CN108700539B - 用于气体传感器装置的cmos集成微型加热器 - Google Patents

用于气体传感器装置的cmos集成微型加热器 Download PDF

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Abstract

本文给出了具有温度均匀性的气体传感器装置。在一个实施方式中，装置包括互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底层、介电层和气体传感层。介电层沉积在CMOS衬底层上。此外，介电层包括温度传感器和耦合到传热层的加热元件，所述传热层与一组金属互连相关联。气体传感层沉积在介电层上。

Description

用于气体传感器装置的CMOS集成微型加热器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月19日提交的，题为用于气体传感器装置的CMOS集成微型加热器的，申请序列号为15/000,729的美国非临时专利的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的主题涉及一种气体传感器装置。
背景技术
一些气体传感器依赖于在气体存在的同时化学传感材料中的物理变化或化学变化，以确定周围环境中的气体浓度。此外，一些化学传感材料优选在高于正常环境温度或室温的温度下操作。然而，将传统加热器结合在气体传感器装置中会导致对气体传感器装置的其他集成部件的损坏，增加气体传感器装置的成本和/或增加气体传感器装置的功率消耗。
发明内容
下文呈现了本说明书的简化概要，以提供本说明书的一些方面的基本理解。这些概要不是本说明书的广泛概述。其并未意图指出本说明书的关键或重要元件，也未意图特定将任何范围划定为本说明书的任何实施方式，或划定权利要求的任何范围。其仅仅是为了以简化的形式来呈现本说明书的一些概念，作为将在后文呈现的更为详细的描述的序言。
根据一种实施方式，一种装置包括互补金属氧化物半导体衬底层(即CMOS衬底层)、介电层和气体传感层。介电层沉积在CMOS衬底层上。此外，介电层包括温度传感器和耦合到传热层的加热元件，所述传热层与一组金属互连相关联。气体传感层沉积在介电层上。
根据另一种实施方式，一种装置至少包括介电层和气体传感层。介电层沉积在硅衬底层上。此外，介电层包括温度传感器和耦合到传热层的加热元件，所述传热层与一组金属互连相关联。气体传感层沉积在介电层上，其中加热元件向气体传感层提供热量。
根据又一实施方式，一种装置至少包括介电层和气体传感层。介电层沉积在硅衬底层上。此外，介电层包括温度传感器和耦合到传热层的加热元件，所述传热层与一组金属互连相关联，其中温度传感器与第一电阻相关联，并且加热元件与第二电阻相关联。气体传感层沉积在介电层上。
以下更详细地描述这些和其他实施方式。
附图说明
参考附图进一步描述各种非限制性实施方式，其中：
图1描绘了根据本文描述的各个方面和实施方式的气体传感器装置的横截面视图；
图2描绘了根据本文描述的各个方面和实施方式的加热元件和温度传感器的横截面视图；
图3描绘了根据本文描述的各个方面和实施方式的表示与温度传感器相关联的电阻的示意图；
图4描绘了根据本文描述的各个方面和实施方式的表示与加热元件相关联的电阻的示意图；
图5描绘了根据本文描述的各个方面和实施方式的气体传感器装置的另一个横截面视图；
图6描绘了根据本文描述的各个方面和实施方式的气体传感器装置的又一个横截面视图；
图7是根据本文描述的各个方面和实施方式的用于在气体传感器中提供均匀温度的示例性方法的流程图；
图8是根据本文描述的各个方面和实施方式的用于提供具有均匀温度的气体传感器的微加热器的示例性方法的流程图；
图9是根据本文描述的各个方面和实施方式的用于调节温度传感器的电阻的示例性方法的流程图；以及
图10是根据本文描述的各个方面和实施方式的用于调节加热元件的电阻的示例性方法的流程图。
具体实施方式
概观：
虽然提供了简要概述，但在本文所描述或描绘的本公开的主题的某些方面是出于说明而非限制的目的。因此，由所公开的装置、系统和方法所建议的公开实施例的变型是意图包含在本文公开的主题的范围内。
如上所述，某些气体传感器依赖于在气体存在的同时化学传感材料中的物理变化或化学变化，以确定周围环境中的气体浓度。此外，一些化学传感材料优选在高于正常环境温度或室温的温度下操作。然而，将传统加热器结合在气体传感器装置中会导致对气体传感器装置的其他集成部件的损坏，增加气体传感器装置的成本和/或增加气体传感器装置的功率消耗。
为了这些和/或相关的目的，描述了互补金属氧化物半导体(即，CMOS)集成微加热器的各个方面和实施例。在配置用于感测周围环境中的气体的气体传感器装置(例如：气体传感装置)的背景下描述了本公开的主题的系统、技术和方法的各种实施方式。在一个实施方式中，气体传感器装置包括悬置在气体传感器装置的CMOS部分(例如：CMOS介电层)中的微加热器。微加热器可包括作为加热元件的多晶硅(例如：多晶硅金属栅极)和/或用于气体传感应用的温度传感元件。在一个方面中，微加热器可包括加热器电阻器(例如：包括释放结构的加热器电阻器)。加热器电阻器可以包括在加热器电阻器的边缘处的较高电阻，其耦合到气体传感器装置的衬底(例如：CMOS衬底)。加热器电阻器的其他边缘可以包括较低的电阻。另外，微加热器可包括温度传感器电阻器。温度传感器电阻器可以包括在微加热器的加热区域的中心处使用较低掺杂或非硅化方法的较高电阻，以提高气体传感器装置的温度感测精度。微加热器的电阻设计(例如：加热器的电阻设计和气体传感器装置的温度传感器)可以基于多晶硅的几何形状和/或类型(例如：栅极多晶硅电阻器的选择性硅化物)而变化。因此，可以实现气体传感器的面内温度均匀性。此外，通过在气体传感器装置的CMOS部分(例如：CMOS层)中采用加热器和温度传感器，微加热器可以容易地与气体传感器装置的加热器控制电路集成。还可以降低气体传感器装置的成本(例如：模具的尺寸和/或成本)和/或也可以改善气体传感器装置的温度反馈控制。此外，可以降低气体传感器装置的其他集成部件的损坏风险和/或降低气体传感器装置的功率消耗。
