DE102018220169A1 - Verfahren zum herstellen eines feuchtigkeitssensors auf waferebene und feuchtigkeitssensor - Google Patents

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Heiko Froehlich
Thoralf Kautzsch
Olga Khvostikova
Marten Oldsen
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Abstract

Ein Verfahren 100, 100' zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors 300 auf Waferebene umfasst folgende Schritte: Bereitstellen 105 einer Substratanordnung 200, die ein Halbleitersubstrat 202 z.B. mit daran angeordneten Bauelementen 204 und mit einem auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210, 210-1 aufweist, wobei auf dem Metallisierungsschichtstapel 206 eine Isolationsschicht 212 angeordnet ist; Aufbringen 110 einer Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206; Aufbringen 115 einer ersten Abdeckungsschicht 216 auf der Sensorstruktur 214 und freiliegenden Abschnitten der Isolationsschicht 212, wobei die erste Abdeckungsschicht 216 die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckt, und wobei ein die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht 216 planar ausgebildet wird, um eine planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden; Bereichsweises Entfernen 125 der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220, wobei die Sensorstruktur 214 mit der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 bedeckt bleibt; Aufbringen 130 einer dritten Abdeckungsschicht 222 auf der freigelegten Isolationsschicht 212 und dem die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220; Freilegen 135 des die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapels 220; und Aufbringen 145 eines feuchtigkeitsabsorbierenden Schichtelements 232 auf dem die Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220, um den Feuchtigkeitssensor 300 zu erhalten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene und einen entsprechenden Feuchtigkeitssensor zum Messen der Feuchtigkeit in der Umgebungsatmosphäre.
  • Hintergrund
  • Die Erfassung von Umwelt- bzw. Umgebungsparametern in der Umgebungsatmosphäre erlangt eine immer größere Bedeutung bei der Implementierung einer entsprechenden Sensorik innerhalb mobiler Geräte, aber auch bei der Anwendung in der Home-Automation, wie z.B. Smart Home, und beispielsweise auch auf dem Automobilsektor. Bei dem immer umfassenderen Einsatz von Sensoren besteht aber insbesondere auch ein Bedarf danach, entsprechende Sensoren möglichst unaufwendig und damit kostengünstig herstellen zu können, wobei aber trotzdem die resultierende Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Sensoren beizubehalten ist.
  • Bei der Überwachung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Sensors bzw. des Geräts, in dem der Sensor eingebaut ist, ist häufig die Kombination aus Sensorstruktur und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) unter Berücksichtigung eines ökonomischen Herstellungsprozessflusses problematisch. Dies ist insbesondere für elektronische Consumer-Geräte relevant, da dort möglichst kostengünstig herzustellende Sensoren, wie z. B. Sensoren zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit, eingesetzt werden sollen.
  • Zusammenfassung
  • Es besteht somit ein Bedarf nach einem Konzept zur effektiven Herstellung von Feuchtigkeitssensoren, das möglichst unaufwendig in bestehende Halbleiterwafer-Bearbeitungsprozesse integriert werden kann und mit dem zuverlässig und genau arbeitende Luftfeuchtigkeitssensoren erhalten werden können.
  • Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Ein Verfahren 100, 100' zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors 300 auf Waferebene umfasst folgende Schritte: Bereitstellen 105 einer Substratanordnung 200, die ein Halbleitersubstrat 202 z.B. mit daran angeordneten Bauelementen 204 und mit einem auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210, 210-1 aufweist, wobei auf dem Metallisierungsschichtstapel 206 eine Isolationsschicht 212 angeordnet ist; Aufbringen 110 einer Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206; Aufbringen 115 einer ersten Abdeckungsschicht 216 auf der Sensorstruktur 214 und freiliegenden Abschnitten der Isolationsschicht 212, wobei die erste Abdeckungsschicht 216 die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckt, und wobei ein die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht 216 planar ausgebildet wird, um eine planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden; Bereichsweises Entfernen 125 der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220, wobei die Sensorstruktur 214 mit der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 bedeckt bleibt; Aufbringen 130 einer dritten Abdeckungsschicht 222 auf der freigelegten Isolationsschicht 212 und dem die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220; Freilegen 135 des die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapels 220; und Aufbringen 145 eines feuchtigkeitsabsorbierenden Schichtelements 232 auf dem die Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220, um den Feuchtigkeitssensor 300 zu erhalten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt auf: Aufbringen 120 einer zweiten Abdeckungsschicht 218 auf der planaren, ersten Abdeckungsschicht 216, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 als einen planaren Abdeckungsschichtstapel 220 mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 zu erhalten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt auf: Planarisieren der ersten Abdeckungsschicht, um zumindest den die Sensorstruktur 214 bedeckenden Abschnitt 216-1 der ersten Abdeckungsschicht 216 planar auszubilden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 100' ferner folgenden Schritt auf: Anordnen einer Opferschichtstruktur 217 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 nach dem Aufbringen der ersten Abdeckungsschicht 216, um einen Kavitätsbereich 234 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 zu erhalten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 100, 100' ferner folgenden Schritt auf: Aufbringen 140 einer Passivierungsschichtanordnung, auf der die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung, wobei der Schritt 135 des Freilegens der die Sensorschichtstruktur 214 planaren Abdeckungsschichtanordnung durch die Passivierungsschichtanordnung und die dritte Abdeckungsschicht 222 erfolgt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Aufbringen 110 der Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 ferner eine Referenzelektrodenstruktur 215 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Referenzstrukturelementen 215-1, 215-2 auf der Isolationsschicht 212 aufgebracht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur 215 nach dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht in der dritten Abdeckungsschicht eingebettet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur 215 als eine in dem Metallisierungsschichtstapel eingebettete Metallisierungsstruktur ausgebildet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Metallisierungsschichtstapel 206 benachbart zu der Sensorstruktur 214 eine Metallisierungsstruktur 210-1 aufweist, die für die Sensorstruktur 214 als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität ausgebildet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt nach dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht 222 auf: Aufbringen weiterer Isolationsschichtstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen aufeinander oder auf der dritten Abdeckungsschicht 222.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden bei dem Schritt des Aufbringens weitere Isolationsstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen eine Umverdrahtungsschicht, eine Isolationsschicht, eine oberste Metallisierungsschicht und/oder eine Passivierungsschichtanordnung aufgebracht und so strukturiert, dass die die Sensorstruktur 214 bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung 220 freigelegt ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement 232 ein Polymermaterial aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 Kupfer oder Aluminium mit einer Dicke von ≤ 500 nm oder etwa 200 nm und einer Lateralbeabstandung von etwa 100 nm auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 in einer Interdigitalanordnung zueinander angeordnet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die an dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Bauelemente 204 während eines FEOL-Bearbeitungsprozesses des Halbleitersubstrats 202 gebildet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die FEOL-Bauelemente auf CMOS-Technologie basierende Bauelemente auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Metallisierungsschichtstapel 206 während eines BEOL-Bearbeitungsprozesses der Substratanordnung 200 gebildet wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von Leiterbahnstrukturen 210 in unterschiedlichen Ebenen M#. in dem Isolationsmaterial 208 auf.
  • Ein Feuchtigkeitssensor 300, 300' umfasst eine Substratanordnung 200, die ein Halbleitersubstrat 202 mit daran angeordneten Bauelementen 204 und einen auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen aufweist, wobei bei dem Metallisierungsschichtstapel 206 der Substratanordnung 200 eine Isolationsschicht 212 angeordnet ist; eine Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206, wobei auf der Sensorstruktur 214 eine planare Abdeckungsschichtanordnung 220 angeordnet ist; und ein feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement 232 auf der die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Verfahrens bzw. Prozessablaufs zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 2 ein prinzipielles Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte eines Verfahrens bzw. eines Prozesses zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    • 3 weitere optionale Verfahrensschritte des Verfahrens 100, 100' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    • 4a-b prinzipielle, schematische Querschnittsdarstellungen eines Feuchtigkeitssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 5 eine schematische Querschnittsdarstellung des Sensorbereichs des Feuchtigkeitssensors mit einer prinzipiellen Darstellung der resultierenden Anteile des elektrischen Felds gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
  • Im Folgenden wird nun Bezug nehmend auf 1 ein prinzipielles Ablauf- bzw. Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors 300 auf Waferebene gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Zunächst wird nun in 1 bei dem Herstellungsverfahren 100 bei Schritt 105 eine Substratanordnung 200 bereitgestellt. Die Substratanordnung 200 weist ein Halbleitersubstrat 202 mit beispielsweise daran angeordneten Bauelementen 204, wie z. B. aktiven oder passiven Halbleiterbauelementen, und ferner einen auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 auf. Der Metallisierungsschichtstapel 206 weist beispielsweise eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210 auf, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206, z. B. als oberste Schicht, eine Isolationsschicht 212 z.B. aus einem dielektrischen Material angeordnet ist.
