本發(fā)明涉及基于微熱板的一種設(shè)備和制造半導(dǎo)體設(shè)備的方法，具體地但不排他地，用于氣體傳感器。本發(fā)明還涉及紅外線(IR)源和基于CMOS技術(shù)的這種源的制造方法。

背景技術(shù)：

已知的是在硅襯底上制造微熱板結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括嵌入在薄電介質(zhì)膜內(nèi)的微加熱器，該薄電介質(zhì)膜典型地由二氧化硅和/或氮化硅構(gòu)成。

這樣的結(jié)構(gòu)可用于電阻性氣體傳感器，通過具有在頂部的電極，其上氣體敏感材料被沉積。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合金作為加熱器材料的微熱板的設(shè)計(jì)。該設(shè)備具有在頂部的電極并用于氣體感測(cè)。類似地，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熱器的微熱板。M.Baroncini等人的“Thermal characterization of a microheater for micromachined gas sensors”，描述了具有由鉑制成的微加熱器的氣體傳感器。

同樣，許多這樣的報(bào)告可以在使用用于氣體傳感器的微熱板設(shè)備的文獻(xiàn)中找到。這其中一些的參考在以下文獻(xiàn)中給出：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。

大多數(shù)這些報(bào)告的設(shè)備不是按標(biāo)準(zhǔn)微電子技術(shù)制造的。微電子技術(shù)當(dāng)今按一般形式稱為CMOS技術(shù)，因?yàn)檫@是制造集成電路的技術(shù)。

CMOS術(shù)語在微電子領(lǐng)域是公知的。在其廣泛的意義，它是指用于制造集成電路的硅技術(shù)。CMOS確保了在不同水平(例如晶片級(jí)，晶片到晶片，以及批次到批次(lot to lot))的處理相同晶體管(高達(dá)數(shù)十億)的非常高的精度、大批量制造、非常低成本以及高再現(xiàn)性。CMOS在質(zhì)量和可靠性有高標(biāo)準(zhǔn)。

有很多書和文章描述CMOS且有許多CMOS技術(shù)的變體和能夠使用CMOS技術(shù)被制造的設(shè)備。CMOS非?；镜膮⒄漳軌蛟诰S基百科中找到(https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS)：

“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)是用于構(gòu)成集成電路的技術(shù)。CMOS技術(shù)被用在微處理器、微控制器、靜態(tài)RAM和其它數(shù)字邏輯電路中。CMOS技術(shù)還被用于多種模擬電路，例如圖像傳感器(CMOS傳感器)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及用于許多通信類型的高度集成的收發(fā)器。Frank Wanlass在1963年授予CMOS專利(美國(guó)專利3,356,858)。除數(shù)字應(yīng)用，CMOS技術(shù)還被用在模擬應(yīng)用中。例如，市場(chǎng)上有CMOS運(yùn)算放大器IC。傳輸門可以被使用代替信號(hào)繼電器。CMOS技術(shù)在混合信號(hào)(模擬和數(shù)字)應(yīng)用中也被廣泛地用于一直到微波頻率的RF電路。

今天，CMOS工藝存在大型微電子代工廠，其中大部分是接觸到的客戶(即可以由一個(gè)以上的公司、法人實(shí)體或個(gè)人接觸到)。這種工藝有保證，并且可以極大量部署。

并非所有的硅技術(shù)是CMOS技術(shù)。非CMOS技術(shù)的示例如下給出：

-實(shí)驗(yàn)室技術(shù)(相對(duì)于代工廠技術(shù))，這不是大量部署的且不用于制造大量晶體管，但是是專業(yè)化小量使用(例如用于R&D)

-絲網(wǎng)印刷技術(shù)

-生物技術(shù)，例如在制造流體通道中采用的那些

-MEMS技術(shù)，例如用于加速計(jì)或陀螺儀的那些

-非常高電壓垂直功率設(shè)備技術(shù)，例如垂直雙極結(jié)晶體管技術(shù)

-使用不是CMOS兼容的材料的技術(shù)，例如金、鉑或放射性材料。

值得一提的是，上述列出的非CMOS的一些技術(shù)在一些情況中可以被用在CMOS后或CMOS前工藝而不會(huì)影響CMOS工藝。

如已經(jīng)提到的，大部分的傳感器不是用CMOS技術(shù)制造，并且許多不與CMOS技術(shù)兼容。例如，在一些之前提到的報(bào)告中鉑被用作加熱器，但是不可用于CMOS工藝中使用的材料。CMOS技術(shù)提供了許多優(yōu)點(diǎn)，例如在大批量制造的低制造成本、相同芯片上的電路集成可能性以及設(shè)備到設(shè)備的良好重現(xiàn)性。如果不兼容的材料或工藝被使用，則這些優(yōu)點(diǎn)是沒有的。