在一种实施方式中，可以在气体传感器装置的CMOS部分(例如：CMOS介电层)中形成金属通孔(例如：铝通孔、钨通孔、其他金属通孔等)。金属通孔可以在微加热器的面内方向和面外方向上提供改善的温度均匀性。气体传感器装置可包括例如：气体传感层触点(例如：贵金属)，其电耦合到气体传感器装置的气体传感材料(例如：沉积在气体传感器装置的顶层上的气体传感材料)。然而，如下面进一步详述的，各种示例性实施方式可以应用于气体传感器装置的其他区域，而不脱离本文描述的主题。
示例性实施方式：
参考附图描述了本公开的主题的各个方面或特征，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在本说明书中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的主题的透彻理解。然而，应该理解，本公开的某些方面可以在没有这些具体细节的情况下实践，或者利用其他方法、组件、参数等来实践。在其他情况下，以框图形式示出了公知的结构和设备，以便于各种实施例的描述和说明。
图1描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的气体传感器装置100的剖视图。气体传感器装置100可以是具有均匀温度设计的气体传感器(例如：气体传感器装置100中的温度分布可以是均匀的)。气体传感器装置100包括CMOS衬底层102a、介电层104和气体传感层106。介电层104可以沉积或形成在CMOS衬底层102a上。例如：可以通过湿法蚀刻或干法蚀刻将介电层104蚀刻到CMOS衬底层102a。此外，介电层104到CMOS衬底的蚀刻可以是各向同性蚀刻或各向异性蚀刻(例如：深反应离子蚀刻等)。CMOS衬底层102a可包括腔102b。腔102b可以热隔离介电层104。
介电层104可以为气体传感装置100的温度传感元件和/或加热元件提供机械支撑。介电层104可以包括温度传感器108和加热元件110a-b。在一个实施例中，加热元件110a-b可以微加热器实现。温度传感器108可用于检测加热元件110a-b(例如：微加热器)的温度。如此一来，温度传感器108和加热元件110a-b可以与CMOS衬底层102a分开实现，以改善热隔离(例如：与加热元件110a-b相关联的微桥结构可以在CMOS衬底层102a之外，以改善热隔离)。在非限制性实施例中，介电层104的厚度可以约等于10微米。然而，应了解，介电层104可包括不同的厚度。
加热元件110a-b包括第一加热元件110a和第二加热元件110b。温度传感器108可以在相同的膜沉积工艺中在第一加热元件110a和第二加热元件110b之间实现。膜沉积工艺的膜可以是，例如：具有不同掺杂水平的多晶硅和/或金属硅化物。此外，加热元件110a-b可以微桥结构实现。例如，第一加热元件110a可以配置为第一微桥结构，第二加热元件110b可以配置为第二微桥结构。加热元件110a-b也可以并联电阻器配置电连接。在一个实施例中，第一加热元件110a的第一微桥结构可以对应于第二加热元件110b的第二微桥结构。在另一实施例中，第一加热元件110a的第一微桥结构可以与第二加热元件110b的第二微桥结构不同。在一方面中，加热元件110a-b可以是电阻加热元件。例如，加热元件110a-b可以实现为电阻结构，以产生一定量的热量(例如：用于气体传感层106的热量)。在一个实施例中，第一加热元件110a可以被配置为第一电阻结构以产生第一热量，第二加热元件110b可以被配置为第二电阻结构以产生第二热量。第一加热元件110a的第一电阻结构可以对应于第二加热元件110b的第二电阻结构。或者，第一加热元件110a的第一电阻结构可以与第二加热元件110b的第二电阻结构不同。
可以基于加热元件110a-b的几何形状(例如：加热元件110a-b的多晶硅的几何形状)来调节加热元件110a-b的电阻。例如，可以基于第一加热元件110a的几何形状(例如：外形)来调节第一加热元件110a的电阻，并且可以基于第二加热元件110b的几何形状(例如：外形)来调节第二加热元件110b的电阻。附加地或替代地，可以基于加热元件110a-b的掺杂水平来调节加热元件110a-b的电阻。例如，可以基于第一加热元件110a的掺杂水平来调节第一加热元件110a的电阻，并且可以基于第二加热元件110b的掺杂水平来调节第二加热元件110b的电阻。在一个方面中，加热元件110a-b的第一部分(例如：加热元件110a-b的与温度传感器108相关联的部分)可以包括与加热元件110a-b的一个或多个其他部分不同的电阻(例如：加热元件110a-b的一部分与温度传感器108无关)。
温度传感器108可以被配置为感测与气体传感层106相关联的温度。例如，温度传感器108可以被配置为电阻结构以感测与气体传感层106相关联的温度。可以基于温度传感器108的掺杂水平来调节温度传感器108的电阻。附加地或替代地，可以基于与温度传感器108相关联的硅化工艺来调节温度传感器108的电阻。此外，温度传感器108和加热元件110a-b都可以包括多晶硅。在一个方面中，温度传感器108可以与第一电阻相关联，并且加热元件110a-b可以与第二电阻相关联。在另一方面中，温度传感器108可包括第一类型的多晶硅，并且加热元件110a-b可包括第二类型的多晶硅。例如，温度传感器108可以包括与第一电阻相关联的多晶硅，并且加热元件110a-b可以包括与第二电阻相关联的多晶硅，且第二电阻低于第一电阻。如此一来，可以实现气体传感器装置100的面内温度均匀性的改善。在一方面中，温度传感器108的第一部分(例如：温度传感器108的中心部分)可包括与温度传感器108的一个或多个其他部分不同的电阻(例如：温度传感器108的外部部分)。
温度传感器108和加热元件110a-b可以电和/或热耦合到传热层112。传热层112可以与一组金属互连(例如：一组金属通孔)相关联。例如，传热层112可包括一组金属互连，其包括铝、钨或其他类型的金属。此外，传热层112可包括多个金属层，这些金属层通过所述金属互连电耦合。在一种实施方式中，温度传感器108、加热元件110a-b和/或传热层112可以悬置在介电层104中。例如，温度传感器108、加热元件110a-b和/或传热层112可以被介电层104的介电材料包围。如此一来，可以实现气体传感器装置100的面内温度均匀性和面外温度均匀性。传热层112可以从介电层104的底部传递热量(例如：与CMOS衬底层102a相关联的介电层104的底部)至介电层104的顶部(例如：与气体传感层106相关联的介电层104的顶部)。
可以在介电层104上沉积或形成气体传感层106。气体传感层106可以包括一组气体传感触点114a-b和气体传感材料116。气体传感触点114a-b可以电耦合到气体传感材料116。在一个方面中，气体传感触点114a-b和至少一部分气体传感材料116可以沉积或形成在介电层104上。气体传感触点114a-b可以是触点电极。气体传感触点114a-b可用于检测气体传感材料116的变化。例如，气体传感触点114a-b可用于检测气体传感材料116中的变化作为目标气体的浓度变化。气体传感触点114a-b可以由导电材料制成，例如：贵金属。例如，气体传感触点114a-b可以包括氮化钛、多晶硅、钨、其他金属等。在一个实施例中，气体传感触点114a-b可以电耦合到气体传感器装置100的另一个部件(例如：专用集成电路，即ASIC)。
气体传感材料116可以热耦合到加热元件110a-b(例如：加热元件110a-b可以向气体传感层106的气体传感材料116提供热量)。例如，介电层104可以在加热元件110a-b和气体传感材料116之间提供热耦合，使得由加热元件110a-b提供的热量传导到气体传感材料116。因此，介电层104的介电材料优选地是具有一定导热率的低k值介电材料(例如：相对于CMOS衬底层102a和/或气体传感层106的低k值介电材料)。此外，气体传感材料116可以暴露于气体传感器装置100周围的环境。为了说明，气体传感器装置100可以与传感器像素(例如：单个传感器像素)相关联。例如，气体传感材料116可以被配置为感测某种气体的类型和/或浓度。然而，应当理解，气体传感器装置100可以配置有多于一个的传感器像素，该传感器像素包括一种或多种类型的传感器像素。因此，气体传感器装置100可以配置成检测具有各种浓度的多种不同气体。
此外，气体传感材料116可包括金属氧化物，该金属氧化物具有基于气体传感器装置100周围的环境中的气体浓度和/或气体传感材料116的操作温度的电阻。气体传感材料116可包括大于室温的操作温度，并由加热元件110a-b产生的热量确定。在一个实施例中，气体传感材料116可以是化学传感材料。气体传感材料116可包括金属氧化物，例如但不限于铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈或钕的氧化物。或者，气体传感材料116可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和复合金属氧化物。气体传感材料116可用于检测化学变化(例如：响应于气体的化学变化)。例如，可以采用与气体传感材料116相关的导电率变化来检测气体。在另一个实施例中，可以采用气体传感材料116的电阻变化来检测气体。在又一个实施例中，可以采用与气体传感材料116相关联的电容变化来检测气体。然而，应当理解，与气体传感材料116相关的其他变化(例如：功函数的变化、质量的变化、光学特性的变化、反应能量的变化等)可以附加地或替代地用于检测气体。气体传感材料116可以通过诸如印刷、溅射沉积、化学气相沉积、外延生长和/或其他技术的技术形成。
在一个方面中，气体传感器装置100可以采用加热元件110a-b，因为气体传感材料116可以仅在高温下具有足够的敏感度。例如，一些气体传感材料的操作温度在理想上高于摄氏100度，以实现足以进行稳定测量的灵敏度。此外，不同的气体传感材料可具有不同的激活温度，并且加热元件110a-b可用于优化给定气体的条件。在一个实施例中，气体传感材料116可以包括操作温度或激活温度，在该温度或高于该温度，气体传感材料116的敏感度达到期望阈值。在另一方面中，温度传感器108可以配置成测量气体传感材料116的温度。温度传感器108还可以提供温度控制的反馈。例如，温度传感器108可以响应于气体传感材料116的操作温度提供电信号。在一个实施方式中，可以蚀刻或以其它方式移除CMOS衬底层102a的一部分以产生腔102b。腔102b可以是热隔离腔，其将介电层104和/或气体传感层106与CMOS衬底层102a的主体进行热隔离。CMOS衬底层102a的腔102b可以允许介电层104和/或气体传感层106与其他装置(例如：ASIC)的集成和/或保护其他装置免受加热元件110a-b产生的热量的影响。
图2描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的温度传感器108和加热元件110a-b。图2的温度传感器108和加热元件110a-b可以悬置在介电层104中。可以将温度传感器108配置为包括多晶硅(例如：栅极多晶硅)的温度传感器电阻器。此外，加热元件110a-b可以被配置为包括多晶硅(例如：栅极多晶硅)的加热电阻器。
与温度传感器108的部分B和部分C相比，温度传感器108可以在温度传感器108的中心部分A处包括更高电阻。例如，温度传感器108的中心部分A可以包括与温度传感器108的部分B和部分C不同的掺杂水平。在另一实施例中，温度传感器108的中心部分A、部分B和部分C的电阻可以基于与温度传感器108相关联的硅化工艺来配置。因此，在中心部分A处，温度可以是均匀的，以改善通过温度传感器108的温度监测的线性和/或精度。
加热元件110a-b的不同位置也可包括不同的电阻。例如，第一加热元件110a的部分D可以包括与第一加热元件110a的部分E不同的电阻。例如，第一加热元件110a的部分D可以包括与第一加热元件110a的部分E不同的几何形状(例如：不同的外形)，导致第一加热元件110a的部分D和部分E的不同电阻。在另一个实施例中，第一加热元件110a的部分D可以包括与第一加热元件110a的部分E不同的掺杂水平，导致第一加热元件110a的部分D和部分E的电阻不同。此外，第一加热元件110a的部分F可以包括与第一加热元件110a的部分D和部分E不同的电阻。例如，第一加热元件110a的部分F可以包括与第一加热元件110a的部分D和部分E不同的几何形状(例如：不同的外形)。在另一个实施例中，第一加热元件110a的部分F可以包括与第一加热元件110a的部分D和部分E不同的掺杂水平。另外，加热元件110a-b的温度的反馈控制可以通过加热元件110a和加热元件110b的电路设计来实现。例如，第一加热元件110a的多晶硅部分(例如：包括部分D、部分E、部分F等的第一加热元件110a的多晶硅部分)可包括位于第一加热元件110a的多晶硅部分的中心(例如：中间)的空隙部分G。
如此一来，图2中所示的温度传感器108和加热元件110a-b可以为气体传感器装置100提供均匀的温度设计。例如，可以在温度传感器108和/或加热元件110a-b的边缘处产生用于补偿热损失的较高功率输入。沿着图2中所示的x方向，电压是恒定的。此外，温度传感器108和加热元件110a-b的沿着图2中所示的x方向的边缘处的电阻可以更高。沿着图2中所示的y方向，电流是恒定的。此外，在图2所示的y方向上，温度传感器108和加热元件110a-b的边缘处的电阻可以更低。在一个方面中，温度传感器108和/或加热元件110a-b(例如：加热元件110a-b的边缘)可以耦合到CMOS衬底层102a和/或气体传感器装置100的另一个部件。例如，温度传感器108可以经由端点H耦合到CMOS衬底层102a和/或气体传感器装置100的另一部件(例如：ASIC)。此外，第一加热元件110a和第二加热元件110b可以经由端点I耦合到CMOS衬底层102a和/或气体传感器装置100的另一部件(例如：ASIC)。
图3描绘了表示与温度传感器108相关联的电阻的示意图300。例如，示意图300可以对应于温度传感器108的电阻微桥结构。示意图300包括电阻器Rend和电阻器Rmid。电阻器Rend和电阻器Rmid可以对应于温度传感器108的不同位置。例如，电阻器Rend可以对应于温度传感器108的端部，以及电阻器Rmid可以对应于温度传感器108的中心部分。在非限制性实施例中，电阻器Rmid可以对应于图2中所示的温度传感器108的中心部分A，以及电阻器Rend可以对应于图2中所示的温度传感器108的部分B和部分C。电阻器Rend可以包括与电阻器Rmid不同的电阻。如此一来，温度传感器108的不同位置可以对应于不同的电阻。
在一个实施例中，电阻器Rend可以包括比电阻器Rmid低的电阻。为了实现更低的电阻，电阻器Rend可以包括与电阻器Rmid不同的掺杂水平。或者，电阻器Rend可以通过与温度传感器108相关的硅化工艺包括与电阻器Rmid不同的电阻。在一个实施例中，电阻器Rend和电阻器Rmid之间的电阻差异可以通过对电阻器Rend使用硅化物/多晶硅而对电阻器Rmid使用非硅化物/多晶硅来实现。因此，温度传感器108的总电阻可以等于(2·Rend+Rmid)，其中温度传感器108的电阻受Rmid的影响较大。例如，与Rend中的类似变化相比，Rmid的变化对温度传感器108的总体电阻的影响更大。这对于增加气体传感器的材料(例如：气体传感材料116)相对于气体传感器材料外部区域的区域的测量灵敏度是有益的。
图4描绘了表示与加热元件110a-b相关联的电阻的示意图400。例如，示意图400可以对应于加热元件110a和加热元件110b的电阻微桥结构。示意图400包括电压源Vheater、电阻器Router、电阻器Rinner_end和电阻器Rinner_mid。电压源Vheater可以向加热元件110a-b提供电能。加热元件110a-b可以将由电压源Vheater提供的电能转换成热量(例如：热能)。电阻器Router、电阻器Rinner_end和电阻器Rinner_mid可以对应于加热元件110a和加热元件110b的不同位置。例如，电阻器Router可以对应于加热元件110a-b的与温度传感器108不相关的部分。此外，电阻器Rinner_end和电阻器Rinner_mid可以对应于加热元件110a-b的与温度传感器108相关联的部分。在非限制性实施例中，电阻器Rinner_mid可以对应于图2中所示的第一加热元件110a的部分D，电阻器Rinner_end可以对应于图2中所示的第一加热元件110a的部分E，以及电阻器Router可以对应于图2中所示的第一加热元件110a的部分F。电阻器Router、电阻器Rinner_end和电阻器Rinner_mid可以各自包括不同的电阻。如此一来，加热元件110a-b的不同位置可以对应于不同的电阻。
在一个实施例中，电阻器Rinner_mid可以包括比电阻器Rinner_end更低的电阻。因此，可以将更多的功率分配给示意图400的左边缘和右边缘(例如：加热元件110a和加热元件110b的左边缘和右边缘)。为了实现较低的电阻，电阻器Rinner_mid可以包括与电阻器Rinner_end不同的几何形状(例如：不同的外形)。或者，电阻器Rinner_mid可以包括与电阻器Rinner_end不同的掺杂水平。此外，电阻器Router可以包括比等于(2·Rinner_end+Rinner_mid)的电阻更低的电阻。为了实现较低的电阻，电阻器Router可以包括与电阻器Rinner_end和电阻器Rinner_mid不同的几何形状(例如：不同的外形)。或者，电阻器Router可以包括与电阻器Rinner_end和电阻器Rinner_mid不同的掺杂水平。因此，可以将更多的功率分配给示意图400的上边缘和下边缘(例如：加热元件110a和加热元件110b的上边缘和下边缘)。
