CN107941861B - 纳米级气敏传感器的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种纳米级气敏传感器的形成方法,包括:对第三气敏层进行回刻蚀,使得第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层环绕电隔离层;形成覆盖第一介质层、第二气敏层和第三气敏层的第三介质层;在第三介质层上形成掩膜,刻蚀第三介质层和第一介质层直至暴露出衬底;侧向刻蚀去除位于第一气敏层下方的第一介质层,使得第一气敏层悬空;形成开口;在开口内填充第四介质层;侧向回刻蚀第三介质层和第一介质层,露出第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层;形成环包第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层的第一导电层。本申请的形成方法与集成电路工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及纳米气敏领域,特别涉及一种纳米级气敏传感器的形成方法。
背景技术
由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性,因此其在电子材料、光学材料、催化、传感、陶瓷增韧等方面都有着广阔的应用前景。
但是,随着社会进步和科技发展,用户对传感器的要求也越来越高,现有的纳米气敏传感器的灵敏度已经无法满足需求,且现有的纳米传感器制造较落后,因此,亟待一种新型的纳米级气敏传感器和形成方法。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种与集成电路工艺兼容的纳米级气敏传感器的形成方法且纳米气敏传感器灵敏度高。
本发明提供一种纳米级气敏传感器的形成方法,包括:提供衬底;在所述衬底表面形成第一介质层;在所述第一介质层表面形成第一气敏层;在所述第一气敏层表面形成第二介质层;在所述第二介质层内形成暴露出第一气敏层的沟槽;在所述沟槽的底部和侧壁形成第一隔离层;在第一隔离层表面形成填充满沟槽且与第二介质层齐平的加热层;在加热层和第一隔离层表面形成第二隔离层,所述第一隔离层和第二隔离层构成环绕加热层的电隔离层;形成覆盖第二介质层和第二隔离层的第二气敏层;在第二气敏层表面形成第一光刻胶图形,所述第一光刻胶图形与电隔离层对应,以所述第一光刻胶图形为掩膜,刻蚀第二气敏层、第二介质层和第一气敏层,直至暴露出第一介质层;去除第一光刻胶图形;在第二气敏层和第一介质层上沉积第三气敏层;对第三气敏层进行回刻蚀,使得第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层环绕电隔离层;形成覆盖第一介质层、第二气敏层和第三气敏层的第三介质层;在第三介质层上形成掩膜,刻蚀第三介质层和第一介质层直至暴露出衬底;侧向刻蚀去除位于第一气敏层下方的第一介质层,使得第一气敏层悬空;沿加热层的长度方向回刻蚀部分长度的加热层,形成开口;在开口内填充第四介质层;侧向回刻蚀第三介质层和第一介质层,露出第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层;形成环包第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层的第一导电层;在第三介质层内形成暴露出加热层的通孔;在通孔侧壁形成阻挡层;在通孔内填充导电材料。
可选的,第一介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
可选的,所述第一气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
可选的,所述第二气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
可选的,所述第三气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
可选的,所述加热层的材料为多晶硅。
可选的,所述加热层的材料为多晶硅。
可选的,所述第二介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
可选的,所述第三介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
可选的,所述第四介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
与现有技术相比,本申请的纳米气敏传感器的形成方法与集成电路工艺兼容,且形成的纳米气敏传感器灵敏度高。
附图说明
图1至图21为本发明一实施例的纳米级气敏传感器的形成方法的过程示意图。
具体实施方式
现有的气敏传感器的灵敏度较低,无法满足日益增长的需求。另外现有的纳米级传感器制造步骤繁杂,制造成本高。
为此,本发明的发明人提出一种优化的纳米级气敏传感器的形成方法,形成的纳米级气敏传感器悬空于衬底表面上,具有较多暴露的表面积,灵敏度高。并且形成工艺与集成电路工艺兼容。