有一些基于CMOS微熱板的報(bào)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(xiàn).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，美國(guó)專利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，這些都報(bào)道了用COMS技術(shù)制造的微熱板的不同示例。這些相同群組的其他報(bào)告給出關(guān)于使用多晶硅、MOSFET、單晶硅以及鎢作為加熱器材料的類似設(shè)備。

電阻性氣體傳感器的一個(gè)關(guān)鍵方面是在膜頂部制造電極，其用于測(cè)量感測(cè)材料的電阻。理想的情況是這些電極應(yīng)當(dāng)由貴金屬(如金或鉑)制成。但是，這兩種金屬通常在CMOS工藝中不可用。因此，一個(gè)選擇是利用在CMOS中可用的金屬，例如鋁，這已經(jīng)在Suehle等人的“Tin Oxide Gas Sensor Fabricated Using CMOS Micro-hotplates and In-Situ Processing”，IEEE Electron Device Letters 1993中被報(bào)告。但是，鋁在其表面上形成氧化鋁，且因此不能與感測(cè)材料形成良好電接觸。

另一種選擇是在獨(dú)立的后CMOS工藝中沉積金或鉑。這允許設(shè)備在具有CMOS工藝的同時(shí)具有與感測(cè)材料的良好接觸。然而，這步驟不是如它看起來那么直接。一種可能的方法是在CMOS中制造設(shè)備且對(duì)其進(jìn)行體蝕刻以釋放膜。然后在晶片上紡絲光阻材料，并使用合適的掩模形成圖案，之后是對(duì)所需的金屬進(jìn)行濺射或蒸鍍。

然而，這導(dǎo)致低產(chǎn)量和制造差，因?yàn)楣庾璨牧贤繉雍托纬蓤D案能夠損壞膜。事實(shí)上，膜是非常薄的(<10μm)，因此，當(dāng)光阻材料被高速紡絲時(shí)，有可能膜破裂。在光阻材料紡絲器上的真空也能夠引起膜破裂。此外，制造的膜由于膜層內(nèi)的殘余應(yīng)力經(jīng)常略微彎曲。這會(huì)導(dǎo)致光阻材料的不均勻分布，并且還導(dǎo)致掩模圖案不好定義。

此外，一般情況下，和光刻設(shè)備一樣，大多數(shù)代工廠被配備和設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)晶片有效，且沒有被設(shè)計(jì)對(duì)具有膜的晶片有效。例如一些掩模對(duì)準(zhǔn)器用真空從正面來拿起晶片，其在膜晶片的情況中可能會(huì)導(dǎo)致一些膜破裂。由于所有這些原因，非常難以在這方法中在微熱板上沉積金。

另一種沉積方法是通過在對(duì)電極形成圖案和沉積之后執(zhí)行體蝕刻。例如M.Graf等人的“CMOS Microhotplate sensor system for operating temperature up to 500℃”，Sensors and Actuators B 2005使用這種方法來沉積鉑電極。以這種方式，形成圖案和金沉積是在標(biāo)準(zhǔn)晶片上完成，且之后完成背蝕刻步驟。這種方法的問題是在晶片上沉積的鉑能夠污染用于體蝕刻的設(shè)備。

M.Afridi等人的“A monolithic CMOS Microhotplate-Based Gas Sensor System”，IEEE Sensors Journal 2002，使用稍微不同但相似的工藝。在他們的工藝中，在CMOS處理之后，他們?cè)谡麄€(gè)晶片上沉積金，然后在其上紡絲抗蝕劑并對(duì)其形成圖案。晶片然后被體蝕刻以釋放膜(在此情況下懸浮的膜)。這隨后是通過蝕刻金以將其從不被需要的區(qū)域移除。

使用這種方法，優(yōu)點(diǎn)在于在體蝕刻之后在晶片上不需要光刻或紡絲，因此在光刻機(jī)器中沒有處理膜的問題。然而，類似于Graf使用的方法，其仍然意味著放在該機(jī)器中用于體蝕刻的晶片已經(jīng)包含金，且因此可能污染該機(jī)器。此外，所述的設(shè)備是懸浮的膜，這是機(jī)械上穩(wěn)定性較差。

IR發(fā)射器也是眾所周知的。例如，Parameswaran等人的“Micro-machined thermal emitter from a commercial CMOS process”，IEEE EDL 1991，和San等人的“A silicon micromachined infra-red emitter based on SOI wafer”(Proc of SPIE 2007)，描述了基于在懸浮橋或膜上的微熱板的IR發(fā)射器設(shè)備。

為了改善IR發(fā)射器的發(fā)射，通常材料沉積在頂部。這能夠是高發(fā)射率材料的涂層，例如碳，或金屬合金，或者可以是等離子結(jié)構(gòu)。等離子結(jié)構(gòu)，例如被J.Daly的“Nano-Structured Surfaces for Tuned Infrared Emission for Spectroscopic applications”，Micro-and Nano-photonic Materials and Devies,2000，或Y.Chang的“Emission properties of Ag/dielectrid/Ag plasmonic thermal emitter with different lattice type,hole shape,and dielectric material”，Applied Physics letters 213102，2009，描述的那些，能夠改善某些波長(zhǎng)的IR發(fā)射。這些包括在上表面上的一個(gè)或多個(gè)層，尤其在重復(fù)圖案中設(shè)計(jì)的。

