CN105510404A - 一种快速响应的湿度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，公开了一种快速响应的湿度传感器及其制造方法，其包括衬底、金属叉指电极层以及湿敏材料层，湿敏材料层分布于金属叉指电极层之间以及上表面，湿敏材料层上具有至少一个用于增大湿敏材料层表面积的凹槽。本发明通过在现有叉指电极型湿度传感器制造工艺中去除部分湿敏材料，在湿敏材料层中形成单个或多个凹槽，从而暴露更多的湿敏材料的表面积于待测环境中，可以有效缩短水分子的运动路径，进而提高湿度传感器响应速度；本发明无需额外增加传感器制造成本，制造工艺简单，显著改善了湿度传感器性能，且制备方法与传统的CMOS工艺完全兼容。

Description

一种快速响应的湿度传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，涉及一种快速响应的湿度传感器及其制造方法。

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1，图1是现有技术中的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层103(包括正、负电极板的叉指电极)，以及填充于金属叉指电极层103之间并将其覆盖的湿敏材料层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仅为湿敏材料层的上表面。当环境湿度发生变化时，水分子只能经由湿敏材料层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

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工艺兼容的快速响应的湿度传感器及其制造方法，以解决现有技术中湿度传感器响应速度慢的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种快速响应的湿度传感器，所述湿度传感器包括：

衬底，所述衬底的表面具有绝缘层,所述绝缘层中具有金属连接线；

金属叉指电极层，其位于所述绝缘层的上表面；

湿敏材料层，分布于所述金属叉指电极层之间以及上表面，所述湿敏材料层上具有至少一个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽。

优选的，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，所述金属叉指电极层以及绝缘层的上表面覆盖有用于隔离水汽的隔离介质层。

优选的，所述湿敏材料层上具有多个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽，所述凹槽分布于所述金属叉指电极层的上方。

优选的，所述绝缘层的上表面还具有用于后续封装打线用的金属焊盘。

本发明还提供一种制造快速响应的湿度传感器的方法，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；

步骤S02，在所述衬底上形成金属叉指电极层；

步骤S03，在所述金属叉指电极层上淀积湿敏材料层；

步骤S04，对所述湿敏材料层进行图案化，以使所述湿敏材料层表面形成至少一个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽。

优选的，所述步骤S02中，在所述衬底上形成金属叉指电极层后，在所述金属叉指电极层表面继续淀积一层用于隔离水汽的隔离介质层。

优选的，步骤S04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，所述湿敏材料层的厚度为500nm～10μm。

优选的，步骤S04中，所述湿敏材料层为有机聚合物或多孔介质材料。

优选的，采用光刻和刻蚀工艺对所述湿敏材料层进行图案化，以使所述湿敏材料层表面形成多个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽。

本发明提供了一种快速响应的湿度传感器及其制造方法，通过在现有叉指电极型湿度传感器制造工艺中去除部分湿敏材料，在湿敏材料层中形成单个或多个凹槽，从而暴露更多的湿敏材料的表面积于待测环境中，可以有效缩短水分子的运动路径，进而提高湿度传感器响应速度；本发明无需额外增加传感器制造成本，制造工艺简单，显著改善了湿度传感器性能，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1为现有技术中的叉指电容型湿度传感器的结构示意图；

图2为本发明提出的快速响应的湿度传感器的制造方法的流程示意图；

图3a至图3f为本发明提出的形成快速响应的湿度传感器的工艺步骤的示意图。

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快速响应的湿度传感器及其制造方法进行详细说明。图2为本发明提出的快速响应的湿度传感器的制造方法的流程示意图；图3a至图3f为本发明提出的形成快速响应的湿度传感器的工艺步骤的示意图。

请参阅图3f，本发明提供了一种快速响应的湿度传感器包括：衬底301、金属叉指电极层304以及湿敏材料层309，其中，衬底301的表面具有绝缘层302，绝缘层302中具有金属连接线303，金属叉指电极层304位于绝缘层302的上表面，湿敏材料层309分布于金属叉指电极层304之间以及上表面，湿敏材料层309上具有至少一个用于增大湿敏材料层表面积的凹槽310，此外，本实施例中的绝缘层302的上表面还具有用于后续封装打线用的金属焊盘307。

具体的，本实施例中，金属叉指电极层304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302上的同一水平面上。

此外，本实施例中的湿敏材料层309上具有多个用于增大湿敏材料层表面积的凹槽310，凹槽310按预设间隔地均布于金属叉指电极层304的上方。

为了防止水汽对金属叉指电极层304进行侵蚀，金属叉指电极层304以及绝缘层302的上表面覆盖有用于隔离水汽的隔离介质层306。

本发明所公开的快速响应的湿度传感器可以通过许多方法制作，以下所述的是本法明所提出的制造如图2所示一个实施例的工艺流程。如图2所示，本发明实施例提供一种快速响应的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302的衬底301，绝缘层302中形成金属连接线303。

