Cmos mems電容式濕度傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CMOS MEMS電容式濕度傳感器及其制備方法，屬于半導(dǎo)體芯片技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]濕度傳感器廣泛應(yīng)用于國防航空、氣象檢測、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備等多個領(lǐng)域，近年來，濕度傳感器發(fā)展的一個重要方向是微型化。現(xiàn)有的微型濕度傳感器主要有電容式、電阻式、壓阻式等類型。電容式濕度傳感器因具有功耗小、成本低等優(yōu)點，已被商用領(lǐng)域普遍應(yīng)用。利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造電容式微型濕度傳感器具有三方面優(yōu)點:(I)傳感器體積小，一致性好；(2)容易將濕度傳感器和檢測電路單片集成，有助于提高濕度檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力；(3)大批量制造，可以有效降低產(chǎn)品成本。梳齒狀電容式結(jié)構(gòu)是常被采用的電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)，但由于單對梳齒電極的電容值很小，為了得到較高的靈敏度，往往需要采用很多對梳齒并聯(lián)的方式，不利于傳感器芯片面積的控制和成本的降低，因此，提高梳齒狀電容式濕度傳感器的靈敏度是亟需解決的問題。另外，濕度傳感器響應(yīng)時間的改善也是研宄的熱點。
[0003]中國專利第CN 101620197 B號公開了一種快速響應(yīng)的CMOS相對濕度傳感器，其由襯底，氧化層，電容電極，濕度敏感介質(zhì)組成，氧化層設(shè)在襯底上，電容電極設(shè)在氧化層上，電容電極由壓焊塊引出，濕度敏感介質(zhì)設(shè)在電容電極之間和電容電極上方，腐蝕襯底及其上方的氧化層，形成空腔，使得電容電極之間的濕度敏感介質(zhì)的下表面也與空氣接觸，電容電極為叉指狀電極且交錯排列，每組叉指狀電極的公共端和叉指狀電極的自由端均固定于氧化層上，以保證電極的機(jī)械強(qiáng)度。該技術(shù)采用聚酰亞胺作為濕度敏感介質(zhì)，將襯底及其上方的氧化層腐蝕形成空腔，電容電極之間的濕度敏感介質(zhì)的上方和下方均為空氣，該傳感器具有響應(yīng)速度快，襯底寄生小等優(yōu)點。
[0004]中國專利申請第CN 103207215 A號公開了一種改進(jìn)型的基于聚酰亞胺的濕度傳感器，其在電極板之間涂覆聚酰亞胺薄膜作為濕度敏感材料，然后在聚酰亞胺層中利用光刻技術(shù)制作空腔。該技術(shù)提高了傳感器與周圍環(huán)境的接觸面積，具有響應(yīng)時間快的特點。
[0005]中國專利第CN 102590291 B號公開了一種改進(jìn)型濕度傳感器的制造方法，其在電極板之間涂覆的聚酰亞胺薄膜作為濕度敏感材料，后在聚酰亞胺層中利用光刻技術(shù)制作空腔，空腔底部有由腐蝕方法制作的硅通孔。該傳感器提高了傳感器與周圍環(huán)境的接觸面積，同時便于氣體通過傳感器，具有響應(yīng)時間短的特點。
[0006]雖得益于加工工藝和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容，梳齒狀電容式濕度傳感器是目前商用領(lǐng)域最常用的結(jié)構(gòu)，而側(cè)壁電容的感應(yīng)模式?jīng)Q定了單對梳齒電容的靈敏度極低，為了得到理想的靈敏度，往往需要設(shè)計大量的梳齒并聯(lián)，這樣會增大芯片面積，進(jìn)而提高器件成本。中國專利CN 101620197 B中涉及的一種快速響應(yīng)的CMOS相對濕度傳感器即有上述的典型缺點。