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CN111122656A - 一种湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

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CN111122656A
CN111122656A CN201911230224.0A CN201911230224A CN111122656A CN 111122656 A CN111122656 A CN 111122656A CN 201911230224 A CN201911230224 A CN 201911230224A CN 111122656 A CN111122656 A CN 111122656A
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肖韩
於广军
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Advanced Institute of Information Technology AIIT of Peking University
Hangzhou Weiming Information Technology Co Ltd
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Advanced Institute of Information Technology AIIT of Peking University
Hangzhou Weiming Information Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种湿度传感器及其制备方法，所述传感器从下到上依次包括：衬底，空腔，介质层，金属层，至少一层钝化层和敏感层。在所述衬底上设置所述空腔，所述空腔在所述衬底背面设置，或在衬底正面设置。在所述介质层上设置所述金属层，所述金属层包含加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元。在所述金属层上设置所述第一钝化层，所述第一钝化层为氧化硅、氮化硅或其复合层；通过光刻刻蚀工艺，去除所述检测电极单元上的钝化层。在第一钝化层上设置第二钝化层；通过光刻刻蚀工艺，去除压焊块单元上的所述第一钝化层和第二钝化层。本发明的优点在于：可以去除湿度传感器表面的凝结水，提高传感器的恶劣工况下的可靠性；加热单元功耗低，加热效果更好。

Description

一种湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片及MEMS传感器领域，尤其涉及湿度传感器领域，具体涉及一种湿度传感器及其制备方法。
背景技术
在航空航天，智能家居，冷链物流，洁净车间，农业畜牧业等领域，需要检测或监测环境湿度变化，以维持湿度在合适的状态。湿度的检测原理主要有电阻式，压阻式和电容式，其中电容式传感器由于其结构简单，检测范围宽，可靠性高，易与CMOS技术集成等优点而广泛运用。
目前，电容式传感器主要有两种设计方法，一种是平板结构设计，湿度敏感层置于第一和第二电极板的夹层中，第二电极板开若干孔，使空气进入高分子敏感层中，实现湿度感知。这种方案一般只适用于制作分立器件，需配合ASIC芯片SiP合封后使用，无法在一颗芯片上实现ASIC和MEMS器件的集成。另一种是叉指电容式结构设计，第一电极和第二电极在同一平面内，高分子层置于两者之间，以侧面电容检测的方式实现湿度测量。这种方案的好处在于可以实现ASIC和MEMS器件集成在一颗芯片上，成本上有较大优势。
另一方面，在低温高湿等恶劣工况下，湿度传感器的敏感层会产生凝结水，从而影响传感器的正常工作；因此现有技术中，有在MEMS湿度器件的叉指层下方设置加热电阻的方案，来解决凝结水的问题，同时进行不同的加热策略，还可以实现提升器件响应性能。但是现有技术方案存在加热效率差，功耗高等问题。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
针对目前技术方案的不足，本发明提出一种带加热功能的湿度传感器，满足物联网低功耗应用需求，以及低温高湿等恶劣工况下的可靠运行。
根据本发明的第一个方面，提供了一种湿度传感器，从下到上依次包括：
