基于膜的傳感器設備及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于膜的傳感器設備及其制造方法。感測設備具有帶有開口(12)的半導體襯底(1)和橫跨所述開口(12)的膜(13)。在所述膜(13)上設置有加熱器(5)。為降低所述膜（13)的熱導率，從下面蝕刻凹槽(17)到所述膜(13)中。
【專利說明】基于膜的傳感器設備及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有半導體襯底的傳感器設備,該襯底有一開口，膜延伸在該開口上并且加熱器位于該膜上。本發(fā)明還涉及一種用于制造這種傳感器設備的方法。
【背景技術】
[0002]多種傳感器設備需要加熱器。一類這樣的設備由流量傳感器形成，在該類設備中，加熱器周圍熱分布的變化被用于進行流體流量測量。這樣的設備如US2007 / 0241093中所披露的。另一類這樣的傳感器設備包括氣體傳感器，其中加熱器用來加熱感測材料，例如金屬氧化物，使其達到操作溫度。采用這樣的熱板的設備如W095 / 919563中所披露的。
[0003]這類設備可被集成到半導體襯底上，在這種情況下，加熱器有利地設置在該半導體襯底中的開口上的膜上，以此相對于加熱器設置在襯底材料本體上的設備降低了熱損耗。將加熱器設置在膜上具有一系列優(yōu)點，例如降低功耗，增加靈敏性和減少打開設備所需的時間。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種改進的傳感器設計和制造方法，其通過膜而具有低的熱損耗。
[0005]這個目的通過獨立權利要求中的傳感器設備以及方法來實現(xiàn)。
[0006]相應地，所述傳感器設備包括具有頂面和底面以及在頂面和底面之間延伸的開口的半導體襯底(例如硅襯底)。批量材料層，如包括結構化介電層和金屬或半導體層，設置在襯底的頂面上，例如，以形成所述設備的導電引線和其他電氣和電子部件。某些材料層延伸在所述半導體襯底的開口上，以形成膜。進一步地，加熱器設置在所述膜上。
[0007]此外，所述設備包括在所述膜的位置處從下面延伸到批量材料層中的凹槽，以減少膜的厚度和由此產(chǎn)生的通過膜的熱量損耗。
[0008]該類型的設備可以通過提供具有頂面和底面的半導體襯底而制造。上述批量材料層施加到頂面，并且加熱器通過適當?shù)慕Y構技術形成在批量材料層中。進一步地，蝕刻穿過襯底的開口，從而形成通過所述加熱器位置處的材料層形成的膜。此外，在批量材料層的底側中蝕刻凹槽，即施加蝕刻試劑通過襯底中的開口。以這種方式減少所述膜的厚度。
[0009]當結合現(xiàn)代CMOS工藝時本設計特別有利，典型的是在所述半導體襯底上施加很大批量的材料層。該批量層具有IOym或更大的厚度，甚至是在金屬層被移除的位置。通過在膜中形成所述凹槽，所述膜的厚度能夠被優(yōu)化。
[0010]從下面蝕刻所述凹槽的另一個優(yōu)點是其不會影響批量材料層頂面的形貌，而從上面形成所述凹槽會造成所屬膜的非平坦表面，這將致使電極結構和其他類型表面結構的形成變得更加困難，特別是當使用光刻技術時。
[0011]典型地，批量材料層包括多個結構化介電層和多個結構化金屬層，例如從常規(guī)的CMOS設備所獲知的。例如，其可以通過隨后施加合適材料的非結構化層并且使用光刻技術使其結構化而制造。
[0012]進一步地，所述批量材料層有利地包括至少一個非介電蝕刻停止層，其在結構上延伸在開口要被形成在襯底中的位置上。當在所述批量材料層中形成凹槽時，該蝕刻停止層用作停止蝕刻。即使所述蝕刻停止層并非嚴格必需的(可替代地使用定時蝕刻以蝕刻凹槽達到一定深度)，但它是有利的，因為它能夠在明確限定的位置阻止蝕刻過程。
[0013]在蝕刻凹槽后，應當移除至少部分蝕刻停止層以進一步減少所述膜的熱導率。
[0014]所述傳感器有利地是氣體傳感器或流量傳感器。
