CN107827078A - 传感器的制造方法及由此方法制造的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器的制造方法，包括器件形成步骤；所述器件形成步骤包括气敏器件形成步骤；所述气敏器件形成步骤包括加热电阻形成步骤、气敏电阻形成步骤以及第一空腔形成步骤；所述气敏电阻形成步骤包括气敏电阻电极形成步骤、气敏层形成步骤。本发明还提供了一种传感器。本发明提供的传感器的制造方法所制成的气体传感器具有1)使用氧化硅作为牺牲层，可以在硅表面很浅的范围内形成空腔，使得在空腔上面的微型加热电阻得到很好的热绝缘；2)使用CMP(Chemical Mechanical polishing，化学机械抛光)工艺把牺牲层与硅表面磨平，使得加热电阻结构平整化，把由加热造成的热应力减低，结构更加可靠等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造方法，具体地，涉及一种传感器的制造方法及由此方法制造的传感器，尤其涉及一种气敏器件的制造方法及由此方法制造的气体传感器。
背景技术
环境的质量与人们的生活和工作舒适度，健康息息相关。近几年来，随着人们对环境的要求越来越高，人们希望能有简单可靠，价格便宜的方法和产品检测环境空气的质量，比如一氧化碳，可燃性气体，乙醇，二氧化氮等的不适或有毒气体在空气中的浓度。利用金属氧化物在高温下的气敏特性来测量气体种类和浓度是一种比较常用的方法。但是，此类传感器一般需要制造工艺复杂的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺，流程冗长，结构复杂，一致性和可靠性低。
传统的气体传感器是在一个硅空腔上面建造一个微型加热电阻以及气敏电阻，硅空腔通过刻蚀整个硅衬底来形成，此工艺与普通的半导体集成电路工艺不兼容，工艺复杂，成本较高。
用金属氧化物的气敏特性来检测气体种类和浓度的传感器已经被研究多时，相关的专利文献也有申请和授予。因为金属氧化物的气敏特性只有在较高的温度下才能表现出来，通常的气体传感器需要有加热功能和绝热功能。因此，一般气体传感器的结构比较复杂,具有以下两个缺点：为了使得气敏器件得到热隔离，需要使用MEMS工艺制作穿通硅衬底的硅空腔，工艺流程较复杂，并且与传统的集成电路工艺不兼容，结构稳定性和可靠性较差，成本较高。例如，申请号为CN201621076938.2的专利文献、申请号为CN201510083553.2的专利文献以及申请号为CN201410397034.9的专利文献等，都是基于MEMS的气体传感器的专利文献，且都是通过穿通硅衬底的硅空腔达到绝热功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种传感器的制造方法及由此方法制造的传感器。
根据本发明提供的一种传感器的制造方法，包括器件形成步骤；
所述器件形成步骤包括气敏器件形成步骤；
所述气敏器件形成步骤包括加热电阻形成步骤、气敏电阻形成步骤以及第一空腔形成步骤；
所述气敏电阻形成步骤包括气敏电阻电极形成步骤、气敏层形成步骤。
优选地，还包括积层步骤、层平整化步骤。
优选地，所述气敏电阻形成步骤还包括第二空腔形成步骤。
优选地，在积层步骤中：
在衬底上淀积第四介质层；
在层平整化步骤中：
将第一介质层和第四介质层磨平。
优选地，在加热电阻形成步骤中：
在第一介质层和第四介质层这两者上均淀积第二介质层；
在第二介质层上淀积第一金属层，并形成设定图形。
优选地，在气敏电阻电极形成步骤中：
在第一金属层上面淀积第三介质层；
在第三介质层上淀积第二金属层，并形成设定图形；
所述传感器的制造方法，还包括第一介质层形成步骤；
在第四介质层和第一空腔上形成第一介质层。
优选地，在气敏层形成步骤中：
在光刻胶以及第二金属层上均形成气敏层；
通过去除光刻胶能够将第一气敏层仅覆盖在第二金属层。
优选地，在第一空腔形成步骤中：
在第四介质层上形成第一空腔；
在第二空腔形成步骤中：
在第一空腔内形成第二空腔，并形成设定图形；
将第二空腔的设定图形下方的第一介质层、第二介质层以及第三介质层这三者去除；
通过第二空腔的设定图形，将位于第一空腔内并位于第一金属层和第二金属层下方的第一介质层去除，能够使第一空腔连通。
优选地，所述气敏层形成步骤包括器件固化步骤；
在器件固化步骤中：
所述气敏电阻形成步骤中的气敏电阻通过设定温度和设定时间，使气敏电阻固化；
所述第一介质层的厚度大于第一空腔的厚度。
一种传感器，所述传感器是利用上述的传感器的制造方法制成的传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种具有新颖结构的气体传感器的工艺制造流程和方法。
