CN105181764A - 一种湿度传感器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿度传感器及制造方法，通过在湿度传感器的叉指电极下面形成开口空腔，使湿敏材料层的底部与外界环境连通，可增加湿敏材料与外界环境之间的接触面积，缩短水分子运动的路径，从而可有效提高湿度传感器的响应速度，提升湿度传感器的性能。

Description

一种湿度传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及半导体加工制造技术领域，更具体地，涉及一种湿度传感器及制造方法。

背景技术

湿度，通常是指空气中水蒸气的含量，用来反映大气的干湿程度。人类日常生活、工农业生产活动以及动植物的生存和生长，都与周围的环境湿度有着密切的关系。湿度传感器用于湿度的测量，其基于湿敏功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的特点，通过将湿度物理量转换成电讯号来实现测量功能。

湿度传感器根据其工作原理的不同，可以分成伸缩式、蒸发式、露点计、电子式、电磁式等，其中以电子式的研究和应用为主。近年来研究较多的是电容型的电子式湿度传感器，这类湿度传感器的主要工作原理是：湿敏介质材料在吸附和解吸附空气中的水汽分子时，其介电常数会发生变化，从而导致器件的电容值发生改变，再经过处理电路转化为与湿度相关的电信号被读出。

电容式湿度传感器从结构上主要可分为垂直平板电容型和水平平板电容型两类。顾名思义，垂直平板电容型是指湿度传感器的正、负电极板以上、下相对的垂直方式设置。其中，上电极板设有通孔或者直接采用多孔材料制备，外界环境中的水汽需要穿过上电极板的通孔或者孔隙与湿敏材料发生作用，才能引起电容发生改变。水平平板电容型也称作叉指电容型，其正、负电极板的叉指状电极相对交错设置，并位于同一水平方向上，湿敏材料填充于两个电极板的各叉指之间，可直接与外界环境相接触。

请参阅图1，图1是现有技术中的一种叉指电容型湿度传感器的结构示意图。如图1所示，该叉指电容型湿度传感器自下而上包括衬底101、绝缘层102、形成于绝缘层上的金属叉指电极103(包括正、负电极板的叉指电极)，以及填充于叉指电极之间和上面并将其覆盖的湿敏材料104。

在上述现有的叉指电容型湿度传感器的结构中，外界环境与传感器的接触面为湿敏材料的上表面。当环境湿度发生变化时，水分子只能经由湿敏材料104的上表面从一个方向进行吸附或者解吸附，这将造成湿度传感器响应速度慢的问题，导致其测量时达到稳定状态的时间较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种湿度传感器及制造方法，以解决现有湿度传感器响应速度慢的问题，提升湿度传感器性能。

为实现上述目的，本发明的一种技术方案如下：

一种湿度传感器，自下而上依次包括具有CMOS器件结构的衬底硅片，具有CMOS电路结构的介质层，正、负电极板的叉指电极，以及在叉指电极之间和上方将其覆盖的湿敏材料层，在所述叉指电极下方的介质层具有开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。

优选地，所述正、负电极板的叉指电极相对交错设置，并位于同一水平面，叉指电极之间形成同层间电容。

优选地，所述湿敏材料层的底部外周与所述空腔的开口区域边部具有间隙。

优选地，所述湿敏材料为有机聚合物或者多孔介质材料。

优选地，所述空腔的高度为1～10μm。

为实现上述目的，本发明的另一种技术方案如下：

一种湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤S01：提供一衬底，在所述衬底中形成CMOS器件结构，在所述衬底上形成介质层，并在介质层中形成CMOS电路；

步骤S02：在介质层中形成一牺牲层；

步骤S03：在牺牲层上方对应位置形成正、负电极板的叉指电极；

步骤S04：形成湿敏材料层，将叉指电极覆盖；

步骤S05：去除牺牲层，形成开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。

优选地，步骤S02中，先在介质层中形成一沟槽，然后，向沟槽中填充牺牲层材料并图形化，形成牺牲层。

优选地，步骤S03中，先在牺牲层上方淀积隔离介质并图形化，形成叉指电极底部的隔离介质层，然后，采用CMOS标准互连工艺形成叉指电极,接着，继续淀积隔离介质并图形化，形成叉指电极的侧墙和其顶部的隔离介质层，将叉指电极表面包覆。

