CN107463867B - 传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的传感器及其制备方法，包括：提供第一半导体衬底，在第一半导体衬底中形成多个第一离子注入区构成的第一离子注入区阵列和位于第一离子注入区上的凹槽构成的凹槽阵列；在第一半导体衬底上形成感应层，感应层覆盖凹槽，感应层暴露出凹槽外围的部分第一半导体衬底，感应层对应于凹槽上方的部分为第二离子注入区，感应层对应于凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，第一离子注入区形成传感器的下电极，凹槽形成感应腔，第二离子注入区形成传感器的上电极；在暴露出的第一半导体衬底上形成第一电极，在突出部一侧的感应层上形成第二电极，在剩余第一半导体衬底及剩余感应层上形成介质层。本发明的传感器制备方法简单、成本低。

Description

传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种传感器及其制备方法。

背景技术

随着终端产品的智能化程度不断提高，各种传感器芯片层出不穷。传感芯片扩展了智能手机、平板电脑等产品的应用领域，例如，指纹识别芯片的出现就大大提高了上述产品的安全性。目前典型的指纹识别传感器芯片，包括半导体芯片，其上形成有用于感测的传感器元件阵列作为感应区域，其最大的特征在于其芯片表面的感应区域与用户手指发生作用，产生芯片可以感测的电信号。电容式指纹传感器是通过测量指纹谷线、脊线与平面传感电极阵列单元之间形成的耦合电容的大小差异来对指纹成像。现有技术中的指纹传感器的工艺复杂，单位面积上的传感器元件多，需采用高端的芯片设计技术、大规模集成电路制造技术以及芯片封装技术等，技术难度较大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种传感器及其制备方法，解决现有技术中工艺复杂、技术难度大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种传感器的制备方法，包括：

提供一第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底中形成多个第一离子注入区构成的第一离子注入区阵列和位于所述第一离子注入区上的凹槽构成的凹槽阵列，所述第一离子注入区与所述凹槽一一对应；

在所述第一半导体衬底上形成一感应层，所述感应层覆盖所述凹槽，使凹槽位置形成封闭的空腔，并且所述感应层暴露出所述凹槽外围的部分所述第一半导体衬底，所述感应层对应于凹槽上方的部分为第二离子注入区，且所述感应层对应于所述凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，在所述第一离子注入区形成传感器的下电极，所述凹槽形成感应腔，在所述第二离子注入区形成传感器的上电极；

在暴露出的所述第一半导体衬底上形成第一电极，在所述突出部一侧的所述感应层上形成第二电极，且在剩余的所述第一半导体衬底以及剩余的所述感应层上形成介质层。

可选的，所述凹槽的深度为50nm～500nm，宽度为50nm～500nm。

可选的，所述第一离子注入区为硼离子注入区或磷离子注入区。

可选的，形成所述感应层的具体步骤包括：

提供一第二半导体衬底，对部分所述第二半导体衬底的正面进行离子注入，形成多个所述第二离子注入区构成的第二离子注入区阵列；

将所述第二半导体衬底的正面面向所述凹槽与所述第一半导体衬底进行键合，且所述第二离子注入区与所述第一离子注入区一一对应；

背面减薄所述第二半导体衬底；

刻蚀所述第二半导体衬底，暴露出所述凹槽两侧的部分所述第一半导体衬底，且在所述凹槽的上方形成所述突出部，剩余的所述第二半导体衬底形成所述感应层。

可选的，所述第二离子注入区为硼离子注入区或磷离子注入区。

可选的，背面减薄所述第二半导体衬底之后，形成所述突出部的步骤包括：在所述第二半导体衬底上形成图案化的光阻；刻蚀所述第二半导体衬底以及所述图案化的光阻，覆盖所述图案化的光阻的所述第二半导体衬底形成所述突出部。

可选的，所述突出部的高度为50nm～500nm，宽度为50nm～500nm。

可选的，形成所述第一电极和所述第二电极的具体步骤包括：

在暴露出的所述第一半导体衬底上形成一第一焊垫，在所述突出部一侧的所述感应层上形成一第二焊垫；

形成介质层，所述介质层覆盖所述第一焊垫、所述第二焊垫、剩余的所述第一半导体衬底以及所述感应层；

刻蚀所述介质层，暴露出所述第一焊垫以及所述第二焊垫；

在所述第一焊垫上形成第一引出电极，在所述第二焊垫上形成所述第二引出电极，所述第一焊垫与所述第一引出电极形成所述第一电极，所述第二焊垫与所述第二引出电极形成所述第二电极。

