一種濕度傳感器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種濕度傳感器及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]濕度，通常是指空氣中水蒸氣的含量，用來(lái)反映大氣的干濕程度。人類(lèi)日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及動(dòng)植物的生存和生長(zhǎng)，都與周?chē)沫h(huán)境濕度有著密切的關(guān)系。濕度傳感器用于濕度的測(cè)量，其基于濕敏功能材料能發(fā)生與濕度有關(guān)的物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，通過(guò)將濕度物理量轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。
[0003]濕度傳感器根據(jù)其工作原理的不同，可以分成伸縮式、蒸發(fā)式、露點(diǎn)計(jì)、電子式、電磁式等，其中以電子式的研究和應(yīng)用為主。近年來(lái)研究較多的是電容型的電子式濕度傳感器，這類(lèi)濕度傳感器的主要工作原理是:濕敏介質(zhì)材料在吸附和解吸附空氣中的水汽分子時(shí)，其介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致器件的電容值發(fā)生改變，再經(jīng)過(guò)處理電路轉(zhuǎn)化為與濕度相關(guān)的電信號(hào)被讀出。
[0004]電容式濕度傳感器從結(jié)構(gòu)上主要可分為垂直平板電容型和水平平板電容型兩類(lèi)。顧名思義，垂直平板電容型是指濕度傳感器的正、負(fù)電極板以上、下相對(duì)的垂直方式設(shè)置。其中，上電極板設(shè)有通孔或者直接采用多孔材料制備，外界環(huán)境中的水汽需要穿過(guò)上電極板的通孔或者孔隙與濕敏材料發(fā)生作用，才能引起電容發(fā)生改變。水平平板電容型也稱(chēng)作叉指電容型，其正、負(fù)電極板的叉指狀電極相對(duì)交錯(cuò)設(shè)置，并位于同一水平方向上，濕敏材料填充于兩個(gè)電極板的各叉指之間，可直接與外界環(huán)境相接觸。
[0005]請(qǐng)參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種叉指電容型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該叉指電容型濕度傳感器制作在具有CMOS電路的襯底101上，自下而上包括襯底101、絕緣層102、形成于絕緣層上的金屬叉指電極103(包括正、負(fù)電極板的叉指電極)，以及填充于叉指電極之間并將其包覆的濕敏材料104。該傳感器器件所測(cè)電容主要包含由叉指電極103與濕敏材料104所形成的有效濕敏電容C1以及由叉指電極103與絕緣層102所形成的寄生電容C2、由叉指電極103-襯底101與絕緣層102所形成的寄生電容C3和C4。
[0006]在上述現(xiàn)有的叉指電容型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)中，由于存在寄生電容C2?C4，且該部分寄生電容并不會(huì)隨環(huán)境濕度而相應(yīng)改變，因此，會(huì)使得該濕度傳感器所測(cè)整體電容的變化率趨小，從而降低了傳感器的濕度測(cè)量靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種濕度傳感器及制備方法，可提高傳感器的濕度測(cè)量靈敏度。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種技術(shù)方案如下:
[0009]—種濕度傳感器，自下而上依次包括具有CMOS器件結(jié)構(gòu)的襯底硅片，具有CMOS電路結(jié)構(gòu)的絕緣層，正、負(fù)電極板的叉指電極，以及濕敏材料層，所述濕敏材料層位于叉指電極的下方、側(cè)面和上方，并將叉指電極包嵌于其中。
[0010]優(yōu)選地，所述正、負(fù)電極板的叉指電極相對(duì)交錯(cuò)設(shè)置，并位于同一水平面，叉指電極之間形成同層間電容。
[0011]優(yōu)選地，所述濕敏材料層位于叉指電極下方的部分埋設(shè)于絕緣層中。
[0012]優(yōu)選地，所述叉指電極下方的濕敏材料層部分厚度為lOOnm?5 μπι，叉指電極上方的濕敏材料層部分厚度為500nm?10 μπι。
[0013]優(yōu)選地，所述濕敏材料為有機(jī)聚合物或者多孔介質(zhì)材料。
[0014]優(yōu)選地，所述叉指電極表面包覆有絕緣介質(zhì)。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的另一種技術(shù)方案如下:
[0016]一種濕度傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0017]步驟S01:提供一襯底，在所述襯底中形成CMOS器件結(jié)構(gòu)，在所述襯底上形成絕緣層，并在絕緣層中形成CMOS電路；
[0018]步驟S02:在絕緣層中形成一犧牲層；
[0019]步驟S03:在犧牲層上方對(duì)應(yīng)位置形成正、負(fù)電極板的叉指電極；
[0020]步驟S04:去除犧牲層，形成開(kāi)口空腔；
[0021]步驟S05:沿空腔向上，在叉指電極的下方、側(cè)面和上方形成濕敏材料層，并將叉指電極包嵌于其中。
[0022]優(yōu)選地，步驟S02中，先在絕緣層中形成一溝槽，然后，向溝槽中填充犧牲層材料并圖形化，形成犧牲層。
[0023]優(yōu)選地，步驟S03中，先在犧牲層上淀積絕緣介質(zhì)并圖形化，形成叉指電極底部的絕緣介質(zhì)層，然后，采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)互連工藝形成叉指電極，接著，繼續(xù)淀積絕緣介質(zhì)并圖形化，形成叉指電極的側(cè)墻和其頂部的絕緣介質(zhì)層，將叉指電極表面包覆。
