CN101308110B - 有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片及其制作方法，涉及到一种传感器芯片及其制作方法。它提高具有一体化加热功能的湿度传感器对适用温湿度变化比较快的环境适用性以及减小加热功耗，本发明以单晶硅材料为衬底，结合半导体工艺和微机械加工工艺，提出了一种具有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片及其制作方法。它在传感器结构衬底的对称轴上的热隔离通槽两侧对称有两个结构相同的湿度传感器模块，湿度传感器模块的底部为加热电阻，加热电阻上为湿敏电容，加热电阻的两端、湿敏电容的多孔电容上极板和电容下极板分别通过电极引出。本发明的传感器芯片可靠性和稳定性好，体积小、成本低，便于批量加工，可应用于各种湿度传感器的制作。

Description

有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及到一种传感器的结构及制造方法，具体涉及到带有加热功能的湿度传感器的半导体与微机械加工方法。

背景技术

现有的湿度传感器多数不具有加热功能，少数的具有一体化加热功能的湿度传感器主要是以玻璃材料为衬底，以铂电阻薄膜作为加热器，采用的工艺与半导体工艺不能兼容，加热电阻不易直接制作在电容的正下方，而且在需要快速测量湿度变化较快环境的湿度时需要两只传感器同时使用，一个工作测试，另一只加热除湿，这样需要的加热功率大，而且两只传感器为分立组装，装配和测试较复杂。

发明内容

为了提高具有一体化加热功能的湿度传感器对适用温湿度变化比较快的环境适用性，以及减小加热功耗，本发明以单晶硅材料为衬底，结合半导体工艺和微机械加工工艺，提出了一种具有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片及其制作方法。

本发明的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的结构为：在传感器结构衬底的对称轴上有一热隔离通槽，所述传感器结构衬底的上表面上有两个湿度传感器模块，所述两个湿度传感器模块的结构相同并以所述热隔离通槽为轴左右对称设置，每个湿度传感器模块从下到上依次为第一氧化绝缘层、第一氮化硅绝缘层、绝缘钝化层、湿度敏感介质层和多孔电容上极板，加热电阻位于所述第一氧化绝缘层和传感器结构衬底之间，电容下极板位于所述第一氮化硅绝缘层和绝缘钝化层之间，并且所述电容下极板位于加热电阻的正上方；所述加热电阻的两端、多孔电容上极板和电容下极板分别通过四个电极引脚引出，所述传感器结构衬底为单晶硅。

本发明的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法为：

步骤一、对单晶硅圆片进行氧化、涂胶和各相异性腐蚀，获得传感器结构衬底；

步骤二、在传感器结构衬底的上表面制作两个加热电阻，所述两个加热电阻以所述传感器结构衬底的对称轴对称设置；

步骤三、在两个加热电阻的正上方制作湿敏电容；

步骤四、通过MEMS微加工技术在单晶硅薄膜硅片的对称轴上制作出热隔离通槽，使得两个加热电阻对称位于所述热隔离通槽的两侧。

完成上述步骤之后，采用常规工艺对获得的芯片进行后续处理，将带有加热电阻和湿敏电容的传感器结构衬底，用贴膜机贴在UV膜上；然后用划片机将圆片分离成单独的小芯片；将所述小芯片粘到专用管壳上，然后压焊上引线，具有热净化功能的双模块集成湿度传感器的制作方法基本完成。

本发明采用单晶硅替代传统的石英玻璃为衬底，减小了湿度传感器在探空应用中雨水及太阳辐射的影响，缩小了传感器敏感芯片的尺寸，较小的芯片尺寸同时也对减小热滞后有利。

本发明的传感器芯片，依据湿度敏感介质层的介电常数随吸附水分子量的多少而变化的原理，制成电容式的湿度传感器芯片，在使用过程中，当传感器的环境由高湿转到低湿的时候，湿敏元件表面容易结霜或凝结水膜，而使传感器输出失效，本发明在湿度敏感介质层的正下方制作加热元件的方法，通过对加热元件以脉冲的方式加电加热进而除去传感器表面的霜或凝结水膜，以保证湿度传感器能够正常工作，准确地测试环境湿度。

