[发明专利]CMOS气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制作领域技术，特别涉及一种CMOS气体传感器。

背景技术

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、NO_x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(Complementary Metal Oxide Semiconductor)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。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种CMOS气体传感器及其形成方法，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，本发明提供一种CMOS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；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。