CN105938117B - 湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供湿度传感器，该湿度传感器与半导体制造工序保持兼容性、并且使每单位面积的电容增大、且改善感湿膜的紧贴性和埋入性。以在前后左右四个方向上彼此邻接的方式配置多个第一电极和多个第二电极，经由金属布线使第一电极与其他第一电极电连接、且使所述第二电极与其他第二电极电连接。

Description

湿度传感器
技术领域
本发明涉及湿度传感器，特别涉及电容式湿度传感器。
背景技术
作为现有的电容式湿度传感器，公知有在半导体基板上配置有电容测定用的电极，且在该电极上覆盖感湿膜的结构。感湿膜具有介电常数根据湿度而变化的特性，该感湿膜根据电极间的电容变化来检测湿度的变化。图9示出其剖视结构的一例。在基板1上形成有绝缘膜2，且在该绝缘膜2上设置有多个电容测定用的电极3a、3b。为了确保电极的可靠性，而成为电极表面被较薄的保护膜4覆盖、在该保护膜4之上覆盖较厚的感湿膜5的结构。
图10示出作为现有技术公知的电容测定用电极3a、3b的配置图案。(a)是将二个电极3a、3b配置成梳齿状的结构(例如，参照专利文献1)。(b)是将多个电极3a排列成岛状、且将另一方的电极3b以包围岛状的电极3a的方式形成的结构(例如，参照专利文献2)。岛状电极3a彼此经由下层布线6a而电连接。(c)是将多个圆柱状的电极3a、3b排列成正三角格子状的结构(例如，参照专利文献3)。圆柱状的电极3a、3b经由下层布线6a、6b而电连接。
专利文献1：日本特表2003－516539号公报
专利文献2：日本特开2007－192622号公报
专利文献3：日本特开2014－167445号公报
发明内容
对于图10的(a)的梳齿布线结构来说，具有每单位面积的电容较大、且能够由一层布线形成的优点，但因为是偏向于特定方向的布局，因此对于特定方向的应力来说，有可能导致感湿膜容易剥落。另外，为了在有限的面积内确保所期望的电容，优选使电容测定用电极3a、3b变厚且使电极间隔变窄，但在这样的状况下，存在当埋入感湿膜时容易产生空隙的埋入性弱点。
对于图10的(b)的结构来说，因为是具有4次对称性的电极配置，因此感湿膜对特定方向的剥落的问题得到改善，但容易产生空隙的程度与梳齿布线结构相同。另外，与(a)的梳齿布线结构相比，每单位面积的电容小。
关于图10的(c)的结构，因为电极配置具有6次对称性，因此针对特定方向的剥落的问题得到改善。另外，因为与(a)、(b)相比，电极3a、3b对感湿膜的夹持法得到缓解，因此感湿膜的埋入性也得到改善。但是尽管(c)是以最密填充的方式配置圆柱状的电极，但如后所述那样，与梳齿布线相比每单位面积的电容并没有增大。另外，若圆柱状的电极3a、3b的制造方法(例如，参照专利文献3)成为与通常的半导体制造工序不兼容的专用工序，则制造成本增加。在于相同的半导体芯片上构筑信号处理电路和湿度传感器的情况下，为了抑制制造成本的增加，而优选在信号处理电路的布线制造工序中也形成湿度传感器的电极3a、3b。
因此，在本发明中，课题在于提供与通常的半导体制造工序保持兼容性、并且使每单位面积的电容增大、且改善感湿膜的紧贴性、埋入性的湿度传感器。
作为上述课题的对策，本发明使湿度传感器的电容测定用电极3a、3b成为岛状，以在一方的电极3a(或者3b)的前后左右四个方向上邻接有另一方的电极3b(或者3a)的方式配置。电极3a彼此(或者电极3b彼此)经由通孔和下层布线而电连接。
根据本发明，能够在通常的半导体制造工序中形成湿度传感器的电容测定用电极，电容测定用电极对感湿膜被的夹持法与现有技术的梳齿布线结构等相比得到缓解，因此感湿膜的埋入性也得到改善。另外，因为不是偏向于特定方向的布局，因此感湿膜的剥落的问题也得到改善。而且，对于每单位面积的电容来说，即使与现有技术的将圆柱状电极排列成正三角格子状的结构相比也能够增大。
附图说明
图1是本发明的湿度传感器中的电容测定用电极的配置图。
图2是本发明的第一实施例。(a)是俯视图，(b)是剖视图。
图3是本发明的电极配置中的电力线和等电位线的数值计算结果。
