CN106030297A - 集成气体传感器和相关制造工艺 - Google Patents

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Abstract

一种具有钨或钨氧化物气体感测元件(21)的集成气体传感器(1)，设置有：半导体材料的衬底(2)；以及多个互连层(8)的结构，布置在衬底(2)上并由多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)构成。气体感测元件(21)被集成在多个互连层(8)的结构内，并且至少一个电极(22a、22b)布置在多个互连层(8)的结构内，被电连接至气体感测元件(21)并被设计为提供电流(Iox)至气体感测元件(21)，以便使气体感测元件加热。

Description

集成气体传感器和相关制造工艺
技术领域
本发明涉及一种集成气体传感器和相关制造工艺。
背景技术
众所周知，微机电系统(MEMS(Micro-ElectroMechanical System))传感器通常用在电子装置中，特别是用在便携式或移动电子装置(诸如智能电话、平板电脑等)或可佩戴设备(诸如智能手表等)中。
应当强调的是，在本文中术语“微机电系统”旨在也包含纳米结构，或者一般具有亚微米级尺寸的结构。
MEMS传感器包括例如运动传感器(诸如加速计或陀螺仪之类)、力传感器或环境传感器(诸如压强传感器、湿度传感器或气体传感器等)。
尤其是，气体传感器通常使用金属氧化物作为感测元件或检测元件。在给定温度(或多个温度)下对金属氧化物进行加热时，由于存在一定的气体(或几种气体)，金属氧化物改变其电导率，因此改变其电阻。
通常，采用半导体工业的标准技术来制造MEMS传感器，从例如由硅制成的半导体衬底或晶片开始。所得到的MEMS传感器通常被集成在裸片中，然后被容纳在封装中。
集成电子电路，即所谓的专用集成电路(ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit))被可操作地耦合到MEMS传感器，并且通常被集成在半导体材料的单独裸片中，其可以与MEMS传感器裸片一起被便利地封装在单个封装内，从而提供紧凑的封装好的器件。
在设计特别是用于便携式电子设备应用的MEMS传感器和相关集成电子电路时，人们持续致力于减小所得到的器件的大小、功耗和总制造成本，同时保证期望的电性能和机械性能。
本申请人已经意识到，已知的集成气体传感器和相关制造工艺不能完全满足例如在成本、尺寸和功耗方面的上述要求。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供改进的集成气体传感器和制造工艺。
因此，根据本发明，提供一种如所附权利要求限定的集成气体传感器和相关制造工艺。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将仅仅通过非限制示例并参照所附附图来描述其优选实施例，在附图中：
图1示出根据本解决方案的实施例的集成气体传感器的示意横截面；
图2a-图2g是在相关制造工艺的后续步骤中图1的集成气体传感器的示意横截面；
图3是图1的集成气体传感器中的气体感测元件的等效电路图；
图4是与集成气体传感器有关的电量的曲线图；
图5是在本解决方案的可能实施例中的集成气体传感器的示意方框图；
图6是根据本解决方案的实施例由集成气体传感器中的控制单元执行的操作的流程图；
图7和图8是根据本解决方案的其它实施例的集成气体元件中的感测元件的示意俯视图；以及
图9是根据本解决方案的其它方面的嵌有集成气体传感器的移动装置的示意描述。
具体实施方式
如下将详细讨论地，本解决方案的实施例设想主要使用标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺步骤和材料来制造集成气体传感器，尤其是，在典型CMOS集成结构的互连层(堆叠的金属和介电层)内提供集成气体传感器。尤其是，如下详细描述地，本解决方案的一个方面设想使用标准的CMOS工艺和额外的蚀刻后工艺(etching post-process)，尤其是，氢氟酸蒸汽(vHF)蚀刻。