另外，中國專利申請第CN 103207215 A號和中國專利CN 102590291 B號中涉及的一種改進(jìn)型的基于聚酰亞胺的濕度傳感器，在聚酰亞胺層中利用光刻技術(shù)制作空腔，提高了傳感器與周圍環(huán)境的接觸面積，具有響應(yīng)時間短的特點，但這種做法使得電極板之間的濕度敏感材料減少，進(jìn)一步犧牲了器件的靈敏度。所以，如何在現(xiàn)有器件梳齒結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸的基礎(chǔ)上，提高單位面積內(nèi)傳感器的靈敏度是現(xiàn)有技術(shù)中給予解決的問題。
[0007]另外，在器件靈敏度和響應(yīng)時間都得到保證的情況下，器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度往往會被忽略，中國專利CN 101620197 B中涉及的一種快速響應(yīng)的CMOS相對濕度傳感器，其濕度敏感介質(zhì)上方和下方均與空氣接觸，達(dá)到了快速響應(yīng)的效果，且器件靈敏度也不受損失，但是由于敏感區(qū)域下方的體硅都被腐蝕掉，敏感區(qū)域整體懸空，機(jī)械強(qiáng)度難以得到保證，在實際應(yīng)用中容易破裂。因此，在器件靈敏度和響應(yīng)時間都得到保證的情況下，器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改善是也是同時需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種CMOS MEMS電容式濕度傳感器及其制備方法，其能夠在靈敏度和響應(yīng)時間都得到保證的情況下，改善了該濕度傳感器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種CMOS MEMS電容式濕度傳感器，包括具有正面和背面的襯底、設(shè)置在所述襯底正面的第一電容電極和第二電容電極及形成在第一電容電極和第二電容電極之間的濕度敏感介質(zhì)層，所述第一電容電極、第二電容電極和濕度敏感介質(zhì)層形成敏感器件區(qū)，所述CMOS MEMS電容式濕度傳感器還包括自所述襯底的背面朝正面延伸形成的若干子空氣通道，所述襯底包括形成在相鄰兩個所述子空氣通道之間的支撐柱，若干所述子空氣通道位于所述濕度敏感介質(zhì)層的正投影內(nèi)，所述支撐柱支撐所述敏感器件區(qū)。
[0010]進(jìn)一步的，所述CMOS MEMS電容式濕度傳感器還包括淀積在所述襯底正面的氧化層及自所述若干子空氣通道向上延伸貫穿氧化層形成的填充腔，所述濕度敏感介質(zhì)層延伸至所述填充腔內(nèi)。
[0011]進(jìn)一步的，所述第一電容電極包括呈梳齒狀的第一本體和自第一本體的末端向外延伸形成的第一壓焊點，所述第二電容電極包括與第一本體交錯設(shè)置且呈梳齒狀的第二本體和自第二本體的末端向外延伸形成的第二壓焊點。
[0012]進(jìn)一步的，所述第一電容電極、第二電容電極為多晶硅電極或者鋁電極。
[0013]進(jìn)一步的，所述濕度敏感介質(zhì)層為由聚酰亞胺淀積形成。
[0014]進(jìn)一步的，若干所述子空氣通道相連通以形成總空氣通道，所述總空氣通道的截面形狀呈蛇形。
[0015]本發(fā)明還提供了一種CMOS MEMS電容式濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0016]S1:提供具有正面和背面的襯底；
[0017]S2:在襯底的正面淀積形成多晶硅層或鋁層，刻蝕所述多晶硅層或鋁層以形成第一電容電極和第二電容電極；
[0018]S3:在所述第一電容電極和第二電容電極之間形成濕度敏感介質(zhì)層；
[0019]S4:在襯底的背面形成光刻膠圖形，以露出部分襯底，按照所述光刻膠圖形刻蝕所露出的襯底以形成若干子空氣通道，所述若干子空氣通道之間具有由未被刻蝕的襯底部分所形成的支撐柱，所述子空氣通道位于所述濕度敏感介質(zhì)層的正投影內(nèi)。
