CN103185611A - 与cmos工艺兼容的mems温度湿度集成传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器及其制造方法。本发明提供一种温度湿度集成传感器，其包括基材、形成于基材上的绝缘层、形成于绝缘层上的下电极、形成于下电极上的中间湿度感知层以及形成于中间湿度感知层上的上电极，其中下电极采用由N型多晶硅/铝或者N型多晶硅/P型多晶硅形成的热电偶来测量温度。本发明的温湿度集成传感器，下电极采用Al和多晶硅形成热电偶，这是CMOS兼容工艺，可以与CMOS同时流通，制造方便。

Description

与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器及其制造方法
【技术领域】
本发明是关于半导体芯片领域，特别是关于一种MEMS温度湿度集成传感器及其制造方法。
【背景技术】
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
其中传感器的一个主要原理是利用物理量的变化会引起器件的电性能的变化而产生电信号。特别是电容传感器，由于其电极的尺寸、间距、介质的变化都会引起电容的变化，所以能够很好的完成物理变化到电性能变化的转换。
目前主要的湿度传感器即是一种电容传感器，如美国专利第US6690569号即揭示了一种电容湿度传感器，其湿度传感器利用疏齿结构为电极，位于疏齿结构之间的聚合物为感知层，其中感知层采用的是湿度敏感材料，当检测湿度时，感知层发生变化，引起电容的变化，从而产生电信号，进而可以测算出被测量的湿度。但是这种设计的缺点是电极较小，电容值得变化小，对读出电路要求很高。
中国专利第101532975号揭示了一种湿度传感器，其采用的是上下极板中间夹持感知层的电容结构，而且其下电极可以进行加热并且作为温度传感器。但该专利中下电极采用的是铂金属，由于淀积铂金属的制程需要单独的工艺，在制造时不能同时进行其他器件的制造，例如CMOS器件的制造。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器。
本发明的另一目的在于提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器的制造方法。
为达成前述目的，本发明一种与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器,其包括基材、形成于基材上的绝缘层、形成于绝缘层上的下电极、形成于下电极上的中间湿度感知层以及形成于中间湿度感知层上的上电极，所述下电极采用由N型多晶硅与铝金属或者P型多晶硅形成的热电偶来测量温度。
进一步地，所述下电极的热电偶的N型多晶硅是形成直角z字形矩形条，下电极的热电偶的铝金属或P型多晶硅也形成直角z字形矩形条，N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互连接形成热电偶。
进一步地，所述下电极为多条前述直角z字形矩形条的N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互串联的结构。
进一步地，所述上电极为多孔渗水导电材料。
进一步地，所述上电极上形成多孔结构。
进一步地，在所述温度湿度集成传感器的背面的硅衬底上形成有空腔。
为达成前述另一目的，本发明一种与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器的制造方法，其包括：
提供一层硅衬底；
在衬底上淀积一层绝缘层；
在绝缘层上淀积下电极，其中下电极是由N型多晶硅与铝金属或者P型多晶硅形成的热电偶；
在下电极上形成一层湿度感知层；
在湿度感知层上淀积一层上电极，其中上电极为多孔导电材料；
进一步地，所述下电极是通过淀积形成的，所述下电极的热电偶的N型多晶硅是形成直角z字形矩形条，下电极的热电偶的铝金属或P型多晶硅也形成直角z字形矩形条，N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互连接形成热电偶。
进一步地，所述下电极为多条前述直角z字形矩形条的N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互串联的结构。
进一步地，其进一步包括通过深槽工艺在温度湿度集成传感器的背面的硅衬底上形成空腔的步骤。
与现有技术相比，由于本发明的温度湿度集成传感器，其下电极采用多晶硅与铝或者N型多晶硅与P型多晶硅构成热电偶的方式来感应温度，多晶硅与铝的沉积可以实现与COMS工艺的兼容，这样在制造器件时可以实现传感器与COMS器件的同时流通。
【附图说明】
图1是本发明的温度湿度集成传感器的结构剖面示意图。
图2是本发明的温度湿度集成传感器的下电极的结构示意图。
图3是本发明的温度湿度集成传感器的上电极的结构示意图。
图4是本发明的温度湿度集成传感器的背面形成空腔的结构示意图。
图5是本发明的温度湿度集成传感器的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明是一种基于MEMS技术的温度湿度集成传感器。请参阅图1所示，其显示本发明的温度湿度集成传感器的剖面示意图。如图1所示，本发明的温度湿度集成传感器的大致结构包括基材1、形成于基材上的绝缘层2、位于绝缘层2上方的下电极3、位于下电极3上方的湿度感知层4、位于湿度感知层4上方的上电极5。