  • Das Halbleitersubstrat 202 kann beispielsweise ein in einem FEOL-Prozess (FEOL = Frontend of Line) prozessierter Halbleiterwafer, wie z. B. ein Silizium-Wafer, mit einer integrierten Schaltungsanordnung bzw. ASIC (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) oder allgemein mit CMOS-Bauelementen sein, auf dem in einem BEOL-Prozess (BEOL = Backend of Line) der Metallisierungsschichtstapel bzw. Verdrahtungsschichtstapel 206 aufgebracht wird. Der Metallisierungs- bzw. Verdrahtungsschichtstapel 206 ist beispielsweise vorgesehen, um Verdrahtungsebenen für die FEOL-Bauelemente 204 vorzusehen, d. h. vorgegebene Verbindungen zwischen FEOL-Bauelementen untereinander und/oder Verbindungen mit Anschlusskontakten an der Oberseite des Metallisierungsschichtstapels 206 bereitzustellen.
  • Die in dem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210 weisen beispielsweise ein Metall- oder Metalllegierungsmaterial auf, wie z. B. Kupfer, Aluminium, etc. Die Isolationsschicht 212 weist beispielsweise ein dielektrisches Material, wie z. B. Siliziumnitrid SiN, auf. In 1 sind die eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210 beispielhaft mit M4 als vierte und oberste Metalllage des Metallisierungsschichtstapels 206 bezeichnet.
  • Bei Schritt 110 wird nun eine leitfähige Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206 aufgebracht. Die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 können in einer sog. Interdigitalanordnung zueinander angeordnet werden, die beispielsweise kapazitiv auslesbar ist. Die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 der leitfähigen Sensorstruktur 214 weisen beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung, wie z. B. Kupfer, Aluminium etc. auf. Die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 weisen beispielsweise eine Dicke von ≤ 500 nm oder etwa 200 nm auf. Beispielsweise können die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 eine Dicke d214 (vertikal zu einer Ebene des Hauptoberflächenbereichs der Isolationsschicht 212) in einem Bereich von 100 nm bis 500 nm, von 150 nm bis 250 nm, oder von etwa 200 nm aufweisen. Ferner können die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 mit einem Abstand a214 von etwa 50 nm bis 150 nm oder von etwa 100 nm lateral (bezüglich der Ebene des Hauptoberflächenbereichs 212-A der Isolationsschicht 212) beabstandet sein.
  • Wie bei Schritt 110 ferner beispielhaft dargestellt ist, kann in dem Metallisierungsschichtstapel 206 eine optionale Metallisierungsschichtstruktur 210-1 benachbart zu (= unterhalb in 1) der leitfähigen Sensorstruktur 214 in dem Isolationsmaterial 208 gegenüberliegend zu der Sensorstruktur 214 angeordnet sein, die für die Sensorstruktur 214 als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität CPAR ausgebildet sein kann.
  • Die leitfähige Sensorstruktur 214 kann beispielsweise ein Metall, wie z.B. Aluminium, oder eine Metalllegierung aufweisen, wobei Aluminium beispielsweise auch als Material für eine Umverteilungsschicht (engl.: redistribution layer) und/oder als Material für Kontaktanschlussflächen (= Pad-Material) bei gegenwärtigen CMOS-Technologien verwendet wird.
  • Bei Schritt 115 wird nun eine erste Abdeckungsschicht (= Passivierungsschicht) 216 auf die Sensorstruktur 214 und die freiliegenden Bereiche der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206 aufgebracht. Die erste Abdeckungsschicht 216 bedeckt dabei die Sensorstruktur 214, wobei ein die Sensorstruktur 214 bedeckender Abschnitt 216-1 der ersten Abdeckungsschicht 216 planar bzw. (möglichst) topologiefrei ausgebildet wird.
  • Um zumindest den die Sensorstruktur 214 bedeckenden Abschnitt 216-1 der ersten Abdeckungsschicht 216 planar auszubilden, wird die erste Abdeckungsschicht 216 planarisiert, wobei ein entsprechender Planarisierungsvorgang mittels eines CMP-Prozesses (CMP= Chemically Mechanically Polishing) durchgeführt werden kann.
  • Als chemisch-mechanisches Polieren bzw. chemisch-mechanisches Planarisieren wird bei Halbleiterherstellungsprozessen ein Polierverfahren in der Waferbearbeitung bezeichnet, um dünne Schichten gleichmäßig abzutragen, d. h. eine möglichst planare bzw. topologiefreie Oberfläche derselben zu erhalten.
  • Die erste Abdeckungsschicht 216 wird beispielsweise als Siliziumdioxidmaterial (SiO2) oder als Siliziumnitridmaterial (Si3N4) auf die leitfähige Sensorstruktur 214 und weitere freiliegende Bereiche der Isolationsschicht 212 auf der Substratanordnung 206 aufgebracht, und nachfolgend beispielsweise mittels eines CMP-Prozesses oder einem anderen Planarisierungsprozess planarisiert, um einen möglichst planaren bzw. topologiefreien Oberflächenbereich 216-1 der ersten Abdeckungsschicht 216 zu erhalten. Die finale Dicke d216 (nach dem Planarisierungsvorgang) der ersten Abdeckungsschicht 216 ist höher, z. B. um den Faktor 1,5 bis 2,5, als die Dicke d214 der elektrisch leitfähigen Sensorstrukturelemente (Erfassungselektroden) 214-1, 214-2 der elektrisch leitfähigen Sensorstruktur 214.
  • Bei einem optionalen Schritt 120 kann nun eine zweite Abdeckungsschicht 218 auf der planaren bzw. planarisierten, ersten Abdeckungsschicht 216 aufgebracht, um einen planaren Abdeckungsschichtstapel bzw. eine planare Schichtanordnung 220 auf der leitfähigen Sensorstruktur 214 und weiteren bzw. den restlichen Bereichen der Isolationsschicht 212 zu erhalten.
  • Wie die nachfolgenden Ausführungen noch zeigen werden, kann die optional aufgebrachte zweite Abdeckungsschicht 218 bei einem der nachfolgenden Prozessschritte als eine dünne Ätzstoppschicht wirksam sein. Die zweite Abdeckungsschicht 218 weist beispielsweise ein dielektrisches Material, wie z. B. Siliziumnitrid (Si3N4) auf.
  • Da die zweite Abdeckungsschicht 218 lediglich optional auf der planaren bzw. planarisierten, ersten Abdeckungsschicht 216 aufgebracht wird, z.B. falls dies prozesstechnisch vorteilhaft oder erforderlich ist, kann die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 gemäß einem Ausführungsbeispiel die planare bzw. planarisierte, erste Abdeckungsschicht 216 und gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die planare bzw. planarisierte, erste Abdeckungsschicht 216 und die darauf aufgebrachte zweite Abdeckungsschicht 218 als einen planaren Abdeckungsschichtstapel (220) aufweisen.
  • Bei Schritt 125 wird die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 mit der ersten und optional der zweiten Abdeckungsschicht 216, 218 bereichsweise entfernt, wobei die leitfähige Sensorstruktur 214 mit der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 bedeckt bleibt. Die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 weist eine Breite a220 (parallel zu der Ebene des Hauptoberflächenbereich 212-A der ersten Isolationsschicht 212) auf, die z.B. größer als die Breite a214 der elektrisch leitfähigen Sensorstruktur 214 ist. Der planare Abdeckungsschichtstapel 220 ist somit ausgebildet, um auch die Sensorstrukturen zu bedecken. Zur Signalgenerierung wird durch diesen speziellen Aufbau die Streukapazität der Elektroden genutzt. Diese ändert sich als Funktion der Feuchte.