可选的，所述第一半导体衬底中形成阵列的所述第一离子注入区以及位于所述第一离子注入区上的阵列的所述凹槽，所述感应层中具有与阵列的所述凹槽相对应的阵列的所述突出部。

相应的，本发明还提供一种传感器，其特征在于，包括：

第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底中的多个第一离子注入区构成的第一离子注入区阵列和位于所述第一离子注入区上的凹槽构成的凹槽阵列，所述第一离子注入区与所述凹槽一一对应；

位于所述第一半导体衬底上的感应层，所述感应层覆盖所述凹槽，使凹槽位置形成封闭的空腔，并且所述感应层暴露出所述凹槽外围的部分所述第一半导体衬底，所述感应层对应于凹槽上方的部分为第二离子注入区，且所述感应层对应于所述凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，在所述第一离子注入区形成传感器的下电极，所述凹槽形成感应腔，在所述第二离子注入区形成传感器的上电极；

位于暴露的所述第一半导体衬底上的第一电极；

位于所述突出部一侧的所述感应层上的第二电极；以及

覆盖剩余的所述第一半导体衬底以及剩余的所述感应层的介质层。

与现有技术相比，本发明提供的传感器的制备方法具有以下优点：

在所述第一半导体衬底中形成第一离子注入区和凹槽，在第一半导体衬底上形成感应层，所述感应层上形成一具有第二离子注入区的突出部，第一离子注入区作为传感器单元的下电极，凹槽作为感应腔，突出部中的第二离子注入区作为传感器单元的上电极，从而形成电容式的传感器，当指纹按压在传感器上时，感应腔产生形变，引起传感器的电容变化，从而检测指纹。本发明中传感器的制备方法简单，并降低了制备成本。

附图说明

图1为本发明一实施例中传感器制备方法的流程图；

图2为本发明一实施例中第一半导体衬底的结构示意图；

图3为本发明一实施例中第一半导体衬底与第二半导体衬底键合的结构示意图；

图4为本发明一实施例中形成传感器单元的结构示意图；

图5为本发明一实施例中形成第一焊垫和第二焊垫的结构示意图；

图6为本发明一实施例中形成介质层的结构示意图；

图7为本发明一实施例中第一引出电极和第二引出电极的结构示意图；

图8为本发明一实施例中形成传感器单元阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的传感器及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种传感器及其制备方法，在所述第一半导体衬底中形成第一离子注入区和凹槽，在第一半导体衬底上形成感应层，所述感应层上形成一具有第二离子注入区的突出部，第一离子注入区作为传感器单元的下电极，凹槽作为感应腔，突出部中的第二离子注入区作为传感器单元的上电极，从而形成电容式的传感器，当指纹按压在传感器上时，感应腔产生形变，引起传感器的电容变化，从而检测指纹。本发明中传感器的制备方法简单，并降低了制备成本。

根据上述核心思想，本发明提供的传感器制备方法的流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S11，提供一第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底中形成多个第一离子注入区构成的第一离子注入区阵列和位于所述第一离子注入区上的凹槽构成的凹槽阵列，所述第一离子注入区与所述凹槽一一对应；

步骤S12，在所述第一半导体衬底上形成一感应层，所述感应层覆盖所述凹槽，使凹槽位置形成封闭的空腔，并且所述感应层暴露出所述凹槽外围的部分所述第一半导体衬底，所述感应层对应于凹槽上方的部分为第二离子注入区，且所述感应层对应于所述凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，在所述第一离子注入区形成传感器的下电极，所述凹槽形成感应腔，在所述第二离子注入区形成传感器的上电极；

步骤S13，在暴露出的所述第一半导体衬底上形成第一电极，在所述突出部一侧的所述感应层上形成第二电极，且在剩余的所述第一半导体衬底以及剩余的所述感应层上形成介质层；

以下结合图2至图8，具体说明本发明的传感器的制备方法，图2至图7为本发明一实施例中传感器制备方法中各步骤的结构示意图，图8为本发明另一实施例中传感器单元阵列的结构示意图。

