CN104634832A - Cmos mems电容式湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS MEMS电容式湿度传感器及其制备方法，属于半导体芯片技术，该CMOS MEMS电容式湿度传感器由于位于湿度敏感介质层的正投影内的衬底上形成有若干子空气通道，从而通过该子空气通道提高传感器的灵敏度及可缩短响应时间，而又由于相邻两个子空气通道之间形成有支撑柱，从而通过该支撑柱提高敏感器件区的强度，以防止该湿度传感器在实际应用时破裂，进而使该湿度传感器在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，改善了其结构强度，而通过该方法所制备形成的CMOS MEMS电容式湿度传感器由于形成有子空气通道和支撑柱，所以其在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，能够改善其结构强度。

Description

CMOS MEMS电容式湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS MEMS电容式湿度传感器及其制备方法，属于半导体芯片技术。

背景技术

湿度传感器广泛应用于国防航空、气象检测、工业控制、农业生产、医疗设备等多个领域，近年来，湿度传感器发展的一个重要方向是微型化。现有的微型湿度传感器主要有电容式、电阻式、压阻式等类型。电容式湿度传感器因具有功耗小、成本低等优点，已被商用领域普遍应用。利用标准CMOS工艺制造电容式微型湿度传感器具有三方面优点：(1)传感器体积小，一致性好；(2)容易将湿度传感器和检测电路单片集成，有助于提高湿度检测系统的稳定性和抗干扰能力；(3)大批量制造，可以有效降低产品成本。梳齿状电容式结构是常被采用的电容式湿度传感器结构，但由于单对梳齿电极的电容值很小，为了得到较高的灵敏度，往往需要采用很多对梳齿并联的方式，不利于传感器芯片面积的控制和成本的降低，因此，提高梳齿状电容式湿度传感器的灵敏度是亟需解决的问题。另外，湿度传感器响应时间的改善也是研究的热点。

中国专利第CN 101620197 B号公开了一种快速响应的CMOS相对湿度传感器，其由衬底，氧化层，电容电极，湿度敏感介质组成，氧化层设在衬底上，电容电极设在氧化层上，电容电极由压焊块引出，湿度敏感介质设在电容电极之间和电容电极上方，腐蚀衬底及其上方的氧化层，形成空腔，使得电容电极之间的湿度敏感介质的下表面也与空气接触，电容电极为叉指状电极且交错排列，每组叉指状电极的公共端和叉指状电极的自由端均固定于氧化层上，以保证电极的机械强度。该技术采用聚酰亚胺作为湿度敏感介质，将衬底及其上方的氧化层腐蚀形成空腔，电容电极之间的湿度敏感介质的上方和下方均为空气，该传感器具有响应速度快，衬底寄生小等优点。

中国专利申请第CN 103207215 A号公开了一种改进型的基于聚酰亚胺的湿度传感器，其在电极板之间涂覆聚酰亚胺薄膜作为湿度敏感材料，然后在聚酰亚胺层中利用光刻技术制作空腔。该技术提高了传感器与周围环境的接触面积，具有响应时间快的特点。

中国专利第CN 102590291 B号公开了一种改进型湿度传感器的制作方法，其在电极板之间涂覆的聚酰亚胺薄膜作为湿度敏感材料，后在聚酰亚胺层中利用光刻技术制作空腔，空腔底部有由腐蚀方法制作的硅通孔。该传感器提高了传感器与周围环境的接触面积，同时便于气体通过传感器，具有响应时间短的特点。