  • Bei Schritt 130 wird eine dritte Abdeckungsschicht (= weitere Passivierungsschicht) 222 auf die freiliegenden bzw. freigelegten Abschnitte bzw. Oberflächenbereiche der Isolationsschicht 112 und ferner auf die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 mit der darin eingebetteten elektrisch leitfähigen Sensorstruktur 214 aufgebracht. Die dritte Abdeckungsschicht 222 kann beispielsweise ein dielektrisches Material, wie z. B. ein Siliziumdioxidmaterial SiO2 mit einer Dicke in einem Bereich von 500 nm bis 1.500 nm oder von etwa 1000 nm aufweisen.
  • Bei Schritt 135 wird nun die die Sensorstruktur 214 bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung 220 durch die dritte Abdeckungsschicht (= weitere Passivierungsschicht) 222 hindurch freigelegt, wobei beispielsweise die optionale Schicht 218 der Schichtanordnung 220 als Ätzstoppschicht für den mittels eines Ätzvorgangs durchgeführten Freilegungsschritt 135 des die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapels 220 ausgebildet sein kann.
  • Gemäß weiteren optionalen Ausführungsbeispielen können nach dem Schritt 130 des Aufbringens der dritten Abdeckungsschicht 222 weitere Isolationsstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen aufeinander bzw. auf der vierten Abdeckungsschicht angeordnet werden. So können beispielsweise bei dem optionalen Schritt des Aufbringens weiterer Isolationsschichtstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen auf der dritten Abdeckungsschicht 220 eine Umverteilungsschicht (engl.: redistribution layer), eine oder mehrere weitere Isolationsschichten, eine oberste Metallisierungsschicht und/oder zumindest eine Passivierungsschicht aufgebracht und (nachfolgend z.B. bei Schritt 135) so strukturiert werden, dass die die Sensorstruktur bedeckende planare Abdeckungsschichtanordnung 220 freiliegend ist. Die optionalen weiteren Isolationsstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen werden also derart aufgebracht und strukturiert, dass dieselben am Standort des Feuchtigkeitssensors 300, d. h. oberhalb der Abdeckungsschichtanordnung 220, entfernt werden, und der die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 gegenüber der Umgebung freilegen.
  • Bei einem optionalen Schritt 140 (nicht gezeigt in 1) kann eine optionale Passivierungsschichtanordnung 230 mit einer oder mehreren Passivierungsschichten auf die die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckende, planare, freigelegte Abdeckungsschichtanordnung 220 und ferner auf weitere freiliegende Oberflächenbereiche der Substratanordnung 200 aufgebracht.
  • Bei einem Schritt 145 wird ein feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement 232, auf der die leitfähige Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 aufgebracht, um den Feuchtigkeitssensor 300 zu erhalten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Konzepts 100 zum Herstellen des Feuchtigkeitssensors 300 auf Waferebene wird das feuchtigkeitsabsorbierende Material 232 nach der abschließenden Bearbeitung der Substratanordnung 200 aufgebracht. Die feuchtigkeitsabsorbierende Schichtstruktur 232 kann beispielsweise ein feuchtigkeitsabsorbierendes Material, wie z. B. ein auf einem Polymer basierenden Material, wie z. B. Photoimid, SU-8, Silikon etc. aufweisen, wobei diese Aufzählung von Materialien nur als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen ist.
  • Das feuchtigkeitsabsorbierende Material 232 kann optional strukturiert werden und außerhalb des gewünschten Feuchtigkeitssensorelements 300 entfernt werden.
  • Zur Feuchtigkeitserfassung wird beispielsweise die durch das anliegende elektrische Streufeld bewirkte Änderung der Kapazität der Sensorelektroden 214-1, 214-2 als eine Funktion des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials 2232 verwendet.
  • Im Folgenden wird nun anhand von 2 ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Verfahrens bzw. eines Prozesses 100' zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors 300' auf Waferebene gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf die zu 1 unterschiedlichen Verfahrensschritte, wobei die sonstigen Ausführungen bzgl. des Verfahrens 100 von 1 gleichermaßen auf das Verfahren 100' von 2 anwendbar sind.
  • Wie bei Schritt 105 des Verfahrens 100' dargestellt ist, wird wiederum die Substratanordnung 200 bereitgestellt. Die Substratanordnung 200 weist wiederum ein Halbleitersubstrat 202 mit beispielsweise daran angeordneten Bauelementen 204, wie z. B. aktiven oder passiven Halbleiterbauelementen, und ferner einen auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 auf. Der Metallisierungsschichtstapel 206 weist beispielsweise eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210 auf, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206, z. B. als oberste Schicht, eine Isolationsschicht 212 z.B. aus einem dielektrischen Material angeordnet ist
  • Bei Schritt 110 wird eine leitfähige Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206 aufgebracht. Ferner wird bei dem Schritt 110 (vor dem Schritt des Aufbringens der ersten Abdeckungsschicht 216 auf der leitfähigen Sensorstruktur 214) eine Opferschicht bzw. eine Opferschichtstruktur 217 zwischen benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der leitfähigen Sensorstruktur 214 angeordnet. Das Anordnen der Opferschichtstruktur 217 zwischen benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 kann beispielsweise gemäß zweier unterschiedlicher Prozessoptionen durchgeführt werden.
  • Gemäß einer ersten optionalen Prozessoption kann zunächst die leitfähige Sensorstruktur 214 mit der Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 aufgebracht werden, woraufhin die Opferschichtstruktur 217 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 angeordnet wird, wobei dazu die Opferschicht 217 beispielsweise auf die gewünschten Bereiche aufgebracht wird und beispielsweise anschließend ein Poliervorgang, z. B. ein CMP-Prozess, durchgeführt wird, um die Opferschichtstruktur 217 bündig mit der Höhe d214 der leitfähigen Sensorstruktur 214 auszubilden.
  • Gemäß einer zweiten optionalen Prozessoption kann zunächst die Opferschicht 217 aufgebracht und strukturiert werden, woraufhin die leitfähige Sensorstruktur 214 mit der Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 angrenzend zu der Opferschichtstruktur 217 angeordnet wird, so dass die Opferschichtstruktur 217 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der leitfähigen Sensorstruktur 214 angeordnet ist. Anschließend kann wiederum ein Planarisierungs- bzw. Polierungsschritt, z. B. ein CMP-Verfahren, durchgeführt werden, um eine bündige Ausbildung der Opferschichtstruktur 217 und der leitfähigen Sensorstruktur 214 mit der Dicke d214 zu erhalten.
  • Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100' zum Herstellen des Feuchtigkeitssensors 300 weist somit die leitfähige Sensorstruktur 214 die zwischen der Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 angeordnete Opferschichtstruktur 217 auf.
  • Bei Schritt 115 wird wiederum die erste Abdeckungsschicht (= Passivierungsschicht) 216 auf die leitfähige Sensorstruktur 214 mit der dort angeordneten Opferschichtstruktur 217 und auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206 angeordnet, wobei die erste Abdeckungsschicht bzw. Passivierungsschicht 216 die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckt, und wobei der die Sensorstruktur 214 bedeckende Abschnitt 216-1 der ersten Abdeckungsschicht planar ausgebildet wird. Auf die planare, erste Abdeckungsschicht 216 wird nun wiederum bei Schritt 120 die zweite Abdeckungsschicht (= Ätzstoppschicht) 218 aufgebracht, um die Abdeckungsschichtanordnung 220 auf der Sensorstruktur 214 zu erhalten, wobei der die Sensorstruktur 214 bedeckende Abschnitt 220-1 der Abdeckungsschichtanordnung 220 wiederum planar ausgebildet ist. Dies ergibt sich, da die zwischen benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 angeordnete Opferschichtstruktur 217 eine bündige bzw. planare Oberfläche mit der leitfähigen Sensorstruktur 214 bildet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Abdeckungsschichtanordnung 220 benachbart zu dem planaren Abschnitt 220-1 der Abdeckungsschichtanordnung 220 auf der Sensorstruktur 214 eine Stufe bzw. einen Übergang aufweisen, die/der aus der vorhandenen Stufe zwischen der Isolationsschicht 112 und der darauf aufgebrachten leitfähigen Sensorstruktur 114 mit der dazwischen angeordneten Opferschicht 217 basiert.
  • Bei Schritt 125 wird wiederum die erste und zweite Abdeckungsschicht 216, 218 bereichsweise entfernt, wobei die Sensorstruktur 214 mit dem planaren Abschnitt 220-1 der Abdeckungsschichtanordnung 220 bedeckt bleibt.
