CN103969296B - 基于膜的传感器设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于膜的传感器设备及其制造方法。感测设备具有带有开口(12)的半导体衬底(1)和横跨所述开口(12)的膜(13)。在所述膜(13)上设置有加热器(5)。为降低所述膜（13)的热导率，从下面蚀刻凹槽(17)到所述膜(13)中。

Description

基于膜的传感器设备及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有半导体衬底的传感器设备，该衬底有一开口，膜延伸在该开口上并且加热器位于该膜上。本发明还涉及一种用于制造这种传感器设备的方法。
背景技术
多种传感器设备需要加热器。一类这样的设备由流量传感器形成，在该类设备中，加热器周围热分布的变化被用于进行流体流量测量。这样的设备如US 2007/0241093中所披露的。另一类这样的传感器设备包括气体传感器，其中加热器用来加热感测材料，例如金属氧化物，使其达到操作温度。采用这样的热板的设备如WO 95/19563中所披露的。
这类设备可被集成到半导体衬底上，在这种情况下，加热器有利地设置在该半导体衬底中的开口上的膜上，以此相对于加热器设置在衬底材料本体上的设备降低了热损耗。将加热器设置在膜上具有一系列优点，例如降低功耗，增加灵敏性和减少打开设备所需的时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的传感器设计和制造方法，其通过膜而具有低的热损耗。
这个目的通过独立权利要求中的传感器设备以及方法来实现。
相应地，所述传感器设备包括具有顶面和底面以及在顶面和底面之间延伸的开口的半导体衬底(例如硅衬底)。批量材料层，如包括结构化介电层和金属或半导体层，设置在衬底的顶面上，例如，以形成所述设备的导电引线和其他电气和电子部件。某些材料层延伸在所述半导体衬底的开口上，以形成膜。进一步地，加热器设置在所述膜上。
此外，所述设备包括在所述膜的位置处从下面延伸到批量材料层中的凹槽，以减少膜的厚度和由此产生的通过膜的热量损耗。
该类型的设备可以通过提供具有顶面和底面的半导体衬底而制造。上述批量材料层施加到顶面，并且加热器通过适当的结构技术形成在批量材料层中。进一步地，蚀刻穿过衬底的开口，从而形成通过所述加热器位置处的材料层形成的膜。此外，在批量材料层的底侧中蚀刻凹槽，即施加蚀刻试剂通过衬底中的开口。以这种方式减少所述膜的厚度。
当结合现代CMOS工艺时本设计特别有利，典型的是在所述半导体衬底上施加很大批量的材料层。该批量层具有10μm或更大的厚度，甚至是在金属层被移除的位置。通过在膜中形成所述凹槽，所述膜的厚度能够被优化。
从下面蚀刻所述凹槽的另一个优点是其不会影响批量材料层顶面的形貌，而从上面形成所述凹槽会造成所属膜的非平坦表面，这将致使电极结构和其他类型表面结构的形成变得更加困难，特别是当使用光刻技术时。
典型地，批量材料层包括多个结构化介电层和多个结构化金属层，例如从常规的CMOS设备所获知的。例如，其可以通过随后施加合适材料的非结构化层并且使用光刻技术使其结构化而制造。
进一步地，所述批量材料层有利地包括至少一个非介电蚀刻停止层，其在结构上延伸在开口要被形成在衬底中的位置上。当在所述批量材料层中形成凹槽时，该蚀刻停止层用作停止蚀刻。即使所述蚀刻停止层并非严格必需的(可替代地使用定时蚀刻以蚀刻凹槽达到一定深度)，但它是有利的，因为它能够在明确限定的位置阻止蚀刻过程。
在蚀刻凹槽后，应当移除至少部分蚀刻停止层以进一步减少所述膜的热导率。
所述传感器有利地是气体传感器或流量传感器。
其他有利的实施例列在从属权利要求以及下面的说明书中。
附图说明
通过下面详细的说明，将更好地理解本发明，并且将明白不同于以上描述的其他目的。这样的说明参考附图，其中：
图1显示传感器设备的视图，
图2显示该设备的剖视图，
图3显示在形成批量材料层后该设备的剖视图，
图4显示在凹槽形成后该设备的剖视图，
图5显示硅板设置在膜的底部的该设备的第二实施例，和
图6显示流量传感器的视图。
注意：附图不是按比例绘制。
具体实施方式
定义：
术语表示垂直的方向或设置，例如“顶”，“底”，“在上面”或“在下面”涉及一参照体系，其中形成膜的批量材料层被设置在衬底的顶面，即在上面。换言之，通过定义，衬底被设置在材料层的下面并且膜被定位在延伸通过衬底的开口的顶部。
术语“横向(lateral)”用来描述平行于半导体衬底的顶面和底面的方向。
“介电”材料是非导电、非金属材料，特别是氧化物或氮化物，例如，SiO2或SiN。
“非介电”材料是金属或类金属。