另外，本解决方案的另一方面设想了金属元件(尤其是，钨丝或钨线)的集成，金属元件被设计为待氧化的，以便允许测量待检测的一种或多种气体的浓度；钨线可以具有非常细的宽度或厚度，低于1μm(在这种情况下被定义为“钨纳米线”)。
如图1中所示，根据本解决方案的一个实施例的集成气体传感器1包括半导体材料的衬底2，例如硅衬底。
以已知的方式(在此进行不详细讨论)，用附图标记3示意性示出和表示的电气/电子组件(例如晶体管、电阻器、二极管、电连接等)可以被设置在衬底2内。
尤其是，上述电气/电子组件3被设计为提供集成气体传感器1的集成电子电路(ASIC)4；ASIC 4被设计为可操作地耦合到集成气体传感器1的气体感测结构，并且执行对所检测到的电信号的处理操作，例如放大和滤波操作。
集成气体传感器1包括布置在衬底2上的底介电层，底介电层通常被表示为层间介电(Inter Level Dielectric(ILD))层，可以包括掺杂氧化物(例如，硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅酸盐玻璃(PSG))的底区域5和非掺杂氧化物的顶区域6。
另外，集成气体传感器1包括在底介电层5和6上方的多个互连层8的结构，互连层8包括多个导体材料(例如，诸如铝之类的金属)堆叠层和介电层(例如二氧化硅)。
尤其是，多个互连层8的结构包括底导电层9和顶导电层10，顶导电层10被设计为提供外部接触界面，该外部接触界面允许外部朝向底部各层和被集成在衬底2内的ASIC 4的接触。
在底导电层9与顶导电层10之间，多个互连层8的结构包括多个(在图1的非限制性示例中等于2)附加导电层11(例如，诸如铝之类的金属)。
导电层9、10和11被例如多个二氧化硅的介电材料层13彼此分隔开。多个导电过孔14穿过多个介电材料层13，以便根据期望的电连接路径提供导电路径，来互连导电层9、10和11。典型地，导电过孔14包括用于铝后端(Al back-end)CMOS工艺的钨。
此外，根据本解决方案的一个方面，通过选择性地去除一个或多个介电层13的一部分和对多个导电层11的限定，空腔15被限定在多个互连层8的结构内。
集成气体传感器1还包括气体感测结构20，气体感测结构20包括感测元件21以及被电连接到感测元件21的各自端部的第一电极22a和第二电极22b。
尤其是，感测元件21包括至少一个金属氧化物元件，例如，以钨氧化物丝或钨氧化物线的形式的金属氧化物元件(在顶俯视图中，其可以是直线形，或具有曲折或蛇形结构)；感测元件21可以包括钨氧化物纳米线，例如三氧化钨(WO3)。
作为替代方案，感测元件21可以包括元件的阵列，例如钨线的阵列(以及可能相应数目的电极)。
在所示示例中，第一电极22a和第二电极22b都形成在同一导电层11(尤其是，与顶导电层10相邻的导电层11)中；而且，在该示例中，感测元件21悬挂在空腔15内，并且附着于导电层11的第一电极22a和第二电极22b。
然而，应当强调的是，至于感测元件21的布置，其它选择也是可能的。例如，钨元件可以不是被悬挂在导电层11上，而是被埋入一个或多个介电层13中，仍然经由第一电极22a和第二电极22b而电连接至该导电层11。
集成气体传感器1还包括导电柱24a、24b，导电柱24a、24b由多个导电层11的各部分与各介电材料层13限定的多个导电过孔14堆叠而形成。导电柱24a、24b提供从第一电极22a和第二电极22b到底导电层9的电连接。
有利地，感测元件21可以形成在同一层中，并且采用与一个或多个导电过孔14相同的工艺步骤。在这种情况下，导电过孔14也为金属材料，例如，钨。换言之，至少部分采用CMOS工艺的标准步骤，即，采用多个互连层8的结构中的多个过孔14的形成步骤，来形成感测元件21。
在未详细示出的方式中，通过底介电层5和6提供另外的电连接，以便限定朝向被集成在衬底2内的ASIC 4的电连接，以及以便将由气体感测结构20检测到的电信号运往该ASIC 4。