  • Bei Schritt 127 wird nun die Opferschichtstruktur 217 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 zumindest teilweise oder auch vollständig entfernt, um Kavitäten bzw. Freiräume 234 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der leitfähigen Sensorstruktur 214 zu erhalten.
  • Die weiteren Verfahrensschritte 130, 135, 140 (optional) und 145 von 1 können gleichermaßen nachfolgend zu Schritt 127 von 2 durchgeführt werden.
  • Im Folgenden wird nun auf weitere Ausführungsbeispiele des Verfahrens 100, 100' zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors 300 auf Waferebene eingegangen.
  • Ferner sind in 1 und 2 weitere optionale Verfahrens- bzw. Prozessschritte des Verfahrens 100, 100' oder optionale Ergänzungen zu den Verfahrensschritten des Verfahrens 100, 100' beispielhaft dargestellt.
  • So kann bei dem Herstellungsverfahren 100, 100' bei dem Schritt 110 des Aufbringens der leitfähigen Sensorstruktur 214 mit der Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 ferner eine optionale Referenzelektrodenstruktur 215 mit einer Mehrzahl von Referenzelektrodenelementen 215-1, 215-2 auf der Isolationsschicht 212 aufgebracht werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Referenzelektrodenstruktur 215 bei dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht 222 in der dritten Abdeckungsschicht 222 eingebettet (und bleibt dort eingebettet).
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100, 100' können also sowohl die leitfähige Sensorstruktur 214, die für eine Feuchtigkeitsänderung empfindlich ist, als auch die Referenzelektrodenstruktur 215, die für eine Feuchtigkeitsänderung aufgrund des Unterbringens in der „dicken“ dritten Abdeckungsschicht 222 unempfindlich ist, innerhalb desselben Herstellungsprozessmoduls, z.B. nach dem Standard-CMOS-Metallisierungsprozess und vor dem Anschlussflächenherstellungsmodul, hergestellt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind somit die Referenzelektroden 215-1, 215-2 der Referenzelektrodenstruktur 215 durch die dritte Abdeckungsschicht 222, die beispielsweise als eine dicke Passivierungsschicht mit einem Siliziumdioxidmaterial mit einer Dicke von etwa 1.000 nm ausgebildet ist, bedeckt bzw. darin eingebettet, um eine Feuchtigkeitssensitivität der Referenzelektrodenstruktur 215 zu verhindern bzw. zu unterdrücken. Die dritte Abdeckungsschicht 222kann als eine Abdeckungsschichtanordnung bzw. Passivierungsschichtanordnung z.B. mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Isolationsschichten, wie z. B. einer Siliziumdioxidschicht SiO2 und einer Siliziumnitrid-Schicht Si3N4 (z.B. als Stapel) oder einer einzelnen Passivierungs- bzw. Abdeckungsschicht 222 oder auch aus einer einzelnen Passivierungsschicht mit einem Siliziumdioxidmaterial SiO2 oder einem Siliziumnitridmaterial Si3N4 ausgebildet sein, wobei beispielsweise ferner noch eine finale Abdeckungsschicht bzw. ein abschließender Abdeckungsschichtstapel auf der dritten Abdeckungsschicht 222 vorgesehen sein kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können somit beide Elektrodenstrukturen, d. h. die Messelektrodenstruktur 214 als auch die Referenzelektrodenstruktur 215, auch zu unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten und/oder während unterschiedlicher Prozessschritte in dem Gesamtprozessfluss hergestellt werden.
  • In den 1 und 2 ist die optionale Referenzelektrodenstruktur 215 beispielhaft eingezeichnet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Referenzelektrodenstruktur 210 alternativ oder zusätzlich zu der Referenzelektrodenstruktur 215 auch als eine in dem Metallisierungsschichtstapel 206 eingebettete Metallisierungsstruktur 210 ausgebildet sein. Wie in den 1 und 2 des Verfahrens 100, 100' beispielhaft dargestellt ist, kann die optionale Referenzelektrodenstruktur 210 z.B. in der obersten Metallisierungsebene M4 (= Metallisierungsebene 4) des Metallisierungsschichtstapels 206 ausgebildet sein und beispielsweise als leitfähiges Material Kupfer, Aluminium etc. oder ein anderes Metall bzw. eine andere Metalllegierung aufweisen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ferner der Metallisierungsschichtstapel 206, z. B. in der Metallisierungsebene M4, angrenzend an die leitfähige Sensorstruktur eine optionale Metallisierungsschichtstruktur 210-1 aufweisen, die für die Sensorstruktur 214 als ein elektrostatisches Abschirmungselement zur Verringerung der parasitären Kapazität CPAR der Sensorstruktur 214 ausgebildet ist.
  • Im Folgenden werden nun anhand von 3 weitere optionale beispielhafte Verfahrensschritte des Verfahrens 100, 100' dargestellt, die sowohl auf das in 1 dargestellte Herstellungsverfahren 100 als auch das in 2 dargestellte Herstellungsverfahren 100' gleichermaßen anwendbar sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können nach dem Schritt 130 des Aufbringens der dritten Abdeckungsschicht 222 ferner weitere Isolationsschichtstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen aufeinander bzw. auf der vierten Abdeckungsschicht 222 strukturiert aufgebracht werden.
  • Wie in nun 3 bei Schritt 137 dargestellt ist, können beispielsweise optionale Metallisierungsbereiche 224 aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. Aluminium, aufgebracht werden. Diese zusätzlichen Metallisierungsstrukturen 224 können beispielsweise eine Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 1.500 nm und etwa von 1.200 nm aufweisen.
  • Auf die bei dem Schritt 137 aufgebrachten weiteren Isolationsstrukturen, Metallisierungsstrukturen und/oder Bauelementstrukturen, wie z. B. die optionalen Metallisierungsstrukturen 224, kann nun ferner bei Schritt „140“ eine obere Passivierungsschichtanordnung 230 auf den freiliegenden Hauptoberflächenbereich der Substratanordnung 200, d. h. auf die freiliegende Prozessoberfläche der Substratanordnung 200, aufgebracht werden, wobei die Passivierungsschichtanordnung 230 die aufgebrachten, weiteren Isolationsschichtstrukturen, Metallisierungsstrukturen und/oder Bauelementstrukturen auf der dritten Abdeckungsschicht 222 sowie die freiliegenden Abschnitte bzw. Oberflächenbereiche der dritten Abdeckungsschicht 222 bedeckt. Die obere Passivierungsschichtanordnung 230 kann beispielsweise eine erste Passivierungsschicht 236, wie z. B. ein Siliziumdioxidmaterial SiO2 mit einer Dicke zwischen 300 und 600 nm und von etwa 450 nm aufweisen, und eine zweite darüber angeordnete zweite Passivierungsschicht 238, wie z. B. mit einem Siliziumnitridmaterial Si3N4, mit einer Dicke zwischen 300 und 500 nm und von etwa 400 nm aufweisen.
  • Bei Schritt 135 wird nun die die Sensorstruktur 214 bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung 220 freigelegt, wobei beispielsweise die optionale Schicht 218 des Schichtstapels 220 als Ätzstoppschicht für den mittels eines Ätzvorgangs durchgeführten Freilegungsschritt 135 des die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapels 220 ausgebildet sein kann.
  • Bei einem Schritt 143 kann nun optional eine weitere Passivierungsschicht 242, die z. B. ein Siliziumnitridmaterial Si3N4 mit einer Dicke zwischen 30 und 100 nm und von etwa 50 nm aufweist, auf die verbleibende Prozessoberfläche der Substratanordnung 200 aufgebracht werden. Die optionale, weitere Passivierungsschicht 242 kann beispielsweise auch auf der die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 angeordnet sein.
  • Bei Schritt 145 wird ein feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement 232, auf der die leitfähige Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 und der optionalen, weiteren Passivierungsschicht 242 aufgebracht, um den Feuchtigkeitssensor 300, 300' zu erhalten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die an dem Halbleitersubstrat angeordneten Bauelemente 204, z. B. CMOS-Bauelemente während eines FEOL-Bearbeitungsprozesses des Halbleitersubstrats 202 gebildet werden. Die FEOL-Bauelemente 204 können auf CMOS-Technologie basierende aktive und/oder passive Bauelemente aufweisen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Metallisierungsschichtstapel 206 während eines BEOL-Bearbeitungsprozesses der Substratanordnung 200 gebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von Leiterbahnstrukturen 210, 210a, 210b etc. in unterschiedlichen Ebenen in dem Isolationsmaterial 208 auf.
