TW201809650A - 微機電系統濕度感測器 - Google Patents

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陳東村
朱家驊
黃睿政
鄭鈞文
謝正祥
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

一種微機電系統(micro-electro mechanical system,MEMS)濕度感測器，包含第一基板、第二基板及感測結構。第二基板與第一基板大致平行。感測結構介於第一基板與第二基板之間，並接合第一基板的一部分及第二基板的一部分，其中第二基板包含導電層面對感測結構，且介於第一基板與感測結構之間的第一空間與外部連通或隔離，且介於導電層與感測結構之間的第二空間與氣氛連通，且感測結構、第二空間及導電層構成設置用以量測氣氛之介電常數的電容器，而氣氛的濕度從氣氛之介電常數、氣氛之壓力及溫度導出。

Description

微機電系統濕度感測器
本揭露實施例是有關於一種微機電系統濕度感測器。
濕度感測器廣泛使用於各種領域，以量測特定環境下存在於空氣中的水蒸氣量。然而使用濕度感測器量測的濕度通常是從邊緣電容導出，其值小，因此測試的靈敏度太低。
根據一些實施例，一種微機電系統(micro-electro mechanical system,MEMS)濕度感測器，包含第一基板、第二基板及感測結構。第二基板與第一基板大致平行。感測結構介於第一基板與第二基板之間，並接合第一基板的一部分及第二基板的一部分，其中第二基板包含導電層面對感測結構，且介於第一基板與感測結構之間的第一空間與外部連通或隔離，且介於導電層與感測結構之間的第二空間與氣氛連通，且感測結構、第二空間及導電層構成電容器。
110‧‧‧第一基板
110a‧‧‧第一空間
1102‧‧‧第一突出周邊部分
120‧‧‧第二基板
120a‧‧‧第二空間
122‧‧‧塊狀基板
1222a‧‧‧第一電晶體
1222b‧‧‧第二電晶體
124‧‧‧互連及層間介電層
1242‧‧‧導電層
1244a‧‧‧第一感測電路
1244b‧‧‧第二感測電路
126‧‧‧絕緣層
128‧‧‧聚醯亞胺膜
128a‧‧‧開口
130‧‧‧感測結構
1302‧‧‧第二突出周邊部分
140‧‧‧第一接觸墊
150‧‧‧第二接觸墊
160‧‧‧溫度感測器
為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示根據本揭露數個實施例之一種微機電系統(micro-electro mechanical system,MEMS)濕度感測器的剖面示意圖。
第2圖繪示根據本揭露數個實施例之一種微機電系統濕度感測器的剖面示意圖。
第3A-3C圖繪示根據本揭露數個實施例之一種形成第2圖之微機電系統濕度感測器於各個階段的剖面示意圖。
以下提供本揭露之多種不同的實施例或實例，以實現所提供之標的的不同技術特徵。下述具體實例的元件和設計用以簡化本揭露。當然，這些僅為示例，而非用以限定本揭露。舉例而言，說明書中揭示形成第一特徵結構於第二特徵結構之上方，其包括第一特徵結構與第二特徵結構形成而直接接觸的實施例，亦包括於第一特徵結構與第二特徵結構之間另有其他特徵結構的實施例，亦即，第一特徵結構與第二特徵結構並非直接接觸。此外，本揭露於各個實例中可能用到重複的參考符號及/或用字。這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或 所述結構之間的關係。
另外，空間相對用語，如「下」、「上」等，是用以方便描述一元件或特徵與其他元件或特徵在圖式中的相對關係。這些空間相對用語旨在包含除了圖式中所示之方位以外，裝置在使用或操作時的不同方位。裝置可被另外定位(例如旋轉90度或其他方位)，而本文所使用的空間相對敘述亦可相對應地進行解釋。
