述压电传感结构的固定端由所述衬底支撑，位于第一层所述压电传感结构上方的所述压电传感结构的固定端由所述支撑结构支撑；不同层的所述悬臂梁结构的受压面积和/或长度不同；

22、在所述衬底远离所述压电传感结构的一侧形成第一凹槽。

23、可选的，在所述衬底的一侧形成多层压电传感结构，并在相邻两层压电传感结构之间的边缘处形成支撑结构，包括：

24、在所述衬底的一侧形成第一压电初始材料层，并刻蚀所述第一压电初始材料层形成多个由边缘向内部延伸的悬臂梁结构，完成第一层压电传感结构的制备；

25、提供支撑结构初始层，并在所述支撑结构初始层的表面形成键合层后，依次刻蚀所述键合层和所述支撑结构初始层形成第二凹槽；

26、将所述支撑结构初始层具有第二凹槽的一面与第一层压电传感结构键合，并对所述支撑结构初始层进行抛光减薄至所述凹槽处，形成支撑结构；

27、提供牺牲衬底，并在所述牺牲衬底的一侧形成第二压电初始材料层后，将所述牺牲衬底具有第二压电初始材料层的一面与所述支撑结构键合；

28、去除所述牺牲衬底，刻蚀暴露出的所述第二压电初始材料层，形成多个由边缘向内部延伸的悬臂梁结构，完成第二层的压电传感结构的制备；

29、依次类推，完成预设层数的压电传感结构的制备。

30、可选的，所述在所述衬底的一侧形成第一压电初始材料层，并刻蚀所述第一压电初始材料层形成多个由边缘向内部延伸的悬臂梁结构，完成第一层压电传感结构的制备，包括：

31、在所述衬底的一侧依次制备第一电极层、压电层和第二电极层以形成第一压电初始材料层；

32、图形化所述第二电极层、所述压电层以及所述第一电极层以暴露衬底。

33、可选的，所述提供牺牲衬底，并在所述牺牲衬底的一侧形成第二压电初始材料层，包括：

34、在所述牺牲衬底的一侧依次制备第一电极层、压电层和第二电极层以形成第二压电初始材料层；

35、所述提供牺牲衬底，并在所述牺牲衬底的一侧形成第二压电初始材料层之后，还包括：

36、在所述第二电极层远离所述牺牲衬底的一侧形成绝缘层，并图形化所述绝缘层。

37、可选的，在所述衬底远离所述压电传感结构的一侧形成第一凹槽，包括：

38、对所述衬底远离所述压电传感结构的表面进行刻蚀，形成部分贯穿所述衬底的第一凹槽，并继续刻蚀所述第一凹槽的底部形成与第一层中相邻两个所述悬臂梁结构之间间隙贯通的开口；其中，所述开口的宽度与第一层中相邻两个所述悬臂梁结构之间的间隙宽度相等；

39、或者，在所述衬底远离所述压电传感结构的一侧形成第一凹槽，包括：

40、对所述衬底远离所述压电传感结构的表面进行刻蚀，形成完全贯穿所述衬底的凹槽，以使位于第一层的悬臂梁结构完全悬空。

41、本发明实施例提供的技术方案，通过形成三维多层悬臂梁结构堆叠的半导体结构，在悬臂梁数量上可实现远高于传统的单层悬臂梁设计，每个悬臂梁都相当于单个独立的输出源，从而增加了电学信号输出，将半导体结构用为mems压电传感器时，由于增加了电学信号输出，因此可以实现提高mems压电传感器的灵敏度；而且，三维堆叠型的半导体结构，每一层都相当于声压气流缓冲层，一定强度的声压信号，被分散至多层悬臂梁压电层上，大大减少了单层悬臂梁结构在高压环境下断裂的风险，提高了器件在高压环境中的耐受性；通过多层悬臂梁之间协调配合，还可充分地将声压气流信号完全接收并实现电信号的输出，减少了声信号的损失，保证器件在高声压环境下进行稳定持续的输出，也延长了器件的使用寿命；此外，通过设置不同层的悬臂梁结构的受压面积和/或长度不同，使得每一层悬臂梁振动结构的谐振频率可以不同，因而多层悬臂梁结构能够拥有多种谐振频率，从而扩大了检测频率带宽，适用性更强。

42、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。