本公開涉及一種半導體氣體傳感器以及一種制造氣體傳感器的方法，且更特別地，涉及一種能夠使用要用于檢測特定種類的氣體的氧化物半導體材料檢測氣體的半導體氣體傳感器以及一種制造半導體氣體傳感器的方法。

背景技術(shù)：

通常，半導體氣體傳感器可使用當與特定種類的氣體相接觸時具有可變電阻的氧化物半導體材料檢測氣體。半導體氣體傳感器可通過半導體制造工藝進行制造。半導體氣體傳感器具有相對小尺寸、低制造成本、高靈敏度和高響應(yīng)速度的優(yōu)點。

半導體氣體傳感器包括基板、加熱電極、在加熱電極上方形成的感測電極、用于覆蓋感測電極的檢測層以及在基板上堆疊的多個絕緣層。檢測層為用于大體上檢測氣體的構(gòu)件且是使用氧化物半導體材料形成的。當檢測層暴露于氣體時，氣體可被吸附至檢測層的表面以具有變化的電阻值以檢測是否存在有氣體。特別地，為了確保氣體檢測，可能需要半導體氣體傳感器以將檢測層的溫度保持在300℃以上，從而可能需要在檢測層下形成的加熱電極產(chǎn)生要傳輸至檢測層的熱量以實現(xiàn)檢測層的有效檢測。

然而，因為半導體氣體傳感器的耐久性可能由于熱量而劣化，因此半導體氣體傳感器可能受損。為了改進半導體氣體傳感器的熱耐久性，半導體氣體傳感器可能具有在加熱電極下形成的腔室以散發(fā)源于發(fā)熱電極的熱量?？赏ㄟ^部分地移除基板來形成腔室，在腔室上堆疊的多個絕緣層可覆蓋腔室以形成薄膜結(jié)構(gòu)。

覆蓋腔室的一部分可能未通過基板穩(wěn)定地進行支撐，以使得在腔室上形成的薄膜結(jié)構(gòu)可能下陷。因此，可能由于薄膜具有的熱應(yīng)力或固有應(yīng)力導致薄膜發(fā)生的下陷情況。

特別地，可能需要加熱電極保持電阻均勻，以將熱量穩(wěn)定地傳輸至感測電極。當薄膜下陷時，設(shè)置在薄膜中的加熱電極的電阻可能發(fā)生變化，且因此可能難于使加熱電極向感測電極穩(wěn)定地提供熱量。此外，由于薄膜的下陷，感測電極的加熱區(qū)域可能變形，以使得感測區(qū)域的溫度分布是不均勻的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開提供了一種能夠保持感測區(qū)域的溫度恒定以及感測區(qū)域的溫度分布均勻的半導體氣體傳感器以及一種制造半導體氣體傳感器的方法。

根據(jù)本實用新型的一個方面，一種半導體氣體傳感器包括基板，其具有腔室；第一絕緣層，其形成在基板上且包括在與腔室和腔室的外周部分相應(yīng)的位置上形成的暴露孔；第二絕緣層，其形成在第一絕緣層上且覆蓋暴露孔；加熱電極，其形成在第二絕緣層上且形成在與腔室相應(yīng)的位置上；感測電極，其形成在加熱電極上方，且感測電極與加熱電極電絕緣；以及檢測層，其覆蓋感測電極且感測電極還能夠當與預定種類的氣體相交互時具有可變電阻。

在一個示例實施例中，半導體氣體傳感器還可包括至少一個突出部分，其從第二絕緣層的表面突出，突出部分形成在與腔室的外周部分相應(yīng)的位置上以阻止第二絕緣層下陷至腔室。