如上所述，使用濕度感測器量測的濕度通常是從邊緣電容導出，其值小，因此測試的靈敏度太低。因此，本揭露提供一種微機電系統(micro-electro mechanical system,MEMS)濕度感測器，其中濕度是從平行板電容導出，使得此微機電系統濕度感測器具有較高的測試靈敏度。此微機電系統濕度感測器可量測晶片上的壓力及/或溫度，以提高濕度的精確性。此外，可結合聚醯亞胺膜與微機電系統濕度感測器，以進一步提升測試靈敏度。微機電系統濕度感測器的實施例將於以下詳加敘述。
第1圖繪示根據本揭露數個實施例之一種微機電系統濕度感測器的剖面示意圖。微機電系統濕度感測器包含第一基板110、第二基板120及感測結構130。
第二基板120與第一基板110大致平行。用詞「大致平行」是指兩個長形構件彼此平行或幾乎平行。在一些實施例中，第一基板110及第二基板120中的每一者包含塊狀基板，例如矽基板或非矽基板。在一些實施例中，第一基板110或第二基板120包含元素半導體，包含矽或鍺的結 晶、多晶及/或無定形結構；化合物半導體，包含碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦；合金半導體，包含矽鍺、磷砷化鎵、砷化鋁銦、砷化鋁鎵、砷化鎵銦、磷化鎵銦及/或磷砷化鎵銦；任何其他合適的材料；及/或其組合。在一些實施例中，第一基板110的平面尺寸(在上視圖中)小於第二基板120的平面尺寸(在上視圖中)。
在一些實施例中，第一基板110為微機電系統基板。在一些實施例中，微機電系統基板包含塊狀基板(如矽基板)及磊晶層位於其上。在一些實施例中，微機電系統基板包含掩埋氧化物(buried oxide,BOX)層。在一些實施例中，微機電系統基板包含金屬，如鋁、銅、鈦、鉭、鎢、鉬、氮化鉭、矽化鎳、矽化鈷、氮化鈦、氮化鎢、鈦鋁、氮化鈦鋁、碳氮化鉭、碳化鉭、矽氮化鉭、金屬合金、任何其他合適的材料或其組合。位於微機電系統基板內之例示的金屬結構包含金屬線路、金屬觸點以及金屬層。
在一些實施例中，第一基板110包含第一突出周邊部分1102。在一些實施例中，第一突出周邊部分1102在上視圖中為開放形狀(如U形)或封閉形狀(如矩形或圓形)。
在一些實施例中，第二基板120包含塊狀基板122(如矽基板)。在一些實施例中，第二基板120包含被動元件，如電阻器、電容器、電感器及/或熔斷器；主動元件，如P型通道場效電晶體(P-channel field effect transistors,PFETs)、N型通道場效電晶體(N-channel field effect transistors,NFETs)、互補金屬氧化物半導體電晶體(complementary metal-oxide-semiconductor transistors,CMOSs)、高電壓電晶體及/或高頻電晶體；其他合適的組件；及/或其組合。在一些實施例中，第二基板120包含第一電晶體1222a及第二電晶體1222b位於塊狀基板122的頂部。在一些實施例中，第一電晶體1222a與第二電晶體1222b為CMOS電晶體，如PMOS電晶體及/或NMOS電晶體。
在一些實施例中，第二基板120包含積體電路，如儲存器單元、模擬電路、邏輯電路及/或混合信號電路。在一些實施例中，第二基板120包含互連及層間介電(inter-layer dielectric,ILD)層124。在一些實施例中，互連及層間介電層124包含與被動元件、主動元件、其他合適的元件或其組合相關連的互連(如金屬線及通孔)。在一些實施例中，互連及層間介電層124包含層間介電，其係由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、任何其他合適的材料或其組合所製成。
第二基板120包含導電層1242面對感測結構130。在一些實施例中，導電層1242位於互連及層間介電層124的頂部。在一些實施例中，導電層1242與感測結構130大致平行。在一些實施例中，導電層1242係由金屬或金屬化合物製成，例如鉬、鉻、鋁、釹、鈦、銅、銀、金、鋅、銦、鎵、鉑、銀、金、任何其他合適的材料或其組合。在一些實施例中，感測結構130、導電層1242及位於感測結構 130與導電層1242之間的第二空間120a構成一電容器。