优选地，步骤S04中，采用CVD或者旋涂工艺形成湿敏材料层，所述湿敏材料层的厚度为500nm～10μm。

优选地，步骤S05中，采用干法或者湿法腐蚀工艺去除牺牲层，形成高度为1～10μm的开口空腔。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在湿度传感器的叉指电极下面形成开口空腔，使湿敏材料层的底部与外界环境连通，可增加湿敏材料与外界环境之间的接触面积，缩短水分子运动的路径，从而可有效提高湿度传感器的响应速度，提升湿度传感器的性能。

附图说明

图1是现有技术中的一种叉指电容型湿度传感器的结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构俯视图；

图4是本发明一种湿度传感器的制造方法流程图；

图5a～图5f是根据图4的方法制备一种湿度传感器的工艺步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种湿度传感器，自下而上依次包括晶圆硅片衬底301、介质层302、正、负电极板的叉指电极308，以及在叉指电极之间和上方将叉指电极覆盖的湿敏材料层310。作为一可选的实施方式，可采用一8英寸的晶圆硅片301作为衬底。其中，在硅片301上形成有常规的CMOS器件结构(图略)，在介质层302中形成有常规的CMOS电路结构，包括通孔303、305和互连金属层304。通孔303、305中填充有通孔金属，互连金属层304中填充有互连线金属。可以采用例如二氧化硅作为介质层材料。

此外，在叉指电极的表面还可包覆一层隔离介质材料307，例如，可采用二氧化硅作为隔离介质材料。隔离介质材料层可以有效地阻止外部水汽侵蚀叉指电极308。

请继续参阅图2。在叉指电极下方的介质层302设有一个开口空腔311，从而可以与外界环境相连通，并使得位于空腔上方的湿敏材料层310底部也可以与外界环境相连通。在本实施例中，湿敏材料层310为一矩形体结构，但本发明不限于此。

在如图1所示的现有技术中的一种叉指电容型湿度传感器的结构中，湿敏材料104的底部完全与绝缘层表面接触，从而与外界环境产生隔离。因此，外界环境与传感器的接触面就只有湿敏材料的上表面。当环境湿度发生变化时，水分子只能经由湿敏材料104的上表面从一个方向进行吸附或者解吸附，这将造成湿度传感器响应速度慢的问题，导致其测量时达到稳定状态的时间较长。

而在本发明的湿度传感器结构中，通过在叉指电极308下面形成开口空腔311，使湿敏材料层310的底部也能够与外界环境连通，这样就增加了湿敏材料与外界环境之间的接触面积(即相比现有技术增加出了从湿敏材料层底部接触外界环境的面积)，因此缩短了水分子运动的路径，从而可使湿度传感器的响应速度得到有效提高。

请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构俯视图。如图3所示，作为一优选的实施方式，所述正、负电极板的叉指电极308-1、308-2(图2中的标记308为其统指)以交错的方式相对设置，并位于同一水平面，在正、负两个电极308-1、308-2的叉指之间形成同层间电容。在叉指电极308-1、308-2下方设有位于介质层302中的开口空腔区域311，湿敏材料层310从叉指电极308-1、308-2侧面(之间)和上方将叉指电极的有效测量区域覆盖。为了使湿敏材料底部能够与外界环境连通，湿敏材料层310的底部外周可与空腔的开口区域311边部具有间隙，即可使得湿敏材料层的底部面积小于空腔的开口平面面积，并处于空腔的开口端边部以内区域。

作为一优选的实施方式，所述空腔311的高度(深度)可为1～10μm，例如可以是3μm的深度。

作为可选的实施方式，所述湿敏材料可采用已知的有机聚合物湿敏材料，例如聚酰亚胺类、聚甲基丙烯酸甲脂类及其衍生物、与其他单体的共聚物等；或者采用已知的多孔介质湿敏材料，例如多孔陶瓷基材料、多孔金属氧化物及其他多孔半导体材料等。