在一個示例實施例中，突出部分可形成在暴露孔中以面對基板。

在一個示例實施例中，突出部分可與基板的表面間隔開。

在一個示例實施例中，突出部分可與基板的表面相接觸。

在一個示例實施例中，多個突出部分可沿腔室的圓周線形成且彼此分離開。

在一個示例實施例中，突出部分可與第一絕緣層相分離。

在一個示例實施例中，突出部分可具有圓柱形。

在一個示例實施例中，突出部分可與第二絕緣層一體形成。

在一個示例實施例中，腔室和暴露孔中的每一個可具有圓筒形。

在一個示例實施例中，半導體氣體傳感器還可包括加熱墊，其形成在第二絕緣層上以及暴露孔的外面，加熱墊被電連接至加熱電極；感測墊，其與感測電極共面形成，感測墊與感測電極電連接；以及第三絕緣層，其形成在具有加熱電極和加熱墊的第二絕緣層上且包括一個表面，且在該表面上，形成感測電極和感測墊，以使得第三絕緣層將加熱電極與感測電極相絕緣。

在一個示例實施例中，第一和第二絕緣層中的一個可包括氧化硅，且第一和第二絕緣層中的另一個可包括氮化硅。

根據(jù)本實用新型的一個方面，一種半導體氣體傳感器是通過在基板的一個表面上形成第一絕緣層；在第一絕緣層上形成第二絕緣層；在第二絕緣層上形成加熱電極，該加熱電極能夠產(chǎn)生熱量；在加熱電極上形成感測電極，感測電極與加熱電極相絕緣；對基板進行圖案化以在加熱電極下形成腔室；移除由腔室暴露的且對應(yīng)于腔室的外周部分的第一絕緣層的一部分以形成暴露孔；以及形成覆蓋感測電極的檢測電極，檢測電極在與預定種類的氣體相交互時具有可變電阻。

在一個示例實施例中，在形成第二絕緣層之前，可對第一絕緣層進行圖案化以形成至少一個模孔以在第二絕緣層的一個表面處形成突出部分，其中在與腔室的外周部分相應(yīng)的位置上和第一絕緣層的位置上形成?？?，且形成暴露孔可包括通過移除鄰近突出部分的第一絕緣層的一部分來在暴露孔中形成突出部分。

在一個示例實施例中，模孔可具有凹形，以使得突出部分與基板的表面相分離。

在一個示例實施例中，模孔可具有穿孔形狀以部分地暴露基板，以使得突出部分與基板的表面相接觸。

在一個示例實施例中，多個?？卓蓢@與腔室相應(yīng)的第一絕緣層的一部分且可彼此相分離。

在一個示例實施例中，形成加熱電極可包括在第二絕緣層上和在暴露孔外部形成加熱墊，且加熱墊與加熱電極電連接；以及形成感測電極可包括形成與感測電極電連接的感測墊。

在一個示例實施例中，形成暴露孔可包括使用作為蝕刻掩模的具有腔室的基板通過濕蝕刻過程來對第一絕緣層進行圖案化。

在一個示例實施例中，可使用不同于第二絕緣層的材料來形成第一絕緣層。

根據(jù)示例實施例，半導體氣體傳感器包括用于減少薄膜至腔室的下陷的暴露孔。此外，半導體氣體傳感器可包括多個突出部分以支撐在第二絕緣層的下表面下形成的第二絕緣層以緩解薄膜的下陷。

因此，加熱電極可均勻地保持電阻以提供檢測層熱量以保持溫度恒定。因此，要提供熱量的感測電極的區(qū)域的溫度分布將不會發(fā)生變化，這是因為檢測層均勻地產(chǎn)生熱量。其結(jié)果是，半導體氣體傳感器具有熱耐久性且不會遭受熱損傷。

附圖說明

根據(jù)結(jié)合附圖的下列說明，將更詳細地理解示例性實施例，其中：

圖1為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的半導體氣體傳感器的橫截面視圖；

圖2為示出如在圖1中所示的半導體氣體傳感器的仰視圖；

圖3至7為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的制造半導體氣體傳感器的方法的橫截面視圖；

圖8為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的半導體氣體傳感器的橫截面視圖；以及

圖9和10為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的制造半導體氣體傳感器的方法的橫截面視圖。

具體實施方式

在下文中，將參考附圖更詳細地描述特定實施例。然而，本實用新型可按不同的方式進行具體化且不應(yīng)被解釋為局限于本文所述的實施例。

如在本申請中使用的明確定義，當層、薄膜、區(qū)域或板被稱為在另一個的“上面”時，其可直接在另一個的上面或也可以存在有一個或多個中間層、薄膜、區(qū)域或板。與此不同地，也可以理解為當層、薄膜、區(qū)域或板被稱為直接在另一個的“上面”時，其直接在另一個的上面且不存在有一個或多個中間層、薄膜、區(qū)域或板。另外，然而在所要求保護的本實用新型的各種實施例中被用于描述各種組件、組合物、區(qū)域和層的術(shù)語，如第一、第二和第三并不僅限于這些術(shù)語。

