CN105606680A - 避免导电介质中的传感器内的杂散电流 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种避免导电介质中的传感器内的杂散电流。提供了一种传感器。该传感器包括具有侧壁的导电衬底；覆盖导电衬底的第一表面的电介质层，该电介质层包括具有第一厚度的栅电介质和具有第二厚度的场电介质；覆盖栅电介质的第一表面的感测层；非导电载体，其中导电衬底的第二表面覆盖非导电载体的一部分；以及至少共形地涂覆导电衬底的侧壁的绝缘层，其中感测层的第一表面不被绝缘层涂覆。

Description

避免导电介质中的传感器内的杂散电流
背景技术
当传感器和集成电路浸入导电流体中时，不需要的电流会流动，扰乱设备的运行。例如，将pH传感器和电路浸入导电流体(海水)中。由于管芯分离步骤(例如锯)，传感器的器件侧壁被暴露并为未钝化的。而后，电流可从暴露的侧壁流入传感器的电路中。
当前可获取的pH传感器使用O-环或环氧化物从侧壁密封导电流体。但是，使用在深度远远超过1公里的海洋中的pH传感器有故障。特别地，深海的高压导致O-环或环氧化物故障。这种故障通过重复的压力循环而加剧。O-环或环氧化物的故障使得导电流体渗漏，并且电流从器件的未钝化暴露侧壁流动。
发明内容
本文描述了不受杂散电流影响的传感器以及制作不受杂散电流影响的传感器的方法，并且通过阅读和学习以下的说明书将理解该不受杂散电流影响的传感器以及制作不受杂散电流影响的传感器的方法。本申请涉及传感器。所述传感器包括具有侧壁的导电衬底；覆盖导电衬底的第一表面的电介质层，该电介质层包括具有第一厚度的栅电介质和具有第二厚度的场电介质；覆盖栅电介质的第一表面的感测层；非导电载体，其中导电衬底的第二表面覆盖非导电载体的一部分；以及至少共形地涂覆导电衬底的侧壁的绝缘层，其中感测层的第一表面不被该绝缘层涂覆。
附图说明
当参考实施例的描述和以下的附图考虑时，能够更加容易地理解本申请的实施例，且其进一步的益处和用途更加显而易见，在附图中：
图1-3示出了根据本申请的不受杂散电流影响的传感器的实施例；以及
图4是制造根据本申请的不受杂散电流影响的传感器的方法的流程图。
根据惯例，并未按比例绘制各种描述的特征，而是绘制各种描述的特征以强调与本发明相关的特征。贯穿附图和文字，参考标记表示相同的元素。
具体实施方式
在以下的详细描述中，对形成其一部分的附图进行参考，并且其中通过其中可以实现传感器的具体说明性实施例来示出。充分详细地描述这些实施例以使得本领域技术人员能够实施本发明，并且将了解的是，可以利用其它实施例，并且可以进行逻辑、机械和电气改变而不脱离本发明的范围。因此，以下的详细描述不应以限制性意义来加以理解。
本文描述的传感器的实施例被保护以免于杂散电流，且在高压或在重复的压力循环下(例如，从高压到低压到高压，等等)不会出故障。
图1-3示出了根据本申请的不受杂散电流影响的传感器的实施例。图1示出了传感器10的层结构的截面图。传感器10包括传感器芯片90和非导电载体140。传感器芯片90包括导电衬底130、电介质层120、感测层110和绝缘层100。非导电载体140是芯片载体140。图1中没有示出用于从传感器10获取测量结果的电路。
非导电载体140具有第一表面141和相反的第二表面143。导电衬底130具有第一表面131，相反的第二表面132和侧壁135。侧壁135在本文中也指“侧壁表面135”。导电衬底130覆盖非导电载体140的表面141的一部分144。导电衬底130的第二表面132接触非导电载体140的第一表面141的所述部分144。电介质层120覆盖导电衬底130。电介质层120的第二表面222接触导电衬底130的第一表面131。