這些等離子結(jié)構(gòu)能夠由金或鉑制成，并且其沉積方法面臨與用于阻性氣體傳感器的電極相同的挑戰(zhàn)。

本發(fā)明的目的是解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制造微熱板的方法，該微熱板包括半導(dǎo)體襯底、在半導(dǎo)體襯底之上的電介質(zhì)區(qū)域、電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的電阻加熱器，該方法包括：使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS兼容處理步驟形成半導(dǎo)體襯底、電介質(zhì)區(qū)域以及電阻加熱器；使用CMOS兼容處理步驟在電介質(zhì)區(qū)域上沉積光阻材料；使用CMOS兼容處理步驟對(duì)光阻材料形成圖案以在電介質(zhì)區(qū)域上形成圖案區(qū)域；之后蝕刻半導(dǎo)體襯底的至少一部分以形成電介質(zhì)膜，其中沉積光阻材料、對(duì)光阻材料形成圖案以及蝕刻半導(dǎo)體襯底的該部分的步驟按順序執(zhí)行；以及對(duì)電介質(zhì)膜進(jìn)行進(jìn)一步處理，其確保金屬結(jié)構(gòu)被沉積在電介質(zhì)區(qū)域上的形成圖案的區(qū)域中。

本文中公開的微熱板包括：具有蝕刻的部分的半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上的電介質(zhì)區(qū)域；電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)形成的電阻加熱器；和在該電介質(zhì)區(qū)域上形成的圖案化金屬層。半導(dǎo)體襯底、電介質(zhì)區(qū)域、電阻加熱器和圖案化金屬層是使用上述方法形成的。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步方面，提供了一種微熱板，包括：具有蝕刻的部分的半導(dǎo)體襯底；半導(dǎo)體襯底上的電介質(zhì)區(qū)域；電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)形成的電阻加熱器；和在該電介質(zhì)區(qū)域上形成的圖案化金屬層。半導(dǎo)體襯底、電介質(zhì)區(qū)域、電阻加熱器是使用CMOS兼容技術(shù)形成的。圖案化金屬層的圖案是由CMOS兼容技術(shù)定義的，并且在襯底中的蝕刻的部分使用蝕刻技術(shù)形成，并且使用進(jìn)一步的技術(shù)形成圖案化金屬層。

在權(quán)利要求2及以下的權(quán)利要求提出進(jìn)一步方面和優(yōu)選特征。

應(yīng)該理解的是，電介質(zhì)區(qū)域可以包括一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層。當(dāng)電阻加熱器被包含在電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)時(shí)，一個(gè)電介質(zhì)層可以呈現(xiàn)在電阻加熱器的兩側(cè)。術(shù)語“CMOS兼容工藝”包括在CMOS工藝內(nèi)使用的處理步驟，以及包括從CMOS工藝分開進(jìn)行執(zhí)行的某些處理步驟，但使用在CMOS處理步驟中可使用的處理工具。例如，形成襯底、電介質(zhì)區(qū)域和電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的電阻加熱器的處理步驟在CMOS處理步驟中進(jìn)行，并且沉積光阻材料和圖案化光阻材料的處理步驟能夠使用光刻工具分開執(zhí)行(在CMOS處理步驟之外)，該工具也可用于CMOS工藝中。可替代地，術(shù)語“CMOS兼容工藝”包括處理步驟，在該處理步驟中，襯底、電介質(zhì)區(qū)域、電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的電阻加熱器和圖案化光阻材料直接使用CMOS工藝(或在CMOS處理步驟內(nèi))被形成。術(shù)語“電介質(zhì)膜”是指在其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被回蝕刻的設(shè)備結(jié)構(gòu)。電介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)通常包括蝕刻的襯底、蝕刻的襯底上的電介質(zhì)區(qū)域、電阻加熱器和電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的互連和電介質(zhì)區(qū)域上的圖案化光阻。電介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬沉積步驟，其在一般不是CMOS兼容的工藝(后CMOS工藝或非CMOS工藝)中被執(zhí)行。

本發(fā)明一般提供一種半導(dǎo)體設(shè)備和制造半導(dǎo)體設(shè)備的方法。該半導(dǎo)體設(shè)備是使用部分CMOS或基于CMOS的處理步驟制造的，且其包括半導(dǎo)體襯底和半導(dǎo)體襯底上的至少一個(gè)第一電介質(zhì)層、加熱器、以及加熱器上的至少一個(gè)進(jìn)一步第二電介質(zhì)層以及至少一個(gè)在至少一個(gè)進(jìn)一步電極層之上的貴金屬的圖案化層。該方法包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述第二電介質(zhì)層上的光阻材料的沉積；圖案化光阻材料以在電介質(zhì)層上形成圖案化區(qū)域。沉積光阻材料、圖案化光阻材料的步驟使用與在CMOS中使用的相似的光刻和蝕刻步驟按順序執(zhí)行。得到的半導(dǎo)體設(shè)備然后進(jìn)行進(jìn)一步處理步驟，這確保電介質(zhì)膜和該膜內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)在第二電介質(zhì)層上的圖案化區(qū)域中被形成。