图5描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的气体传感器装置100'的横截面视图。气体传感器装置100'包括CMOS衬底层102a、介电层104和气体传感层106。在一种实施方式中，CMOS衬底层102a可包括腔102b。介电层104可包括温度传感器108、加热元件110a-b和传热层112。气体传感层106可包括一组气体传感触点114a-b和气体传感材料116。气体传感器装置100'还可以包括ASIC 502。ASIC 502可以在介电层104中制造(例如：与温度传感器108、加热元件110a-b和传热层112)。可以在CMOS衬底层102a上沉积或形成介电层104和ASIC 502。ASIC 502可以机械耦合到CMOS衬底层102a。应了解，ASIC 502可包括一个或更多的ASIC装置。
ASIC 502可以被配置成用于控制加热元件110a-b的加热，评估与气体感测材料116相关联的温度，确定与气体感测材料116相关联的化学物质的浓度等。在一种实施方式中，ASIC 502可以包括被配置为向加热元件110a-b供应电流的集成电路(例如：使得加热元件110a-b可以基于ASIC 502提供的电流产生一定量的热量)。例如，ASIC 502可以是加热器控制电路。在一个实施例中，图4中所示的电压源Vheater可以与ASIC 502相关联。在另一实施方式中，ASIC 502可包含经配置以控制加热元件110a-b的操作温度的集成电路。在又一实施方式中，ASIC 502可以包括集成电路，其被配置为测量与气体传感材料116相关联的变化(例如：测量气体传感材料116的电阻等)。例如，ASIC 502可以电耦合到气体传感触点114a-b。
图6描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的气体传感器装置100”的横截面视图。气体传感器装置100”包括CMOS衬底层102a、ASIC 502、第一传感器像素602和第二传感器像素604。在一种实施方式中，CMOS衬底层102a可包括多于一个腔102b(例如：两个腔102b)。第一传感器像素602包括介电层104和气体传感层106。第一传感器像素602的介电层104可包括温度传感器108、加热元件110a-b和传热层112。此外，第一传感器像素602的气体传感层106可包括一组气体传感触点114a-b和气体传感材料116。类似地，第二传感器像素604包括介电层104和气体传感层106。第二传感器像素604的介电层104可包括温度传感器108、加热元件110a-b和传热层112。此外，第二传感器像素604的气体传感层106可以包括一组气体传感触点114a-b和气体传感材料116。在一种实施方式中，第一传感器像素602的气体传感层106可以是被配置为感测第一类型的气体，以及第二传感器像素604的气体传感层106可被配置为感测第二类型的气体。在另一实施方案中，第一传感器像素602的气体传感层106和第二传感器像素604的气体传感层106可经配置以感测对应类型的气体。在一个实施例中，第一传感器像素602和第二传感器像素604都可以与ASIC 502相关联。或者，第一传感器像素602和第二传感器像素604可以与对应的ASIC 502相关联。
尽管出于说明而非限制的目的在本文中已经描述了根据本公开的主题的方面的气体传感器装置的各种实施例，但是可以理解，本公开的主题不限于此。在不脱离本文描述的主题的情况下，各种实施方式可以应用于其他装置和/或其他气体感测应用。此外，如本文所述的系统的各种示例性实施方式可以附加地或替代地包括其他特征、功能和/或组件等。
鉴于上文所描述的主题，参考图7-10的流程图将更好地理解可以根据本公开的主题实现的方法。虽然为了简化说明的目的，将方法示出并描述为一系列框，但应理解和认识，这些附图或相应的描述不受框的顺序限制，因为从本文描绘和描述中，一些框可以以不同的顺序发生和/或与其他框同时发生。通过流程图示出的任何非顺序流或分支流应该被理解为指示可以实现各种其他分支、流动路径和框的顺序，以达成相同或相似的结果。此外，可能不需要所有示出的框来实现下文描述的方法。
示例性方法：
图7描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的用于在气体传感器中提供均匀温度的非限制性方法700的示例性流程图。在一方面中，方法700可与气体传感器装置100、气体传感器装置100'和/或气体传感器装置100”关联。最初，在702处，将介电层沉积在互补金属氧化物半导体衬底层，即CMOS衬底层上。介电层的介电材料可包括相对于CMOS衬底层的低k值介电材料和/或硅材料(例如：二氧化硅)。在一个实施例中，可以通过湿法蚀刻将介电层蚀刻到CMOS衬底层。在另一个实施例中，可以通过干法蚀刻将介电层蚀刻到CMOS衬底层。
在704处，在介电层中形成温度传感器、加热元件和与一组金属互连相关联的传热层。例如，温度传感器、加热元件和传热层可以悬置和/或嵌入介电层中。温度传感器和加热元件都可以包括多晶硅。例如，温度传感器可以包括第一多晶硅，其电阻高于加热元件的第二多晶硅的电阻。可以基于与温度传感器相关联的掺杂水平和/或硅化工艺来调节温度传感器的电阻。可以基于掺杂水平和/或与加热元件相关联的几何形状(例如：外形)来调节加热元件的电阻。在一种实施方式中，温度传感器可以在加热元件的第一加热元件部分和加热元件的第二加热元件部分之间实现。