电介质层120包括具有第一厚度t1的栅电介质121和具有第二厚度t2的场电介质122。场电介质122具有第一表面221和相反的第二表面222。栅电介质121具有第一表面223和相反的第二表面222。如图1中所示，栅电介质121和场电介质122在电介质层120上连续地形成，且它们共享第二表面222。由于第二厚度t2大于第一厚度t1，所以栅电介质121被场电介质122围绕。
感测层110具有第一表面111和相反的第二表面112。感测层110覆盖栅电介质121的第一表面223。感测层110的第二表面112接触栅电介质121的第一表面223。
绝缘层100至少共形地涂覆导电衬底130的侧壁135。感测层110的第一表面111不被绝缘层100涂覆。如图1中所示，绝缘层100共形地涂覆：1)导电衬底130的侧壁135；2)场电介质122的第一表面221；和3)非导电载体140的暴露表面142。非导电载体140的暴露表面142被定义为未被传感器芯片90的导电衬底130覆盖的非导电载体140的表面141的那部分。
在该实施例的一种实施方式中，共形涂层通过基于气相的化学反应形成，重复地循环该化学反应以采用每一次沉积循环沉积原子层。以这种方式沉积的绝缘层100是连续并均匀地在所有暴露表面上(甚至在垂直表面上)沉积材料的高质量电介质。在本文中绝缘层100也被称为“原子层沉积层100”、“ALD层100”和“ALD100”。
在该实施例的一种实施方式中，使用原子层沉积(ALD)沉积绝缘层100。在该实施例的另一实施方式中，使用化学气相沉积(CVD)的种类之一沉积绝缘层100。在该实施例的再一实施方式中，绝缘层100大约为或小于1000埃。
感测层110的第一表面111是暴露在将要被感测的环境中的表面。如图1中所示，感测层110的第一表面111是暴露在导电流体50中的表面。
在该实施例的一种实施方式中，传感器10为用于测量液体(例如，导电流体50)的pH的pH传感器10。当暴露在导电流体50中时，电介质层120和感测层110可操作用于感测pH。当pH传感器使用在高压情况下(例如，在海洋深处)或在重复的压力循环情况下时，已知pH传感器会产生非导电载体的弯曲。
在现有技术的使用O-环以隔离侧壁与导电流体的pH传感器中，非导电载体在高压和/或重复的压力循环下的弯曲导致O-环突然离开器件，因此侧壁被暴露。类似地，在现有技术的使用环氧化物以隔离侧壁与导电流体的pH传感器中，非导电载体在高压和/或重复的压力循环下的弯曲导致环氧化物从侧壁脱层，因此侧壁被暴露在正被感测的流体中。在两种情况下，预期的电流从侧壁流向感测表面，并且现有技术的pH传感器具有错误的测量结果。
由于传感器10的ALD层100具有高的完整性和与侧壁135的良好的粘附力，所以ALD层100能够耐受高压和重复的压力循环而不裂开或从侧壁134移开。甚至当非导电载体140在压力下发生弯曲时，传感器10的ALD层100的薄原子层仍然保持与侧壁135粘附。因此，不会产生不期望的杂散电流来在侧壁135与感测层的第一表面111之间经由导电流体50流动，并且传感器10精确地测量导电流体50的pH。
在该实施例的一种实施方式中，绝缘层100共形地涂覆导电衬底130的侧壁135，但不涂覆场电介质122的整个第一表面221。在该实施例的另一实施方式中，导电衬底130是硅衬底。该该实施例的另一实施方式中，导电衬底130是p掺杂的硅衬底。在该实施例的再一实施方式中，非导电载体140由本领域技术人员已知的塑性材料形成。
图2示出了具有电路组件195的传感器11的层结构。传感器11与传感器10的相似之处在于其包括非导电载体140和传感器芯片91。传感器芯片91包括导电衬底130、包含栅电介质121和场电介质122的电介质层120、感测层110以及绝缘层100(ALD100)。传感器11还包括嵌入非导电载体140中的第一电极145、嵌入非导电载体140中的第二电极146、导电衬底130中的第一通孔170和导电衬底130中的第二通孔175，以及绝缘层180。第一通孔170与第二通孔175是电传导的。
