具有可渗透电极的感测电容器制造技术

所描述的实例包含一种集成电路(320)，其具有在衬底的表面上制造的阻抗传感器(300)。所述阻抗传感器(300)包含在所述衬底上形成的底部导电板(301)。在所述底部导电板(301)上形成感测薄膜(304)。在所述感测薄膜(304)上形成顶部导电板(302)。所述顶部导电板(302)是具有可渗透试剂的随机三维孔隙率的导电纳米颗粒的融合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可渗透电极的感测电容器本专利技术大体上涉及阻抗传感器装置，且更特定来说涉及一种具有可渗透电极的电容式传感器。
技术介绍
电容式相对湿度(RH)传感器广泛用于工业、商业及天气遥测应用。基于电容式集成电路(IC)的气体/湿度传感器通常用平面叉指型电容器构造，接着由电容率基于试剂暴露而变化的感测膜覆盖。由于来自叉指型电容器的边缘场穿过感测膜，因此感测膜的电容率改变导致叉指型电容器的电容改变。虽然术语“绝缘体”暗示低导电率，但是“电介质”通常用于描述具有高极化率的材料，极化率由称为相对电容率(ε)的数字表达。术语绝缘体通常用于指示电阻塞，而术语电介质用于指示材料借助极化的能量存储能力。
技术实现思路
所描述的实例包含一种集成电路，其具有在衬底的表面上制造的阻抗传感器。所述阻抗传感器包含在所述衬底上形成的底部导电板。在所述底部导电板上形成感测薄膜。在所述感测薄膜上形成顶部导电板。所述顶部导电板是具有可渗透试剂的随机三维孔隙率的导电纳米颗粒的融合物。附图说明图1A及1B说明常规电容式传感器。图2到4说明经改进电容式传感器的实例。图5A到5C说明具有纳米孔隙率的多孔电极。图6是烧结工艺中的熔点对颗粒大小的标绘图。图7A到7E说明用于制造图3的平行板电容式传感器的工艺。图8到10说明多孔电极的替代实施例。图11是电容式传感器的替代实施例的横截面视图。图12是具有多个多孔电极的电容式传感器的替代实施例的横截面视图。图13是包含电容式传感器的系统的框图。具体实施方式为了一致性，各种图式中的相同元件由相同元件符号表示。图1A及1B说明常规电容式气体/湿度传感器100。传感器100用平面叉指型电容器构造，其中在衬底103上形成叉指型电极101、102。例如，衬底通常是玻璃、陶瓷或硅。叉指型电极101、102由电容率基于试剂暴露105而变化的感测膜104覆盖。由于来自叉指型电容器的边缘场106穿过感测膜104，因此感测膜的电容率或导电率的改变导致叉指型电容器100的电容或电阻改变。通常，感测膜104选择为使得电容式湿度传感器100的介电常数的增量变化几乎与周围环境的相对湿度成正比。但是，例如，可选择其它类型的感测膜，其中所述感测膜的电容率对其它类型的试剂气体敏感。阻抗传感器的特征通常是低温度系数、在高温(多达200℃)下运行的能力、从冷凝中的完全回收及对化学蒸汽的合理阻力。用于生产电容式传感器的最先进技术利用半导体制造中使用的许多原理来产生具有最小长期漂移及滞后的传感器。薄膜电容式传感器可包含集成到衬底上的单块信号调节电路。广泛使用的信号调节器包括CMOS计时器以向传感器施加脉冲且产生近线性电压输出。但是，来自叉指型电容器的大多数场不穿过感测膜，如110、111处指示。因此，电容是感测膜电容率的弱函数，且敏感性(dC/dε-sensing_film)是有限的。这意味着电容的相对变化对总电容来说非常小且非常难以读取。图2说明经改进阻抗传感器配置。这个描述是指电容效应，但阻抗传感器实施例的其它实例可基于响应于试剂的电阻率或电感改变。最佳电容感测拓扑是把感测膜204夹置在两个电极201、202之间，类似于平行板电容器。在这个配置中，几乎来自平行板结构的所有场都穿过感测膜204；因此，电容是电容率的强函数，且因此达到高得多的敏感性，如由表达式(1)及(2)指示。(dC～dεsensing_film)(1)C～εsensing_film*面积/厚度sensing_film.(2)为了使平行板电容器传感器操作，电极中的一者必须是多孔的，以使试剂气体到达感测薄膜。在这个实例中，电极201是多孔的，以允许试剂气体205容易地穿过电极201且借此扩散到感测层204中。在典型IC制造工艺中制造叉指型传感器并不是非常困难，因为叉指型电容式结构可图案化在顶部金属层中，所述顶部金属层可为在“后段制程”(BEOL)期间形成的多层互连特征的部分。可在BEOL完成之后图案化感测层。后段制程(BEOL)是IC制造的第二部分，其中个别装置(晶体管、电容器、电阻器等)与晶片上的接线、金属化层互连。常见金属是铜互连及铝互连。BEOL通常在将第一金属层沉积在晶片上时开始。BEOL包含接触件、绝缘层(电介质)、金属液面及用于芯片封装连接的接合点。在最后一个“前段制程”(FEOL)步骤之后，晶片具有隔离晶体管(不具有任何电线)。FEOL是IC制造的第一部分，其中在半导体中图案化个别装置(晶体管、电容器、电阻器等)。FEOL通常涵盖所有部分直至(但不包括)金属互连层的沉积。在BEOL制造阶段中，形成接触件(垫)、互连线、通孔和电介质结构。对于现代IC工艺，可在BEOL中添加10个以上金属层。但是，图案化平行板结构要困难得多。