該膜是通過背蝕刻形成的，優(yōu)選通過在已經(jīng)完成所有CMOS和CMOS類步驟之后的深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)。

貴金屬結(jié)構(gòu)可以是金或鉑的層且優(yōu)選在形成電介質(zhì)膜之后被沉積。可替換地，金屬結(jié)構(gòu)可以是由金或鉑制成的離散結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解的是，貴金屬結(jié)構(gòu)可通常用作一對(duì)叉指式電極，以便該半導(dǎo)體設(shè)備可作為氣體傳感器，在這種情況下，進(jìn)一步化學(xué)敏感層被形成在該對(duì)叉指式電極的上方。金屬結(jié)構(gòu)可以用作在IR源中的等離子結(jié)構(gòu)。在這兩種應(yīng)用中，電阻加熱器被嵌入在第一和第二電介質(zhì)層之間(或電介質(zhì)區(qū)域內(nèi))，并被放置在電介質(zhì)膜內(nèi)，以便半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以作為氣體傳感器和/或IR發(fā)射器操作。由于半導(dǎo)體設(shè)備集成在電介質(zhì)膜內(nèi)的電阻加熱器，它可以被稱為微熱板。半導(dǎo)體設(shè)備指的是使用CMOS處理步驟或CMOS類步驟制成的結(jié)構(gòu)，這包括貴金屬的光阻圖案化，隨后襯底的至少一部分的深蝕刻以形成膜，使用之前圖案化的光阻的貴金屬沉積和剝離。背面蝕刻，貴金屬沉積和剝離被稱為非CMOS或后CMOS處理步驟。對(duì)于非CMOS步驟或后CMOS處理步驟，我們一般涉及由于缺乏與CMOS步驟相關(guān)聯(lián)的CMOS控制和容差和/或工具污染的可能性未在現(xiàn)有技術(shù)的CMOS處理步驟中使用的步驟。例如金和鉑都可以充當(dāng)半導(dǎo)體帶隙中的深摻雜或陷阱，這可能會(huì)影響任意其他基于CMOS的設(shè)備或電路的性能。

貴金屬層優(yōu)選地通過濺射或蒸鍍被沉積。剝離過程包括去除光阻材料和光阻材料頂上的金屬層的部分，以便在圖案化區(qū)域中形成的金屬結(jié)構(gòu)被保留在所述第二電介質(zhì)層上。使用化學(xué)溶液和/或化學(xué)溶劑去除光阻材料和光阻材料頂上的金屬結(jié)構(gòu)。

雖然許多上述的描述已涉及剝離技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在通常被用作剝離技術(shù)的部分以外的情況下使用化學(xué)溶劑和/或溶液(來去除光阻和光阻上的材料)是可能的。

在優(yōu)選的實(shí)施方式中，公開了懸浮在使用背面蝕刻形成的電介質(zhì)膜上的微熱板，其使用由金或鉑制成的至少一個(gè)金屬層，其使用作為CMOS處理順序的最后步驟之一的CMOS工藝內(nèi)的光刻或使用用于光刻和蝕刻的CMOS類步驟被圖案化，同時(shí)通過濺射或蒸鍍和隨后的剝離工藝以定義金屬圖案的金屬沉積在后CMOS且有利地在通過背面蝕刻實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)膜形成之后完成。因此，在CMOS工藝中或以在CMOS工藝中使用的類似的方式，光阻可以在晶片上紡絲且通過標(biāo)準(zhǔn)光刻圖案化，這可以提供特定于CMOS工藝的精度和重復(fù)性。下一步驟可以是進(jìn)行背面蝕刻，優(yōu)選使用深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)以釋放電介質(zhì)膜。在此之后，上面的一個(gè)或多個(gè)金屬結(jié)構(gòu)通過濺射或蒸鍍沉積并進(jìn)一步通過剝離工藝制成所需圖案。

圖案化光阻材料的步驟可以包括施加掩模以在介質(zhì)層上定義圖案化區(qū)域。圖案化光阻材料的步驟可以包括使用CMOS處理步驟中的光刻工具來定義電介質(zhì)層上的圖案化區(qū)域。蝕刻半導(dǎo)體襯底的步驟可以包括在半導(dǎo)體襯底的背面(即不是在其上形成貴金屬結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底的這一側(cè))鄰近施加掩模以定義該半導(dǎo)體襯底的要被蝕刻的部分。蝕刻半導(dǎo)體襯底的步驟可以包括施加深反應(yīng)離子蝕刻DRIE技術(shù)。