在未详细示出的方式中，借助于导电层9、10和11提供另外的电连接，以便将电信号运往(例如，是由ASIC 4对检测到的电信号执行的处理操作的功能)顶导电层11和集成气体传感器1的外部。
顶导电层11具有多个通孔26，通过这些通孔，如下详细讨论地，蚀刻剂，诸如氢氟酸(HF)之类可以被引入多个互连层8的结构，尤其是用于形成空腔15。
顶导电层11上可以设置有钝化层(这里未示出)，钝化层被适当地配置为允许空气从外部进入到下面的空腔15，以便允许感测元件21感测环境气体。
一般地，钨氧化物，尤其是WO3，根据某些气体分子，如氮氧化物(NOx)、碳氧化物(COx)、乙醇、水、臭氧等的存在而改变它们的电阻率。电阻率的这种变化还取决于钨元件的温度。
根据本解决方案的一个方面，为了感测气体浓度，经由第一电极22a和第二电极22b，对施加到感测元件21的电流或电压执行时间扫描，以便产生其温度的相应扫描。例如，在扫描期间，再次经由第一电极22a和第二电极22b测量感测元件21的电阻。
感测元件21的加热是这样，通过焦耳效应来执行，无需额外的加热器；换言之，执行感测元件21的“自加热”。
通过在衬底2内集成的ASIC 4，可以有利地执行电流的施加和电阻的测量；作为替代选择，可以使用外部电子设备，该外部电子设备可能与第一电极22a和第二电极22b和/或ASIC 4相接合(interfacing with)。
在每一个温度下，感测元件21对每种气体的灵敏度是不同的；因此，能够确定空气中的一组气体的成分并测量其浓度。
可替代地，如果感测元件21包括钨氧化物线的阵列，则不同的电流或电压可以被施加到阵列中的每一个钨氧化物线(以便达到用于感测各自气体的适合的温度)，以便立刻测量每种气体的浓度，而无需扫描一段时间内的电流。
又一种选择是，使感测元件21包括钨氧化物线的阵列，每一个钨氧化物线具有不同的大小和/或形状，并且以串联或并联连接；在这种情况下，当施加同一电流或电压时，由于每一个钨氧化物线具有不同的大小和/或形状，因此每一个钨线被设置在不同的温度处。在设想为阵列的所有情况下，提供测量每一个单独钨氧化物线处电压或电流的手段，以便根据所施加的电流或电压来感测每一个元件的电阻。
现在开始参照图2a讨论集成气体传感器1的制造工艺。
该工艺开始于将近完成的CMOS晶片或裸片，即，在衬底2内形成电气/电子组件之后(以便提供ASIC 4)，并且在形成底介电层5、6和多个互连层8的至少一部分结构之后。
通过示例方式，图2a示出了初始的CMOS晶片30(为了清楚起见，仅仅示出了与本讨论相关的一部分)，其中导电层11已经被限定(根据标准的CMOS工艺技术)，以便在底导电层9(这里未示出)上方限定导电柱24a、24b的底部。尤其是，通过限定相应的导电层11、蚀刻相应的介电层13和形成多个导电过孔14，已经预先形成了导电柱24a、24b。
然后，如图2b中所示，蚀刻例如包括二氧化硅(SiO2)的介电层13的上部，并且使用合适的掩模和标准的CMOS工艺来图案化，以便在导电柱24a、24b之间以及侧凹部32a、32b之间的区域中限定中心腔31，以暴露下面的导电层11的中心部。
在导电层11处停止蚀刻，而中心腔31相对于侧凹部32a、32b穿过介电材料延伸更大的深度。这样，中心腔31的底壁延伸到最上面的导电层11的水平之下，延伸至下面的介电层13内。
此外，中心腔31的形状(在顶俯视图中)是感测元件21的期望构造的函数，感测元件21将在该中心腔31内随后形成。
然后，如图2c中所示，例如通过溅射技术和图案化(通过合适的掩模工艺)，导电层(对应于多个互连层8的结构的堆叠中的下一个过孔层)，特别是钨材料的导电层被沉积，以便在中心腔31内限定感测元件21的金属体21a，同时，在侧凹部32a、32b内限定导电柱24a、24b的附加导电过孔14。