[0015]其他有利的實施例列在從屬權利要求以及下面的說明書中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]通過下面詳細的說明，將更好地理解本發(fā)明，并且將明白不同于以上描述的其他目的。這樣的說明參考附圖，其中:
[0017]圖1顯示傳感器設備的視圖，
[0018]圖2顯示該設備的剖視圖，
[0019]圖3顯示在形成批量材料層后該設備的剖視圖，
[0020]圖4顯示在凹槽形成后該設備的剖視圖，
[0021]圖5顯示硅板設置在膜的底部的該設備的第二實施例，和
[0022]圖6顯示流量傳感器的視圖。
[0023]注意:附圖不是按比例繪制。
【具體實施方式】
[0024]定義:
[0025]術語表示垂直的方向或設置，例如“頂”，“底”，“在上面”或“在下面”涉及一參照體系，其中形成膜的批量材料層被設置在襯底的頂面，即在上面。換言之，通過定義，襯底被設置在材料層的下面并且膜被定位在延伸通過襯底的開口的頂部。
[0026]術語“橫向(lateral) ”用來描述平行于半導體襯底的頂面和底面的方向。
[0027]“介電”材料是非導電、非金屬材料，特別是氧化物或氮化物，例如，SiO2或SiN。
[0028]“非介電”材料是金屬或類金屬。
[0029]“SOI結構”(“絕緣體上硅”)是包括硅處理襯底、硅層以及設置于處理襯底和硅層之間的絕緣層的結構。
[0030]設備:
[0031]圖1顯示氣體傳感器，其適于產(chǎn)生指示在氣態(tài)載體中的至少一種氣態(tài)分析物(例如空氣中的乙醇)的濃度的信號。其包括半導體襯底I。在補片2中施加電學性質取決于分析物的濃度的傳感器材料到襯底I。例如，補片2由SnO顆粒層組成，其電阻取決于周邊環(huán)境中各種化合物的存在和濃度。這種類型的設備如W096 / 19563中所描述的。
[0032]補片2與連接到處理電路4的至少一對叉指金屬電極3電接觸。處理電路4集成在半導體襯底I上，并且例如能夠包括有源元件(例如晶體管)、至少一個放大器、至少一個模/數(shù)轉換器，和/或接口電路，等等。
[0033]傳感器設備還包括位于補片2的位置處的加熱器5，以加熱補片2達到其操作溫度，對于SnO，該溫度例如典型地至少為300°C。
[0034]圖2顯示該類型設備的剖視圖?？梢钥闯觯雽w襯底I包括底面7(參見圖1)和頂面8。批量材料層9被施加到頂面8，而且典型地包括多個結構化介電層和多個結構化金屬層，如標準CMOS工藝所用的。
[0035]典型地，金屬層包括鋁或銅，其總體用附圖標記IOa-1Of表示，而且金屬層被構造為形成引線或其他電學元件。在圖2中，它們僅僅示意性地顯示。金屬層IOa-1Of被介電層所分離，該介電層典型地為SiO2層，并總體以附圖標記11表示。
[0036]批量層9的部分延伸在半導體襯底I中的開口 12上，并且形成膜13。膜13可以具有圓形或矩形橫截面或任意其他合適的橫截面。
[0037]有利地，并且為了降低膜13的導熱能力，鋁或銅金屬層IOa-1Of均未延伸到膜13中。
[0038]批量層9進一步包括處于拉伸應力下的SiN層14，其至少延伸在膜13上且橫向錨定在膜13之外。層14中的拉伸應力至少足夠大到超過靜止的膜13中的壓縮應力，其導致該膜中的總拉伸應力。如US7154372中所描述的，這樣的拉伸層可用于防止膜翹曲。
[0039]加熱器5是通過將金屬層構造成至少一個金屬導體而形成的，其位于膜13上。有利地，加熱器5由鎢導體形成。如圖1所示，所述金屬導體能夠，例如，遵循一彎曲路徑。加熱器5的層設置在SiN層14上。
[0040]SiO2層15設置在加熱器5的層的頂面，并且使加熱器5的層與形成電極3的另一金屬層電絕緣。
[0041]可在所述設備的頂面施加保護介電層(未顯示)。
[0042]從圖2中可以看出，在所述膜的位置，所述設備還包括從下面延伸到批量材料層9中的凹槽17。如上所討論，該凹槽具有減小膜13厚度的目的。
