CN103364455A - 包括气体传感器的集成电路 - Google Patents

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Abstract

一种集成电路以及其制造方法。该集成电路包括具有主表面的半导体衬底。该集成电路还包括具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体。该集成电路还包括阻挡部,所述阻挡部位于主表面上以抑制气体经过传感器元件流动。

Description

包括气体传感器的集成电路
技术领域
本发明涉及一种集成电路。具体地,本发明涉及一种包括气体传感器的集成电路。本发明还涉及一种制造这种集成电路的方法。
背景技术
现今,集成电路可以包括众多不同传感器,诸如气体传感器、相对湿度(RH)传感器、特定分析物检测传感器等等。
气体传感器应用在多种不同的应用中以感测各种气体的成分和/或浓度。一种示例应用是供应链监测领域,其中监测消费品如食物或饮料周边的空气中CO2的水平,以确定是否适合消费。这种监测典型地可以在配送链的不同阶段中实现。其它应用包括应用在建筑物或车辆的供暖、通风和空调(HVAC)系统中的空气质量监测、或者温室中的CO2监测。
与大量市场应用,如用于产品监测的RF标签,特别相关地是可以用有限的附加成本将气体传感器功能添加至集成电路,因为这种集成电路存在大的价格压力,即,它们不得不便宜地生产以具备商业吸引力。
图1示出了包括气体传感器的集成电路的示例。集成电路包括衬底2,其中可以集成诸如CMOS器件之类的多种有源部件。正如集成电路制造领域中公知的那样,在衬底上方设置结合有由多个绝缘层隔开的多个金属层的金属化堆叠4。金属层提供衬底2中有源部件之间的互连,并且典型地包括诸如铝或铜之类的金属。
在此示例中,气体传感器设置在金属化堆叠4上。具体地,气体传感器位于一系列钝化层16A、16B和18上,钝化层16A、16B和18通常位于堆叠4的顶部。在本示例中,层16A和16B包括高密度等离子体(HDP)氧化物,而提供防刮伤保护的层18包括厚的Si3N4层。如图1所示,金属导电通道(via)8穿过钝化层以将气体传感器的电极15连接至金属化堆叠4。这使得能够在气体传感器和衬底2中的一个或多个有源部件之间经金属化堆叠4进行电连接。导电通道8和电极15可以包括与金属化堆叠4中的金属层相同的材料,或者可以可选地包括不同的材料,诸如钨。
图1中还示出了保护层14,包括例如Ta2O5,其提供防止电极15腐蚀的保护。
在保护层14之上,设置厚的氧化物层17。通过氧化物层17、保护层14、钝化层16A、16B和18,设置有沟槽20,在沟槽20的底部设置有在金属化堆叠4的上部金属化层中的键合焊盘12。沟槽20因此实现通过各上部绝缘层至集成电路的电连接。
气体传感器本身包括传感器元件8,其在图1中以剖面形式示出。传感器元件8典型地包括金属材料,例如钨。在可选实施例中,传感器元件8可以包括半导体材料如掺杂的多晶硅。传感器元件8可以布置成例如曲折图案以增加表面面积(导致更大的灵敏度)。如图1所示,曲折图案的端部穿过保护层14以连接到传感器电极15。还如图1中所示,曲折图案自身基本位于氧化物层17中形成的浅沟槽内。传感器元件8因此露于周围的环境中,以便直接接触待感测的气体。
因此,图1构成气体传感器的示例,该气体传感器设置在集成电路中金属化堆叠上的钝化堆叠之上,金属化堆叠自身设置在半导体衬底2中的有源部件如CMOS晶体管之上。
气体传感器基于导热性,并如下工作。使电流经过传感器元件8,导致传感器元件8变热。周边气体将热带离传感器元件8。所传递的热量和传递热的速率取决于气体的成分。在热平衡时,传感器元件8的电阻率(取决于传感器元件8的温度)对热传递的量和速率敏感。因此,传感器元件8的电阻率取决于周边气体的成分。这样,通过进行传感器元件8的电阻率测量,可以确定周边气体的成分。