如图2d中所示，金属层(对应于多个互连层8的结构的堆叠中的下一个附加导电层11)，例如铝材料的金属层，被沉积在晶片30上，并通过合适的掩模工艺来图案化，以便限定第一电极22a和第二电极22b，第一电极22a和第二电极22b接触感测元件21和导电柱24a、24b的端部(如图2d中所示，在感测元件21上第一电极22a与第二电极22b之间保留有空区域)。
然后，如图2e中所示，执行标准的CMOS工艺步骤，来形成另一个介电层13(也填充上述空区域)和顶导电层10。
此外，如图2f中所示，然后穿过顶导电层10形成多个通孔26(通过示例方式，仅示出这些通孔26中的两个)。
根据本解决方案的一个方面，然后，经由通孔26执行蚀刻，优选地，执行湿蚀刻，并且更优选地，执行通过vHF(氢氟酸蒸汽)的蒸气蚀刻。尤其是，在多个互连层8的结构内，蚀刻剂穿透并去除多个介电层13的介电材料，在感测元件21周围形成空腔15，感测元件21悬挂在该空腔15上方，附着于第一电极22a和第二电极22b。
如图2g中所示，该工艺的下一个随后步骤设想金属体21a的氧化，以便限定金属氧化物体21b，由此完成在CMOS晶片30的多个互连层8的结构内形成感测元件21的步骤。
本解决方案的特别方面设想执行金属体21a的所谓“自氧化”；使得氧化电流Iox经由第一电极22a和第二电极22b流过金属体21a，以根据焦耳效应使其加热。这允许在标准空氛围围中执行氧化过程，可以避免对富氧氛围的需求。
这样，根据可能的解决方案，通过感测元件21的金属体21a的“自加热”来执行氧化过程，即，无需外部的加热器元件(这样，简化了结构和制造工艺)。
在这方面，本申请人已经意识到，如果钨线的电流(或相应地，温度)上升到某个阈值(该阈值取决于设计，而且，即使给定相同的设计参数，该阈值也具有大的可变性)之上，存在线烧坏的风险，即线被分隔成两个或更多部分，因此不再有用。
因此，必须确定通过焦耳加热来加热感测元件21的金属体21a的正确的电流电平(level)，或类似地，必须确定用于产生期望的电流电平的相应的电压。
本申请人还意识到，电流源可能不适合用于引起上述自氧化的目的。实际上，当线被氧化时，其电阻增大10至100倍的范围，因此，焦耳加热会突然很高，从而造成线的损坏或断裂。
因此，如图3示意性所示，感测元件21的金属体21a被表示为具有氧化电阻Rox的电阻器，本解决方案的一个方面设想使用电压源40来提供氧化电压Vox，以便产生通过金属体21a的氧化电流Iox，来通过焦耳效应引起加热。
为了确定氧化电压Vox的最优值(不能太高，以免破坏线，也不能太低，以免花费太长时间来进行氧化过程)，本解决方案的一个方面设想执行合适的氧化算法。
详细地讲，参照图4，该算法设想氧化电压Vox逐渐和步进式增加，在损坏或危险限制以下，从已知良好的值开始增加。
然后，氧化电压Vox步进式增加，在预设时间间隔(在预设时间间隔期间，电压值保持恒定)之后逐渐增加；例如，这个预设时间间隔的范围可以为1～10分钟。
在氧化电压Vox的每一个新值处，评估所供给的氧化电流Iox的值，以便确定氧化电阻Rox的实际值。
当确定氧化电阻Rox的实际值相对于初始值已经增大预设量(例如，是初始值十倍)时，或者已经达到预设阈值时，算法设想停止金属体21a的加热，金属体21a被确定为已经被充分氧化(从而完成感测元件21的形成)。
尤其是，一旦确定了电阻值的预设增加或者达到阈值就可以立即停止加热，或者在发生这个确定的时间间隔的结束时刻就可以停止加热，或者在从这个确定开始的给定等待时间的结束时刻就可以停止加热。
可以在CMOS制造工艺的结束时刻执行上述氧化算法，即，伴随着在铸造厂或处理工厂中执行的最后工艺步骤，或者在测试所制造的CMOS晶片30期间执行上述氧化算法。
在这种情况下，可以由监视工艺操作的合适的控制单元从集成气体传感器1的的外部执行上述算法。尤其是，可以经由顶金属层11中合适地设置的连接焊盘(附图中未示出)来施加氧化电压Vox，并且该氧化电压Vox在该集成气体传感器1的封装(附图中未示出)的外部产生。
另一种可能还设想在制造工厂中的晶片级的氧化过程，在这种情况下，使用可以不被连接到封装的焊盘。可以使用探针卡(probe card)或钉床(bedof nail)来完成电连接。这种方法的一个优点是，在某些情况下能够使用富氧氛围，这将带来更好、更快和更均匀的氧化过程。