2、本发明提供的传感器的制造方法制成的气体传感器具有几个特点:1)使用氧化硅作为牺牲层，可以在硅表面很浅的范围内形成空腔，使得在空腔上面的微型加热电阻得到很好的热绝缘；2)使用CMP(Chemical Mechanical polishing，化学机械抛光)工艺把牺牲层与硅表面磨平，使得加热电阻结构平整化，把由加热造成的热应力减低，结构更加可靠；3)在平整的该牺牲层上面建造的金属薄膜加热电阻层和气敏电阻金属电极；4)当牺牲层氧化硅被释放后，微型加热电阻和气敏金属氧化物结构在纵向与硅衬底被空气形成热隔离，5)整个流程使用与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)完全兼容的工艺技术，不需要特殊的MEMS工艺，结构简单可靠，可以与其他集成电路集成在一个芯片上，降低成本。
3、本发明提供的感应器的制造方法和其他硅空腔的MEMS气体传感器比较，由于不需要刻蚀全部硅衬底，使得工艺简单，可以降低成本，同时也提高器件的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明步骤2至5完成以后的沿X方向的平面示意图。
图2为本发明步骤2完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图3为本发明步骤3完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图4为本发明步骤4完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图5为本发明步骤5完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图6为本发明步骤7、8完成以后的沿X方向的平面结构示意图。
图7为本发明步骤7完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图8为本发明步骤8完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图9为本发明步骤10完成以后的沿X方向的平面结构示意图
图10为本发明步骤10完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图11为本发明步骤12、13完成以后的平面结构示意图。
图12为本发明步骤12完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图13为本发明步骤13完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图14为本发明步骤15完成以后的剖面结构示意图。
图15为本发明步骤16完成以后的沿X方向的平面结构示意图。
图16为本发明步骤16完成以后的沿X方向的剖面结构示意图。
图17为本发明步骤17完成以后的沿Y方向的平面结构示意图。
图18为本发明步骤17完成以后的沿Y方向的剖面结构示意图。
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种传感器的制造方法，包括器件形成步骤；所述器件形成步骤包括气敏器件形成步骤；所述气敏器件形成步骤包括加热电阻形成步骤、气敏电阻形成步骤以及第一空腔形成步骤；所述气敏电阻形成步骤包括气敏电阻电极形成步骤、气敏层形成步骤。
本发明提供的传感器的制造方法，还包括积层步骤、层平整化步骤。
所述气敏电阻形成步骤还包括第二空腔形成步骤。
在积层步骤中：在衬底1上淀积第四介质层12；在层平整化步骤中：将第一介质层2和第四介质层12磨平或者将第四介质层12磨平至衬底1，并使第一介质层2的高度与衬底1的高度平齐。
在加热电阻形成步骤中：在第一介质层2和第四介质层12这两者上均淀积第二介质层3；在第二介质层3上淀积第一金属层4，并形成设定图形。
在气敏电阻电极形成步骤中：在第一金属层4上淀积第三介质层5；在第三介质层5上淀积第二金属层6，并形成设定图形；所述传感器的制造方法，还包括第一介质层2形成步骤；在第四介质层12和第一空腔7上形成第一介质层2。
在气敏层形成步骤中：在光刻胶13以及第二金属层6上均形成气敏层8；通过去除光刻胶13能够将气敏层8仅覆盖在第二金属层6。
在第一空腔形成步骤中：在第四介质层12上形成第一空腔7；在第二空腔形成步骤中：在第一空腔7内形成第二空腔9，并形成设定图形；将第二空腔9的设定图形下方的第一介质层2、第二介质层3以及第三介质层5这三者去除；通过第二空腔9的设定图形，将位于第一空腔7内并位于第一金属层4和第二金属层6下方的第一介质层2去除，从而使第一空腔7连通。