在706处，在介电层上沉积气体传感层。例如，可以在介电层上沉积一组气体传感触点和气体传感材料。气体传感材料可以热耦合到包括在介电层中的加热元件。气体传感触点可以是触点电极。气体传感触点可以由导电材料制成，例如：贵金属(例如：氮化钛、多晶硅、钨、其他金属等)。此外，气体传感触点可用于响应于暴露于环境中的特定气体而检测气体传感材料的变化。气体传感材料可以是化学传感材料。气体传感材料可包括金属氧化物，例如但不限于铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈或钕的氧化物。或者，气体传感材料可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和复合金属氧化物。可以通过印刷技术、溅射沉积技术、化学气相沉积技术、外延生长技术和/或其他技术形成气体传感材料。
图8描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的用于提供具有均匀温度的气体传感器的微加热器的非限制性方法800的示例性流程图。在一方面中，方法800可与气体传感器装置100、气体传感器装置100'和/或气体传感器装置100”相关联。最初，在802处，形成包括与第一电阻相关联的多晶硅的温度传感器。可以基于与温度传感器相关联的多晶硅的掺杂水平来调节温度传感器的第一电阻。附加地或替代地，可以基于与温度传感器相关联的硅化工艺来调节温度传感器的第一电阻。在一个方面中，温度传感器的第一部分(例如：温度传感器的中心部分)可以包括与温度传感器的一个或多个其他部分(例如：温度传感器的外部)不同的电阻。
在804处，形成包括多晶硅的加热元件，该多晶硅与低于第一电阻的第二电阻相关联。可以基于与加热元件相关联的几何形状(例如：与加热元件相关联的多晶硅的外形)来调节加热元件的第二电阻。附加地或替代地，可以基于与加热元件相关联的多晶硅的掺杂水平来调节加热元件的第二电阻。在一个方面中，加热元件的第一部分(例如：加热元件的与温度传感器相关联的部分)可以包括与加热元件的一个或多个其他部分(例如：加热元件与温度传感器无关的部分)不同的电阻。
在806处，在介电层中形成温度传感器和加热元件，其具有与一组金属互连相关联的传热层。例如，温度传感器、加热元件和传热层可以悬置在介电层中(例如：温度传感器、加热元件和传热层可以被介电层的介电材料包围)。可以在CMOS衬底层上形成或沉积介电层。介电层的介电材料可包括相对于CMOS衬底层的低k值介电材料和/或硅材料(例如：二氧化硅)。温度传感器和加热元件可以电耦合和/或热耦合到传热层。
在808处，在介电层上沉积气体传感层。例如，可以在介电层上沉积一组气体传感触点和气体传感材料。气体传感材料可以热耦合到包括在介电层中的加热元件。气体传感触点可以是触点电极。气体传感触点可以由导电材料制成，例如：贵金属(例如：氮化钛、多晶硅、钨、其他金属等)。此外，气体传感触点可用于响应于暴露于环境中的特定气体而检测气体传感材料的变化。气体传感材料可以是化学传感材料。气体传感材料可包括金属氧化物，例如但不限于铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈或钕的氧化物。或者，气体传感材料可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和复合金属氧化物。
图9描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的用于调节温度传感器的电阻的非限制性方法900的示例性流程图。在一方面中，方法900可与气体传感器装置100、气体传感器装置100'和/或气体传感器装置100”相关联。最初，在902处，包括多晶硅的温度传感器的一部分被调节成具有特定电阻。例如，温度传感器的所述部分的多晶硅可以用特定的掺杂水平进行调节。或者，可以基于硅化工艺将温度传感器的所述部分的多晶硅调节成特定电阻。
在904处，温度传感器的一个或多个其他部分被调节为具有不同于特定电阻的另一电阻。例如，温度传感器的一个或多个其他部分的多晶硅可以用一种或多种其他掺杂水平进行调节。或者，可以基于硅化工艺将温度传感器的一个或多个其他部分的多晶硅调节成其他电阻。
在906处，在介电层中形成温度传感器，其具有加热元件和与一组金属互连相关联的传热层。例如，温度传感器、加热元件和传热层可以悬置在介电层中(例如：温度传感器、加热元件和传热层可以被介电层的介电材料包围)。可以在CMOS衬底层上形成或沉积介电层。介电层的介电材料可包括相对于CMOS衬底层的低k值介电材料和/或硅材料(例如：二氧化硅)。温度传感器和加热元件可以电耦合和/或热耦合到传热层。
在908处，在介电层上沉积气体传感层。气体传感材料可以热耦合到包括在介电层中的加热元件。气体传感触点可以是触点电极。气体传感触点可以由导电材料制成，例如：贵金属(例如：氮化钛、多晶硅、钨、其他金属等)。此外，气体传感触点可用于响应于暴露于环境中的特定气体而检测气体传感材料的变化。气体传感材料可以是化学传感材料。气体传感材料可包括金属氧化物，例如但不限于铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈或钕的氧化物。或者，气体传感材料可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和复合金属氧化物。
图10描绘了根据本公开的主题的各种非限制性方面的用于调节加热元件的电阻的非限制性方法1000的示例性流程图。在一方面中，方法1000可与气体传感器装置100、气体传感器装置100'和/或气体传感器装置100”相关联。最初，在1002处，以特定电阻调节包括多晶硅的加热元件的一部分。例如，加热元件的所述部分的多晶硅可以形成为具有特定外形(例如：特定几何形状)。或者，可以用特定的掺杂水平调节加热元件的所述部分的多晶硅。