“SOI结构”(“绝缘体上硅”)是包括硅处理衬底、硅层以及设置于处理衬底和硅层之间的绝缘层的结构。
设备：
图1显示气体传感器，其适于产生指示在气态载体中的至少一种气态分析物(例如空气中的乙醇)的浓度的信号。其包括半导体衬底1。在补片2中施加电学性质取决于分析物的浓度的传感器材料到衬底1。例如，补片2由SnO颗粒层组成，其电阻取决于周边环境中各种化合物的存在和浓度。这种类型的设备如WO96／19563中所描述的。
补片2与连接到处理电路4的至少一对叉指金属电极3电接触。处理电路4集成在半导体衬底1上，并且例如能够包括有源元件(例如晶体管)、至少一个放大器、至少一个模／数转换器，和／或接口电路，等等。
传感器设备还包括位于补片2的位置处的加热器5，以加热补片2达到其操作温度，对于SnO，该温度例如典型地至少为300℃。
图2显示该类型设备的剖视图。可以看出，半导体衬底1包括底面7(参见 图1)和顶面8。批量材料层9被施加到顶面8，而且典型地包括多个结构化介电层和多个结构化金属层，如标准CMOS工艺所用的。
典型地，金属层包括铝或铜，其总体用附图标记10a-10f表示，而且金属层被构造为形成引线或其他电学元件。在图2中，它们仅仅示意性地显示。金属层10a-10f被介电层所分离，该介电层典型地为SiO2层，并总体以附图标记11表示。
批量层9的部分延伸在半导体衬底1中的开口12上，并且形成膜13。膜13可以具有圆形或矩形横截面或任意其他合适的横截面。
有利地，并且为了降低膜13的导热能力，铝或铜金属层10a-10f均未延伸到膜13中。
批量层9进一步包括处于拉伸应力下的SiN层14，其至少延伸在膜13上且横向锚定在膜13之外。层14中的拉伸应力至少足够大到超过静止的膜13中的压缩应力，其导致该膜中的总拉伸应力。如US7154372中所描述的，这样的拉伸层可用于防止膜翘曲。
加热器5是通过将金属层构造成至少一个金属导体而形成的，其位于膜13上。有利地，加热器5由钨导体形成。如图1所示，所述金属导体能够，例如，遵循一弯曲路径。加热器5的层设置在SiN层14上。
SiO2层15设置在加热器5的层的顶面，并且使加热器5的层与形成电极3的另一金属层电绝缘。
可在所述设备的顶面施加保护介电层(未显示)。
从图2中可以看出，在所述膜的位置，所述设备还包括从下面延伸到批量材料层9中的凹槽17。如上所讨论，该凹槽具有减小膜13厚度的目的。
典型地，批量层9的厚度至少为5μm，特别是在6-15μm之间。凹槽17具有至少1μm的垂直深度，特别是至少3μm。
凹槽17的横截面，即横向延伸，有利地与开口12的上端的横截面相等，以至于横跨整个膜，并且因而膜各处均有减少的厚度。或者，凹槽17的横截面积应至少为开口12的上端的横截面积的80％。
膜13应具有足够大的横向延伸以提供热绝缘位置用于接收补片2。有利地，膜13应覆盖至少0.1mm2的面积，特别是至少0.2mm2。
基于从下面的制造过程的描述而变得明显的原因，所述传感器设备进一步 包括设置成围绕凹槽17的环的至少一个蚀刻停止层20，或更确切地说，其残余体。蚀刻停止层20是非介电材料，特别是铝或铜。蚀刻停止层20的环具有1-20μm之间的横向宽度W以能够补偿在下述蚀刻过程中的定位误差。由蚀刻停止层20形成的环的形状取决于凹槽17的形状。
如图所示，蚀刻停止层20有利地位于金属层10a-10f的两层之间的高度处，即位于批量层9的中间高度处，即在这样的高度处，蚀刻停止层20和批量层9的顶面之间的距离对应于膜的期望厚度。
制造过程：
图3和4显示了制造所述传感器设备的方法。
在第一步骤，按照半导体设备制造领域公知的一系列步骤，在硅衬底1的顶面上覆盖介电层11以及金属层10a-10f。例如，施加第一SiO2层到顶面8，然后第一金属层10a被施加到第一SiO2层上，并被使用光刻结构化。然后，施加第二SiO2层，并将第二金属层10b施加到其上并结构化，等等。
在这些步骤中的两个步骤之间，蚀刻停止层20被施加并结构化以延伸在未来的开口12的面积上且稍微超出。由于上述原因，在形成蚀刻停止层20之前，添加至少一个第一金属层(图3的实施例中的金属层10a-10c)到批量层9，并且在形成蚀刻停止层20之后，添加至少一个第二金属层(10d-10f)到批量层9。
在施加金属层10a-10f之后，施加和结构化蚀刻停止层20和介电层11、用于加热器5的层，随后施加拉伸层15和电极3。由此形成如图3所示的设备。
在下一步骤，在施加光刻掩模到半导体衬底1的底侧7之后，例如采用等离子体工艺(如深反应离子蚀刻)或湿法工艺(如使用KOH的各向异性蚀刻)，从底侧7蚀刻出开口12。该步骤使用介电层11的底面作为蚀刻停止。