作为替代选择，根据本解决方案的又一方面，可以在现场执行自氧化，即，在集成气体传感器1(被嵌入在电子装置例中，例如移动装置中)的第一次操作期间，借助于在集成气体传感器1的第一次操作中执行的初始化例程。这种可能充分利用了感测元件21与相关ASIC 4的CMOS集成。
在可能的实施例中，氧化电阻Rox可以被感测，并且，如果氧化电阻Rox，被确定为低于阈值，则可以执行自氧化；这种解决方案有利于避免刚刚通电之后就发生供电中断情况下可能发生的不完全氧化。
在另一个实施例中，可以在启动阶段，或者在由电源(例如，移动装置的供电单元)第一次加电或供给电能时，执行自氧化过程。
在任何情况下，将关于执行自氧化过程的信息储存在非易失性存储器元件中(为了避免该过程被更多地执行)可以是有利的。
如图5中示意性所示，ASIC 4可以设置有合适的控制单元42，例如微控制器、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或其它处理单元，并且ASIC4被设计为，当检测到集成气体传感器1的第一次操作时，在现场执行上述讨论的氧化算法。
在这种情况下，ASIC 4还包括电压源40和合适的反馈元件(这里未示出)，用于使控制单元42监视氧化电流Iox的值。
在该附图5中，示意性地示出了集成气体传感器1的封装，并用附图标记46表示。封装46以已知的方式容纳CMOS裸片30，并提供到外部(例如到外部印刷电路板(PCB))的合适的电连接，并且还允许空气进入在该CMOS裸片内的空腔15并引入待检测的一种或多种气体。
这样，可以由ASIC 4在现场执行初始化和自氧化例程，并且执行过程对用户是透明的，从而允许进一步简化和流水线化制造工艺(在这种情况下，不需要最后的氧化步骤)。
如图6中示意性所示，初始化和自氧化例程可以设想，在第一步骤50，集成气体传感器1的ASIC 4内的控制单元42确定必须执行感测元件21的金属体21a的氧化过程。
例如，这个确定的做出是在感测到集成气体传感器1的启动或第一次加电之后，或者是在测量到该金属体21a的电阻并发现该电阻低于给定阈值之后。
在上述确定给出肯定的结果的情况下，如前所详述，在步骤51执行感测元件21的金属体21a的自氧化过程；为此，控制单元42可以控制电压源40逐渐增大地提供氧化电压Vox，同时监视氧化电流Iox的值。
当该控制单元42确定了氧化电阻Rox的合适增大时，结束自氧化过程；然后，如步骤52所示，就可以执行标准的气体感测操作了。
代替地，如果在步骤50中控制单元40确定自氧化过程已经被执行过了，则在步骤52中立即执行标准气体感测操作。
本申请人还意识到，为了最小化集成气体传感器1的噪声，期望被氧化的区域最大化。
然而，本申请人已经意识到，采用钨纳米线，无论其长度和形状(例如，俯视图中的直线形或曲折形)如何，通常只有中心部分达到待被完全氧化所需的高温(理想情况下，大约800℃-900℃)。线的剩余部分可能未被适当地氧化，因此可能没有为气体感测做出贡献，或者未充分参与气体感测；这可能会增大气体传感器的噪声，这是人们不希望的。
这样，如图7中所示，本解决方案的另一个方面设想，感测元件21的合适的形状在其中心具有较宽的部分(通过示例的方式，图7以俯视图示出了感测元件1的线形整体形状；然而，该感测元件21可以具有诸如曲折形之类的不同的形状)。
详细地讲，在俯视图中，感测元件21包括具有第一宽度(横切于其纵向延伸)W1的侧截面61(被连接到第一电极22a和第二电极22b)以及具有第二宽度W2的中心截面62，其中，第二宽度W2远大于第一宽度W1(作为非限制性示例，第二宽度W2是第一宽度W1的10至100倍)。
在此解决方案中，侧截面61将负责在焦耳加热(或自加热)期间提高温度，并且在自氧化期间和气体感测操作期间负责设置操作温度点。中心截面62将代替地是进行氧化的那一个，然后，其负责根据待检测气体的存在以及侧截面61设置的操作温度来改变其电阻。