可在BEOL的顶部金属层中图案化底部电极，且可在BEOL的顶部上图案化感测膜，但在感测层的顶部上图案化另一金属层是困难的，因为感测层不是平面化的且标准金属图案化方法(即，沉积、图案抗蚀、蚀刻、条纹抗蚀)可能不起作用。如上文描述，顶部电极必须是多孔的，所以除图案化顶部电极的轮廓以外，如果金属电极由沉积的金属层制造，那么还必须图案化孔或其它穿孔的阵列以使金属电极成为多孔的。图3是其中在顶部金属层311上形成电容式传感器300的实例IC320的一部分的横截面视图。在这个实例中，互连结构310包含由绝缘层(例如绝缘层312)分离的五个金属层(例如金属层311)。常规BEOL制造工艺有助于形成多层互连。其它实施例可具有更多或更少导电层。传感器300可在BEOL制造期间形成或可作为单独的后处理形成，如下文描述。在这个实例中，在顶部金属层311上图案化底部电极301。接着在底部电极301的顶部上图案化感测层304。接着在感测层304的顶部上形成顶部可渗透电极302以形成平行板感测电容器300。衬底303在这个实例中是硅，但其它实施例可使用陶瓷、玻璃等作为衬底。在这个实例中，可在衬底303上形成外延(epi)硅层313。厚外延层可有利于功率半导体和基于MEMS的传感器和致动器。当然，“厚”是相对术语。如今，超过20μm的外延膜被视为厚的，不过膜的发展目标可高达～150μm厚。未掺杂的厚外延膜的电隔离质量可以为功率半导体提供益处。它们使较高的电压具有较大的R(关闭)值，并有助于更高的切换速度和减小的装置占用面积。可使用常规制造技术在外延层313中形成各种晶体管。图4是其中在BEOL制造期间在顶部金属层311上形成电容式传感器300的如图3中说明的实例IC320的部分的顶视图。可提供一或多个接触件315、316以将顶部可渗透电极302连接到IC320上的其它电路。可使用允许试剂渗透顶部电极302且进入感测层304的多孔纳米颗粒金属或可渗透导电聚合物制造可渗透电极302。图5A是说明具有随机三维(3D)孔隙率的实例多孔电极502的顶视图且图5B是边缘视图。纳米颗粒(例如纳米颗粒531)可沉积在层中且接着融合在一起以形成3D多孔电极结构。图5B说明在另一层504(例如感测层304，再次参考图3)的顶部上形成的具有约1μm的厚度533的随机多孔层的实例。由于纳米颗粒大致是球形的，所以当纳米颗粒融合在一起时，它们之间可能会存在随机空隙，例如532处指示的空隙。图5C是可供参考的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成电路IC，其包括：衬底；及阻抗传感器，其在所述衬底的表面上制造，其中所述阻抗传感器包含：底部导电板，其在所述衬底上形成；感测薄膜，其在所述底部导电板上形成；及多孔顶部导电板，其在所述感测薄膜上形成，其中所述多孔顶部导电板是具有可渗透试剂的随机三维孔隙率的导电纳米颗粒的融合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.03 US 15/173,4681.一种集成电路IC，其包括：衬底；及阻抗传感器，其在所述衬底的表面上制造，其中所述阻抗传感器包含：底部导电板，其在所述衬底上形成；感测薄膜，其在所述底部导电板上形成；及多孔顶部导电板，其在所述感测薄膜上形成，其中所述多孔顶部导电板是具有可渗透试剂的随机三维孔隙率的导电纳米颗粒的融合物。2.根据权利要求1所述的IC，其进一步包含在所述感测薄膜与所述顶部导电板之间形成的一或多个可渗透过滤层。3.根据权利要求1所述的IC，其进一步包含在所述顶部导电板上形成的一或多个可渗透过滤层。4.根据权利要求1所述的IC，其中所述感测薄膜及/或所述多孔顶部导电板包含由牺牲纳米颗粒形成的孔隙率。5.根据权利要求1所述的IC，其中所述多孔顶部导电板包含导电纳米颗粒。6.根据权利要求5所述的IC，其中所述导电纳米颗粒的大小选择为在所述顶部导电板中产生指定孔隙率。7.根据权利要求1所述的IC，其中所述感测薄膜具有跨所述底部导电板渐变的厚度。8.根据权利要求1所述的IC，其中所述多孔顶部导电板具有不同导电率的定义区。9.根据权利要求1所述的IC，其进一步包含在整个所述感测薄膜中隔开的多个多孔中间电极。10.根据权利要求1所述的IC，其进一步包含可控制地耦合到所述阻抗传感器的微控制器，其中所述微控制器经配置以响应于暴露于试剂而确定所述阻抗传感器的阻抗。11.一种在集成电路中形成感测电容器的方法，所述方法包括：图案化在所述集成电路IC的衬底上制造的导电层以形成底部导电板；制造覆盖所述底部导电板的至少一部分的感测薄膜；及制造覆盖所述感测薄膜的可渗透顶部导电板，其中所述顶部导电板是具有可渗透试剂的随机三维孔隙率的导电纳米颗粒的融合物。12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含在所述感测薄膜上方制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·史塔生·库克，穆罕默德·阿斯兰，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US