Cmos气体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气体传感器及其形成方法。
【背景技术】
[0002]气体传感器是一种将气体中特定的成分通过某种原理检测出来，并且把检测出来的某种信号转换成适当的电学信号的器件。随着人类对环保、污染及公共安全等问题的日益重视，以及人们对于生活水平的要求的不断提高，气体传感器在工业、民用和环境监测三大主要领域内取得了广泛的应用。
[0003]根据气体传感器检测气体的原理的不同，气体传感器主要包括催化燃烧式、电化学式、热导式、红外吸收式和半导体式气体传感器等。其中，半导体式气体传感器包括电阻式气体传感器和非电阻式气体传感器，由于电阻式气体传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间短和恢复时间短等优点，使得电阻式气体传感器得到了广泛应用，例如在对易燃易爆气体(如014，!12等)和有毒有害气体(如(^、^,等)的探测中起着重要的作用。
[0004]一般的，需要提供信号处理电路使气体传感器正常工作，现有技术常用的方法为:分别单独形成气体传感器以及信号处理器件，然后将气体传感器以及信号处理器件进行封装组合。
[0005]若米用兼容的标准CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺来进行气体传感器的制作，则能够将气体传感器与CMOS信号处理器件集成在同一芯片上，从而提高产品性能、缩小芯片面积、提高集成化、提高产量、降低生产成本等。因此，亟需提供一种新的气体传感器的形成方法，同时将气体传感器和CMOS信号处理器件集成在同一芯片上，且形成气体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气体传感器及其形成方法，气体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气体传感器的形成方法，包括:提供衬底，所述衬底包括MOS器件区以及传感器区；在所述MOS器件区部分衬底表面形成多晶硅栅，在形成所述多晶硅栅的同时，在所述传感器区部分衬底上形成多晶硅加热层；在所述MOS器件区以及传感器区衬底上形成介质层，且所述介质层覆盖于多晶硅栅表面以及多晶硅加热层表面；在所述介质层内形成MOS器件互连结构以及传感器互连结构；其中，所述MOS器件互连结构位于MOS器件区上方，所述MOS器件互连结构与多晶硅栅电连接，所述MOS器件互连结构至少包括2层金属互连层，且所述MOS器件区的金属互连层中包括第一顶层金属互连层，所述第一顶层金属互连层顶部与介质层顶部齐平；部分所述传感器互连结构与多晶硅加热层电连接，所述传感器互连结构至少包括2层金属互连层，传感器区的金属互连层中包括第二顶层金属互连层，且所述传感器互连结构中至少有I层金属互连层还位于MOS器件区上方，所述第二顶层金属互连层顶部与介质层顶部齐平，且第二顶层金属互连层与多晶硅加热层相互电绝缘；在所述介质层表面以及第一顶层金属互连层表面形成钝化层，且所述钝化层暴露出第二顶层金属互连层表面；在所述第二顶层金属互连层表面形成气敏层；采用干法刻蚀工艺，依次刻蚀位于所述气敏层周围的钝化层、介质层以及部分厚度的衬底，在传感器区形成环绕所述气敏层的沟槽；采用各向同性刻蚀工艺，沿所述沟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，其中，悬空结构包括多晶硅加热层、部分介质层、传感器互连结构以及气敏层。
[0008]可选的，所述采用干法刻蚀工艺刻蚀去除的衬底厚度为5微米至10微米；在平行于所述衬底表面方向上，所述沟槽的尺寸为3微米至5微米。
[0009]可选的，形成所述沟槽的工艺步骤包括:在所述钝化层表面以及气敏层表面形成第二光刻胶层，所述第二光刻胶层中具有位于传感器区上方的环形开口，所述环形开口暴露出气敏层周围的钝化层表面；以所述第二光刻胶层为掩膜，沿所述环形开口暴露出的钝化层进行刻蚀，直至刻蚀去除部分厚度的衬底。
[0010]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。
[0011]可选的，形成所述钝化层的工艺步骤包括:在所述介质层表面、第一顶层金属互连层表面、以及第二顶层金属互连层表面形成钝化层；在所述钝化层表面形成第一光刻胶层，所述第一光刻胶层暴露出位于第二顶层金属互连层上方的钝化层表面；以所述第一光刻胶层为掩膜，刻蚀去除位于所述第二顶层金属互连层表面的钝化层。
[0012]可选的，所述气敏层的材料为31102或掺杂有Pt的SnO2;采用磁控溅射工艺形成材料为SnO^气敏层，工艺参数为:提供Sn靶材，溅射气体为Ar和O2，其中，Ar和O2的气体流量比值为2:1至5:1，溅射腔室压强为IPa至5Pa，提供的工作电压为500V至1000V，提供的射频源功率为100瓦至200瓦，衬底100的温度为20摄氏度至50摄氏度。
[0013]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；形成所述多晶硅栅与多晶硅加热层的工艺步骤包括:在所述MOS器件区和传感器区的衬底表面形成氧化层；在所述氧化层表面形成多晶硅层；图形化所述MOS器件区的多晶硅层以及氧化层，形成位于MOS器件区部分衬底表面的第一氧化层、以及位于第一氧化层表面的多晶硅栅；图形化所述传感器区的多晶硅层以及氧化层，形成位于传感器区部分衬底表面的第二氧化层、以及位于第二氧化层表面的多晶硅加热层。