发明内容
在所附的独立权利要求和从属权利要求中阐述本发明的多个方面。从属权利要求中的特征的组合可以与独立权利要求中的特征适当地组合,而不限于权利要求书中直接阐述的组合。
根据本发明的一个方面,提供了一种集成电路。该集成电路包括具有主表面的半导体衬底。该集成电路还包括具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体。该集成电路进一步包括阻挡部,所述阻挡部位于主表面上以抑制气体经过传感器元件流动。
根据本发明的另一个方面,提供了一种制造集成电路的方法。该方法包括提供具有主表面的半导体衬底。该方法还包括形成具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体。该方法进一步包括形成阻挡部,所述阻挡部位于主表面上以抑制气体经过传感器元件流动。
用于抑制气体经过传感器元件流动的阻挡部的提供减轻了下面将进一步详细描述的冷却的效应和相对湿度的效应。这使得可以进行气体浓度/成分的更加准确和可靠的测量。
在一个实施例中,传感器元件位于主表面上金属化堆叠中的沟槽内。这使得传感器元件可以方便地由金属化堆叠中一个或多个金属和/或导电通道层特征来形成。沟槽自身形成抑制气体流经过传感器元件的阻挡部。
在一个示例中,传感器元件形成在金属化堆叠的较低层中。通过在堆叠的较低层处设置传感器元件,传感器元件可以与经过沟槽顶部的气体流具有适当距离。在一些示例中,用于加热待感测的气体的加热元件可以与传感器元件一起位于沟槽中。
在一个实施例中,集成电路可以包括位于衬底的主表面上的图案层。图案层可以形成阻挡部的至少一部分。例如,图案层可以位于金属化堆叠上,并且沟槽和图案层可以一起形成阻挡部。可选地,在传感器元件没有设置在金属化堆叠中的沟槽内的实施例中,图案层单独可以提供阻挡部。图案层可以包括诸如SU-8之类的光刻胶材料。这使得可以使用良好建立的光刻技术来限定阻挡部的形状(例如,高度和深度)和位置。
由图案层形成的腔体的深度可以至少为10μm。由图案层形成的腔体的深度可以具有深度∶宽度的高宽比,其中宽度=1时深度d在15≤d≤30的范围中。
根据本发明的另一方面,可以提供一种包括上述这种集成电路的射频识别(RFID)标签。
根据本发明的另一方面,可以提供一种包括上述这种集成电路的移动通信装置。
根据本发明的另一方面,可以提供一种包括一个或多个上述这种集成电路的供暖、通风和空调(HVAC)系统。
附图说明
以下将参照附图,仅以示例的形式描述本发明的实施例,附图中相同的参考符号表示相同的元件,其中:
图1示出了包括气体传感器的集成气体传感器;
图2示出了气体流经图1中所示传感器的冷却效应;
图3示出了改变相对湿度对图1所示传感器的影响;
图4示出了提供对经过气体传感器的气体流的阻挡部的原理;
图5示出根据本发明实施例的集成电路的一种示例;
图6示出根据本发明实施例的集成电路的另一示例;
图7示意性示出可以应用在图6的实施例中所示的集成电路中的多种不同沟槽配置;以及
图8示出根据本发明实施例的集成电路的又一示例。
具体实施方式
以下参照附图描述本发明的实施例。
根据本发明的实施例,已经认识到,经过以上关于图1描述的这种气体传感器中的传感器元件的气体流动可以产生关于气体自身成分的错误读数。具体地,已经发现气体经过传感器元件的运动可以导致传感器元件以比在传感器元件8周边的气体是静态时的典型速率大的速率来冷却。这种增强的冷却源于气体流通过常规的热传导以及通过气体自身的运动都能够将热量带离传感器元件。图2中示出了说明该原理的测量。
在图2的右手侧,示出了在集成电路的衬底2的主表面上设置的气体传感器10的示意图。箭头示意性表示经过气体传感器10的气体流。
