本發(fā)明屬于硅微機械加工技術，具體涉及一種多晶硅振膜結構的制作方法。

背景技術：

多晶硅膜具有如單晶硅材料的高遷移率、與非晶硅薄膜生長工藝兼容、易于實現大面積生長、制備成本低等優(yōu)良特性，被廣泛用于微電子器件、光伏器件和液晶顯示等領域。另外，多晶硅膜結構也常用于微機電系統(tǒng)(mems)中，特別是作為微納器件的基本振動結構。例如，在電容式mems麥克風中，多晶硅薄膜結構被用作聲音與振動的感知，因此，也被簡稱為多晶硅振膜。傳統(tǒng)mems麥克風多晶硅振膜結構的制作方法主要存在兩大不足：其一，對化學機械拋光的依賴導致工藝難度和制作成本上升；其二，背面深硅刻蝕的工藝誤差顯著影響通孔的形狀及尺寸，從而會降低多晶硅振膜的工作性能。在形成多晶硅振膜的刻蝕停止層時，為了獲得一個光滑平坦的表面，需要用到微電子工藝中最常用的表面平坦化技術，即化學機械拋光(cmp)。然而，cmp工藝的拋光一致性比較差，在cmp過程中很難控制材料去除均勻性，一個標準尺寸硅片上通常只能獲得幾百納米的去除深度均勻性，因此，使用cmp工藝很難得到一個較為理想的刻蝕停止層。cmp工藝的拋光速率較慢，為了進一步提高cmp工藝的材料去除均勻性，往往要采用一些如分區(qū)處理和超精密拋光等手段，這一過程極為耗費時間，從而造成成本過高。此外，背面深硅刻蝕工藝制備的通孔的形狀及尺寸和設計值往往存在一些偏差，從而容易導致薄膜的形狀及尺寸偏離最優(yōu)值，顯著影響多晶硅振膜的工作性能。

綜上所述，在多晶硅振膜結構的制作過程中，如何避免化學機械拋光工藝并精確控制振膜尺寸是亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種多晶硅振膜結構的制作方法。

本發(fā)明中的多晶硅振膜結構從下往上依次包括基底、下sio2薄膜層、下多晶硅薄膜層、上sio2薄膜層、上多晶硅薄膜層；其中，基底的作用是支撐固定，其材料為硅片；下sio2薄膜層為深刻蝕的截止層；下多晶硅薄膜層為圓環(huán)溝槽結構層；上sio2薄膜層用于掩埋圓環(huán)溝槽結構；上多晶硅薄膜層用于感知聲波與振動。

所述的下多晶硅薄膜層的上表面為圓環(huán)形的溝槽結構，相鄰兩溝槽間為圓環(huán)形的脊柱，脊柱與溝槽均勻相間分布；所述的溝槽和脊柱的寬度小于等于3000nm。

該多晶硅振膜結構的具體制作方法如下：

步驟a.采用化學氣相沉積技術(cvd)、熱氧化法或正硅酸乙酯(teos)熱分解法在基底上制備厚度為200～1000nm的sio2薄膜，該sio2薄膜層即為下sio2薄膜層；

步驟b.在下sio2薄膜層上制備厚度為100～500nm的多晶硅薄膜，該多晶硅薄膜層即為下多晶硅薄膜層；

步驟c.按照設計的圓環(huán)形的溝槽圖案，采用光刻刻蝕方法(litho-etch)將下多晶硅薄膜層刻穿，形成圓環(huán)形的溝槽結構；

步驟d.在下多晶硅薄膜層上采用正硅酸乙酯(teos)熱分解法覆蓋sio2薄膜，該sio2薄膜層即為上sio2薄膜層；上sio2薄膜層的厚度大于等于溝槽的最大寬度的一半；

步驟e.在上sio2薄膜層上制備厚度為100～500nm的多晶硅薄膜，該多晶硅薄膜層即為上多晶硅薄膜層；

步驟f.由基底的下表面開始，對應下多晶硅薄膜層的圓環(huán)形的溝槽結構的位置，通過光刻刻蝕方法(litho-etch)將基底刻穿，形成基底通孔；基底通孔截面完全覆蓋圓環(huán)形的溝槽結構；