在其他實施例中，導電層(未繪示)位於第二基板120上方，而感測結構130、導電層(未繪示)及位於感測結構130與導電層(未繪示)之間的第二空間120a構成一電容器。換言之，位於第二基板120上方的導電層(未繪示)可替代第1圖的導電層1242。在其他實施例中，導電層(未繪示)位於互連及層間介電層124上方。在其他實施例中，導電層(未繪示)由惰性金屬、惰性金屬合金、任何其他合適的材料或其組合所製成。
在一些實施例中，第二基板120更包含絕緣層126位於導電層1242上方。在一些實施例中，絕緣層126係由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、任何其他合適的材料或其組合所製成。在一些實施例中，絕緣層126設置用以防止導電層1242腐蝕。
在一些實施例中，第二基板120包含第一感測電路1244a及第二感測電路1244b位於互連及層間介電層124內。在一些實施例中，第一感測電路1244a及第二感測電路1244b分別耦接感測結構130及導電層1242。在一些實施例中，第一感測電路1244a及第二感測電路1244b分別耦接第一電晶體1222a及第二電晶體1222b。因此，感測結構130的電位能夠藉由第一感測電路1244a及第一電晶體1222a測得，導電層1242的電位能夠藉由第二感測電路1244b及第二電晶體1222b測得。
感測結構130介於第一基板110與第二基板 120之間，並接合第一基板110的一部分及第二基板120的一部分。在一些實施例中，感測結構130係由導電材料製成，如矽、金屬或其組合。在一些實施例中，感測結構130包含矽及摻質。在一些實施例中，感測結構130係由硬質導電材料製成，如矽。
在一些實施例中，感測結構130包含第二突出周邊部分1302接合第二基板120。在一些實施例中，第二突出周邊部分1302在上視圖中為開放形狀(如U形)。在一些實施例中，第一基板110的第一突出周邊部分1102大致對準感測結構130的第二突出周邊部分1302。在一些實施例中，第一突出周邊部分1102的上表面(未標示)大於或等於第二突出周邊部分1302的上表面(未標示)。
在一些實施例中，微機電系統濕度感測器包含第一接觸墊140及第二接觸墊150。在一些實施例中，第一接觸墊140及第二接觸墊150係由金屬、合金、半導體材料或其組合所製成。在一些實施例中，第一接觸墊140位於第二基板120的接合部分的上方。在一些實施例中，第一接觸墊140耦接或直接連接第一感測電路1244a。在一些實施例中，第二接觸墊150介於感測結構130與第一接觸墊140之間。在一些實施例中，第二接觸墊150耦接或直接連接感測結構130。在一些實施例中，第一感測電路1244a透過第一接觸墊140及第二接觸墊150耦接感測結構130。在一些實施例中，第二接觸墊150位於第二突出周邊部分1302的上方。在一些實施例中，第一接觸墊140具有凸部(未標示) 大致對準第二接觸墊150的凹部(未標示)。在一些實施例中，第一接觸墊140藉由共晶接合、擴散接合或任何其他合適的接合型態接合第二接觸墊150。在一些實施例中，共晶接合為鍺/鋁、鍺/金或矽/金。在一些實施例中，擴散接合為矽/鋁或矽/鈦。
在一些實施例中，介於第一基板110與感測結構130之間的第一空間110a與外部連通或隔離；亦即，第一空間110a為開放空間或封閉空間。在一些實施例中，第一空間110a為真空狀態或容置具有已知壓力的氣氛。在其他實施例中，第一基板包含通孔(未繪示)貫穿第一基板，而第一空間透過此通孔與外部連通。
在一些實施例中，介於導電層1242與感測結構130之間的第二空間120a與氣氛連通；亦即，第二空間120a為開放空間。感測結構130、第二空間120a及導電層1242構成設置用以量測氣氛之介電常數的電容器，而氣氛的濕度從氣氛之介電常數、氣氛之壓力及氣氛之溫度導出。