在蝕刻襯底之后和沉積金屬結(jié)構(gòu)之前，該方法可進(jìn)一步包括在光阻層上和在電介質(zhì)成上的圖案化區(qū)域中沉積一個(gè)或多個(gè)粘合或擴(kuò)散阻擋層。粘合或擴(kuò)散阻擋層可以是金屬之間的夾層，以避免出現(xiàn)問題，例如缺乏粘合性或貴金屬原子到電介質(zhì)層的不期望的擴(kuò)散。例如金層下方可具有鉻和/或鎳，或者可以結(jié)合鈦層制成。

在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，最終制造的設(shè)備可以是電阻式氣體傳感器，部分地用CMOS技術(shù)制造，使用體硅開始晶片或絕緣襯底上的硅(SOI)晶片。體硅晶片與SOI晶片之間的差別在于，體硅晶片不具有在設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的任何掩埋氧化物。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器可以由多晶硅、鋁、單晶硅、MOSFET或高溫CMOS金屬(例如鎢或鈦或它們的組合)制成。

金屬結(jié)構(gòu)或電極的形狀可以相互交叉、圓形或矩形形狀，或者可以只是兩個(gè)彼此相鄰的觸點(diǎn)，或者可以是螺旋形的，或者可包括同心環(huán)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該顯而易見的是，可以構(gòu)想許多不同的電極形狀和設(shè)計(jì)。

通過例如絲網(wǎng)印刷、濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)噴墨或滴涂，在電極上沉積化學(xué)或氣體敏感層。當(dāng)該層在加熱器控制的特定溫度暴露到氣體時(shí)，發(fā)生氣體的反應(yīng)或擴(kuò)散，改變化學(xué)或氣體敏感層的電特性，例如電阻(或電容)。該化學(xué)或氣體敏感層可以是導(dǎo)電的金屬氧化物，例如氧化錫、氧化鋅、氧化鎢或基于聚合物的?；瘜W(xué)或氣體敏感層可以像在電極上方的液滴，或者，如果足夠薄(例如，小于2微米)可對(duì)電極共形。優(yōu)選地該化學(xué)或氣體敏感層應(yīng)該限于所述電極上方的區(qū)域，以避免應(yīng)力和熱耗散，這將增加設(shè)備的功率消耗。

電介質(zhì)膜本身可以是圓形的、矩形的，或具有圓角的矩形形狀，以減少在拐角處的應(yīng)力，但其它形狀也是可能的。該設(shè)備的頂部鈍化可以是二氧化硅或氮化硅。

該方法可以進(jìn)一步包括制造嵌入在電介質(zhì)膜內(nèi)的溫度傳感器。這可以是由金屬或多晶硅、或單晶硅制成的電阻溫度傳感器，或者可以是二極管。優(yōu)選地二極管可以用在CMOS工藝中使用的相同CMOS層制造，來制造晶體管，例如n溝道和p溝道FET。本示例在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括使用CMOS處理步驟制造的MOSFET結(jié)構(gòu)時(shí)是特別相關(guān)的。二極管的陰極可以因此通過使用n溝道MOSFET的漏極層的源極來形成，而二極管的陽極可以通過使用p溝道MOSFET的相同的源極或漏極層來形成。

該設(shè)備還可以具有由金屬或多晶硅制成的散熱板，或在絕緣襯底上硅的情況中，該設(shè)備可具有單晶硅板。散熱板的作用是更均勻地?cái)U(kuò)散熱量，且從而提高了加熱器區(qū)域的溫度的均勻性。

在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，提供了一種設(shè)備和制造IR CMOS兼容發(fā)射器的方法。這可以類似于電阻氣體傳感器，并且可以包括嵌入在電介質(zhì)膜內(nèi)的加熱器，以形成如在前面的情況中的微熱板。在這種情況中，代替在其上沉積的用于感測(cè)由于氣體存在導(dǎo)致的電阻變化的敏感層的電極，頂部貴金屬結(jié)構(gòu)層被圖案化成等離子結(jié)構(gòu)，以增加該設(shè)備的紅外發(fā)射率。等離子圖案是指點(diǎn)、洞、矩形、梯形或其它結(jié)構(gòu)的重復(fù)(但不是必須規(guī)則的)特征，以提高在特定波長(zhǎng)的IR輻射和/或減少在其他不期望波長(zhǎng)的的紅外輻射，這取決于所需的發(fā)射頻譜。因此，這些等離子結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)用于一些波長(zhǎng)的IR發(fā)射率增強(qiáng)器和/或用于其他波長(zhǎng)的濾波器。