此外且僅為了便于描述，元件可被稱之為在另一個的“上方”或“下方”。應(yīng)該理解的是，這種描述指在所描述的圖中的所示取向，且在各種用途和替代實施例中，這些元件可按替代布置和配置進行旋轉(zhuǎn)或移位。

類似地，在一些實施例中使用術(shù)語“上”和“下”。這些術(shù)語用于指代如圖中所示的取向，但不一定是在任何其他參考系中的任何上或下的取向。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不脫離本文所述的實用新型的范圍的情況下可在相關(guān)于重力或其它參考系的任何取向上使用實施例。

在下列描述中，技術(shù)術(shù)語僅用于解釋特定實施例而不用于限制本實用新型的范圍。除非本文另有定義外，包括技術(shù)和科學術(shù)語的本文所使用的所有術(shù)語可具有與本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常所理解的相同的含義。

參考本實用新型的一些實施例的示意圖進行所示實施例的描述。因此，在圖的形狀中的變化，例如，在制造技術(shù)中的變化和/或容許誤差是可充分預期的。因此，本實用新型的實施例沒有被描述成局限于用圖所描述的區(qū)域的特定形狀且包括在形狀中的偏離，而且用圖所描述的區(qū)域完全是示意性的且其形狀不表示準確的形狀且也不限制本實用新型的范圍。

圖1為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的半導體氣體傳感器的橫截面視圖。圖2為示出在圖1的腔室、暴露孔和突出部分之間的位置關(guān)系的平面圖。

參考圖1和2，根據(jù)本實用新型的一個示例實施例的一種半導體氣體傳感器100能夠使用氧化物半導體材料來檢測氣體。半導體氣體傳感器100可通過半導體制造工藝進行制造。

半導體氣體傳感器100包括基板110、第一絕緣層120、第二絕緣層130、一個或多個加熱電極142、感測電極162和檢測層180。

特別地，基板110可包括硅材料并包括腔室112，腔室112可通過移除基板110的一部分的圖案化過程形成。

在基板110上相繼形成第一絕緣層120和第二絕緣層130。第一絕緣層120包括暴露孔122。暴露孔122可通過移除對應(yīng)于腔室122和圍繞腔室112的外周部分的第一絕緣層120的一部分來形成。暴露孔122可與腔室112成流體連通。腔室112和暴露孔122部分地暴露第二絕緣層130的下表面，其形成在第一絕緣層120的上表面上。換句話說，如在圖1中所示，第二絕緣層130形成在第一絕緣層120的上表面上以覆蓋暴露孔122。

在一個示例實施例中，腔室112和暴露孔122中的每一個可具有如在圖2中所示的圓筒形，且腔室112和暴露孔122中的每一個的形狀并不受到限制以能夠發(fā)生變化。

可在第二絕緣層130的上表面上形成加熱電極142。加熱電極142位于第二絕緣層130上以在垂直方向上對應(yīng)于腔室112。加熱電極142可產(chǎn)生熱量以用于檢測層180檢測氣體。熱量可通過腔室112進行有效的散發(fā)，因此可防止半導體氣體傳感器受到可能由于熱量而發(fā)生的損傷，且半導體氣體傳感器可保持適于檢測層180檢測氣體的溫度。盡管未詳細地示出，但加熱電極142被電連接至加熱墊144?？稍诘诙^緣層130上和在與腔室112相應(yīng)的第二絕緣層130的一部分的外面形成加熱墊144。加熱墊144可從外部源接收電力以將電力傳輸至加熱電極142。

