兼容CMOS工艺的气体传感器的形成方法技术

一种兼容CMOS工艺的气体传感器的形成方法，包括：利用MOS器件的多晶硅栅的形成工艺形成气体传感器的多晶硅加热层；利用MOS器件互连结构的形成工艺形成传感器互连结构；然后在传感器互连结构的第二顶层金属互连层表面形成气敏层；采用干法刻蚀工艺刻蚀位于气敏层周围的钝化层、介质层以及部分厚度的衬底，形成环绕气敏层的沟槽；采用各向同性刻蚀工艺对沟槽暴露出的衬底进行刻蚀，在传感器区上方形成悬空结构，悬空结构与传感器区衬底之间具有隔热区域。本发明专利技术气体传感器的形成工艺与MOS器件的形成工艺完全兼容，将气体传感器和MOS器件集成在同一芯片上，缩小芯片面积，降低功耗、提高集成度和产量。

【技术实现步骤摘要】
兼容CMOS工艺的气体传感器的形成方法
本专利技术涉及半导体制作领域技术，特别涉及一种兼容CMOS工艺的气体传感器的形成方法。
技术介绍
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。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CH4，H2等)和有毒有害气体(如CO、NOx等)的探测中起着重要的作用。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。若采用兼容的标准CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)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。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种兼容CMOS工艺的气体传感器的形成方法，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。为解决上述问题，本专利技术提供一种兼容CMOS工艺的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，其中，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；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。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。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。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。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。可选的，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。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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兼容CMOS工艺的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，其中，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；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。...

【技术特征摘要】
1.一种兼容CMOS工艺的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，其中，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；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，衬底的温度为20摄氏度至50摄氏度。7.根据权利要求1所述的形成方法，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁彩雷，俞挺，骆兴芳，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：江西,36