Cmos濕度傳感器及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制作領(lǐng)域技術(shù)，特別涉及一種CMOS濕度傳感器及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在諸如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、航天等領(lǐng)域都經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制，在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的參數(shù)之一。
[0003]濕度傳感器是基于其功能材料能發(fā)生與濕度相關(guān)的物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)制造而成的，其具有將濕度物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能。濕度傳感器根據(jù)其工作原理的不同可分為:伸縮式濕度傳感器，利用脫脂毛發(fā)的線性尺寸隨環(huán)境水汽含量的變化而變化；蒸發(fā)式濕度傳感器，即干濕球濕度傳感器，利用干球和濕球溫度計(jì)在相對(duì)濕度變化時(shí)兩者溫度差變化而制得；露點(diǎn)式濕度傳感器，利用冷卻方法使氣體中的水汽達(dá)到飽和而結(jié)露，根據(jù)露點(diǎn)溫度來測量氣體中的相對(duì)濕度；電子式濕度傳感器，包括電阻式、電容式和電解式。電容式濕度傳感器利用感濕材料吸水后介電常數(shù)發(fā)生變化而改變電容值，其具有靈敏度高、功耗低、溫漂小等優(yōu)勢，因而受到了廣泛關(guān)注。
[0004]將微傳感器與周圍的信號(hào)處理電路集成在一起，制作加工在同一芯片上，以實(shí)現(xiàn)更多的功能和更高的性能，同時(shí)降低傳感器的成本，已成為MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)發(fā)展的一個(gè)新焦點(diǎn)和趨勢。通過系統(tǒng)集成，濕度傳感器和信號(hào)處理電路盡可能的靠近，從而很大程度上降低寄生參數(shù)和外部干擾；單片集成的濕度傳感器還可以減少不同芯片之間互連的可靠性問題。
[0005]因此，利用CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)技術(shù)將濕度傳感器和信號(hào)處理電路進(jìn)行片上集成，且形成濕度傳感器的工藝不會(huì)對(duì)信號(hào)處理電路造成不良影響，是未來濕度傳感器的研宄熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。因此，亟需提供一種新的濕度傳感器的形成方法，同時(shí)將濕度傳感器和CMOS信號(hào)處理器件集成在同一芯片上，且形成濕度傳感器的工藝不會(huì)對(duì)CMOS信號(hào)處理器件造成不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的問題是提供一種CMOS濕度傳感器及其形成方法，濕度傳感器的形成工藝與MOS器件的形成工藝兼容性高，縮小芯片面積、提高集成度和產(chǎn)量，降低功耗和生產(chǎn)成本。