微热板上的基于CMOS的半导体设备及其制造方法技术

本文公开了半导体设备和制造半导体设备的方法。半导体设备使用部分CMOS或基于CMOS的处理步骤制成，且其包括半导体衬底、在半导体衬底上的电介质区域、电介质区域内的加热器和电介质区域上的贵金属的图案化层。该方法包括：在电介质区域上沉积光阻材料，以及图案化光阻材料以形成电介质区域上的图案化区域。沉积光阻材料和图案化光阻材料的步骤可以使用与在CMOS工艺中使用的类似的光刻和蚀刻步骤按顺序执行。然后对得到的半导体设备进行进一步处理步骤，其保证电介质膜和该膜内的金属结构在电介质区域上的图案化区域中被形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于微热板的一种设备和制造半导体设备的方法，具体地但不排他地，用于气体传感器。本专利技术还涉及红外线(IR)源和基于CMOS技术的这种源的制造方法。
技术介绍
已知的是在硅衬底上制造微热板结构。这种结构包括嵌入在薄电介质膜内的微加热器，该薄电介质膜典型地由二氧化硅和/或氮化硅构成。这样的结构可用于电阻性气体传感器，通过具有在顶部的电极，其上气体敏感材料被沉积。例如，U.Dibbern等人的“A substrate for Thin-film gas sensors in microelectronic technology”，Sensors and Actuators B，1990，描述了在氧氮化物膜中使用NiFe合金作为加热器材料的微热板的设计。该设备具有在顶部的电极并用于气体感测。类似地，M.Stankova等人的“Detection of SO2and H2S in CO2stream by means of WO3–based micro-hotplate sensors”，Sensors and Actuators B，2004，描述了描述了基于氧氮化物膜中的多晶硅加热器的微热板。M.Baroncini等人的“Thermal characterization of a microheater for micromachined gas sensors”，描述了具有由铂制成的微加热器的气体传感器。同样，许多这样的报告可以在使用用于气体传感器的微热板设备的文献中找到。这其中一些的参考在以下文献中给出：I.Simon等人的“Micromachined metal oxide gas sensors:opportunities to improve sensor performance”，Sensors and Actuators B(2001)，以及S.Z.Ali等人的“Tungsten-Based SOI Microhotpaltes for Smart Gas Sensors”，Journal of MEMS 2008。大多数这些报告的设备不是按标准微电子技术制造的。微电子技术当今按一般形式称为CMOS技术，因为这是制造集成电路的技术。CMOS术语在微电子领域是公知的。在其广泛的意义，它是指用于制造集成电路的硅技术。CMOS确保了在不同水平(例如晶片级，晶片到晶片，以及批次到批次(lot to lot))的处理相同晶体管(高达数十亿)的非常高的精度、大批量制造、非常低成本以及高再现性。CMOS在质量和可靠性有高标准。有很多书和文章描述CMOS且有许多CMOS技术的变体和能够使用CMOS技术被制造的设备。CMOS非常基本的参照能够在维基百科中找到(https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS)：“互补金属氧化物半导体(CMOS)是用于构成集成电路的技术。CMOS技术被用在微处理器、微控制器、静态RAM和其它数字逻辑电路中。CMOS技术还被用于多种模拟电路，例如图像传感器(CMOS传感器)、数据转换器以及用于许多通信类型的高度集成的收发器。Frank Wanlass在1963年授予CMOS专利(美国专利3,356,858)。除数字应用，CMOS技术还被用在模拟应用中。例如，市场上有CMOS运算放大器IC。传输门可以被使用代替信号继电器。CMOS技术在混合信号(模拟和数字)应用中也被广泛地用于一直到微波频率的RF电路。今天，CMOS工艺存在大型微电子代工厂，其中大部分是接触到的客户(即可以由一个以上的公司、法人实体或个人接触到)。这种工艺有保证，并且可以极大量部署。并非所有的硅技术是CMOS技术。非CMOS技术的示例如下给出：-实验室技术(相对于代工厂技术)，这不是大量部署的且不用于制造大量晶体管，但是是专业化小量使用(例如用于R&D)-丝网印刷技术-生物技术，例如在制造流体通道中采用的那些-MEMS技术，例如用于加速计或陀螺仪的那些-非常高电压垂直功率设备技术，例如垂直双极结晶体管技术-使用不是CMOS兼容的材料的技术，例如金、铂或放射性材料。