图4是本发明的第二实施例的俯视图。
图5是本发明的第三实施例的俯视图。
图6是本发明的第四实施例的俯视图。
图7是本发明的第五实施例的俯视图。
图8是本发明的第六实施例的俯视图。
图9是现有的湿度传感器的电容测定部的剖视图。
图10是现有的湿度传感器的电容测定用电极的配置图案。
标号说明
1：半导体基板；2：绝缘膜；3：电容测定用电极；4：保护膜；5：感湿膜；6、7：下层布线；8：通孔。
具体实施方式
在本发明的湿度传感器中，使电容测定用电极成为岛状，如图1那样，除了外周部之外，以在一方的电极3a(或者3b)的前后左右四个方向上邻接有另一方的电极3b(或者3a)的方式配置。以下，具体地详细说明使用了该电极配置的本发明的实施例。
[实施例1]
图2中示出本发明的实施例1。图2的(a)是俯视图，若从上方观察电容测定用电极3a、3b，则成为一边长度为d的正方形，如图1所示，以相邻的电容测定用电极3a与3b的间隔也为d的方式配置。各电极经由通孔8与下层布线6a、6b连接，通过测定在所有的电极3a与所有的电极3b之间产生的电容而能够检测湿度。在相邻的电容测定用电极3a与3b的下方平行地配置有下层布线6a、6b，在电容测定用电极3a与3b中在不同的位置处配置有通孔8。
图2的(b)是沿图2的(a)的区域A1－A2线的剖视图。在半导体基板1上形成绝缘膜2，且在该绝缘膜2上设置电容用电极3a、3b。在绝缘膜中具有下层布线6a、6b，电极3a(或者3b)经由通孔8与布线6a(或者6b)连接。在通常的半导体制造工艺中制作下层布线6a、6b、通孔8、电极3a、3b。通常，因为使用多层布线制作信号处理电路部，因此不需要追加制造工序直到形成电极3a、3b为止。在电极3a、3b上由较薄的保护膜覆盖，而且在该保护膜上由较厚的感湿膜覆盖。在保护膜中使用例如厚度为100nm的SiN膜等。在感湿膜中使用例如介电常数相对于湿度变化的有机材料等。保护膜和感湿膜的形成工序成为用于湿度传感器的追加工序。
为了确认在图1、图2的电极配置中每单位面积的电容增大的情况，而通过使用了二维模型的数值计算来计算出电容。图3是当以该电极配置施加了电压时的电力线和等电位线的数值计算结果。在表1中示出在各种电极配置中实施相同的数值计算且计算出电容进行比较的结果。
[表1]
结构 电容比
梳齿布线(图10的(a)) 1.00
岛结构(图10的(b)) 0.78
正三角格子(图10的(c)) 0.99
本发明(图1、图2) 1.28
实施例4(图6) 1.01
实施例6(图8) 1.02
在计算中将在各结构的图中示出的尺寸d作为相同的值而求出了每单位面积的电容。在表1中示出了各结构与梳齿布线结构的电容之比。本发明的每单位面积的电容与梳齿布线(图10的(a))相比为1.28倍。正三角格子排列(图10的(c))的电容是0.99倍，尽管是最密填充结构，但与梳齿布线相比电容基本上不变。根据该情况得知，以使电极形状尽量成为矩形、且在一方的电极的前后左右四个方向上邻接有另一方的电极的方式配置，在使每单位面积的电容增大的方面具有效果。
[实施例2]
图4示出本发明的实施例2。电容测定用电极3a、3b的排列与实施例1相同，但下层布线6a、6b的布局与实施例1不同。在实施例1中，在电容测定用电极的正下方布置有二根下层布线，在使用半导体制造工序制作湿度传感器的情况下，有时由于布局规则的制约，不能使下层布线的线宽和间隔足够小，而不能成为实施例1那样的布局。此时，通过如实施例2那样使下层布线6a、6b倾斜45度，能够使布线宽度和布线间隔变宽，有时能够避免布局规则的制约。
[实施例3]
图5示出本发明的实施例3。电容测定用电极3a、3b的排列与实施例1、2相同，下层布线的布局与实施例1、2不同，使用两层的下层布线。电极3a经由通孔8与下层布线6a电连接。关于电极3b，经由通孔8、下层布线6b(因为位于电极3b的正下方因此未图示)、6b的下方的通孔(未图示)与第二下层布线7电连接。在信号处理电路使用三层以上布线的情况下，没有追加工序就能够制作实施例3的结构。
[实施例4]