本发明的湿度敏感芯片，采用双模块结构，通过半导体工艺将具有加热功能的两只湿度传感器集成到一个芯片上，采用MEMS技术减小热损耗，同时通过MEMS技术实现两个模块的热隔离，实现单片多功能传感器芯片集成，扩展现有湿度传感器使用范围，解决现有传感器加热功耗大，为实现一个测试目标必须采用两套参数一致的、同功能传感器的困难，同时提高传感器的可靠性和稳定性。

本发明的湿度敏感芯片制作方法，采用现有的半导体工艺，加工工艺成熟，能够大大提高生产能力、降低成本、提高产品的批次间和批次中的产品一致性。

附图说明

图1是本发明所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的结构为：在传感器结构衬底5的对称轴上有一热隔离通槽12，所述传感器结构衬底5的上表面上有两个湿度传感器模块，所述两个湿度传感器模块的结构相同并以所述热隔离通槽12为轴左右对称设置，每个湿度传感器模块从下到上依次为第一氧化绝缘层4、第一氮化硅绝缘层11、绝缘钝化层9、湿度敏感介质层2和多孔电容上极板1，加热电阻8位于所述第一氧化绝缘层4和传感器结构衬底5之间，电容下极板10位于所述第一氮化硅绝缘层11和绝缘钝化层9之间，并且所述电容下极板10位于加热电阻8的正上方；所述加热电阻8的两端、多孔电容上极板1和电容下极板10分别通过四个电极3引出，所述传感器结构衬底5为单晶硅。

所述多孔电容上极板1为多孔金属薄膜，所述多孔金属薄膜的厚度在20nm至60nm之间。所述多孔金属薄膜可采用金薄膜。所述多孔孔的金属薄膜能够使多孔电容上极板1下面的湿度敏感介质层充分与外界空气相接触，使测量更准确、可靠。

所述电容下极板10为金属薄膜，所述金属薄膜的厚度在700nm至1300nm之间，所述金属薄膜可采用金薄膜或铂薄膜。

所述电容下极板10与传感器结构衬底5欧姆接触。这样能够减小传感器结构沉底5和电容下极板10之间的绝缘层带来的寄生电容，提高传感器性能。

所述湿度敏感介质层2采用高分子感湿材料，所述湿度敏感介质层2的厚度为500nm至3000nm，包括两个端点。

所述加热电阻8为金属铂薄膜，所述金属铂薄膜的厚度为700nm至1300nm，包括两个端点。

所述加热电阻8还可以采用硼高掺杂单晶硅制作，所述硼高掺杂单晶硅的厚度为1000nm至3000nm，包括两个端点。

所述第一氧化绝缘层4是在加工过程中热氧化生成的二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜的厚度为100nm至350nm，包括两个端点。

所述第一氮化硅绝缘层11是在加工过程中采用LPCVD(低压化学汽相淀积)工艺时生成的Si₃N₄薄膜，所述Si₃N₄薄膜的厚度为100nm至200nm，包括两个端点。

所述绝缘钝化层9的材料为SiO₂或Si₃N₄，所述绝缘钝化层9的厚度为600nm至2000nm，包括两个端点。

所述加热电阻8、电容上极板1和电容下极板10的引出电极均为金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为700nm至1300nm，包括两个端点，所述金属薄膜可采用金薄膜。

所述传感器结构衬底5的厚度为10μm至150μm，包括两个端点。

所述热隔离通槽12的宽度为100μm到500μm，包括两个端点。

本实施方式采用单晶硅替代传统的石英玻璃为衬底，减小了湿度传感器在探空应用中雨水及太阳辐射的影响，缩小了传感器敏感芯片的尺寸，现有同类传感器的通常尺寸为(5×7)mm²，本实施方式的传感器的每个模块尺寸能够做到(2×2)mm²，根据实际需要还能够做得更小，较小的芯片尺寸同时也对减小热滞后有利。