[0020]進(jìn)一步的，在所述步驟SI中還包括:在所述襯底的正面上生長一層氧化層；在所述步驟S2中，所述多晶硅層或鋁層淀積形成在氧化層上；所述步驟S2和步驟S3之間還包括S21:在氧化層上根據(jù)第一電容電極和第二電容電極的形狀形成光刻膠圖形，以露出部分氧化層，按照光刻膠圖形腐蝕所露出的氧化層以形成填充腔；在所述步驟S3中，所形成的濕度敏感介質(zhì)層延伸至填充腔內(nèi)。
[0021]進(jìn)一步的，若干所述子空氣通道相連通以形成總空氣通道，所述總空氣通道的截面形狀呈蛇形。
[0022]進(jìn)一步的，所述濕度敏感介質(zhì)層的材料為聚酰亞胺。
[0023]借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點:由于位于濕度敏感介質(zhì)層的正投影內(nèi)的襯底上形成有若干子空氣通道，從而通過該子空氣通道提高傳感器的靈敏度及可縮短響應(yīng)時間，而又由于相鄰兩個子空氣通道之間形成有支撐柱，從而通過該支撐柱提高敏感器件區(qū)的強(qiáng)度，以防止該濕度傳感器在實際應(yīng)用時破裂，進(jìn)而使該濕度傳感器在靈敏度和響應(yīng)時間都得到保證的情況下，改善了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而通過該方法所制備形成的CMOS MEMS電容式濕度傳感器由于形成有子空氣通道和支撐柱，所以其在靈敏度和響應(yīng)時間都得到保證的情況下，能夠改善其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0024]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明CMOS MEMS電容式濕度傳感器的俯視圖，未設(shè)置濕度敏感介質(zhì)層；
[0026]圖2是圖1的截面圖；
[0027]圖3是圖1所示的CMOS MEMS電容式濕度傳感器中襯底的俯視圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0029]參見圖1至圖3，本發(fā)明一較佳實施例所述的CMOS MEMS電容式濕度傳感器(下面簡稱為濕度傳感器)包括具有正面11和背面12的襯底1、淀積在所述襯底I正面11上的氧化層2、設(shè)置在所述氧化層2上的第一電容電極3和第二電容電極4、填充在氧化層2、第一電容電極3和第二電容電極4之間的濕度敏感介質(zhì)層5 (圖1中僅以框架顯示)、自所述襯底I的背面12朝正面11延伸形成的若干子空氣通道61及自所述若干子空氣通道61向上延伸貫穿氧化層2形成的填充腔7。所述第一電容電極3、第二電容電極4和濕度敏感介質(zhì)層5形成敏感器件區(qū)。在本實施例中，所述濕度敏感介質(zhì)層5延伸至所述填充腔7內(nèi)，且還將第一電容電極3和第二電容電極4覆蓋，另外，若干所述子空氣通道61相連通以形成總空氣通道6，該總空氣通道6的截面形狀呈蛇形。在其他實施方式中，可以僅在第一電容電極3和第二電容電極4之間形成濕度敏感介質(zhì)層5，而若干子空氣通道之間可以不連通，或者其連通后的截面形狀呈其他形狀。
[0030]所述襯底I為硅襯底，其包括形成在相鄰兩個所述自子空氣通道61之間的支撐柱13及形成在子空氣通道61外圍的基部14。所述子空氣通道61利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝腐蝕形成，通過該子空氣通道61提高濕度傳感器的靈敏度及可縮短響應(yīng)時間，支撐柱13和基部14為襯底I未被腐蝕的部分，以保證濕度傳感器的強(qiáng)度，其中，支撐柱13支撐敏感器件區(qū)，以由該支撐柱13提高敏感器件區(qū)的強(qiáng)度，以防止該濕度傳感器在實際應(yīng)用時破裂。所述子空氣通道61位于所述濕度敏感介質(zhì)層5的正投影內(nèi)，所述基部14支撐第一電容電極3和第二電容電極4外側(cè)的氧化層2。所述氧化層2為二氧化硅。所述第一電容電極3和第二電容電極4為多晶硅