CN101004398B - 湿度传感器及包括其的半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种湿度传感器，其电极被设置成具有岛状结构并被湿度敏感膜包围。所以，在湿度传感器中，电极上的湿度敏感膜之间的粘附特性增强，因此获得高可靠性。

Description

湿度传感器及包括其的半导体装置

技术领域

本发明涉及一种半导体湿度传感器。

背景技术

作为常规的电容湿度传感器，如图5所示的电路已经公知(参见例如JP2003-156464A的图1)。

在图5中，在衬底上形成梳状电极。在电极上涂敷湿度敏感膜，该湿度敏感膜的介电常数根据湿度而变化。湿度敏感膜插入在梳状电极之间。电极21和22之间的近似电容C可由下述方程式(1)获得：

C＝ε₀·ε_H·S/d_H    (1)

其中，d_H是电极21和22之间的间隔，S是电极21和22彼此相对的面积，ε_H是电极21和22之间的湿度敏感膜的介电常数，以及ε₀是真空介电常数。

电极之间的湿度敏感膜的介电常数ε_H随湿度的变化将引起电极21和22之间的电容C的变化，因此，测量电容C就能测量湿度。

另外，作为与图5的电路类似的电路，一种电阻型湿度传感器已经公知(参见例如JP08-145932A的图1)。在电阻型湿度传感器中，电阻率随湿度变化的湿度敏感膜被涂敷到电极21和22上(21和22之间)，代替前面所述的介电常数随湿度变化的湿度敏感膜。在这种情况下，电极21和22之间的电阻随湿度变化，因此，测量电阻就能测量湿度。

在常规的湿度传感器中，电极上以及电极与衬底之间的湿度敏感膜之间的差粘附特性产生容易脱落湿度敏感膜的问题。另外，存在的问题是不能确定微小区域中的湿度分布。

发明内容

为了解决上述问题，已经做出本发明，并且由此，本发明的目的是提供一种湿度传感器，其中电极上以及电极与衬底之间的湿度敏感膜之间的粘附特性被增强，用于精确地确定在小区域中的湿度分布。

根据本发明的湿度传感器采用一种电极结构，其中多个岛状单元被排列成格栅图形。

根据本发明的湿度传感器展示出在湿度敏感膜之间的增强的粘附特性，并且具有有效增强的可靠性。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的湿度传感器的电极；

图2A和图2B均示出了根据本发明的第一实施例的电极单元；

图3A和图3B均示出了根据本发明的另一实施例的电极单元；

图4A和图4B均是在刻蚀厚氮化物膜之后的电极的截面图；以及

图5示出了常规的湿度传感器的电极。

具体实施方式

为了解决上述问题，本发明提供一种新型湿度传感器的电极结构。在以下实施例中，将详细描述该结构。

(第一实施例)

以下将参照附图，对本发明的实施例进行说明。图1示出了根据本发明的第一实施例的湿度传感器的电极结构。在此结构中，多个岛状分开的电极11分别由外部电极包围。在图1中，基本的电极单元设置成5×5格栅图形。

图2A示出了用于电极结构的单元的顶视图以及图2B示出了其截面图(沿图2A的线A-B)。在图2A中，示出了第一电极11和被形成用来包围电极11的第二电极12。湿度敏感膜位于第一电极11和第二电极12之间。测量电极11和12之间的电容或电阻就能测量湿度。在图2B的截面图中，由底部依所述顺序设置衬底16(例如，半导体)、绝缘膜14A、第一金属布线层10、绝缘膜14B、由第二金属布线层形成的电极11和12、用于保护电极的保护膜13(例如，氮化物膜)，和湿度敏感膜15。保护膜13形成在电极11和12的表面上。由第二金属布线层形成的第一电极11经由形成在绝缘膜14B中的通孔连接至第一金属布线层。

如果这些单元的所有电极11连接至相同的第一金属布线层，那么测量第一金属布线层和由第二金属布线层形成的电极12之间的电容或电阻就能测量湿度。

在根据本发明的湿度传感器中，采用图1所示的电极结构在湿度敏感膜和电极之间产生比常规的湿度传感器的明显更大的粘附特性。在图5所示的常规结构中，沿横向方向形成梳状电极容易引起沿此方向的湿度敏感膜脱落。另一方面，在本发明中，如图2A和2B所示，由岛状电极11和被形成用来包围电极11的电极12形成所述单元，能够并入湿度敏感膜15以包围岛状电极11，导致湿度传感器具有高可靠性，其可以避免沿特定方向例如梳状电极结构的齿方向的差粘附特性。

进一步地，图2A和2B示出了正方形电极11和包围电极11的正方形电极12作为单元的结构。然而，如图3A和3B所示，具有凸部和凹部的多边形电极31和具有凸部和凹部并包围电极31的多边形电极32如同在图2A和2B的情况下可以增强电极和湿度敏感膜之间的粘附特性。

