集成mos器件的cmos湿度传感器形成方法
【专利说明】集成MOS器件的CMOS湿度传感器形成方法
[0001]本申请是申请号为201510066381.8、申请日为2015年2月9日、发明名称为CMOS湿度传感器及其形成方法的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及半导体制作领域技术，特别涉及一种集成M0S器件的CMOS湿度传感器形成方法。
【背景技术】
[0003]目前，在诸如工农业生产、环保、航天等领域都经常需要对环境湿度进行测量及控制，在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的参数之一。
[0004]湿度传感器是基于其功能材料能发生与湿度相关的物理效应或化学反应制造而成的，其具有将湿度物理量转换成电信号的功能。湿度传感器根据其工作原理的不同可分为:伸缩式湿度传感器，利用脱脂毛发的线性尺寸随环境水汽含量的变化而变化；蒸发式湿度传感器，即干湿球湿度传感器，利用干球和湿球温度计在相对湿度变化时两者温度差变化而制得；露点式湿度传感器，利用冷却方法使气体中的水汽达到饱和而结露，根据露点温度来测量气体中的相对湿度；电子式湿度传感器，包括电阻式、电容式和电解式。电容式湿度传感器利用感湿材料吸水后介电常数发生变化而改变电容值，其具有灵敏度高、功耗低、温漂小等优势，因而受到了广泛关注。
[0005]将微传感器与周围的信号处理电路集成在一起，制作加工在同一芯片上，以实现更多的功能和更高的性能，同时降低传感器的成本，已成为MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)发展的一个新焦点和趋势。通过系统集成，湿度传感器和信号处理电路尽可能的靠近，从而很大程度上降低寄生参数和外部干扰；单片集成的湿度传感器还可以减少不同芯片之间互连的可靠性问题。
[0006]因此，利用CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术将湿度传感器和信号处理电路进行片上集成，且形成湿度传感器的工艺不会对信号处理电路造成不良影响，是未来湿度传感器的研究热点和焦点。因此，亟需提供一种新的湿度传感器的形成方法，同时将湿度传感器和CMOS信号处理器件集成在同一芯片上，且形成湿度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】
[0007]本发明解决的问题是提供一种CMOS湿度传感器形成方法，湿度传感器的形成工艺与M0S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。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种CMOS湿度传感器形成方法，包括:提供包括M0S器件区以及传感器区的衬底，所述M0S器件区部分衬底上形成有多晶硅栅，所述传感器区部分衬底上形成有多晶硅加热层，所述衬底上形成有覆盖于多晶硅栅表面以及多晶硅加热层表面的第一介质层；在MOS器件区上方的第一介质层表面形成与多晶硅栅电连接的第一子金属互连层，同时在所述传感器区上方的第一介质层表面形成若干相互电绝缘的第一金属互连层、第一电连接层以及下电极层，且所述第一金属互连层、第一电连接层、以及下电极层横跨MOS器件区与传感器区的交界，其中，至少2个相互电绝缘的第一金属互连层与多晶硅加热层电连接；在所述第一子金属互连层表面、第一金属互连层表面、下电极层表面、以及第一介质层表面形成第二介质层；在所述MOS器件区上方的第二介质层表面形成与多晶硅栅电连接的第二子金属互连层，同时在所述传感器区上方的第二介质层表面形成第二金属互连层以及第二电连接层，所述第二电连接层与第一电连接层电连接，且所述第二金属互连层与下电极层之间具有相对重合面；在所述第二子金属互连层表面、第二金属互连层表面、第二电连接层表面、以及第二介质层表面形成第三介质层；在所述MOS器件区上方的第三介质层表面形成与多晶硅栅电连接的第三子金属互连层，同时在所述传感器区上方的第三介质层表面形成与第二电连接层电连接的上电极层，且所述上电极层与下电极层之间具有相对重合面，所述上电极层与所述第二金属互连层之间具有相对重合面；在