衬底，空腔，介质层，金属层，至少一层钝化层和敏感层。
进一步地，所述衬底为以下材料的一种或多种：硅晶圆、陶瓷、玻璃。
进一步地，在所述衬底上设置所述空腔，所述空腔在所述衬底背面设置，或在衬底正面设置。
进一步地，在所述衬底上设置所述介质层，所述介质层是氧化硅，氮化硅或其复合层。
进一步地，在所述介质层上设置所述金属层，所述金属层包含加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元。
进一步地，所述加热电阻单元为蛇形电阻结构；所述检测电极单元为叉指电极结构；所述金属层的材料为以下材料的一种或多种：铝，钨，铜，铂；所述金属层的淀积方式为薄膜淀积技术；所述加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元的图形化方式为光刻刻蚀技术。
进一步地，在所述金属层上设置所述第一钝化层，所述第一钝化层为氧化硅、氮化硅或其复合层；通过光刻刻蚀工艺，去除所述检测电极单元上的钝化层。
在第一钝化层上设置第二钝化层，所述第二钝化层为氧化硅、氮化硅或其复合层；通过光刻刻蚀工艺，去除压焊块单元上的所述第一钝化层和第二钝化层；
所述敏感层设置在第二钝化层上，所述敏感层为聚酰亚胺、石墨烯、氮化铝等感湿材料，优选聚酰亚胺；通过光刻显影/刻蚀进行图形化，保留检测电极单元上的敏感层。
根据本发明的第二个方面，还提供了一种上述的湿度传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1：准备硅晶圆衬底；
S2：在衬底上LPCVD淀积介质层；
S3：在衬底背面通过光刻工艺定义背腔，并干法刻蚀介质层；
S4：通过深槽刻蚀技术在衬底背面形成空腔；
S5：在衬底正面，通过溅射或蒸发工艺淀积金属层，通过光刻刻蚀工艺图形化，制作加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元；
S6：在衬底上通过PECVD工艺淀积第一钝化层，并通过光刻刻蚀技术去除检测电极单元上的钝化层；
S7：在第一钝化层上淀积第二钝化层，并通过光刻刻蚀工艺去除压焊块单元上的第一钝化层和第二钝化层；
S8：在第二钝化层上，通过旋涂工艺淀积形成敏感层，并通过图形化工艺，去除检测电极单元以外的敏感层；同时对敏感层进行热固化处理，完成湿度传感器的制作。
进一步地，所述深槽刻蚀技术为TMAH湿法腐蚀工艺或Bosch深槽刻蚀工艺。
进一步地，所述空腔停止在正面介质层处，或保留一定厚度的硅衬底。
进一步地，所述第一钝化层为CMOS标准钝化层，第二钝化层为湿气隔离钝化层。
进一步地，在所述检测电极单元上，将叉指中间的钝化层刻蚀干净。
本发明的优点在于：可以去除湿度传感器表面的凝结水，提高传感器的恶劣工况下的可靠性；加热单元功耗低，加热效果更好。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同部件。在附图中：
图1-11为湿度传感器制备工艺流程图；
图12-17为实施例二的空腔制作工艺流程图；
图18-22为实施例三的空腔制作工艺流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种湿度传感器结构。
本发明提出的一种MEMS湿度传感器，包括衬底，空腔，介质层，金属层，第一钝化层，第二钝化层和敏感层。
所述衬底为硅晶圆，陶瓷，玻璃等，优选硅晶圆衬底；
在所述衬底上，设置一空腔，所述空腔可以从衬底背面设置，或从衬底正面设置；
进一步地，在衬底上设置介质层，所述介质层可以是氧化硅，氮化硅或其复合层；
在介质层上设置金属层，所述金属层包含加热电阻单元，检测电极单元以及压焊块等单元；所述加热电阻单元优选蛇形电阻结构；所述检测电极单元优选叉指电极结构；所述金属层材料为铝，钨，铜，铂等导体材料，优选铝。所述金属层的淀积方式为溅射，蒸发等薄膜淀积技术，所述加热电阻单元，检测电极单元以及压焊块等单元的图形化方式为光刻刻蚀等技术。
在金属层上设置第一钝化层，所述第一钝化层为氧化硅，氮化硅或其复合层，优选氧化硅/氮化硅/氧化硅三层复合层；进一步地，通过光刻刻蚀工艺，去除检测电极单元上的钝化层。
在第一钝化层上设置第二钝化层，所述第二钝化层为氧化硅，氮化硅或其复合层，优选氮化硅；进一步地，通过光刻刻蚀工艺，去除压焊块上的所述第一和第二钝化层。
所述敏感层设置在第二钝化层上，所述敏感层为聚酰亚胺，石墨烯，氮化铝等感湿材料，优选聚酰亚胺；进一步地，通过光刻显影/刻蚀等技术进行图形化，保留检测电极单元上的敏感层。
本发明还提出的一种MEMS湿度传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：准备硅晶圆衬底；
可选的，硅晶圆厚度200～800μm；
S2：在衬底上LPCVD淀积介质层；
可选的，所述介质层厚度0.5～5μm；
S3：在衬底背面通过光刻工艺定义背腔，并干法刻蚀介质层；
S4：通过深槽刻蚀技术在衬底背面形成空腔；
可选的，所述深槽刻蚀技术为TMAH湿法腐蚀工艺或Bosch深槽刻蚀工艺；
可选的，所述空腔停止在正面介质层处，或保留一定厚度的硅衬底；
S5：在衬底正面，通过溅射或蒸发工艺淀积金属层，进一步地，通过光刻刻蚀工艺图形化，制作加热电阻单元，检测电极单元以及压焊块等单元；
可选的，所述金属层为铝，所述金属层厚度为0.5～2μm。
S6：在衬底上通过PECVD工艺淀积第一钝化层，并通过光刻刻蚀技术去除检测电极单元上的钝化层；
可选的，所述钝化层为CMOS标准钝化层；
可选的，所述检测电极单元上，需要保证叉指中间的钝化层刻蚀干净。
S7：在第一钝化层上淀积第二钝化层，并通过光刻刻蚀工艺去除压焊块上的第一和第二钝化层；
可选的，所述第二钝化层为湿气隔离钝化层，例如氮化硅；
可选的，所述第二钝化层厚度为80～150nm；
S8：在第二钝化层上，通过旋涂工艺淀积形成敏感层，并通过图形化工艺，去除检测电极单元以外的敏感层；同时对敏感层进行热固化处理，完成湿度传感器的制作。
可选的，所述敏感层为聚酰亚胺；
可选的，所述敏感层厚度为1～6μm；
可选的，所述图形化工艺根据聚酰亚胺类型不同，可以为光刻/显影工艺，光刻刻蚀工艺等。
实施例一
如图1-11所示，为本发明中一种湿度传感器制备方案的工艺流程图。本实施例所述MEMS湿度传感器，包含衬底1，介质层2，介质层2背面开口21，空腔3，金属层4，压焊块单元41，加热电阻单元42，检测电极单元43，第一钝化层5，第一钝化层5上的开口51，第二钝化层6，第二钝化层6上开口61，敏感层7。
本实施例所述MEMS湿度传感器制作过程为：
S1：如图1所示，准备硅衬底1；
S2：如图2所示，在衬底1上通过LPCVD工艺淀积介质层2，
S3：如图3所示，在介质层2背面通过干法刻蚀工艺形成开口21；
S4：如图4所示，利用TMAH或KOH溶液湿法腐蚀衬底1，形成空腔3；
S5：如图5所示，在衬底1上，通过溅射工艺形成金属层4，再通过光刻刻蚀工艺对金属层4图形化。如图6所示，为形成的压焊块单元41，加热电阻单元42和检测电极单元43平面示意图。
S6：如图7所示，通过PECVD工艺淀积第一钝化层5；如图8所示，在检测电极单元43上方形成第一钝化层5的开口51。
S7：如图9所示，在第一钝化层5上，通过PECVD工艺淀积第二钝化层6；如图10所示，在压焊块单元42上形成第一钝化层5和第二钝化层6的开口61。
S8：如图11所示，在第二钝化层6上，通过旋涂工艺形成敏感层7，进一步地，利用光刻/刻蚀工艺对其图形化，再进行热固化处理后，完成湿度传感器的制作。
为了在硅衬底上形成空腔，本发明还提供了两种空腔形成实施例。
实施例二
如图12-17所示，为本发明中一种空腔制作的工艺流程图。包含衬底B1，掺杂层B2，第一介质层B3，介质层B3上的阵列开口B31，空腔B4，第二介质层B5。
S1：如图12所示，准备硅衬底B1；
S2：如图13所示，在衬底B1上采用光刻注入工艺，形成掺杂区B2，掺杂区B2一般为浓P型掺杂。
S3：如图14所示，在衬底B1上采用LPCVD工艺淀积第一介质层B3；
S4：如图15所示，在介质层B3上通过光刻刻蚀工艺，形成开口B31的网格阵列；
S5：如图16所示，采用电化学腐蚀工艺，在HF/乙醇的混合溶液中腐蚀，形成絮状多孔硅，接着采用标准半导体清洗液SC1去除多孔硅，形成空腔B4。
S6：如图17所示，在网格状的B3介质层上再通过CVD淀积介质层，对腔体进行密封，再通过CMP工艺将介质层表面磨平，形成平坦的介质层B5，完成空腔的制作。
实施例三
如图18-22所示，为本发明中一种空腔制作的工艺流程图。包含衬底C1，沟槽C2，牺牲层C3，钝化层C4，空腔C5，介质层C6。
S1：如图18所示，准备硅衬底C1，并在衬底C1上通过光刻刻蚀的技术形成沟槽C2，所述刻蚀技术，可以是干法刻蚀硅技术，如CF4/CHF3/Ar干法刻蚀技术，SF6/O2/Ar深槽刻蚀技术，Bosch深槽刻蚀技术等；或湿法腐蚀硅技术，TMAH溶液湿法腐蚀，KOH溶液湿法腐蚀技术等；