另一个潜在改进是避免从窄的侧截面61突然改变至宽的中心截面62。
因此，图8中所示的又一实施例设想存在在俯视图中具有梯形形状(因此具有从窄增加到宽的截面，或者从第一宽度W1到第二宽度W2的渐变形状)的过渡区域64，用以将侧截面61连接到中心截面62。
这个实施例允许为氧化过程设置操作温度的更宽余量，从而获得更好的产量和可靠性。
根据前面的描述，所提出解决方案的优点是清楚的。
尤其是，可以使用大部分标准工艺，例如CMOS工艺，来制造集成气体传感器1，并且允许将感测元件21与相关电子器件集成在单个裸片内，例如，一个CMOS裸片内；尤其是，ASIC 4可以被集成在CMOS裸片的衬底2中，同时集成气体传感器1的感测元件21可以被集成在多个互连层8的重叠结构中。
所讨论的解决方案不仅可以采用标准的CMOS步骤，还可以采用标准的CMOS工艺来实施，可能违反使用具有铝后端的标准的CMOS的标准过孔层来实施钨线的某些设计规则检查(DRC)规则。
相对于传统的解决方案，集成气体传感器1的最终尺寸和制造成本都大大降低。
此外，本制造工艺使用大部分标准的CMOS工艺，为大批量制造(HVM，High Volume Manufacturing)做好准备，并且在集成气体传感器1的设计中提供很短的上市时间(TTM，Time To Market)。
还应当强调的是，无论在制造过程期间还是在现场执行的情况下，所讨论的工艺步骤有利地设想，在形成空腔15并且蚀刻多个互连层8的结构中的介电材料之后，为限定感测元件21而执行氧化过程；因此，介电材料(例如二氧化硅)的蚀刻不影响感测元件21的(以后形成的)金属氧化物。
换言之，自氧化解决方案允许将氧化步骤留作工艺的最后一步，并且感测元件21的金属体21a，例如钨线，可以在被氧化之前投放(release)。因此，无论采用湿蚀刻还是干蚀刻，优选地采用vHF，相对于金属材料，例如钨，二氧化硅可以被容易地被选择性地蚀刻。相反，如果感测元件在氧化之后投放(需要强调的是，这种投放必须朝向工艺的终点来执行，以便避免在后续工艺步骤期间处理空腔的问题)，那么，相对于二氧化硅，选择性地蚀刻金属氧化物将是非常困难的，在这种情况下，二氧化硅将包围感测元件21。
在集成气体传感器1被嵌入移动电话、平板电脑、或一般而言的移动装置或手持装置内的情况下，上面讨论的技术特征是特别有利的；实际上，所讨论的集成气体传感器1允许实现低成本、低功率和低大小要求，这是通常对移动装置的要求。
因此，所讨论的集成气体传感器1能够使移动手持装置具有一种气体或多种气体的感测能力，如图9中示意性所示，由70一般性地表示的移动装置设置有集成气体传感器1。
这个移动手持终端70，结合正确的软件或应用程序(即所谓的“App”)，可以被配置来实施体内酒量测定器、监视空气质量、检测气体泄漏、感测食物和饮料的质量，和/或检测疾病或不适(例如当用户说话时闻他/她的气息)。在后后面的情形中，移动手持终端，结合正确的软件或App，可以提供例如在线购买的可能，或者提供获取药物或其它解决方案以提高用户的健康的可能。
最后，应当清楚，可以对本文描述和示出的内容进行修改和变更，而不偏离如所附权利要求限定的本发明的范围。
尤其是，在CMOS结构内形成感测元件21的制造步骤中可以设想进行修改。
例如，顶导电层10可以被用于形成第一电极22a、第二电极22b和感测元件21的悬挂附件；在这种情况下，感测元件21将被完全暴露，所以封装应该提供免于外部环境的足够的机械保护。
类似地，可以在多个互连层8的结构中不同导电层11的水平处来制造感测元件21。
此外，两个以上的电极可以被耦合至感测元件21，以便实施所谓的“四线测量方案”，即，至少在某些操作条件下，使用分开的载流电极和电压感测电极对，来提高传感性能。
还应当强调的是，所讨论的解决方案可以在双CMOS工艺中实施，或者一般地在用于制造固态电子集成电路的任何其它标准半导体微电子工艺中实施，优选地，在设置有钨过孔(通常用于铝后端工艺中)的半导体微电子工艺中实施。
设想在现场初始化和自氧化以及自加热的解决方案也可以被用于使用其它制造工艺来制造感测元件21的情况(甚至不同于上面讨论的CMOS工艺)中。