步驟g.由下sio2薄膜層的下表面開始，沿基底通孔通過氣態(tài)氫氟酸腐蝕技術或氫氟酸濕法刻蝕方法將下sio2薄膜層刻穿，形成下sio2薄膜層通孔；

步驟h.通過氣態(tài)氫氟酸腐蝕技術或氫氟酸濕法刻蝕方法將下多晶硅薄膜層的圓環(huán)形的溝槽內填充的sio2腐蝕干凈；

步驟i.沿圓環(huán)形的溝槽，通過濕法刻蝕方法將上sio2薄膜層刻穿，圓環(huán)形的溝槽脫落，完全釋放上多晶硅薄膜層以下的微腔，形成多晶硅振膜結構。

步驟b和e中制備下多晶硅薄膜層和上多晶硅薄膜層的具體制備方法采用以下兩種方法之一：

(1)600℃以上高溫下，采用化學氣相沉積技術直接淀積多晶硅薄膜；淀積過程中采用氣體在位摻雜技術進行磷元素摻雜。

(2)先通過化學氣相沉積技術淀積非晶硅，再采用離子束注入技術進行磷元素摻雜，最后通過600℃以上高溫退火結晶形成多晶硅薄膜。

以上兩種方法中，磷元素的摻雜濃度為10¹²～10¹⁸atoms/cm³。

步驟f中所述的光刻刻蝕方法中的刻蝕工序采用深反應離子刻蝕方法(drie)。

本發(fā)明方法通過引入同心圓環(huán)結構和優(yōu)化制作工藝流程，避免化學機械拋光工藝及其不利影響，能夠精確控制多晶硅振膜的尺寸與形狀，提高振膜的可靠性以及基于該振膜的器件的工作性能。

附圖說明

圖1為多晶硅振膜結構的剖面視圖；

圖2為多晶硅振膜的制作方法流程圖；

圖3為多晶硅環(huán)狀溝槽結構示意圖；

圖4表示從基底背部觀察到的環(huán)狀溝槽結構示意圖。

圖中，1為基底、2為下sio2薄膜層、3為下多晶硅薄膜層、4為上sio2薄膜層、5為上多晶硅薄膜層。

具體實施方式

以下結合具體實施例并參照附圖內容，對本發(fā)明技術特征和實施步驟加以詳細敘述說明，以便于理解。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，參照圖1，典型的多晶硅振膜結構從下往上依次包括基底1、下sio2薄膜層2、下多晶硅薄膜層3、上sio2薄膜層4、上多晶硅薄膜層5；其中，基底1的作用是支撐固定，其材料為硅片；下sio2薄膜層2為深刻蝕的截止層；下多晶硅薄膜層3為圓環(huán)溝槽結構層；上sio2薄膜層4用于掩埋圓環(huán)溝槽結構；上多晶硅薄膜層5用于感知聲波與振動。

下多晶硅薄膜層3的同心圓環(huán)溝槽結構如圖3所示。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，下多晶硅薄膜層的上表面為圓環(huán)形的溝槽結構，相鄰兩溝槽間為圓環(huán)形的脊柱，脊柱與溝槽均勻相間分布；所述的溝槽和脊柱的寬度小于等于3000nm。值得注意的是，溝槽寬度和脊柱寬度的空間分布并不要求均勻，可以存在一定偏差，只要二者皆小于等于3000nm。

下多晶硅薄膜層3的圓環(huán)溝槽結構在整個方法中發(fā)揮著重要作用。一方面，可通過優(yōu)化同心圓環(huán)狀圖案，減小淀積于其上的薄膜的表面起伏，提高上層二氧化硅薄膜的表面平整性，避免化學機械拋光工藝及其所帶來的不利影響；另一方面，圓環(huán)溝槽結構中的同心圓環(huán)可精確限定及調節(jié)多晶硅振膜尺寸和形狀，避免由于背面深硅刻蝕的圓孔不規(guī)整所引起的振膜尺寸及形狀偏差，增大光刻背面對準的工藝容差，降低對準操作的難度。

為了制作出如圖1所示的多晶硅振膜結構，本發(fā)明提出了一套完整的工藝流程(見圖2)。該工藝流程大體上分為兩個部分：基底正面的平面加工和基底背面的體加工。其中，基底正面的平面加工主要涉及薄膜生長和圖形轉移等工藝；基底背面的體加工主要涉及深硅刻蝕和濕法腐蝕等工藝。

具體來說，多晶硅振膜結構的制作工藝流程主要包括如下步驟(參照圖2)：

步驟a.采用化學氣相沉積技術(cvd)、熱氧化法或正硅酸乙酯(teos)熱分解法在基底上制備厚度為200～1000nm的sio2薄膜，該sio2薄膜層即為下sio2薄膜層；