虽得益于加工工艺和标准CMOS工艺完全兼容，梳齿状电容式湿度传感器是目前商用领域最常用的结构，而侧壁电容的感应模式决定了单对梳齿电容的灵敏度极低，为了得到理想的灵敏度，往往需要设计大量的梳齿并联，这样会增大芯片面积，进而提高器件成本。中国专利CN 101620197 B中涉及的一种快速响应的CMOS相对湿度传感器即有上述的典型缺点。另外，中国专利申请第CN 103207215 A号和中国专利CN 102590291 B号中涉及的一种改进型的基于聚酰亚胺的湿度传感器，在聚酰亚胺层中利用光刻技术制作空腔，提高了传感器与周围环境的接触面积，具有响应时间短的特点，但这种做法使得电极板之间的湿度敏感材料减少，进一步牺牲了器件的灵敏度。所以，如何在现有器件梳齿结构设计和尺寸的基础上，提高单位面积内传感器的灵敏度是现有技术中给予解决的问题。

另外，在器件灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，器件的结构强度往往会被忽略，中国专利CN 101620197 B中涉及的一种快速响应的CMOS相对湿度传感器，其湿度敏感介质上方和下方均与空气接触，达到了快速响应的效果，且器件灵敏度也不受损失，但是由于敏感区域下方的体硅都被腐蚀掉，敏感区域整体悬空，机械强度难以得到保证，在实际应用中容易破裂。因此，在器件灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，器件结构强度的改善是也是同时需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种CMOS MEMS电容式湿度传感器及其制备方法，其能够在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，改善了该湿度传感器的结构强度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种CMOS MEMS电容式湿度传感器，包括具有正面和背面的衬底、设置在所述衬底正面的第一电容电极和第二电容电极及形成在第一电容电极和第二电容电极之间的湿度敏感介质层，所述第一电容电极、第二电容电极和湿度敏感介质层形成敏感器件区，所述CMOS MEMS电容式湿度传感器还包括自所述衬底的背面朝正面延伸形成的若干子空气通道，所述衬底包括形成在相邻两个所述子空气通道之间的支撑柱，若干所述子空气通道位于所述湿度敏感介质层的正投影内，所述支撑柱支撑所述敏感器件区。

进一步的，所述CMOS MEMS电容式湿度传感器还包括淀积在所述衬底正面的氧化层及自所述若干子空气通道向上延伸贯穿氧化层形成的填充腔，所述湿度敏感介质层延伸至所述填充腔内。

进一步的，所述第一电容电极包括呈梳齿状的第一本体和自第一本体的末端向外延伸形成的第一压焊点，所述第二电容电极包括与第一本体交错设置且呈梳齿状的第二本体和自第二本体的末端向外延伸形成的第二压焊点。

进一步的，所述第一电容电极、第二电容电极为多晶硅电极或者铝电极。

进一步的，所述湿度敏感介质层为由聚酰亚胺淀积形成。

进一步的，若干所述子空气通道相连通以形成总空气通道，所述总空气通道的截面形状呈蛇形。

本发明还提供了一种CMOS MEMS电容式湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1：提供具有正面和背面的衬底；

S2：在衬底的正面淀积形成多晶硅层或铝层，刻蚀所述多晶硅层或铝层以形成第一电容电极和第二电容电极；

S3：在所述第一电容电极和第二电容电极之间形成湿度敏感介质层；

S4：在衬底的背面形成光刻胶图形，以露出部分衬底，按照所述光刻胶图形刻蚀所露出的衬底以形成若干子空气通道，所述若干子空气通道之间具有由未被刻蚀的衬底部分所形成的支撑柱，所述子空气通道位于所述湿度敏感介质层的正投影内。

进一步的，在所述步骤S1中还包括：在所述衬底的正面上生长一层氧化层；在所述步骤S2中，所述多晶硅层或铝层淀积形成在氧化层上；所述步骤S2和步骤S3之间还包括S21：在氧化层上根据第一电容电极和第二电容电极的形状形成光刻胶图形，以露出部分氧化层，按照光刻胶图形腐蚀所露出的氧化层以形成填充腔；在所述步骤S3中，所形成的湿度敏感介质层延伸至填充腔内。