所述第三子金属互连层表面、上电极层表面、以及第三介质层表面形成顶层介质层；依次刻蚀顶层介质层、第三介质层、第二介质层、第一介质层以及部分厚度的衬底，在传感器区形成环形凹槽，所述环形凹槽环绕第一金属互连层、第一电连接层、下电极层、第二金属互连层、第二电连接层以及上电极层，同时依次刻蚀去除位于第二金属互连层上方的顶层介质层、第三介质层以及第二介质层，直至暴露出第二金属互连层表面，在所述第二金属互连层上方形成通孔；采用各向同性刻蚀工艺，沿所述环形凹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；刻蚀去除所述第二金属互连层，在所述通孔下方形成沟槽；形成填充满所述沟槽和通孔的湿敏材料层；其中，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。
[0009]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0010]本发明提供了一种结构性能优越的CMOS湿度传感器，MOS器件与湿度传感器集成在同一芯片上，芯片面积小，且CMOS湿度传感器的功耗低。
【附图说明】
[0011]图1至图25为本发明实施例提供的CMOS湿度传感器形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]由【背景技术】可知，现有技术湿度传感器的制作工艺与CMOS工艺兼容性差，难以采用标准的CMOS工艺制作湿度传感器。
[0013]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0014]图1至图25为本发明实施例提供的CMOS湿度传感器形成过程的结构示意图。
[0015]参考图1，提供衬底100，所述衬底100包括M0S器件区I和传感器区II。
[0016]所述衬底100的材料为硅、锗、锗化硅、碳化硅或砷化镓，所述衬底100还可以为绝缘体上的硅、绝缘体上的锗或者绝缘体上的锗化硅。所述衬底100表面还可以形成若干外延界面层或应变层，以提高CMOS湿度传感器的电学性能。本实施例中，所述衬底100为硅衬底。所述M0S器件区I为待形成M0S信号处理器件的区域，为后续形成PM0S晶体管、NM0S晶体管或CMOS晶体管提供信号处理电路平台，用于检测或采集湿度传感器中的电信号；所述传感器区II为待形成湿度传感器的区域，为后续形成湿度传感器提供工作平台。所述M0S器件区I衬底100内还可以形成隔离结构，所述隔离结构可以为浅沟槽隔离结构(STI，Shallow Trench Isolat1n)，隔离结构的填充材料为氧化娃、氮化娃或氮氧化娃等绝缘材料。还可以在M0S器件区I衬底100内形成若干阱区，所述阱区的类型根据待形成的M0S器件的类型确定，所述阱区的掺杂类型为N型掺杂或P型掺杂。例如，在部分M0S器件区I上形成NM0S晶体管时，则相应的M0S器件区I衬底100内形成P型阱区，所述P型阱区的掺杂离子为B、Ga或In ;在部分M0S器件区I上形成PM0S晶体管时，则相应的M0S器件区I衬底100内形成N型阱区，所述N型阱区的掺杂离子为P、As或Sb。
[0017]本实施例以一个M0S器件区1、一个传感器区11作为示例，相应后续形成湿度传感器的数量为1，在平行于衬底100表面方向上，所述传感器区II的尺寸为10微米X 10微米至50微米X50微米。在其他实施例中，M0S器件区的数量可以为大于等于1的任一自然数，传感器区的数量也可以为大于等于1的任一自然数，则相应形成的湿度传感器的数量与传感器区的数量相同。
[0018]本实施例中，后续以在M0S器件区I内形成PM0S晶体管作为示例。
[0019]参考图2，在所述M0S器件区I和传感器区II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M0S器件区I的多晶硅层以及氧化层，形成位于M0S器件区I部分衬底100表面的第一氧化层111、以及位于第一氧化层111表面的多晶硅栅112 ;图形化所述传感器区II的多晶硅层以及氧化层，形成位于传感器区II部分衬底100表面的第二氧化层121、以及位于第二氧化层121表面的多晶硅加热层122。所述氧化层的材料为氧化硅，采用化学气相沉积工艺形成