KR20160108168A

KR20160108168A - 습도 센서

Info

Publication number: KR20160108168A
Application number: KR1020160024452A
Authority: KR
Inventors: 도시로 후타츠기
Original assignee: 에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2016-09-19
Also published as: CN105938117B; CN105938117A; JP2016161486A; US20160258894A1; US10191006B2; JP6535185B2; TWI672498B; TW201704745A

Abstract

(과제) 반도체 제조 공정과 정합성을 유지하면서, 면적당의 용량을 크게 하고, 또한 감습막의 밀착성이나 매립성을 개선하는 습도 센서를 제공한다.
(해결 수단) 복수로 이루어지는 제 1 전극과 복수로 이루어지는 제 2 전극을 서로 전후좌우 네방향에 인접하도록 배치하고, 금속 배선을 통하여 제 1 전극은 다른 제 1 전극과, 상기 제 2 전극은 다른 제 2 전극과 전기적으로 접속된다.

Description

습도 센서{HUMIDITY SENSOR}

본 발명은 습도 센서, 특히 용량식 습도 센서에 관한 것이다.

종래의 용량식 습도 센서로는, 반도체 기판 위에 용량 측정용 전극이 배치되고, 그 위를 감습 (感濕) 막이 덮고 있는 구조가 알려져 있다. 감습막은 습도에 따라 유전율이 변화하는 특성을 가지고 있어, 전극간의 용량 변화로부터 습도의 변화를 검출한다. 도 9 에 그 단면 구조의 일례를 나타낸다. 기판 (1) 위에 절연막 (2) 이 성막되고, 그 위에 복수로 이루어지는 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 이 형성되어 있다. 전극의 신뢰성을 확보하기 위해, 전극 표면은 얇은 보호막 (4) 으로 덮여 있고, 그 위를 두꺼운 감습막 (5) 이 덮은 구조로 되어 있다.

종래 기술로서 알려져 있는 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 의 배치 패턴을 도 10 에 나타낸다.

(a) 는 2 개의 전극 (3a, 3b) 을 빗살상으로 배치한 것이다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

(b) 는 복수로 이루어지는 전극 (3a) 을 아일랜드상으로 배열하고, 다른 일방의 전극 (3b) 은 아일랜드상의 전극 (3a) 을 둘러싸도록 형성한 것이다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조). 아일랜드상 전극 (3a) 끼리는 하층 배선 (6a) 을 통하여 전기적으로 접속된다. (c) 는 복수로 이루어지는 원주상의 전극 (3a, 3b) 을 정삼각 격자상으로 배열한 것이다 (예를 들어, 특허문헌 3 참조). 원주상의 전극 (3a, 3b) 은 하층 배선 (6a, 6b) 을 통하여 전기적으로 접속된다.

일본 공표특허공보 2003-516539호 일본 공개특허공보 2007-192622호 일본 공개특허공보 2014-167445호

도 10(a) 의 빗살 배선 구조는, 면적당의 용량이 크고, 또한 1 층 배선으로 형성할 수 있다는 이점을 갖지만, 특정 방향으로 치우친 레이아웃이기 때문에, 특정 방향의 스트레스에 대해 감습막이 박리되기 쉬워지는 것이 염려된다. 또, 한정된 면적 내에서 원하는 용량을 확보하기 위해서는, 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 을 두껍게 하고 또한 전극 간격을 좁히는 것이 바람직하지만, 그와 같은 상황에서는, 감습막을 매립할 때 보이드가 발생하기 쉽다는 매립성의 약점이 있다.

도 10(b) 의 구조는, 4 회 대칭성을 갖는 전극 배치로 되어 있기 때문에, 특정 방향에 대한 감습막의 박리의 염려는 개선되지만, 보이드가 발생하기 용이한 것은 빗살 배선 구조와 동일한 정도이다. 또 (a) 의 빗살 배선 구조에 비해, 면적당의 용량은 작아진다.