在下一步骤，蚀刻凹槽17。在该步骤中，蚀刻停止层20作为蚀刻停止。如果凹槽17要具有与开口12相同的横向延伸，则在该步骤中不需要掩模。
所形成的设备如图4所示。
在下一步骤，蚀刻停止层20的可及部分可通过蚀刻任选地去除。如上所述，围绕凹槽17的具有宽度W的蚀刻停止层20的残余环保留在所述设备中。
现在，能够施加感测材料的补片2到膜13的顶面。
替代实施例：
图5显示了设备的替代设计，其中在膜13的底部设置硅板30。硅板30不 与衬底1连接，即硅板30和衬底1之间存在间隙，其延伸至硅板30周围并由开口12和凹槽17形成。凹槽17具有环形形状。
硅板30的目的是在补片2位置处提供均一的温度分布。
板30具有和衬底1相等的厚度，在这种情况下，所述设备可以如上所述地制造，唯一区别是开口12具有环形形状，从而从衬底1形成板30。
替代地并且如图5所示，板30的厚度可以小于衬底1的厚度。为制造该类型的传感器，可通过SOI结构形成衬底1。换言之，用SOI晶片制造衬底1。该SOI晶片包括处理衬底1a、设置在衬底1a上的绝缘层1b(特别是SiO2)以及在绝缘层1b的顶部的单晶硅层1c。典型地，硅层1c的厚度远小于处理衬底1a的厚度。这种类型的SOI晶片为本领域技术人员所公知。
批量层9被集成到硅层1c的顶部上。
为了制造开口12和凹槽17，再次从设备的底侧蚀刻设备。在第一步骤，使用绝缘层1b作为蚀刻停止，形成开口12的第一部分12a。然后在未来的板30的位置处在绝缘层1b上施加掩模，并去除该掩模外的绝缘层1b。然后，通过蚀刻掉未被遮蔽的硅层1c形成开口12的环形第二部分12b，从而从硅层1c中形成板30。第二部分12b在板30和衬底1之间形成在板30周围延伸的环形间隙。最终，如上所述地通过从开口12的侧面第二部分12b蚀刻而形成凹槽17。
流量传感器：
正如所提到的，所述传感器设备也可以是热流量传感器，例如在US2007／0241093中描述的那种类型的，其在膜上设置有加热器。流过膜的液体扭曲由加热器产生的热场，这进而可被设置在膜上的一个或多个合适的温度传感器检测到。
图6显示了这样的流量传感器，其具有在膜13上设置的伸长的加热器5，以及在膜13上的至少一个特别是两个温度传感器31a、31b。这两个温度传感器31a、31b设置于加热器5的两侧(上游和下游)。在所显示的实施例中温度传感器31a、31b为热电堆，如US2007／0241093中所描述的。该设备可以用来测量在垂直于加热器5的伸长轴的方向上的流F。
注意：
在参照图1-5所描述的实施例中，传感器设备是具有金属氧化物(特别是SnO)作为感测材料的气体传感器。然而，该设备也能够是使用本领域技术人员所公知的其他感测材料的气体传感器。
该传感器设备也可以是任何其他类型的设备，其中加热器设置在薄膜上。
尽管此处显示和描述了本发明目前优选的实施例，但可以清楚地理解，本发明并不限于此，而是可以在下述权利要求的范围内以其他方式多祥地体现和实施。

Claims (23)

1.一种传感器设备，包括：
衬底(1)，具有顶面(8)和底面(7)以及在所述顶面(8)和底面(7)之间延伸的开口(12)，
施加到所述顶面(8)的批量材料层(9)，其中至少一些所述批量材料层(9)延伸在所述开口(12)上以形成膜(13)，
设置在所述膜(13)上的加热器(5)，
其特征在于，所述传感器设备包括凹槽(17)，其在所述膜(13)的位置处从下面延伸至所述批量材料层(9)中，并且
所述传感器设备进一步包括沿围绕所述凹槽(17)的环延伸的至少一个非介电蚀刻停止层(20)，
其中，当在所述批量材料层(9)中形成凹槽(17)时，该蚀刻停止层(20)用作停止蚀刻，并且
其中，所述批量材料层(9)包括多个结构化介电层(11)和多个结构化金属层(10a-10f)。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述凹槽(17)具有至少1μm的深度。
3.根据权利要求2所述的传感器设备，其中所述凹槽(17)具有至少3μm的深度。
4.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述凹槽(17)的横截面积至少为所述开口(12)的上端的横截面积的80％。
5.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述凹槽(17)的横截面与所述开口(12)的上端的横截面相等。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，其中所述环具有1-20μm的宽度(W)。
7.根据权利要求6所述的传感器设备，其中所述蚀刻停止层(20)为非介电材料。