进一步的，若干所述子空气通道相连通以形成总空气通道，所述总空气通道的截面形状呈蛇形。

进一步的，所述湿度敏感介质层的材料为聚酰亚胺。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：由于位于湿度敏感介质层的正投影内的衬底上形成有若干子空气通道，从而通过该子空气通道提高传感器的灵敏度及可缩短响应时间，而又由于相邻两个子空气通道之间形成有支撑柱，从而通过该支撑柱提高敏感器件区的强度，以防止该湿度传感器在实际应用时破裂，进而使该湿度传感器在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，改善了其结构强度，而通过该方法所制备形成的CMOS MEMS电容式湿度传感器由于形成有子空气通道和支撑柱，所以其在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，能够改善其结构强度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明CMOS MEMS电容式湿度传感器的俯视图，未设置湿度敏感介质层；

图2是图1的截面图；

图3是图1所示的CMOS MEMS电容式湿度传感器中衬底的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图3，本发明一较佳实施例所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器(下面简称为湿度传感器)包括具有正面11和背面12的衬底1、淀积在所述衬底1正面11上的氧化层2、设置在所述氧化层2上的第一电容电极3和第二电容电极4、填充在氧化层2、第一电容电极3和第二电容电极4之间的湿度敏感介质层5(图1中仅以框架显示)、自所述衬底1的背面12朝正面11延伸形成的若干子空气通道61及自所述若干子空气通道61向上延伸贯穿氧化层2形成的填充腔7。所述第一电容电极3、第二电容电极4和湿度敏感介质层5形成敏感器件区。在本实施例中，所述湿度敏感介质层5延伸至所述填充腔7内，且还将第一电容电极3和第二电容电极4覆盖，另外，若干所述子空气通道61相连通以形成总空气通道6，该总空气通道6的截面形状呈蛇形。在其他实施方式中，可以仅在第一电容电极3和第二电容电极4之间形成湿度敏感介质层5，而若干子空气通道之间可以不连通，或者其连通后的截面形状呈其他形状。

所述衬底1为硅衬底，其包括形成在相邻两个所述自子空气通道61之间的支撑柱13及形成在子空气通道61外围的基部14。所述子空气通道61利用深反应离子刻蚀工艺腐蚀形成，通过该子空气通道61提高湿度传感器的灵敏度及可缩短响应时间，支撑柱13和基部14为衬底1未被腐蚀的部分，以保证湿度传感器的强度，其中，支撑柱13支撑敏感器件区，以由该支撑柱13提高敏感器件区的强度，以防止该湿度传感器在实际应用时破裂。所述子空气通道61位于所述湿度敏感介质层5的正投影内，所述基部14支撑第一电容电极3和第二电容电极4外侧的氧化层2。所述氧化层2为二氧化硅。所述第一电容电极3和第二电容电极4为多晶硅电极，所述第一电容电极3、第二电容电极4为梳齿状电极且交错排列。所述第一电容电极3包括呈梳齿状的第一本体31和自第一本体31的末端向外延伸形成的第一压焊点32，所述第二电容电极4包括与第一本体31交错设置且呈梳齿状的第二本体41和自第二本体41的末端向外延伸形成的第二压焊点42，该第一压焊点32和第二压焊点42形成在氧化层2上，且位于同一侧。所述湿度敏感介质层5为由聚酰亚胺淀积形成。在其他实施方式中，该第一电容电极3和第二电容电极4可以为铝电极。

在本实施例中，由于衬底1为硅衬底，且该硅衬底1掺杂，其本身具有一定的导电性，所以，需要在硅衬底1上形成有氧化层，但，在其他实施例中，该衬底可以为玻璃等不导电材料，此时，可以不设置氧化层。另外，本实施例中设置氧化层的另一目的在于：形成填充腔7，从而使湿度敏感介质层5延伸至所述填充腔7内，以将湿度敏感介质层5的厚度增强，从而提高湿度传感器的灵敏度及可缩短响应时间，及还有助于增加敏感器件区的强度。