贯穿绝缘层180的第一导电材料181形成于绝缘层180内。在该实施例的一种实施方式中，通过在绝缘层180中蚀刻穿通孔并用金属或金属合金填充该穿通孔来形成第一导电材料181。贯穿绝缘层180的第二导电材料182形成于绝缘层180内。在该实施例的一种实施方式中，通过在绝缘层180中蚀刻第二穿通孔并用金属或金属合金填充该第二穿通孔来形成第二导电材料182。在本文中第一和第二导电材料181和182还被称为相应的第一和第二导电垫181和182。
第一通孔170将一般在150处表示的源极扩散区经由绝缘层180中的第一导电垫181电连接至第一电极145。第二通孔175将一般在160处表示的漏极扩散区经由绝缘层180中的第二导电垫182电连接至第二电极146。电路组件195当如图2中所示地电连接至第一电极145和第二电极146时，可操作用于基于感测层110的环境(例如导电流体50)来感测传感器11内产生的电流。在图2中将电路组件195示为在导电流体50外部。但是，在实施例中，采用传感器11封装电路组件195，且该封装位于导电流体50内。在该实施例的一种实施方式中，不存在绝缘层180。
在该实施例的一种实施方式中，绝缘层180由氧化硅形成。在这种情况下，绝缘层180是二氧化硅层180。在该实施例的另一实施方式中，导电衬底130为具有适当的p-n结层以形成期望的沟道的硅衬底。在该实施例的再一实施方式中，通过在导电衬底130中蚀刻第一空腔171并用导电材料172涂覆第一空腔171的内表面来形成第一通孔170。在该实施例的一种实施方式中，导电材料172是金属或金属合金(例如，金)。导电材料172电接触绝缘层180中的第一导电垫181。在该实施例的再一实施方式中，通过在导电衬底130中蚀刻第二空腔176并用导电材料177涂覆第二空腔176的内表面来形成第二通孔175。在该实施例的一种实施方式中，导电材料177是金属或金属合金(例如，金)。导电材料177电接触绝缘层180中的第二导电垫182。
传感器11可操作作为pH传感器11。如本领域技术人员所知的，导电流体50的pH是导电流体50中氢离子数量的函数。感测层110(例如，栅110)中的材料从导电流体50吸附氢离子(氢核)。当氢离子与感测层110相互作用时，传感器11内的传感器芯片91可操作作为场效应晶体管(FET)91，其中感测层110起到栅110的作用，并且导电衬底130起到沟道的作用。随着栅110被导电流体50中相互作用的氢离子充电，沟道130中的电流增加。在源极扩散区150和漏极扩散区160之间测量该电流。
如本领域技术人员在阅读和理解本文件时可理解的那样，可以用如图2中示出的第一电极145、第二电极146、导电衬底130中的第一通孔170、导电衬底130中的第二通孔175以及绝缘层180来实现图1的传感器10。
图3示出了传感器12的层结构。传感器12的层结构与图3的传感器11的不同之处在于ALD100不遮盖未被导电衬底130覆盖的非导电载体140的暴露表面142。在该实施例中，在将传感器芯片90置于非导电载体140上之前，将ALD100沉积到由导电衬底130、电介质层120和感测层110形成的传感器芯片90上。对于图1中所示的传感器10的实施例而言，将传感器芯片90置于非导电载体140上，并且然后将ALD100沉积到传感器芯片90和非导电载体140上。
如本领域技术人员在阅读和理解本文件时可理解的那样，如以上参考附图2所描述的，可以用第一电极145、第二电极146、导电衬底130中的第一通孔170、导电衬底130中的第二通孔175以及绝缘层180来实现传感器12。
