JP5005702B2

JP5005702B2 - 湿度センサー

Info

Publication number: JP5005702B2
Application number: JP2008540727A
Authority: JP
Inventors: ホーフマンロマノ; エムエムミケロンジュリエン
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: EP1952134A1; CN101310175A; WO2007057794A1; US20080316673A1; US8079248B2; JP2009516192A

Description

本発明は、湿度センサー及びその製造方法に関する。

既存の湿度測定デバイスは、ごく低い湿度レベルを正確に測定できないことがしばしばある。更に、既存のデザインの大部分は拡大縮小できないため、既にサイズが小さくなっている集積回路に統合することが不可能である。

米国特許第４，０５７，８２３号明細書は、集積回路に統合した湿度センサーについて記載している。集積回路の狭小な領域を、陽極エッチングによって多孔質にしている。かかる領域は、酸化されて、多孔質前記多孔質の領域の一部に蒸着した多孔質の二酸化ケイ素と金属電極とを形成している。多孔質構造によって誘電体中に広い表面積が生じるということは、環境湿度が誘電体中に拡散し、二酸化ケイ素上に吸着することを意味する。このデバイスの電気容量又は導電度は変化し、且つ測定可能である。
米国特許第４，０５７，８２３号明細書

残念ながら、この特許は１９７７年に遡るものであり、ここに記載されているプロセスは、現代の集積回路プロセスと容易に統合できない。また、この構造は容易に使用できない。すなわち、特許文献１中で示された実施例において、直径“６０ミル（ｍｉｌ）”（約１．５ｍｍ）の電極は、１０^１０オームのオーダーの抵抗値を生じるが、これは測定が難しい。抵抗を減少させるため更に面積を広げると、センサーが占めている既に広い集積回路の領域を更に広げることになる。

従って、現在の集積回路プロセスと容易に適合する方法によって製造可能であり、集積回路に統合して用いるか、又は別個のデバイスとして用いるかの何れかとすることのできる湿度センサーが依然として必要とされている。

本発明は、各々少なくとも一つの素子を有しており、これら素子は、少なくとも０．３ｍｍの全平行長で互いに平行に延び、かつ、１μｍ以下で離間している第１及び第２導電性電極と、
１０％超の気孔率を有し、第１導電性電極と第２導電性電極とを隔てる多孔質誘電体と、を含む湿度センサーを提供する。実施態様において、気孔率は２０％超であり、特定の実施態様において、気孔率は３０％超である。

半導体プロセスで使用されていた従来の絶縁体は二酸化ケイ素であり、これは約４．１の誘電率を有する。相互接続技術を改善する必要性に促されて、銅の相互接続と、絶縁体として多孔質の低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）有機ケイ酸ガラス材料とを用いる改良導電層が提案されている。ここで、“ｋ”とは誘電率を指す。

かかる多孔質の低誘電率材料は、トリコン（Ｔｒｉｋｏｎ）社からオリオン（Ｏｒｉｏｎ）（登録商標）、ＡＭＡＴ社からＢＤＩＩｘ（登録商標）、アスミ（ＡＳＭｉ）社からオーロラ（Ａｕｒｏｒａ）（登録商標）などの商標名で、化学気相蒸着（ＣＶＤ）を用いた成長用に市販されている。スピンオンすることによって代替の材料を蒸着することが可能であり、かかる材料としては、ダウケミカル社（ＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ）のシルク（ＳｉＬＫ）（登録商標）及びＪＳＲ社のＬＫＤ（登録商標）が挙げられる。

かかる多孔質材料の既知の問題は、特に全プロセスの後、（プロセスによる損傷によって親水性になる傾向があるため）湿気を吸収しうることである。

発明者らは、この性質が本発明の湿度センサーを提供するために使用可能であり、本発明は現在の集積回路プロセスに容易に統合することが可能であることを見出した。特に、該湿度センサーは、新たなプロセス技術に適したプロセス技術を用いているため、これらの技術を用いることによって、今後製造される可能性のある高度なデバイスに容易に統合できる。