请结合图1至3，上述CMOS MEMS电容式湿度传感器的制备方法包括五个步骤。

第一步：提供具有正面11和背面12的硅衬底1，在所述硅衬底1的正面11上生长一层氧化层2，该氧化层2可为二氧化硅。

第二步：采用低压力化学气相沉积(LPCVD)工艺在氧化层2上淀积多晶硅以形成多晶硅层，再光刻并刻蚀该多晶硅层以形成第一电容电极3和第二电容电极4，所形成的第一电容电极3、第二电容电极4为梳齿状电极且交错排列。所述第一电容电极3包括呈梳齿状的第一本体31和自第一本体31的末端向外延伸形成的第一压焊点32，所述第二电容电极4包括与所述第一本体31交错设置且呈梳齿状的第二本体41和自第二本体41的末端向外延伸形成的第二压焊点42，该第一压焊点32和第二压焊点42形成在氧化层2上，且位于同一侧。在本步骤中，该多晶硅可掺杂其他材质以改进其性能，掺杂的其他材质为本领域技术人员常用方式，故不再赘述。在其他实施方式中，可以将多晶硅换成铝，从而通过采用电子束蒸发工艺在氧化层2上形成铝层，再刻蚀该铝层以形成第一电容电极和第二电容电极。

第三步：在氧化层2上旋涂一层光刻胶，在光刻胶上根据第一电容电极3和第二电容电极4的形状光刻以形成光刻胶图形，以露出部分氧化层2，利用BOE溶液按照光刻胶图形腐蚀所露出的氧化层2以形成填充腔7。在该步骤中，该光刻胶图形为第一本体31和第二本体41之间所形成的电容区域。

第四步：旋涂一层聚酰亚胺，使其在所述氧化层2、第一电容电极3和第二电容电极4之间形成湿度敏感介质层5，该第一电容电极3、第二电容电极4和湿度敏感介质层5形成敏感器件区。在此需要说明的是：其实际所形成的湿度敏感介质层5除填满氧化层2、第一电容电极3和第二电容电极4之间的间隙外，该湿度敏感介质层5还延伸至在第三步中腐蚀所形成的填充腔7内，以将该填充腔7填满，同时又将第一电容电极3和第二电容电极4覆盖。当然，在其他实施方式中，其可以仅仅将第一电容电极3和第二电容电极4之间的间隙填满。

第五步：在衬底1的背面12旋涂一层光刻胶，然后在硅衬底1的背面12光刻形成光刻胶图形，以露出部分硅衬底1，该光刻图形位于湿度敏感介质层5的正投影内，按照所述光刻胶图形刻蚀所露出的硅衬底1以形成若干子空气通道61，所述若干子空气通道61之间具有由未被刻蚀的硅衬底1部分所形成的支撑柱13，所述子空气通道61位于所述湿度敏感介质层5的正投影内，最后去除光刻胶。在本实施例中，该若干子空气通道61利用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺腐蚀掉部分硅衬底1而形成，而若干所述子空气通道61相连通以形成总空气通道6，所述总空气通道6的截面形状呈蛇形。

在具体操作的时候，上述五个步骤可以简化，其中可以不在衬底上设置氧化层，因此，第三步可以去除。在本实施例中，由于衬底1为硅衬底，且该硅衬底1掺杂，其本身具有一定的导电性，所以，需要在硅衬底1上形成有氧化层，但，在其他实施例中，该衬底可以为玻璃等不导电材料，此时，可以不设置氧化层。另外，本实施例中设置氧化层的另一目的在于：形成填充腔7，从而使湿度敏感介质层5延伸至所述填充腔7内，以将湿度敏感介质层5的厚度增强，从而提高其提高湿度传感器的灵敏度及可缩短响应时间，及还有助于增加敏感器件区的强度。另外，若干所述子空气通道61也可以不相互连通，或者连通后的截面形成呈其他结构。