  • Im Folgenden wird nun anhand von 4a und 4b in einer prinzipiellen bzw. schematischen Querschnittsdarstellung ein Feuchtigkeitssensor 300, 300' gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Wie in 4a und 4b beispielhaft dargestellt ist, weist der Feuchtigkeitssensor 300, 300' eine Substratanordnung 200 auf, die ein Halbleitersubstrat 202 mit daran angeordneten Bauelementen 204 und einen auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen aufweist, und wobei auf dem Metallisierungsschichtstapel 206 der Substratanordnung 200 eine Isolationsschicht 212 angeordnet ist.
  • Der Feuchtigkeitssensor 300, 300' umfasst ferner eine Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206, wobei auf der Sensorstruktur 214 eine planarer Abdeckungsschichtanordnung 220 angeordnet ist, und ferner ein feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement 232 auf dem die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220. Die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 weist ferner eine zweite Abdeckungsschicht 216 oder als Schichtstapel eine zweite und dritte Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 die erste Abdeckungsschicht 216 auf, die die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckt, wobei ein die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht 216 planar ausgebildet wird, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden,
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 eine zweite und dritte Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 auf, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 als einen planaren Abdeckungsschichtstapel 220 mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 zu erhalten, wobei in einem Zwischenbereich zwischen den benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur ein Material der ersten Abdeckungsschicht angeordnet ist oder wobei der Zwischenraum zwischen benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 als Kavitätsbereich freigelassen ist.
  • Wie in 4a beispielhaft dargestellt ist, weist der Feuchtigkeitssensor 300 in einem Zwischenbereich zwischen den benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 das Material der ersten Abdeckungsschicht 216 auf.
  • Wie in 4b beispielhaft dargestellt ist, weist der Feuchtigkeitssensor 300' ist der Zwischenbereich zwischen den benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 als Kavitätsbereich 234 freigelassen ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Feuchtigkeitssensor 300, 300' ferner eine Passivierungsschichtanordnung auf der die Schichtstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Feuchtigkeitssensor 300, 300' ferner eine dritte Abdeckungsschicht 222 auf freiliegenden Bereichen der Isolationsschicht 212 und der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 der Sensorstruktur 214 auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Feuchtigkeitssensor 300, 300' eine Referenzelektrodenstruktur 215 mit einer Mehrzahl von Referenzstrukturelementen 215-1, 215-2 auf der Isolationsschicht 212 auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur in der dritten Abdeckungsschicht eingebettet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur als in dem Metallisierungsschichtstapel 206 eingebettete Metallisierungsstruktur ausgebildet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Metallisierungsschichtstapel 206 benachbart zu der Sensorstruktur 214 eine Metallisierungsstruktur 210-1 auf, die für die Sensorstruktur 214 als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität ausgebildet ist.
  • Im Folgenden wird nun anhand von 5 in Form einer schematischen Querschnittsansicht der Sensorbereich des Feuchtigkeitssensors 300' mit einer prinzipiellen Darstellung der resultierenden Anteile des einwirkenden elektrischen Felds beschrieben.
  • Wie in 5 dargestellt ist, weist die leitfähige Sensorstruktur 214 die Mehrzahl von Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der ersten Abdeckungsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206 auf, wobei eine planarer Abdeckungsschichtanordnung 220 auf der leitfähigen Sensorstruktur 214 angeordnet ist. Ferner ist das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement 232 auf der die leitfähige Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 angeordnet. Wie in 5 ferner beispielhaft dargestellt ist, sind die Zwischenbereiche zwischen den Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 als Kavitäten 234 ausgebildet, wobei ferner die als Abschirmungselement wirksame Metallisierungsstruktur 210-1 in dem Metallisierungsschichtstapel 206 benachbart zu der leitfähigen Sensorstruktur 214 angeordnet ist.
  • Im Betrieb des Feuchtigkeitssensors 300'ist nun beispielsweise eine Potenzialdifferenz mit einer Spannung +V gegenüber 0 Volt zwischen den Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der leitfähigen Sensorstruktur 240 angelegt. Das sich daraus ergebende elektrische Feld bzw. Streufeld breitet sich jeweils senkrecht aus dem ersten Sensorstrukturelement 214-1 austretend und wieder senkrecht in das zweite Sensorstrukturelement 214-2 eintretend und mit einer Feldliniendicht entsprechend der Potenzialdifferenz zwischen den beiden Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 aus.
  • Der durch das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement 232 verlaufende Anteil des Gesamtfeldes wird als Streufeld bezeichnet. Anders ausgedrückt, die Gesamtkapazität CGES der Sensorstruktur 214 ergibt sich aus der Summe der Streukapazität CSTRAY und der parasitären Kapazität CPAR.
  • Die das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement 232 durchlaufenden elektrischen Feldlinien tragen nun zu der Streukapazität CSTRAY und damit zu dem Messsignal bei. Die Änderung der Gesamtkapazität ΔCG ist nun eine Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit bzw. der Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit, die in dem feuchtigkeitsabsorbierenden Schichtelement 232 aufgenommen wurde. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio) des Feuchtigkeitssensors 300, 300' ist nun proportional zu dem Verhältnis zwischen der Änderung der Gesamtkapazität ΔCG zu der Gesamtkapazität CG.
  • Somit ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis umso größer, je geringer die parasitäre Kapazität CPAR gehalten werden kann. Die parasitäre Kapazität kann beispielsweise verringert werden, indem die Kavitäten 234 mit einem Material, wie z. B. Luft, mit einer relativ niedrigen relativen Dielektrizitätskonstante εr realisiert werden, wobei die relative Dielektrizitätskonstante von Luft etwa 1 (εr ≈ 1) beträgt.
  • Ferner kann die Metallisierungsstruktur 210-1 dazu beitragen, die parasitäre Kapazität CPAR weiter zu verringern, da die in Richtung der Metallisierungsstrukturen 210-1 austretenden elektrischen Feldlinien aus dem Sensorstrukturelement 214-1 innerhalb der Metallisierungsstruktur 210-1 auf dem Weg zu dem zweiten Sensorstrukturelement 214-2 kurzgeschlossen werden, d. h. nur einen geringen Anteil der Strecke innerhalb der Isolationsschicht 212 zurücklegen, und somit weiter verringert werden können, d. h. gegenüber einem Fall, bei dem die leitfähige Schichtstruktur 210-1 nicht ausgebildet ist.
  • Im Folgenden werden nochmals Aspekte der vorliegenden Verfahrens 100, 100' zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors 300, 300' auf Waferebene erörtert.
  • Gemäß einem ersten Aspekt des vorliegenden Verfahrens zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene wird eine z.B. einschichtige, planare Passivierungsschicht (= erste Abdeckungsschicht) oberhalb der beispielsweise als Interdigitalstruktur bzw. kapazitiven Messstruktur ausgebildeten Sensorstruktur des Feuchtigkeitssensors gebildet. Die z.B. einschichtige, planare Passivierungsschicht (erste Abdeckungsschicht) ist relativ einfach in dem Prozessablauf herzustellen und sehr gut in bisherige Prozessabläufe integrierbar. Auf die äußerst planare Passivierungsschicht oberhalb der Sensorstrukturelemente bzw. Interdigitalstruktur (und einer darauf angeordneten zweiten Abdeckungsschicht, die bei dem Herstellungsverfahren z.B. als eine Ätzstoppschicht vorgesehen ist) kann die feuchtigkeitsabsorbierende Schicht des Feuchtigkeitssensors äußerst einfach aufgebracht werden, da keine Topologie bzw. Oberflächenunebenheit vorliegt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt des vorliegenden Verfahrens zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene wird eine (zumindest) zweischichtige Passivierungsschichtanordnung an bzw. oberhalb der als Interdigitalstruktur ausgebildeten Sensorstruktur angeordnet, wobei eine der Passivierungsschichten als Opferschicht ausgebildet ist, um nach einer zumindest bereichsweisen Entfernung der Opferschicht einen Hohlraum bzw. eine Kavität zwischen gegenüberliegenden Sensorstrukturelementen, z. B. zwischen gegenüberliegenden Fingerelementen der Interdigitalstruktur, zu erhalten. Auf die äußerst planare Passivierungsschichtanordnung oberhalb der Sensorstrukturelemente bzw. Interdigitalstruktur (und einer darauf angeordneten zweiten Abdeckungsschicht, die bei dem Herstellungsverfahren z.B. als eine Ätzstoppschicht vorgesehen ist) kann die feuchtigkeitsabsorbierende Schicht des Feuchtigkeitssensors äußerst einfach aufgebracht werden, da keine bzw. nur eine geringe Topologie oder Oberflächenunebenheit vorliegt.