도 10(c) 의 구조는, 전극의 배치가 6 회 대칭성을 갖기 때문에, 특정 방향에 대한 박리의 염려는 개선된다. 또 (a), (b) 에 비해, 전극 (3a, 3b) 에 의한 감습막이 끼워지는 방법이 완화되어 있기 때문에, 감습막의 매립성도 개선된다. 그러나 (c) 는 원주상의 전극을 최밀충전으로 배치하고 있음에도 불구하고, 후술하는 바와 같이 빗살 배선에 비해 면적당의 용량이 커지는 것은 아니다. 또 원주상의 전극 (3a, 3b) 의 제조 방법 (예를 들어, 특허문헌 3 참조) 이, 통상적인 반도체 제조 공정과 정합되지 않는 전용 공정이 되면, 제조 비용이 증가된다. 동일한 반도체 칩 위에 신호 처리 회로와 습도 센서를 구축하는 경우, 제조 비용의 증가를 억제하기 위해서는, 신호 처리 회로의 배선 제조 공정에서, 습도 센서의 전극 (3a, 3b) 도 형성되는 것이 바람직하다.

그래서, 본 발명에서는, 통상적인 반도체 제조 공정과 정합성을 유지하면서, 면적당의 용량을 크게 하고, 또한 감습막의 밀착성이나 매립성이 개선된 습도 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제의 대책으로서, 본 발명은 습도 센서의 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 을 아일랜드상으로 하고, 일방의 전극 (3a) (혹은 3b) 의 전후좌우 네방향에 타방의 전극 (3b) (혹은 3a) 이 인접하도록 배치하였다. 전극 (3a) 끼리 (혹은 전극 (3b) 끼리) 는, 비아 및 하층 배선을 통하여 전기적으로 접속된다.

본 발명에 의하면, 통상적인 반도체 제조 공정에서 습도 센서의 용량 측정용 전극을 형성할 수 있고, 용량 측정용 전극에 의한 감습막이 끼워지는 방법이 종래 기술의 빗살 배선 구조 등에 비해 완화되기 때문에, 감습막의 매립성도 개선된다. 또 특정 방향으로 치우친 레이아웃은 아니기 때문에 감습막의 박리의 염려도 개선된다. 또한 면적당의 용량은, 종래 기술의 원주상 전극을 정삼각 격자상으로 배열한 것에 비해서도 크게 할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 습도 센서에 있어서의 용량 측정용 전극의 배치도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예이다. (a) 는 평면도, (b) 는 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 전극 배치에 있어서의 전기력선과 등전위선의 수치 계산 결과이다.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시예의 평면도이다.
도 5 는 본 발명의 제 3 실시예의 평면도이다.
도 6 은 본 발명의 제 4 실시예의 평면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 5 실시예의 평면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 6 실시예의 평면도이다.
도 9 는 종래의 습도 센서의 용량 측정부의 단면도이다.
도 10 은 종래의 습도 센서의 용량 측정용 전극의 배치 패턴이다.

본 발명의 습도 센서에서는 용량 측정용 전극을 아일랜드상으로 하고, 도 1 과 같이, 외주부를 제외하고, 일방의 전극 (3a) (혹은 3b) 의 전후좌우 네방향에 타방의 전극 (3b) (혹은 3a) 이 인접하도록 배치한다. 이하, 이 전극 배치를 사용한 본 발명의 실시예를 구체적으로 상세히 서술한다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예 1 을 도 2 에 나타낸다. 도 2(a) 는 평면도로, 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 은 위에서 보면 한 변의 길이가 d 인 정방형을 하고 있고, 도 1 과 같이, 이웃하는 용량 측정용 전극 (3a 와 3b) 의 간격도 d 가 되도록 배치되어 있다. 각 전극은 비아 (8) 를 통하여 하층 배선 (6a, 6b) 에 연결되어 있어, 모든 전극 (3a) 과 모든 전극 (3b) 사이에 발생하는 용량을 측정함으로써 습도를 검지할 수 있다. 하층 배선 (6a, 6b) 은 이웃하는 용량 측정용 전극 (3a 와 3b) 아래에 평행하게 배치되고, 용량 측정용 전극 (3a 와 3b) 에서는 상이한 위치에 비아 (8) 가 배치되어 있다.

