JP2016118558A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】湿度センサを損なう要素を改善した湿度センサを提供する。【解決手段】本発明は、湿度センサ（１）に関するものであり、それはシリコン基板（１０）を備え、その上に、それぞれに金属ゾーン（１８）が設けられた複数の誘電体層（１６）と、金属層（２０）と、が少なくとも配置されており、その金属層は、２つの電極（２２）を形成するようにエッチングされて、電極はそれぞれ、多数のアームを備えた１つのアーマチュアを有し、それらのアーマチュアは、それぞれのアーマチュアのアームを相互に間挿することでそれらのアームが互いに対向して配置されるとともに間隙（２２ａ）で離間されるように実装されている。【選択図】図４

Description

本発明は、湿度センサに関するものであり、それはシリコン基板を備え、その上に、それぞれに金属ゾーンが設けられた複数の誘電体層と、金属層と、が少なくとも配置されており、その金属層は、２つの電極を形成するようにエッチングされて、電極はそれぞれ、多数のアームを備えた１つのアーマチュアを有し、それらのアーマチュアは、それぞれのアーマチュアのアームを相互に間挿することでそれらのアームが互いに対向して配置されるように実装されている。

電子回路用の湿度センサが知られている。そのような湿度センサは、インタデジタル型の櫛歯部を備える湿度センサである。

そのようなセンサは、少なくとも１つの中間誘電体層（ＩＬＤ）がその上に配置されたシリコンウェハ基板で構成されている。その中間層の上に、複数の金属間誘電体層（ＩＭＤ）が配置されている。これらの層は、好ましくはその数は３つであって、重ねられて、それぞれが電気伝導のための金属ゾーンを有している。

それらの金属間誘電体層よりも上に、インタデジタル櫛歯部として機能する導電層が形成され、この層は、アルミニウムで構成することができる。そして、このアルミニウム層にエッチングすることで、上記櫛歯部が形成される。櫛歯部が形成されたら、その全体がパッシベーション層で覆われる。

次に、このエッチング後の基板を保管し、これは、その後、それを使用するために調製する第２の製造フェーズで用いられる。この第２の製造フェーズは、櫛歯部のレベルおよびコンタクト領域のレベルでパッシベーション層をエッチングする開口ステップからなる。パッシベーションをエッチングするこのステップで、櫛歯部のいくつもの枝間に位置するパッシベーション層をエッチングすることが可能である。

このステップを終えたら、アルミニウムのための防食保護層を堆積させ、この層は、酸窒化物層とすることができる。

最後のステップは、全体を保護するために、ポリアミド層を堆積させることからなる。

ところが、この構成には欠点がある。第１の欠点は、該センサが２フェーズで製造されることにある。実際に、センサの製造のための２つの別々のフェーズを設けることによって、追加の熱サイクルの実施を余儀なくされる。これらの追加の熱サイクルは、基板およびインタデジタル櫛歯部に追加の熱応力を生じさせることにつながり、これによって、該湿度センサを損なうおそれがある。

第２の欠点は、第２フェーズでのエッチングにある。実際に、パッシベーション層にエッチングする第２フェーズでは、寄生容量が生じる。これらの寄生容量は、エッチングが完璧ではないことによって、つまり、そのエッジが完全な直線状ではないことによって、生じる。その結果、パッシベーション層の残渣があることが、これらの寄生容量の発生につながり、これによって性能を損なう。

このため、本発明は、湿度センサからなるものであって、それはシリコン基板を備え、その上に、それぞれに金属ゾーンが設けられた複数の誘電体層と、金属層と、が少なくとも配置されており、その金属層は、２つの電極を形成するようにエッチングされて、電極はそれぞれ、多数のアームを備えた１つのアーマチュアを有し、それらのアーマチュアは、それぞれのアーマチュアのアームを相互に間挿することでそれらのアームが互いに対向して配置されるとともに間隙で離間されるように実装されており、当該センサは、エッチング後の金属層の上に堆積されたパッシベーション層（２４）をさらに備えることと、そのパッシベーション層は、互いに対向して配置されたアーム間の間隙がくり抜かれて、金属層が堆積された誘電体層内に及ぶように、エッチングされていること、を特徴とする。