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS濕度傳感器的形成方法，包括:提供包括MOS器件區(qū)以及傳感器區(qū)的襯底，所述MOS器件區(qū)部分襯底上形成有多晶硅柵，所述傳感器區(qū)部分襯底上形成有多晶硅加熱層，所述襯底上形成有覆蓋于多晶硅柵表面以及多晶硅加熱層表面的第一介質(zhì)層；在皿)5器件區(qū)上方的第一介質(zhì)層表面形成與多晶硅柵電連接的第一子金屬互連層，同時(shí)在所述傳感器區(qū)上方的第一介質(zhì)層表面形成若干相互電絕緣的第一金屬互連層、第一電連接層以及下電極層，且所述第一金屬互連層、第一電連接層、以及下電極層橫跨MOS器件區(qū)與傳感器區(qū)的交界，其中，至少2個(gè)相互電絕緣的第一金屬互連層與多晶硅加熱層電連接；在所述第一子金屬互連層表面、第一金屬互連層表面、下電極層表面、以及第一介質(zhì)層表面形成第二介質(zhì)層；在所述MOS器件區(qū)上方的第二介質(zhì)層表面形成與多晶硅柵電連接的第二子金屬互連層，同時(shí)在所述傳感器區(qū)上方的第二介質(zhì)層表面形成第二金屬互連層以及第二電連接層，所述第二電連接層與第一電連接層電連接，且所述第二金屬互連層與下電極層之間具有相對(duì)重合面；在所述第二子金屬互連層表面、第二金屬互連層表面、第二電連接層表面、以及第二介質(zhì)層表面形成第三介質(zhì)層；在所述MOS器件區(qū)上方的第三介質(zhì)層表面形成與多晶硅柵電連接的第三子金屬互連層，同時(shí)在所述傳感器區(qū)上方的第三介質(zhì)層表面形成與第二電連接層電連接的上電極層，且所述上電極層與下電極層之間具有相對(duì)重合面，所述上電極層與所述第二金屬互連層之間具有相對(duì)重合面；在所述第三子金屬互連層表面、上電極層表面、以及第三介質(zhì)層表面形成頂層介質(zhì)層；依次刻蝕頂層介質(zhì)層、第三介質(zhì)層、第二介質(zhì)層、第一介質(zhì)層以及部分厚度的襯底，在傳感器區(qū)形成環(huán)形凹槽，所述環(huán)形凹槽環(huán)繞第一金屬互連層、第一電連接層、下電極層、第二金屬互連層、第二電連接層以及上電極層，同時(shí)依次刻蝕去除位于第二金屬互連層上方的頂層介質(zhì)層、第三介質(zhì)層以及第二介質(zhì)層，直至暴露出第二金屬互連層表面，在所述第二金屬互連層上方形成通孔；采用各向同性刻蝕工藝，沿所述環(huán)形凹槽暴露出的位于傳感器區(qū)的襯底側(cè)壁表面進(jìn)行刻蝕，刻蝕去除位于多晶硅加熱層下方的部分厚度襯底，在所述傳感器區(qū)上方形成懸空結(jié)構(gòu)，且所述懸空結(jié)構(gòu)與傳感器區(qū)的襯底之間具有隔熱區(qū)域；刻蝕去除所述第二金屬互連層，在所述通孔下方形成溝槽；形成填充滿所述溝槽和通孔的濕敏材料層。
[0008]可選的，在平行于襯底表面方向上，所述環(huán)形凹槽的尺寸為通孔尺寸的1/10至2/5 ;所述溝槽的尺寸為通孔的尺寸的2倍至5倍。
[0009]可選的，在平行于襯底表面方向上，所述環(huán)形凹槽的尺寸為3微米至5微米；所述通孔的尺寸為10微米至50微米。
[0010]可選的，在平行于襯底表面方向上，所述上電極層的剖面形狀為方形或梳狀形。
[0011]可選的，在刻蝕去除所述第二金屬互連層之前，所述第二金屬互連層側(cè)壁被第三介質(zhì)層覆蓋；在刻蝕去除所述第二金屬互連層之前，所述上電極層側(cè)壁被頂層介質(zhì)層覆蓋。
[0012]可選的，在形成所述第二電連接層的同時(shí)，在所述傳感器區(qū)上方的第二介質(zhì)層表面形成偽金屬互連層，所述偽金屬互連層與第二電連接層之間相互電絕緣，所述偽金屬互連層橫跨MOS器件區(qū)和傳感器區(qū)的交界，且所述偽金屬互連層位于第一金屬互連層、第一電連接層的正上方。