在1004处，加热元件的一个或多个其他部分被调节为具有不同于特定电阻的另一电阻。例如，加热元件的一个或多个其他部分的多晶硅可以用一个或多个其他外形(例如：其他几何形状)来调节。或者，可以用一种或多种其他掺杂水平调节加热元件的一个或多个其他部分的多晶硅。
在1006处，在介电层中形成加热元件，其具有温度传感器和与一组金属互连相关联的传热层。例如，加热元件、温度传感器和传热层可以悬置在介电层中(例如：加热元件、温度传感器和传热层可以被介电层的介电材料包围)。可以在CMOS衬底层上形成或沉积介电层。介电层的介电材料可包括相对于CMOS衬底层的低k值介电材料和/或硅材料(例如：二氧化硅)。加热元件和温度传感器可以电耦合和/或热耦合到传热层。
在1008处，在介电层上沉积气体传感层。气体传感材料可以热耦合到包括在介电层中的加热元件。气体传感触点可以是触点电极。气体传感触点可以由导电材料制成，例如：贵金属(例如：氮化钛、多晶硅、钨、其他金属等)。此外，气体传感触点可用于响应于暴露于环境中的特定气体而检测气体传感材料的变化。气体传感材料可以是化学传感材料。气体传感材料可包括金属氧化物，例如但不限于铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈或钕的氧化物。或者，气体传感材料可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和复合金属氧化物。
应当理解，所描述的示例性方法700、800、900和1000的各种示例性实施方式可以附加地或替代地包括用于在气体传感器中提供均匀温度的其他处理步骤，例如参照本文进一步详述的图1-6。
以上描述的内容包括本公开的主题的实施方式的实施例。当然，出于描述所要求保护的主题的目的，不可能描述配置、组件和/或方法的每个可想到的组合，但是应当理解，各种实施方式的许多其他组合和置换是可能的。因此，所要求保护的主题旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这些改变、修改和变化。尽管出于说明性目的在本公开的主题中描述了特定实施方式和实施例，但是如相关领域的技术人员可以认识到的，可以在这些实施方式和实施例的范围内进行各种修改。
另外，本文所使用的词语“示例”或“示例性”用来表示用作示例、实施例或说明。本文中描述为“示例性”的任何方面或设计不必然被解释为比其他方面或设计更优选或更具优势。相反，使用“示例性”一词旨在以具体方式呈现概念。如在本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而非排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中是清楚的，否则“X利用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，X利用A；X利用B；或者X利用A和B两者，在任何前述情况下皆满足“X利用A或B”。另外，本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应理解为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文清楚地指向单数形式。
另外，尽管可能仅关于若干实施例中的一个公开了一个方面，但是这些特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，这对于任何给定或特定应用可能是理想和有利的。此外，在详细描述或权利要求中使用术语“包括”、“包涵”、“具有”、“包含”，其变体和其他类似词语的范围，这些术语旨在以类似于术语“包括”的包含性的方式，作为开放式连接词而不排除任何附加或其他元素。

Claims (22)

1.一种气体传感器装置，其特征在于，所述气体传感器装置包括：
互补金属氧化物半导体CMOS衬底层；
沉积在所述CMOS衬底层上的介电层，所述介电层包括：
温度传感器电阻器，其包括多晶硅；
传热层，其包括多个金属层和金属互连，其中所述多个金属层通过所述金属互连电耦合，并且其中所述传热层从与所述CMOS衬底层相关联的所述介电层的底部传递热量至与气体传感层相关联的所述介电层的顶部；
第一加热元件电阻器和第二加热元件电阻器，其中所述第一加热元件电阻器和第二加热元件电阻器包括多晶硅且耦合到与所述多个金属层和所述金属互连相关联的所述传热层，并且其中，所述温度传感器电阻器位于所述介电层中的所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器之间；且其中所述气体传感层沉积在所述介电层上，且其中所述第一加热元件电阻器的第一电阻不同于所述第二加热元件电阻器的第二电阻，
其中所述温度传感器电阻器的多晶硅、所述第一加热元件电阻器的多晶硅和所述第二加热元件电阻器的多晶硅以及所述温度传感器电阻器和所述第一加热元件电阻器以及所述第二加热元件电阻器的电阻的设计为所述气体传感器装置提供面内温度均匀性，并且
其中所述多个金属层和所述金属互连提供整个所述气体传感器装置的面内温度均匀性和面外温度均匀性。
2.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述介电层将所述温度传感器电阻器、所述第一加热元件电阻器、所述第二加热元件电阻器与所述CMOS衬底层分隔开。
3.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器被配置为微桥结构。
4.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器被配置为电阻结构，以产生一定量的热量。
5.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，基于所述第一加热元件电阻器的掺杂水平进一步调节所述第一加热元件电阻器的电阻。
