一种湿度传感器及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体加工制造技术领域，更具体地，涉及一种湿度传感器及制造方法。
【背景技术】
[0002]湿度，通常是指空气中水蒸气的含量，用来反映大气的干湿程度。人类日常生活、工农业生产活动以及动植物的生存和生长，都与周围的环境湿度有着密切的关系。湿度传感器用于湿度的测量，其基于湿敏功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的特点，通过将湿度物理量转换成电讯号来实现测量功能。
[0003]湿度传感器根据其工作原理的不同，可以分成伸缩式、蒸发式、露点计、电子式、电磁式等，其中以电子式的研究和应用为主。近年来研究较多的是电容型的电子式湿度传感器，这类湿度传感器的主要工作原理是:湿敏介质材料在吸附和解吸附空气中的水汽分子时，其介电常数会发生变化，从而导致器件的电容值发生改变，再经过处理电路转化为与湿度相关的电信号被读出。
[0004]电容式湿度传感器从结构上主要可分为垂直平板电容型和水平平板电容型两类。顾名思义，垂直平板电容型是指湿度传感器的正、负电极板以上、下相对的垂直方式设置。其中，上电极板设有通孔或者直接采用多孔材料制备，外界环境中的水汽需要穿过上电极板的通孔或者孔隙与湿敏材料发生作用，才能引起电容发生改变。水平平板电容型也称作叉指电容型，其正、负电极板的叉指状电极相对交错设置，并位于同一水平方向上，湿敏材料填充于两个电极板的各叉指之间，可直接与外界环境相接触。
[0005]请参阅图1，图1是现有技术中的一种叉指电容型湿度传感器的结构示意图。如图1所示，该叉指电容型湿度传感器自下而上包括衬底101、绝缘层102、形成于绝缘层上的金属叉指电极103(包括正、负电极板的叉指电极)，以及填充于叉指电极之间和上面并将其覆盖的湿敏材料104。
[0006]在上述现有的叉指电容型湿度传感器的结构中，外界环境与传感器的接触面为湿敏材料的上表面。当环境湿度发生变化时，水分子只能经由湿敏材料104的上表面从一个方向进行吸附或者解吸附，这将造成湿度传感器响应速度慢的问题，导致其测量时达到稳定状态的时间较长。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种湿度传感器及制造方法，以解决现有湿度传感器响应速度慢的问题，提升湿度传感器性能。
[0008]为实现上述目的，本发明的一种技术方案如下:
[0009]—种湿度传感器，自下而上依次包括具有CMOS器件结构的衬底硅片，具有CMOS电路结构的介质层，正、负电极板的叉指电极，以及在叉指电极之间和上方将其覆盖的湿敏材料层，在所述叉指电极下方的介质层具有开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。
[0010]优选地，所述正、负电极板的叉指电极相对交错设置，并位于同一水平面，叉指电极之间形成同层间电容。
[0011 ] 优选地，所述湿敏材料层的底部外周与所述空腔的开口区域边部具有间隙。
[0012]优选地，所述湿敏材料为有机聚合物或者多孔介质材料。
[0013]优选地，所述空腔的高度为I?10 μ m。
[0014]为实现上述目的，本发明的另一种技术方案如下:
[0015]一种湿度传感器的制造方法，包括以下步骤:
[0016]步骤SOl:提供一衬底，在所述衬底中形成CMOS器件结构，在所述衬底上形成介质层，并在介质层中形成CMOS电路；
[0017]步骤S02:在介质层中形成一牺牲层；
[0018]步骤S03:在牺牲层上方对应位置形成正、负电极板的叉指电极；
[0019]步骤S04:形成湿敏材料层，将叉指电极覆盖；
[0020]步骤S05:去除牺牲层，形成开口空腔，以使所述湿敏材料层的底部与外界环境连通。
[0021]优选地，步骤S02中，先在介质层中形成一沟槽，然后，向沟槽中填充牺牲层材料并图形化，形成牺牲层。
[0022]优选地，步骤S03中，先在牺牲层上方淀积隔离介质并图形化，形成叉指电极底部的隔离介质层，然后，采用CMOS标准互连工艺形成叉指电极，接着，继续淀积隔离介质并图形化，形成叉指电极的侧墙和其顶部的隔离介质层，将叉指电极表面包覆。
[0023]优选地，步骤S04中，采用CVD或者旋涂工艺形成湿敏材料层，所述湿敏材料层的厚度为500nm?10 μ m。
[0024]优选地，步骤S05中，采用干法或者湿法腐蚀工艺去除牺牲层，形成高度为I?1ym的开口空腔。