好ましい実施態様において、前記第１及び第２導電性電極は相互嵌合した櫛状体であり、この櫛状体の歯は少なくとも０．３ｍｍの全平行長で延びている素子であり、前記第１導電性素子及び前記第２導電性素子の歯は互いに１μｍ以下で離間している。

前記誘電体は、３．０未満の誘電率（ｋ）を有する低誘電率誘電体であることが好ましい。かかる誘電体はオルトシリケートガラス（ＯＳＧ）であることが好ましい。

実施態様において、前記第１及び第２導電性電極は銅製でもよい。他の代替物としてはアルミニウム等がある。

バリア層を導電性電極の周りに延ばして導電性電極を腐食から保護できる。かかるバリア層は誘電性でも、又は導電性でもよい。

バリアとしては、銅電極からなる両側面及び底面の第１バリア材、及び電極の上面の第２のバリア材を含むことができ、ここで該第１バリア材と第２バリア材は異なっていてもよい。

前記第２バリア材は、銅上に選択的に蒸着できるＣｏＷＢ、ＷｏＷＰ、又はＮｉＭｏＰ等の材料でもよい。多孔質誘電体の更なる誘電体層がない実施態様を用いる場合には、銅線の先端をＳｉＣ又はＳｉ_３Ｎ_４等のＣＶＤ材料によって覆うことが可能であり、これは銅の拡散バリアとしての役割を果たすと共に、銅を腐食から守る。

第１バリア材は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）又は物理気相蒸着（ＰＶＤ）によって蒸着してもよい。第１バリア材は金属、例えばＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、又はＲｕでもよい。

更に、本発明は、第１電極と第２電極の間に０．５から１ＭＶ／ｃｍの電場を印加し、湿度の指標として、第１電極と第２電極との間を通過する電流を測定することによる、上述のような湿度センサーの使用法に関する。

更なる態様においては、１０％以上の気孔率を有する多孔質誘電体を蒸着し、前記多孔質誘電体をエッチングし、それぞれ少なくとも０．３ｍｍの全平行長で平行に延び、１μｍ以下で離間している素子を有する第１及び第２溝を形成し、前記溝を導電体で充填して、少なくとも０．３ｍｍの全平行長で互いに平行に延びており、１μｍ以下で離間している素子を有する第１及び第２導電性電極を形成することを含む、湿度センサーの製造方法を提供する。

本発明のより良い理解のため、これから、添付図面を参照しつつ、純粋に例として実施態様を記載する。図面は模式的であり、一定の縮尺ではない。同一及び類似の部品には、異なる図面においても、同一の参照番号を付す。

図１を参照すると、約２．７の誘電定数（ｋ）を有する低誘電率定数の多孔質オルガノシリケートガラス２０を回路基板１０上に蒸着する。ガラス２０は１０％超の気孔率を有している。気孔率は、孔の容積を、孔及び孔の間の材料を含む全容積で除したものと定義される。

その後、下層反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）層２２を、続いてレジスト２４を蒸着する。それから、該レジスト２４を図２に示すようにパターン化する。前記ＢＡＲＣ層は、レジスト２４の光リソグラフ性能を改善し、特に高分解能の光リソグラフに有用である。必要なければ、前記ＢＡＲＣ層２２は省いてもよい。

次に、溝２６をエッチングして、第１及び第２溝の相互嵌合した櫛状構造を画定する。その後、前記レジスト２４及びＢＡＲＣ層２２を除去し、結果として図３の配置をもたらす。

その後、第１バリア材のバリア層２８を表面全体に蒸着し、溝２６の側面及び底面、並びに溝間の低誘電率誘電体２０を被覆する。溝の形は、溝中に形成され、完成した電極の形と同様であり、図６を参照して以下で説明する。実施例において、バリア層２８は物理気相蒸着（ＰＶＤ）によって蒸着したＴｉＮからなる。

