TWI672498B

TWI672498B - 濕度感測器

Info

Publication number: TWI672498B
Application number: TW105105658A
Authority: TW
Inventors: 二木俊郎
Original assignee: 日商艾普凌科有限公司
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2019-09-21
Also published as: JP6535185B2; JP2016161486A; TW201704745A; KR20160108168A; CN105938117A; US10191006B2; US20160258894A1; CN105938117B

Abstract

提供一種保持與半導體製造工程整合的同時，增大每單位面積的電容且改善濕度敏感膜之密合性或填埋性的濕度感測器。

將複數個第一電極與複數個第二電極配置為彼此地鄰接於前後左右四方向，經由金屬配線，第一電極，係與其他第一電極電性連接，前述第二電極，係與其他第二電極電性連接。

Description

濕度感測器

本發明，係關於濕度感測器，特別是電容式濕度感測器。

作為以往的電容式濕度感測器，係已知在半導體基板上配置有電容測定用之電極，濕度敏感膜(MOISTURE SENSITIVE FILM)覆蓋其上面的構造。濕度敏感膜，係具有介電常數因濕度而產生變化的特性，從電極間的電容變化來檢測濕度的變化。在圖9中，表示其剖面構造的一例。在基板1上形成有絕緣膜2，並在其上設置有複數個電容測定用之電極3a、3b。為了確保電極之可靠性，而成為電極表面被較薄的保護膜4覆蓋，較厚之濕度敏感膜5覆蓋其上面的構造。

在圖10中，表示已知為習知技術之電容測定用電極3a、3b的配置圖案。(a)，係將2個電極3a、3b配置成梳齒狀者(例如，參閱專利文獻1)。(b)，係將複數個電極3a配列成島狀，另一方的電極3b，係形成為包圍島狀的電極3a者(例如，參閱專利文獻2)。島狀電極3a彼此，係經由下層配線6a電性連接。(c)，係將複數個圓柱狀的電極3a、3b配列成正三角格子狀者(例如，參閱專利文獻3)。圓柱狀的電極3a、3b，係經由下層配線6a、6b電性連接。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]特表2003-516539號公報

[專利文獻2]日本特開2007-192622號公報

[專利文獻3]日本特開2014-167445號公報

圖10(a)的梳齒配線構造，雖係具有每單位面積的電容較大且能夠以一層配線加以形成的優點，但由於是偏向特定方向的佈局，因此，會有濕度敏感膜相對於特定方向之應力容易剝落的顧慮。又，為了在有限之面積內確保所期望的電容，雖期望使電容測定用電極3a、3b變厚且縮小電極間隔，但在像那樣的狀況中，係在填埋濕度敏感膜之際，有容易發生孔隙之填埋性的缺點。

由於圖10(b)的構造，係形成為具有4次對稱性的電極配置，因此，濕度敏感膜相對於特定方向剝落的顧慮雖被改善，但容易發生孔隙仍與梳齒配線構造相同程度。又，與(a)的梳齒配線構造相比，每單位面積的電容變小。

由於圖10(c)的構造，係電極之配置具有6次對稱性，因此，相對於特定方向之剝落的顧慮會被改善。又，與(a)、(b)相比，由於電極3a、3b所致之濕度敏感膜的夾住方式被予以緩和，因此，濕度敏感膜的填埋性亦會被改善。但是，儘管(c)，係以最密填充的方式配置圓柱狀的電極，但如後述，與梳齒配線相比，每單位面積的電容並不會變大。又，若圓柱狀之電極3a、3b的製造方法(例如，參閱專利文獻3)成為不與一般之半導體製造工程整合的專用工程時，則會導致製造成本增加。在於同一半導體晶片上建構信號處理電路與濕度感測器的情況下，為了抑制製造成本的增加，而期望在信號處理電路的配線製造工程中，亦形成有濕度感測器的電極3a、3b。

因此，在本發明中，係以提供一種保持與一般之半導體製造工程整合的同時，增大每單位面積的電容且濕度敏感膜之密合性或填埋性被改善的濕度感測器為課題。

作為上述課題的對策，本發明，係將濕度感測器之電容測定用電極3a、3b設成為島狀，並以使另一方之電極3b(或3a)鄰接於一方之電極3a(或3b)之前後左右四方向的方式加以配置。電極3a彼此(或電極3b彼此)，係經由貫孔及下層配線電性連接。