第１の効果的な実施形態では、センサは、金属層を腐食から保護する防食保護層をさらに備える。

第２の効果的な実施形態では、防食保護層は、酸窒化物で形成される。

第３の効果的な実施形態では、酸窒化物で形成された保護層は厚さを有し、その値は、最大でも、互いに対向して配置されるアーム間の間隙の距離の１０％に等しい。

第４の効果的な実施形態では、センサは、検出誘電体として機能するポリイミド層をさらに備える。

第５の効果的な実施形態では、パッシベーション層は、非形成ゾーンのレベルで介在させて金属層に直接堆積させることができる。

別の効果的な実施形態では、センサは、静電容量・電圧変換器、アナログ・デジタル変換器、およびデジタルインタフェースを備えた回路システムに組み込まれるように構成されている。

別の効果的な実施形態では、回路システムは、これをマイクロコントローラに接続することを可能とするコンタクト領域をさらに備える。

さらに、本発明は、湿度センサの製造方法に関し、それは以下のステップを含む。
１）基板を準備すること；
２）少なくとも１つの誘電体層であって、金属ゾーンが設けられた誘電体層を堆積させることと、最後の誘電体層の上に金属層を堆積させること；
３）その金属層に、２つの電極を形成するようにエッチングすることであって、電極はそれぞれ、多数のアームを備えたアーマチュアを有し、それらのアーマチュアは、それぞれのアーマチュアのアームを相互に間挿することでそれらのアームが互いに対向して配置されるとともに間隙で離間されるように実装される；
４）そのエッチング後の金属層の上に、パッシベーション層を堆積させること；
５）そのパッシベーション層を、２つの電極のレベルでエッチングすることであって、このエッチングは、互いに対向して配置されたアーム間の間隙のレベルで、金属層が堆積された誘電体層内に及ぶように、実現される。

第１の効果的な実施形態では、本方法は、金属層を腐食から保護する防食保護層を堆積させることからなるステップ６）をさらに含む。

第２の効果的な実施形態では、本方法は、パッシベーション層を、ステップ３）でエッチングされた少なくとも１つのコンタクト領域のレベルでエッチングすることからなるステップ７）をさらに含む。

第３の効果的な実施形態では、本方法は、最後の堆積層の上にポリイミド層を堆積させることからなるステップ８）をさらに含む。

第４の効果的な実施形態では、本方法は、コンタクト手段を配置することを可能とするために、そのポリイミド層をコンタクト領域のレベルでエッチングすることからなるステップ９）をさらに含む。

別の効果的な実施形態では、本方法は、コンタクト手段を配置することからなるステップ８ａ）をさらに含む。

別の効果的な実施形態では、本方法は、最後の堆積層の上にポリイミド層を堆積させることからなるステップ１０）をさらに含む。

別の効果的な実施形態では、本方法は、センサを洗浄することからなるステップ５ａ）をさらに含む。

本発明の目的、効果、および特徴は、単なる例として非限定的に提示されるとともに添付の図面に示される本発明の少なくとも１つの実施形態についての以下の詳細な説明において、より明らかになるであろう。

図１は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図２は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図３は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図４は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図４’は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図５は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図６は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図７は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図８は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図９は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを模式的に示している。 図１０は、本発明により湿度センサを製造する方法の工程図を示している。

図１に、本発明による湿度センサ１を示している。このようなセンサは、ウェハと呼ばれるシリコン基板１０を備える。さらに、この基板は、本センサが組み込まれる回路システムを含むことができる。この回路システムは、静電容量・電圧変換器、アナログ・デジタル変換器、およびデジタルインタフェースで構成されており、その全体を、他の基板上に配置されたマイクロコントローラにコンタクト領域を介して接続することが可能である。当然のことながら、センサ、回路システム、マイクロコントローラは、異なる基板上に、もしくは同じ基板上にあるものとすることができ、または、回路システムとマイクロコントローラは、同じ基板上にあるものとすることができる。この基板１０は、本センサのための基板として機能するものであって、第１のステップは、この基板を準備することからなる。図１０は、本発明により湿度センサを製造するための各種ステップを示している。

この基板１０上に、第２のステップで、種々の層を相次いで堆積させる。第１の層１２を堆積させる。この層は、活性と呼ばれるゾーンと、二酸化ケイ素のゾーンと、を含む。

この第１の層の上に、中間誘電体層（ＩＬＤ）１４を堆積させる。

続いて、複数の金属間誘電体層１６（ＩＭＤ）を堆積させる。これらの金属間誘電体層１６は、好ましくはその数は３つであって、重ねられており、それぞれが電気伝導のための金属ゾーン１８を有している。これらの金属ゾーン１８は、ビア型接続部１８ａによって相互に接続することが可能である。

