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专利号: 201510046466X
申请人: 江西师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 基本电气元件
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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;

所述传感器互连结构位于传感器区上方,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1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。

2.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

3.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

4.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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XeF2压强为100Pa至180Pa,且向刻蚀腔室内通入XeF2后维持10秒至50秒,循环次数为5至15次。

5.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

6.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,所述气敏层的材料为SnO2或掺杂有Pt的SnO2;采用磁控溅射工艺形成材料为SnO2的气敏层,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1Pa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。

7.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

8.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

9.根据权利要求8所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

10.根据权利要求8所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

11.根据权利要求1所述的CMOS气体传感器的形成方法,其特征在于,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。

12.一种CMOS气体传感器,其特征在于,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1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。

13.根据权利要求12所述的CMOS气体传感器,其特征在于,所述介质层包括:位于MOS器件区和传感器区的衬底表面的第一介质层、位于第一介质层表面的第二介质层、位于第二介质层表面的第三介质层、位于第三介质层表面的第四介质层、以及位于第四介质层表面的顶层介质层。

14.根据权利要求13所述的CMOS气体传感器,其特征在于,所述MOS器件互连结构包括4层金属互连层,所述MOS器件互连结构包括:位于MOS器件区第一介质层表面的第一金属互连层、位于MOS器件区第二介质层表面的第二金属互连层、位于MOS器件区第三介质层表面的第三金属互连层、位于MOS器件区第四介质层表面的第一顶层金属互连层。

15.根据权利要求14所述的CMOS气体传感器,其特征在于,所述MOS器件互连结构还包括:位于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栅以及第一金属互连层电连接;位于第二介质层内的第二导电插塞,所述第二导电插塞与第一金属互连层以及第二金属互连层电连接;位于第三介质层内的第三导电插塞,所述第三导电插塞与第二金属互连层以及第三金属互连层电连接;位于第四介质层内的第四导电插塞,所述第四导电插塞与第三金属互连层以及第一顶层金属互连层电连接。

16.根据权利要求13所述的CMOS气体传感器,其特征在于,所述传感器互连结构包括4层金属互连层,所述传感器互连结构包括:位于传感器区第一介质层表面的第一金属互连层、位于传感器区第二介质层表面的第二金属互连层、位于传感器区第三介质层表面的第三金属互连层、位于传感器区第四介质层表面的若干相互电绝缘的第二顶层金属互连层。

17.根据权利要求16所述的CMOS气体传感器,其特征在于,所述传感器互连结构还包括:位于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,且与所述多晶硅加热层电连接的第一金属互连层相互电绝缘;位于第二介质层内的第二导电插塞,所述第二导电插塞与第一金属互连层以及部分第二金属互连层电连接;位于第三介质层内的第三导电插塞,所述第三导电插塞与部分第二金属互连层以及第三金属互连层电连接,且第三金属互连层与多晶硅加热层之间电绝缘;位于第四介质层内的第四导电插塞,所述第四导电插塞与第三金属互连层以及第二顶层金属互连层电连接。

18.根据权利要求16所述的CMOS气体传感器,其特征在于,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。