根據本發明，由於可在一般之半導體製造工程中形成濕度感測器的電容測定用電極，且與以往技術的梳齒配線構造等相比，電容測定用電極所致之濕度敏感膜的夾住方式更緩和，因此，濕度敏感膜的填埋性亦會被改善。又，由於並非為偏向特定方向的佈局，因此，濕度敏感膜剝落的顧慮亦會被改善。而且，每單位面積的電容，係與配列成正三角格子狀者相比，亦可增大以往技術的圓柱狀電極。

1‧‧‧半導體基板

2‧‧‧絕緣膜

3‧‧‧電容測定用電極

4‧‧‧保護膜

5‧‧‧濕度敏感膜

6、7‧‧‧下層配線

8‧‧‧貫孔

[圖1]本發明之濕度感測器中之電容測定用電極的配置圖

[圖2]本發明的第一實施例(a)，係平面圖；(b)，係剖面圖

[圖3]本發明之電極配置中之電力線與等位線的數值計算結果

[圖4]本發明之第二實施例的平面圖

[圖5]本發明之第三實施例的平面圖

[圖6]本發明之第四實施例的平面圖

[圖7]本發明之第五實施例的平面圖

[圖8]本發明之第六實施例的平面圖

[圖9]以往之濕度感測器之電容測定部的剖面圖

[圖10]以往之濕度感測器之電容測定用電極的配置圖案

在本發明的濕度感測器中，係將電容測定用電極設成為島狀，如圖1所示，除了外周部以外，以使另一方之電極3b(或3a)鄰接於一方之電極3a(或3b)之前後左右四方向的方式加以配置。以下，具體地詳述使用該電極配置之本發明的實施例。

[實施例1]

在圖2中，表示本發明的實施例1。圖2(a)，係平面圖，電容測定用電極3a、3b，係從上方觀看時，形成一邊之長度為d的正方形，如圖1所示，配置為相鄰之電容測定用電極3a與3b的間隔亦成為d。各電極，係經由貫孔8連接於下層配線6a、6b，可藉由測定在所有電極3a與所有電極3b之間所產生之電容的方式，檢測濕度。下層配線6a、6b，係平行地配置於相鄰之電容測定用電極3a與3b的下方，在電容測定用電極3a與3b中，係在不同的位置配置有貫孔8。

圖2(b)，係圖2(a)之區域A1-A2的剖面圖。在半導體基板1上形成絕緣膜2，並在其上設置電容用電極3a、3b。在絕緣膜中，係存在有下層配線6a、6b，電極3a(或3b)，係經由貫孔8連接於配線6a(或6b)。下層配線6a、6b、貫孔8、電極3a、3b，係以一般的半導體製造程序來予以製作。一般，由於信號處理電路部，係使用多層配線予以製作，因此，直至電極3a、3b的形成為止，係不需要追加製造工程。電極3a、3b上，係被薄保護膜予以覆蓋，而且，在其上，係被厚濕度敏感膜予以覆蓋。在保護膜中，係使用例如厚度100nm的SiN膜等。在濕度敏感膜中，係使用例如介電常數相對於濕度而產生變化的有機材料等。保護膜與濕度敏感膜的形成工程，係成為濕度感測器用的追加工程。

為了在圖1、圖2的電極配置，確認每單位面積的電容變大，而藉由使用二維模型的數值計算來計算出電容。圖3，係以該電極配置施加電壓後時之電力線與等位線的數值計算結果。在表1中，表示在各種電極配置中，實施同樣的數值計算，計算出電容而進行比較的結果。

在計算中，係將各構造之圖中所示的尺寸d當作同一值而求出每單位面積的電容。在表1中，係表示各構造與梳齒配線構造之電容的比。本發明之每單位面積的電容，係與梳齒配線(圖10a)相比，成為1.28倍。正三角形格子配列(圖10c)的電容，係0.99倍，儘管為最密填充構造，但為梳齒配線時，電容不會改變。由此可知，雖配置為儘可能將電極形狀設成為矩形，使另一方之電極鄰接於一方之電極的前後左右四方向，但在增大每單位面積的電容上為有效的。

[實施例2]

在圖4中，表示本發明的實施例2。電容測定用電極3a、3b的配列，雖係與實施例1相同，但下層配線6a、6b的佈局，係不同於實施例1。在實施例1中，在電容測定用電極的正下方雖佈局有二條下層配線，但在使用半導體製造工程製作濕度感測器時，因佈局規則的限制，有時無法充分減小下層配線的線寬或間隔，從而無法形成如實施例1般的佈局。此時，如實施例2般，有時以使下層配線6a、6b傾斜45度的方式，可使配線寬度與配線間隔變廣，從而可不受佈局規則的限制。

[實施例3]