本实施方式的湿度敏感芯片，采用双模块结构，通过半导体工艺将具有加热功能的两只湿度传感器集成到一个芯片上，采用MEMS技术减小热损耗，同时通过MEMS技术实现两个模块的热隔离，实现单片多功能传感器芯片集成，扩展现有湿度传感器使用范围，解决现有传感器加热功耗大，为实现一个测试目标必须采用两套参数一致的、同功能传感器的困难，同时提高传感器的可靠性和稳定性。

本实施方式的湿度敏感芯片，依据湿度敏感介质层的介电常数随吸附水分子量的多少而变化的原理，制成电容式的湿度传感器，在使用过程中，当传感器的环境由高湿转到低湿的时候，湿敏元件表面容易结霜或凝结水膜，而使传感器输出失效，本发明在湿度敏感介质层的正下方制作加热元件的方法，通过对加热元件以脉冲的方式加电加热进而除去传感器表面的霜或凝结水膜，以保证湿度传感器能够正常工作，准确地测试环境湿度。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的区别在于，在微结构衬底5的底面还有硅杯5-2及硅杯周边固支。

本实施方式在传感器微结构衬底5的底面增加的硅杯5-2及硅杯周边固支结构，不但能够制作小尺寸的芯片，还能够减小热损耗，提高热净化所用加热电阻除湿效率。

本实施方式所述的硅杯周边固支的下表面上依次覆盖有第二氧化绝缘层6和第二氮化硅绝缘层7，所述第二氧化绝缘层6是二氧化硅薄膜，所述第二氧化绝缘层6的厚度在100nm至350mm之间；所述第二氮化硅绝缘层7是Si₃N₄薄膜，所述第二氮化硅绝缘层7的厚度在100nm至200nm之间。

具体实施方式三：本实施方式所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法为：

步骤一、对单晶硅圆片进行氧化、涂胶和各相异性腐蚀，获得传感器结构衬底5；

步骤二、在传感器结构衬底5的上表面制作两个加热电阻8，所述两个加热电阻8以所述传感器结构衬底5的对称轴100对称；

步骤三、在两个加热电阻8的正上方制作湿敏电容；

步骤四、通过MEMS微加工技术在单晶硅薄膜硅片的对称轴100上制作出热隔离通槽12，使得两个加热电阻8对称位于所述热隔离通槽12的两侧。

完成上述步骤之后，采用常规工艺对获得的芯片进行后续处理，将带有加热电阻和湿敏电容的传感器结构衬底，用贴膜机贴在UV膜上；然后用划片机将圆片分离成单独的小芯片；将所述小芯片粘到专用管壳上，然后压焊上引线，具有热净化功能的双模块集成湿度传感器的制作方法基本完成。

这时的湿度传感器还不稳定，需要经过真空热处理，热老化处理，电、高低温和高低湿老化，出厂之前还要进行性能测试。

本实施方式通过MEMS微加工技术在湿度敏感芯片的双模块之间制作出上下通槽作为热隔离通槽12，将双模块湿度传感器热隔离，实现双模块湿度芯片交替加热工作的功能，而且没有处于加热状态的一个模块中的加热电阻可以作为温度敏感元件使用，经调理电路设计，可以对测试模块湿敏电容温度补偿。

本实施方式采用单晶硅半导体工艺和微加工技术制造加热与湿度测试集成在一起的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片，实现了低成本、低功耗、多功能特点。

在步骤二中所述的加热电阻8的制作方法为：在传感器结构衬底5正面的氧化层上，采用LPCVD(低压化学汽相淀积)工艺生长一层氮化硅，然后通过溅射方法制作1μm厚的金属铂薄膜，用光刻方法刻出加热电阻8的形状，采用等离子刻蚀或是离子束刻蚀方法刻蚀铂层，制作出所需加热电阻8；在所述加热电阻8上表面通过PECVD(化学汽相淀积系统)工艺沉积一层绝缘层。上述加热电阻8的图形，还可以采用剥离技术实现。

在步骤二中所述的加热电阻8的制作方法还可以采用半导体常规工艺，在传感器结构衬底5正面对称轴100的两侧，氧化、光刻，然后通过离子注入方法制作高掺杂的扩散硅加热电阻8，即在传感器结构衬底5的正面氧化一层厚度在40nm至60nm的二氧化硅，然后光刻出加热电阻8的形状，带胶注入大剂量的硼，之后去胶，退火氧化；再通过光刻制作出引线孔，然后蒸发金属、光刻金属、合金化，完成加热电阻8的制作。