在上述实施方式中，湿度传感器与CMOS电路采用了单芯片集成工艺，以提高芯片的整体性能，降低成本。

下面通过具体实施方式，对本发明湿度传感器的制造方法进行详细说明。

请参阅图4，图4是本发明一种湿度传感器的制造方法流程图；同时，请参阅图5a～图5f，图5a～图5f是根据图4的方法制备一种湿度传感器的工艺步骤示意图，图5a～图5f中形成的分步器件结构，分别与图4中的各步骤相对应以便于理解。如图4所示，本发明的一种湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：

如框01所示，步骤S01：提供一衬底，在所述衬底中形成CMOS器件结构，在所述衬底上形成介质层，并在介质层中形成CMOS电路。

请参阅图5a。先在衬底硅片301上完成CMOS前道工艺。作为一可选的实施方式，可采用一8英寸的晶圆硅片301作为衬底，并采用公知的CMOS前道工艺，在硅片上形成常规的CMOS器件结构(图略)。接着，在硅片上沉积形成介质层302，例如可以采用二氧化硅作为介质层材料；然后，可采用公知的CMOS铝工艺做后道工艺，在介质层302中形成常规的CMOS电路结构，包括制备形成通孔303、305和金属互连层304结构，并填充通孔金属以及互连线金属。

在完成CMOS电路处理后，即可采用与CMOS后道工艺兼容的工艺制备湿度传感器，即传感器与CMOS电路采用单芯片集成，以提高芯片整体性能，降低成本。

如框02所示，步骤S02：在介质层中形成一牺牲层。

请参阅图5b。在完成通孔金属的制备步骤后，可采用光刻、刻蚀工艺，在介质层302中形成一个沟槽。沟槽的位置选取在后续形成叉指电极位置的对应下方，其大小应至少大于覆盖叉指电极的湿敏材料底部的面积。作为一优选的实施方式，沟槽的深度可为1～10μm。然后，在沟槽中填充牺牲层材料，接着图形化牺牲层材料，形成牺牲层306。牺牲层306的厚度与沟槽的深度相一致，也为1～10μm。在一实施例中，可采用光刻和刻蚀工艺，在介质层302中形成一个3μm深的沟槽；然后，利用PECVD淀积5μm厚的非晶硅；接着，采用CMP图形化非晶硅，并形成3μm厚的非晶硅牺牲层306。

如框03所示，步骤S03：在牺牲层上方对应位置形成正、负电极板的叉指电极。

请参阅图5c。接下来，可先采用PECVD在牺牲层上淀积一层隔离介质材料307，例如800埃的二氧化硅作为隔离介质材料；然后，通过光刻和刻蚀该隔离介质材料，在牺牲层上方对应位置形成叉指电极308底部的隔离介质层307。接着，再采用例如CMOS标准通用的铝互连工艺，在对应的隔离介质层307上形成正、负电极板的金属叉指电极308。请参考图3，两个叉指状的电极308-1、308-2以交错的方式相对设置，并位于同一水平面，在正、负两个电极的叉指之间形成同层间电容。该铝金属电极308的厚度例如可为1μm。

请参阅图5d。接下来，可再采用PECVD淀积例如1000埃的二氧化硅隔离介质307’，并采用光刻和刻蚀工艺形成叉指电极308的侧墙和顶部的隔离介质层307’。隔离介质层307、307’将叉指电极308表面合围并包覆。隔离介质层可以有效地阻止外部水汽侵蚀金属电极308。在该步骤可选择性地同时刻蚀出引线金属孔309。