在圖5中，表示本發明的實施例3。電容測定用電極3a、3b的配列，雖係與實施例1、2相同，但下層配線的佈局，係不同於實施例1、2，使用二層之下層配線。電極3a，係經由貫孔8電性連接於下層配線6a。電極3b，係經由貫孔8、下層配線6b(由於位於電極3b的正下方，因此未圖示)、6b之下方的貫孔(未圖示)，電性連接於第二下層配線7。在使用信號處理電路為三層以上的配線時，係無需追加工程即可製作實施例3的構造。

[實施例4]

在圖6中，表示本發明的實施例4。在實施例1~3中，係電容測定用電極3a、3b之一邊的長度與電極間的距離相同。此時，相對於全面積之電極所佔之面積的比例(金屬占有率)，係成為25%。在半導體製造程序中，係為了適當地進行電極之加工，而必需有某種程度的金屬占有率，在25%時，係亦可能有金屬占有率為不充分的情形。實施例4，係為了提升金屬占有率，而將電容測定用電極之一邊的長度設成為電極間之距離的2倍者。此時，金屬占有率，係44%，若為該金屬占有率時，則不會在電極加工中造成問題。在本實施例中，每單位面積的電容雖會下降，但如表1所示，可確保與梳齒配線相同程度的電容。

[實施例5]

在圖7中，表示本發明的實施例5。電容測定用電極3a、3b的形狀，係並非正方形而為長方形。即便為像這樣的佈局，亦不會使每單位面積的電容下降，且可改善濕度敏感膜剝落的顧慮或填埋性。

[實施例6]

在圖8中，表示本發明的實施例6。從電容測定用電極3a、3b之上方所觀察的形狀，係形成為圓。為了獲得較大的電容，雖期望具有將電極形狀設成為矩形，另一方之矩形形狀電極鄰接於其四邊的配置，但為了增大每單位面積的電容，亦期望減小電極尺寸與電極間隔。本實施例，係表示藉由使微細化進展的方式，形狀並非四角形而為接近圓的情形。如表1所示，本實施例的電容，係稍微大於正三角格子的電容。如此一來可知，即便電極形狀形成為圓形的情況下，如另一方之電極鄰接於一方之電極的前後左右四方向般的配置，係在確保電容上為有利的。

Claims

一種濕度感測器，係具有：半導體基板；絕緣膜，設置於前述半導體基板的表面；複數個第一電極與複數個第二電極，形成於前述絕緣膜上；第一金屬配線，形成於前述絕緣膜中，將前述第一電極與其他第一電極電性連接；第二金屬配線，形成於前述絕緣膜中，將前述第二電極與其他第二電極電性連接；及濕度敏感膜，配置於前述第一電極與前述第二電極上，在前述第一電極之前後左右四方向，係配置有前述第二電極，在前述第二電極之前後左右四方向，係配置有前述第一電極。
如申請專利範圍第1項之濕度感測器，其中，在前述第一電極的下方，配置有前述第一金屬配線與前述第二金屬配線，並在前述第二電極的下方，亦配置有前述第一金屬配線與前述第二金屬配線。
如申請專利範圍第1項之濕度感測器，其中，前述第一金屬配線與前述第二金屬配線，係藉由不同的配線層予以形成。
如申請專利範圍第1項之濕度感測器，其中，前述第一電極與前述第二電極的形狀，係矩形。
如申請專利範圍第4項之濕度感測器，其中，前述第一電極與前述第二電極的形狀，係正方形。
如申請專利範圍第4項之濕度感測器，其中，前述第一金屬配線與前述第二金屬配線，係藉由同一的配線層予以形成，在相對於矩形之邊的方向傾斜的方向，配置有前述第一金屬配線與前述第二金屬配線。
如申請專利範圍第1項之濕度感測器，其中，前述第一電極與前述第二電極，係大於前述第一電極與前述第二電極的間隔。
一種濕度感測器，係具有：半導體基板；絕緣膜，設置於前述半導體基板的表面；複數個第一電極與複數個第二電極，形成於前述絕緣膜上，除了外周部以外，在前述第一電極的前後左右四方向，係配置有前述第二電極，在前述第二電極的前後左右四方向，係配置有前述第一電極；第一配線，設置於前述絕緣膜中，連接前述複數個第一電極之間；第二配線，設置於前述絕緣膜中，連接前述複數個第二電極之間；及濕度敏感膜，配置於前述第一電極與前述第二電極上，前述複數個第一電極與前述複數個第二電極，係一邊之長度分別為d的正方形，相互鄰接之前述第一電極與前述第二電極的間隔，係d，每單位面積的電容比大於配線寬度為d且配線間隔為d之梳齒配線構造的電容式濕度感測器。