CN116730277B - Mems气体传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS气体传感器及其制作方法。所述MEMS气体传感器包括基底以及形成于所述基底上的至少一个气体感测单元，每个所述气体感测单元包括形成于所述基底上的绝缘层、加热器、测试电极以及气敏材料层，所述绝缘层与所述基底之间具有空腔，所述绝缘层具有贯穿设置的至少一个释放孔，所述空腔通过所述释放孔与外界连通，所述释放孔用于在形成加热器、测试电极以及气敏材料层之后去除牺牲层或牺牲结构从而释放空腔，形成所述空腔的控制难度较低，可以提高空腔的制作精度，有助于缩小气体感测单元的尺寸以及集成密度，缩小MEMS气体传感器的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别是涉及一种MEMS气体传感器以及一种MEMS气体传感器的制作方法。
背景技术
随着电子器件微型化以及集成化的发展趋势，MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统）技术取得了快速发展，各类MEMS传感器出现在市场中。
气体传感器可用于空气质量监测、化工生产以及家居安全等领域。目前商用的气体传感器以陶瓷管和陶瓷片式为主，体积较大，难以集成。结合MEMS技术的薄膜式气体传感器（即MEMS气体传感器）是近年来被广泛研究的结构，其具有体积小、功耗低以及易与CMOS电路集成等优势。
MEMS气体传感器通常包括基底、设置于基底上的绝缘层、加热器、测试电极以及气敏材料层，其中，通常在基底中会形成空腔，使所述绝缘层的一部分、加热器、测试电极的一部分以及气敏材料层悬空于所述空腔上。在所述MEMS气体传感器工作时，所述加热器被通电，以将所述气敏材料层加热至工作温度，并向测试电极输入检测气敏材料层电阻值的测试信号。所述气敏材料层的电阻值与其接触的气体物质相关，因而基于检测到的气敏材料层的电阻值，可以检测特定的气体成分。
上述MEMS气体传感器中，形成于基底中的空腔具有减轻加热器产生的热量向基底传导从而降低传感器功耗的作用。但是，目前的MEMS气体传感器中，空腔的形状和尺寸的控制难度大，空腔的制作精度较差，在制作包括多个空腔的MEMS气体传感器时，制作精度差会严重影响传感器的整体性能，并且由于空腔的制作精度较差，每个空腔对应的气体感测单元在基底平面内占据的面积较大，造成基底面积浪费，且气体感测单元的密度较低。
发明内容
为了在不影响MEMS气体传感器的性能的同时，提高空腔的制作精度，本发明提供MEMS气体传感器以及MEMS气体传感器的制作方法。
一方面，本发明提供一种MEMS气体传感器，所述MEMS气体传感器包括基底以及形成于所述基底上的至少一个气体感测单元，每个所述气体感测单元包括：
绝缘层，形成于所述基底上，并且，所述绝缘层与所述基底之间具有由所述基底和所述绝缘层围设而成的一空腔，所述绝缘层中具有贯穿设置的至少一个释放孔，所述空腔通过所述释放孔与外界连通；
加热器，形成于所述绝缘层内部或者表面，所述空腔隔离所述加热器与所述基底；
测试电极，形成于所述绝缘层表面，并从所述空腔区域绕过所述释放孔横向延伸至所述空腔外围；以及
气敏材料层，形成于所述绝缘层位于所述空腔上方的部分上，所述气敏材料层覆盖位于所述空腔区域的部分所述测试电极和所述加热器并暴露所述释放孔。
另一方面，本发明提供一种MEMS气体传感器的制作方法，所述制作方法包括：
提供基底；
在所述基底中形成至少一个空腔；
在所述空腔内填充牺牲层；
形成绝缘层、加热器以及测试电极于每个所述空腔内的所述牺牲层上和所述基底上，所述绝缘层覆盖所述牺牲层和所述基底，所述加热器形成于所述绝缘层内部或者表面，所述测试电极形成于所述绝缘层表面，所述空腔隔离所述加热器与所述基底，所述测试电极从所述空腔区域横向延伸至所述空腔外围；
形成气敏材料层于所述绝缘层位于所述空腔上方的部分上，所述气敏材料层覆盖位于所述空腔区域的部分所述测试电极和所述加热器；
形成贯穿所述绝缘层的至少一个释放孔，所述释放孔使所述牺牲层暴露于外部；以及
利用所述释放孔去除所述空腔内的所述牺牲层。
又一方面，本发明提供一种MEMS气体传感器的制作方法，所述制作方法包括：
提供基底；
形成牺牲材料层于所述基底的表面；
刻蚀所述牺牲材料层，形成暴露所述基底表面的隔离沟槽和被所述隔离沟槽包围的至少一个牺牲结构；
形成绝缘层、加热器以及测试电极于所述牺牲结构和所述基底上，所述绝缘层填充所述隔离沟槽并覆盖所述牺牲结构，所述加热器形成于所述绝缘层内部或者表面，所述测试电极形成于所述绝缘层表面，所述空腔隔离所述加热器与所述基底，所述测试电极从所述牺牲结构区域横向延伸至所述隔离沟槽的区域；
形成气敏材料层于所述绝缘层的位于所述牺牲结构上方的部分上，所述气敏材料层覆盖位于所述牺牲结构区域的部分所述测试电极和所述加热器；
形成贯穿所述绝缘层的至少一个释放孔，所述释放孔使所述牺牲结构暴露于外部；以及
利用所述释放孔去除所述牺牲结构，在所述绝缘层和所述基底之间形成至少一个空腔。