[0013]可選的，在所在形成所述環(huán)形凹槽以及通孔的過程中，當(dāng)?shù)诙饘倩ミB層表面被暴露出來時(shí)，所述偽金屬互連層表面被暴露出來；在刻蝕去除所述第二金屬互連層的同時(shí)，所述偽金屬互連層被刻蝕去除。
[0014]可選的，所述懸空結(jié)構(gòu)具有支撐臂，適于起到支撐懸空結(jié)構(gòu)的作用；所述支撐臂為疊層結(jié)構(gòu)，至少包括:位于所述偽金屬互連層正下方的第二介質(zhì)層、第一電連接層、第一金屬互連層、下電極層以及第一介質(zhì)層。
[0015]可選的，還包括步驟:在形成所述第一金屬互連層之前，在所述傳感器區(qū)上方的第一介質(zhì)層內(nèi)形成至少若干與多晶硅加熱層電連接的第一導(dǎo)電插塞，且所述第一金屬互連層與第一導(dǎo)電插塞電連接；在形成所述第二金屬互連層以及第二電連接層之前，在所述傳感器區(qū)上方的第二介質(zhì)層內(nèi)形成若干與第一電連接層電連接的第二導(dǎo)電插塞，且所述第二導(dǎo)電插塞與位于第一電連接層正上方的第二電連接層電連接；在形成所述上電極層之前，在所述傳感器區(qū)上方的第三介質(zhì)層內(nèi)形成若干與第二電連接層電連接的第三導(dǎo)電插塞，且所述第三導(dǎo)電插塞與上電極層電連接。
[0016]可選的，所述濕敏材料層的材料為聚酰亞胺；采用旋轉(zhuǎn)涂覆工藝以及退火處理形成所述濕敏材料層。
[0017]可選的，形成所述濕敏材料層的工藝步驟包括:形成填充滿所述溝槽和通孔的濕敏材料層，且所述濕敏材料層還位于頂層介質(zhì)層表面；刻蝕去除所述頂層介質(zhì)層表面的濕敏材料層。
[0018]可選的，所述第二金屬互連層的材料為鋁；采用濕法腐蝕工藝刻蝕去除所述第二金屬互連層，濕法腐蝕工藝采用的液體為氫氟酸溶液或四甲基氫氧化銨溶液。
[0019]可選的，采用XeF2進(jìn)行所述各向同性刻蝕工藝；所述各向同性刻蝕工藝的工藝參數(shù)為:循環(huán)進(jìn)行向刻蝕腔室內(nèi)通入XeF2和抽取XeF2的動(dòng)作，刻蝕腔室內(nèi)XeF 2壓強(qiáng)為10Pa至180Pa，且向刻蝕腔室內(nèi)通入乂6匕后維持10秒至50秒，循環(huán)次數(shù)為5至15次。
[0020]可選的，所述傳感器區(qū)為待形成濕度傳感器的區(qū)域；所述MOS器件區(qū)為待形成MOS信號(hào)處理器件的區(qū)域。
[0021]可選的，所述多晶硅柵與襯底之間還形成有第一氧化層；所述多晶硅加熱層與襯底之間還形成有第二氧化層，其中，第二氧化層和第一氧化層在同一道工藝中形成。
[0022]本發(fā)明還提供一種CMOS濕度傳感器，包括:襯底，所述襯底包括MOS器件區(qū)以及傳感器區(qū)，所述MOS器件區(qū)部分襯底上形成有多晶硅柵，所述傳感器區(qū)部分襯底上形成有多晶硅加熱層，所述襯底上形成有覆蓋于多晶硅柵表面以及多晶硅加熱層表面的第一介質(zhì)層；位于所述MOS器件區(qū)上方的第一介質(zhì)層表面的第一子金屬互連層，所述第一子金屬互連層與多晶硅柵電連接；位于所述傳感器區(qū)上方的第一介質(zhì)層表面的若干相互電絕緣的第一金屬互連層、第一電連接層以及下電極層，且所述第一金屬互連層、第一電連接層、以及下電極層橫跨MOS器件區(qū)與傳感器區(qū)的交界，其中，至少2個(gè)相互電絕緣的第一金屬互連層與多晶硅加熱層電連接；位于所述第一子金屬互連層表面、第一金屬互連層表面、下電極層表面、以及第一介質(zhì)層表面的第二介質(zhì)層；位于所述MOS器件區(qū)上方的第二介質(zhì)層表面的第二子金屬互連層，所述第二子金屬互連層與多晶硅柵電連接；位于所述傳感器區(qū)上方的第二介質(zhì)層表面的第二電連接層，所述第二電連接層與第一電連接層電連接；位于所述第二子金屬互連層表面、第二電連接層表面、以及第二