首先，参考图2中所示，执行步骤S11，提供一第一半导体衬底100，所述第一半导体衬底100可以为硅衬底、锗硅衬底或碳硅衬底。在部分所述第一半导体衬底100中形成多个第一离子注入区110构成的第一离子注入区阵列以及位于所述第一离子注入区110上的凹槽120构成的凹槽阵列，图2中仅以形成一个离子注入区和一个凹槽为例进行说明。其中，所述第一离子注入区110作为传感器的下电极，所述凹槽120作为传感器的感应腔。本实施例中，所述第一离子注入区110为硼离子注入区或磷离子注入区，离子注入的浓度为10¹⁵离子个数/cm³～10¹⁸离子个数/cm³，增加第一半导体衬底100的导电性，从而形成传感器的下电极，所述凹槽120的深度为50nm～500nm，宽度为50nm～500nm，例如，高度为100nm、200nm、300nm，宽度为100nm、200nm、300nm，当然，本发明中的凹槽的宽度和高度还可以为600nm、800nm等，此为根据实际传感器设计精度的要求进行的选择，本发明对此不做限制。

执行步骤S12，在所述第一半导体衬底100上形成一感应层，所述感应层覆盖所述凹槽120，使凹槽120位置形成封闭的空腔，并且所述感应层暴露出所述凹槽120外围的部分所述第一半导体衬底100，所述感应层对应于凹槽120上方的部分为第二离子注入区，且所述感应层对应于所述凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，在所述第一离子注入区形成传感器的下电极，所述凹槽形成感应腔，在所述第二离子注入区形成传感器的上电极。本发明中，在所述第一半导体衬底100上形成所述感应层的具体步骤包括如下子步骤：

参考图3中所示，执行子步骤S121，提供一第二半导体衬底200，所述第二半导体衬底200为可以为硅衬底、锗硅衬底或碳硅衬底。对部分所述第二半导体衬底200的正面进行离子注入，形成多个所述第二离子注入区210构成的第二离子注入区阵列，图3中仅以一个第二离子注入区210为例进行说明，本实施例中，所述第二离子注入区210为硼离子注入区或磷离子注入区，离子注入的浓度为10¹⁵离子个数/cm³～10¹⁸离子个数/cm³，增加第二半导体衬底200的导电性，从而形成传感器的上电极，

继续参考图3中所示，执行子步骤S122，将所述第二半导体衬底200的正面面向所述凹槽120与所述第一半导体衬底100进行键合，并且，所述第一离子注入区域110与第二离子注入区域210一一对应。

执行子步骤S123，背面减薄所述第二半导体衬底200，本实施例中，采用化学机械研磨工艺对所述第二半导体衬底200进行背面减薄，将所述第二半导体衬底200减薄至1000nm～2000nm，例如，1200nm、1500nm、1800nm。

参考图4中所示，执行子步骤S124，在所述第二半导体衬底200上形成图案化的光阻(图中未示出)，图案化的光阻位于部分所述凹槽120的上方，接着，采用等离子体工艺刻蚀所述第二半导体衬底200，暴露出所述凹槽120两侧的部分所述第一半导体衬底100，在刻蚀所述第二半导体衬底200的同时，所述图案化的光阻也被刻蚀，并且覆盖所述图案化的光阻的第二半导体衬底形成所述突出部220，所述突出部220位于所述凹槽120的上方，本发明中，剩余的所述第二半导体衬底200形成所述感应层230，第一离子注入区110作为传感器单元的下电极，凹槽120作为感应腔，突出部220中的第二离子注入区210作为传感器单元的上电极，从而形成电容式的传感器，当指纹按压在传感器上时，感应腔产生形变，引起传感器的电容变化，从而检测指纹。本实施例中，所述突出部220的高度为50nm～500nm，宽度为50nm～500nm，例如，突出部220的高度为100nm、200nm、300nm，宽度为100nm、200nm、300nm，当然，本发明中的突出部的宽度和高度还可以为600nm、800nm等、此为根据实际传感器设计精度的要求进行的选择，对此不做限制。