在實(shí)施方式中，該方法可以在同一芯片上集成模擬或數(shù)字CMOS電路(電阻氣體傳感器或IR發(fā)射器)。這可以由于使用CMOS技術(shù)制造微熱板來實(shí)現(xiàn)。該電路可以是用于加熱器的驅(qū)動(dòng)電路，包括簡(jiǎn)單電源，例如使用電流鏡像電路，或更復(fù)雜的電路以允許加熱器通過恒定電壓、恒定電流或恒定功率電路驅(qū)動(dòng)，或PWM驅(qū)動(dòng)。還可以有用于測(cè)量膜中的溫度傳感器的電路，且另外使用它來具有反饋環(huán)以允許加熱器的恒溫控制。也能夠?qū)嵤╇p向電流驅(qū)動(dòng)。

其他電路可以是用于溫度傳感器或感測(cè)層的讀出電路。這可以包括放大器、濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字電路也可被集成以允許信號(hào)的數(shù)字處理。除了這些，基于熱二極管的截止膜溫度傳感器、電阻溫度傳感器或Vptat或Iptat電路也可以被集成。

附圖說明

現(xiàn)在將通過僅示例并參考附圖描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式，其中：

圖1示出在CMOS SOI工藝中制造的微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極；

圖2示出在SOI工藝中制造的可替換微熱板的示意性截面，具有用作IR發(fā)射器的后處理的等離子結(jié)構(gòu)，其中等離子結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)發(fā)射；

圖3示出在SOI工藝中制造的可替換微熱板的示意性截面，其用作IR發(fā)射器，其中在后處理過程中頂金屬沉積為薄片以增強(qiáng)發(fā)射器的發(fā)射性；

圖4示出在SOI工藝中制造的可替換微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極。加熱器還具有添加到加熱器材料的粘合層以改進(jìn)加熱器的粘合和可靠性；

圖5示出在SOI工藝中制造的可替換微熱板的示意性截面，具有開始體晶片，其具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極；

圖6示出在SOI工藝中制造的可替換微熱板的示意性截面，具有開始體晶片，其具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極，其中僅在表面金屬下面沉積層以增強(qiáng)對(duì)頂表面的粘合，和/或降低/阻止到頂表面的擴(kuò)散；

圖7示出在SOI工藝中制造的可替換微熱板的示意性截面，具有后處理的電極，其中通過KOH蝕刻來完成背蝕刻；

圖8示出用于在SOI微熱板頂部沉積后處理的叉指電極(IDE)的提出的方法的步驟；

圖9示出具有后處理的IDE的方形微熱板的頂視圖；

圖10示出具有后處理的IDE的圓形的微熱板的頂視圖；

圖11示出用于測(cè)量電阻氣體傳感器上的感測(cè)材料的電阻的一些電極的可能設(shè)計(jì)的頂視圖；

圖12示出在其上沉積有等離子結(jié)構(gòu)的IR發(fā)射器的頂視圖；

圖13示出CMOS芯片的頂視圖，具有基于微熱板的氣體傳感器和在同一芯片上的接口電路；

圖14示出在CMOS SOI工藝中制造的微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極，以及化學(xué)或氣體感測(cè)層被沉積作為液滴層；以及

圖15示出在CMOS SOI工藝中制造的微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極，以及化學(xué)或氣體感測(cè)層被沉積作為共形涂層。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施方式描述一種制造基于CMOS的微熱板的方法，該微熱板被制造有在設(shè)備結(jié)構(gòu)上沉積的金或鉑電極。在該方法中，該設(shè)備用現(xiàn)有技術(shù)的CMOS工藝來制造。該工藝可以是體CMOS或SOI CMOS?？梢允褂面u、多晶硅、MOSFET、鋁或單晶硅制造加熱器，所有這些層是CMOS兼容的。

然后微熱板被進(jìn)一步處理：在釋放膜之前，在晶片的前面(靠近電阻加熱器)紡絲噴涂并圖案化光阻，用于沉積金電極。然后使用通過深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)的干蝕刻或使用KOH的濕蝕刻對(duì)晶片進(jìn)行背蝕刻。然后在該前面濺射金或鉑以形成金電極。在沉積這些金屬層之一之前，可能的是其他金屬層(例如鎳、鉻或鈦)被形成以改進(jìn)粘合并最小化到電介質(zhì)層或氧化層的擴(kuò)散。當(dāng)執(zhí)行剝離時(shí)該過程完成以實(shí)現(xiàn)期望的圖案(之前在CMOS中的光刻定義的)。

使用這種方法，根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)具有標(biāo)準(zhǔn)厚度沒有膜的晶片進(jìn)行光刻，同時(shí)，在蝕刻過程之后完成金屬沉積，且因此蝕刻設(shè)備不會(huì)被污染。鉑和金是污染物，且因此它們?cè)贑MOS中或蝕刻設(shè)備中的使用最好避免。

優(yōu)選地該膜的背面蝕刻使用深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)來進(jìn)行。這導(dǎo)致垂直壁，從而減少了面積的消耗，以及另外地膜的最終形狀的良好控制，這反過來保證了穿過晶片的高再現(xiàn)性。可替代地，膜可以通過使用例如氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲銨(TMAH)的濕蝕刻來形成。這產(chǎn)生更便宜的方法。