下面结合具体实施例对纳米级气敏传感器的形成方法进行详细描述。
请参考图1,提供衬底100。
所述衬底100为后续工艺的工作平台。所述衬底100的材料选自单晶硅、多晶硅、非晶硅、或玻璃衬底;所述衬底100也可以选择硅、锗、砷化镓或者硅锗化合物;所述衬底100还可以选择具有外延层或外延层上硅结构;所述衬底100还可以是其他半导体材料,本领域的技术人员可以根据工艺需要合理选择衬底的类型、材料和种类,在此特意申明,不应过分限制本发明的保护范围。
在一些实施例中,所述衬底100的厚度为500纳米至5微米。
请参考图2,在所述衬底100表面形成第一介质层110。
所述第一介质层110为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。所述第一介质层110作为牺牲层,后续选择性去除以使得第一气敏单元悬空。所述第一介质层110的厚度可以为100纳米至500纳米。所述第一介质层110的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图3,在所述第一介质层110的表面形成第一气敏层120。
所述第一气敏层120的材料可以为氧化钛、氧化锡或氧化锌。所述第一气敏层120的厚度为50纳米至1000纳米。所述第一气敏层120后续用于形成气敏单元。所述第一气敏层120的形成工艺可以为化学气相沉积或者水热反应工艺。
请参考图4,在所述第一气敏层120表面形成第二介质层130。
所述第二介质层130材料为氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。所述第二介质层130用于为后续形成的加热层提供工作平台。所述第二介质层130的厚度可以为500纳米至2500纳米。所述第二介质层130的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图5,在所述第二介质层130内形成暴露出所述第一气敏层120的沟槽。
在一些实施例中,所述沟槽为长条状。
在一些实施例中,所述沟槽可以采用光刻工艺形成。具体步骤包括:在所述第二介质层130表面形成光刻胶;对所述光刻胶进行曝光显影,形成光刻胶图形,所述光刻胶图形与待形成的沟槽对应;以所述光刻胶图形为掩膜,采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第二介质层130直至暴露出所述第一气敏层120。具体刻蚀工艺包括:选用等离子体型刻蚀设备,刻蚀设备腔体压力为20毫托至75毫托,顶部射频功率为150瓦至600瓦,底部射频功率为100瓦至400瓦,C4F8流量为每分钟50标准立方厘米(10SCCM)至每分钟100标准立方厘米,CO流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米,Ar流量为每分钟300标准立方厘米至每分钟600标准立方厘米,O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米;最后采用灰化工艺去除光刻胶图形。
请参考图6,在所述沟槽的底部和侧壁形成第一隔离层131。
所述第一隔离层131用于电学隔离后续形成的加热层。所述第一隔离层131的材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
在一些实施例中,所述第一隔离层131的形成步骤包括:采用化学气相沉积工艺在所述沟槽的底部和侧壁以及所述第二介质层130表面形成一层介质层,然后采用化学机械抛光工艺去除所述第二介质层130表面的介质层。
在另一些实施例中,所述第一隔离层131可以与加热层的形成工艺整合;具体包括:采用化学气相沉积工艺在所述沟槽的底部和侧壁以及所述第二介质层130表面形成一层介质层;在所述介质层表面填充加热层材料;采用化学机械抛光工艺对所述加热层材料和介质层进行平坦化,直至暴露出所述第二介质层130。
请参考图7,在第一隔离层131表面形成填充满沟槽且与第二介质层130齐平的加热层132。
所述加热层132用以对气敏材料进行加温,从而提高气敏传感器的灵敏度。
所述加热层132的材料为多晶硅。所述加热层132的形成工艺为化学气相沉积工艺。
为了节约工艺步骤,所述加热层132可以与所述第一隔离层131的形成进行整合,具体请参考第一隔离层131的形成步骤,在此不再赘述。
请参考图8,在加热层132和第一隔离层131表面形成第二隔离层133,所述第一隔离层131和第二隔离层133构成环绕加热层的电隔离层。
所述第二隔离层133的材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。所述第二隔离层133的形成工艺为化学气相沉积和光刻工艺。具体包括:在所述第二介质层130表面采用化学气相沉积工艺沉积一层第二隔离层材料且所述第二隔离层材料覆盖加热层132和第一隔离层131,对所述第二隔离层材料进行光刻,去除位于所述第二介质层130表面的第二隔离层材料,形成第二隔离层133。
请参考图9,形成覆盖第二介质层130和第二隔离层133的第二气敏层140。