步驟b.在下sio2薄膜層上制備厚度為100～500nm的多晶硅薄膜，該多晶硅薄膜層即為下多晶硅薄膜層；

步驟c.按照設計的圓環(huán)形的溝槽圖案，采用光刻刻蝕方法(litho-etch)將下多晶硅薄膜層刻穿，形成圓環(huán)形的溝槽結構；

步驟d.在下多晶硅薄膜層上采用正硅酸乙酯(teos)熱分解法覆蓋sio2薄膜，該sio2薄膜層即為上sio2薄膜層；上sio2薄膜層的厚度大于等于溝槽的最大寬度的一半；

步驟e.在上sio2薄膜層上制備厚度為100～500nm的多晶硅薄膜，該多晶硅薄膜層即為上多晶硅薄膜層；

步驟f.由基底的下表面開始，對應下多晶硅薄膜層的圓環(huán)形的溝槽結構的位置，通過光刻刻蝕方法(litho-etch)將基底刻穿，形成基底通孔；基底通孔截面完全覆蓋圓環(huán)形的溝槽結構；

步驟g.由下sio2薄膜層的下表面開始，沿基底通孔通過氣態(tài)氫氟酸腐蝕技術或氫氟酸濕法刻蝕方法將下sio2薄膜層刻穿，形成下sio2薄膜層通孔；

步驟h.通過氣態(tài)氫氟酸腐蝕技術或氫氟酸濕法刻蝕方法將下多晶硅薄膜層的圓環(huán)形的溝槽內填充的sio2腐蝕干凈；

步驟i.沿圓環(huán)形的溝槽，通過濕法刻蝕方法將上sio2薄膜層刻穿，圓環(huán)形的溝槽脫落，完全釋放上多晶硅薄膜層以下的微腔，形成如圖1所示多晶硅振膜結構。

步驟b和e中制備下多晶硅薄膜層和上多晶硅薄膜層的具體制備方法采用以下兩種方法之一：

(1)600℃以上高溫下，采用化學氣相沉積技術直接淀積多晶硅薄膜；淀積過程中采用氣體在位摻雜技術進行磷元素摻雜。

(2)先通過化學氣相沉積技術淀積非晶硅，再采用離子束注入技術進行磷元素摻雜，最后通過600℃以上高溫退火結晶形成多晶硅薄膜。

以上兩種方法中，磷元素的摻雜濃度為10¹²～10¹⁸atoms/cm³。

步驟f中所述的光刻刻蝕方法中的刻蝕工序采用深反應離子刻蝕方法(drie)。

需要說明的是，步驟d優(yōu)選正硅酸乙酯(teos)熱分解法是為了填充下多晶硅薄膜層3的溝槽結構，并使上sio2薄膜層4上表面變得平坦光滑，再通過高溫回流(reflow)可得到更平坦的上sio2薄膜層4上表面。本發(fā)明設計了如圖3所示的圓環(huán)溝槽結構，在此處其主要優(yōu)點是(圓環(huán)溝槽結構)容易被填充，防止該結構影響上層多晶硅振膜的表面形貌。

需要進一步說明的是，如圖4所示，基底1背面通孔的形狀通常是不規(guī)整的，與目標位置及形狀都存在微小偏差，如果直接用該通孔限定多晶硅振膜下的微腔，勢必影響多晶硅振膜結構的工作性能。為此，本發(fā)明設計了范圍小于該通孔的圓環(huán)溝槽結構，在此處其主要優(yōu)點是避免基底1背面通孔所引起的偏差，精確控制多晶硅振膜尺寸，提高整體工作性能。

另外，需要注意的是，本發(fā)明的優(yōu)選實施例中展示了圓形外徑的多晶硅振膜結構，所設計的圓環(huán)溝槽結構具有以上兩個獨特優(yōu)點；在本發(fā)明的另一實施例中，制作多邊形外徑的多晶硅振膜，設計類似于圓環(huán)溝槽結構的多邊形環(huán)狀溝槽結構，也能體現以上兩個獨特優(yōu)點；也就是說，任意與圓環(huán)溝槽結構具有同胚(topologicalisomorphism)關系并具備相同功能的設計都在本發(fā)明保護范圍以內。

至此，已經結合附圖對本發(fā)明進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明所述多晶硅振膜結構的制作方法有了清楚的認識。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。