集成气体传感器和相关制造工艺制造技术

一种具有钨或钨氧化物气体感测元件(21)的集成气体传感器(1)，设置有：半导体材料的衬底(2)；以及多个互连层(8)的结构，布置在衬底(2)上并由多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)构成。气体感测元件(21)被集成在多个互连层(8)的结构内，并且至少一个电极(22a、22b)布置在多个互连层(8)的结构内，被电连接至气体感测元件(21)并被设计为提供电流(Iox)至气体感测元件(21)，以便使气体感测元件加热。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种集成气体传感器和相关制造工艺。
技术介绍
众所周知，微机电系统(MEMS(Micro-ElectroMechanical System))传感器通常用在电子装置中，特别是用在便携式或移动电子装置(诸如智能电话、平板电脑等)或可佩戴设备(诸如智能手表等)中。应当强调的是，在本文中术语“微机电系统”旨在也包含纳米结构，或者一般具有亚微米级尺寸的结构。MEMS传感器包括例如运动传感器(诸如加速计或陀螺仪之类)、力传感器或环境传感器(诸如压强传感器、湿度传感器或气体传感器等)。尤其是，气体传感器通常使用金属氧化物作为感测元件或检测元件。在给定温度(或多个温度)下对金属氧化物进行加热时，由于存在一定的气体(或几种气体)，金属氧化物改变其电导率，因此改变其电阻。通常，采用半导体工业的标准技术来制造MEMS传感器，从例如由硅制成的半导体衬底或晶片开始。所得到的MEMS传感器通常被集成在裸片中，然后被容纳在封装中。集成电子电路，即所谓的专用集成电路(ASIC(Application Specific Integrated Circuit))被可操作地耦合到MEMS传感器，并且通常被集成在半导体材料的单独裸片中，其可以与MEMS传感器裸片一起被便利地封装在单个封装内，从而提供紧凑的封装好的器件。在设计特别是用于便携式电子设备应用的MEMS传感器和相关集成电子电路时，人们持续致力于减小所得到的器件的大小、功耗和总制造成本，同时保证期望的电性能和机械性能。本申请人已经意识到，已知的集成气体传感器和相关制造工艺不能完全满足例如在成本、尺寸和功耗方面的上述要求。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供改进的集成气体传感器和制造工艺。因此，根据本专利技术，提供一种如所附权利要求限定的集成气体传感器和相关制造工艺。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在将仅仅通过非限制示例并参照所附附图来描述其优选实施例，在附图中：图1示出根据本解决方案的实施例的集成气体传感器的示意横截面；图2a-图2g是在相关制造工艺的后续步骤中图1的集成气体传感器的示意横截面；图3是图1的集成气体传感器中的气体感测元件的等效电路图；图4是与集成气体传感器有关的电量的曲线图；图5是在本解决方案的可能实施例中的集成气体传感器的示意方框图；图6是根据本解决方案的实施例由集成气体传感器中的控制单元执行的操作的流程图；图7和图8是根据本解决方案的其它实施例的集成气体元件中的感测元件的示意俯视图；以及图9是根据本解决方案的其它方面的嵌有集成气体传感器的移动装置的示意描述。具体实施方式如下将详细讨论地，本解决方案的实施例设想主要使用标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺步骤和材料来制造集成气体传感器，尤其是，在典型CMOS集成结构的互连层(堆叠的金属和介电层)内提供集成气体传感器。尤其是，如下详细描述地，本解决方案的一个方面设想使用标准的CMOS工艺和额外的蚀刻后工艺(etching post-process)，尤其是，氢氟酸蒸汽(vHF)蚀刻。另外，本解决方案的另一方面设想了金属元件(尤其是，钨丝或钨线)的集成，金属元件被设计为待氧化的，以便允许测量待检测的一种或多种气体的浓度；钨线可以具有非常细的宽度或厚度，低于1μm(在这种情况下被定义为“钨纳米线”)。如图1中所示，根据本解决方案的一个实施例的集成气体传感器1包括半导体材料的衬底2，例如硅衬底。以已知的方式(在此进行不详细讨论)，用附图标记3示意性示出和表示的电气/电子组件(例如晶体管、电阻器、二极管、电连接等)可以被设置在衬底2内。