所述气敏层形成步骤包括器件固化步骤；在器件固化步骤中：所述气敏电阻形成步骤中的气敏电阻通过设定温度和设定时间，使气敏电阻固化；所述第二介质层2的厚度大于第一空腔7的厚度，使得层平整化成为可能。
本发明还提供了一种传感器，所述传感器是利用上述的传感器的制造方法制成的传感器。
所述衬底1优选的为硅衬底；所述第一介质层2优选的为第一氧化硅层；所述第一氧化硅层为牺牲层；所述第二介质层3优选的为第二氮化硅层；所述第一金属层4，即，第一金属薄膜层；所述第三介质层5优选的为第三氮化硅层；所述第二金属层6，即，第二金属薄膜层；所述气敏层8优选的为金属氧化物气敏层，所述气敏层图形10优选的为采用了剥离(Lift-off)制备方法制成的金属氧化物气敏层的图形；上述提到的图形为本领域技术人员公知的mask,第四介质层12优选的为第一氮化硅层；需要说明的是第一氮化硅层、第二氮化硅层等只是为了区别氮化硅层之间的所在位置而命名的，并不构成对本发明的限制，其他层同理。所述光刻胶13为第五次光刻的光刻胶。优选地，所述第一空腔7是位于加热电阻下面的为少于2微米深的微型结构,作为加热电阻的良好隔热层；所述气敏电阻是在加热电阻上面的气敏层8。
下面对本发明提供的传感器的制造方法的主要步骤进行具体描述，需要说明的是，下述提到的制备方法仅为本发明的其中一种实施例，并不能构成对本发明的限制：
步骤1：在硅衬底上淀积第一氮化硅层；硅衬底的尺寸优选为4英寸、6英寸、8英寸以及12英寸等，所述硅衬底可以为P型或N型。第一氮化硅层的材料优选的可使用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition等离子体增强化学气相沉积法)或LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition低压力化学气相沉积法)的方法制备，厚度的范围优选为在0.1微米至2.0微米之间。
步骤2：如图1、图2所示，在第一氮化硅层上做第一次光刻和干法刻蚀，得到牺牲氧化层空腔图形，即，第一空腔的图形。此刻蚀可以停在硅衬底，也可以刻入硅衬底，总深度的范围优选的在0.2微米至2.0微米之间。
步骤3：如图1、图3所示，淀积第一氧化硅层，优选的可以使用PECVD、SACVD(SubAtmosphere Chemical Vapor Deposition准大气压化学气相沉积法)以及APCVD(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition大气压化学气相沉积法)等方法，厚度的范围优选的在0.1微米至3.0微米之间，所述第一氧化硅层的厚度必须大于第一空腔图形的深度。
步骤4：如图1、图4所示，做氧化硅CMP(Chemical-Mechanical Polishing，化学机械平坦化)平整化，制备方法停止在氮化硅表面，或硅表面。
步骤5：如图1、图5所示，淀积第二氮化硅层。第二氮化硅层的材料优选的，可以使用PECVD或LPCVD的方法制造，厚度的范围优选的为在0.1微米至2.0微米之间。
步骤6：用PVD(Physical Vapor Deposition物理气相沉积法)制备方法淀积第一金属薄膜层，所述第一金属薄膜层的材料优选的为钛钨合金、氮化钛或其他耐镕金属，厚度的范围优选的在0.1微米至2.0微米之间。
步骤7：如图6、图7所示，做第二次光刻和干法刻蚀，得到第一金属薄膜层的图形，作为传感器的加热电阻。
步骤8：如图6、图8所示，淀积第三氮化硅层。第三氮化硅层的材料优选的为使用PECVD或LPCVD的方法制造，厚度的范围在0.1微米至2.0微米之间。
步骤9：用PVD制备方法淀积第二金属薄膜，所述第二金属薄膜材料优选的可以是钛钨合金、氮化钛或其他耐镕金属，厚度的范围优选的在0.1微米至2.0微米之间。
步骤10：做第三次光刻和干法刻蚀，得到第二金属薄膜层的图形，作为传感器的气敏电阻的两端电极。见图七。
步骤11：做第四次光刻得到空腔刻蚀图形，即，第二空腔的图形。
步骤12：如图9、图10所示，做干法刻蚀将空腔刻蚀图形下面的第二氮化硅,第三氮化硅和第一氧化硅层全部刻蚀掉。
步骤13：如图11、图13所示，用湿法刻蚀,通过空腔刻蚀图形将第一空腔的图形里面的，在第一金属层4和第二金属层6下面的第一氧化层全部刻蚀掉，形成空腔。
步骤14：做第五次光刻得到气敏材料图形，保留第五次的光刻胶，即光刻胶13。
步骤15：如图14所示，用PVD的方法淀积气敏金属氧化物薄膜，具体地说，气敏层8的厚度的范围优选的在100纳米至800纳米之间，所述气敏层8的材料优选的可以是SnO2，ZnO，TiO2等气敏物质，或优选地经过Fe,Zn,Pt,Pd等元素参杂的此类气敏物质。
