Cmos湿度传感器及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制作领域技术，特别涉及一种CMOS湿度传感器及其形成方法。
【背景技术】
[0002]目前，在诸如工农业生产、环保、航天等领域都经常需要对环境湿度进行测量及控制，在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的参数之一。
[0003]湿度传感器是基于其功能材料能发生与湿度相关的物理效应或化学反应制造而成的，其具有将湿度物理量转换成电信号的功能。湿度传感器根据其工作原理的不同可分为:伸缩式湿度传感器，利用脱脂毛发的线性尺寸随环境水汽含量的变化而变化；蒸发式湿度传感器，即干湿球湿度传感器，利用干球和湿球温度计在相对湿度变化时两者温度差变化而制得；露点式湿度传感器，利用冷却方法使气体中的水汽达到饱和而结露，根据露点温度来测量气体中的相对湿度；电子式湿度传感器，包括电阻式、电容式和电解式。电容式湿度传感器利用感湿材料吸水后介电常数发生变化而改变电容值，其具有灵敏度高、功耗低、温漂小等优势，因而受到了广泛关注。
[0004]将微传感器与周围的信号处理电路集成在一起，制作加工在同一芯片上，以实现更多的功能和更高的性能，同时降低传感器的成本，已成为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)发展的一个新焦点和趋势。通过系统集成，湿度传感器和信号处理电路尽可能的靠近，从而很大程度上降低寄生参数和外部干扰；单片集成的湿度传感器还可以减少不同芯片之间互连的可靠性问题。
[0005]因此，利用CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术将湿度传感器和信号处理电路进行片上集成，且形成湿度传感器的工艺不会对信号处理电路造成不良影响，是未来湿度传感器的研宄热点和焦点。因此，亟需提供一种新的湿度传感器的形成方法，同时将湿度传感器和CMOS信号处理器件集成在同一芯片上，且形成湿度传感器的工艺不会对CMOS信号处理器件造成不良影响。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是提供一种CMOS湿度传感器及其形成方法，湿度传感器的形成工艺与MOS器件的形成工艺兼容性高，缩小芯片面积、提高集成度和产量，降低功耗和生产成本。
[0007]为解决上述问题，本发明提供一种CMOS湿度传感器的形成方法，包括:提供包括MOS器件区以及传感器区的衬底，所述MOS器件区部分衬底上形成有多晶硅栅，所述传感器区部分衬底上形成有多晶硅加热层，所述衬底上形成有覆盖于多晶硅栅表面以及多晶硅加热层表面的第一介质层；在皿)5器件区上方的第一介质层表面形成与多晶硅栅电连接的第一子金属互连层，同时在所述传感器区上方的第一介质层表面形成若干相互电绝缘的第一金属互连层、第一电连接层以及下电极层，且所述第一金属互连层、第一电连接层、以及下电极层横跨MOS器件区与传感器区的交界，其中，至少2个相互电绝缘的第一金属互连层与多晶硅加热层电连接；在所述第一子金属互连层表面、第一金属互连层表面、下电极层表面、以及第一介质层表面形成第二介质层；在所述MOS器件区上方的第二介质层表面形成与多晶硅栅电连接的第二子金属互连层，同时在所述传感器区上方的第二介质层表面形成第二金属互连层以及第二电连接层，所述第二电连接层与第一电连接层电连接，且所述第二金属互连层与下电极层之间具有相对重合面；在所述第二子金属互连层表面、第二金属互连层表面、第二电连接层表面、以及第二介质层表面形成第三介质层；在所述MOS器件区上方的第三介质层表面形成与多晶硅栅电连接的第三子金属互连层，同时在所述传感器区上方的第三介质层表面形成与第二电连接层电连接的上电极层，且所述上电极层与下电极层之间具有相对重合面，所述上电极层与所述第二金属互连层之间具有相对重合面；在所述第三子金