S2：如图19所示，在衬底上通过CVD工艺淀积牺牲层C3，所述牺牲层一般为氧化硅；若通过SOG涂布工艺，则可一步实现平坦化，无须后续CMP工艺磨平；
S3：如图20所示，利用CMP工艺将牺牲层磨平后，再淀积钝化层C4，接着通过光刻刻蚀工艺在C4上开若干开口，形成网格阵列，所述钝化层一般为氮化硅；
S4：如图21所示，利用HF酸湿法腐蚀工艺或HF气相刻蚀工艺，去除牺牲层，形成空腔C5；
S5：如图22所示，在钝化层C3上通过CVD工艺淀积介质层C6，对空腔C5进行密封，接着通过CMP工艺对介质层C6进行磨平，完成空腔的制作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种湿度传感器，其特征在于，从下到上依次包括：
衬底，空腔，介质层，金属层，至少一层钝化层和敏感层。
2.根据权利要求1所述的一种湿度传感器，其特征在于，
所述衬底为以下材料的一种或多种：硅晶圆、陶瓷、玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种湿度传感器，其特征在于，
在所述衬底上设置所述空腔，所述空腔在所述衬底背面设置，或在衬底正面设置。
4.根据权利要求3所述的一种湿度传感器，其特征在于，
在所述衬底上设置所述介质层，所述介质层是氧化硅，氮化硅或其复合层。
5.根据权利要求4所述的一种湿度传感器，其特征在于，
在所述介质层上设置所述金属层，所述金属层包含加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元。
6.根据权利要求5所述的一种湿度传感器，其特征在于，
所述加热电阻单元为蛇形电阻结构；所述检测电极单元为叉指电极结构；所述金属层的材料为以下材料的一种或多种：铝，钨，铜，铂；所述金属层的淀积方式为薄膜淀积技术；所述加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元的图形化方式为光刻刻蚀技术。
7.根据权利要求5或6所述的一种湿度传感器，其特征在于，
在所述金属层上设置所述第一钝化层，所述第一钝化层为氧化硅、氮化硅或其复合层；通过光刻刻蚀工艺，去除所述检测电极单元上的钝化层。
在第一钝化层上设置第二钝化层，所述第二钝化层为氧化硅、氮化硅或其复合层；通过光刻刻蚀工艺，去除压焊块单元上的所述第一钝化层和第二钝化层；
所述敏感层设置在第二钝化层上，所述敏感层为聚酰亚胺、石墨烯、氮化铝等感湿材料，优选聚酰亚胺；通过光刻显影/刻蚀进行图形化，保留检测电极单元上的敏感层。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述的湿度传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：准备硅晶圆衬底；
S2：在衬底上LPCVD淀积介质层；
S3：在衬底背面通过光刻工艺定义背腔，并干法刻蚀介质层；
S4：通过深槽刻蚀技术在衬底背面形成空腔；
S5：在衬底正面，通过溅射或蒸发工艺淀积金属层，通过光刻刻蚀工艺图形化，制作加热电阻单元、检测电极单元以及压焊块单元；
S6：在衬底上通过PECVD工艺淀积第一钝化层，并通过光刻刻蚀技术去除检测电极单元上的钝化层；
S7：在第一钝化层上淀积第二钝化层，并通过光刻刻蚀工艺去除压焊块单元上的第一钝化层和第二钝化层；
S8：在第二钝化层上，通过旋涂工艺淀积形成敏感层，并通过图形化工艺，去除检测电极单元以外的敏感层；同时对敏感层进行热固化处理，完成湿度传感器的制作。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述深槽刻蚀技术为TMAH湿法腐蚀工艺或Bosch深槽刻蚀工艺。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述空腔停止在正面介质层处，或保留一定厚度的硅衬底。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述第一钝化层为CMOS标准钝化层，第二钝化层为湿气隔离钝化层。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
在所述检测电极单元上，将叉指中间的钝化层刻蚀干净。
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