[0043]典型地，批量層9的厚度至少為5 μ m，特別是在6-15 μ m之間。凹槽17具有至少I μ m的垂直深度，特別是至少3 μ m。
[0044]凹槽17的橫截面，即橫向延伸，有利地與開口 12的上端的橫截面相等，以至于橫跨整個膜，并且因而膜各處均有減少的厚度?；蛘?，凹槽17的橫截面積應至少為開口 12的上端的橫截面積的80%。
[0045]膜13應具有足夠大的橫向延伸以提供熱絕緣位置用于接收補片2。有利地，膜13應覆蓋至少0.1mm2的面積,特別是至少0.2mm2。
[0046]基于從下面的制造過程的描述而變得明顯的原因，所述傳感器設備進一步包括設置成圍繞凹槽17的環(huán)的至少一個蝕刻停止層20，或更確切地說，其殘余體。蝕刻停止層20是非介電材料，特別是鋁或銅。蝕刻停止層20的環(huán)具有1_20μπι之間的橫向寬度W以能夠補償在下述蝕刻過程中的定位誤差。由蝕刻停止層20形成的環(huán)的形狀取決于凹槽17的形狀。
[0047]如圖所示，蝕刻停止層20有利地位于金屬層IOa-1Of的兩層之間的高度處，即位于批量層9的中間高度處，即在這樣的高度處，蝕刻停止層20和批量層9的頂面之間的距離對應于膜的期望厚度。
[0048]制造過程:
[0049]圖3和4顯示了制造所述傳感器設備的方法。[0050]在第一步驟，按照半導體設備制造領域公知的一系列步驟，在硅襯底I的頂面上覆蓋介電層11以及金屬層IOa-1Of。例如,施加第一 SiO2層到頂面8,然后第一金屬層IOa被施加到第一 SiO2層上,并被使用光刻結構化。然后，施加第二 SiO2層，并將第二金屬層IOb施加到其上并結構化，等等。
[0051]在這些步驟中的兩個步驟之間，蝕刻停止層20被施加并結構化以延伸在未來的開口 12的面積上且稍微超出。由于上述原因，在形成蝕刻停止層20之前，添加至少一個第一金屬層(圖3的實施例中的金屬層IOa-1Oc)到批量層9，并且在形成蝕刻停止層20之后，添加至少一個第二金屬層(IOd-1Of)到批量層9。
[0052]在施加金屬層IOa-1Of之后，施加和結構化蝕刻停止層20和介電層11、用于加熱器5的層，隨后施加拉伸層15和電極3。由此形成如圖3所示的設備。
[0053]在下一步驟，在施加光刻掩模到半導體襯底I的底側7之后，例如采用等離子體工藝(如深反應離子蝕刻)或濕法工藝(如使用KOH的各向異性蝕刻)，從底側7蝕刻出開口
12。該步驟使用介電層11的底面作為蝕刻停止。
[0054]在下一步驟，蝕刻凹槽17。在該步驟中，蝕刻停止層20作為蝕刻停止。如果凹槽17要具有與開口 12相同的橫向延伸，則在該步驟中不需要掩模。
[0055]所形成的設備如圖4所示。
[0056]在下一步驟，蝕刻停止層20的可及部分可通過蝕刻任選地去除。如上所述，圍繞凹槽17的具有寬度W的蝕刻停止層20的殘余環(huán)保留在所述設備中。
[0057]現(xiàn)在，能夠施加感測材料的補片2到膜13的頂面。
[0058]替代實施例:
[0059]圖5顯示了設備的替代設計，其中在膜13的底部設置硅板30。硅板30不與襯底I連接，即硅板30和襯底I之間存在間隙，其延伸至硅板30周圍并由開口 12和凹槽17形成。凹槽17具有環(huán)形形狀。
[0060]硅板30的目的是在補片2位置處提供均一的溫度分布。
[0061]板30具有和襯底I相等的厚度，在這種情況下，所述設備可以如上所述地制造，唯一區(qū)別是開口 12具有環(huán)形形狀，從而從襯底I形成板30。
[0062]替代地并且如圖5所示，板30的厚度可以小于襯底I的厚度。為制造該類型的傳感器，可通過SOI結構形成襯底I。換言之，用SOI晶片制造襯底I。該SOI晶片包括處理襯底la、設置在襯底Ia上的絕緣層Ib (特別是SiO2)以及在絕緣層Ib的頂部的單晶硅層Ic0典型地，硅層Ic的厚度遠小于處理襯底Ia的厚度。這種類型的SOI晶片為本領域技術人員所公知。