8.根据权利要求6所述的传感器设备，其中所述蚀刻停止层(20)为铝或铜。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，其中所述膜(13)包括处于拉伸应力下的至少一个SiN层(14)。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，进一步包括：
设置于所述膜(13)上的感测材料的至少一个补片(2)，和
接触所述感测材料的电极(3)。
11.根据权利要求10所述的传感器设备，进一步包括：
所述感测材料是金属氧化物；以及
所述电极为金属电极。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，其中所述加热器(5)包括至少一个金属导体。
13.根据权利要求12所述的传感器设备，其中所述加热器(5)包括至少一个钨导体。
14.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，进一步包括：集成在所述衬底(1)上的处理电路(4)，且其中所述处理电路包括放大器、模/数转换器或接口电路中的至少一个。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，进一步包括：设置在所述膜(13)的底面的硅板(30)，在所述硅板(30)和所述衬底(1)之间围绕所述硅板(30)形成间隙(12b)，并且其中所述衬底(1)为具有硅处理层(1a)、绝缘层(1b)和硅层(1c)的SOI结构，所述绝缘层(1b)设置于所述硅处理层(1a)和所述硅层(1c)之间。
16.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，其中所述传感器设备为气体传感器或湿度传感器。
17.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，其中所述传感器设备为流量传感器，其包括设置在所述膜上的至少一个温度传感器(31a，31b)。
18.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器设备，其中所述传感器设备为流量传感器，其包括设置在所述膜上的至少两个温度传感器(31a，31b)。
19.一种用于制造根据前述任一项权利要求所述的传感器设备的方法，包括如下步骤：
提供具有顶面(8)和底面(7)的半导体衬底(1)，
施加批量材料层(9)到所述顶面(8)，且在所述批量材料层(9)中形成加热器(5)，
穿过所述衬底(1)蚀刻开口(12)，从而在所述加热器(5)的位置处形成膜(13)，
其特征在于步骤：
通过穿过所述开口(12)蚀刻以在所述批量材料层(9)中形成凹槽(17)，从而减少所述膜(13)的厚度，并且
其中所述材料层包括介电层(11)和至少一个非介电蚀刻停止层(20)，其中所述蚀刻停止层(20)沿围绕所述凹槽(17)的环延伸，其中所述方法包括在形成所述凹槽(17)时使用所述蚀刻停止层(20)作为蚀刻停止的步骤，
其中，当在所述批量材料层(9)中形成凹槽(17)时，所述蚀刻停止层(20)用作停止蚀刻，并且
其中，所述批量材料层(9)包括多个结构化介电层(11)和多个结构化金属层(10a-10f)。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在形成所述凹槽(17)后移除至少部分所述蚀刻停止层(20)的步骤。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中在沉积所述蚀刻停止层(20)之前，将至少一个第一金属层(10a-10c)添加到所述批量材料层(9)，并且在沉积所述蚀刻停止层(20)后，将至少一个第二金属层(10d-10f)添加到所述批量材料层(9)。
22.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括在蚀刻所述凹槽(17)后施加感测材料的补片(2)到所述膜(13)的步骤。
23.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括在所述膜(13)下面形成硅板(30)的步骤，在所述硅板(30)和所述衬底(1)之间围绕所述硅板(30)形成间隙(12b)，
并且其中所述衬底(1)为具有硅处理层(1a)、绝缘层(1b)和硅层(1c)的SOI结构，所述绝缘层(1b)设置于所述硅处理层(1a)和所述硅层(1c)之间，其中所述硅板(30)由所述硅层(1c)形成。
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