在本发明的一个实施例中，所述基材为硅衬底。所述绝缘层2可以是在硅衬底上氧化生长的一层二氧化氮或者是淀积形成的氮化硅层。
所述下电极3是由N型多晶硅与铝金属形成的热电偶，或者N型多晶硅与P型多晶硅形成的热电偶。如图2所示，以N形多晶硅与铝金属形成的热电偶为例，在本发明的一个实施例中，下电极3的热电偶的N型多晶硅31是形成直角z字形矩形条，下电极3的热电偶的铝金属32也形成直角z字形矩形条，N形多晶硅31与铝金属32相互连接形成热电偶。如图2所示，下电极3可以形成多条前述直角z字形矩形条的N形多晶硅31与铝金属32相互串联的结构。
所述湿度感知层4使用介电常数随湿度变化而变化的材料，例如聚酰亚胺材料。
上电极主5要使水汽能充分接触湿度感知层，所以最好选用多孔渗水的导电材料，例如多孔铂金属，或者也可以用其他各种导电材料，比如铝等，但需要在上电极5材料上开孔51，如图3所示。
请参阅图4所示，本发明的集成传感器还可以通过背面深槽腐蚀进行优化，在温度湿度集成传感器的背面的硅衬底上形成空腔6，其中空腔将绝缘层2也去除，直达电容的下电极3，这样可以使水汽从器件背面被湿度感知层4感知，提高被感知的响应速度。
以上是本发明的温度湿度集成传感器的结构说明，下面对该温度湿度集成传感器的制造方法进行说明。
请参阅图5所示，本发明的温度湿度集成传感器的制造方法包括如下步骤：
步骤S1：首先提供一个硅衬底作为基材。
步骤S2在衬底上淀积一层绝缘层的步骤，所述绝缘层可以是在硅衬底上氧化生长的一层二氧化氮或者是淀积形成的氮化硅层；
步骤S3：在绝缘层上淀积下电极的步骤，请结合前述图2所示，下电极是由N型多晶硅/铝或者N型多晶硅/P型多晶硅形成的热电偶；
步骤S4：在下电极上形成一层湿度感知层的步骤，所述湿度感知层使用介电常数随湿度变化而变化的材料，例如聚酰亚胺材料；
步骤S5：在湿度感知层上淀积一层上电极的步骤，其中上电极所以最好选用多孔渗水的导电材料，例如多孔铂金属，或者也可以用其他各种导电材料，比如铝等，但需要在上电极材料上开孔；
步骤S6：在器件的背面通过深槽腐蚀形成空腔的步骤，请参阅图4所示，通过深槽腐蚀工艺，在温度湿度集成传感器的背面的硅衬底上形成空腔，其中空腔将绝缘层也去除，直达电容的下电极，这样可以使水汽从器件背面被感知层感知，提高被感知的响应速度。
本发明的温度湿度集成传感器，其下电极采用多晶硅与铝或者N型多晶硅与P型多晶硅构成热电偶的方式来感应温度，多晶硅与铝的沉积可以实现与COMS工艺的兼容，这样在制造器件时可以实现传感器与COMS器件的同时流通。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器,其包括基材、形成于基材上的绝缘层、形成于绝缘层上的下电极、形成于下电极上的中间湿度感知层以及形成于中间湿度感知层上的上电极，其特征在于；所述下电极采用由N型多晶硅与铝金属或者P型多晶硅形成的热电偶来测量温度。 
2.如权利要求1所述的温度湿度集成传感器，其特征在于：所述下电极的热电偶的N型多晶硅是形成直角z字形矩形条，下电极的热电偶的铝金属或P型多晶硅也形成直角z字形矩形条，N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互连接形成热电偶。 
3.如权利要求2所述的温度湿度集成传感器，其特征在于：所述下电极为多条前述直角z字形矩形条的N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互串联的结构。 
4.如权利要求1所述的温度湿度集成传感器，其特征在于：所述上电极为多孔渗水导电材料。 
5.如权利要求1所述的温度湿度集成传感器，其特征在于：所述上电极上形成多孔结构。 
6.如权利要求1所述的温度湿度集成传感器，其特征在于：在所述温度湿度集成传感器的背面的硅衬底上形成有空腔。 
7.一种与CMOS工艺兼容的MEMS温度湿度集成传感器的制造方法，其包括： 
提供一层硅衬底； 
在衬底上淀积一层绝缘层； 
在绝缘层上淀积下电极，其中下电极是由N型多晶硅与铝金属或者P型多晶硅形成的热电偶； 
在下电极上形成一层湿度感知层； 
在湿度感知层上淀积一层上电极，其中上电极为多孔导电材料。 
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述下电极是通过淀积形成的，所述下电极的热电偶的N型多晶硅是形成直角z字形矩形条，下电极的热电偶的铝金属或P型多晶硅也形成直角z字形矩形条，N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互连接形成热电偶。 
9.如权利要求8所述的温度湿度集成传感器，其特征在于：所述下电极为 多条前述直角z字形矩形条的N形多晶硅与铝金属或P型多晶硅相互串联的结构。 
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：其进一步包括通过深槽工艺在温度湿度集成传感器的背面的硅衬底上形成空腔的步骤。 
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