[0024]優(yōu)選地，采用CVD或者旋涂工藝，沿空腔向上形成濕敏材料層，所述濕敏材料層位于叉指電極下方部分的厚度為100nm?5 μπι、位于叉指電極上方部分的厚度為500nm?10 μ mD
[0025]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過(guò)利用犧牲層在叉指電極下方形成空腔，然后再將濕敏材料填充至空腔中及叉指電極之間和上面，形成將叉指電極包嵌于濕敏材料中的傳感器結(jié)構(gòu)，并通過(guò)增加濕敏材料的體積，增加了有效濕敏電容，減小了寄生電容，從而可以提高濕敏傳感器的靈敏度，提升傳感器性能。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種叉指電容型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中的一種濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中的一種濕度傳感器結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0029]圖4是本發(fā)明一種濕度傳感器的制備方法流程圖；
[0030]圖5a?圖5f是根據(jù)圖4的方法制備一種濕度傳感器的工藝步驟示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]需要說(shuō)明的是，在下述的【具體實(shí)施方式】中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說(shuō)明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來(lái)加以理解。
[0033]在以下本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中的一種濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的一種濕度傳感器，自下而上依次包括晶圓硅片襯底301、絕緣層302、正、負(fù)電極板的叉指電極308，以及濕敏材料層311。作為一可選的實(shí)施方式，可采用一 8英寸的晶圓硅片301作為襯底。其中，在硅片301上形成有常規(guī)的CMOS器件結(jié)構(gòu)(圖略)，在絕緣層302中形成有常規(guī)的CMOS電路結(jié)構(gòu)，包括通孔303、305和互連金屬層304。通孔303、305中填充有通孔金屬，互連金屬層304中填充有互連線金屬?？梢圆捎美缍趸枳鳛榻^緣層材料。
[0034]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖2。所述濕敏材料層311設(shè)置在位于叉指電極308的下方、側(cè)面和上方位置，其與叉指電極的具體配合方式是將叉指電極包嵌在濕敏材料層中。因而，濕敏材料層可作為一整體形態(tài)包裹住叉指電極。
[0035]在如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的一種叉指電容型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)中，金屬叉指電極103直接形成于絕緣層上，濕敏材料104填充于叉指電極之間并將其包覆，而在叉指電極的下方并無(wú)濕敏材料。在這種傳統(tǒng)的傳感器結(jié)構(gòu)中，由于存在寄生電容C2?C4，且該寄生電容并不會(huì)隨環(huán)境濕度而相應(yīng)改變，因此，會(huì)使得該濕度傳感器所測(cè)整體電容的變化率趨小，從而降低了傳感器的濕度測(cè)量靈敏度。
[0036]而在本發(fā)明的濕度傳感器結(jié)構(gòu)中，通過(guò)將叉指電極包嵌在濕敏材料中，增加了濕敏材料體積(即相比現(xiàn)有技術(shù)增加出了位于叉指電極下方的濕敏材料部分311-1)，降低了寄生電容，因此能有效提高濕度傳感器靈敏度。
[0037]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖2。作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述正、負(fù)電極板的叉指電極308以交錯(cuò)的方式相對(duì)設(shè)置，并位于同一水平面，在叉指電極之間形成同層間電容。此外，在叉指電極的表面還可包覆一層絕緣介質(zhì)材料307，例如，可采用二氧化娃作為絕緣介質(zhì)材料。
[0038]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖2。作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述濕敏材料層位于叉指電極下方的部分311-1可采用埋設(shè)的方式埋入絕緣層302中，以避免增加傳感器的整體體積。
[0039]請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中的一種濕度傳感器結(jié)構(gòu)俯視圖。如圖3所示，正、負(fù)電極板的叉指狀電極308-1、308-2以交錯(cuò)的方式相對(duì)設(shè)置，并位于同一水平面，在正、負(fù)兩個(gè)電極308-1、308-2的叉指之間形成同層間電容。濕敏材料在叉指電極下方具有埋設(shè)在絕緣層中的區(qū)域311-1、在叉指電極側(cè)面及上方具有包裹叉指電極的區(qū)域311-2，使叉指電極308-1、308-2被包嵌在整體式的濕敏材料311中。
[0040]作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述濕敏材料層位于叉指電極下方埋設(shè)在絕緣層中部分311-1的厚度可為lOOnm?5 μπι，例如該下部分濕敏材料層的厚度可為Ιμπι;濕敏材料層位于叉指電極上方部分311-2的厚度可為500nm?10 μ m，例如該上部分濕敏材料層的厚度可為4 μπι。叉指電極308的厚度例如可為1 μπι。