本发明提供的MEME气体传感器及MEMS气体传感器的制作方法中，构成所述气体感测单元的绝缘层与基底之间具有空腔，所述绝缘层具有贯穿设置的至少一个释放孔，所述空腔通过所述释放孔与外界连通，所述释放孔用于在形成加热器、测试电极以及气敏材料层之后去除牺牲层或者牺牲结构从而释放空腔，空腔的形状及尺寸在形成所述加热器、所述测试电极以及所述气敏材料层之前即已被限定，因而基本不受所述加热器、所述测试电极以及所述气敏材料层的影响，所述空腔的形状及尺寸可以根据需要选用光掩模（mask）工艺、倍缩光掩模（Reticle）工艺以及刻蚀工艺等确定，控制难度较低，可以提高空腔的制作精度，有助于缩小气体感测单元的尺寸从而提高集成密度，缩小MEMS气体传感器的尺寸，而且，由于较小的气体感测单元的热容量较小，通过提高气体感测单元的集成密度，有利于降低功耗和提高MEMS气体传感器的加热速率。
附图说明
图1是本发明一实施例的MEMS气体传感器的制作方法的流程示意图。
图2至图9是采用图1所示的MEMS气体传感器的制作方法在制作过程中形成的剖面结构示意图。
图10是本发明一实施例中绝缘层内的释放孔的分布示意图。
图11是本发明另一实施例的MEMS气体传感器的制作方法的流程示意图。
图12至图17是采用图11所示的MEMS气体传感器的制作方法在制作过程中形成的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的MEMS气体传感器及其制作方法作进一步详细说明。应当理解，说明书的附图均采用了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。此外，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的结构被倒置或者以其它不同方式定位（如旋转），示例性术语“在……上”也可以包括“在……下”和其它方位关系。
现有的MEMS气体传感器常采用硅衬底作为基底，在制作所述MEMS气体传感器时，通常直接在硅衬底上形成微热板和气敏材料层，所述微热板包括加热器和测试电极，之后刻蚀所述微热板以形成暴露硅衬底的开口，利用所述开口刻蚀所述硅衬底，以在所述硅衬底中形成用于隔离微热板和基底的空腔。为了形成所述空腔，刻蚀硅衬底常采用各向异性的湿法刻蚀（如采用KOH或KMAH（四甲基铵）的水溶液或者 EPW（邻苯二酚-乙二胺-水）），然而，各向异性的湿法刻蚀形成的空腔的形状及空腔所占据的基底面积受硅衬底的晶面种类的限制，而且空腔的宽度与深度相互关联，受蚀刻时间影响较大，导致空腔尺寸和形状的控制难度大，制作精度较差。此外，由于上述各向异性的湿法刻蚀在微热板形成之后再进行，蚀刻液容易对基底上的已有结构造成破坏。如果改用干法蚀刻，由于需绕过微热板刻蚀其下方的基底，需采用非方向性的干法刻蚀，如此所形成的空腔的深度和宽度均随刻蚀时间增大，空腔的尺寸和形状的控制难度仍然较大，制作精度较差。在制作包括多个气体感测单元的MEMS气体传感器时，制作精度差会严重影响传感器的整体性能，并且由于空腔尺寸的误差较大，每个空腔对应的气体感测单元在基底平面内占据的面积较大，造成基底面积浪费，气体感测单元的密度较低。
本发明实施例涉及MEMS气体传感器的制作方法，所述制作方法可以降低空腔形状和尺寸的控制难度，提高空腔的制作精度，缩小包含空腔的气体感测单元的尺寸，便于提高MEMS气体传感器中的气体感测单元的集成密度，且不会影响MEMS气体传感器的性能。此外，由于较小的气体感测单元的热容量较小，缩小气体感测单元的尺寸有利于降低功耗和提高MEMS气体传感器的加热速率。
以下结合图1至图10介绍本发明一实施例中的MEMS气体传感器的制作方法。
图2所示的是基底100的剖面结构。参照图1和图2，执行步骤S11，提供基底100。所述基底100可选择能够在其中形成空腔并承载微热板的底材。基底100可采用半导体基板、陶瓷基板、玻璃基板或者其它适合的基板，作为示例，本实施例中，基底100包括半导体衬底10和形成于所述半导体衬底10表面的介质层101。所述半导体衬底10可以包括硅、锗、硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟或者其它半导体材料。所述半导体衬底10例如为硅晶圆。形成于半导体衬底10表面的介质层101可用于构造空腔，从而不需要刻蚀半导体衬底10，可以避免刻蚀半导体衬底10时受晶向以及衬底厚度限制等问题。所述介质层101可包括诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及NDC（Nitrogen doped Silicon Carbide，掺氮碳化硅）等介质材料中的一种或其组合，作为示例，所述介质层101采用氧化硅。
