CN105502282B - 一种mems湿度传感器的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，公开了一种MEMS湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：首先提供一具有绝缘层的衬底，在绝缘层内形成金属连接线、在绝缘层上表面形成金属叉指电极层、金属焊盘以及钝化层；接着对钝化层以及绝缘层进行图案化，并暴露出金属连接线以及金属焊盘的上表面；最后在金属叉指电极层之间以及钝化层上表面形成湿敏材料层，完成MEMS湿度传感器的制备。本发明在湿度传感器的制备过程中仅需要两张掩膜版即可完成湿度传感器的制备，相比现有的叉指电极型湿度传感器制造工艺，本发明无需额外增加传感器制造成本，制造工艺简单，降低了生产成本，且制备方法与传统的CMOS工艺完全兼容。

Description

一种MEMS湿度传感器的制造方法
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，涉及一种MEMS湿度传感器的制造方法。
背景技术
湿度，通常是指空气中水蒸气的含量，它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。湿度测量需要采用湿度传感器，其是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基础上制造的，具有将湿度物理量转换成电讯号的功能。
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发生变化，从而导致器件电容值发生改变，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。顾名思义，垂直平板电容型是指湿度传感器的正负电极板在垂直方式相对，上电极板上有通孔或者采用多孔材料的上电极板，外界环境需要穿过上电极板与湿敏材料发生作用，引起电容发生改变；水平平板电容也称作叉指电容，其正负电极板在同一水平方向上，湿敏材料填充于叉指电极之间，可直接与外界环境接触。
请参阅图1a-1e，图1a-1e为现有技术中叉指电容型MEMS湿度传感器制备过程中的结构示意图。如图1a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、绝缘层中的金属连接线103、形成与绝缘层上表面的金属叉指电极层104，以及覆盖金属叉指电极层104以及绝缘层102的钝化层105；如图1b所示，采用第一掩膜版对钝化层105以及绝缘层102进行刻蚀，并暴露出金属连接线103的上表面以及金属叉指电极层104的上表面以及侧面；如图1c所示，在金属叉指电极层104的上表面以及侧面淀积一层用于隔离水汽的隔离介质层106；如图1d所示，采用第二掩膜版对隔离介质层106进行刻蚀，并暴露出用于后续封装打线用的金属焊盘107；如图1e所示，最后淀积湿敏材料层108，并采用第三掩膜版对湿敏材料层108图案化，完成湿度传感器的制备。
在上述现有的叉指电容型MEMS湿度传感器制备过程中，完成湿度传感器的至少需要三张掩膜版，导致现有湿度传感器的制作工艺复杂，生产成本较高。因此，本领域技术人员亟需提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法，简化工艺流程，降低生产成本。
发明内容
针对以上问题，为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法，简化工艺流程，降低生产成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一具有绝缘层的衬底，在所述绝缘层内形成金属连接线，所述绝缘层的上表面形成金属叉指电极层以及金属焊盘，所述金属叉指电极层以及金属焊盘的上表面覆盖有钝化层；
步骤S02，对所述钝化层以及绝缘层进行图案化，并暴露出所述金属连接线以及金属焊盘的上表面，且所述钝化层包覆所述金属叉指电极层的上表面以及侧壁；
步骤S03，在所述金属叉指电极层之间以及钝化层上表面形成湿敏材料层，完成MEMS湿度传感器的制备。
优选的，所述步骤S01中，所述金属叉指电极层包括金属叉指电极层的正电极板以及金属叉指电极层的负电极板，所述金属叉指电极层的正电极板以及金属叉指电极层的负电极板相互交错地设置在所述绝缘层上的同一水平面上。
优选的，所述步骤S02中，采用光刻和刻蚀工艺对所述钝化层以及绝缘层进行图案化，以暴露出所述金属连接线以及金属焊盘的上表面。
优选的，所述金属叉指电极层的侧壁包覆的钝化层的厚度为200埃～1500埃。
优选的，所述金属叉指电极层的上表面包覆的钝化层的厚度为200埃～10000埃。
优选的，步骤S03中，所述湿敏材料层形成后，对所述湿敏材料层进行热处理。
优选的，步骤S03中，采用化学气相沉积工艺或旋涂工艺形成所述湿敏材料层。
优选的，所述湿敏材料层的厚度为500nm～10μm。
优选的，所述湿敏材料层为有机聚合物或多孔介质材料。
优选的，所述湿敏材料层为聚酰亚胺。
本发明提供了一种MEMS湿度传感器的制造方法，在湿度传感器的制备过程中仅需要两张掩膜版，第一张掩膜版用于对钝化层以及绝缘层进行图案化，第二张掩膜版用于对湿敏材料层进行图案化，即可完成湿度传感器的制备，相比现有的叉指电极型湿度传感器制造工艺，本发明无需额外增加传感器制造成本，制造工艺简单，降低了生产成本，且制备方法与传统的CMOS工艺完全兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a-1e为现有技术中的形成叉指电容型湿度传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明提出的MEMS湿度传感器的制造方法的流程示意图；