  • In dem Hohlraum (bzw. den Hohlräumen oder Kavitäten) kann dann eine relative Dielektrizitätskonstante εr ≈ 1 von Luft angenommen werden. Damit kann der „nicht wirksame“ Anteil des elektrischen Felds minimiert werden, wobei als nicht wirksamer Anteil des elektrischen Felds bzw. der elektrischen Feldlinien, der Anteil anzusehen ist, der nicht durch die feuchtigkeitsabsorbierende Schicht verläuft.
  • Durch das Vorsehen von Hohlräumen bzw. Kavitäten gemäß dem zweiten Aspekt zwischen benachbarten Sensorstrukturelementen in der die Messstruktur bedeckenden Passivierungsschichtanordnung können die Messergebnisse der Sensorstruktur weiterverbessert werden, da der nicht wirksame Anteil des elektrischen Felds bzw. der elektrischen Feldlinien, der nicht das feuchtigkeitsabsorbierende Material durchdringt, minimiert werden kann. Da in den Hohlräumen eine relative Dielektrizitätskonstante εr von etwa 1 anzunehmen ist, kann die parasitäre Kapazität der Messkapazität relativ niedrig gehalten werden und somit das Signal-Zu-Rauschverhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio) in dem Ausgangssignal der Sensorstruktur gegenüber konventionellen Ansätzen deutlich erhöht werden.
  • Das verwendete Opfermaterial kann neben einer Vielzahl unterschiedlicher, geeigneter Opfermaterialien beispielsweise Kohlenstoff (Carbon) aufweisen, das mit Sauerstoff verascht werden kann. Bei dem zweiten Aspekt des Herstellungsverfahrens kann die Oberseite des Hohlraums einen Versatz Δx zur Oberfläche der Elektrodenstrukturen aufweisen, so dass beispielsweise eine Resttopologie auf der oberen Passivierungsschicht verbleibt, auf die dann das feuchtigkeitsabsorbierende Material aufgebracht wird.
  • Beide Aspekte des vorliegenden Verfahrens zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene können sehr einfach in bestehende CMOS-Prozessabläufe eingebracht werden, wobei die beispielsweise als Interdigitalstruktur angeordneten Sensorstrukturelemente mit der darauf angeordneten ein- oder zweischichtigen Passivierungsschichtanordnung, die relativ planar oberhalb der Interdigitalstruktur ausgebildet ist, erzeugt wird. Diese Passivierungsschichtanordnung wird dann strukturiert, wobei zumindest die die Sensorstrukturelemente bedeckenden Abschnitte der Passivierungsschichtanordnung beibehalten werden. Dieser strukturierte Passivierungsschichtanordnung wird dann während der weiteren Prozessschritte für den Feuchtigkeitssensor bzw. weitere Schaltungselemente auf dem BEOL-Stapel, d. h. der Substratanordnung, mit der CMOS-Schaltungsanordnung beibehalten („zwischengeparkt“), bis die planare Passivierungsschichtanordnung (und der darauf angeordneten zweiten Abdeckungsschicht, die bei dem Herstellungsverfahren z.B. als eine Ätzstoppschicht vorgesehen ist, und die mit der planaren Passivierungsschichtanordnung die planare Abdeckungsschichtanordnung bzw. den planaren Abdeckungsschichtstapel bildet) auf der Interdigitalstruktur wieder freigelegt wird und daraufhin die Messschicht, d. h. das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement, aufgebracht wird, um letztendlich den Feuchtigkeitssensor zu bilden.
  • Beide Aspekte des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene sind flächenneutral, da der Feuchtigkeitssensor beispielsweise oberhalb ohnehin vorhandener Bereiche mit einer CMOS-Logik in dem Halbleitersubstrat angeordnet werden kann.
  • Ferner kann eine Referenzkapazität bzw. Referenzelektrodenstruktur vorgesehen werden, um bei einer Verschaltung der Messkapazität mit der Referenzkapazität zu einer Wheatstone-Brücke mögliche störende Quereinflüsse effektiv kompensieren zu können.
  • Die Herstellung der Sensorstruktur wird also beispielsweise so durchgeführt, dass die feuchtigkeitsempfindlichen Elektroden und die feuchtigkeitsunempfindlichen Referenzelektroden innerhalb desselben Prozessmoduls nach dem Standard-CMOS-Metallisierungsprozessschritt und vor dem Durchführen des Anschlussflächenherstellungsmoduls (Pad Fabrication Module) hergestellt werden.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen des vorliegenden Verfahrens zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors auf Waferebene können die Sensorstrukturelemente mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltungsanordnung (ASIC) auf demselben Halbleitersubstrat monolithisch integriert werden. Ferner können die Sensorstrukturelemente des Feuchtigkeitssensors und der ASIC innerhalb eines gemeinsam verwendeten Prozessablaufs bzw. Prozessflusses hergestellt werden. Dabei können die Sensorstrukturelemente innerhalb eines dielektrischen Materials (der Passivierungsschichtanordnung und der optional darauf angeordneten zweiten Abdeckungsschicht, d.h. dem Abdeckungsschichtstapel) eingebettet werden. Das dielektrische Material der Passivierungsschicht wird beispielsweise planarisiert, z. B. mittels eines CMP-Prozesses (CMP = chemically mechanically polishing), der einen flachen Oberflächenbereich der Passivierungsschicht ohne relevante Topologie freilegt. Das feuchtigkeitsempfindliche Material wird dann an der Oberseite der die Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung bzw. des Abdeckungsschichtstapels (= Passivierungsschicht und der darauf angeordneten zweiten Abdeckungsschicht) aufgebracht.