在一個(gè)實(shí)施方式中，上述的設(shè)備和方法不局限于電阻氣體傳感器，但是可以應(yīng)用到其它基于膜的設(shè)備。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施方式，這樣的設(shè)備和生產(chǎn)該設(shè)備的方法可以適用于基于CMOS的IR發(fā)射器。

圖1示出了SOI工藝中制造的微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極。該設(shè)備包括硅襯底1和膜，膜包括掩埋氧化物4、電介質(zhì)層5和鈍化層6，該膜由襯底支撐。電阻加熱器2被嵌入在膜中，并且軌道3被用于將加熱器連接到焊盤。在鈍化層的頂部有由金或鉑形成的電極7，可以用于與感測(cè)材料接觸。通過深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)完成蝕刻以實(shí)現(xiàn)溝槽的接近垂直的側(cè)壁。在CMOS序列中制造加熱器2。電極7的光刻被完成，作為CMOS序列的最后步驟之一且在DRIE之前完成。電極7的最終圖案是通過在DRIE之后的剝離技術(shù)(使用CMOS內(nèi)進(jìn)行的光刻步驟)完成的。應(yīng)該理解的是，標(biāo)準(zhǔn)的硅晶片可以被使用代替SOI晶片。在這種情況下，硅晶片不會(huì)有在圖1的結(jié)構(gòu)中使用的掩埋氧化物4。

圖2示出了本發(fā)明的另一實(shí)施方式，其中設(shè)備是IR發(fā)射器且在頂表面上有由金或鉑制成的等離子結(jié)構(gòu)8，以增強(qiáng)該設(shè)備的IR發(fā)射。這些結(jié)構(gòu)8以與圖1中示出的電極7類似的方式形成。

圖3示出了IR發(fā)射器，其中金或鉑的頂部金屬層用于形成增強(qiáng)該設(shè)備的IR發(fā)射的涂層9。

圖4示出了微熱板，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極。在該設(shè)備中，加熱器具有金屬層下面的附加層10，以改善加熱器的粘合性和穩(wěn)定性。明顯的是，如果在IR發(fā)射器設(shè)備中使用，另外層10也可以應(yīng)用到加熱器。

圖5示出了具有用于電阻性氣體感測(cè)的后處理的電極的微熱板，使用一過程制成，其中起始襯底是體硅襯底。在這樣的設(shè)備中，掩埋氧化物層不存在。

圖6示出了微熱板設(shè)備，其中后處理的電極具有在它們下面的附加層11。這層是為了提高金屬(其可以是金或鉑)到鈍化層的粘合。該層可以由任何材料制成，或者可以是金屬，例如鉻、鎳或鈦，或者可以是一種以上的材料層。

圖7示出了具有后處理的電極的微熱板，其中背面蝕刻已經(jīng)通過濕蝕刻(例如，使用KOH或TMAH)被執(zhí)行。這導(dǎo)致相對(duì)于由DRIE產(chǎn)生的垂直側(cè)壁的溝槽的傾斜側(cè)壁。

圖8示出在金或鎢的頂部金屬層結(jié)構(gòu)的沉積中涉及的主要過程。在CMOS處理之后，該設(shè)備在如(a)中所示

(a)其包括硅襯底1、掩埋氧化物層4、加熱器2和軌道3、電介質(zhì)氧化5和鈍化6。所有這些層在CMOS序列內(nèi)形成。

(b)然后，前面光刻掩模13和背面光刻掩模12在晶片的前面和后面被紡絲并圖案化。這是在CMOS序列的最后步驟之一，并定義在步驟(d)完成的后來的金屬7的圖案。

(c)隨后使用優(yōu)選地DRIE方法背蝕刻該設(shè)備。

(d)頂部金屬層7(金或鉑)然后使用濺射或蒸鍍被沉積在設(shè)備上。如果需要的話，一個(gè)或多個(gè)層在沉積最終的金屬層(金或鉑)之前被沉積以提高金屬粘合到鈍化表面，并避免擴(kuò)散到下面的氧化物或鈍化層。

(e)在步驟(b)完成的光阻然后與頂部金屬層(金或鉑)的不想要的部分一起被去除。

應(yīng)該理解的是，圖1(a)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來制造。詳細(xì)CMOS制造步驟的一個(gè)示例描述如下：

對(duì)于該過程的形成簡(jiǎn)單金屬加熱器的CMOS部分(僅給出與簡(jiǎn)單微熱板制造有關(guān)的步驟)：

1、起始襯底是硅或SOI晶片。

2、(僅用于起始SOI晶片的情況)圖案化并定義薄硅層，其余有氧化物。針對(duì)微熱板區(qū)域，設(shè)計(jì)通常用氧化物代替薄硅。然而，一些其他的圖案是可能。