图3a-3c为本发明提出的MEMS湿度传感器的工艺步骤的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图对本发明提出的MEMS湿度传感器的制造方法进行详细说明。图2为本发明提出的MEMS湿度传感器的制造方法的流程示意图；图3a-3c为本发明提出的MEMS湿度传感器的工艺步骤的剖面结构示意图。
请参阅图2，本发明提供了一种MEMS湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一具有绝缘层202的衬底201，在绝缘层202内形成金属连接线203，在绝缘层202的上表面形成位于同一水平面的金属叉指电极层204以及金属焊盘206，金属叉指电极层204以及金属焊盘206的上表面覆盖有钝化层205。
具体的，请参阅图3a，金属叉指电极层204包括金属叉指电极层的正电极板以及金属叉指电极层的负电极板，金属叉指电极层的正电极板以及金属叉指电极层的负电极板相互交错地设置在绝缘层202上的同一水平面上。作为一可选的实施方式，可采用一8英寸的晶圆衬底，并采用公知的CMOS工艺，在硅片上形成常规的CMOS器件结构(图略)，在完成CMOS电路制造后，作为一衬底转移至MEMS生产线(制造厂)继续在硅片上完成后续MEMS湿度传感器工艺，即MEMS湿度传感器与CMOS电路采用单芯片集成，以提高芯片整体性能，降低成本。
步骤S02，对钝化层205以及绝缘层202进行图案化，并暴露出金属连接线203以及金属焊盘206的上表面，且钝化层205包覆金属叉指电极层204的上表面以及侧壁。
具体的，请参阅图3b，利用第一掩膜版采用光刻和刻蚀工艺对钝化层205以及绝缘层202进行图案化，以暴露出金属连接线203以及金属焊盘206的上表面。其中，金属叉指电极层204的侧壁包覆的钝化层205的厚度优选为200埃～1500埃，其上表面包覆的钝化层205的厚度为200埃～10000埃。本实施例中，金属叉指电极层204的侧壁包覆的钝化层205的厚度为700埃，其上表面包覆的钝化层205的厚度2000埃。
步骤S03，在金属叉指电极层204之间以及钝化层205上表面形成湿敏材料层207，完成MEMS湿度传感器的制备。
具体的，请参阅图3c，采用化学气相沉积工艺或旋涂工艺形成湿敏材料层207，湿敏材料层207的厚度为500nm～10μm，湿敏材料层207为有机聚合物或多孔介质材料，本实施例中，湿敏材料层207为1.5um厚的聚聚酰亚胺，制备工艺为先旋涂聚酰亚胺前驱物，然后再利用第二掩模版通过光刻、显影图形化聚酰亚胺前驱物，以暴露出打线金属焊盘206的上表面，然后再经过热处理形成1.5um厚的聚酰亚胺薄膜，形成湿敏材料层207，完成湿度传感器制备。
综上所述，本发明提供了一种MEMS湿度传感器的制造方法，在湿度传感器的制备过程中仅需要两张掩膜版，第一张掩膜版用于对钝化层以及绝缘层进行图案化，第二张掩膜版用于对湿敏材料层进行图案化，即可完成湿度传感器的制备，相比现有的叉指电极型湿度传感器制造工艺，本发明无需额外增加传感器制造成本，制造工艺简单，降低了生产成本，且制备方法与传统的CMOS工艺完全兼容。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01，提供一具有绝缘层的衬底，在所述绝缘层内形成金属连接线，所述绝缘层的上表面形成金属叉指电极层以及金属焊盘，所述金属叉指电极层以及金属焊盘的上表面覆盖有钝化层；所述金属叉指电极设置于相邻所述金属连接线之间区域的上方的钝化层中，与所述金属连接线不相对；
步骤S02，对所述钝化层以及绝缘层进行图案化，向下刻蚀对应于所述金属连接线上方的和所述金属焊盘上方的钝化层且保留所述金属叉指电极层上表面的和侧壁的钝化层、以及向下刻蚀对应于所述金属连接线上方的绝缘层，从而暴露出所述金属连接线以及金属焊盘的上表面，且所述钝化层包覆所述金属叉指电极层的上表面以及侧壁；
步骤S03，在所述金属叉指电极层之间以及钝化层上表面形成湿敏材料层，完成MEMS湿度传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S01中，所述金属叉指电极层包括金属叉指电极层的正电极板以及金属叉指电极层的负电极板，所述金属叉指电极层的正电极板以及金属叉指电极层的负电极板相互交错地设置在所述绝缘层上的同一水平面上。
3.根据权利要求1所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S02中，采用光刻和刻蚀工艺对所述钝化层以及绝缘层进行图案化，以暴露出所述金属连接线以及金属焊盘的上表面。
4.根据权利要求3所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述金属叉指电极层的侧壁包覆的钝化层的厚度为200埃～1500埃。
5.根据权利要求3所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述金属叉指电极层的上表面包覆的钝化层的厚度为200埃～10000埃。
6.根据权利要求1所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S03中，所述湿敏材料层形成后，对所述湿敏材料层进行热处理。
7.根据权利要求1所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S03中，采用化学气相沉积工艺或旋涂工艺形成所述湿敏材料层。
8.根据权利要求7所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述湿敏材料层的厚度为500nm～10μm。
9.根据权利要求7所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述湿敏材料层为有机聚合物或多孔介质材料。
10.根据权利要求9所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述湿敏材料层为聚酰亚胺。
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