次に、導電性充填材としてバルク銅３０を蒸着し、溝を充填する。

それから、化学機械研磨工程により、表面上のバリア層２８を含む上層表面、溝２６の間のバリア層２８上の銅、及び低誘電率誘電体層２０の上面を除去し、図４の構造を生じさせる。

その後、第２バリア材からなる更なるバリア層３２を、自己整合工程によって蒸着する。第２バリア材は、自己整合手法により銅上に成長可能なＣｏＷＢ、ＣｏＷＰ、又はＮｉＭｏＰでもよく、図５の構造を生じさせることができる。

従って、第１バリア層２８及び第２バリア層３２は、協働して銅３０の上面、両側面、及び底面にバリアを形成する。該バリアは銅を腐食から守る。バリア層２８、３２及び銅３０が電極を形成する。

銅で形成された第１及び第２電極４０、４２の相互嵌合した櫛状構造を示す、湿度センサーの上面図を図６に与える。また、該図は、第１及び第２ボンディングパッド４４、４６もそれぞれ示している。前記櫛状構造は、電極の素子として歯４８を有する。前記電極４０、４２を溝２６中に形成するので、溝２６は同じ構造を有していることが分かるであろう。

第１及び第２電極４０、４２の歯４８は互い違いであり、互いに平行である。各櫛状体の歯４８がもう一方の櫛状の歯と重複している全長は０．３ｍｍ超であり、歯４８間の間隙は横方向に１μｍ未満である。このようにして、狭小な領域において大きな全長を得ることが可能になる。

当業者であれば理解できるであろうが、ボンディングパッド４４、４６自体を更なるアルミニウム相互接続の層によって接続し、同じ回路基板上の他のデバイスに不動態化して、湿度センサーを他のデバイスと統合してもよい。

あるいは、前記デバイスが別個のデバイスである場合、例えば接着することによってボンディングパッドと接触させてもよい。

第１電極４０及び第２電極４２の間を通過する電流について、図７に電極間に加えた電場の関数として二つの状態を示すが、一方は湿気ありであり、もう一方は湿気なしである。湿気無しのサンプルは、熱処理して確実に完全に乾燥させた。

前記サンプルには、相互嵌合した電極の全長が１ｃｍで、気孔率が４０％のＯＳＧ材料を使用した。電極の素子は２００ｎｍ離れていた。すなわち、櫛状部分の間隙は２００ｎｍである。

湿気を有するサンプルにおいては、２ＭＶ／ｃｍ超で故障が発生することに留意されたい。

従って、使用時には、第１電極４０と第２電極４２との間に０．５から１ＭＶ／ｃｍの電場を印加して電流を測定する。図７から分かるように、電流を存在している湿気の尺度として用いており、電流は、湿気が存在する場合には存在しない場合よりも数桁大きくなる。

当業者は、別のプロセスが可能であることを理解するであろう。

図８は、更なる低誘電率誘電体層５０を図５の構造の上に蒸着した一代替実施態様を示す。

更なる代替案を図９に示す。これは、より厚い低誘電体層２０を形成し、次に、溝２６を、この層全体ではなく、所定の厚さのみをエッチングすることによって行われる。

この実施態様では、電極４０、４２を多孔質低誘電率誘電体で囲んでいる。

当業者は、これらデバイスのプロセスの詳細に関して、多くの別法をとることが可能であることに気づくであろう。

特に、適切である如何なる多孔質低誘電率誘電体又はバリア材を使用してもよい。銅の代わりにアルミニウム電極を使用してもよい。

回路基板はシリコン基板でもよく、絶縁基板等の任意の代替回路基板もまた使用できる。

前記湿度センサーは、回路基板上に単一のセンサーとして形成可能であり、あるいは、集積回路に統合してもよい。

図１は、本発明の湿度センサーの製造方法の工程における側断面図を示す。図２は、本発明の湿度センサーの製造方法の工程における側断面図を示す。図３は、本発明の湿度センサーの製造方法の工程における側断面図を示す。図４は、本発明の湿度センサーの製造方法の工程における側断面図を示す。図５は、本発明の湿度センサーの製造方法の工程における側断面図を示す。図６は、図５の湿度センサーの上面図である。図７は、図５及び図６の湿度センサーで行なった測定結果を示す。図８は、湿度センサーの代替の実施態様の側断面図を示す。図９は、湿度センサーの代替の実施態様の側断面図を示す。