도 2(b) 는, 도 2(a) 의 영역 (A1-A2) 의 단면도이다. 반도체 기판 (1) 위에 절연막 (2) 을 형성하고, 그 위에 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 을 형성하고 있다. 절연막 중에는 하층 배선 (6a, 6b) 이 있고, 전극 (3a) (혹은 3b) 은 배선 (6a) (혹은 6b) 에 비아 (8) 를 통하여 접속된다. 하층 배선 (6a, 6b), 비아 (8), 전극 (3a, 3b) 은, 통상적인 반도체 제조 프로세스에 의해 제조된다. 통상적으로, 신호 처리 회로부는 다층 배선을 사용하여 제조되기 때문에, 전극 (3a, 3b) 의 형성까지는 제조 공정의 추가는 필요없다. 전극 (3a, 3b) 위는 얇은 보호막으로 덮이고, 또한 그 위에는 두꺼운 감습막으로 덮여 있다. 보호막에는 예를 들어 두께 100 ㎚ 의 SiN 막 등이 사용된다. 감습막에는, 예를 들어 습도에 대해 유전율이 변화하는 유기 재료 등이 사용된다. 보호막과 감습막의 형성 공정은, 습도 센서를 위한 추가 공정이 된다.

도 1, 도 2 의 전극 배치에서 면적당의 용량이 커지는 것을 확인하기 위해, 이차원 모델을 사용한 수치 계산에 의해 용량을 산출하였다. 도 3 은 이 전극 배치에서 전압을 인가했을 때의 전기력선과 등전위선의 수치 계산 결과이다. 여러 가지 전극 배치에 있어서 동일한 수치 계산을 실시하고 용량을 산출하여 비교한 결과를 표 1 에 나타낸다.

계산에서는 각 구조의 도면 중에 나타낸 치수 (d) 를 동일한 값으로 하여 면적당의 용량을 구하였다. 표 1 에서는 각 구조와 빗살 배선 구조의 용량의 비를 나타내었다. 본 발명의 면적당의 용량은 빗살 배선 (도 10a) 에 비해 1.28 배가 된다. 정삼각 격자 배열 (도 10c) 의 용량은 0.99 배이고, 최밀충전 구조임에도 불구하고 빗살 배선과 용량은 변함없다. 이것으로부터, 전극 형상을 가능한 한 사각형으로 하고, 일방의 전극의 전후좌우 네방향에 타방의 전극이 인접하도록 배치하는 것이, 면적당의 용량을 크게 하는 데에 있어서 효과가 있는 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

본 발명의 실시예 2 를 도 4 에 나타낸다. 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 의 배열은 실시예 1 과 동일하지만, 하층 배선 (6a, 6b) 의 레이아웃이 실시예 1 과 상이하다. 실시예 1 에서는 용량 측정용 전극의 바로 아래에 하층 배선이 2 개 레이아웃되어 있지만, 반도체 제조 공정을 사용하여 습도 센서를 제조하는 경우, 레이아웃 룰의 제약에 의해, 하층 배선의 선폭이나 간격을 충분히 작게 할 수 없어, 실시예 1 과 같은 레이아웃을 할 수 없는 경우가 있다. 그와 같을 때, 실시예 2 와 같이 하층 배선 (6a, 6b) 을 45 도 기울임으로써, 배선폭과 배선 간격을 넓게 할 수 있어, 레이아웃 룰의 제약을 벗어나는 것이 가능해지는 경우가 있다.

[실시예 3]

본 발명의 실시예 3 을 도 5 에 나타낸다. 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 의 배열은 실시예 1, 2 와 동일하지만, 하층 배선의 레이아웃이 실시예 1, 2 와 달라, 2 층의 하층 배선을 사용하고 있다. 전극 (3a) 은 비아 (8) 를 통하여 하층 배선 (6a) 에 전기적으로 접속된다. 전극 (3b) 은 비아 (8), 하층 배선 (6b) (전극 (3b) 바로 아래에 있기 때문에 도시 생략), (6b) 아래의 비아 (도시 생략) 를 통하여 제 2 하층 배선 (7) 에 전기적으로 접속된다. 신호 처리 회로가 3 층 이상의 배선을 사용하는 경우에는, 추가 공정없이 실시예 3 의 구조를 제조할 수 있다.