それらの金属間誘電体層１６よりも上に、図１に示すように、インタデジタル櫛歯部として機能する導電層２０が形成され、この金属層２０は、第２のステップ中に堆積されるものであって、アルミニウムで構成することができる。この第２のステップは、当業者に周知の工程である。

第３のステップで、このアルミニウム層２０にエッチングすることで、図２に示すように、上記櫛歯部を形成する。インタデジタル櫛歯部は、一般に、多数のアームを備えたアーマチュアをそれぞれ有する２つの電極２２で構成される。これらのアーマチュアは、それぞれのアーマチュアのアームを相互に間挿するようにして実装される。こうして、容量式湿度センサが得られる。

櫛歯部が形成されたら、第４のステップは、その全体をパッシベーション層２４で覆うことからなる。このパッシベーション層２４は、図３で分かるように、アルミニウム層２０を外部衝撃から保護するために用いられる。

このパッシベーション層２４をエッチングすると、開口ステップすなわち第５のステップが達成される。効果的に、本発明によれば、開口ステップは、同じフェーズ中に、すなわち前のステップと一続きに、実施される。この場合、湿度センサを得ることを可能とするための各種ステップは、一続きの手順フローで実施されることが、すなわち、この製造方法の各種ステップは、これらのステップを達成するために中断を必要条件とすることなく相次いで実施されることが、分かる。従って、この特徴により、サイクル時間を短縮することが可能となる。

この開口ステップは、最初に、センサ１を構成するインタデジタル櫛歯部のレベルでパッシベーション層２４をエッチングにより除去することにある。このようにパッシベーション層を除去したら、本発明では、方策的に、引き続きエッチングを実施する。実際に、パッシベーション層２４は櫛歯部の上に堆積され、このとき、この層２４は、櫛歯部を構成するアーマチュアのいくつものアーム間の間隙２２ａに堆積される。このパッシベーション層２４を除去するときには、これは完全にではなく、図４’に示すように、櫛歯部のパーツの垂直壁のレベルに残渣２４ａが残るように実施される。櫛歯部の互いに対向する２つのアーム間のこれらの残渣２４ａは、静電容量を有するコンデンサを形成し、その式はつぎのようになる。

ここで、Ｓ：対向するアーマチュアの面積、ｄ：アーマチュア間の距離、ε：誘電体の誘電率であり、この静電容量は、検出静電容量と並列であって、湿度センサの感度を低下させる。

この開口ステップは、櫛歯部のアーマチュアのいくつものパーツ間の間隙２２ａをエッチングするように提案される。さらに、このエッチングは、方策的に、最後の金属間誘電体層内にエッチングするように実施され、金属アーム間に空間を開けることは、図４に示すように、前の金属まで、すなわち最後の金属間誘電体層１６の金属ゾーンまでの範囲内で下に進むことにより、切片の略垂直なプロファイルが得られるとともに、側壁上に誘電体の静電容量を伴うことなく、さらに十分な洗浄によって残渣なく、実施される。

このように、誘電体層１６をくり抜くことにより、コンデンサの２つのアーマチュア間の距離を増加させ、このとき、各アーマチュアは、パッシベーション層の残渣の形状を有する。また、パッシベーション層を越えて誘電体層１６をエッチングすることにより、アーマチュアを形成する残渣のサイズは減少し、その結果、面積が減少して、寄生容量値の減少を伴う。これにより、資料で発表される理論最高値よりも高い、湿度センサ１の感度が得られる。

第５のステップでは、エッチング工程によって生じる不純物を除去するために表面を洗浄することからなるステップを実施することができる。

この第５のステップを達成したら、図５に示すように、保護層２６（キャッピング層または被覆層、湿気バリアなど）を堆積させることからなる第６のステップを実施する。実際に、電極のアルミニウムは、その後に堆積される保護層であるポリイミドと接触して腐食するリスク、およびアルミニウムがポリイミド中に拡散するリスクがある。この保護層によって、金属層２０のアルミニウムがポリイミド２９中に拡散することを防ぐことが可能となる。本発明のソリューションの場合には、この保護層を、最大でも、互いに対向して配置されるアーム間の間隙の距離の１０％に等しい値の厚さで、酸窒化物（ＳｉＯＮｘ）で生成する。一例では、その距離が４４０ｎｍに等しい場合、厚さは２０ｎｍから±２ｎｍとなる。