图3所示的是在基底100中形成空腔100a后的剖面结构。参照图1和图3，执行步骤S12，在基底100中形成空腔100a。本实施例中，通过刻蚀基底100中的介质层101，形成空腔100a。所形成的空腔100a为开放的，该空腔100a的侧壁和底壁由介质层101构成，空腔100a的上方此时未被覆盖。形成所述空腔100a可包括如下过程：在介质层101表面涂覆光刻胶层，并通过曝光以及显影使所述光刻胶层图形化，以定义出空腔100a的形成位置；利用图形化的所述光刻胶层作为掩模，通过干法或湿法刻蚀工艺刻蚀介质层101，在介质层101中形成空腔100a，之后去除所述光刻胶层。示例性地，利用各向异性干法刻蚀工艺刻蚀介质层101而形成空腔100a，刻蚀方向例如垂直于基底100顶面，如此可以有效控制侧向刻蚀的量，有助于精确控制空腔100a的宽度以及空腔侧壁与底壁的二面角，降低刻蚀深度以及刻蚀时间对于空腔100a所占据的基底100面积的影响。空腔100a的纵截面例如为矩形或者倒梯形，空腔100a的侧壁和底壁之间的二面角例如大于或等于90度且小于或等于120度。为了使包括空腔100a的气体感测单元的整体尺寸微小化，所述空腔100a的深度例如小于或等于10µm（例如为0.1µm 、0.5µm、1µm、3µm、4µm、4.5µm、5µm、5.5µm或10µm）。但本发明不限于此，例如在另一些实施例中，空腔100a的深度大于或等于10µm且小于或等于100µm，例如可以为10µm、15µm或20µm等。空腔100a的开口形状及尺寸可根据需要设置。
本发明实施例中，要形成的MEMS气体传感器可包括多个二维排布的气体感测单元，每个所述气体感测单元对应于空腔100a形成，各气体感测单元对应的空腔的大小和形状可相同或不同，各气体感测单元对应的空腔100a可在步骤S12中同时形成。
图4所示的是在空腔100a内填充牺牲层110后的剖面结构。参照图1和图4，执行步骤S13，在所述空腔100a内填充牺牲层110。具体地，可通过化学气相沉积在形成空腔100a后的基底100上沉积牺牲层材料，使其填充空腔100a并覆盖在空腔100a外的介质层101的顶面，之后利用化学机械研磨（CMP）或者回刻蚀工艺去除位于空腔100a外的牺牲层材料，剩余的牺牲层材料填充在空腔100a内，作为牺牲层110。所述牺牲层110可包括氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、非晶硅、多晶硅或者其它适合的材料，所述牺牲层110优选与介质层101及绝缘层120具有较佳的刻蚀选择性，以便于后续去除牺牲层110时基本不影响空腔100a的形状及尺寸。作为示例，牺牲层110例如为非晶硅。
图5示出了形成于基底100上的绝缘层120、加热器E1、加热电极120a、测试电极E2以及气敏材料层130。参照图1和图5，执行步骤S14，形成绝缘层120、加热器E1以及测试电极E2于每个空腔100a内的牺牲层110上和基底100上。
加热器E1和测试电极E2可通过不同金属层形成，并通过绝缘材料隔开。具体地，如图5所示，一实施例中，所述绝缘层120包括第一绝缘层121和堆叠于第一绝缘层121上的第二绝缘层122。步骤 S14包括：在每个空腔100a内的牺牲层110上和基底100上形成第一绝缘层121，然后在第一绝缘层121表面沉积金属材料并刻蚀该金属材料而形成加热器E1以及连接加热器E1的电极（即加热电极120a），之后，沉积第二绝缘层122于第一绝缘层121以及加热器E1和加热电极120a的表面，再在第二绝缘层122表面形成金属材料并刻蚀相应金属材料而形成测试电极E2，测试电极E2包括位于空腔100a上方的电极主体以及与该电极主体连接的连接端120b。为了便于加热电极120a的引出，可在第二绝缘层122中形成暴露出加热电极120a的开口，之后沉积金属材料于所述开口内以及第二绝缘层122表面，在刻蚀相应金属材料形成测试电极E2的同时，在所述第二绝缘层122的开口处保留与所述加热电极120a接触的部分金属材料，作为加热电极120a的连接端。上述第一绝缘层121和第二绝缘层122中的任一个可包括氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一种。第一绝缘层121和第二绝缘层122的厚度例如在0.1µm ~ 10µm范围。
所述绝缘层120、加热器E1、加热电极120a以及测试电极E2不限于图5所示的结构。加热器E1、加热电极120a和测试电极E2也可通过在绝缘层120上沉积一金属层并刻蚀该金属层形成。参照图7，另一实施例中，步骤S14包括：在每个空腔100a内的牺牲层110上和基底100上形成绝缘层120，然后在绝缘层120表面形成金属材料并刻蚀该金属材料而形成加热器E1、加热电极120a和测试电极E2（测试电极E2包括位于空腔100a上方的电极主体以及与该电极主体连接的连接端120b），所述加热电极120a和所述测试电极E2的连接端120b均位于绝缘层120表面。该实施例中，绝缘层120的厚度例如在0.1µm~10µm范围。
加热器E1和测试电极E2例如均包括由耐高温金属形成的高温金属层，所述高温金属层可在所在区域的环境温度较高时使用，能够满足加热器E1以及测试电极E2的耐温要求。所述高温金属层的厚度例如小于或等于2µm。所述高温金属层例如包括Au、Pt、及Cr中的至少一种。
由于Au、Pt及Cr等高温金属的成本昂贵，并且电阻较大（增加厚度又会导致图形化难度增加），为了在确保加热器E1和/或测试电极E2的耐温要求的同时，减小加热器E1和/或测试电极E2的连接线路的电阻，降低成本，一实施例中，MEMS气体传感器还可包括非高温金属层，所述非高温金属层形成于空腔100a外围，并覆盖于所述加热器E1和/或测试电极E2的至少部分连接线路表面，所述非高温金属层的耐高温性能较所述高温金属层差，所述非高温金属层例如包括Al、W、Ni、 Fe、Cu、Ti、TiN、Ta以及TaN中的至少一种。