属互连层表面、上电极层表面、以及第三介质层表面形成顶层介质层；依次刻蚀顶层介质层、第三介质层、第二介质层、第一介质层以及部分厚度的衬底，在传感器区形成环形凹槽，所述环形凹槽环绕第一金属互连层、第一电连接层、下电极层、第二金属互连层、第二电连接层以及上电极层，同时依次刻蚀去除位于第二金属互连层上方的顶层介质层、第三介质层以及第二介质层，直至暴露出第二金属互连层表面，在所述第二金属互连层上方形成通孔；采用各向同性刻蚀工艺，沿所述环形凹槽暴露出的位于传感器区的衬底侧壁表面进行刻蚀，刻蚀去除位于多晶硅加热层下方的部分厚度衬底，在所述传感器区上方形成悬空结构，且所述悬空结构与传感器区的衬底之间具有隔热区域；刻蚀去除所述第二金属互连层，在所述通孔下方形成沟槽；形成填充满所述沟槽和通孔的湿敏材料层。
[0008]可选的，在平行于衬底表面方向上，所述环形凹槽的尺寸为通孔尺寸的1/10至2/5 ;所述沟槽的尺寸为通孔的尺寸的2倍至5倍。
[0009]可选的，在平行于衬底表面方向上，所述环形凹槽的尺寸为3微米至5微米；所述通孔的尺寸为10微米至50微米。
[0010]可选的，在平行于衬底表面方向上，所述上电极层的剖面形状为方形或梳状形。
[0011]可选的，在刻蚀去除所述第二金属互连层之前，所述第二金属互连层侧壁被第三介质层覆盖；在刻蚀去除所述第二金属互连层之前，所述上电极层侧壁被顶层介质层覆盖。
[0012]可选的，在形成所述第二电连接层的同时，在所述传感器区上方的第二介质层表面形成伪金属互连层，所述伪金属互连层与第二电连接层之间相互电绝缘，所述伪金属互连层横跨MOS器件区和传感器区的交界，且所述伪金属互连层位于第一金属互连层、第一电连接层的正上方。
[0013]可选的，在所在形成所述环形凹槽以及通孔的过程中，当第二金属互连层表面被暴露出来时，所述伪金属互连层表面被暴露出来；在刻蚀去除所述第二金属互连层的同时，所述伪金属互连层被刻蚀去除。
[0014]可选的，所述悬空结构具有支撑臂，适于起到支撑悬空结构的作用；所述支撑臂为叠层结构，至少包括:位于所述伪金属互连层正下方的第二介质层、第一电连接层、第一金属互连层、下电极层以及第一介质层。
[0015]可选的，还包括步骤:在形成所述第一金属互连层之前，在所述传感器区上方的第一介质层内形成至少若干与多晶硅加热层电连接的第一导电插塞，且所述第一金属互连层与第一导电插塞电连接；在形成所述第二金属互连层以及第二电连接层之前，在所述传感器区上方的第二介质层内形成若干与第一电连接层电连接的第二导电插塞，且所述第二导电插塞与位于第一电连接层正上方的第二电连接层电连接；在形成所述上电极层之前，在所述传感器区上方的第三介质层内形成若干与第二电连接层电连接的第三导电插塞，且所述第三导电插塞与上电极层电连接。
[0016]可选的，所述湿敏材料层的材料为聚酰亚胺；采用旋转涂覆工艺以及退火处理形成所述湿敏材料层。
[0017]可选的，形成所述湿敏材料层的工艺步骤包括:形成填充满所述沟槽和通孔的湿敏材料层，且所述湿敏材料层还位于顶层介质层表面；刻蚀去除所述顶层介质层表面的湿敏材料层。
[0018]可选的，所述第二金属互连层的材料为铝；采用湿法腐蚀工艺刻蚀去除所述第二金属互连层，湿法腐蚀工艺采用的液体为氢氟酸溶液或四甲基氢氧化铵溶液。
[0019]可选的，采用XeF2进行所述各向同性刻蚀工艺；所述各向同性刻蚀工艺的工艺参数为:循环进行向刻蚀腔室内通入XeF2和抽取XeF2的动作，刻蚀腔室内XeF 2压强为10Pa至180Pa，且向刻蚀腔室内通入乂6匕后维持10秒至50秒，循环次数为5至15次。
[0020]可选的，所述传感器区为待形成湿度传感器的区域；所述MOS器件区为待形成MOS信号处理器件的区域。
[0021]可选的，所述多晶硅栅与衬底之间还形成有第一氧化层；所述多晶硅加热层与衬底之间还形成有第二氧化层，其中，第二氧化层和第一氧化层在同一道工艺中形成。