3、電介質(zhì)5層(二氧化硅或氮化硅)被沉積在整個(gè)芯片(微熱板與任何電路)。

4、沉積圖案化的金屬層。這在微熱板區(qū)域內(nèi)形成加熱器2。

5、另一電介質(zhì)層被沉積在加熱器2的頂部。

6、另一個(gè)金屬層被沉積。這可以可選地用于形成板或加熱器上面的一些其他圖案。

7、另一電介質(zhì)層被沉積。

8、另一個(gè)金屬層被沉積。這可以可選地用于形成板或加熱器上面的一些其他圖案。

9、二氧化硅和/或氮化硅的鈍化層6被沉積。

應(yīng)當(dāng)理解，這僅給出一個(gè)步驟序列，且許多其它的變化是可能的并且對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。CMOS工藝可以包含其它步驟(例如p阱和/或n阱摻雜，多晶硅沉積，高p+和n+摻雜等，以形成MOSFET)——針對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)備，這些不會(huì)在微熱板區(qū)域中有效果，但是可以用于在同一芯片上制造電路。該工藝還可以具有不同數(shù)量的金屬層。

此外，通過改變使用不同的層，加熱器可由單晶硅(P摻雜或n摻雜)、或多晶硅(P摻雜或n摻雜)或者其他金屬層中的一個(gè)制成。金屬層可具有一個(gè)或多個(gè)層或在其上方或下方的不同材料，以改進(jìn)粘合性和可靠性。該設(shè)備還可以具有二極管或由單晶硅、多晶硅或金屬層制成的電阻溫度傳感器。

圖9示出了具有用于電阻氣體感測(cè)的叉指式電極的微熱板的頂視圖。它有長(zhǎng)方形的膜14，且電極相互交叉。圖10示出了類似的結(jié)構(gòu)，但其中膜、加熱器和電極是圓形的。

圖11示出了用于電阻氣體感測(cè)的電極的一些不同的形狀。(a)示出圓形交叉形狀。(b)示出交叉同心環(huán)。(c)示出螺旋形電極。許多其它不同的形狀是可能的。具體地，電極的形狀可為矩形，或者可以是僅并排的2個(gè)電極。該圖僅示出了一些可能的示例，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道許多不同的形狀是可能的。

圖12示出了具有用于增強(qiáng)發(fā)射的由金或鉑形成的等離子結(jié)構(gòu)的IR發(fā)射器的頂視圖。該圖示出了這些結(jié)構(gòu)是矩形的，但是它們可以是圓形、三角形或梯形，或?qū)嶋H上依據(jù)所需的發(fā)射頻譜輪廓的任意形狀。

圖13示出了具有在同一芯片上的微熱板設(shè)備和電路16的芯片15的頂視圖。這通過使用CMOS處理是可能的，允許所述傳感器設(shè)備和電路在相同的芯片上。使用CMOS兼容后處理方法允許金或鉑的頂部金屬層被沉積在膜上。

圖14示出了在SOI工藝中制成的微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極。該設(shè)備有在金屬電極7上沉積的化學(xué)或氣體感測(cè)層17。感測(cè)材料像在金屬電極上的液滴。

圖15示出了在SOI工藝中制成的微熱板的示意性截面，具有用于電阻氣體感測(cè)的后處理的電極。該設(shè)備在金屬電極7上沉積有化學(xué)或氣體感測(cè)層18。在電極上適應(yīng)地涂覆感測(cè)材料。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的過程/方法也可用于制造微熱板陣列?？赡艿氖窃诓煌哪ど现圃礻嚵?，或在單個(gè)膜上具有多個(gè)微熱板。例如，所提出的方法可以使膜具有橫向隔開的4個(gè)加熱器和4個(gè)電極，或4個(gè)膜，每個(gè)膜具有1個(gè)加熱器和1個(gè)電極。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在前面的描述和所附的權(quán)利要求中，位置術(shù)語如“上面”，“下面”，“前”，“背”，“垂直”，“下方”等，是參照半導(dǎo)體設(shè)備的概念性示意圖做出的，例如示出標(biāo)準(zhǔn)截面立體圖的這些和在附圖中示出的這些。這些術(shù)語用于便于參考，但不旨在有限制性的性質(zhì)。因此，當(dāng)在附圖中示出一個(gè)方向中時(shí)，這些術(shù)語應(yīng)被理解為涉及半導(dǎo)體設(shè)備。

雖然已經(jīng)在上面提出的優(yōu)選實(shí)施方式的方面描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施方式僅并且是說明性的且權(quán)利要求并不限于這些實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠根據(jù)本公開做出修改或替換這些被視為落入權(quán)利要求書的范圍。說明書中示出或公開的每個(gè)特征可以在本發(fā)明中被結(jié)合，不管是單獨(dú)還是與本文公開或示出的任意其他特征進(jìn)行任意合適的組合。