具体地，如图6所示，一实施例中，加热器E1以及加热电极120a形成于第一绝缘层121表面，测试电极E2形成于第二绝缘层122表面，加热器E1与测试电极E2通过不同金属层形成并彼此绝缘，加热电极120a与加热器E1相连接，测试电极E2包括位于空腔100a上方的电极主体以及与该电极主体连接的连接端120b。非高温金属层140形成于牺牲层110区域外围（即空腔100a外围），并覆盖加热器E1的至少部分连接线路（如加热电极120a）和测试电极E2的至少部分连接线路（如连接端120b）。如图7所示，另一实施例中，加热器E1、加热电极120a和测试电极E2均形成于绝缘层120表面，且通过刻蚀绝缘层120上的同一金属层形成，非高温金属层140形成于牺牲层110区域外围（即空腔100a外围），并覆盖位于绝缘层120上的加热器E1的至少部分连接线路（如第一连接端120a）和测试电极E2的至少部分连接线路（如连接端120b）。通过在加热器E1和/或测试电极E2的形成于牺牲层110区域以外的连接线路上覆盖非高温金属层140，可使得加热器E1和/或测试电极E2的连接线路厚度增加从而电阻降低，同时，由于采用了非高温金属，刻蚀难度较低，有利于降低成本。
如图5、图6或图7所示，执行步骤S15，形成气敏材料层130于绝缘层120位于空腔100a上方的部分上，所述气敏材料层130覆盖加热器E1以及位于空腔100a区域的部分测试电极E2，本实施例中，所述气敏材料层130覆盖加热器E1以及测试电极E2的位于空腔100a上方的电极主体。此处“覆盖”可以包括接触式的直接覆盖以及非接触式的间接覆盖等各种覆盖方式。由所述气敏材料层130覆盖加热器E1以及位于空腔100a区域的部分测试电极E2可知，所述气敏材料层130在基底100顶面的正投影囊括了所述加热器E1在基底100顶面的正投影以及位于空腔100a区域的部分测试电极E2在基底100顶面的正投影。
所述气敏材料层130可包括SnO2、V2O5、WO3、ZnO、TeO2、TiO2、CuO、CeO2、Al2O3、ZrO2、V2O3、Fe2O3、Mo2O3、Nd2O3、La2O3、Nb2O5、Ta2O5、In2O3、GeO2以及ITO等气敏材料中的一种或者它们的组合，在形成所述气敏材料层130时，先沉积气敏材料，使其覆盖绝缘层120、加热器E1、加热电极120a以及测试电极E2，再通过光刻及刻蚀工艺，去除部分区域的气敏材料，使得剩余的气敏材料于绝缘层120的位于空腔100a上方的部分上形成。加热器E1、加热电极120a、测试电极E2以及气敏材料层130的具体图案可根据需要设置。
图8所示的是在绝缘层120中形成释放孔20后的剖面结构。在如图5所示结构的基础上，参照图1及图8，执行步骤S16，形成贯穿绝缘层120的至少一个释放孔20，所述释放孔20使空腔100a中的牺牲层110暴露于外部。所述释放孔20通过干法或湿法刻蚀绝缘层120而形成。
图9所示的是利用释放孔20释放空腔100a后的剖面结构。参照图1及图9，执行步骤S17，利用所述释放孔20刻蚀去除所述空腔100a中的牺牲层110。通过所述释放孔20去除牺牲层110，能够使绝缘层120下方的空腔100a成为未填充状态，即实现空腔100a释放。本实施例中，介质层101构成所述空腔100a的侧壁和底壁，所述绝缘层120构成所述空腔100a的顶壁。根据具体需要，可采用干法蚀刻或者湿法蚀刻去除空腔100a填充的牺牲层110。
所述绝缘层120内可形成多个释放孔20，释放孔20可以是圆形、椭圆形、多边形或其它形状，例如，至少一个所述释放孔20可以是长条形。
所述绝缘层120内可具有多个贯穿设置且与同一空腔100a连通的释放孔。图10示出了绝缘层120内形成的与同一空腔100a连通的释放孔20的分布示意图，其中（1）~（4）为释放孔20的多个排布示例，但本发明不限于此，绝缘层120中的释放孔20的个数以及形状可根据需要设置。
可利用所述释放孔20在绝缘层120中形成悬臂梁21。参照图10，所述悬臂梁21为绝缘层120位于相邻两个释放孔20之间的部分，所述悬臂梁21的宽度例如约0.5µm~40µm。所述悬臂梁21悬空设置于空腔100a上。
参照图9和图10，绝缘层120中与同一空腔100a连通的多个释放孔20隔离出相应气体感测单元中的功能器件A1，所述功能器件A1包括位于空腔100a上且连接各悬臂梁21的绝缘层120部分、对应于所述绝缘层120部分形成的加热器E1、测试电极E2的电极主体以及气敏材料层130（为了清楚，图10仅示出了功能器件A1中的绝缘层120部分）。所述悬臂梁21连接功能器件A1中的绝缘层120部分与覆盖在基底100表面的绝缘层120部分。功能器件A1中的加热器E1和测试电极E2的连接线路均从功能器件A1的区域绕过释放孔20横向延伸至相应的空腔100a外围，进一步地，功能器件A1中的加热器E1和测试电极E2的连接线路可分别沿相同或不同的悬臂梁21横向延伸至空腔100a外围。