在一個示例實施例中，可使用鉑(Pt)或鎢(W)形成加熱電極142和加熱墊144。

可在第二絕緣層130的上表面上形成第三絕緣層150，其中加熱電極142和加熱墊144形成在第二絕緣層130的上表面上。第三絕緣層150可覆蓋加熱電極142和加熱墊144。第三絕緣層150可具有比第一和第二絕緣層120和130更大的厚度以被配置成使半導體氣體傳感器100的上表面平整。

如上所述，半導體氣體傳感器甚至在與腔室112相應(yīng)的部分上包括第二和第三絕緣層130和150以在與腔室112相應(yīng)的部分上形成薄膜結(jié)構(gòu)。

特別地，層，諸如第一至第三絕緣層120、130和150在抵抗熱應(yīng)力方面很弱，且在豎直方向上與腔室112相應(yīng)的層的一部分可能未通過基板110牢固地進行支撐。因此，與腔室112相應(yīng)的第二和第三絕緣層130和150的薄膜部分可能朝向腔室112下陷，以使得可能會發(fā)生上述的不期望的下陷情況。

在一個示例實施例中，由于暴露孔122，半導體氣體傳感器100可減少薄膜的下陷。即，如在圖2中所示，暴露孔122可以形成為具有大于腔室112的尺寸，以使得當?shù)诙^緣層130的部分向腔室112彎曲時，用于覆蓋暴露孔122的第二絕緣層130的一部分可能沿流暢的曲線逐漸下陷。因此，與傳統(tǒng)技術(shù)相比較，半導體氣體傳感器100可減少薄膜的應(yīng)力以保持加熱電極142的均勻電阻。

在一個示例實施例中，半導體氣體傳感器還可包括用于額外地減少薄膜的應(yīng)力的至少一個突出部分132。突出部分132可從第二絕緣層130的下表面突出以與第二絕緣層130一體形成。突出部分132可進行定位以對應(yīng)于腔室112的外周部分。突出部分132可形成在腔室112的外部和暴露孔122的內(nèi)部，且可面對基板110，如在圖2中所示。

在一個示例實施例中，當如圖1和2中所示形成多個突出部分132時，突出部分132可與第一絕緣層120相分離，且突出部分132彼此相間隔并沿腔室112的圓周線進行布置。此外，突出部分132可具有各種形狀，諸如圓筒形、柱形、半球形等。

突出部分132可支撐第二絕緣層130，以使得位于腔室112上的第二絕緣層130不向腔室112彎曲。換句話說，當薄膜沒有彎曲以在水平方向上保持筆直時，突出部分132則與基板110的上表面間隔開。在另一方面，當薄膜下陷時，突出部分132與基板110的上表面相接觸以支撐第二絕緣層130且此外防止第二絕緣層130發(fā)生彎曲。因此，可減少薄膜的應(yīng)力，以使得根據(jù)示例實施例的半導體氣體傳感器100可緩解薄膜的下陷。

在本實用新型的一個示例實施例中，半導體氣體傳感器100可包括在第三絕緣層150的上表面上形成的感測電極162。感測電極162可進行定位以對應(yīng)于腔室112且可在垂直方向上形成在加熱電極142的上方。盡管未在圖1中詳細地示出，但感測電極162可被電連接至感測墊164。感測墊164可位于第三絕緣層150的上表面上且遠離與暴露孔122相應(yīng)的第三絕緣層150的一部分。

在一個示例實施例中，感測電極162和感測墊164可包括鉑(Pt)。

可在包括感測電極162和感測墊164的第三絕緣層150的上表面上形成檢測層180。第四絕緣層170可通過移除與腔室112相應(yīng)的一部分來形成且可覆蓋感測墊164。

在一個示例實施例中，第一至第四絕緣層120、130、150和170可通過依次沉積氧化硅材料和氮化硅材料來形成。例如，第一和第三絕緣層110和150包括氧化硅，且第二和第四絕緣層120和170包括氮化硅。