第７のステップで、パッシベーション層２４をコンタクト領域２３のレベルで開口させる。これらのコンタクト領域２３は、本センサが組み込まれる回路システムのものである。これらの領域は、金属間誘電体の上に堆積された金属層上に形成される。図６および７に示すように、コンタクト領域は、こうして開放されることによって、そこにコンタクト手段を配置することが可能となる。

コンタクト手段は、２つの異なる形態で実現されるものであって、コンタクトを所定位置に配置するステップにおいて生成される。

第１の形態によれば、コンタクト手段は、（ワイヤボンディングとも呼ばれる）ワイヤまたはブリッジ配線の方法を用いた接続ワイヤである。実際に、ワイヤまたはブリッジ配線は、ケーシングと集積回路との間の電気的接続を実現するために用いられる技術の１つである。配線は、単に、この用途のために各々の素子に設けられた２つの接続端子の間にワイヤ（またはブリッジ）を溶接することにより形成される。溶接は、一般に超音波によって実現される。ワイヤの材料は、アルミニウム、金、または銅である。ワイヤの直径は、２０μｍのオーダである。

図８および９に示す第２の形態によれば、コンタクト手段は、ボール形状を有する。実際に、この（はんだバンプと呼ばれる）ボール接続技術は、アルミニウムで形成することが可能な回路のコンタクト領域の上に錫ボール３０を配置することからなる。このボールを固着させるために、固定層２８を設けるようにする。このような固定層は、図８に示すように、金層２８ｂがその上に配置されたニッケル層２８ａで構成される。その後、図９に示すように、その固定層２８の上にボール３０が配置される。

固定層を堆積させるために用いられる技術は、無電解と呼ばれる技術である。この技術は、酸化物を除去するために、アルミニウムのコンタクト領域を洗浄する第１のステップを含み、次に第２のステップで、酸化アルミニウムを除去する。第３のステップは、亜鉛層でアルミニウムを活性化することからなり、この亜鉛層は、第４のステップで除去される。第５のステップは、再びアルミニウムのコンタクト領域を活性化するためのステップであり、その後、ニッケル層を堆積させる。最後に、金層を堆積させる。

ポリイミド層を損なうリスクがあることでセンサの性能を低下させるおそれがある、あまりにも大きい温度変化に、ポリイミド層がさらされることがないように、本技術では、有利には、各種ステップで化学浴を用いる。実際に、この無電解技術では、バンプの作製工程中の温度条件での破断を回避可能であるため、本発明による方法の範囲内で用いられる。ポリイミドは、そのような破断を受けやすいことを考えると、その技術に電極を使用することが必要である。

一実施形態によれば、コンタクト領域のレベルでパッシベーション層２４を開口させるステップの後に、第８のステップが実施される。この第８のステップは、図５に示すように、この回路アセンブリをポリイミド層２９で覆うことからなる。このポリイミド層２９は、検出誘電体として用いられる。実際に、ポリイミドは、湿度に反応して、互いに対向して配置されたアーム間の間隙２２ａにおける誘電率が変化する層である。誘電体の特性のこの変化によって、静電容量の値が変化する。これに続いて、コンタクトを所定位置に配置するためのステップ、すなわち第９のステップが実施され、これは、コンタクト領域のレベルでポリイミド２９をエッチングすることからなり、その後、固定層２８を堆積させ、そしてコンタクト手段として機能するボールまたは複数のボール３０を配置する。

別の実施形態によれば、コンタクト領域のレベルでパッシベーション層をエッチングすることからなる第７のステップの後に、コンタクトを配置するステップ８ａと呼ぶステップが実施され、次に、固定層２８を堆積させ、そしてコンタクト手段として機能するボールまたは複数のボール３０を配置する。その後、第１０のステップと呼ぶステップが実施され、これは、コンタクト領域を除いて、この回路をポリイミド層で覆うことからなる。このポリイミド層２９は、ジェット法による局所堆積によって堆積させることができる。

当然のことながら、添付の請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者に明らかである種々の変更および／または改良および／または組み合わせを、上述の本発明の種々の実施形態に適用することができる。

