CN105241927B - 一种湿度传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿度传感器及制备方法，通过在叉指电极的下方、侧面、上方均设有湿敏材料层，形成将叉指电极包嵌于湿敏材料中的结构，增加了湿敏材料的体积，可增加有效湿敏电容，减小寄生电容，从而提高湿度传感器的灵敏度，提升传感器性能。

Description

一种湿度传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体加工制备技术领域，更具体地，涉及一种湿度传感器及制备方法。

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制作在具有CMOS电路的衬底101上，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并将其包覆的湿敏材料104。该传感器器件所测电容主要包含由叉指电极103与湿敏材料104所形成的有效湿敏电容C1以及由叉指电极103与绝缘层102所形成的寄生电容C2、由叉指电极103-衬底101与绝缘层102所形成的寄生电容C3和C4。

在上述现有的叉指电容型湿度传感器的结构中，由于存在寄生电容C2～C4，且该部分寄生电容并不会随环境湿度而相应改变，因此，会使得该湿度传感器所测整体电容的变化率趋小，从而降低了传感器的湿度测量灵敏度。

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备方法，可提高传感器的湿度测量灵敏度。

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电路结构的绝缘层，正、负电极板的叉指电极，以及湿敏材料层，所述湿敏材料层位于叉指电极的下方、侧面和上方，并将叉指电极包嵌于其中，所述湿敏材料层位于叉指电极下方的部分埋设于绝缘层中。

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，所述叉指电极下方的湿敏材料层部分厚度为100nm～5μm，叉指电极上方的湿敏材料层部分厚度为500nm～10μm。

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，所述叉指电极表面包覆有绝缘介质。

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备方法，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，在所述衬底上形成绝缘层，并在绝缘层中形成CMOS电路；

步骤S02：先在绝缘层中形成一沟槽，然后，向沟槽中填充牺牲层材料并图形化，在绝缘层中形成一牺牲层；

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：去除牺牲层，形成开口空腔；

步骤S05：沿空腔向上，在叉指电极的下方、侧面和上方形成湿敏材料层，并将叉指电极包嵌于其中。

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

优选地，采用CVD或者旋涂工艺，沿空腔向上形成湿敏材料层，所述湿敏材料层位于叉指电极下方部分的厚度为100nm～5μm、位于叉指电极上方部分的厚度为500nm～10μm。

从上述技术方案可以看出，本发明通过利用牺牲层在叉指电极下方形成空腔，然后再将湿敏材料填充至空腔中及叉指电极之间和上面，形成将叉指电极包嵌于湿敏材料中的传感器结构，并通过增加湿敏材料的体积，增加了有效湿敏电容，减小了寄生电容，从而可以提高湿敏传感器的灵敏度，提升传感器性能。

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备方法流程图；

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、绝缘层302、正、负电极板的叉指电极308，以及湿敏材料层311。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)，在绝缘层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绝缘层材料。

请继续参阅图2。所述湿敏材料层311设置在位于叉指电极308的下方、侧面和上方位置，其与叉指电极的具体配合方式是将叉指电极包嵌在湿敏材料层中。因而，湿敏材料层可作为一整体形态包裹住叉指电极。

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，金属叉指电极103直接形成于绝缘层上，湿敏材料104填充于叉指电极之间并将其包覆，而在叉指电极的下方并无湿敏材料。在这种传统的传感器结构中，由于存在寄生电容C2～C4，且该寄生电容并不会随环境湿度而相应改变，因此，会使得该湿度传感器所测整体电容的变化率趋小，从而降低了传感器的湿度测量灵敏度。

而在本发明的湿度传感器结构中，通过将叉指电极包嵌在湿敏材料中，增加了湿敏材料体积(即相比现有技术增加出了位于叉指电极下方的湿敏材料部分311-1)，降低了寄生电容，因此能有效提高湿度传感器灵敏度。

请继续参阅图2。作为一优选的实施方式，所述正、负电极板的叉指电极308以交错的方式相对设置，并位于同一水平面，在叉指电极之间形成同层间电容。此外，在叉指电极的表面还可包覆一层绝缘介质材料307，例如，可采用二氧化硅作为绝缘介质材料。

请继续参阅图2。作为一优选的实施方式，所述湿敏材料层位于叉指电极下方的部分311-1可采用埋设的方式埋入绝缘层302中，以避免增加传感器的整体体积。

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，正、负电极板的叉指状电极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308-1、308-2的叉指之间形成同层间电容。湿敏材料在叉指电极下方具有埋设在绝缘层中的区域311-1、在叉指电极侧面及上方具有包裹叉指电极的区域311-2，使叉指电极308-1、308-2被包嵌在整体式的湿敏材料311中。