具体的，请参阅图3a，先在衬底301上完成CMOS处理电路芯片制造，然后继续在衬底上形成金属叉指电极层304以及钝化层305，完成CMOS工艺部分制备，作为湿度传感器的衬底。在完成CMOS部分制造后，即可采用与CMOS后道工艺兼容的工艺制备湿度传感器，即湿度传感器与CMOS电路采用单芯片集成，以提高芯片整体性能，降低成本。

具体的，本步骤中，金属连接线303分布于绝缘层302内，金属叉指电极层304分布于绝缘层302的上表面，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302上的同一水平面上，金属叉指电极层304的上表面覆盖有钝化层305。

步骤S02，在衬底301上形成金属叉指电极层304。

具体的，请参阅图3b，首先刻蚀钝化层305，露出金属叉指电极层304的上表面及侧面，接着刻蚀绝缘层302，并停止在金属连接线303的上表面。本实施例中，可采用干法等离子体刻蚀工艺刻蚀钝化层305，露出金属叉指电极层304的上表面及侧面，并继续刻蚀绝缘层302直至暴露出金属连接线303的上表面。

接着，请参阅图3c，在金属叉指电极层304的上表面及侧面以及金属连接线303的上表面淀积一隔离介质层306，用以隔绝水汽对金属叉指电极层304的侵蚀。本实施例中，隔离介质层306采用PECVD淀积1000埃的SiO₂，请参阅图3d，对隔离介质306进行刻蚀，以露出供后续封装打线用的金属焊盘307，完成湿度传感器叉指电极层制备。

步骤S03，在金属叉指电极层304上淀积湿敏材料层309。

具体的，请参阅图3e，淀积湿敏材料层309，使其填充于金属连接线303以及金属叉指电极层304之间及上面。

具体的，本步骤中，采用化学气相沉积工艺或旋涂工艺形成湿敏材料层309，湿敏材料层309的厚度优选为500nm～10μm，湿敏材料层309优选为有机聚合物或多孔介质材料。本实施例优先采用旋涂方法淀积湿敏材料层309，湿敏材料层309优选聚酰亚胺前驱物。

步骤S04，对湿敏材料层309进行图案化，以使湿敏材料层309表面形成至少一个用于增大湿敏材料层表面积的凹槽310。

具体的，请参阅图3f，本步骤中，采用光刻和刻蚀工艺对湿敏材料层309进行图案化，以使湿敏材料层309表面形成多个用于增大湿敏材料层表面积的凹槽310。本实施例中，可通过光刻、显影工艺图形化聚酰亚胺前驱物，然后再经过热处理形成1.5um厚的聚酰亚胺薄膜作为湿敏材料层309，湿敏材料层309之间形成多个凹槽310，能够缩短水分子运动路径，提高湿度传感器响应时间。

综上所述，本发明提供了一种快速响应的湿度传感器及其制造方法，通过在现有叉指电极型湿度传感器制造工艺中去除部分湿敏材料，在湿敏材料层中形成单个或多个凹槽，从而暴露更多的湿敏材料的表面积于待测环境中，可以有效缩短水分子的运动路径，进而提高湿度传感器响应速度；本发明无需额外增加传感器制造成本，制造工艺简单，显著改善了湿度传感器性能，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)

1.一种快速响应的湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括：

衬底，所述衬底的表面具有绝缘层,所述绝缘层中具有金属连接线；

金属叉指电极层，其位于所述绝缘层的上表面；

湿敏材料层，分布于所述金属叉指电极层之间以及上表面，所述湿敏材料层上具有至少一个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽。

2.根据权利要求1所述的快速响应的湿度传感器，其特征在于，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2所述的快速响应的湿度传感器，其特征在于，所述绝缘层的上表面以及金属叉指电极层的上表面以及侧壁覆盖有用于隔离水汽的隔离介质层。

4.根据权利要求2所述的快速响应的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料层上具有多个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽，所述凹槽按预设间隔地均布在所述金属叉指电极层的上方。

5.根据权利要求1～4任一所述的快速响应的湿度传感器，其特征在于，所述绝缘层的上表面还具有用于后续封装打线用的金属焊盘。

6.一种制造如权利要求1～5任一所述的快速响应的湿度传感器的方法，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；

步骤S02，在所述衬底上形成金属叉指电极层；

步骤S03，在所述金属叉指电极层上淀积湿敏材料层；

步骤S04，对所述湿敏材料层进行图案化，以使所述湿敏材料层表面形成至少一个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽。

7.根据权利要求6所述的快速响应的湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S02中，在所述衬底上形成金属叉指电极层后，在所述金属叉指电极层的上表面以及侧壁继续淀积一层用于隔离水汽的隔离介质层。

8.根据权利要求6所述的快速响应的湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S04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，所述湿敏材料层的厚度为500nm～10μm。

9.根据权利要求8所述的快速响应的湿度传感器的制造方法，其特征在于，步骤S04中，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6～9任一所述的快速响应的湿度传感器的制造方法，其特征在于，采用光刻和刻蚀工艺对所述湿敏材料层进行图案化，以使所述湿敏材料层表面形成多个用于增大所述湿敏材料层表面积的凹槽。