感测元件21在任何情况下都将被耦合到相应的ASIC 4(在同一或不同裸片中制造，并且可能设置在同一封装内)，感测元件21包括合适的控制单元42，来自主地和独立于外部设备地监视和控制氧化过程。实际上，这种解决方案在任何情况下，特别是相对于感测元件的投放(或蚀刻包围它的二氧化硅)，都将允许相关制造工艺的改进和简化。
此外，可以考虑其它算法来实施感测元件21中的自氧化过程，其一般目的是使氧化过程所需的时间最小化，同时实现最优的氧化过程。

Claims (20)

1.一种集成气体传感器(1)，具有气体感测元件(21)，所述集成气体传感器(1)包括：
衬底(2)，包括半导体材料；以及
多个互连层(8)的结构，布置在所述衬底(2)上，并且包括多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)，其中所述气体感测元件(21)被集成在所述多个互连层(8)的结构内，并且至少一个电极(22a、22b)布置在所述多个互连层(8)的结构内，被电连接至所述气体感测元件(21)并被设计为提供电流(Iox)至所述气体感测元件(21)，以便加热所述气体感测元件(21)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)包括由钨制成的金属体(21a)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中空腔(15)设置在所述多个互连层(8)的结构内，所述气体感测元件(21)布置在所述空腔(15)内。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)附着于所述堆叠的导电层(9、10、11)中的支撑导电层(11)，所述支撑导电层(11)还限定所述至少一个电极(22a、22b)，其中至少一个导电柱(24a、24b)设置在所述多个互连层(8)的结构内，被电连接至所述至少一个电极(22a、22b)，并从所述同一电极(22a、22b)延伸至所述衬底(2)；所述至少一个导电柱(24a、24b)包括由导电层(11)的各部分和通过各介电层(13)限定的多个导电过孔(14)的堆叠。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)在与至少一个所述导电过孔(14)相同的层中实现。
6.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)具有纵向延伸，并且包括具有横切于所述纵向延伸的第一尺寸(W1)的侧部(61)，和具有横切于所述纵向延伸的对应的第二尺寸(W2)的中心部(62)；所述第二尺寸(W2)大于所述第一尺寸(W1)，其中至少一个所述侧部(61)被连接至所述至少一个电极(22a、22b)。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)还包括过渡部(64)，将所述中心部(62)连接至所述侧部(61)并具有从所述第一尺寸(W1)到所述第二尺寸(W2)的渐变形状。
8.根据任一项前述权利要求所述的传感器，包括所述衬底(2)内的集成电子电路(4)，所述集成电子电路(4)被可操作地耦合至所述气体感测元件(21)。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述集成电子电路(4)被配置为在至少一种操作条件下使所述电流(Iox)流过所述气体感测元件(21)。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述集成电子电路(4)包括电压源(40)和控制单元(42)，所述控制单元(42)被配置为控制所述电压源(40)，以便在所述至少一种操作条件下为所述气体感测元件(21)提供所述电流(Iox)，以使所述气体感测元件(21)的金属体(21a)氧化。
11.根据权利要求9或10所述的传感器，其中所述控制单元(42)被配置为确定所述操作条件的发生，并且响应于所述操作条件，通过施加逐渐增大的氧化电压(Vox)使所述金属体(21a)氧化，直到所述金属体(21a)的电阻值(Rox)达到氧化阈值。
12.根据权利要求10或11所述的传感器，其中所述操作条件对应于下述中的至少一个：所述集成气体传感器(1)的启动或第一次加电；所述金属体(21a)的电阻值(Rox)低于预设阈值。
13.一种移动装置(70)，包括根据任一项前述权利要求所述的集成气体传感器(1)。
14.根据权利要求13所述的装置，具有下述功能中的至少一种：体内酒量测定器、空气质量监视、食物和/或饮料检查；气体泄漏检测；用于疾病检测的呼吸分析仪。
15.一种用于制造具有气体感测元件(21)的集成气体传感器(1)的工艺，包括：
提供包括半导体材料的衬底(2)；
在所述衬底(2)上形成多个互连层(8)的结构，所述多个互连层(8)的结构包括多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)；
在所述多个互连层(8)的结构内集成所述气体感测元件(21)和被电连接至所述气体感测元件(21)的至少一个电极(22a、22b)，所述至少一个电极(22a、22b)被设计为提供电流(Iox)至所述气体感测元件(21)，以便加热所述气体感测元件(21)。
16.根据权利要求15所述的工艺，其中集成所述气体感测元件(21)包括：
使用湿蚀刻或vHF蚀刻步骤以去除所述介电层(13)的一部分，在所述多个互连层(8)的结构内形成空腔(15)；以及
在形成所述空腔(15)之后，通过施加所述电流(Iox)至所述至少一个电极(22a、22b)，使所述气体感测元件(21)的金属体(21a)氧化。
17.根据权利要求15所述的工艺，其中集成所述气体感测元件(21)包括：
选择性地去除至少一个介电层(13)的一部分，以便限定腔(31)；
在所述至少一个介电层(13)上形成金属层，以便用所述气体感测元件(21)的金属体(21a)填充所述腔(31)；
在所述金属层上形成所述堆叠的导电层(9、10、11)中的支撑导电层(11)，并且限定所述同一支撑导电层(11)，以便提供被连接至所述金属体(21a)的所述至少一个电极(22a、22b)；
通过湿蚀刻或vHF蚀刻来蚀刻所述金属体(21a)周围的所述介电层(13)，以便在所述多个互连层(8)的结构内限定空腔(15)，其中所述气体感测元件(21)布置在所述空腔(15)内，并且所述气体感测元件(21)附着于所述支撑导电层(11)。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的工艺，其中提供所述衬底(2)包括在所述衬底(2)内形成集成电子电路(4)，所述集成电子电路(4)被可操作地耦合至所述气体感测元件(21)并且被配置为使得所述电流(Iox)流过所述气体感测元件(21)。
19.一种气体感测方法，包括使用具有气体感测元件(21)的集成气体传感器(1)检测至少一种气体，所述集成气体传感器(1)包括：
衬底(2)，包括半导体材料；以及
多个互连层(8)的结构，布置在所述衬底(2)上并包括多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)，其中所述气体感测元件(21)被集成在所述多个互连层(8)的结构内，并且至少一个电极(22a、22b)布置在所述多个互连层(8)的结构内，被电连接至所述气体感测元件(21)并被设计为提供电流(Iox)至所述气体感测元件(21)，以便加热所述气体感测元件(21)，
所述方法包括：
在所述集成气体传感器(1)的第一次操作时，通过施加所述电流(Iox)至所述至少一个电极(22a、22b)，使所述集成气体传感器(1)的所述气体感测元件(21)氧化。
20.根据权利要求19所述的方法，在制造所述集成气体传感器(1)之后，在现场执行。
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