步骤16：如图15、图16所示，使用Lift-off制备方法，用溶剂把光刻胶去除，留下来的气敏金属氧化物薄膜，具体地说，气敏层8覆盖第二金属层6。
步骤17：如图17、图18所示，在一定的温度下做真空或氮气气氛烘烤，使金属氧化物结晶形成所需稳定特性的气敏电阻。烘烤温度的范围优选的在300℃至700℃之间，时间的范围优选的为10分钟至8小时之间。至此，新型的气体传感器结构形成。
本发明还提供了一个新颖结构的气体传感器，其工作原理是：第一氧化硅薄膜层，即，第一介质层2作为牺牲层，先通过使用CMP制备方法将牺牲层与非牺牲层平整化；然后把作为加热电阻的第一金属层4和作为气敏电阻电极的第二金属层6淀积在该牺牲层的上面；最后通过底部横向刻蚀将牺牲层去除，进而在加热电阻和气敏电阻的下面形成空腔，提供纵向的热绝缘。本发明比较其他硅空腔的MEMS气体传感器，由于不需要刻蚀全部硅衬底，使得工艺简单，可以降低成本，同时也提高器件的可靠性。
需要说明的是，上述提到的步骤中所用的工艺如PVD的方法，并不构成对本发明的限制，还可以采用CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积方法)等方法均在本发明的保护范围内；附图中的各层形状仅为本发明的其中一种实施例，本发明的层还可以为其他形状，均为本发明的多种实施例；上述中所有的提到的制备方法均为本发明的一种实施例，但并不构成对本发明的限制，例如使用MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相淀积)等本领域使用的制备方法均在本发明的保护范围内。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种传感器的制造方法，其特征在于，包括器件形成步骤；
所述器件形成步骤包括气敏器件形成步骤；
所述气敏器件形成步骤包括加热电阻形成步骤、气敏电阻形成步骤以及第一空腔形成步骤；
所述气敏电阻形成步骤包括气敏电阻电极形成步骤、气敏层形成步骤。
2.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，还包括积层步骤、层平整化步骤。
3.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述气敏电阻形成步骤还包括第二空腔形成步骤。
4.根据权利要求2所述的传感器的制造方法，其特征在于，在积层步骤中：
在衬底(1)上淀积第四介质层(12)；
在层平整化步骤中：
将第一介质层(2)和第四介质层(12)磨平。
5.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，在加热电阻形成步骤中：
在第一介质层(2)和第四介质层(12)这两者上均淀积第二介质层(3)；
在第二介质层(3)上淀积第一金属层(4)，并形成设定图形。
6.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，在气敏电阻电极形成步骤中：
在第一金属层(4)上淀积第三介质层(5)；
在第三介质层(5)上淀积第二金属层(6)，并形成设定图形；
所述传感器的制造方法，还包括第一介质层(2)形成步骤；
在第四介质层(12)和第一空腔(7)上形成第一介质层(2)。
7.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，在气敏层形成步骤中：
光刻胶(13)以及第二金属层(6)上均形成气敏层(8)；
通过去除光刻胶(13)能够将气敏层(8)仅覆盖在第二金属层(6)。
8.根据权利要求1或3所述的传感器的制造方法，其特征在于，在第一空腔形成步骤中：
在第四介质层(12)上形成第一空腔(7)；
在第二空腔形成步骤中：
在第一空腔(7)内上形成第二空腔(9)，并形成设定图形；
将第二空腔(9)的设定图形下方的第一介质层(2)、第二介质层(3)以及第三介质层(5)这三者去除；
通过第二空腔(9)的设定图形，将位于第一空腔(7)内并位于第一金属层(4)和第二金属层(6)下方的第一介质层(2)去除，能够使第一空腔(7)连通。
9.根据权利要求1或6所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述气敏层形成步骤包括器件固化步骤；
在器件固化步骤中：
所述气敏电阻形成步骤中的气敏电阻通过设定温度和设定时间，使气敏电阻固化；
所述第一介质层(2)的厚度大于第一空腔(7)的厚度；
所述第一空腔7为微型结构。
10.一种传感器，其特征在于，所述传感器是利用权利要求1至9中任一项所述的传感器的制造方法制成的传感器。
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