１ 湿度センサ
１０ シリコン基板
１２ 第１の層
１４ 中間誘電体層
１６ 金属間誘電体層
１８ 金属ゾーン
１８ａ ビア型接続部
２０ 金属層（導電層、アルミニウム層）
２２ 電極
２２ａ アーム間の間隙
２３ コンタクト領域
２４ パッシベーション層
２４ａ 残渣
２６ 防食保護層
２８ 固定層
２８ａ ニッケル層
２８ｂ 金層
２９ ポリイミド層
３０ ボール

Claims (18)

1. 湿度センサ（１）であって、シリコン基板（１０）を備え、その上に、それぞれに金属ゾーン（１８）が設けられた複数の誘電体層（１６）と、金属層（２０）と、が少なくとも配置されており、前記金属層は、２つの電極（２２）を形成するようにエッチングされて、電極はそれぞれ、多数のアームを備えた１つのアーマチュアを有し、前記アーマチュアは、それぞれのアーマチュアの前記アームを相互に間挿することでアームが互いに対向して配置されるとともに間隙（２２ａ）で離間されるように実装されており、
   当該センサは、前記エッチング後の金属層（２０）の上に堆積されたパッシベーション層（２４）をさらに備えることと、前記パッシベーション層は、互いに対向して配置された前記アーム間の前記間隙がくり抜かれて、前記金属層が堆積された前記誘電体層内に及ぶように、エッチングされていることを特徴とする湿度センサ。
2. 前記金属層を腐食から保護する防食保護層（２６）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の湿度センサ。
3. 前記防食保護層（２６）は、酸窒化物で形成されることを特徴とする、請求項２に記載の湿度センサ。
4. 酸窒化物で形成された前記保護層は厚さを有し、その値は、最大でも、互いに対向して配置される前記アーム間の前記間隙（２２ａ）の距離の１０％に等しいことを特徴とする、請求項３に記載の湿度センサ。
5. 検出誘電体として機能するポリイミド層（２９）をさらに備えることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の湿度センサ。
6. パッシベーション層（２４）は、非形成ゾーンのレベルで介在させて前記金属層に直接堆積させることが可能であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の湿度センサ。
7. 静電容量・電圧変換器、アナログ・デジタル変換器、およびデジタルインタフェースを備えた回路システムに組み込まれるように構成されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の湿度センサ。
8. 前記回路システムは、これをマイクロコントローラに接続することを可能とするコンタクト領域（２３）をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の湿度センサ。
9. 湿度センサ（１）を製造する方法であって、
   １）基板（１０）を準備するステップと、
   ２）少なくとも１つの誘電体層（１６）であって、金属ゾーン（１８）が設けられた誘電体層を堆積させ、最後の誘電体層の上に金属層（２０）を堆積させるステップと、
   ３）前記金属層に、２つの電極（２２）を形成するようにエッチングするステップであって、電極はそれぞれ、多数のアームを備えた１つのアーマチュアを有し、前記アーマチュアは、それぞれのアーマチュアの前記アームを相互に間挿することでアームが互いに対向して配置されるとともに間隙（２２ａ）で離間されるように実装される、ステップと、
   ４）前記エッチング後の金属層の上に、パッシベーション層（２４）を堆積させるステップと、
   ５）前記パッシベーション層（２４）を、前記２つの電極のレベルでエッチングするステップであって、該エッチングは、互いに対向して配置された前記アーム間の前記間隙（２２ａ）のレベルで、前記金属層が堆積された前記誘電体層（１６）内に及ぶように、実現される、ステップと、を含む方法。
10. 前記金属層を腐食から保護する防食保護層（２６）を堆積させることからなるステップ６）をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記パッシベーション層（２４）を、ステップ３）でエッチングされた少なくとも１つのコンタクト領域のレベルでエッチングすることからなるステップ７）をさらに含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. 最後の堆積層の上にポリイミド層（２９）を堆積させることからなるステップ８）をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. コンタクト手段を配置することを可能とするために、前記ポリイミド層（２９）を前記コンタクト領域（２３）のレベルでエッチングすることからなるステップ９）をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. コンタクト手段を配置することからなるステップ８ａ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 最後の堆積層の上にポリイミド層（２９）を堆積させることからなるステップ１０）をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 該センサ（１）を洗浄することからなるステップ５ａ）をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
17. コンタクト手段を配置することからなる前記ステップ８ａ）は、その固定層に無電解と呼ばれる堆積技術を用いることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
18. 前記ステップは、これらのステップを実現するために中断を必要条件とすることなく相次いで実施されることを特徴とする、請求項９ないし１３のいずれか１つに記載の方法。

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