所述功能器件A1的横截面面积例如约100µm2~40000µm2。一实施例中，所述功能器件A1的横截面为方形，所述方形的长度和宽度例如约10µm ~200µm。如图10所示，一实施例中，所述绝缘层120中与同一空腔100a连通的多个释放孔20围设于功能器件A1外围，并形成一非封闭环，各释放孔20位于所述功能器件A1周向上的不同位置。所述非封闭环的中轴线可与空腔100a的中轴线重合。本实施例中，由于空腔100a的深度及宽度在绝缘层120形成之前已通过光刻定义，在步骤S17中，利用牺牲层110与介质层101的高度刻蚀选择性去除空腔100a中的牺牲层110，从而空腔100a的深度和宽度基本不受刻蚀牺牲层110的工艺的影响，空腔100a的侧壁与所述非封闭环的外径之间的距离d也基本不受牺牲层110的刻蚀时间影响，使得空腔100a制作精度较高。
参照图9，所述非封闭环例如位于下方空腔100a的里侧，空腔100a的侧壁与所述非封闭环的外径之间的距离d可大于或等于0。
本实施例中，所述功能器件A1悬空于对应的空腔100a上，所述功能器件A1的外边缘位于空腔100a里侧，也即，所述功能器件A1在基底100顶表面的正投影位于空腔100a内，所述功能器件A1的横截面面积小于对应空腔100a的开口面积。
在形成所述功能器件A1的过程中，先在基底100中形成相应的空腔100a并填充牺牲层110，在牺牲层110上形成绝缘层120、加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130的叠层之后，再形成贯穿绝缘层120的至少一个释放孔20，在释放空腔110a的同时隔离出功能器件A1。所述功能器件A1的叠层在平坦的牺牲层110上形成，各层材料的平坦性好，避免由于不平整使得材料层中形成台阶并断裂进而导致器件失效。此外，所述功能器件A1通过空腔110a里侧形成的释放孔20隔离，功能器件A1整体悬空于空腔100a上，功能器件A1中的材料层受到的应力较均匀和对称，可降低弯曲或变形的风险。利用上述制作方法制作MEMS气体传感器，有助于提高产品良率，降低功能器件A1与空腔110a吸合的风险，从而也允许空腔100a形成得更浅，有助于降低工艺难度以及成本。
图11是本发明另一实施例的MEMS气体传感器的制作方法的流程示意图。其中所示的MEMS气体传感器的制作方法与上述实施例描述的MEMS气体传感器的制作方法的区别在于空腔的形成方式，以下主要对该区别进行说明。
图12所示的是另一实施例中基底100以及形成于基底100上的牺牲材料层150的剖面结构。参照图11和图12，该实施例中，执行步骤S21，提供基底100。之后执行步骤S22，形成牺牲材料层150于基底100表面。
所述基底100可包括半导体衬底10和形成于半导体衬底10表面的介质层101，半导体衬底10例如为硅衬底，介质层101例如为氧化硅。所述牺牲材料层150可包括氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、非晶硅、多晶硅或者其它适合的材料，所述牺牲材料层150优选与介质层101及绝缘层120具有较佳的刻蚀选择性，以便于后续刻蚀以及去除牺牲材料层150时基本不影响要制作的空腔的形状及尺寸。作为示例，牺牲材料层150例如为非晶硅，其可通过外延工艺在基底100表面形成。
图13所示的是刻蚀牺牲材料层150形成隔离沟槽30以及牺牲结构150a后的剖面结构。参照图11和图13，执行步骤S23，刻蚀牺牲材料层150，形成暴露基底100表面的隔离沟槽30和被所述隔离沟槽30包围的至少一个牺牲结构150a。具体地，可采用光刻以及刻蚀工艺去除部分所述牺牲材料层150，在基底100上形成至少一个牺牲结构150a。本实施例中，所述牺牲结构150a的区域后续用于形成空腔，因而，所述牺牲结构150a可根据要制作的空腔的形状以及尺寸设置。
图14所示的是形成绝缘层120、加热器E1、加热电极120a以及测试电极E2后的剖面结构。参照图11和图14，执行步骤S24，形成绝缘层120、加热器E1、与加热器E1连接的加热电极120a以及测试电极E2于每个牺牲结构150a和基底100上。测试电极E2包括位于牺牲结构150a上方的电极主体以及与该电极主体连接的连接端120b。
本实施例中，由于基底100表面未先形成下凹的空腔，而是对应于空腔的位置形成了牺牲结构150a，因而，步骤S24在牺牲结构150a和基底100上形成绝缘层时，绝缘层会填充隔离沟槽30并覆盖每个牺牲结构150a。
示例性地，如图14所示，一实施例中，步骤S24包括：在基底100上先形成绝缘层120，所述绝缘层120填充隔离沟槽30并覆盖每个牺牲结构150a，可选地，采用基于四乙氧基硅烷（TEOS）的氧化物沉积工艺形成绝缘层120，其中利用四乙氧基硅烷（TEOS）液体的找平特性，所形成的绝缘层120的上表面平坦性好；之后，在绝缘层120上沉积一金属层并刻蚀该金属层形成加热器E1、加热电极120a以及测试电极E2。图14与图7所示的结构不同在于绝缘层120所沉积的表面不同，关于绝缘层120、加热器E1、加热电极120a以及测试电极E2可参照上述实施例中的描述。