图4是制造根据本申请的不受杂散电流影响的传感器的方法400的流程图。参考相应的图1、2和3的传感器10、11和12描述方法400。但是，需要理解的是，方法400适用于本文示出和描述的传感器的修改或变体。
在块402处，用电介质层120涂覆导电衬底130的第一表面131。电介质层120可以使用本领域技术人员已知的用于沉积的各种技术中的一种或多种技术来沉积。在该实施例的一种实施方式中，以第二厚度t2沉积电介质层120，并且蚀刻电介质层120的一部分以形成位于场电介质122中的具有第一厚度t1的栅电介质121。在这种情况下，第一厚度t1小于第二厚度t2。在该实施例的另一实施方式中，第一通孔170和第二通孔175形成于导电衬底130中(图2)。在该实施例的再一实施方式中，通过蚀刻第一空腔171并用导电材料172涂覆第一空腔的内表面同时如本领域技术人员可理解的那样保证导电材料172与导电衬底130相隔离来形成第一通孔170。在该实施例的再一实施方式中，通过蚀刻第二空腔176并用导电材料177涂覆第二空腔176的内表面同时如本领域技术人员可理解的那样保证导电材料177与导电衬底130相隔离来形成第二通孔175。
在块404处，用感测层110涂覆电介质层120的一部分(例如，栅电介质121)。可以使用本领域技术人员已知的用于沉积的各种技术中的一种或多种技术来沉积感测层110。在该实施例的一种实施方式中，感测层110由如本领域技术人员已知的金属氧化物形成。在电介质层120的被回蚀以形成具有第一厚度t1的栅电介质121的部分上沉积感测层110。在该实施例的一种实施方式中，栅电介质121的第一厚度t1与感测层110的厚度组合小于场电介质122的第二厚度t2。在这种情况下，感测层110的第一表面111比场电介质122的第一表面221更接近于导电衬底130的第一表面131。
在块406处，导电衬底130被分割以形成传感器芯片，并且导电衬底130的侧壁135由于该分割而被暴露。在该实施例的一种实施方式中，通过将衬底(晶片)锯成多个传感器芯片90而完成分割过程。在该实施例的另一实施方式中，通过对衬底开槽并劈开衬底以沿着由于开槽形成的晶体平面裂开而完成分割过程。
在块408处，至少在导电衬底130的通过块406处的分割而暴露的侧壁135上共形地形成绝缘层100。感测层110的第一表面111不被绝缘层100涂覆。以这种方式，在管芯分离暴露侧壁135之后并在传感器芯片90或91附着到头部(header)(例如，非导电载体140)之后，共形的绝缘层100涂覆整个传感器10、11或12以消除感测层110的第一表面111与侧壁135之间的穿过导电流体50的任何导电路径。
以用于将电介质沉积到导电衬底130的暴露的侧壁表面上的基于气相的化学反应共形地形成绝缘层100。特别地，原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)的其它形式能够在所有暴露表面甚至垂直表面上沉积高品质的电介质。由于ALD具有高的完整性和良好的粘附力，所以其耐受高压和压力循环。需要处理步骤以使ALD的感测层110的第一表面111清洁。
通常感测层110的感测材料是易碎的，并且当从感测层110的第一表面111移除ALD100时可能被损坏。可以通过在沉积ALD100前在感测层110上沉积并图形化牺牲层以保护感测层110的材料来避免该损坏。而后移除牺牲层。例如，在向导电衬底的侧壁135上沉积共形绝缘层100之前，通过在感测层110的第一表面111上沉积保护性牺牲材料(例如，铝)来保护感测层110的第一表面111免受绝缘层影响。而后使保护感测层110的第一表面111的保护性材料(例如，铝)和共形地形成在保护性材料上的绝缘层100从感测层110的第一表面111起离，因此感测层110的第一表面111被暴露在环境中。