Claims

各々少なくとも一つの素子（４８）を有しており、これら素子は、少なくとも０．３ｍｍの全平行長で互いに平行に延び、かつ、１μｍ以下で離間している第１及び第２導電性電極（４０、４２）と、
１０％超の気孔率を有し、第１導電性電極（４０）と第２導電性電極（４２）とを隔てる多孔質誘電体（２０）と、
腐食から導電性電極を保護するために導電性電極の周囲に延びるバリア層（２８、３２）と、
を具え、
前記多孔質誘電体（２０）が、３．０未満の誘電率を有する低誘電率誘電体オルトシリケートガラスであり、
前記バリア層（２８、３２）が、導電性電極（４０、４２）の両側面及び底面の第１バリア材（２８）、及び導電性電極（４０、４２）の上面の第２バリア材（３２）を含み、前記第１バリア材と前記第２バリア材とが異なる、
湿度センサー。
前記第１及び第２導電性電極が相互嵌合した櫛状体であり、該櫛状体の歯（４８）は少なくとも０．３ｍｍの全平行長で延びている素子であり、前記第１及び第２導電性素子の歯は互いに１μｍ以下で離間している、請求項１に記載の湿度センサー。
前記第２バリア材（３２）は、導電性電極材料上に選択的に蒸着することが可能なバリア材である、請求項１又は２に記載の湿度センサー。
前記第２バリア材（３２）が誘電体バリアである請求項１又は２に記載の湿度センサー。
第１バリア材（２８）が金属である、請求項１〜４の何れか一項に記載の湿度センサー。
第１電極と第２電極との間に０．５から１ＭＶ／ｃｍの電場を印加し、
湿度の指標として第１電極と第２電極（４０、４２）との間を通過する電流を測定する、
請求項１〜５の何れか一項に記載の湿度センサーの使用法。
少なくとも１０％の気孔率を有する多孔質誘電体（２０）を蒸着し；
多孔質誘電体をエッチングして、それぞれ少なくとも一個以上の素子を有する第１溝及び第２溝（２６）を形成し、ここで前記第１溝及び第２溝（２６）の前記素子は、少なくとも０．３ｍｍの全平行長で互いに平行に延びており、１μｍ以下で離間しており；
前記溝（２６）を導電体で充填して、少なくとも０．３ｍｍの全平行長で平行に延びており、１μｍ以下で離間している素子を有する第１及び第２導電性電極（４０、４２）を形成し、
前記溝を充填する工程が
前記溝（２６）の両側面上及び底面上に第１バリア材のバリア層（２８）を蒸着すること、及び
前記溝（２６）に導電性充填材（３０）を充填する、
ことを含み、
前記多孔質誘電体（２０）が、３．０未満の誘電率を有する低誘電率誘電体（２０）であり、
更に、前記溝（２６）を導電性充填材（３０）で充填した後、第２バリア材（３２）を前記導電性充填材上に選択的に蒸着して、導電性充填材（３０）の上面、両側面及び底面に延びているバリア層（２８、３２）を形成する
湿度センサーの製造方法。
前記第１及び第２溝（２６）、並びに第１電極及び第２電極（４０、４２）が相互嵌合した櫛状体であり、前記櫛状体の歯は少なくとも０．３ｍｍの全平行長で延びており、各櫛状体の歯がもう一方の櫛状体の歯との間で１μｍ以下離間している、請求項７に記載の方法。