在腔室112上形成檢測層180以覆蓋感測電極162?？墒褂醚趸锇雽w材料，諸如氧化錫(SnO2)來形成檢測層180以檢測預定種類的氣體。特別地，當檢測層180暴露于預定種類的氣體時，將氣體吸附至檢測層180的表面以具有由于吸附反應(yīng)而變化的檢測層180的電阻。由于感測電極162的輸出值根據(jù)檢測層180的電阻值的變化而發(fā)生變化，半導體氣體傳感器100可根據(jù)感測電極162的輸出值來檢測是否有氣體與感測電極162相接觸。

特別地，可能需要保持檢測層180在標準溫度以上以使檢測層180充分地與預定氣體發(fā)生反應(yīng)。加熱電極142可將熱量傳輸至檢測層180。在這里，標準溫度可在300℃以上。

第三和第四絕緣層150和180可具有第一接觸孔152以部分地暴露加熱墊144。第一接觸孔可通過部分地移除第三和第四絕緣層150和170來形成。第四絕緣層170可具有第二接觸孔172以部分地暴露感測墊164。第二接觸孔172可通過部分地移除第四絕緣層170來形成。

可在第四絕緣層170上形成加熱墊電極192和感測墊電極194。加熱墊電極192可進行定位以在垂直方向上對應(yīng)于加熱墊144以覆蓋通過第一接觸孔152暴露的加熱墊144。感測墊電極194可進行定位以在垂直方向上對應(yīng)于感測墊164以覆蓋感測墊164。加熱墊電極192和感測墊電極194可包括透明電極。

根據(jù)實例實施例，半導體氣體傳感器100包括暴露孔122和突出部分132以減少薄膜的應(yīng)力以及薄膜的下陷。因此，加熱電極142可保持電阻均勻以將均勻的熱量傳輸至檢測層180并保持檢測層180的溫度恒定。此外，由于可保持加熱電極142將熱量傳輸至其的區(qū)域不變，可以可靠地向檢測層180的感測區(qū)域(SA)提供熱量以保持均勻的溫度分布。其結(jié)果是，半導體氣體傳感器100可獲取可靠的耐熱性，可防止其受到熱損傷，且因此其可穩(wěn)定地檢測熱量。

圖3至7為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的制造半導體氣體傳感器的方法的橫截面視圖。

參考圖3和4，在基板110的上表面上形成第一絕緣層120。在這里，基板110可包括絕緣體上硅(SOI)基板，其包括第一絕緣層120。

可在第一絕緣層120的上表面上形成第二絕緣層130。

參考圖5，在第二絕緣層130上形成加熱電極142和加熱墊144后，在第二絕緣層130上形成第三絕緣層150。在第三絕緣層150的上表面上形成感測電極162和感測墊164后，在第三絕緣層上形成第四絕緣層170。對第三絕緣層150和第四絕緣層170分別進行圖案化以形成第一接觸孔152和第二接觸孔172。在與要在對基板110進行圖案化的后續(xù)步驟中形成的腔室(112，見圖1)相應(yīng)的位置上部分地移除第四絕緣層170，且在第四絕緣層170的上表面上可額外地形成加熱墊電極192和感測墊電極194。

參考圖6，在形成加熱墊電極192和感測墊電極194后，對基板110進行部分蝕刻以形成腔室112?？赏ㄟ^對基板110進行圖案化而移除與腔室112相應(yīng)的第一絕緣層120的一部分。

在本實用新型的一個示例實施例中，制造半導體氣體傳感器的方法包括在形成腔室112的過程前對基板110的下表面進行拋光以控制基板110的厚度以使半導體氣體傳感器110的厚度為合適的。

參考圖7，在基板110中形成腔室112后，通過使用腔室112蝕刻過程對第一絕緣層120進行圖案化以形成暴露孔122。詳細地，通過使用基板110作為蝕刻掩模的蝕刻過程對第一絕緣層120進行圖案化，且移除通過腔室112暴露的且鄰近腔室112的第一絕緣層120的一部分以形成暴露孔122?？筛鶕?jù)蝕刻過程的處理時間控制暴露孔122的大小。