图2中的图表示出了针对气体流经传感器元件的三种不同速率,图1所示的这种传感器元件的电阻与传感器元件两端的电压之间的关系。具体地,在图2的图表中,曲线11表示针对经过传感器元件的弱气体流(0.7升/分钟)的情况传感器元件的电阻相对于电压的关系,而曲线13(1.35升/分钟)和曲线15(3.15升/分钟)分别表示针对逐渐变强的气体流的相同关系曲线。曲线9表示针对图1中所示的传感器元件的特定结构(材料和设计)的电阻与配线温度之间的对应关系。
特别比较曲线11和15(对应于所测量的最弱和最强气流),从图2中可知对于较强的气体流,对于传感器元件两端的给定电压,传感器元件的电阻降低。这种电阻的降低是由于经过传感器元件的流动强度增强时气体的冷却能力增加而导致的。由于这种效应,发明人已经发现,在传感器元件两端的电阻测量劣化,因为给定电阻值可以从气体的成分与气体流经传感器的速率的组合得出。
在图2中,针对环境气体中存在的CO2的不同浓度,在每个电压和每个流率处进行电阻的多次测量。这使得可以将源于气体成分的电阻差异大小与气体流动的效应进行比较。已发现由不同流率造成的电阻差异(在图2中用标号17的箭头表示)稍大于由气体成分变化造成的电阻差异(在图2中用标号19的箭头表示)。这在试图确定气体成分时导致了一个重大问题,因为难以分析气体流动的效应,并且事实上流率效应可能基本掩盖气体成分的变化。
发明人已经注意到的另一效应在于传感器元件周边的气体中的湿度等级也可以扭曲电阻测量。这在图3中示出。
在图3中,沿x轴绘制了气体浓度。在当前的例子中,气体为CO2。对于气体的给定相对湿度(RH),传感器元件的电阻表示相应的CO2浓度。图3中的四条不同曲线表示CO2浓度与传感器元件的电阻之间的函数关系随着气体的相对湿度移动。因此,在相对湿度为0%时,传感器元件的给定电阻大小趋向于表示比例如相对湿度为40%、60%或80%时要低的CO2浓度。
与关于气体流动的上述问题相同,发明人已经发现气体的相对湿度致使基于导热性的气体传感器的传感器元件中的电阻的测量劣化,因为元件的电阻取决于气体的浓度和气体的相对湿度两者。与气体流动一样,难以分析相对湿度的效应,除非单独确定气体本身的相对湿度。
根据本发明的实施例,提供一种集成电路,包括:具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于半导体衬底的主表面上。为了减轻气体流动和/或相对湿度的上述效应,该集成电路还包括阻挡部,所述阻挡部位于衬底的主表面上。阻挡部用来抑制经过传感器元件的气体流动。
在图4中,表明了通过提供针对经过传感器元件的气体流动的阻挡部,可以使得由气体流动引起的电阻差异大大小于由气体成分/浓度的变化引起的电阻差异。
图4的右侧示出了设置在衬底2上的气体传感器10的示例性例子。同样,气体流用一系列箭头示意性地表示。在此示例中,气体流自身被阻挡部34抑制。
在图4左侧的图表中,CO2浓度表示为传感器元件的电阻的函数。同样,提供三条不同的曲线,曲线21表示相对低流率(0.7升/分钟),而曲线23(1.35升/分钟)和曲线25(3升/分钟)表示逐渐变高的流率。
虽然图2中表现出的CO2浓度仍然受到经过传感器元件的气体流动的影响(由三条不同曲线的不同位置表示),但是要注意的是,气体流动冷却传感器元件的效应大大小于图2中所示的效应。事实上,这些测量表示通过采用阻挡部,与气体浓度变化的效应相比,经过传感器元件的气体流动的效应可以相对较小,因而基本减轻了上述传感器元件中电阻测量的劣化。
除了减轻气体流动的冷却效应之外,还可预见,阻挡部的设置可以减轻相对湿度的效应。由于阻挡部的存在,传感器元件周边的气体相对静止。当传感器元件被加热时,气体中的湿气散失且不会被到达传感器的新气体中的湿气所取代,因为气体是静止的。因此,传感器元件自身的加热减少了湿度对于待感测的气体的导热性的影响。