值得一提的是，上述列出的非CMOS的一些技术在一些情况中可以被用在CMOS后或CMOS前工艺而不会影响CMOS工艺。如已经提到的，大部分的传感器不是用CMOS技术制造，并且许多不与CMOS技术兼容。例如，在一些之前提到的报告中铂被用作加热器，但是不可用于CMOS工艺中使用的材料。CMOS技术提供了许多优点，例如在大批量制造的低制造成本、相同芯片上的电路集成可能性以及设备到设备的良好重现性。如果不兼容的材料或工艺被使用，则这些优点是没有的。有一些基于CMOS微热板的报道。例如，Suehle等人的“Tin Oxide Gas Sensor Fabricated Using CMOS Micro-hotplates and In-Situ Processing”，IEEE Electron Device Letters，1993，F.Udrea等人的“Design and simulations of SOI CMOS micro-hotplate gas sensors”，Sensors and Actuators B 2001，M.Afridi等人的“A monolithic CMOS Microhotplate-Based Gas Sensor System”，IEEE Sensors Journal 2002，美国专利5464966，M.Graf的“CMOS microhotplate sensor system for operating temperature up to 500℃”，Sensors and Actuators B 2005，S.Z.Ali等人的“Tungsten-Based SOI Microhotplates for Smart Gas Sensors”，Journal of MEMS 2008，这些都报道了用COMS技术制造的微热板的不同示例。这些相同群组的其他报告给出关于使用多晶硅、MOSFET、单晶硅以及钨作为加热器材料的类似设备。电阻性气体传感器的一个关键方面是在膜顶部制造电极，其用于测量感测材料的电阻。理想的情况是这些电极应当由贵金属(如金或铂)制成。但是，这两种金属通常在CMOS工艺中不可用。因此，一个选择是利用在CMOS中可用的金属，例如铝，这已经在Suehle等人的“Tin Oxide Gas Sensor Fabricated Using CMOS Micro-hotplates and In-Situ Processing”，IEEE Electron Device Letters 1993中被报告。但是，铝在其表面上形成氧化铝，且因此不能与感测材料形成良好电接触。另一种选择是在独立的后CMOS工艺中沉积金或铂。这允许设备在具有CMOS工艺的同时具有与感测材料的良好接触。然而，这步骤不是如它看起来那么直接。一种可能的方法是在CMOS中制造设备且对其进行体蚀刻以释放膜。然后在晶片上纺丝光阻材料，并使用合适的掩模形成图案，之后是对所需的金属进行溅射或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造微热板的方法，该微热板包括半导体衬底、在该半导体衬底上的电介质区域、在该电介质区域内的电阻加热器，该方法包括：使用互补金属氧化物半导体CMOS兼容处理步骤形成所述半导体衬底、所述电介质区域和所述电阻加热器；使用所述CMOS兼容处理步骤在所述电介质区域上沉积光阻材料；使用所述CMOS兼容处理步骤图案化所述光阻材料以在所述电介质区域上形成图案化区域；蚀刻所述半导体衬底的至少一部分以形成电介质膜，其中按顺序执行沉积所述光阻材料的步骤、图案化所述光阻材料的步骤和蚀刻所述半导体衬底的所述部分的步骤；以及对所述电介质膜进行进一步处理，以保证金属结构被沉积在所述电介质区域上的所述图案化区域中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.05 GB 140386811.一种制造微热板的方法，该微热板包括半导体衬底、在该半导体衬底上的电介质区域、在该电介质区域内的电阻加热器，该方法包括：使用互补金属氧化物半导体CMOS兼容处理步骤形成所述半导体衬底、所述电介质区域和所述电阻加热器；使用所述CMOS兼容处理步骤在所述电介质区域上沉积光阻材料；使用所述CMOS兼容处理步骤图案化所述光阻材料以在所述电介质区域上形成图案化区域；蚀刻所述半导体衬底的至少一部分以形成电介质膜，其中按顺序执行沉积所述光阻材料的步骤、图案化所述光阻材料的步骤和蚀刻所述半导体衬底的所述部分的步骤；以及对所述电介质膜进行进一步处理，以保证金属结构被沉积在所述电介质区域上的所述图案化区域中。