可使用不同于第一絕緣層120的材料形成在第一絕緣層120上形成的第二絕緣層以具有針對第一絕緣層120的蝕刻選擇性。因此，第二絕緣層130可能不會受到用于蝕刻第一絕緣層120的蝕刻劑的蝕刻。其結(jié)果是，當通過使用蝕刻劑部分地蝕刻第一絕緣層來形成暴露孔122時，第二絕緣層130可能幾乎不會被蝕刻劑蝕刻，以使得可對第一絕緣層120進行選擇性的蝕刻和圖案化。

在一個實例實施例中，可通過濕蝕刻過程形成暴露孔122。

參考圖3、4和6，根據(jù)一個示例實施例的一種制造半導體氣體傳感器的方法包括在形成第二絕緣層130的過程之前對第一絕緣層120進行圖案化以形成至少一個突出部分132的過程。

詳細地，如在圖3中所示，對第一絕緣層120進行圖案化以形成用于在第一絕緣層120的上部上形成突出部分132的至少一個?？?2。如在圖6中所示，形成多個?？?2以沿腔室112的圓周線而彼此相間隔以圍繞對應(yīng)于腔室112的一部分。在這里，?？?2中的每一個可具有凹形，以使得突出部分132與基板110的上表面間隔開。

在對第一絕緣層120進行圖案化之后，在第一絕緣層120的上表面上形成第二絕緣層130。如在圖4中所示，通過填充?？?2以將填充模孔22的部分轉(zhuǎn)化成突出部分132來在第一絕緣層120上形成第二絕緣層130。

參考圖6和7，在形成暴露孔122的同時可從第一絕緣層120移除第一絕緣層120的?？?2。其結(jié)果是，移除鄰近突出部分132的第一絕緣層120的一部分，以使得突出部分132位于暴露孔122中。還移除了位于突出部分132和基板110之間的第一絕緣層120的一部分以在突出部分132和基板110之間形成空間。

此外，在形成暴露孔122之后，在第三絕緣層150上形成檢測層180(見圖1)以完成制造半導體氣體傳感器100的過程。

圖8為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的半導體氣體傳感器的橫截面視圖。

參考圖8，除了第二絕緣層210外，根據(jù)一個示例實施例的半導體氣體傳感器與參考圖1所述的半導體氣體傳感器相同。因此，將使用相同的參考數(shù)字指代具有如在圖1中所示的類似結(jié)構(gòu)和/或功能的相同元件。因此，將省略關(guān)于相同元件的任何進一步的描述以避免任何冗余。

特別地，在第一絕緣層120的上表面上形成半導體氣體傳感器200的第二絕緣層210。第二絕緣層210包括位于其下表面的多個突出部分212。突出部分212進行定位以對應(yīng)于腔室112的外周部分且可與第二絕緣層210一體形成。將突出部分212設(shè)置在暴露孔122中。

突出部分212與基板110的上表面相接觸以支撐第二絕緣層210以減少薄膜的下陷，其表示與腔室112相應(yīng)的第一絕緣層210和第三絕緣層150的堆疊部分。

在一個示例實施例中，突出部分212可具有各種形狀，諸如圓筒形、柱形、半球形等。突出部分212彼此可沿腔室112的圓周線間隔開。

圖9和10為示出根據(jù)本實用新型一個示例實施例的制造半導體氣體傳感器的方法的橫截面視圖。

參考圖9和10，對形成在基板110上的第一絕緣層120進行圖案化以形成用于形成突出部分212的多個?？?4。?？字械拿恳粋€可具有一種類型的穿孔，以使得突出部分212與基板112的上表面相接觸，從而通過?？?4暴露基板110的一部分。

在對第一絕緣層120進行圖案化后，在第一絕緣層120的上表面上形成第二絕緣層以用第二絕緣層210填充?？?4來形成突出部分212。

除了用于對第一絕緣層120進行圖案化的步驟外，根據(jù)一個示例實施例的制造半導體氣體傳感器的方法包括與參考圖5至7所述的制造半導體氣體傳感器的方法中的相同的步驟。因此，將省略在對第一絕緣層120進行圖案化后關(guān)于相同步驟的任何進一步的描述以避免任何冗余。

雖然已參考特定實施例描述了半導體氣體傳感器，但其并不僅限于此。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易地理解在不脫離所附權(quán)利要求的精神和范圍的情況下對其進行各種修改和變化。