在该实施例的一种实施方式中，在步骤408前，传感器芯片90或91的导电衬底130被放置在非导电载体140上，从而使得也用绝缘层100共形地涂覆非导电载体140。图1的传感器10中示出了该实施例。
在该实施例的另一实施方式中，在步骤408后，传感器芯片90或91的导电衬底130被放置在非导电载体140上，从而使得不采用绝缘层100共形地涂覆非导电载体140。图3的传感器12中示出了该实施例。
在该实施例的再一实施方式中，第一电极145和第二电极146沿着用以使第一电极145和第二电极146可通讯地耦合于电路组件195(图2)的任何需要的迹线形成于非导电载体140中。在这种情况下，在非导电载体140与导电衬底130的第二表面132之间形成绝缘层180。这保证了当传感器芯片90或91被放置于非导电载体140上时，除了第一通孔170和第一电极145之间与第二通孔175和第二电极146之间的接触点外，第一电极145和第二电极146与导电衬底130电隔离。在一个实施例中，绝缘层180是在非导电载体140与导电衬底130的第二表面132之间形成的二氧化硅层180。在该实施例的另一实施方式中，绝缘层180是氧化物层。
示例实施例
示例1包括传感器，其包括：具有侧壁的导电衬底；覆盖所述导电衬底的第一表面的电介质层，所述电介质层包括具有第一厚度的栅电介质和具有第二厚度的场电介质；覆盖所述栅电介质的第一表面的感测层；非导电载体，其中所述导电衬底的第二表面覆盖所述非导电载体的一部分；以及至少共形地涂覆所述导电衬底的侧壁的绝缘层，其中所述感测层的第一表面不被所述绝缘层涂覆。
示例2包括示例1的传感器，其中所述绝缘层是具有小于1000埃的厚度的原子层。
示例3包括示例1-2中任一的传感器，其中所述绝缘层共形地涂覆所述场电介质。
示例4包括示例1-3中任一的传感器，其中所述绝缘层共形地涂覆所述场电介质以及所述非导电载体的暴露表面。
示例5包括示例1-4中任一的传感器，进一步包括：电路组件，其中当所述感测层暴露在导电流体中时，所述电介质层、所述感测层和所述电路组件可操作用于感测所述导电流体的pH。
示例6包括示例1-5中任一的传感器，进一步包括：第一电极；第二电极；形成于导电衬底中的第一通孔，所述第一通孔将源极扩散区电连接到所述第一电极；以及形成于导电衬底中的第二通孔，所述第二通孔将漏极扩散区电连接到所述第二电极，其中，当所述传感器是工作着的时，所述感测层起到栅的作用，且所述导电衬底起到沟道的作用。
示例7包括示例6的传感器，进一步包括：形成于所述非导电载体与所述导电衬底的第二表面之间的二氧化硅层，所述二氧化硅层覆盖所述第一电极与所述第二电极。
示例8包括示例1-7中任一的传感器，其中所述导电衬底是硅衬底。
示例9包括示例1-8中任一的传感器，其中所述导电衬底是p掺杂的硅衬底。
示例10包括示例1-9中任一的传感器，其中当暴露在导电流体中时，所述电介质层和所述感测层感测pH。
示例11包括形成不受杂散电流影响的传感器的方法，其包括用电介质层涂覆导电衬底的第一表面；用感测层涂覆所述电介质层的一部分；分割所述导电衬底，其中侧壁被暴露；以及至少在所述侧壁上共形地形成绝缘层，其中所述感测层的第一表面不被所述绝缘层涂覆。
示例12包括示例11的方法，进一步包括：将所述导电衬底放置在非导电载体上。
示例13包括示例11-12中任一的方法，进一步包括：在至少在所述侧壁上共形地形成所述绝缘层之前在非导电载体上放置所述导电衬底，其中所述绝缘层覆盖所述非导电载体的表面的一部分。
示例14包括示例11-13中任一的方法，进一步包括：蚀刻所述电介质层的一部分，其中用所述感测层涂覆所述电介质层的所述部分包括：用所述感测层涂覆所述电介质层的经蚀刻的部分。