在一些實施例中，氣氛的濕度是由公式ε=1+a/T[P+(b×Ps×H/T)]10-6計算而得，其中ε為氣氛的介電常數(ε=C×d/A)，a及b為經驗參數，T為溫度(K)，P為氣氛的壓力(torr)，Ps為溫度T下的飽和水蒸汽的壓力(torr)，H(%)為(相對)溼度。在一些實施例中，a在170至250的範圍內，b在25至75的範圍內。在一些實施例中，a在190至230的範圍內，b在40至60的範圍內。
在一些實施例中，為了量測晶片上氣氛的溫度 以提升濕度的精確度，微機電系統濕度感測器更包含溫度感測器160，如第1圖所示。在一些實施例中，溫度感測器160為PN二極體、連接二極體之金氧半電晶體或熱電阻器。在一些實施例中，第1圖所示的溫度感測器160為熱電阻器。在一些實施例中，溫度感測器160為基於金屬的熱電阻器。
在一些實施例中，溫度感測器160在第二基板120、感測結構130或第一基板110的上方或內部。在一些實施例中，如第1圖所示，溫度感測器160位於第二基板120的內部。在一些實施例中，溫度感測器160位於第二基板120的互連及層間介電層124內，並鄰接導電層1242。在一些實施例中，溫度感測器160與導電層1242彼此分離。在一些實施例中，溫度感測器160及導電層1242屬於同一圖案化導電層。
在其他實施例中，溫度感測器(未繪示)位於第二基板120的上方。換言之，位於第二基板120上方的溫度感測器(未繪示)可替代第1圖的溫度感測器160。在其他實施例中，溫度感測器(未繪示)位於互連及層間介電層124的上方。在其他實施例中，溫度感測器(未繪示)由惰性金屬、惰性金屬合金、任何其他合適的材料或其組合所製成。
在一些實施例中，微機電系統濕度感測器設置用以量測第二空間120a的氣氛的壓力(即晶片上壓力)。在一些實施例中，第一空間110a與第二空間120a之間的壓力差將會造成感測結構130變形。第二空間120a的氣氛的壓 力可由與感測結構130變形相關的特性參數(如電容或電阻)導出。
在一些實施例中，第1圖的微機電系統濕度感測器作為電容式微機電系統絕對或相對壓力感測器，以降低晶片及封裝成本及晶片尺寸。在一些實施例中，第二空間120a的氣氛的壓力透過由感測結構130、第二空間120a及導電層1242構成之電容器的電容變化而得。
詳細而言，舉例來說，第一空間110a與第二空間120a的每一者具有已知壓力，而感測結構130具有初始變形，其具有初始間隙d0，其可稱為校正間隙。然後，第二空間120a連通具有未知壓力之含水氣的氣氛，而第一空間110a仍然具有相同的已知壓力，感測結構130則具有間隙為d’的變形。電容變化=(第二空間120a的介電常數)×(感測結構130的平面面積)×(1/d’-1/d0)。第二空間120a之含水氣的氣氛的未知壓力可藉由此電容變化、F=P/A及虎克定律計算而得。
在其他實施例中，微機電系統濕度感測器作為壓阻式微機電系統絕對或相對壓力感測器，以降低晶片及封裝成本及晶片尺寸。在其他實施例中，第二空間的測試氣氛的未知壓力係由感測結構的電阻變化而得。詳細而言，舉例來說，第一空間與第二空間的每一者具有已知壓力，而感測結構具有初始電阻R0。然後，第二空間連通具有未知壓力之含水氣的測試氣氛，而第一空間仍然具有相同的已知壓力，感測結構則具有電阻R’。電阻變化=R’-R0。第二空 間之含水氣的測試氣氛的未知壓力可藉由此電阻變化、F=P/A及虎克定律計算而得。
如上所述，在一些實施例中，可分別由溫度感測器160及微機電系統濕度感測器取得晶片上溫度及壓力，因此所計算出之第二空間120a之氣氛的濕度可具有高精確性。
第2圖繪示根據本揭露數個實施例之一種微機電系統濕度感測器的剖面示意圖。第2圖與第1圖的差異在於，在第2圖中，第二基板120包含聚醯亞胺膜128面對感測結構130。聚醯亞胺膜128設置用以吸收濕氣，以提升測試靈敏度。能夠吸收濕氣之其他合適的材料可替代聚醯亞胺膜128。