[0022]本发明还提供一种CMOS湿度传感器，包括:衬底，所述衬底包括MOS器件区以及传感器区，所述MOS器件区部分衬底上形成有多晶硅栅，所述传感器区部分衬底上形成有多晶硅加热层，所述衬底上形成有覆盖于多晶硅栅表面以及多晶硅加热层表面的第一介质层；位于所述MOS器件区上方的第一介质层表面的第一子金属互连层，所述第一子金属互连层与多晶硅栅电连接；位于所述传感器区上方的第一介质层表面的若干相互电绝缘的第一金属互连层、第一电连接层以及下电极层，且所述第一金属互连层、第一电连接层、以及下电极层横跨MOS器件区与传感器区的交界，其中，至少2个相互电绝缘的第一金属互连层与多晶硅加热层电连接；位于所述第一子金属互连层表面、第一金属互连层表面、下电极层表面、以及第一介质层表面的第二介质层；位于所述MOS器件区上方的第二介质层表面的第二子金属互连层，所述第二子金属互连层与多晶硅栅电连接；位于所述传感器区上方的第二介质层表面的第二电连接层，所述第二电连接层与第一电连接层电连接；位于所述第二子金属互连层表面、第二电连接层表面、以及第二介质层表面的第三介质层；位于所述MOS器件区上方的第三介质层表面的第三子金属互连层，且所述第三子金属互连层与多晶硅栅电连接；位于所述传感器区上方的第三介质层表面的与第二电连接层电连接的上电极层，且所述上电极层与下电极层之间具有相对重合面；位于所述第三子金属互连层表面、上电极层表面、以及第三介质层表面的顶层介质层；位于所述传感器区的顶层介质层、第三介质层、第二介质层、第一介质层以及部分衬底内环形凹槽，所述环形凹槽环绕第一金属互连层、第一电连接层、下电极层、第二电连接层以及上电极层；位于所述传感器区的隔热区域，所述隔热区域与环形凹槽相互贯穿，且所述隔热区域位于衬底与多晶硅加热层之间；位于所述传感器区的顶层介质层、以及部分厚度的第三介质层内的通孔，以及位于剩余厚度的第三介质层内的沟槽，所述沟槽与通孔相互贯穿，且所述沟槽与下电极层之间具有相对重合面，所述沟槽与上电极层之间具有相对重合面；填充满所述沟槽和通孔的湿敏材料层。
[0023]可选的，还包括:位于所述传感器区上方第一介质层内的第一导电插塞，所述第一导电插塞与多晶硅加热层以及第一金属互连层电连接；位于所述传感器区上方第二介质层内的第二导电插塞，所述第二导电插塞与第一电连接层以及第二电连接层电连接；位于所述传感器区上方第三介质层内的第三导电插塞，所述第三导电插塞与第二电连接层以及上电极层电连接。
[0024]可选的，所述悬空结构具有支撑臂，适于起到支撑悬空结构的作用；所述支撑臂为叠层结构，至少包括:第二介质层、第一电连接层、第一金属互连层、下电极层、以及第一介质层。
[0025]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0026]本发明提供的CMOS湿度传感器的形成方法的技术方案中，在形成MOS器件的多晶硅栅的同时形成湿度传感器的多晶硅加热层，然后在形成MOS器件的子金属互连层的同时，形成湿度传感器所需的金属互连层、第一电连接层、第二电连接层、下电极层以及上电极层；接着，采用标准CMOS工艺中的刻蚀工艺进行刻蚀形成环形凹槽，同时在第二金属互连层上方形成通孔；接着采用各向同性刻蚀工艺刻蚀环形凹槽暴露出的衬底，在传感器区形成悬空结构；然后刻蚀去除第二金属互连层形成沟槽，形成填充满沟槽和通孔的湿敏材料层。本发明中湿度传感器的形成工艺与MOS器件的形成工艺完全兼容，将MOS器件与湿度传感器集成在同一芯片上，缩小了芯片面积，提高了集成度和产量，降低功耗以及生产成本。进一步，本发明在平行于衬底表面方向上，环形凹槽的尺寸为通孔尺寸的1/10至2/5，使得在形成湿敏材料层过程中，湿敏材料层仅填充满通孔，而进入环形凹槽内的湿敏材料层的量非常的少，从而有利于提高CMOS湿度传感器的散热性能。
[0027]进一步，本发明在平行于衬底表面方向上，沟槽的尺寸为通孔的尺寸的2倍至5倍，使得在形成湿敏材料层的过程中，湿敏材料层较好的填充满沟槽以及通孔，提高形成的湿敏材料层的感湿性能，从而提高湿度传