6.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述温度传感器电阻器被配置为电阻结构，以感测与所述气体传感层相关联的温度。
7.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，基于所述温度传感器电阻器的掺杂水平调节所述温度传感器电阻器的电阻。
8.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，基于与所述温度传感器电阻器相关联的硅化工艺来调节所述温度传感器电阻器的电阻。
9.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述气体传感层包括电耦合到气体传感材料的一组气体传感触点。
10.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述温度传感器电阻器、所述第一加热元件电阻器、所述第二加热元件电阻器和所述传热层被所述介电层的介电材料包围。
11.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述传热层悬置在所述介电层中并且位于所述温度传感器电阻器与所述气体传感层之间。
12.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器包括多晶硅金属栅极，并且其中所述第二加热元件电阻器包括多晶硅金属栅极。
13.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器包括加热器电阻器，其中所述加热器电阻器在所述加热器电阻器的耦合至所述CMOS衬底层的边缘处包括较高的电阻，并且其中所述加热器电阻器在所述加热器电阻器的其他边缘处包括较低的电阻。
14.根据权利要求13所述的气体传感器装置，其特征在于，所述温度传感器电阻器在所述温度传感器电阻器的中心处或附近包括较高的电阻，以及在所述温度传感器电阻器的任一端上包括较低的电阻，其中所述电阻基于所述温度传感器电阻器的掺杂水平。
15.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器在所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器的中间部分中包括各自的空隙部分，并且其中具有各自的空隙部分的所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器的设计有助于对所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器的温度的反馈控制。
16.一种气体传感器装置，其特征在于，所述气体传感器装置包括：
沉积在硅衬底层上的介电层，所述介电层包括温度传感器电阻器、第一加热元件电阻器和第二加热元件电阻器，其中所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器耦合到传热层，所述传热层与一组金属互连相关联，并且其中所述温度传感器电阻器布置在所述介电层中的所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器之间；以及
沉积在所述介电层上的气体传感层，其中所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器提供热量至所述气体传感层，其中所述第一加热元件电阻器的第一电阻不同于所述第二加热元件电阻器的第二电阻，
且其中所述温度传感器电阻器和所述第一加热元件电阻器以及所述第二加热元件电阻器的电阻的设计为所述气体传感器装置提供面内温度均匀性，并且其中所述传热层提供整个所述气体传感器装置的面内温度均匀性和面外温度均匀性。
17.根据权利要求16所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器为所述气体传感层的气体传感材料提供热量。
18.根据权利要求16所述的气体传感器装置，其特征在于，所述温度传感器电阻器的第一位置与第三电阻相关联，且所述温度传感器电阻器的第二位置与第四电阻相关联。
19.根据权利要求18所述的气体传感器装置，其特征在于，基于第一掺杂水平确定所述第三电阻，且基于第二掺杂水平确定所述第四电阻。
20.根据权利要求16所述的气体传感器装置，其特征在于，所述第一加热元件电阻器的第一位置与所述第一电阻相关联，且所述第二加热元件电阻器的第二位置与所述第二电阻相关联。
21.根据权利要求16所述的气体传感器装置，其特征在于，所述传热层由所述介电层的介电材料包围并且位于所述温度传感器电阻器与所述气体传感层之间。
22.一种气体传感器装置，其特征在于，所述气体传感器装置包括：
沉积在硅衬底层上的介电层，所述介电层包括温度传感器电阻器、第一加热元件电阻器和第二加热元件电阻器，其中所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器耦合到传热层，所述传热层与一组金属互连相关联，其中所述温度传感器电阻器位于所述介电层中的第一加热元件电阻器和第二加热元件电阻器之间，其中所述温度传感器电阻器与第一电阻相关联，其中所述第一加热元件电阻器的第二电阻与所述第二加热元件电阻器的第三电阻不同；以及
沉积在所述介电层上的气体传感层，其中所述温度传感器电阻器、所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器包括多晶硅，其中所述温度传感器电阻器的多晶硅、所述第一加热元件电阻器的多晶硅和所述第二加热元件电阻器的多晶硅以及所述温度传感器电阻器、所述第一加热元件电阻器和所述第二加热元件电阻器的电阻的设计为所述气体传感器装置提供面内温度均匀性。
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