所述第二气敏层140的材料可以为氧化钛、氧化锡或氧化锌。所述第二气敏层140的厚度为100纳米至1500纳米。所述第二气敏层140后续用于形成气敏单元。所述第二气敏层140的形成工艺可以为化学气相沉积或者水热反应工艺。
请参考图10,在第二气敏层140表面形成第一光刻胶图形(未示出),所述第一光刻胶图形与电隔离层对应,以所述第一光刻胶图形为掩膜,刻蚀第二气敏层140、第二介质层130和第一气敏层120,直至暴露出第一介质层110。
所述刻蚀为等离子体刻蚀工艺,刻蚀完成后,采用灰化工艺去除第一光刻胶图形。
请参考图11,在所述第二气敏层140和第一介质层110上沉积第三气敏层150。
所述第三气敏层150的材料可以为氧化钛、氧化锡或氧化锌。所述第三气敏层150的厚度为50纳米至1000纳米。所述第三气敏层150后续用于形成气敏单元。所述第三气敏层150的形成工艺可以为化学气相沉积或者水热反应工艺。
请参考图12,对第三气敏层150进行回刻蚀,使得第一气敏层120、第二气敏层140和第三气敏层150环绕电隔离层。
所述回刻蚀工艺为等离子体刻蚀工艺,具体包括:选用等离子体刻蚀设备,刻蚀设备腔体压力为30毫托至50毫托,顶部射频功率为350瓦至500瓦,底部射频功率为250瓦至300瓦,C4F8流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米,CF4流量为每分钟5标准立方厘米至每分钟10标准立方厘米,CO流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米,Ar流量为每分钟300标准立方厘米至每分钟600标准立方厘米,O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米,HBr流量为每分钟5标准立方厘米至每分钟10标准立方厘米。
请参考图13,形成覆盖第一介质层110、第二气敏层140和第三气敏层150的第三介质层160。
所述第三介质层160为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。所述第三介质层160的厚度可以为500纳米至1000纳米。所述第三介质层160的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图14a和图14b,图14a为器件的俯视图,图14b为沿图14a中AA线的剖面图。
在所述第三介质层160上形成掩膜,刻蚀第三介质层160和第一介质层110直至暴露出衬底100。所述刻蚀采用等离子体刻蚀工艺。
然后沿侧面暴露出的第一介质层110进行侧向刻蚀,从而去除位于第一气敏层120下方的第一介质层110,使得第一气敏层120悬空。
在一些实施例中,所述侧向刻蚀可以采用湿法刻蚀工艺,采用第一介质层110的选择性刻蚀去除工艺,去除位于第一气敏层120下方的第一介质层110。
在一些实施例中,所述侧向刻蚀可以采用等离子体侧向刻蚀工艺,去除位于第一气敏层120下方的第一介质层110。
请参考图15a和图15b,图15a为器件的俯视图,图15b为沿图15a中BB线的剖面图。沿加热层132的长度方向回刻蚀部分长度的加热层132,形成开口134。
所述回刻蚀工艺为等离子体刻蚀工艺,回刻蚀长度可以为30纳米至50纳米。
回刻蚀部分长度的加热层132,从而能够使得采用全包围工艺形成与气敏层接触的导电结构,提高器件性能。
请参考图16a和图16b,图16a为器件的俯视图,图16b为沿图16a中BB线的剖面图。在开口134内填充第四介质层135。
所述第四介质层135用于电学隔离加热层和后续形成的第一导电层。
所述第四介质层135可以采用选择性沉积工艺,通过调整沉积工艺的气压和沉积气体,使得在开口内134内的沉积速率较大,从而能够在开口134内填充第四介质层135。具体工艺包括:反应温度为300摄氏度至400摄氏度,腔室压力为3.7托至4.2托,反应间距为5毫米至8毫米,功率为200瓦至240瓦,四乙氧基硅烷流量为每分钟300标准立方厘米至每分钟400标准立方厘米,氨气流量为每分钟650标准立方厘米至每分钟750标准立方厘米,氦气流量为每分钟800标准立方厘米至每分钟1200标准立方厘米,八甲基环化四硅氧烷流量为每分钟2000标准立方厘米至每分钟4000标准立方厘米。并且在沉积的工艺同时,选择性的通入刻蚀气体,以将沉积速率较低位置的沉积物去除,所述刻蚀气体可以为流量为每分钟5标准立方厘米至每分钟10标准立方厘米的CF4,流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米的CO,流量为每分钟300标准立方厘米至每分钟600标准立方厘米的Ar混合气体。
请参考图17a和图17b,图17a为器件的俯视图,图17b为沿图17a中BB线的剖面图。侧向回刻蚀第三介质层160和第一介质层110,露出第一气敏层120、第二气敏层140和第三气敏层150。
所述回刻蚀为等离子体刻蚀工艺。
请参考图18a和图18b,图18a为器件的俯视图,图18b为沿图18a中BB线的剖面图。形成环包第一气敏层120、第二气敏层140和第三气敏层150的第一导电层170。
需要说明的是,在采用物理气相沉积工艺之前,采用光刻胶将悬空暴露出的第一气敏层120、第二气敏层140和第三气敏层150保护起来。然后采用物理气相沉积工艺,沉积导电材料,例如铝、铜、钽、钛、钨等。
需要说明的是,由于之前采用回刻蚀工艺将端部的气敏层全部暴露出来,所述第一导电层170可以将气敏层的端部包围起来,提高了电学性能。
请参考图19a和图19b,图19a为器件的俯视图,图19b为沿图19a中BB线的剖面图。在第三介质层160内形成暴露出加热层132的通孔161。
所述通孔161的形成工艺为光刻工艺;具体包括:在所述第三介质层160表面形成与通孔161对应的光刻胶图形,以所述光刻胶图形为掩膜,刻蚀所述第三介质层160、第二气敏层140和第二隔离层133,从而形成通孔161。
请参考图20,在通孔161侧壁形成阻挡层162。
所述阻挡层162的材料为氮化硅或氧化硅。
所述阻挡层162的形成步骤包括:采用化学气相沉积在所述通孔161内形成阻挡层材料,采用回刻蚀工艺,去除通孔161底部和第三介质层160表面的阻挡层材料,保留通孔161侧壁的阻挡层材料,形成阻挡层162。
请参考图21,在通孔161内填充导电材料163。
所述导电材料163可以为铝、铜、钽、钛或钨,所述导电材料163的形成步骤包括:采用物理气相沉积工艺形成导电材料,然后采用化学机械抛光工艺,平坦化所述导电材料。
本发明采用与大规模集成电路兼容的工艺在硅衬底上形成传感器,且形成的传感器灵敏度高。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,包括:
提供衬底;
在所述衬底表面形成第一介质层;
在所述第一介质层表面形成第一气敏层;
在所述第一气敏层表面形成第二介质层;
在所述第二介质层内形成暴露出第一气敏层的沟槽;
在所述沟槽的底部和侧壁形成第一隔离层;
在第一隔离层表面形成填充满沟槽且与第二介质层齐平的加热层;
在加热层和第一隔离层表面形成第二隔离层,所述第一隔离层和第二隔离层构成环绕加热层的电隔离层;
形成覆盖第二介质层和第二隔离层的第二气敏层;
在第二气敏层表面形成第一光刻胶图形,所述第一光刻胶图形与电隔离层对应,以所述第一光刻胶图形为掩膜,刻蚀第二气敏层、第二介质层和第一气敏层,直至暴露出第一介质层;
去除第一光刻胶图形;
在第二气敏层和第一介质层上沉积第三气敏层;
对第三气敏层进行回刻蚀,使得第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层环绕电隔离层;
形成覆盖第一介质层、第二气敏层和第三气敏层的第三介质层;
在第三介质层上形成掩膜,刻蚀第三介质层和第一介质层直至暴露出衬底;
侧向刻蚀去除位于第一气敏层下方的第一介质层,使得第一气敏层悬空;
沿加热层的长度方向回刻蚀部分长度的加热层,形成开口;
在开口内填充第四介质层;
侧向回刻蚀第三介质层和第一介质层,露出第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层;
形成环包第一气敏层、第二气敏层和第三气敏层的第一导电层;
在第三介质层内形成暴露出加热层的通孔;
在通孔侧壁形成阻挡层;
在通孔内填充导电材料。
2.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,第一介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
3.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
4.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第二气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
5.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第三气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
6.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述加热层的材料为多晶硅。
7.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第二介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
8.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第三介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
9.如权利要求1所述的纳米级气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第四介质层材料为氧化硅,氮化硅或氮氧化硅。
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