[0063]批量層9被集成到硅層Ic的頂部上。
[0064]為了制造開口 12和凹槽17，再次從設備的底側蝕刻設備。在第一步驟，使用絕緣層Ib作為蝕刻停止，形成開口 12的第一部分12a。然后在未來的板30的位置處在絕緣層Ib上施加掩模，并去除該掩模外的絕緣層lb。然后，通過蝕刻掉未被遮蔽的硅層Ic形成開口 12的環(huán)形第二部分12b，從而從硅層Ic中形成板30。第二部分12b在板30和襯底I之間形成在板30周圍延伸的環(huán)形間隙。最終，如上所述地通過從開口 12的側面第二部分12b蝕刻而形成凹槽17。
[0065]流量傳感器:[0066]正如所提到的，所述傳感器設備也可以是熱流量傳感器，例如在US2007 /0241093中描述的那種類型的，其在膜上設置有加熱器。流過膜的液體扭曲由加熱器產(chǎn)生的熱場，這進而可被設置在膜上的一個或多個合適的溫度傳感器檢測到。
[0067]圖6顯示了這樣的流量傳感器，其具有在膜13上設置的伸長的加熱器5，以及在膜13上的至少一個特別是兩個溫度傳感器31a、31b。這兩個溫度傳感器31a、31b設置于加熱器5的兩側(上游和下游)。在所顯示的實施例中溫度傳感器31a、31b為熱電堆，如US2007 / 0241093中所描述的。該設備可以用來測量在垂直于加熱器5的伸長軸的方向上的流F。
[0068]注意:
[0069]在參照圖1-5所描述的實施例中，傳感器設備是具有金屬氧化物(特別是SnO)作為感測材料的氣體傳感器。然而，該設備也能夠是使用本領域技術人員所公知的其他感測材料的氣體傳感器。
[0070]該傳感器設備也可以是任何其他類型的設備，其中加熱器設置在薄膜上。
[0071]盡管此處顯示和描述了本發(fā)明目前優(yōu)選的實施例，但可以清楚地理解，本發(fā)明并不限于此，而是可以在下述權利要求的范圍內以其他方式多祥地體現(xiàn)和實施。
【權利要求】
1.一種傳感器設備,包括: 襯底(I)，其具有頂面(8)和底面(7)以及在所述頂面和底面(7，8)之間延伸的開口(12)， 施加到所述頂面(8)的批量材料層(9)，其中至少一些所述材料層延伸在所述開口(12)上以形成膜(13)， 設置在所述膜(13)上的加熱器(5)， 其特征在于，所述傳感器設備包括凹槽(17)，其在所述膜(13)的位置處從下面延伸至所述批量材料層(9)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器設備，其中所述凹槽(17)具有至少Iym的深度，特別是至少3μm的深度。
3.根據(jù)權利要求1-2 中任一項所述的傳感器設備，其中所述凹槽(17)的橫截面積至少為所述開口(12)的上端的橫截面積的80%，且特別是其中所述凹槽(17)的橫截面與開口(12)的上端的橫截面相等。
4.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，其中所述批量材料層(9)包括多個結構化介電層(11)和多個結構化金屬層(IOa-1Of)。
5.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，其進一步包括沿圍繞所述凹槽(17)的環(huán)延伸的至少一個非介電蝕刻停止層(20)，且特別是其中所述環(huán)具有1_20μπι的寬度(W)。
6.根據(jù)權利要求5所述的傳感器設備，其中所述蝕刻停止層(20)為非介電材料，特別是招或銅。
7.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，其中所述膜(13)包括處于拉伸應力下的至少一個SiN層(14)。
8.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，進一步包括: 設置于所述膜(13)上的感測材料的至少一個補片(2)，所述感測材料特別是金屬氧化物，和 接解所述感測材料的電極(3)，并且特別是其中所述電極為金屬電極。