[0025]从上述技术方案可以看出，本发明通过在湿度传感器的叉指电极下面形成开口空腔，使湿敏材料层的底部与外界环境连通，可增加湿敏材料与外界环境之间的接触面积，缩短水分子运动的路径，从而可有效提高湿度传感器的响应速度，提升湿度传感器的性能。
【附图说明】
[0026]图1是现有技术中的一种叉指电容型湿度传感器的结构示意图；
[0027]图2是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构示意图；
[0028]图3是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构俯视图；
[0029]图4是本发明一种湿度传感器的制造方法流程图；
[0030]图5a?图5f是根据图4的方法制备一种湿度传感器的工艺步骤示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0032]需要说明的是，在下述的【具体实施方式】中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
[0033]在以下本发明的【具体实施方式】中，请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种湿度传感器，自下而上依次包括晶圆硅片衬底301、介质层302、正、负电极板的叉指电极308，以及在叉指电极之间和上方将叉指电极覆盖的湿敏材料层310。作为一可选的实施方式，可采用一 8英寸的晶圆硅片301作为衬底。其中，在硅片301上形成有常规的CMOS器件结构(图略)，在介质层302中形成有常规的CMOS电路结构，包括通孔303、305和互连金属层304。通孔303、305中填充有通孔金属，互连金属层304中填充有互连线金属。可以采用例如二氧化硅作为介质层材料。
[0034]此外，在叉指电极的表面还可包覆一层隔离介质材料307，例如，可采用二氧化硅作为隔离介质材料。隔离介质材料层可以有效地阻止外部水汽侵蚀叉指电极308。
[0035]请继续参阅图2。在叉指电极下方的介质层302设有一个开口空腔311，从而可以与外界环境相连通，并使得位于空腔上方的湿敏材料层310底部也可以与外界环境相连通。在本实施例中，湿敏材料层310为一矩形体结构，但本发明不限于此。
[0036]在如图1所示的现有技术中的一种叉指电容型湿度传感器的结构中，湿敏材料104的底部完全与绝缘层表面接触，从而与外界环境产生隔离。因此，外界环境与传感器的接触面就只有湿敏材料的上表面。当环境湿度发生变化时，水分子只能经由湿敏材料104的上表面从一个方向进行吸附或者解吸附，这将造成湿度传感器响应速度慢的问题，导致其测量时达到稳定状态的时间较长。
[0037]而在本发明的湿度传感器结构中，通过在叉指电极308下面形成开口空腔311，使湿敏材料层310的底部也能够与外界环境连通，这样就增加了湿敏材料与外界环境之间的接触面积(即相比现有技术增加出了从湿敏材料层底部接触外界环境的面积)，因此缩短了水分子运动的路径，从而可使湿度传感器的响应速度得到有效提高。
[0038]请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例中的一种湿度传感器结构俯视图。如图3所示，作为一优选的实施方式，所述正、负电极板的叉指电极308-1、308-2(图2中的标记308为其统指)以交错的方式相对设置，并位于同一水平面，在正、负两个电极308-1、308-2的叉指之间形成同层间电容。在叉指电极308-1、308-2下方设有位于介质层302中的开口空腔区域311，湿敏材料层310从叉指电极308-1、308-2侧面(之间)和上方将叉指电极的有效测量区域覆盖。为了使湿敏材料底部能够与外界环境连通，湿敏材料层310的底部外周可与空腔的开口区域311边部具有间隙，即可使得湿敏材料层的底部面积小于空腔的开口平面面积，并处于空腔的开口端边部以内区域。
[0039]作为一优选的实施方式，所述空腔311的高度(深度)可为I?ΙΟμπι，例如可以是3μπι的深度。
[0040]作为可选的实施方式，所述湿敏材料可采用已知的有机聚合物湿敏材料，例如聚酰亚胺类、聚甲基丙烯酸甲脂类及其衍生物、与其他单体的共聚物等；或者采用已知的多孔介质湿敏材料，例如多孔陶瓷基材料、多孔金属氧化物及其他多孔半导体材料等。
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