[실시예 4]

본 발명의 실시예 4 를 도 6 에 나타낸다. 실시예 1 ∼ 3 에서는, 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 의 한 변의 길이와 전극간의 거리가 동일하였다. 이 때, 전체 면적에 대한 전극이 차지하는 면적의 비율 (메탈 점유율) 은 25 ％ 가 된다. 반도체 제조 프로세스에서는 전극의 가공을 적정하게 실시하기 위해 어느 정도의 메탈 점유율이 필요하고, 25 ％ 에서는 메탈 점유율이 불충분한 경우도 있을 수 있다. 실시예 4 는 메탈 점유율을 올리기 위해 용량 측정용 전극의 한 변의 길이를 전극간의 거리의 2 배로 한 것이다. 이 때 메탈 점유율은 44 ％ 이고, 이 메탈 점유율이라면 전극 가공에 있어서 문제가 되는 경우는 없다. 본 실시예에서는 면적당의 용량은 저하되지만, 표 1 에 나타내는 바와 같이 빗살 배선과 동일한 정도의 용량을 확보할 수 있다.

[실시예 5]

본 발명의 실시예 5 를 도 7 에 나타낸다. 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 의 형상이 정방형은 아니고 장방형으로 되어 있다. 이와 같은 레이아웃에서도 면적당의 용량을 저하시키지 않고, 감습막의 박리의 염려나 매립성을 개선할 수 있다.

[실시예 6]

본 발명의 실시예 6 을 도 8 에 나타낸다. 용량 측정용 전극 (3a, 3b) 위에서 본 형상이 원으로 되어 있다. 큰 용량을 얻기 위해서는 전극 형상을 사각형으로 하고, 그 사방에 다른 일방의 사각형 형상 전극이 인접하는 배치가 바람직하지만, 면적당의 용량을 크게 하기 위해서는, 전극 사이즈와 전극 간격을 작게 하는 것도 바람직하다. 본 실시예는, 미세화를 진행시킨 것에 의해, 형상이 사각형은 아니고 원에 가까워진 경우를 나타내고 있다. 표 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 용량은 정삼각 격자의 용량보다 약간이지만 크다. 이와 같이 전극 형상이 원형이 된 경우에도, 일방의 전극의 전후좌우 네방향에 타방의 전극이 인접하는 배치가, 용량을 확보하는 데에 있어서 유리한 것을 알 수 있다.

1 : 반도체 기판
2 : 절연막
3 : 용량 측정용 전극
4 : 보호막
5 : 감습막
6, 7 : 하층 배선
8 : 비아

Claims

반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 표면에 형성된 절연막과,
상기 절연막 위에 형성되고, 평면에서 보았을 때 서로 전후좌우 네방향에 인접하도록 배치된, 복수로 이루어지는 제 1 전극과 복수로 이루어지는 제 2 전극과,
상기 절연막 중에 형성되고, 상기 제 1 전극을 다른 제 1 전극과 전기적으로 접속하는 제 1 금속 배선과,
상기 절연막 중에 형성되고, 상기 제 2 전극을 다른 제 2 전극과 전기적으로 접속하는 제 2 금속 배선과,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 위에 배치된 감습막을 갖는, 습도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 아래에 상기 제 1 금속 배선과 상기 제 2 금속 배선이 배치되고, 상기 제 2 전극 아래에도 상기 제 1 금속 배선과 상기 제 2 금속 배선이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 금속 배선과 상기 제 2 금속 배선이 상이한 배선층에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 형상이 사각형인 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 형상이 정방형인 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제 4 항에 있어서,
사각형의 변의 방향에 대해, 비스듬한 방향으로 상기 제 1 금속 배선과 상기 제 2 금속 배선이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 간격보다, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 큰 것을 특징으로 하는 습도 센서.
반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 표면에 형성된 절연막과,
상기 절연막 위에 형성된 복수의 제 1 전극과 복수의 제 2 전극으로서, 외주부를 제외하고, 상기 제 1 전극의 전후좌우 네방향에는 상기 제 2 전극이 배치되고, 상기 제 2 전극의 전후좌우 네방향에는 상기 제 1 전극이 배치되어 있고,
상기 절연막 중에 형성되고, 상기 복수의 제 1 전극 사이를 접속하는 제 1 배선과,
상기 절연막 중에 형성되고, 상기 복수의 제 2 전극 사이를 접속하는 제 2 배선과,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 위에 배치된 감습막을 갖고,
상기 복수의 제 1 전극과 상기 복수의 제 2 전극은, 한 변의 길이가 각각 d 인 정방형이고,
서로 인접하는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 간격은 d 이고,
배선폭이 d 이고 배선 간격이 d 인 빗살 배선 구조의 용량식 습도 센서보다 단위 면적당의 용량비가 큰 것을 특징으로 하는 습도 센서.