图5示出了根据本发明实施例的集成电路的第一示例。应理解,图5中的示例与以上关于图1描述的装置类似。
除了图1中所描述的各种金属化、钝化和其它特征之外,此示例中的集成电路还设有阻挡部50。阻挡部具有高度d和宽度w。阻挡部用来抑制气体流经传感器元件8。替代地,图5顶部由箭头表示的气体流通过阻挡部的顶部。相反,在图1的示例中,气体可以直接流经传感器元件8的顶部,造成上述的冷却效应和湿度效应。
虽然阻挡部50阻止气体直接流经传感器元件8,但是传感器元件8仍然直接接触周边环境以感测相关气体。因此,阻挡部没有完全封闭传感器元件。如上所述,阻挡部防止由气体流动导致的传感器元件冷却和/或相对湿度的效应,从而改善传感器元件8中电阻率测量的可靠性和准确性。
在图5的示例中,利用形成在氧化物层17上的图案层来形成阻挡部50。图案层可以在形成金属化堆叠和各种钝化层以及传感器自身之后利用标准光刻技术来设置。可以设置用于阻挡部50的任何适宜配置。例如,可以提供一种阻挡部,该阻挡部被构图为使得其可以为集成电路中的一个甚至多个分开的传感器提供针对气体流动的保护。在一个示例中,形成阻挡部50的图案层可以包括聚合物如光敏聚合物。这种材料的示例为SU-8。这种层可以采用标准光刻技术来构图。
根据本发明的实施例,由上述这种图案层所形成的腔体的深度为至少10微米。预期此深度足以使得传感器元件离气体流足够远,以大幅减轻冷却效应和/或相对湿度效应。
腔体也可以形成具有足够大的高宽比,即深度∶宽度,以确保将气体流与传感器元件8隔开。具体地,在腔体的宽度=1时适当的深度d在30≤d≤15的范围中。
图6示出了根据本发明实施例的结合有气体传感器的集成电路的第二示例。在此示例中,传感器元件8包括在设置在半导体衬底2上的金属化堆叠62的金属层中形成的金属特征。如图6所示,金属化堆叠62可以包括由多个绝缘材料层分隔的多个分开层22。金属层22可以通过贯通绝缘层的金属导电通道24互连。在堆叠62上可以设置一个或多个钝化或者其它层26、28、30。
在图6所示的金属化堆叠62的左侧,示出了可以设置穿过一个或多个钝化或者其它层26、28、30的开口,以提供键合焊盘12的入口。此示例中的焊盘12由金属化堆叠62中的金属层之一形成,并且可以如上所述利用导电通道24与堆叠中的其它金属层互连。在图6所示的示例的右侧,示出了可以形成穿过金属化堆叠中各层的沟槽60。可以在金属化堆叠62的形成期间利用例如标准蚀刻技术形成此沟槽。
在当前示例中,沟槽60形成集成电路的抑制气体流经传感器元件8的阻挡部。气体经过集成电路顶部的流动在图6中由沟槽顶部的箭头示出。注意,与图1中气体能够直接流经位于浅沟槽顶部的传感器元件的顶部的示例不同,在图6的实施例中,气体流不能直接到达传感器元件8。
在当前示例中,传感器元件8自身由金属化堆叠62的金属层之一的金属材料形成。因此,传感器元件8可以根据常规后端制程(BEOL)工艺,在集成电路的金属处理期间,方便地作为金属化堆叠的一部分进行处理。这有利于在包括结合有例如CMOS器件的衬底的半导体集成电路的顶部上方便而经济地形成气体传感器。
如下面更详细所述,在一个可选示例中,传感器元件8可以设置在器件的导电通道层之一中,而非金属层之一中。典型地,导电通道层中的金属特征可以包括与金属层中使用的金属不同的金属。作为示例,金属层可以包括铝,导电通道层可以包括钨。因此,用来形成传感元件8的材料可以不同,取决于其所设置的层。
图7示出了根据以上关于图6所述示例的包括位于沟槽中的传感器元件8的气体传感器的多种不同配置。在图7中,并不意味着所有单独的示例沟槽配置会设置在单个装置中。事实上,典型的实施例可以仅包括单个沟槽。相反,各种沟槽配置在此处并排示出,是为了说明可能有众多不同配置。