步骤S13，在暴露出的所述第一半导体衬底100上形成第一电极，在所述突出部一侧的所述感应层230上形成第二电极，且在剩余的所述第一半导体衬底100以及剩余的所述感应层230上形成介质层。本发明中，形成所述第一电极和所述第二电极的步骤具体包括如下子步骤：

参考图5中所示，执行步骤S131，在暴露出的所述第一半导体衬底100上形成一第一焊垫410，在所述突出部220一侧的所述感应层230上形成一第二焊垫420，所述第一焊垫410和所述第二焊垫420为金属铝、钛或其他金属结构。

参考图6中所示，执行步骤S132，形成介质层500，所述介质层500覆盖所述第一焊垫410、所述第二焊垫420、剩余的所述第一半导体衬底100以及所述感应层230，所述介质层500用于保护所述。本实施例中，所述介质层500为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种或其组合，所述介质层500的厚度为500nm～1000nm，例如，介质层500的厚度为600nm、800nm。

接着，参考图7中所示，执行步骤S133，刻蚀所述介质层500，暴露出所述第一焊垫410以及所述第二焊垫420。

最后，继续参考图7中所示，执行步骤S134，在所述第一焊垫410上形成第一引出电极610，在所述第二焊垫420上形成所述第二引出电极620，所述第一焊垫410和第一引出电极610,形成第一电极，所述第二焊垫420和所述第二引出电极620形成第二电极，所述第一电极用于将离子注入区域110(传感器的下电极)引出，第二电极用于将突出部220(传感器的上电极)引出。

此外，参考图8所示，在所述第一半导体衬底100中形成阵列的所述第一离子注入区以及位于第一离子注入区上的凹槽阵列，所述感应层中具有与阵列的所述凹槽相对应的阵列的所述突出部，阵列的所述第一离子注入区、阵列的所述凹槽以及阵列的所述第二离子注入区域，从而形成阵列的传感器单元300，每个传感器单元300的下电极和上电极分别通过第一电极和第二电极引出，并且，通过金属走线控制每一行和每一列的传感器单元300，例如，每一行的金属走线连接该行上的每个传感器单元300的第一电极，即连接每一列的金属走线连接该列上的每个传感器单元300的第二电极。当指纹按压的传感器单元阵列上时，指纹谷线、脊线与传感器单元阵列之间形成耦合电容，通过各个耦合电容的大小差异来对指纹成像。

相应的，参考图7和图8所示，本发明还提供一种传感器，传感器包括阵列分别的多个传感器单元300，传感器具体包括：

第一半导体衬底100，位于所述第一半导体衬底100中的第一离子注入区110阵列和位于所述第一离子注入区110上的凹槽120阵列，所述第一离子注入区110与所述凹槽120一一对应；

位于所述第一半导体衬底100上的感应层230，所述感应层230覆盖所述凹槽120，使凹槽120位置形成封闭的空腔，并且所述感应层230暴露出所述凹槽120外围的部分所述第一半导体衬底100，所述感应层230对应于凹槽120上方的部分为第二离子注入区210，且所述感应层230对应于所述凹槽120上方的部分具有背离第一半导体衬底100方向的突出部220，在所述第一离子注入区110形成传感器的下电极，所述凹槽120形成感应腔，在所述第二离子注入区210形成传感器的上电极；

位于暴露的所述第一半导体衬底100上的第一电极，第一电极包括第一焊垫410和第一引出电极610；

位于所述突出部220一侧的所述感应层230上的第二电极，第二电极包括第二焊垫420和第二引出电极620；以及

覆盖剩余的所述第一半导体衬底100以及剩余的所述感应层230的介质层500。

综上所述，本发明提供一种传感器及其制备方法，在所述第一半导体衬底中形成第一离子注入区和凹槽，在第一半导体衬底上形成感应层，所述感应层上形成一具有第二离子注入区的突出部，第一离子注入区作为传感器单元的下电极，凹槽作为感应腔，突出部中的第二离子注入区作为传感器单元的上电极，从而形成电容式的传感器，当指纹按压在传感器上时，感应腔产生形变，引起传感器的电容变化，从而检测指纹。本发明中传感器的制备方法简单，并降低了制备成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供一第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底中形成多个第一离子注入区构成的第一离子注入区阵列和位于所述第一离子注入区上的凹槽构成的凹槽阵列，所述第一离子注入区与所述凹槽一一对应；