(第二实施例)

在第一实施例中，单元的电极11连接至与实例相同的第一金属布线层。如图1所示，当该多个单元被设置时，测量每个单元的电容或电阻就能测量包含该单元的局部小区域的湿度。因此，可以测量湿度传感器的湿度分布。

利用半导体工艺中的光刻技术，单元的尺寸(面积)可以降低至约几μm×几μm到几十μm×几十μm。另一方面，半导体晶片面积限制了最大单元的面积。直径为6英寸的晶片允许单元具有大约25mm×25mm的面积。

(第三实施例)

同时集成信号处理电路以在半导体衬底上形成湿度传感器，能够制作湿度传感器被并入1个芯片中的半导体集成电路。

通常地，在半导体衬底上的集成电路上，设置具有约1μm的厚度的厚氮化物膜作为保护膜。通过化学汽相沉积(CVD)装置在半导体衬底的表面上形成氮化物膜。当集成电路和湿度传感器的电极被集成时，作为保护膜的具有约1μm的厚度的厚氮化物膜还被涂敷在湿度传感器的电极上。然而，当涂敷厚氮化物膜时，图2A和2B所示的电极11和12之间的电容C变成等于一系列电容C_H和C_N，其中C_H为湿度敏感膜的电容以及C_N为氮化物膜的电容，并且下面的方程式(2)成立。

C＝1/(1/C_H+2/C_N)(2)

其中

C_H＝ε₀·ε_H·S/d_H，C_N＝ε₀·ε_N·S/d_N在这种情况下，ε₀为真空介电常数，ε_H是湿度敏感膜的介电常数，ε_N是氮化物膜的介电常数，S是电极11和12彼此相对的面积，d_H是在电极11和12之间并入的湿度敏感膜的厚度，并且d_N是在电极11和12的表面上的氮化物膜的厚度。当氮化物膜的厚度d_N足够小时，C_H比C_N小得多，因此方程式(2)变得与方程式(1)基本上相同。如从方程式(2)明显得出的，氮化物膜的厚度d_N越小，那么关于湿度的电极之间的电容变化越大。

因此，优选图2A和2B的保护膜为薄的。因此必需沉积一次厚氮化物膜，然后刻蚀厚氮化物膜用于电极部分，并且再次在电极部分上沉积薄氮化物膜。

另一方面，在第一实施例中在图2B的截面图中，阻挡层(下文称为阻挡金属)没有被示出在金属布线层下面。然而，通常为了增强金属布线层与其下面的绝缘膜之间的粘附特性，在半导体工艺中涂敷阻挡金属。作为阻挡金属，氮化钛(TiN)和氮化钽(TaN)是已知的。

当包含大量氮化物的金属用于阻挡金属时，如图4A所示，在去除厚氮化物膜的同时刻蚀阻挡金属17。因此，金属布线层12与下面的绝缘膜14B之间的粘附特性变坏，这将容易引起金属布线层12的脱落。例如，在TiN的情况下，就原子量而言，钛和氮的含量的比率是47.9∶14，并且在刻蚀厚氮化物膜时阻挡金属17也被刻蚀。另一方面，在包含少量的氮(就原子量而言包含10％或更低的氮)的金属用作阻挡金属的情况下，如图4B中所示在刻蚀厚氮化物膜时几乎不刻蚀阻挡金属17。因此，金属布线层12与在其下面的绝缘膜14B之间的粘附特性没有被减弱。

在图1中，基本单元排列成5×5格栅图形。然而，当排列多个单元时，本发明可以明显地提供同样的效果而不用考虑单元的数量。

Claims (8)

1.一种湿度传感器，包括：

设置在其中的多个单元，其包括：

衬底；

第一金属布线层，其通过第一绝缘膜设置在该衬底上；

第一电极，其由第二金属布线层形成并连接到第一金属布线层；

第二电极，其被设置成围绕第一电极并由第二金属布线层形成，第一电极和第二电极通过第二绝缘膜形成在第一金属布线层上；以及

湿度敏感膜，其设置在第一电极和第二电极上。

2.如权利要求1所述的湿度传感器，其中该衬底包括半导体衬底。

3.如权利要求1所述的湿度传感器，其中每个单元具有氮化硅膜作为保护膜。

4.如权利要求1所述的湿度传感器，其中由第二金属布线层形成的第一电极和第二电极具有在其下面的阻挡层，所述阻挡层包含小于10％的氮。

5.如权利要求1所述的湿度传感器，其中可以测量每个单元的电容。

6.一种半导体装置，包括：

如权利要求1所述的湿度传感器：和

包括信号处理电路的集成电路，

其中该湿度传感器和该集成电路被并入一个芯片中。

7.如权利要求6所述的半导体装置，进一步包括氮化硅膜作为保护膜。

8.如权利要求7所述的半导体装置，其中在集成电路上的氮化硅膜比在湿度传感器上的氮化硅膜厚。

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