[0014]可选的，所述介质层、MOS器件互连结构、传感器互连结构的形成方法包括:在所述衬底表面形成第一介质层，且所述第一介质层覆盖于多晶硅栅表面以及多晶硅加热层表面；在所述第一介质层表面形成若干第一金属互连层，一部分第一金属互连层位于MOS器件区上方，且位于MOS器件区上方的第一金属互连层与多晶硅栅电连接，另一部分第一金属互连层位于传感器区上方，位于传感器区上方的第一金属互连层分别与多晶硅加热层电连接，且所述与多晶硅加热层电连接的第一金属互连层相互电绝缘；形成覆盖于所述第一介质层表面以及第一金属互连层表面的第二介质层；在所述第二介质层表面形成若干第二金属互连层，一部分第二金属互连层位于MOS器件区上方，且位于MOS器件区上方的第二金属互连层与多晶硅栅电连接，另一部分第二金属互连层位于传感器区上方，且位于传感器区上方的部分第二金属互连层与多晶硅加热层电连接；形成覆盖于所述第二介质层表面以及第二金属互连层表面的第三介质层；在所述第三介质层表面形成若干第三金属互连层，一部分第三金属互连层位于MOS器件区上方，且位于MOS器件区上方的第三金属互连层与多晶硅栅电连接，另一部分第三金属互连层位于传感器区上方，位于传感器区上方的第三金属互连层与部分第二金属互连层电连接，且传感器区上方的第三金属互连层与多晶硅加热层之间电绝缘；形成覆盖于所述第三介质层表面以及第三金属互连层表面的第四介质层；在所述MOS器件区第四介质层表面形成第一顶层金属互连层，所述第一顶层金属互连层与多晶硅栅电连接，在所述传感器区第四介质层表面形成若干相互电绝缘的第二顶层金属互连层所述第二顶层金属互连层与第三金属互连层电连接，其中，所述第二顶层金属互连层与第一顶层金属互连层利用同一道工艺形成；形成覆盖于所述第三介质层表面、第一顶层金属互连层表面以及第二顶层金属互连层表面的顶层介质层，且所述顶层介质层与第一顶层金属互连层、第二顶层金属互连层顶部齐平。
[0015]可选的，还包括步骤:在形成所述第一金属互连层之前，在所述第一介质层内形成若干第一导电插塞，一部分第一导电插塞位于MOS器件区上方，且MOS器件区上方的第一导电插塞与多晶硅栅、以及MOS器件区上方的第一金属互连层电连接，另一部分第一导电插塞位于传感器区上方，且传感器区上方的第一导电插塞与多晶硅加热层、以及传感器区上方的第一金属互连层电连接；在形成所述第二金属互连层之前，在所述第二介质层内形成若干第二导电插塞，一部分第二导电插塞位于MOS器件区上方，且MOS器件区上方的第二导电插塞与MOS器件区上方的第一金属互连层以及第二金属互连层电连接，另一部分第二导电插塞位于传感器区上方，且传感器区上方的第二导电插塞与传感器区上方的第一金属互连层以及部分第二金属互连层电连接；在形成所述第三金属互连层之前，在所述第三介质层内形成若干第三导电插塞，一部分第三导电插塞位于MOS器件区上方，且MOS器件区上方的第三导电插塞与MOS器件区上方的第二金属互连层以及第三金属互连层电连接，另一部分第三导电插塞位于传感器区上方，且传感器区上方的第三导电插塞与传感器区上方的部分第二金属互连层以及第三金属互连层电连接；在形成所述第一顶层金属互连层以及第二顶层金属互连层之前，在所述第四介质层内形成若干第四导电插塞，一部分第四导电插塞位于MOS器件区上方，且MOS器件区上方的第四导电插塞与MOS器件区上方的第三金属互连层以及第一顶层金属互连层电连接，另一部分第四导电插塞位于传感器区上方，且传感器区上方的第四导电插塞与传感器区上方的第三金属互连层以及第二顶层金属互连层电连接。
[0016]可选的，所述传感器互连结构中具有若干相互电绝缘的第二金属互连层，所述传感器互连结构中的第二金属互连层还位于MOS器件区的第二介质层表面，其中，传感器互连结构中的部分第二金属互连层与多晶硅加热层电连接，传感器互连结构中的另一部分第二金属互连层与第二顶层金属互连层电连接；所述传感器互连结构中的第二金属互连层为悬空结构的支撑臂。
[0017]可选的，所述传感器区为待形成气体传感器的区域；所述MOS器件区为待形成MOS信号处理器件的区域。
[0018]本发明还提供一种CMOS气体传感器，包括:衬底，所述衬底包括MOS器件区以及传感器区；位于所述MOS器件区部分衬底表面的多晶硅栅；位于所述传感器区部分衬底表面的多晶硅加热层；位于所述MOS器件区以及传感器区衬底上的介质层，且所述介质层覆盖于多晶硅栅表面以及多晶硅加热层表面；位于所述介质层内的MOS器件互连结构以及传感器互连结构；其中，所述MOS器件互连结构位于MOS器件区上方，所述MOS器件互连结构与多晶硅栅电连接，所述MOS器件互连结构至少包括2层金属互连层，且所述MOS器件区的金属互连层中包括第一顶层金属互连层，所述第一顶层金属互连层顶部与介质层顶部齐平；所述传感器互连结构位于传感器区上方，所述传感器互连结构与多晶硅加热层电连接，所述传感器互连结构至少包括2层金属互连层，传感器区的金属互连层中包括第二顶层金属互连层，且所述传感器互连结构中至少有I层金属互连层还位于MOS器件区上方，所述第二顶层金属互连层顶部与介质层顶部齐平；位于所述介质层表面以及第一顶层金属互连层表面的钝化层；位于所述第二顶层金属互连层表面的气敏层；环绕所述气敏层且位于传感器区上方的沟槽，所述沟槽贯穿传感器区上方的钝化层以及介质层，且所述沟槽暴露出传感器区的部分衬底表面；被所述沟槽环绕的悬空结构，所述悬空结构与传感器区的衬底之间具有隔热区域，且所述悬空结构底部与介质层底部齐平。
[0019]可选的，所述