在所述第一半导体衬底上形成一感应层，所述感应层覆盖所述凹槽，使凹槽位置形成封闭的空腔，并且所述感应层暴露出所述凹槽外围的部分所述第一半导体衬底，所述感应层对应于凹槽上方的部分为第二离子注入区，且所述感应层对应于所述凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，在所述第一离子注入区形成传感器的下电极，所述凹槽形成感应腔，在所述第二离子注入区形成传感器的上电极，所述感应层用于感应作用力而发生形变，以使所述感应腔的空间发生变化；

在暴露出的所述第一半导体衬底上形成第一电极，在所述突出部一侧的所述感应层上形成第二电极，且在剩余的所述第一半导体衬底以及剩余的所述感应层上形成介质层；

其中，所述感应层的形成方法包括：提供一第二半导体衬底，对部分所述第二半导体衬底的正面进行离子注入，形成多个所述第二离子注入区构成的第二离子注入区阵列；将所述第二半导体衬底的正面面向所述凹槽与所述第一半导体衬底进行键合，且所述第二离子注入区与所述第一离子注入区一一对应；背面减薄所述第二半导体衬底，并刻蚀所述第二半导体衬底，暴露出所述凹槽两侧的部分所述第一半导体衬底，且在所述凹槽的上方形成所述突出部，剩余的所述第二半导体衬底形成所述感应层。

2.如权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述凹槽的深度为50nm～500nm，宽度为50nm～500nm。

3.如权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述第一离子注入区为硼离子注入区或磷离子注入区。

4.如权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述第二离子注入区为硼离子注入区或磷离子注入区。

5.如权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，背面减薄所述第二半导体衬底之后，形成所述突出部的步骤包括：在所述第二半导体衬底上形成图案化的光阻；刻蚀所述第二半导体衬底以及所述图案化的光阻，覆盖所述图案化的光阻的所述第二半导体衬底形成所述突出部。

6.如权利要求5所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述突出部的高度为50nm～500nm，宽度为50nm～500nm。

7.如权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，形成所述第一电极和所述第二电极的具体步骤包括：

在暴露出的所述第一半导体衬底上形成一第一焊垫，在所述突出部一侧的所述感应层上形成一第二焊垫；

形成介质层，所述介质层覆盖所述第一焊垫、所述第二焊垫、剩余的所述第一半导体衬底以及所述感应层；

刻蚀所述介质层，暴露出所述第一焊垫以及所述第二焊垫；

在所述第一焊垫上形成第一引出电极，在所述第二焊垫上形成第二引出电极，所述第一焊垫与所述第一引出电极形成所述第一电极，所述第二焊垫与所述第二引出电极形成所述第二电极。

8.如权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述第一半导体衬底中形成阵列的所述第一离子注入区以及位于所述第一离子注入区上的阵列的所述凹槽，所述感应层中具有与阵列的所述凹槽相对应的阵列的所述突出部。

9.一种传感器，其特征在于，包括：

第一半导体衬底，位于所述第一半导体衬底中的多个第一离子注入区构成的第一离子注入区阵列和位于所述第一离子注入区上的凹槽构成的凹槽阵列，所述第一离子注入区与所述凹槽一一对应；

位于所述第一半导体衬底上的感应层，所述感应层覆盖所述凹槽，使凹槽位置形成封闭的空腔，并且所述感应层暴露出所述凹槽外围的部分所述第一半导体衬底，所述感应层对应于凹槽上方的部分为第二离子注入区，且所述感应层对应于所述凹槽上方的部分具有背离第一半导体衬底方向的突出部，在所述第一离子注入区形成传感器的下电极，所述凹槽形成感应腔，在所述第二离子注入区形成传感器的上电极，所述感应层用于感应作用力而发生形变，以使所述感应腔的空间发生变化；其中，所述感应层由一形成有第二离子注入区的第二半导体衬底形成，所述第二半导体衬底键合至所述第一半导体衬底，并对所述第二半导体衬底进行减薄和刻蚀以形成所述感应层；

位于暴露的所述第一半导体衬底上的第一电极；

位于所述突出部一侧的所述感应层上的第二电极；以及

覆盖剩余的所述第一半导体衬底以及剩余的所述感应层的介质层。

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