介質(zhì)層表面的第三介質(zhì)層；位于所述MOS器件區(qū)上方的第三介質(zhì)層表面的第三子金屬互連層，且所述第三子金屬互連層與多晶硅柵電連接；位于所述傳感器區(qū)上方的第三介質(zhì)層表面的與第二電連接層電連接的上電極層，且所述上電極層與下電極層之間具有相對(duì)重合面；位于所述第三子金屬互連層表面、上電極層表面、以及第三介質(zhì)層表面的頂層介質(zhì)層；位于所述傳感器區(qū)的頂層介質(zhì)層、第三介質(zhì)層、第二介質(zhì)層、第一介質(zhì)層以及部分襯底內(nèi)環(huán)形凹槽，所述環(huán)形凹槽環(huán)繞第一金屬互連層、第一電連接層、下電極層、第二電連接層以及上電極層；位于所述傳感器區(qū)的隔熱區(qū)域，所述隔熱區(qū)域與環(huán)形凹槽相互貫穿，且所述隔熱區(qū)域位于襯底與多晶硅加熱層之間；位于所述傳感器區(qū)的頂層介質(zhì)層、以及部分厚度的第三介質(zhì)層內(nèi)的通孔，以及位于剩余厚度的第三介質(zhì)層內(nèi)的溝槽，所述溝槽與通孔相互貫穿，且所述溝槽與下電極層之間具有相對(duì)重合面，所述溝槽與上電極層之間具有相對(duì)重合面；填充滿所述溝槽和通孔的濕敏材料層。
[0023]可選的，還包括:位于所述傳感器區(qū)上方第一介質(zhì)層內(nèi)的第一導(dǎo)電插塞，所述第一導(dǎo)電插塞與多晶硅加熱層以及第一金屬互連層電連接；位于所述傳感器區(qū)上方第二介質(zhì)層內(nèi)的第二導(dǎo)電插塞，所述第二導(dǎo)電插塞與第一電連接層以及第二電連接層電連接；位于所述傳感器區(qū)上方第三介質(zhì)層內(nèi)的第三導(dǎo)電插塞，所述第三導(dǎo)電插塞與第二電連接層以及上電極層電連接。
[0024]可選的，所述懸空結(jié)構(gòu)具有支撐臂，適于起到支撐懸空結(jié)構(gòu)的作用；所述支撐臂為疊層結(jié)構(gòu)，至少包括:第二介質(zhì)層、第一電連接層、第一金屬互連層、下電極層、以及第一介質(zhì)層。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]本發(fā)明提供的CMOS濕度傳感器的形成方法的技術(shù)方案中，在形成MOS器件的多晶硅柵的同時(shí)形成濕度傳感器的多晶硅加熱層，然后在形成MOS器件的子金屬互連層的同時(shí)，形成濕度傳感器所需的金屬互連層、第一電連接層、第二電連接層、下電極層以及上電極層；接著，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕形成環(huán)形凹槽，同時(shí)在第二金屬互連層上方形成通孔；接著采用各向同性刻蝕工藝刻蝕環(huán)形凹槽暴露出的襯底，在傳感器區(qū)形成懸空結(jié)構(gòu)；然后刻蝕去除第二金屬互連層形成溝槽，形成填充滿溝槽和通孔的濕敏材料層。本發(fā)明中濕度傳感器的形成工藝與MOS器件的形成工藝完全兼容，將MOS器件與濕度傳感器集成在同一芯片上，縮小了芯片面積，提高了集成度和產(chǎn)量，降低功耗以及生產(chǎn)成本。進(jìn)一步，本發(fā)明在平行于襯底表面方向上，環(huán)形凹槽的尺寸為通孔尺寸的1/10至2/5，使得在形成濕敏材料層過程中，濕敏材料層僅填充滿通孔，而進(jìn)入環(huán)形凹槽內(nèi)的濕敏材料層的量非常的少，從而有利于提高CMOS濕度傳感器的散熱性能。
[0027]進(jìn)一步，本發(fā)明在平行于襯底表面方向上，溝槽的尺寸為通孔的尺寸的2倍至5倍，使得在形成濕敏材料層的過程中，濕敏材料層較好的填充滿溝槽以及通孔，提高形成的濕敏材料層的感濕性能，從而提高濕度傳