因此,在图7所示的沟槽60a中,传感器元件8与图6所示基本上一样地设置在金属化堆叠62的金属层之一中。在图7所示的沟槽60b中,传感器元件8也如以上关于图6所述,设置在位于两个不同金属层之间的导电通道层中。
在沟槽60c中,同样示出了传感器元件设置在导电通道层中,然而在此示例中,传感器元件8比沟槽60b的导电通道层中所示的传感器元件8要薄。从而,沟槽60c中传感器元件8的表面积与体积之比增加,这提升了灵敏度。金属化堆叠中不同层之间的设计规则通常不同。因此,可以根据所允许的最小线尺寸选择传感器元件所处的层。
在本发明的一个或多个实施例中,除了在沟槽中提供传感器元件8之外,还可以提供单独的加热元件38。正如业界公知,在一些基于导热性的气体传感器中,可以不利用传感器元件自身而是用单独的加热元件加热待感测的气体。这样,在传感器元件的电阻测量对周边气体的导热性能和可以从传感器元件8带离热量的速率是敏感的情况下,中心的功能与上述的功能基本类似。
因此,在图7所示的沟槽60d中,传感器元件8设置在金属化堆叠62的金属层中,而单独的加热器38设置在不同的金属层中。在图7的沟槽60e中,传感器元件8和加热元件38的位置转换,这样传感器元件8位于加热元件38之下。
在图7的示例沟槽60f中,配置与沟槽60e中所示的配置类似,只是传感器元件可以不仅仅以单一的金属或导电通道层形成,而是可以包括相邻金属或导电通道层中的特征。因此,沟槽60f中的传感器元件8包括由金属层制成的部分,而且还包括由直接位于该金属层之上的相邻导电通道层制成的部分。
在图60g的示例中,同样传感器元件8包括金属化堆叠中多于一个层中的特征。具体地,传感器元件8包括由堆叠62的两个相邻金属层制成的部分,此外还包括由将相邻金属层制成的部分电连接的中间导电通道层制成的部分。此外,在沟槽60g中示出了加热器38。在此示例中,加热器38没有设置在单独的金属或导电通道层中,而是结合到与传感器元件8所在的那一个或多个层相同的一层或多层中。
沟槽60h的另一示例中,加热器38设置在与传感器元件所在的层分开的层中。同样,传感器元件8包括由相邻层制成的部分。
因此,由图7可见,可以有多种不同的配置。至少部分地由于在金属化堆叠中设置气体传感器和/或加热元件,提供设计这些不同配置的高度自由,从而在制造传感器时可以采用公知且易于控制的金属化技术。
在图8中示出了本发明的又一实施例。图8中的实施例类似于图6中的实施例。因此,如图8所示,传感器元件8设置在金属化堆叠62的沟槽60中。沟槽60中传感器和/或加热元件的配置可以遵循以上关于图7描述的示例中的任何一个。
图8中的实施例与以上关于图6描述的实施例的不同在于:除了在金属化堆叠62的沟槽60中设置传感器元件和/或加热元件之外,图案层可以设置在金属化堆叠62的一个或多个钝化层上。图案层形成另一阻挡部50。这样,图案层协同沟槽60以提供加强的阻挡。由于图8中在图案层的顶部用箭头表示的气体流比在缺少图案层的情况下进一步离开传感器,所以进一步降低了传感器元件8对气体流动和相对湿度的灵敏性。该图案层可以与以上关于图5描述的图案层基本上一样的方式形成。
用于这里所描述的传感器元件的典型材料包括诸如Al和W的金属材料。可选的材料还包括Cu、Ti、TiN、Ta、TaN、Pt或者诸如多晶硅的半导体材料。
应理解,传感器元件8设置在上述这种金属化堆叠的沟槽60中,可以将元件8的位置选择为靠近沟槽的底部,从而元件8与气体流的距离比在传感器设置在堆叠中的较高金属化层中的情况要大。通过将传感器元件和/或加热元件设置在金属化堆叠层的较低金属或导电通道层中,可以改善气体传感器的准确性和灵敏度。然而,再次参见图8,提供由位于金属化堆叠中沟槽60上方的图案层形成的阻挡部50是有利的,因为即便在传感器元件位于沟槽60的较高金属或导电通道层中的情况下也可以形成对气体流的阻挡。