上述方式是通过高浓度的硼掺杂制作加热电阻8，解决了金属加热器与单晶硅热胀系数等工艺不匹配问题。

步骤二制作的加热电阻8，能够起到净化器的作用，在传感器外界环境的湿度发生显著变化时，对湿敏元件进行加热，避免由于环境湿度的变化引起湿敏元件表面结霜或凝结水膜的现象，提高了湿敏元件测量的准确性和稳定性。

步骤三中制作湿敏电容的工艺过程为：热氧化形成绝缘层，所述绝缘层为厚度在40nm至60nm的二氧化硅；

光刻，带胶注入大剂量的磷，之后去胶，退火氧化；

光刻，腐蚀绝缘层；

蒸发湿敏电容的下电极，分别在两个加热电阻8的正上方光刻两个电容下极板，然后将所述两个电容下极板合金化，在所述两个电容下极板的上表面用PECVD工艺淀积一层氮化硅，然后光刻出引线孔；

涂敷、固化感湿液制作敏感介质层；

在所述敏感介质层上蒸发金薄膜制作电容的多孔上极板；

将所述电容下极板与传感器结构衬底欧姆接触。

所述湿敏电容直接制作在加热电阻的正上方，并且传感器结构衬底与湿敏电容的一个极板相接，能够减小单晶硅衬底和电极间绝缘层带来的寄生电容。

上述湿敏电容的制作方法与微加工工艺和加热电阻制作方法兼容。在湿敏电容的制作方法中，在湿敏电容的下极板金属上制作一层绝缘钝化层，然后再涂敷湿敏材料、蒸镀多孔上电极，通过绝缘介质隔离技术与电容式高分子湿敏元件制作技术解决了元件使用中湿敏电容的上下电极短路问题，提高传感器可靠性。

本实施方式采用性能优良的高分子感湿材料作为敏感介质层，还采用了稳定的上电极制作技术制作多孔上电极，提高了元件的稳定性和使用寿命。

本实施方式的方法中，可以采用4英寸单晶硅片作为传感器结构衬底，能够提高批量生产能力。

在本实施方式所述的加工方法中，还可以在传感器结构衬底的下表面上采用MEMS技术加工出的硅杯及硅杯周边固支，这样，可以减小传感器结构衬底的热损耗，提高热利用率，也提高了除湿效果。

本实施方式的传感器制作方法，采用了多种工艺技术的综合运用，采用高分子材料合成技术进行敏感材料的合成、配置；采用微机械加工技术制作微结构体；采用金属薄膜工艺和半导体工艺制作热净化加热电阻；采用有机薄膜工艺和半导体工艺制作湿敏电容。由于整个芯片制作方法用到的技术较多，工艺设计和实施中，要考虑到各项工艺和技术的相互制约和相互兼容关系，合理安排工艺路线，制作出具有热净化功能的双模块集成湿度传感器的敏感芯片，芯片分离后，需要进行传感器的封装，老化筛选后，才能进行性能测试标定，最终满足设计要求的传感器才能完成。

本实施方式中，步骤四所述的制作出热隔离通槽12的方法为：首先刻蚀湿度敏感介质层2和绝缘钝化层9，然后去胶、去铝，最后对剩余的部分进行刻蚀。

由于传感器的各层的材料不同，采用的加工工艺也不同，所以在制作热隔离通槽12的时候，需要多次刻蚀，根据不同层的情况采用不同的工艺进行刻蚀，以达到高分子薄膜制作方法和MEMS工艺的兼容的目的。

Claims (9)

1.有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片，其特征在于它的结构为：在传感器结构衬底(5)的对称轴上有一热隔离通槽(12)，所述传感器结构衬底(5)的上表面上有两个湿度传感器模块，所述两个湿度传感器模块的结构相同并以所述热隔离通槽(12)为轴左右对称设置，每个湿度传感器模块从下到上依次为第一氧化绝缘层(4)、第一氮化硅绝缘层(11)、绝缘钝化层