  • Ferner können gemäß dem vorliegenden Verfahren auf eine parallele Weise Referenzelektrodenstrukturen ohne Feuchtigkeitsempfindlichkeit simultan zur Herstellung der Messsensorstrukturelemente hergestellt werden, um beispielsweise eine kapazitive Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke) mit den kapazitiven Mess- und Referenzelektrodenstrukturen zu bilden.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen sind sowohl Komponenten der Signalerzeugung, d. h. der Feuchtigkeitssensor 300, 300' als auch der Signalverarbeitung zum Verarbeiten der Sensorsignale, z. B. in Form der FEOL-Bauelemente 204 auf demselben Chip verfügbar. Ferner kann der Feuchtigkeitssensor 300, 300' kostengünstig in existierende Sensorsysteme bzw. Sensorlösungen integriert werden, um beispielsweise Multisensorsysteme zu bilden. insbesondere kann ein integrierter Herstellungsprozess bzw. Herstellungsablauf für den Feuchtigkeitssensor mit der zugeordneten CMOS-ASIC realisiert werden, wobei Herstellungsprozesse gemeinsam verwendet werden können. Ferner ermöglicht eine dünne, planarisierte Abdeckungsschicht bzw. Passivierungsschicht bzw. Schichtstruktur auf den Sensorelektroden (Sensorstrukturelementen) eine hohe Signalausbeute und damit Genauigkeit des Feuchtigkeitssensors 300. Ferner kann der Feuchtigkeitssensor 300 auf Waferebene auf dem Metallisierungsschichtstapel 206 oberhalb aktiver Schaltungsbereiche der FEOL-Bauelemente 204 angeordnet werden, so dass verfügbare Chipfläche verwendet werden kann. In diesem Fall spricht man von einer „Sensor-over-active“-Sensoranordnung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren 100, 100' zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors 300, 300' auf Waferebene folgende Schritte: Bereitstellen 105 einer Substratanordnung 200, die ein Halbleitersubstrat 202 und einem auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 210; 210-1 aufweist, wobei auf dem Metallisierungsschichtstapel 206 eine Isolationsschicht 212 angeordnet ist, Aufbringen 110 einer Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206, Aufbringen 115 einer ersten Abdeckungsschicht 216 auf der Sensorstruktur 214 und freiliegenden Abschnitten der Isolationsschicht 212, wobei die erste Abdeckungsschicht 216 die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckt, und wobei ein die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht 216 planar ausgebildet wird, um eine planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden, bereichsweises Entfernen 125 der planaren Abdeckungsschichtanodnung 220, wobei die Sensorstruktur 214 mit der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 bedeckt bleibt, Aufbringen 130 einer dritten Abdeckungsschicht 222 auf der freigelegten Isolationsschicht 212 und dem die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220, Freilegen 135 der die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220, und Aufbringen 145 eines feuchtigkeitsabsorbierenden Schichtelements 232 auf der die Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220, um den Feuchtigkeitssensor 300 zu erhalten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100 ferner folgende Schritt: Aufbringen 120 einer zweiten Abdeckungsschicht 218 auf der planaren, ersten Abdeckungsschicht 216, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 als einen planaren Abdeckungsschichtstapel 220 mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 zu erhalten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt: Planarisieren der ersten Abdeckungsschicht, um zumindest den die Sensorstruktur 214 bedeckenden Abschnitt 216-1 der ersten Abdeckungsschicht 216 planar auszubilden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100' ferner folgenden Schritt: Anordnen einer Opferschichtstruktur 217 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 nach dem Aufbringen der ersten Abdeckungsschicht 216, um einen Kavitätsbereich 234 zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 zu erhalten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100, 100' ferner folgenden Schritt: Aufbringen 140 einer Passivierungsschichtanordnung, auf die die Sensorstruktur 214 bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung 220, wobei der Schritt 135 des Freilegens der die Sensorschichtstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 durch die Passivierungsschichtanordnung und die dritte Abdeckungsschicht 222 erfolgt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bei dem Aufbringen 110 der Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 ferner eine Referenzelektrodenstruktur 215 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Referenzstrukturelementen 215-1, 215-2 auf der Isolationsschicht 212 aufgebracht.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur 215 nach dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht in der dritten Abdeckungsschicht eingebettet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur 215 als eine in dem Metallisierungsschichtstapel eingebettete Metallisierungsstruktur ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Metallisierungsschichtstapel 206 benachbart zu der Sensorstruktur 214 eine Metallisierungsstruktur 210-1 auf, die für die Sensorstruktur 214 als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität ausgebildet ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100, 100' ferner folgenden Schritt nach dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht 222: Aufbringen weiterer Isolationsschichtstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen aufeinander oder auf der dritten Abdeckungsschicht 222.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden bei dem Schritt des Aufbringens weitere Isolationsstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen eine Umverdrahtungsschicht, eine Isolationsschicht, eine oberste Metallisierungsschicht und/oder eine Passivierungsschichtanordnung aufgebracht und so strukturiert, dass die die Sensorstruktur 214 bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung 220 freigelegt ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement 232 ein Polymermaterial auf.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 Kupfer oder Aluminium mit einer Dicke von ≤ 500 nm oder etwa 200 nm und einer Lateralbeabstandung von etwa 100 nm auf.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Sensorstrukturelemente 214-1, 214-2 in einer Interdigitalanordnung zueinander angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die an dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Bauelemente 204 während eines FEOL-Bearbeitungsprozesses des Halbleitersubstrats 202 gebildet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die FEOL-Bauelemente auf CMOS-Technologie basierende Bauelemente auf.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Metallisierungsschichtstapel 206 während eines BEOL-Bearbeitungsprozesses der Substratanordnung 200 gebildet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von Leiterbahnstrukturen 210 in unterschiedlichen Ebenen M#. in dem Isolationsmaterial 208 auf.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Feuchtigkeitssensor 300 folgende Merkmale auf: eine Substratanordnung 200, die ein Halbleitersubstrat 202 mit daran angeordneten Bauelementen 204 und einen auf dem Halbleitersubstrat 202 angeordneten Metallisierungsschichtstapel 206 aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel 206 eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial 208 eingebetteten Metallisierungsstrukturen aufweist, wobei bei dem Metallisierungsschichtstapel 206 der Substratanordnung 200 eine Isolationsschicht 212 angeordnet ist, eine Sensorstruktur 214 mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 auf der Isolationsschicht 212 des Metallisierungsschichtstapels 206, wobei auf der Sensorstruktur 214 eine planare Abdeckungsschichtanordnung 220 angeordnet ist, und ein feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement 232 auf dem die Sensorstruktur 214 bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel 220.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 eine erste Abdeckungsschicht 216 auf, die die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckt, und ein die leitfähige Sensorstruktur 214 bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht 216 wird planar ausgebildet, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ferner die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 eine zweite und dritte Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 auf, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 als einen planaren Abdeckungsschichtstapel 220 mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht 216, 218 auf der Sensorstruktur 214 zu erhalten, wobei in einem Zwischenbereich zwischen den benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur ein Material der ersten Abdeckungsschicht angeordnet ist oder wobei der Zwischenraum zwischen benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen 214-1, 214-2 der Sensorstruktur 214 als Kavitätsbereich freigelassen ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ferner eine Passivierungsschichtanordnung auf der die Schichtstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ferner eine dritte Abdeckungsschicht 222 auf freiliegenden Bereichen der Isolationsschicht 212 und der planaren Abdeckungsschichtanordnung 220 der Sensorstruktur 214 angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Feuchtigkeitssensor 300 ferner folgendes Merkmal auf: eine Referenzelektrodenstruktur 215 mit einer Mehrzahl von Referenzstrukturelementen 215-1, 215-2 auf der Isolationsschicht 212.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur in der dritten Abdeckungsschicht eingebettet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrodenstruktur als in dem Metallisierungsschichtstapel 206 eingebettete Metallisierungsstruktur ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Metallisierungsschichtstapel 206 benachbart zu der Sensorstruktur 214 eine Metallisierungsstruktur 210-1 auf, die für die Sensorstruktur 214 als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität ausgebildet ist.
  • Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
  • In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 100'
    Herstellungsverfahren
    105 - 145
    Verfahrensschritte
    137, 140, 143
    optionale Verfahrensschritte
    200
    Substratanordnung
    202
    Halbleitersubstrat
    204
    Bauelemente
    206
    Metallisierungsschichtstapel
    208
    Isolationsmaterial
    210, 210-1
    Metallisierungsstrukturen
    212
    Isolationsschicht
    212-A
    Oberflächenbereich der Isolationsschicht
    214
    Sensorstruktur
    214-1, 214-2
    leitfähige Sensorstrukturelemente
    215
    Referenzelektrodenstruktur
    215-1, 215-2
    leitfähige Referenzstrukturelemente
    216
    erste Abdeckungsschicht (erste Passivierungsschicht)
    216-1
    planarer Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht
    217
    Opferschicht (zweite Passivierungsschicht)
    218
    zweite Abdeckungsschicht (Ätzstoppschicht)
    220
    planare Abdeckungsschichtanordnung
    220-1
    Abschnitt der Abdeckungsschichtanordnung
    222
    dritte Abdeckungsschicht (weitere Passivierungsschicht)
    224
    Metallisierungsbereiche
    230
    obere Passivierungsschichtanordnung
    232
    feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement
    234
    Kavitäten bzw. Freiräume
    236
    erste Passivierungsschicht der oberen Passivierungsschichtanordnung
    238
    zweite Passivierungsschicht der oberen Passivierungsschichtanordnung
    242
    weitere dünne Passivierungsschicht
    300,300'
    Feuchtigkeitssensor

Claims (27)

  1. Verfahren (100, 100') zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensors (300, 300') auf Waferebene, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (105) einer Substratanordnung (200), die ein Halbleitersubstrat (202) und einem auf dem Halbleitersubstrat (202) angeordneten Metallisierungsschichtstapel (206) aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel (206) eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial (208) eingebetteten Metallisierungsstrukturen (210; 210-1) aufweist, wobei auf dem Metallisierungsschichtstapel (206) eine Isolationsschicht (212) angeordnet ist, Aufbringen (110) einer Sensorstruktur (214) mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) auf der Isolationsschicht (212) des Metallisierungsschichtstapels (206), Aufbringen (115) einer ersten Abdeckungsschicht (216) auf der Sensorstruktur (214) und freiliegenden Abschnitten der Isolationsschicht (212), wobei die erste Abdeckungsschicht (216) die leitfähige Sensorstruktur (214) bedeckt, und wobei ein die leitfähige Sensorstruktur (214) bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht (216) planar ausgebildet wird, um eine planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden, Bereichsweises Entfernen (125) der planaren Abdeckungsschichtanodnung (220), wobei die Sensorstruktur (214) mit der planaren Abdeckungsschichtanordnung (220) bedeckt bleibt, Aufbringen (130) einer dritten Abdeckungsschicht (222) auf der freigelegten Isolationsschicht (212) und dem die Sensorstruktur (214) bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel (220), Freilegen (135) der die Sensorstruktur (214) bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung (220), und Aufbringen (145) eines feuchtigkeitsabsorbierenden Schichtelements (232) auf der die Sensorstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung (220), um den Feuchtigkeitssensor (300) zu erhalten.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Aufbringen (120) einer zweiten Abdeckungsschicht (218) auf der planaren, ersten Abdeckungsschicht (216), um die planare Abdeckungsschichtanordnung (220) als einen planaren Abdeckungsschichtstapel (220) mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht (216, 218) auf der Sensorstruktur (214) zu erhalten.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit folgendem Schritt: Planarisieren der ersten Abdeckungsschicht, um zumindest den die Sensorstruktur (214) bedeckenden Abschnitt (216-1) der ersten Abdeckungsschicht (216) planar auszubilden.