9.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，其中所述加熱器(5)包括至少一個金屬導體，特別是鎢導體。
10.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，進一步包括:集成在所述襯底(I)上的處理電路(4)，且特別是其中所述處理電路包括至少一個放大器、模/數(shù)轉換器或接口電路。
11.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，進一步包括:設置在所述膜(13)的底面的硅板(30)，在所述板(30)和所述襯底(I)之間圍繞所述板(30)形成間隙(12b)，并且特別是其中所述襯底(I)為具有硅處理層(la)、絕緣層(Ib)和硅層(Ic)的SOI結構，所述絕緣層(Ib)設置于所述硅處理層(Ia)和所述硅層(Ic)之間。
12.根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備，其中所述傳感器設備為氣體傳感器或濕度傳感器。
13.根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的傳感器設備，其中所述傳感器設備為流量傳感器，其包括設置在所述膜上的至少一個、特別是至少兩個溫度傳感器(31a，31b)。
14.一種用于制造傳感器設備的方法，特別是制造根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器設備的方法，包括如下步驟: 提供具有頂面和底面(7，8)的半導體襯底(1)， 施加批量材料層(9)到所述頂面(8)，且在所述批量材料層(9)中形成加熱器(5)， 穿過所述襯底(I)蝕刻開口(12)，從而在所述加熱器(5)的位置處形成膜(13)，其特征在于步驟: 通過穿過所述開口(12)蝕刻來在所述批量材料層(9)中形成凹槽(17)，從而減少所述膜(13)的厚度。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述材料層包括介電層(11)和至少一個非介電蝕刻停止層(20)，其中所述蝕刻停止層(20)被構造為在所述開口(12)的位置上延伸，其中所述方法包括在形成所述凹槽(17)時使用所述蝕刻停止層(20)作為蝕刻停止的步驟。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，進一步包括在形成所述凹槽(17)后移除至少部分所述蝕刻停止層(20)的步驟。
17.根據(jù)權利要求15或16所述的方法，其中在所述蝕刻停止層(20)之前，將至少一個第一金屬層(IOa-1Oc)添加到所述批量層(9)，并且在沉積所述蝕刻停止層(20)后，將至少一個第二金屬層(IOd-1Of)添加到所述批量層(9)。
18.根據(jù)權利要求15-17中任一項所述的方法，進一步包括在蝕刻所述凹槽(17)后施加感測材料的補片(2)到所述膜(13)的步驟。
19.根據(jù)權利要求15-18中任一項所述的方法，進一步包括在所述膜(13)下面形成硅板(30)的步驟，在所述板(30)和所述襯底(I)之間圍繞所述板(30)形成間隙(12b)， 并且特別是其中所述襯底(I)為具有硅處理層(la)、絕緣層(Ib)和硅屬(Ic)的SOI結構，所述絕緣層(Ib)設置于所述硅處理層(Ia)和所述硅層(Ic)之間，其中所述板(30)由所述硅層(Ic)形成。
【文檔編號】G01N27/04GK103969296SQ201410056939
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權日:2013年1月31日
【發(fā)明者】R·蘇尼爾, C·庫爾敏, R·胡梅爾 申請人:盛思銳股份公司