图6示出本发明的实施例4。在实施例1～3中，电容测定用电极3a、3b的一边的长度与电极间的距离相同。此时，电极相对于整个面积所占的面积的比例(金属占有率)为25％。在半导体制造工艺中为了适当进行电极的加工而需要某程度的金属占有率，也有时25％的金属占有率并不足够。在实施例4中，为了提高金属占有率而使电容测定用电极的一边的长度成为电极间距离的2倍。此时，金属占有率是44％，若是该金属占有率则在电极加工中不会成为问题。在本实施例中，虽然每单位面积的电容降低，但如表1所示那样能够确保与梳齿布线相同程度的电容。
[实施例5]
图7示出本发明的实施例5。电容测定用电极3a、3b的形状不是正方形而是长方形。即使这样的布局也不会使每单位面积的电容降低、而能够改善感湿膜的剥落的问题和埋入性。
[实施例6]
图8示出本发明的实施例6。从电容测定用电极3a、3b的上方观察的形状为圆。为了获得较大的电容而优选配置成使电极形状形为矩形、且另一方的矩形形状电极邻接于其四边，但为了使每单位面积的电容增大，优选也使电极尺寸和电极间隔减小。本实施例示出通过进行微细化而使得形状不是四角形而是接近圆的情况。如表1所示，本实施例的电容比正三角格子的电容稍大。可知，即使是这样使电极形状成为圆形的情况下，在一方的电极的前后左右四个方向上邻接有另一方的电极那样的配置也在确保电容方面有利。

Claims (8)

1.一种湿度传感器，该湿度传感器具有：
半导体基板；
绝缘膜，其设置于所述半导体基板的表面；
多个第一电极和多个第二电极，它们形成于所述绝缘膜上；
第一金属布线，其形成于所述绝缘膜中，且使所述第一电极与其他第一电极电连接；以及
感湿膜，其配置于所述第一电极和所述第二电极上，
该湿度传感器的特征在于，
除外周部之外，在所述第一电极的前后左右四个方向上配置有所述第二电极，在所述第二电极的前后左右四个方向上配置有所述第一电极，
该湿度传感器具有第二金属布线，该第二金属布线形成于所述绝缘膜中，且经由通孔使所述第二电极与其他第二电极电连接。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，
在所述第一电极的下方配置有所述第一金属布线和所述第二金属布线，在所述第二电极的下方也配置有所述第一金属布线和所述第二金属布线。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，
所述第一金属布线和所述第二金属布线由不同的布线层形成。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，
所述第一电极和所述第二电极的形状是矩形。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，其特征在于，
所述第一电极和所述第二电极的形状是正方形。
6.根据权利要求4所述的湿度传感器，其特征在于，
在相对于矩形的边的方向倾斜的方向上配置有所述第一金属布线和所述第二金属布线。
7.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，
所述第一电极和所述第二电极比所述第一电极与所述第二电极的间隔大。
8.一种湿度传感器，该湿度传感器具有：
半导体基板；
绝缘膜，其设置于所述半导体基板的表面；
多个第一电极和多个第二电极，它们形成于所述绝缘膜上；
第一布线，其设置于所述绝缘膜中，且连接所述多个第一电极之间；以及
感湿膜，其配置于所述第一电极和所述第二电极上，
该湿度传感器的特征在于，
除外周部之外，在所述第一电极的前后左右四个方向上配置有所述第二电极，在所述第二电极的前后左右四个方向上配置有所述第一电极，
该湿度传感器具有第二布线，该第二布线设置于所述绝缘膜中，且连接所述多个第二电极之间，
所述多个第一电极和所述多个第二电极是一边的长度分别为d的正方形，
彼此邻接的所述第一电极与所述第二电极的间隔是d，
与布线宽度为d且布线间隔为d的梳齿布线结构的电容式湿度传感器相比，每单位面积的电容比更大。
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