在一些實施例中，聚醯亞胺膜128位於第二基板120上方。在一些實施例中，聚醯亞胺膜128位於互連及層間介電層124上方。在一些實施例中，聚醯亞胺膜128為圖案化聚醯亞胺膜128，以增加露出表面的面積，以吸收更多濕氣，從而進一步提升測試靈敏度。在一些實施例中，圖案化聚醯亞胺膜128具有多個開口128a彼此分離。在一些實施例中，絕緣層126位於導電層1242與聚醯亞胺膜128之間。在一些實施例中，聚醯亞胺膜128的平面尺寸小於或等於感測結構130的平面尺寸。在其他實施例中，聚醯亞胺膜接觸位於第二基板120上方的導電層(未繪示)。
在一些實施例中，微機電系統濕度感測器更包含溫度感測器160位於第二基板120內。在一些實施例中， 如第2圖所示，溫度感測器160位於第二基板120的塊狀基板122內。在一些實施例中，溫度感測器160位於塊狀基板122的頂部。在一些實施例中，溫度感測器160為PN二極體、連接二極體之金氧半電晶體或熱電阻器。在一些實施例中，溫度感測器160為基於矽的溫度感測器。
第3A-3C圖繪示根據本揭露數個實施例之一種形成第2圖之微機電系統濕度感測器於各個階段的剖面示意圖。需注意的是，下述方法的操作可省略、改變或置換，以製造第1圖的微機電系統濕度感測器。
在一些實施例中，如第3A圖所示，收到或提供第一基板110。在一些實施例中，第一基板110為微機電系統基板。在一些實施例中，第一基板110包含第一突出周邊部分1102。在一些實施例中，第一突出周邊部分1102係使用任何圖案化製程所形成，如微影與蝕刻製程、雷射鑽孔製程或任何其他合適的製程。在一些實施例中，第一突出周邊部分1102在上視圖中為開放形狀(如U形)或封閉形狀(如矩形或圓形)。
在一些實施例中，如第3A圖所示，收到或提供感測結構130。在一些實施例中，感測結構130由矽、金屬或其組合所製成。在一些實施例中，感測結構130包含矽及摻質。在一些實施例中，感測結構130包含第二突出周邊部分1302。在一些實施例中，第二突出周邊部分1302係使用任何圖案化製程所形成，如微影與蝕刻製程、雷射鑽孔製程或任何其他合適的製程。在一些實施例中，第二突出周邊部 分1302在上視圖中為開放形狀(如U形)。在一些實施例中，形成第二接觸墊150於感測結構130上方。在一些實施例中，第二接觸墊150係由金屬、合金或半導體材料製成。
如第3A圖所示，在感測結構130一側上方的一部分接合第一基板110的一部分(如第一突出周邊部分1102)，以形成介於第一基板110與感測結構130之間的第一空間110a。在一些實施例中，在感測結構130該側上方的該部分透過熱製程接合第一基板110的該部分。在一些實施例中，感測結構130與第一基板110的該部分之間為矽接合。在一些實施例中，第一空間110a與外部連通或隔離。
在一些實施例中，如第3B圖所示，收到第二基板120，且第二基板120包含導電層1242鄰接第二基板120的上表面。在一些實施例中，第二基板120包含塊狀基板122。在一些實施例中，第二基板120包含電晶體位於塊狀基板122內，如第一電晶體1222a及第二電晶體1222b。在一些實施例中，第二基板120包含互連及層間介電層124。在一些實施例中，第二基板120包含感測電路位於互連及層間介電層124內，如第一感測電路1244a及第二感測電路1244b。
在一些實施例中，形成絕緣層126於導電層1242上方。在一些實施例中，絕緣層126由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、任何其他合適的材料或其組合所製成。在一些實施例中，使用任何合適的沉積技術，如化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)或物理氣相沉積 (physical vapor deposition,PVD)，形成絕緣層126。在一些實施例中，形成第一接觸墊140鄰接絕緣層126。