如框04所示，步骤S04：形成湿敏材料层，将叉指电极覆盖。

请参阅图5e。接下来，需要制备湿敏材料层310，并覆盖住叉指电极308。湿敏材料可采用已知的有机聚合物湿敏材料，例如聚酰亚胺类、聚甲基丙烯酸甲脂类及其衍生物、与其他单体的共聚物等；或者采用已知的多孔介质湿敏材料，例如多孔陶瓷基材料、多孔金属氧化物及其他多孔半导体材料等。可采用CVD或者旋涂工艺形成湿敏材料层310。作为一优选的实施方式，可采用聚酰亚胺作为湿敏材料。具体可为：先在介质层302表面旋涂聚酰亚胺前驱物，直至高于叉指电极308一定厚度；接着，通过光刻、显影图形化聚酰亚胺前驱物；然后，再经过热处理形成所需厚度的聚酰亚胺薄膜湿敏材料层310，将叉指电极308覆盖在聚酰亚胺的整体薄膜310中。

作为一优选的实施方式，所述湿敏材料层310的厚度可为500nm～10μm。例如，可形成厚度为4μm的聚酰亚胺薄膜310。

如框05所示，步骤S05：去除牺牲层，形成开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。

请参阅图5f。接下来，可采用干法或者湿法腐蚀工艺来去除牺牲层306，以在介质层302形成开口向上的空腔311。空腔311的高度(深度)大致可为1～10μm，与形成牺牲层306前的沟槽深度相当；空腔的开口上方正对叉指电极308。空腔的开口端平面面积应大于湿敏材料层310的底部面积，以便使湿敏材料层的底部外周与空腔311的开口端边部具有间隙，从而满足使湿敏材料底部能够与外界环境相连通的需要。

在一实施例中，可采用XeF₂干法释放工艺去除非晶硅牺牲层306，从而形成高度为3μm的开口空腔311，并完成本发明湿度传感器的制备。空腔311通过其开口与外部环境相连，水汽分子能够通过空腔311从湿敏材料层310的底部与其发生反应，还可同时从湿敏材料层310的上表面与其发生反应，因此可缩短水分子运动的路径，从而有效提升了湿度传感器的响应速度。

在上述本发明的方法中，湿度传感器与CMOS电路的制备采用了单芯片集成工艺，其工艺简单，可以提高芯片的整体性能，降低成本，有利于推广应用。

综上所述，本发明通过在湿度传感器的叉指电极下面形成开口空腔，使湿敏材料层的底部与外界环境连通，可增加湿敏材料与外界环境之间的接触面积，缩短水分子运动的路径，从而可有效提高湿度传感器的响应速度，提升湿度传感器的性能。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种湿度传感器，自下而上依次包括具有CMOS器件结构的衬底硅片，具有CMOS电路结构的介质层，正、负电极板的叉指电极，以及在叉指电极之间和上方将其覆盖的湿敏材料层，其特征在于，在所述叉指电极下方的介质层具有开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述正、负电极板的叉指电极相对交错设置，并位于同一水平面，叉指电极之间形成同层间电容。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料层的底部外周与所述空腔的开口区域边部具有间隙。

4.根据权利要求1或3所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料为有机聚合物或者多孔介质材料。

5.根据权利要求1或3所述的湿度传感器，其特征在于，所述空腔的高度为1～10μm。

6.一种湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：提供一衬底，在所述衬底中形成CMOS器件结构，在所述衬底上形成介质层，并在介质层中形成CMOS电路；

步骤S02：在介质层中形成一牺牲层；

步骤S03：在牺牲层上方对应位置形成正、负电极板的叉指电极；

步骤S04：形成湿敏材料层，将叉指电极覆盖；

步骤S05：去除牺牲层，形成开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。

7.根据权利要求6所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S02中，先在介质层中形成一沟槽，然后，向沟槽中填充牺牲层材料并图形化，形成牺牲层。

8.根据权利要求6所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S03中，先在牺牲层上方淀积隔离介质并图形化，形成叉指电极底部的隔离介质层，然后，采用CMOS标准互连工艺形成叉指电极,接着，继续淀积隔离介质并图形化，形成叉指电极的侧墙和其顶部的隔离介质层，将叉指电极表面包覆。

9.根据权利要求6所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S04中，采用CVD或者旋涂工艺形成湿敏材料层，所述湿敏材料层的厚度为500nm～10μm。

10.根据权利要求6所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S05中，采用干法或者湿法腐蚀工艺去除牺牲层，形成高度为1～10μm的开口空腔。