示例15包括示例11-14中任一的方法，进一步包括：在非导电载体中形成第一电极；在所述非导电载体中形成第二电极；在所述导电衬底中形成第一通孔；在所述导电衬底中形成第二通孔；以及在非导电载体上放置所述导电衬底。
示例16包括示例15的方法，进一步包括：在所述非导电载体与所述导电衬底的第二表面之间形成绝缘层，所述绝缘层覆盖所述第一电极与所述第二电极；在所述绝缘层中形成第一导电材料；以及在所述绝缘层中形成第二导电材料。
示例17包括示例15-16中任一的方法，进一步包括：在所述非导电载体与所述导电衬底的第二表面之间形成二氧化硅层，所述二氧化硅层覆盖所述第一电极与所述第二电极；在所述二氧化硅层中形成第一导电垫；以及在所述二氧化硅层中形成第二导电垫。
示例18包括示例15-17中任一的方法，其中在所述导电衬底中形成第一通孔包括：在所述导电衬底中蚀刻第一空腔；以及用金属或金属合金涂覆所述第一空腔的内表面，并且其中在所述导电衬底中形成第一通孔包括：在所述导电衬底中蚀刻第二空腔；以及用金属或金属合金涂覆所述第二空腔的内表面。
示例19包括pH传感器，其包含：非导电载体；嵌入所述非导电载体中的第一电极；嵌入所述非导电载体中的第二电极；具有第一表面、第二表面和侧壁的导电衬底，所述导电衬底至少覆盖所述非导电载体的一部分；覆盖所述导电衬底的第一表面的电介质层，所述电介质层包括具有第一厚度的栅电介质和具有第二厚度的场电介质；覆盖所述栅电介质的第一表面的感测层；至少共形地涂覆所述导电衬底的侧壁的绝缘层，其中所述感测层的第一表面不被所述绝缘层涂覆；在所述导电衬底中形成的第一通孔，所述第一通孔将源极扩散电连接到所述第一电极；以及在所述导电衬底中形成的第二通孔，所述第二通孔将漏极扩散电连接到所述第二电极，其中，当所述pH传感器是工作着的时，所述感测层起到栅的作用，并且所述导电衬底起到沟道的作用。
示例20包括示例19的pH传感器，进一步包括：形成于所述非导电载体与所述导电衬底的第二表面之间的覆盖所述第一电极和所述第二电极的氧化物层；贯穿所述氧化物层的第一导电垫；以及贯穿所述氧化物层的第二导电垫。
虽然在本文中已经图解并描述了具体的实施例，本领域技术人员将领会的是，计划达到相同目的的任何布置都可以代替所示的具体实施例。本申请意在覆盖本发明任何修改或变体。因此，明确旨在：本发明仅由权利要求和其等同物限制。

Claims (3)

1.一种传感器(10)，其包括：
具有侧壁(135)的导电衬底(130)；
覆盖所述导电衬底(130)的第一表面(131)的电介质层(120)，所述电介质层(120)包括具有第一厚度(t1)的栅电介质(121)和具有第二厚度(t2)的场电介质(122)；
覆盖所述栅电介质(121)的第一表面(223)的感测层(110)；
非导电载体(140)，其中所述导电衬底(130)的第二表面(132)覆盖所述非导电载体(140)的一部分(144)；以及
至少共形地涂覆所述导电衬底(130)的侧壁(135)的绝缘层(100)，其中所述感测层(110)的第一表面(111)不被所述绝缘层(100)涂覆。
2.根据权利要求1的传感器(10)，其中所述绝缘层(100)是具有小于1000埃的厚度的原子层。
3.一种形成不受杂散电流影响的传感器(10)的方法，其包括：
用电介质层(120)涂覆导电衬底(130)的第一表面(131)；
用感测层(110)涂覆所述电介质层(120)的一部分(121)；
分割所述导电衬底(130)，其中侧壁(135)被暴露；以及
至少在所述侧壁上共形地形成绝缘层(100)，其中所述感测层(110)的第一表面(111)不被所述绝缘层(100)涂覆。
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