步骤S24的实施不限于此，参照图5，另一实施例中，在牺牲结构150a上和基底100上形成第一绝缘层121（该特征与图5所示的结构不同），然后在第一绝缘层121表面沉积金属材料并刻蚀该金属材料而形成加热器E1以及加热电极120a，之后，沉积第二绝缘层122于第一绝缘层121以及加热器E1和加热电极120a表面，再在第二绝缘层122表面形成金属材料并刻蚀相应金属材料而形成加热电极120a的连接端和测试电极E2，该实施例中，可利用第一绝缘层121填充隔离沟槽30。
图15所示的是形成气敏材料层130后的剖面结构。参照图11和图15，执行步骤S25，形成气敏材料层130于所述绝缘层120位于牺牲结构150a上方的部分上，所述气敏材料层130覆盖加热器E1和测试电极E2的位于牺牲结构150a上方的电极主体。关于气敏材料层130可参照上述实施例的描述。
图16所示的是在绝缘层120中形成释放孔20后的剖面结构。参照图11和图16，执行步骤S26，形成贯穿所述绝缘层120的至少一个释放孔20，所述释放孔20使所述牺牲结构150a暴露于外部。
图17所示的是利用释放孔20去除牺牲结构150a后的剖面结构。参照图11和图17，执行步骤S27，利用所述释放孔20去除所述牺牲结构150a，在所述绝缘层120和所述基底100之间形成至少一个空腔100a。基底100中的介质层101构成空腔100a的底壁，绝缘层120构成空腔100a的侧壁和顶壁。
参照图17以及图10，每个牺牲结构150a可被一个或者大于一个的释放孔20暴露，也即，每个空腔100a可与至少一个释放孔20连通。此外，可利用所述释放孔20在绝缘层120中形成悬臂梁21。所述绝缘层120中与同一空腔100a连通的多个释放孔20隔离出相应气体感测单元中的功能器件A1，所述功能器件A1包括位于空腔100a上且连接各悬臂梁21的绝缘层120部分、对应于所述绝缘层120部分形成的加热器E1、测试电极E2的电极主体以及气敏材料层130，关于释放孔20、悬臂梁21以及功能器件A1的描述可参照图2至图9所示的实施例。
图11及图12至图17所示的MEMS气体传感器的制作方法与图1及图2至图9所示的MEMS气体传感器的制作方法，均是在基底100上形成绝缘层120、加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之前，限定了空腔的位置、形状以及尺寸，在形成绝缘层120、加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之后，再在绝缘层120中形成释放孔20，利用释放孔20去除空腔100a中的牺牲层110（图1所示的制作方法）或者去除介质层101上的牺牲结构150a（图11所示的制作方法），从而在绝缘层120与基底100之间形成了相应的空腔。
图11及图12至图17所示的MEMS气体传感器的制作方法与图1及图2至图9所示的MEMS气体传感器的制作方法的主要不同点在于，图1及图2至图9所示的制作方法中，在形成绝缘层120、加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之前，通过光刻并刻蚀基底100形成空腔100a并在其中填充牺牲层110，后续通过释放孔20去除牺牲层110后，被释放的空腔100a由基底100（具体可以为介质层101）构成其侧壁和底壁，由绝缘层120构成其顶壁，而图11以及图12至图16所示的制作方法中，在形成绝缘层120、加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之前，不需要刻蚀基底100，而是通过在基底100上形成牺牲结构150a限定出后续要形成的空腔100a的范围，在形成绝缘层120、加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之后，通过释放孔20去除牺牲结构150a，在绝缘层120与基底100之间形成的空腔100a由基底100（具体可为介质层101）构成其底壁，由绝缘层120构成其侧壁和顶壁。
本发明实施例还涉及一种MEMS气体传感器，所述MEMS气体传感器可采用上述实施例描述的MEMS气体传感器的制作方法形成。
示例地，参照图1至图17，所述MEMS气体传感器包括基底100以及形成于所述基底100上的至少一个气体感测单元，每个所述气体感测单元进一步包括：
绝缘层120，形成于所述基底100上，并且，所述绝缘层120与所述基底100之间具有一由所述基底100和所述绝缘层120围设而成的空腔100a，所述绝缘层120具有贯穿设置的至少一个释放孔20，所述空腔100a通过所述释放孔20与外界连通；
加热器E1，形成于所述绝缘层120内部或者表面，空腔100a隔离所述加热器E1和所述基底100，例如，加热器E1位于空腔100a的正上方；
测试电极E2，形成于所述绝缘层120表面，并从所述空腔100a的区域绕过所述释放孔20横向延伸至所述空腔100a外围，例如，测试电极E2包括位于空腔100a上方的电极主体以及与该电极主体连接的连接端120b；
气敏材料层130，形成于所述绝缘层120位于空腔100a上方的部分上，所述气敏材料层130覆盖部分所述测试电极E2（例如覆盖测试电极E2位于空腔100a上方的电极主体）和所述加热器E1并暴露所述释放孔20。