可以采用标准半导体处理技术制造包括这里所描述的这种气体传感器的集成电路。例如,这些技术包括采用标准工艺形成金属化堆叠,和/或采用标准光刻技术在这些金属化堆叠上设置光刻胶材料。
因此,一种制造这里所描述的这种集成电路的方法可以包括:提供具有主表面的半导体衬底;然后形成具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体。如上所述,传感器元件在一些示例中可以形成在金属化堆叠中,但是这对于本发明来说并不认为是必要的。该制造集成电路的方法可以进一步包括在主表面上形成阻挡部,以抑制待感测的气体经过感测元件流动。此外,如上所述,阻挡部可以通过在金属化堆叠中开设沟槽并且将传感器元件定位在沟槽中形成。在可选示例中,阻挡部可以采用包括例如光刻胶材料的图案层形成。
根据本发明的气体传感器的应用包括设置在供暖、通风和空调(HVAC)系统中。还可预料到,这里所描述的这种一个或多个气体传感器可以结合到射频识别(RFID)标签中。此外,这里所描述的这种气体传感器可以结合到移动通信装置中。
因此,已经描述了一种集成电路和一种制造这种集成电路的方法。该集成电路包括具有主表面的半导体衬底。该集成电路还包括具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体。该集成电路进一步包括位于主表面上的阻挡部,以抑制气体经过传感器元件流动。
虽然已经描述了本发明的具体实施例,但是应理解,在所请求保护的发明的范围内可以进行多种修改/添加和/或替代。

Claims (15)

1.一种集成电路,包括:
具有主表面的半导体衬底;
具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体;以及
阻挡部,所述阻挡部位于主表面上以抑制气体经过传感器元件流动。
2.如权利要求1所述的集成电路,其中所述传感器元件位于主表面上的金属化堆叠中的沟槽内。
3.如权利要求2所述的集成电路,其中所述传感器元件形成在金属化堆叠的金属层或导电通道层中。
4.如权利要求3所述的集成电路,其中所述传感器元件形成在金属化堆叠的较低层中。
5.如权利要求2至4中任一所述的集成电路,其中所述气体传感器还包括用于加热待感测的气体的加热元件,并且其中所述加热元件与所述传感器元件一起位于沟槽内。
6.如任一前述权利要求所述的集成电路,包括所述衬底的主表面上的图案层,其中所述图案层形成所述阻挡部的至少一部分。
7.如从属于权利要求2至5中任一项的权利要求6所述的集成电路,其中所述图案层位于金属化堆叠上,并且所述沟槽和所述图案层一起形成所述阻挡部。
8.如权利要求6或权利要求7所述的集成电路,其中所述图案层包括光刻胶材料。
9.如权利要求8所述的集成电路,其中所述光刻胶材料包括SU-8。
10.如权利要求6至9中任一所述的集成电路,其中所述图案层形成腔体,所述腔体具有高宽比,即深度∶宽度,其中宽度=1时深度d在15≤d≤30的范围中。
11.如权利要求10所述的集成电路,其中由所述图案层形成的腔体的深度为至少10μm。
12.一种射频识别RFID标签,包括如任一前述权利要求所述的集成电路。
13.一种移动通信装置,包括如权利要求1至11中任一所述的集成电路。
14.一种供暖、通风和空调HVAC系统,包括一个或多个如权利要求1至11中任一所述的集成电路。
15.一种制造集成电路的方法,所述方法包括:
提供具有主表面的半导体衬底;
形成具有电阻性传感器元件的基于导热性的气体传感器,所述传感器元件位于主表面上以暴露于待感测的气体;以及
形成阻挡部,所述阻挡部位于主表面上以抑制气体经过传感器元件流动。
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