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述CMOS处理步骤内执行形成所述半导体衬底、所述电介质区域和所述电阻加热器的步骤和沉积和图案化所述光阻材料的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述CMOS处理步骤内执行形成所述半导体衬底、所述电介质区域和所述电阻加热器的步骤，以及使用在所述CMOS处理步骤中能够使用的处理工具与所述CMOS处理步骤分开执行沉积和图案化所述光阻材料的步骤。4.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述进一步处理包括通过应用溅射或蒸镀技术来沉积所述金属结构。5.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述进一步处理包括在所述图案化区域中和在所述光阻材料顶上沉积所述金属结构。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述进一步处理包括去除所述光阻材料和在所述光阻材料顶上的所述金属结构的部分，使得在所述图案化区域中形成的金属结构被保留在所述电介质区域上。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述光阻材料和在所述光阻材料顶上的所述金属结构的部分使用化学溶液或化学溶剂被去除。8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述光阻材料和在所述光阻材料顶上的所述金属结构的部分使用剥离技术被去除。9.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述图案化所述光阻材料的步骤包括应用掩模以定义在所述电介质层上的所述图案化区域。10.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述图案化所述光阻材料的步骤包括使用所述CMOS处理步骤内的光刻技术来定义所述电介质区域上的所述图案化区域。11.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述蚀刻所述半导体衬底的步骤包括在所述半导体衬底邻近应用掩模以定义所述半导体衬底中要被蚀刻的部分。12.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述蚀刻所述半导体衬底的步骤包括应用深反应离子蚀刻DRIE技术。13.根据权利要求1至11中任意一项所述的方法，其中所述蚀刻所述半导体衬底的步骤包括应用湿蚀刻技术，优选使用氢氧化钾KOH或氢氧化四甲铵TMAH。14.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中所述电阻加热器包括选自包含以下各项的组的材料：钨、钛、铝、多晶硅和单晶硅。15.根据上述权利要求任意一项所述的方法，还包括在所述电介质内的所述电阻加热器邻近形成第一阻挡层。16.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中在蚀刻所述衬底之后且在沉积所述金属结构之前，该方法还包括在所述光阻区域顶部和在所述电介质区域上的所述图案化区域中沉积第二扩散阻挡层。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二扩散阻挡层或粘合层包括选自包含以下各项的组的一种或多种材料：钛、镍和铬。18.根据上述权利要求任意一项所述的方法，还包括将所述金属结构图案化成选自包含以下各项的组的一种或多种形状：(1)叉指式电极(2)按同心环形状排列的电极(3)螺旋形电极，以及(4)彼此接近的仅两个电极。19.根据权利要求1至17中任意一项所述的方法，还包括将所述金属结构图案化成一系列的点或孔。20.根据权利要求1至18中任意一项所述的方法，还包括在所述金属结构上沉积气体敏感层。21.根据权利要求20所述的方法，其中所述气体敏感层包括选自包含以下各项的组的金属氧化物材料：氧化锡、氧化钨和氧化锌。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述金属氧化物材料是纯的或掺杂的材料。23.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述气体敏感层包括选自包含以下各项的组的材料：聚合物、纳米线、纳米棒、纳米颗粒以及纳米板。24.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述气体敏感层是多孔层和/或纳米结构层。25.根据权利要求20至24中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·乌德雷亚，S·Z·阿里，J·加德纳，
申请(专利权)人：剑桥CMOS传感器有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB