CN107449811B - 具有保护栅极电介质的阻挡层的基于fet的湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
说明性湿度传感器可以包括具有源极和漏极的衬底，其中所述漏极与源极横向隔开。在所述源极和漏极之间的空间中设置有栅极堆叠，以形成晶体管。栅极堆叠可以包括位于所述衬底上的栅极绝缘体，以形成栅极绝缘体/衬底界面。栅极堆叠可以进一步包括所述栅极绝缘体上方的阻挡层。所述阻挡层可以被构造成充当对移动电荷、湿气和/或其他污染物的屏障，并且可以帮助防止这样的污染物到达所述栅极绝缘体/衬底界面。栅极堆叠可以进一步包括所述阻挡层上方的湿度传感层。当暴露于湿气时，所述湿度传感层可以调节在所述栅极绝缘体下方并且在所述源极和漏极之间的衬底中的导电沟道。在一些情况下，湿度水平可以通过监测在源极和漏极之间流动的电流来确定。
Description
本申请要求于2016年5月13日提交的标题为“具有保护栅极电介质的阻挡层的基于FET的湿度传感器”的欧洲专利申请序列16169738.8的优先权，如同将其全部复制一样将其通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及传感器，并且更具体地涉及湿度传感器。
背景技术
电容型湿度传感器和电阻型湿度传感器依赖于传感材料快速吸收和解吸水分子的能力。被吸收的水分通常改变传感材料的物理性质，并且这种改变可用于检测湿度变化。
发明内容
本公开内容涉及传感器，并且更具体地涉及湿度传感器。说明性湿度传感器可以是基于FET的湿度传感器，其具有形成在衬底中的FET源极和漏极，其中所述漏极与所述源极横向隔开。在所述源极和漏极之间的空间中设置有栅极堆叠，以形成FET晶体管。所述栅极堆叠可以包括位于所述衬底上的栅极绝缘体，以形成栅极绝缘体/衬底界面。所述栅极堆叠可以进一步包括所述栅极绝缘体上方的阻挡层。所述阻挡层可以被构造成充当对移动电荷、湿气和/或其他污染物的屏障，并且可以帮助防止这样的污染物到达所述栅极绝缘体/衬底界面。所述栅极堆叠可以进一步包括所述阻挡层上方的湿度传感层。当暴露于湿气时所述湿度传感层可以调节所述栅极绝缘体下方所述源极和漏极之间的衬底中的导电沟道（conduction channel）。在一些情况下，湿度水平可以通过监测在所述源极和漏极之间流动的电流来确定。在一些情况下，所述衬底可以包括硅，所述栅极绝缘体可以包括SiO2，所述阻挡层可以包括Ta2O5、Al2O3、HfO2和氮化硅(Si3N4)中的一种或多种，并且所述湿度传感层可以包括聚酰亚胺和聚砜中的一种或多种。预期可以使用其他合适的材料和/或材料组合。
提供前述概述以便于理解本公开内容的一些特征，并不旨在成为完整的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体，可以充分了解本公开内容。
附图说明
结合附图考虑对本公开内容的各种说明性实施方案的以下描述，可以更全面地理解本公开内容，在所述附图中：
图1是说明性湿度传感器的示意性横截面侧视图；并且
图2是与图1的说明性湿度传感器一起使用的说明性传感电路的示意图。
尽管本公开内容适用于各种修改和替代形式，其细节已经通过附图中的实例示出并且将被详细描述。然而，应当理解，其意图不是将本公开内容限制于本文描述的具体说明性实施方案。相反，其意图是涵盖落入本公开内容的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
在本文描述和/或示出的实施中，本发明的系统和方法可以包括一个或多个处理器、计算机、控制器、用户界面、无线连接和/或有线连接等。
该描述可以提供实施本发明的系统和方法的一个或多个说明性和具体的实例或方式。可能还有许多其他实施所述系统和方法的实例或方式。
应参照附图阅读以下描述，其中在贯穿若干个视图中类似的附图标记表示类似的元件。提及“在……上方”、“在……下方”、“顶部”和“底部”等，它们是相对术语并且在本文中参照附图提出，并不一定对应于实际物理空间中的任何具体定位。说明书和附图示出了旨在举例说明所要求保护的公开内容的若干个实例。
湿度传感器用于广泛应用中。例如，湿度传感器用于工业应用中的过程控制、家庭和办公室中的空气质量监测和控制以及汽车应用中。相对湿度(RH)传感器在手机和其他移动应用中的使用预计会上升。在这些和其他应用中广泛使用湿度传感器可能变得更具成本效益，部分原因是由于这样的传感器技术的小型化和并入集成电路中。电容传感原理可以以MOSFET晶体管级实现，以形成紧凑且便宜的湿度传感器。在许多情况下，湿度传感器和相关的电子器件可以集成在相同的集成电路芯片上。
基于FET晶体管的湿度传感器可以包括堆叠的栅极，所述堆叠的栅极包括调节FET的源极和漏极之间的导电沟道的传感层。栅极堆叠可以包括位于衬底上的栅极绝缘体，以形成栅极绝缘体/衬底界面。假设基于FET晶体管的湿度传感器可能暴露于周围环境，并且因此暴露于湿气和潜在的更具侵蚀性的化学(酸和碱)污染物和移动电荷(例如但不限于钠离子(Na+)、钾离子(K+)和/或镁离子(Mg2+))，所述湿气、化学污染物和移动电荷可以到达并破坏绝缘体/衬底界面，可以期望保护绝缘体/衬底界面免于与这样的污染物(包括湿气)的直接接触。因此，可以设想，栅极堆叠可以包括栅极绝缘体上方的阻挡层。阻挡层可以被构造成充当对湿气、移动电荷和/或其他污染物的屏障，并且可以帮助防止这样的污染物到达和破坏栅极绝缘体/衬底界面。阻挡层上方可以是湿度传感层。当暴露于湿气时，湿度传感层可以调节基于FET晶体管的湿度传感器的源极和漏极之间的衬底中的导电沟道。在一些情况下，湿度水平可以调节湿度传感层的介电常数，这可以调节基于FET晶体管的湿度传感器的阈值电压。栅极电极可以位于湿度传感层的上方。栅极电极可以被穿孔或以其他方式构造成允许湿气到达湿度传感层。因此，通过到达金属-传感层界面，湿度还可以改变被穿孔的金属和传感层之间的功函数差，从而改变FET晶体管的阈值电压，并由此改变FET晶体管的源极-漏极电流。然后可以通过监测在基于FET晶体管的湿度传感器的源极和漏极之间流动的电流来确定湿度水平。
图1是形成在衬底上的说明性湿度传感器100的示意性横截面侧视图。在所示的该实例中，衬底是p型硅衬底110。说明性传感器100包括传感场效应晶体管(FET)120和参比场效应晶体管130。在所示的实例中，FET120、FET130是n沟道FET。然而，如果需要，传感器100可以使用有时与n型衬底结合或形成在p型硅衬底110的n阱中的p沟道FET。
在图1所示的实例中，传感n沟道FET120和参比n沟道FET130各自可以具有n型源极122、n型源极132和n型漏极124、n型漏极134。在每个源极/漏极对之间的延伸可以是对应的栅极堆叠。在所示的实例中，传感FET120和参比FET130包括SiO2的相对厚的(例如，在1.5-2微米(μm)的范围内)层160，其在所示的实例中限定了栅极堆叠的横向边缘以及传感FET120和参比FET130的源极和漏极区域。在一些情况下，可以通过硅衬底110的热氧化来生长SiO2的相对厚的层160，然后蚀刻掉部分以暴露传感n沟道FET120和参比n沟道FET130的源极、漏极和栅极区域。在一些情况下，可以提供源极接触电极142、源极接触电极152和漏极接触电极144、漏极接触电极154以便与所示的传感n沟道FET120和参比n沟道FET130的源极和漏极区域接触。该源极接触电极142、源极接触电极152和/或漏极接触电极144、漏极接触电极154可以由铂、铂/硅、金、铝和/或任何其他合适的材料制成。
说明性栅极堆叠分别包括传感n沟道FET120的在n型源极122和n型漏极124之间延伸的下栅极绝缘层126以及参比n沟道FET130的在n型源极132和n型漏极134之间延伸的下栅极绝缘层136。在一些情况下，下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136可以是在通过蚀刻掉SiO2的相对厚的层160的部分暴露的栅极区域中的SiO2的热生长介电层。在一些情况下，下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136可以具有小于500纳米、小于250纳米、小于125纳米、小于50纳米的厚度，或者可以具有任何其他合适的厚度。在一些情况下，下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136可以具有约100纳米的厚度。
说明性栅极堆叠可以进一步包括分别设置在传感n沟道FET120的下栅极绝缘层126上方的阻挡层128和设置在参比n沟道FET130的下栅极绝缘层136上方的阻挡层138。在一些情况下，阻挡层128、阻挡层138可以是相对于下栅极绝缘层(例如SiO2)而言具有高耐化学性和高重量密度的金属氧化物层(例如但不限于五氧化二钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化铪(IV)(HfO2))和/或氮化硅(Si3N4)层。在一些情况下，阻挡层128、阻挡层138可以具有在50-500纳米、50-250纳米、60-100纳米的范围内的厚度或任何其他合适厚度。阻挡层128、阻挡层138可以充当移动电荷(Na+、K+、Mg2+、Ca2+等)屏障，和/或可以阻止其他化学污染物(包括湿气)渗透到达下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136和/或下栅极绝缘层/衬底界面。
说明性栅极堆叠可以进一步包括所示的阻挡层128上方的湿度传感层140和阻挡层138上方的湿度传感层150。在一些情况下，湿度传感层140、湿度传感层150可以分别是传感FET120的阻挡层128上方的疏水性介电聚合物层140和参比FET130的阻挡层138上方的疏水性介电聚合物层150。在一些情况下，湿度传感层140、湿度传感层150可以在约500-1000纳米厚的范围内，但是可以使用其他厚度。在一些情况下，疏水性介电聚合物层140、疏水性介电聚合物层150可以通过旋涂、然后在N2中在400℃下处理而沉积。
参比FET130的湿度传感层150可以被形成参比FET130的栅极电极的致密金属层156覆盖和密封。在一些情况下，致密金属层156可以是通过溅射和剥离（lift-off）技术制备的约0.7-1.0μm的相对厚的金或铂层。相比之下，传感FET120可以包括形成栅极电极的多孔金属层146。在一些情况下，多孔金属层146可以是通过溅射和剥离技术制备的约50-100纳米厚的超薄金或铂层。传感FET120的多孔金属层146可允许在传感FET120的湿度传感层140和环境大气之间交换水蒸气。多孔金属层146可以具有在25-300纳米、30-200纳米、40-80纳米或50-60纳米的范围内的厚度，但是可以使用其他厚度。在一些情况下，栅极电极146、栅极电极156的金属可以由铝、铂和/或金形成。在一些情况下，保护性多孔疏水性介电聚合物层162可以设置在传感器100的表面上方。
可以看出，参比FET130的湿度传感层150不暴露于环境，而传感FET120的湿度传感层140暴露于环境。在一些情况下，传感器100的整个表面(传感FET120的栅极堆叠除外)可以用最终的钝化层164覆盖。钝化层164可以包括阻挡材料，例如但不限于SiO2、Ta2O5、Al2O3、HfO2或Si3N4，以帮助保护传感器100。
在所示的实例中，保护性多孔疏水性介电聚合物层162和钝化层164的区域可以被选择性地去除以提供到栅极电极146、栅极电极156的通路。栅极触点148、栅极触点158可以通过该通路提供，以分别与栅极电极146、栅极电极156电接触。根据需要，栅极触点148、栅极触点158可以由铝、铜、金、钛/金(Ti/Au)或其他材料形成。
在传感n沟道FET120和参比n沟道FET130两者中，下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136和下栅极绝缘层/衬底界面通过衬底110、相对厚的层160和阻挡层128、138与环境隔绝。这有助于保护下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136和下栅极绝缘层/衬底界面免于由于与移动电荷(Na+、K+、Mg2+、Ca2+等)和/或环境中的其他化学污染物(包括湿气)的相互作用而引起的降解。在一些情况下，这可以显著增加湿度传感器100的稳健性(robustness)。
湿度传感层140、湿度传感层150可以是疏水性介电聚合物。示例性疏水性介电聚合物可以选自多种聚酰亚胺和聚砜，并且在一些情况下可以包括芳族聚酰亚胺和聚砜和/或交联的聚酰亚胺和聚砜。当聚酰亚胺或聚砜是交联的聚酰亚胺或聚砜时，可用的交联部分可以是2,2,3,3,4,4,5,5-八氟-1,6-己二醇；1,5-戊二醇；1,10-癸二醇；和1,4-苯二甲醇之一。交联可以通过与聚酰亚胺或聚砜的侧基羧酸基团进行酯化来实现。
作为合适的疏水性聚合物的非限制性实例，可以制备以下聚合物并将其用于构造湿度传感层140、湿度传感层150；
其中：
=聚酰亚胺主链部分
并且示例性聚酰亚胺主链部分可以是
其中R'选自：
-O2CCH2(CF2)4CH2CO2-； -O2C(CH2)5CO2-； -O2C(CH2)10CO2-；和-O2CCH2(C6H4)CH2CO2-。
以及聚砜，例如：
其中R选自：
-O2CCH2(CF2)4CH2CO2-；-O2C(CH2)5CO2-；-O2C(CH2)10CO2-；和-O2CCH2(C6H4)CH2CO2-。
示例性湿度传感层140、湿度传感层150可以通过旋涂、然后在高达400℃的温度下进行热处理而施加于栅极堆叠结构的阻挡层128、阻挡层138。可以通过光致抗蚀剂/蚀刻工艺进行湿度传感层140、湿度传感层150的图案化，但是可以使用掩膜（masked）沉积。在沉积的湿度传感层140、湿度传感层150中引入孔隙可以允许湿度传感层140、湿度传感层150对环境湿度的变化更加响应。已经发现，湿度传感层140、湿度传感层150的厚度可以通过延迟全平衡来影响传感FET120对环境湿度变化的响应时间。在一些情况下，湿度传感层140、湿度传感层150可以在约500-1000纳米厚的范围内，但是可以考虑其他厚度。
图2是与图1的说明性湿度传感器一起使用的说明性传感电路的示意图。该电路可以差分放大传感FET120和参比FET130的信号，以形成差分湿度传感器。附图标记260可表示包括三个连接以产生大于50dB的高共模抑制比(CMRR)的运算放大器301、运算放大器302和运算放大器303的电路或仪表放大器。电路260可以被设计成与p沟道FET和/或n沟道FET接合。
在图2中，E1和E2分别表示传感FET120和参比FET130的输出电压。在一些情况下，可以使用在传感FET120和参比FET130的线性区域中操作传感FET120和参比FET130的公共栅极电压Vg来驱动传感FET120和参比FET130的栅极电极。可以选择电阻R1-电阻R7以满足R5/R4=R7/R6=k和2*(R1/R2)=2*(R3/R2)=G的条件，从而使得R1=R3，导致输出电压Vout = -k*(G+1)*(E1-E2)=差分增益*(E1-E2)，同时共模抑制比(CMRR)接近无穷大，并且共模增益理论上可以为零并且实际上为零。在该实例中，可以通过改变R2而不影响CMRR来改变差分增益。该差分方法(Vout =差分增益*(E1-E2))可以通过减去由诸如温度、聚合物老化、电子噪声的因素以及其他因素产生的共模信号来最小化传感器漂移。
在使用期间，由于传感FET120的湿度传感层140中的水蒸汽吸收，导致电压E1的值可能与E2不同。这样的水蒸气可以增加湿度传感层140的介电常数并且还改变FET的功函数差，这改变了传感FET120的阈值电压。这影响了对于给定的源极、漏极和栅极电压的传感FET120的漏极电流。如上述关于图1所述，水蒸气将不会进入参比FET，因此E2电压值将仅受共模因素(例如，温度、老化、噪声)而不是湿度变化的影响。在一些情况下，由传感FET120和参比FET130产生的信号的差分放大可以在与传感FET120和参比FET130相同的芯片上实现，但是这不是必需的。
在一些情况下，传感n沟道FET120和参比n沟道FET130可以使用传统的集成电路方法来制造。在一个实例中，可以在p型硅衬底110上形成相对厚的(1.5-2微米)热氧化硅层160，随后选择性地蚀刻热氧化硅层160以在传感n沟道FET120和参比n沟道FET130的源极、漏极和栅极区域处形成窗口。然后可以将磷原子植入/扩散到衬底中以产生n掺杂的区域，形成传感FET120和参比FET130的源极和漏极。
可以在衬底上热生长二氧化硅或其他适当的栅极绝缘体材料的下栅极介电层126，然后进行掩膜和蚀刻以限定栅极区域。薄的二氧化硅栅极绝缘体层或其他适当的栅极绝缘体材料的生长可以形成下栅极介电层，并有助于确保二氧化硅/硅衬底界面处的良好的表面态密度。阻挡层128、阻挡层138(例如Ta2O5、Al2O3、HfO2或Si3N4)可以设置在下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136上方。阻挡层128、阻挡层138和下栅极绝缘层126、下栅极绝缘层136可以从源极和漏极接触区域中去除。可以对铂层进行溅射涂覆并图案化，以形成源极和漏极接触电极142、144、152、154。
湿度传感层140、湿度传感层150可以施加在阻挡层128、阻挡层138上方。在一些情况下，本文确定的合适的疏水性聚合物之一可以例如通过旋涂和干燥/加热施加在阻挡层128、阻挡层138上方。聚合物层可以在空气中在90-150℃下软烘烤，然后光致抗蚀剂图案化以在干燥氮气氛围中在高达400℃下固化之前限定栅极堆叠的疏水性聚合物层。
多孔金属(例如金、铂)层可以被施加(例如溅射)在传感FET120的栅极堆叠的疏水性聚合物层上方。厚的致密金属(金，铂)层可以被施加在参比FET130的栅极的疏水性聚合物层上方。在一些情况下，可以在施加一个或多个栅极金属层之前沉积薄的铬层以改善粘附性。用于接触源极电极、漏极电极和栅极电极的铝(或其他导电材料)层的溅射和图案化可以完成传感FET120和参比FET130的制造。
然后可以通过例如旋涂和干燥/加热将本文确定的合适的疏水性聚合物之一作为保护性多孔疏水性介电聚合物层162施加。聚合物层可以在空气中在90-150℃下软烘烤。然后可以将阻挡材料的钝化层164沉积在保护性多孔疏水性介电聚合物层162上方并图案化，从而使得钝化层164不覆盖传感FET120栅极堆叠。可以选择性地去除保护性多孔疏水性介电聚合物层162和钝化层164以提供到栅极电极146、栅极电极156的通路。可以溅射并图案化Ti/Au层以限定用于接触栅极区域的栅极触点148、栅极触点158。
如果希望采用使用不同技术实现的FET(例如n-MOS，p-MOS，CMOS等)，则可以修改这些步骤中的一个或多个步骤。类似地，如果希望在相同衬底上制造仪表放大器，则可以采用一个或多个附加的方法步骤。
本公开内容不应被认为限于上述具体实例。在浏览本说明书之后，本公开内容可以适用的各种修改、等同方法以及多种结构对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (10)
1.湿度传感器，其包括：
具有源极(122)和漏极(124)的衬底(110)，其中所述漏极(124)与所述源极(122)横向隔开；
栅极堆叠，其包括：
位于所述源极(122)和所述漏极(124)之间的空间中的栅极绝缘体(126)；
位于所述栅极绝缘体(126)上方的阻挡层(128)；
位于所述阻挡层(128)上方的传感聚合物(140)；
电耦合至所述源极(122)的源极电极(142)；
电耦合至所述漏极(124)的漏极电极(144)；
位于所述传感聚合物(140)上方的多孔栅极电极(146)；
在所述多孔栅极电极(146)上方延伸的保护性多孔聚合物层(162)；和
限定栅极堆叠的横向边缘以及源极和漏极区域的二氧化硅层(160)。
2.权利要求1的湿度传感器，其中：
所述衬底(110)包括硅；
所述栅极绝缘体(126)包括SiO2；和
所述阻挡层(128)包括Ta2O5、Al2O3、HfO2和氮化硅(Si3N4)中的一种或多种。
3.权利要求1-2中任一项的湿度传感器，其中所述传感聚合物(140)包括聚酰亚胺和聚砜中的一种或多种。
4.权利要求1-2中任一项的湿度传感器，其中所述传感聚合物(140)包括聚酰亚胺和聚砜中的至少一种，其已经使用下列成员之一进行交联：
2,2,3,3,4,4,5,5-八氟-1,6-己二醇；
1,5-戊二醇；
1,10-癸二醇；和
1,4-苯二甲醇。
5.权利要求1-2中任一项的湿度传感器，其中所述传感聚合物(140)包括聚砜与双(频哪醇合)二硼和二叔丁基联吡啶在铱催化剂的存在下、然后在钯催化剂的存在下与4-甲酰基-4'-溴联苯反应、然后进行温和氧化并采用八氟己二醇交联的反应产物。
6.权利要求1的湿度传感器，其进一步包括在所述保护性多孔聚合物层(162)的一部分上方的钝化层(164)，所述钝化层(164)不在所述多孔栅极电极(146)上方的所述保护性多孔聚合物层(162)的至少一部分上方延伸。
7.权利要求6的湿度传感器，其中所述钝化层(164)包括SiO2、Ta2O5、Al2O3、HfO2或氮化硅(Si3N4)。
8.权利要求1的湿度传感器，其进一步包括：
形成在所述衬底(110)上的参比场效应晶体管(130)。
9.权利要求8的湿度传感器，其中所述参比场效应晶体管(130)包括：
形成在所述衬底(110)上的第二源极(132)和第二漏极(134)，其中所述第二漏极(134)与所述第二源极(132)横向隔开；
第二栅极堆叠，其包括：
位于所述第二源极(132)和所述第二漏极(134)之间的空间中的第二栅极绝缘体(136)；
位于所述第二栅极绝缘体(136)上方的第二阻挡层(138)；
位于所述第二阻挡层(138)上方的第二传感聚合物(150)；
电耦合至所述第二源极(132)的第二源极电极(152)；
电耦合至所述第二漏极(134)的第二漏极电极(154)；和
位于所述第二传感聚合物(150)上方的金属层(156)。
10.权利要求9的湿度传感器，其中所述金属层(156)被构造成防止所述第二传感聚合物(150)暴露于环境。
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