(9)、湿度敏感介质层(2)和多孔电容上极板(1)，加热电阻(8)位于所述第一氧化绝缘层(4)和传感器结构衬底(5)之间，电容下极板(10)位于所述第一氮化硅绝缘层(11)和绝缘钝化层(9)之间，并且所述电容下极板(10)位于加热电阻(8)的正上方；所述加热电阻(8)的两端、多孔电容上极板(1)和电容下极板(10)分别通过四个电极(3)引出，所述传感器结构衬底(5)为单晶硅。

2.根据权利要求1所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片，其特征在于所述多孔电容上极板(1)为厚度在20nm至60nm之间的多孔金属薄膜；所述电容下极板(10)为厚度在700nm至1300nm之间的金属薄膜，所述电容下极板(10)与传感器结构衬底(5)欧姆接触；所述湿度敏感介质层(2)为厚度在1000nm至3000nm之间的高分子感湿材料。

3.根据权利要求1所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片，其特征在于，所述加热电阻(8)为厚度在700nm至1300nm之间的金属铂薄膜，或者是厚度在1000nm至3000nm之间的硼高掺杂单晶硅。

4.根据权利要求1所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片，其特征在于，所述传感器结构衬底(5)的底面还有硅杯(5-2)及硅杯周边固支。

5.有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法，其特征在于它的制作方法为：

步骤一、对单晶硅圆片进行氧化、涂胶和各相异性腐蚀，获得传感器结构衬底(5)；

步骤二、在传感器结构衬底(5)的上表面制作两个加热电阻(8)，所述两个加热电阻(8)以所述传感器结构衬底(5)的对称轴(100)对称；

步骤三、在两个加热电阻(8)的正上方制作湿敏电容； 

步骤四、通过MEMS微加工技术在单晶硅薄膜硅片的对称轴100上制作出热隔离通槽(12)，使得两个加热电阻(8)对称位于所述热隔离通槽(12)的两侧。

6.根据权利要求5所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法，其特征在于步骤二中所述的加热电阻(8)的制作方法为：在传感器结构衬底(5)正面的氧化层上，采用LPCVD工艺生长一层氮化硅，然后通过溅射方法制作1μm厚的金属铂薄膜，用光刻方法刻出加热电阻(8)的形状，采用等离子刻蚀或是离子束刻蚀方法刻蚀铂层，制作出所需加热电阻(8)；在所述加热电阻(8)上表面通过PECVD工艺沉积一层绝缘层。

7.根据权利要求5所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法，其特征在于在步骤二中所述的加热电阻(8)的制作方法采用半导体常规工艺，在传感器结构衬底(5)正面对称轴(100)的两侧氧化、光刻，然后通过离子注入方法制作高掺杂的扩散硅加热电阻(8)，即在传感器结构衬底(5)的正面氧化一层厚度在40nm至60nm的二氧化硅，然后光刻出加热电阻(8)的形状，带胶注入大剂量的硼，之后去胶，退火氧化；再通过光刻制作出引线孔，然后蒸发金属、光刻金属、合金化，完成加热电阻(8)的制作。

8.根据权利要求5所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法，其特征在于步骤三中制作湿敏电容的方法为：

热氧化形成绝缘层，所述绝缘层为厚度在40nm至60nm的二氧化硅；

光刻，带胶注入大剂量的磷，之后去胶，退火氧化；

光刻，腐蚀绝缘层；

蒸发湿敏电容的下电极，分别在两个加热电阻(8)的正上方光刻两个电容下极板，然后将所述两个电容下极板合金化，在所述两个电容下极板的上表面用PECVD工艺淀积一层氮化硅，然后光刻出引线孔；

涂敷、固化感湿液制作敏感介质层；

在所述敏感介质层上蒸发金薄膜制作电容的多孔上极板；

将所述电容下极板与传感器结构衬底欧姆接触。

9.根据权利要求5所述的有加热功能低功耗双模块集成湿度敏感芯片的制作方法，其特征在于它还包括下述步骤：在传感器结构衬底的下表面上采 用MEMS技术加工出的硅杯(5-2)及硅杯周边固支。 

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