所述基底100包括半导体衬底10和形成于所述半导体衬底10表面的介质层101。一些实施例中，由所述介质层101构成空腔100a的侧壁和底壁，由绝缘层120构成空腔100a的顶壁。另一些实施例中，由所述介质层101构成空腔100a的底壁，由绝缘层120构成空腔100a的侧壁和顶壁。所述空腔100a的底壁和顶壁之间的距离例如小于或等于10µm。
如图9所示，可选地，绝缘层120可包括形成于基底100上的第一绝缘层121以及形成于第一绝缘层121上的第二绝缘层122，加热器E1形成于第一绝缘层121表面。测试电极E2形成于第二绝缘层122表面。每个所述气体感测单元还可包括形成于第一绝缘层121表面的加热电极120a，加热电极120a位于所述空腔100a外围且与所述加热器E1连接，加热电极120a可从第二绝缘层122表面引出。第一绝缘层121和第二绝缘层122的厚度分别例如约0.1µm~10µm。
本发明不限于此，加热器E1、加热电极120a和测试电极E2也可通过同一金属层形成从而位于绝缘层120上的同一高度平面。具体地，如图7以及图17所示，一些实施例中，绝缘层120形成于基底100上，加热器E1、形成于空腔100a外围且与所述加热器E1连接的加热电极120a以及测试电极E2形成于绝缘层120表面。所述绝缘层120的厚度例如约0.1µm ~ 10µm。
所述气体感测单元中，绝缘层120内可具有多个贯穿设置且于相应的空腔100a连通的释放孔20。进一步地，相邻两个所述释放孔20之间的绝缘层120可构成悬臂梁21，所述悬臂梁21悬空设置于所述空腔100a上，绝缘层120中与同一空腔100a连通的多个释放孔20隔离出相应气体感测单元中的功能器件A1，所述加热器E1和所述测试电极E2的连接线路可从所述功能器件A1的区域分别沿相同或不同的悬臂梁21横向延伸至空腔100a外围。所述悬臂梁21的宽度例如在0.5µm~40µm范围。每个空腔100a上方形成的悬臂梁21的数量、位置及尺寸可以根据需要调整。所述功能器件A1的横截面面积例如在100µm2~40000µm2范围。一实施例中，所述功能器件A1的横截面为方形，所述方形的长度和宽度在10µm ~200µm范围。
在一些实施例中，所述绝缘层120中与同一空腔100a连通的多个释放孔20围设于所述功能器件A1外围而形成一非封闭环，所述非封闭环位于对应的空腔100a的里侧（即，所述非封闭环在基底100表面的正投影落在对应空腔100a的范围内）。所述空腔100a的侧壁与所述非封闭环的外径之间的距离d例如大于或等于0且小于或等于5µm。所述非封闭环可以为圆环、多边形环或者不规则环等。所述非封闭环的宽度例如在2µm~50µm范围。
所述气体感测单元中，加热器E1和测试电极E2例如包括具有耐高温性能的高温金属层。所述高温金属层的厚度例如小于或等于2µm。在一些实施例中，MEMS气体传感器还可包括非高温金属层，所述非高温金属层覆盖于空腔100a外围的所述加热器E1的至少部分连接线路（如加热电极120a）表面和/或所述测试电极E2的至少部分连接线路（如连接端120b）表面。所述高温金属层可包括Au、Pt及Cr中的至少一种。所述非高温金属层可包括 Al、W、Ni、 Fe、Cu、Ti、TiN、Ta以及TaN中的至少一种。所述非高温金属层的厚度可根据需要设置。
所述MEMS气体传感器可包括阵列排布的至少两个所述气体感测单元，每个所述气体感测单元均具有至少一个空腔100a以及形成于相应的空腔100a上方的加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130。所述至少两个气体感测单元中的加热器E1可在空腔100a外围互连，所述至少两个气体感测单元中的测试电极E2可在空腔100a外围互连。
本发明实施例描述的MEME气体传感器及MEMS气体传感器的制作方法中，构成所述气体感测单元的绝缘层120与基底100之间具有空腔100a，所述绝缘层120具有贯穿设置的至少一个释放孔20，所述空腔100a通过所述释放孔20与外界连通，所述释放孔20用于在形成加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之后去除牺牲层110或牺牲结构150a从而释放空腔100a，空腔100a的形状及尺寸在形成加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130之前即已被限定，因而基本不受加热器E1、测试电极E2以及气敏材料层130的影响，所述空腔100a的形状及尺寸可以根据需要选用光掩模（mask）工艺、倍缩光掩模（Reticle）工艺以及刻蚀工艺等确定，控制难度较低，可以提高空腔100a的制作精度，有助于缩小气体感测单元的尺寸以及集成密度，缩小MEMS气体传感器的尺寸，而且，由于较小的气体感测单元的热容量较小，通过提高气体感测单元的集成密度，有利于降低功耗和提高MEMS气体传感器的加热速率。
需要说明的是，本说明书中的实施例采用递进的方式描述，对于实施例中的MEMS气体传感器而言，其与实施例公开的MEMS气体传感器的制作方法相对应，相关之处可参见实施例中的MEMS气体传感器的制作方法。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种MEMS气体传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供基底；
在所述基底中形成至少一个空腔；
在所述空腔内填充牺牲层；
形成绝缘层、加热器以及测试电极于每个所述空腔内的所述牺牲层上和所述基底上，所述绝缘层覆盖所述牺牲层和所述基底，所述加热器形成于所述绝缘层内部或者表面，所述测试电极形成于所述绝缘层表面，所述空腔隔离所述加热器与所述基底，所述测试电极从所述空腔区域横向延伸至所述空腔外围；
形成气敏材料层于所述绝缘层位于所述空腔上方的部分上，所述气敏材料层覆盖位于所述空腔区域的部分所述测试电极和所述加热器；
形成贯穿所述绝缘层的至少一个释放孔，所述释放孔使所述牺牲层暴露于外部；以及
利用所述释放孔去除所述空腔内的所述牺牲层。
2.一种MEMS气体传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供基底；
形成牺牲材料层于所述基底的表面；
刻蚀所述牺牲材料层，形成暴露所述基底表面的隔离沟槽和被所述隔离沟槽包围的至少一个牺牲结构；
形成绝缘层、加热器以及测试电极于所述牺牲结构和所述基底上，所述绝缘层填充所述隔离沟槽并覆盖所述牺牲结构，所述加热器形成于所述绝缘层内部或者表面，所述测试电极形成于所述绝缘层表面，所述牺牲结构隔离所述加热器与所述基底，所述测试电极从所述牺牲结构区域横向延伸至所述隔离沟槽的区域；
形成气敏材料层于所述绝缘层的位于所述牺牲结构上方的部分上，所述气敏材料层覆盖位于所述牺牲结构区域的部分所述测试电极和所述加热器；
形成贯穿所述绝缘层的至少一个释放孔，所述释放孔使所述牺牲结构暴露于外部；以及
利用所述释放孔去除所述牺牲结构，在所述绝缘层和所述基底之间形成至少一个空腔。
3.一种MEMS气体传感器，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的制作方法形成，所述MEMS气体传感器包括基底以及形成于所述基底上的至少一个气体感测单元，每个所述气体感测单元包括：
绝缘层，形成于所述基底上，并且，所述绝缘层与所述基底之间具有由所述基底和所述绝缘层围设而成的一空腔，所述绝缘层中具有贯穿设置的至少一个释放孔，所述空腔通过所述释放孔与外界连通；
加热器，形成于所述绝缘层内部或者表面，所述空腔隔离所述加热器与所述基底；
测试电极，形成于所述绝缘层表面，并从所述空腔区域绕过所述释放孔横向延伸至所述空腔外围；以及
气敏材料层，形成于所述绝缘层位于所述空腔上方的部分上，所述气敏材料层覆盖位于所述空腔区域的部分所述测试电极和所述加热器并暴露所述释放孔。
4.如权利要求3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述基底包括半导体衬底和形成于所述半导体衬底表面的介质层；
其中，所述介质层构成所述空腔的侧壁和底壁，所述绝缘层构成所述空腔的顶壁；或者，所述介质层构成所述空腔的底壁，所述绝缘层构成所述空腔的侧壁和顶壁。
5.如权利要求3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述绝缘层包括第一绝缘层和形成于所述第一绝缘层上的第二绝缘层，其中，所述加热器形成于所述第一绝缘层表面，所述第二绝缘层覆盖所述第一绝缘层和所述加热器，所述测试电极形成于所述第二绝缘层表面。
6.如权利要求3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，与所述空腔连通的多个所述释放孔隔离出相应的所述气体感测单元中的功能器件；所述绝缘层中的多个所述释放孔围设于所述功能器件外围而形成一非封闭环，所述非封闭环位于所述空腔的里侧。
7.如权利要求6所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述功能器件的横截面面积为100µm2~40000µm2。
8.如权利要求3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述空腔的底壁和顶壁之间的距离小于或等于10 µm；和/或，所述空腔的侧壁和底壁之间的二面角大于或等于90度且小于或等于120度。
9.如权利要求3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述加热器和所述测试电极包括高温金属层；所述MEMS气体传感器还包括非高温金属层，所述非高温金属层覆盖于所述空腔外围的所述加热器的至少部分连接线路和/或所述测试电极的至少部分连接线路表面。
10.如权利要求9所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述高温金属层包括Au、Pt以及Cr中的至少一种；和/或，所述非高温金属层包括 Al、W、Ni、 Fe、Cu、Ti、TiN、Ta以及TaN中的至少一种。
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