在一些實施例中，形成聚醯亞胺膜128於導電層1242上方。在一些實施例中，形成聚醯亞胺膜128於絕緣層126上方。在一些實施例中，使用任何合適的成膜技術，如塗佈，形成聚醯亞胺膜128。在一些實施例中，對聚醯亞胺膜128進行圖案化製程，如微影及蝕刻製程，或雷射鑽孔製程，以形成多個開口128a彼此分離。
在一些實施例中，如第3A-3C圖所示，反轉第1圖的第一基板110及感測結構130，而位於感測結構130相對側上方的一部分(如第二突出周邊部分1302)接合第二基板120的一部分，以形成介於導電層1242與感測結構130之間的第二空間120a。在一些實施例中，位於感測結構130相對側上方的該部分透過熱製程接合第二基板120的該部分。在一些實施例中，第二接觸墊150透過熱製程接合第一接觸墊140。在一些實施例中，第二接觸墊150與第一接觸墊140之間為共晶結合，如鍺/鋁、鍺/金或矽/金，或為擴散結合，如矽/鋁或矽/鈦。在一些實施例中，第二空間120a與氣氛連通。
在一些實施例中，如第3C及2圖所示，移除第一基板110的另一部分。第一基板110的此另一部分未與感測結構130重疊。因此，在本實施例中，第一基板110的平面尺寸(在上視圖中)小於第二基板120的平面尺寸(在上視圖中)。在一些實施例中，藉由蝕刻或切割移除第一基板 110的此另一部分。在一些實施例中，第一基板110具有用以蝕刻或切割的溝槽(未繪示)。在一些實施例中，在感測結構130相對側上方的該部分接合第二基板120的該部分之後，移除第一基板110的此另一部分。
根據一些實施例，一種微機電系統濕度感測器，包含第一基板、第二基板及感測結構。第二基板與第一基板大致平行。感測結構介於第一基板與第二基板之間，並接合第一基板的一部分及第二基板的一部分，其中第二基板包含導電層面對感測結構，且介於第一基板與感測結構之間的第一空間與外部連通或隔離，且介於導電層與感測結構之間的第二空間與氣氛連通，且感測結構、第二空間及導電層構成電容器。
根據一些實施例，一種微機電系統濕度感測器，包含第一基板、第二基板及感測結構。第一基板包含第一突出周邊部分。第二基板與第一基板大致平行。感測結構介於第一基板與第二基板之間，並接合第一基板的第一突出周邊部分，且包含第二突出周邊部分接合第二基板，其中第二基板包含導電層面對感測結構，且介於第一基板與感測結構之間的第一空間與外部連通或隔離，且介於導電層與感測結構之間的第二空間與氣氛連通，且感測結構、第二空間及導電層構成電容器。
根據一些實施例，一種製造微機電系統濕度感測器的方法，包含：接合感測結構一側上方的一部分至第一基板的一部分，以形成介於第一基板與感測結構之間的第一 空間；以及接合感測結構相對側上方的一部分至包含導電層的第二基板的一部分，以形成介於導電層與感測結構之間的第二空間。
以上扼要地提及多種實施例的特徵，因此熟悉此技藝之人士可較好了解本揭露的各方面。熟悉此技藝之人士應意識到，為了落實相同的目的及/或達到在此提出的實施例的相同優點，其可輕易使用本揭露以做為設計或修改其他製程及結構的基礎。熟悉此技藝之人士亦應了解的是，這些均等的構造不背離本揭露之精神及範圍，以及其人可在此進行各種改變、取代、及替代而不背離本揭露之精神及範圍。

Claims (1)

  1. 一種微機電系統(micro-electro mechanical system,MEMS)濕度感測器，包含：一第一基板；一第二基板，與該第一基板大致平行；以及一感測結構，介於該第一基板與該第二基板之間，並接合該第一基板的一部分及該第二基板的一部分，其中該第二基板包含一導電層面對該感測結構，且介於該第一基板與該感測結構之間的一第一空間與外部連通或隔離，且介於該導電層與該感測結構之間的一第二空間與一氣氛連通，且該感測結構、該第二空間及該導電層構成一電容器。
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