  4. Verfahren (100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Anordnen einer Opferschichtstruktur (217) zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) der Sensorstruktur (214) nach dem Aufbringen der ersten Abdeckungsschicht (216), um einen Kavitätsbereich (234) zwischen den benachbarten Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) der Sensorstruktur (214) zu erhalten.
  5. Verfahren (100, 100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Aufbringen (140) einer Passivierungsschichtanordnung, auf die die Sensorstruktur (214) bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung (220), wobei der Schritt (135) des Freilegens der die Sensorschichtstruktur (214) bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung (220) durch die Passivierungsschichtanordnung und die dritte Abdeckungsschicht (222) erfolgt.
  6. Verfahren (100, 100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Aufbringen (110) der Sensorstruktur (214) mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) ferner eine Referenzelektrodenstruktur (215) mit einer Mehrzahl von leitfähigen Referenzstrukturelementen (215-1, 215-2) auf der Isolationsschicht (212) aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Referenzelektrodenstruktur (215) nach dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht in der dritten Abdeckungsschicht eingebettet ist.
  8. Verfahren (100, 100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzelektrodenstruktur (215) als eine in dem Metallisierungsschichtstapel eingebettete Metallisierungsstruktur ausgebildet ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallisierungsschichtstapel (206) benachbart zu der Sensorstruktur (214) eine Metallisierungsstruktur (210-1) aufweist, die für die Sensorstruktur (214) als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität ausgebildet ist.
  10. Verfahren (100, 100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt nach dem Aufbringen der dritten Abdeckungsschicht (222): Aufbringen weiterer Isolationsschichtstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen aufeinander oder auf der dritten Abdeckungsschicht (222).
  11. Verfahren (100, 100') nach Anspruch 10, wobei bei dem Schritt des Aufbringens weitere Isolationsstrukturen, Metallisierungsschichtstrukturen und/oder Bauelementstrukturen eine Umverdrahtungsschicht, eine Isolationsschicht, eine oberste Metallisierungsschicht und/oder eine Passivierungsschichtanordnung aufgebracht und so strukturiert werden, dass die die Sensorstruktur (214) bedeckende, planare Abdeckungsschichtanordnung (220) freigelegt ist.
  12. Verfahren (100, 100') nach einem vorhergehenden Ansprüche, wobei das feuchtigkeitsabsorbierende Schichtelement (232) ein Polymermaterial aufweist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorstrukturelemente (214-1, 214-2) der Sensorstruktur (214) Kupfer oder Aluminium mit einer Dicke von ≤ 500 nm oder etwa 200 nm und einer Lateralbeabstandung von etwa 100 nm aufweisen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Sensorstrukturelemente (214-1, 214-2) in einer Interdigitalanordnung zueinander angeordnet werden.
  15. Verfahren (100, 100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die an dem Halbleitersubstrat (202) angeordneten Bauelemente (204) während eines FEOL-Bearbeitungsprozesses des Halbleitersubstrats (202) gebildet werden.
  16. Verfahren (100, 100') nach Anspruch 13, wobei die FEOL-Bauelemente auf CMOS-Technologie basierende Bauelemente aufweisen.
  17. Verfahren (100, 100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallisierungsschichtstapel (206) während eines BEOL-Bearbeitungsprozesses der Substratanordnung (200) gebildet wird.
  18. Verfahren (100, 100') nach Anspruch 17, wobei der Metallisierungsschichtstapel (206) eine Mehrzahl von Leiterbahnstrukturen (210) in unterschiedlichen Ebenen (M#). in dem Isolationsmaterial (208) aufweist.
  19. Feuchtigkeitssensor (300) mit folgenden Merkmalen: einer Substratanordnung (200), die ein Halbleitersubstrat (202) mit daran angeordneten Bauelementen (204) und einen auf dem Halbleitersubstrat (202) angeordneten Metallisierungsschichtstapel (206) aufweist, wobei der Metallisierungsschichtstapel (206) eine Mehrzahl von in einem Isolationsmaterial (208) eingebetteten Metallisierungsstrukturen aufweist, wobei bei dem Metallisierungsschichtstapel (206) der Substratanordnung (200) eine Isolationsschicht (212) angeordnet ist, einer Sensorstruktur (214) mit einer Mehrzahl von leitfähigen Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) auf der Isolationsschicht (212) des Metallisierungsschichtstapels (206), wobei auf der Sensorstruktur (214) eine planare Abdeckungsschichtanordnung (220) angeordnet ist, und ein feuchtigkeitsabsorbierendes Schichtelement (232) auf dem die Sensorstruktur (214) bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtstapel (220).
  20. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 19, wobei die planare Abdeckungsschichtanordnung (220) eine erste Abdeckungsschicht (216) aufweist, die die leitfähige Sensorstruktur (214) bedeckt, und wobei ein die leitfähige Sensorstruktur (214) bedeckender Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht (216) planar ausgebildet wird, um die planare Abdeckungsschichtanordnung 220 zu bilden,
  21. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 19 oder 20, wobei ferner die planare Abdeckungsschichtanordnung (220) eine zweite und dritte Abdeckungsschicht (216, 218) auf der Sensorstruktur (214) aufweist, um die planare Abdeckungsschichtanordnung (220) als einen planaren Abdeckungsschichtstapel (220) mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht (216, 218) auf der Sensorstruktur (214) zu erhalten, wobei in einem Zwischenbereich zwischen den benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) der Sensorstruktur ein Material der ersten Abdeckungsschicht angeordnet ist oder wobei der Zwischenraum zwischen benachbarten, leitfähigen Sensorstrukturelementen (214-1, 214-2) der Sensorstruktur (214) als Kavitätsbereich freigelassen ist.
  22. Feuchtigkeitssensor (300) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei ferner eine Passivierungsschichtanordnung auf der die Schichtstruktur bedeckenden, planaren Abdeckungsschichtanordnung (220) angeordnet ist.
  23. Feuchtigkeitssensor (300) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei ferner eine dritte Abdeckungsschicht (222) auf freiliegenden Bereichen der Isolationsschicht (212) und der planaren Abdeckungsschichtanordnung (220) der Sensorstruktur (214) angeordnet ist.
  24. Feuchtigkeitssensor (300) nach einem der Ansprüche 19 bis 23, ferner mit folgendem Merkmal: einer Referenzelektrodenstruktur (215) mit einer Mehrzahl von Referenzstrukturelementen (215-1, 215-2) auf der Isolationsschicht (212).
  25. Feuchtigkeitssensor (300) nach Anspruch 24, wobei die Referenzelektrodenstruktur in der dritten Abdeckungsschicht eingebettet ist.
  26. Feuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die Referenzelektrodenstruktur als in dem Metallisierungsschichtstapel (206) eingebettete Metallisierungsstruktur ausgebildet ist.
  27. Feuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei der Metallisierungsschichtstapel (206) benachbart zu der Sensorstruktur (214) eine Metallisierungsstruktur (210-1) aufweist, die für die Sensorstruktur (214) als ein Abschirmungselement zum Verringern einer parasitären Kapazität ausgebildet ist.
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