作为一优选的实施方式，所述湿敏材料层位于叉指电极下方埋设在绝缘层中部分311-1的厚度可为100nm～5μm，例如该下部分湿敏材料层的厚度可为1μm；湿敏材料层位于叉指电极上方部分311-2的厚度可为500nm～10μm，例如该上部分湿敏材料层的厚度可为4μm。叉指电极308的厚度例如可为1μm。

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备方法进行详细说明。

请参阅图4，图4是本发明一种湿度传感器的制备方法流程图；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备方法，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，在所述衬底上形成绝缘层，并在绝缘层中形成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，在硅片上沉积形成绝缘层302，例如可以采用二氧化硅作为绝缘层材料；然后，可采用公知的CMOS铝工艺做后道工艺，在绝缘层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：在绝缘层中形成一牺牲层。

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，在绝缘介质层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，其大小应与叉指电极需要包裹部分的水平展开面积相适应。作为一优选的实施方式，沟槽的深度可为100nm～5μm。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100nm～5μm。在一实施例中，可采用光刻和刻蚀工艺，在绝缘层302中形成一个1μm深的沟槽；然后，利用PECVD淀积2μm厚的非晶硅；接着，采用CMP图形化非晶硅，并形成1μm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绝缘介质材料307，例如800埃的二氧化硅；然后，通过光刻和刻蚀该绝缘介质材料，在牺牲层上方位置形成叉指电极308底部的绝缘介质层307。接着，再采用例如CMOS标准通用的铝互连工艺，在对应的绝缘介质层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埃的二氧化硅绝缘介质307’，并采用光刻和刻蚀工艺形成叉指电极308的侧墙和顶部的绝缘介质层307’。绝缘介质层307、307’将叉指电极308表面合围并包覆。绝缘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：去除牺牲层，形成开口空腔。

请参阅图5e。接下来，可采用干法或者湿法腐蚀工艺来去除牺牲层306，以在绝缘层302形成开口向上的空腔310。空腔310上方正对叉指电极308。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，从而形成空腔310。

如框05所示，步骤S05：沿空腔向上，在叉指电极的下方、侧面和上方形成湿敏材料层，并将叉指电极包嵌于其中。

请参阅图5f。接下来，需要制备湿敏材料层311，并包裹住叉指电极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，沿空腔向上形成湿敏材料层。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：先向绝缘层302表面旋涂聚酰亚胺前驱物，将绝缘层的空腔310填满，并在绝缘层上继续形成高于叉指电极308的一定厚度；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311，将叉指电极308包嵌在聚酰亚胺的整体薄膜311中。最后，完成本发明湿度传感器的制备。

作为一优选的实施方式，所述湿敏材料层311位于叉指电极下方、即填埋在绝缘层空腔中部分的厚度与空腔的深度相一致，可为100nm～5μm，例如该下部分湿敏材料层的厚度可为1μm；湿敏材料层位于叉指电极上方部分的厚度可为500nm～10μm，例如该上部分湿敏材料层的厚度可为4μm。

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，本发明通过利用牺牲层在叉指电极下方形成空腔，然后再将湿敏材料填充至空腔中及叉指电极之间和上面，形成将叉指电极包嵌于湿敏材料中的传感器结构，使湿敏材料的体积得以增加，从而增加了有效湿敏电容，减小了寄生电容。因此，本发明可以提高湿度传感器的灵敏度，解决现有湿度传感器寄生电容大的问题，进一步提升传感器的性能。

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 (8)

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电路结构的绝缘层，正、负电极板的叉指电极，以及湿敏材料层，其特征在于，所述湿敏材料层位于叉指电极的下方、侧面和上方，并将叉指电极包嵌于其中，所述湿敏材料层位于叉指电极下方的部分埋设于绝缘层中。

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，所述叉指电极下方的湿敏材料层部分厚度为100nm～5μm，叉指电极上方的湿敏材料层部分厚度为500nm～10μm。

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1～3任意一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述叉指电极表面包覆有绝缘介质。

6.一种湿度传感器的制备方法，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，在所述衬底上形成绝缘层，并在绝缘层中形成CMOS电路；

步骤S02：先在绝缘层中形成一沟槽，然后，向沟槽中填充牺牲层材料并图形化，在绝缘层中形成一牺牲层；

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：去除牺牲层，形成开口空腔；

步骤S05：沿空腔向上，在叉指电极的下方、侧面和上方形成湿敏材料层，并将叉指电极包嵌于其中。

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

8.根据权利要求6所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，采用CVD或者旋涂工艺，沿空腔向上形成湿敏材料层，所述湿敏材料层位于叉指电极下方部分的厚度为100nm～5μm、位于叉指电极上方部分的厚度为500nm～10μm。