上述CMOS MEMS电容式湿度传感器的工作原理如下：第一电容电极3和第二电容电极4构成的电容以聚酰亚胺作为湿度敏感介质，当环境湿度发生改变时，湿度敏感介质层5中的水汽含量会相应变化，聚酰亚胺和水构成的混合介质的介电常数会发生变化，从而引起湿度敏感电容值变化，再利用电容检测电路检测湿度敏感电容的变化，便可以收集到环境湿度的信息。

综上所述，由于位于所述湿度敏感介质层5的正投影内的衬底1上形成有若干子空气通道61，从而通过该子空气通道61提高传感器的灵敏度及可缩短响应时间，而又由于相邻两个所述子空气通道61之间形成有的支撑柱13，从而通过支撑柱13提高敏感器件区的强度，以防止该湿度传感器在实际应用时破裂，进而使该湿度传感器在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，改善了其结构强度，而通过该方法所制备形成的CMOS MEMS电容式湿度传感器由于形成有子空气通道61和支撑柱13，所以其在灵敏度和响应时间都得到保证的情况下，能够改善其结构强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种CMOS MEMS电容式湿度传感器，包括具有正面和背面的衬底、设置在所述衬底正面的第一电容电极和第二电容电极及形成在第一电容电极和第二电容电极之间的湿度敏感介质层，所述第一电容电极、第二电容电极和湿度敏感介质层形成敏感器件区，其特征在于：所述CMOS MEMS电容式湿度传感器还包括自所述衬底的背面朝正面延伸形成的若干子空气通道，所述衬底包括形成在相邻两个所述子空气通道之间的支撑柱，若干所述子空气通道位于所述湿度敏感介质层的正投影内，所述支撑柱支撑所述敏感器件区。

2.根据权利要求1所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征在于：所述CMOS MEMS电容式湿度传感器还包括淀积在所述衬底正面的氧化层及自所述若干子空气通道向上延伸贯穿氧化层形成的填充腔，所述湿度敏感介质层延伸至所述填充腔内。

3.根据权利要求1或2所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征在于：所述第一电容电极包括呈梳齿状的第一本体和自第一本体的末端向外延伸形成的第一压焊点，所述第二电容电极包括与第一本体交错设置且呈梳齿状的第二本体和自第二本体的末端向外延伸形成的第二压焊点。

4.根据权利要求1或2所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征在于：所述第一电容电极、第二电容电极为多晶硅电极或者铝电极。

5.根据权利要求1或2所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征在于：所述湿度敏感介质层为由聚酰亚胺淀积形成。

6.根据权利要求1或2所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征在于：若干所述子空气通道相连通以形成总空气通道，所述总空气通道的截面形状呈蛇形。

7.一种CMOS MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：提供具有正面和背面的衬底；

S2：在衬底的正面淀积形成多晶硅层或铝层，刻蚀所述多晶硅层或铝层以形成第一电容电极和第二电容电极；

S3：在所述第一电容电极和第二电容电极之间形成湿度敏感介质层；

S4：在衬底的背面形成光刻胶图形，以露出部分衬底，按照所述光刻胶图形刻蚀所露出的衬底以形成若干子空气通道，所述若干子空气通道之间具有由未被刻蚀的衬底部分所形成的支撑柱，所述子空气通道位于所述湿度敏感介质层的正投影内。

8.根据权利要求7所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中还包括：在所述衬底的正面上生长一层氧化层；在所述步骤S2中，所述多晶硅层或铝层淀积形成在氧化层上；所述步骤S2和步骤S3之间还包括S21：在氧化层上根据第一电容电极和第二电容电极的形状形成光刻胶图形，以露出部分氧化层，按照光刻胶图形腐蚀所露出的氧化层以形成填充腔；在所述步骤S3中，所形成的湿度敏感介质层延伸至填充腔内。

9.根据权利要求7所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于：若干所述子空气通道相连通以形成总空气通道，所述总空气通道的截面形状呈蛇形。

10.根据权利要求7所述的CMOS MEMS电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述湿度敏感介质层的材料为聚酰亚胺。