尤其是，上述电气/电子组件3被设计为提供集成气体传感器1的集成电子电路(ASIC)4；ASIC 4被设计为可操作地耦合到集成气体传感器1的气体感测结构，并且执行对所检测到的电信号的处理操作，例如放大和滤波操作。集成气体传感器1包括布置在衬底2上的底介电层，底介电层通常被表示为层间介电(Inter Level Dielectric(ILD))层，可以包括掺杂氧化物(例如，硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅酸盐玻璃(PSG))的底区域5和非掺杂氧化物的顶区域6。另外，集成气体传感器1包括在底介电层5和6上方的多个互连层8的结构，互连层8包括多个导体材料(例如，诸如铝之类的金属)堆叠层和介电层(例如二氧化硅)。尤其是，多个互连层8的结构包括底导电层9和顶导电层10，顶导电层10被设计为提供外部接触界面，该外部接触界面允许外部朝向底部各层和被集成在衬底2内的ASIC 4的接触。在底导电层9与顶导电层10之间，多个互连层8的结构包括多个(在图1的非限制性示例中等于2)附加导电层11(例如，诸如铝之类的金属)。导电层9、10和11被例如多个二氧化硅的介电材料层13彼此分隔开。多个导电过孔14穿过多个介电材料层13，以便根据期望的电连接路径提供导电路径，来互连导电层9、10和11。典型地，导电过孔14包括用于铝后端(Al back-end)CMOS工艺的钨。此外，根据本解决方案的一个方面，通过选择性地去除一个或多个介电层13的一部分和对多个导电层11的限定，空腔15被限定在多个互连层8的结构内。集成气体传感器1还包括气体感测结构20，气体感测结构20包括感测元件21以及被电连接到感测元件21的各自端部的第一电极22a和第二电极22b。尤其是，感测元件21包括至少一个金属氧化物元件，例如，以钨氧化物丝或钨氧化物线的形式的金属氧化物元件(在顶俯视图中，其可以是直线形，或具有曲折或蛇形结构)；感测元件21可以包括钨氧化物纳米线，例如三氧化钨(WO3)。作为替代方案，感测元件21可以包括元件的阵列，例如钨线的阵列(以及可能相应数目的电极)。在所示示例中，第一电极22a和第二电极22b都形成在同一导电层11(尤其是，与顶导电层10相邻的导电层11)中；而且，在该示例中，感测元件21悬挂在空腔15内，并且附着于导电层11的第一电极22a和第二电极22b。然而，应当强调的是，至于感测元件21的布置，其它选择也是可能的。例如，钨元件可以不是被悬挂在导电层11上，而是被埋入一个或多个介电层13中，仍然经由第一电极22a和第二电极22b而电连接至该导电层11。集成气体传感器1还包括导电柱24a、24b，导电柱24a、24b由多个导电层11的各部分与各介电材料层13限定的多个导电过孔14堆叠而形成。导电柱24a、24b提供从第一电极22a和第二电极22b到底导电层9的电连接。有利地，感测元件21可以形成在同一层中，并且采用与一个或多个导电过孔14相同的工艺步骤。在这种情况下，导电过孔14也为金属材料，例如，钨。换言之，至少部分采用CMOS工艺的标准步骤，即，采用多个互连层8的结构中的多个过孔14的形成步骤，来形成感测元件21。在未详细示出的方式中，通过底介电层5和6提供另外的电连接，以便限定朝向被集成在衬底2内的ASIC 4的电连接，以及以便将由气体感测结构20检测到的电信号运往该ASIC 4。在未详细示出的方式中，借助于导电层9、10和11提供另外的电连接，以便将电信号运往(例如，是由ASIC 4对检测到的电信号执行的处理操作的功能)顶导电层11和集成气体传感器1的外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成气体传感器(1)，具有气体感测元件(21)，所述集成气体传感器(1)包括：衬底(2)，包括半导体材料；以及多个互连层(8)的结构，布置在所述衬底(2)上，并且包括多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)，其中所述气体感测元件(21)被集成在所述多个互连层(8)的结构内，并且至少一个电极(22a、22b)布置在所述多个互连层(8)的结构内，被电连接至所述气体感测元件(21)并被设计为提供电流(Iox)至所述气体感测元件(21)，以便加热所述气体感测元件(21)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.12 US 61/903,0731.一种集成气体传感器(1)，具有气体感测元件(21)，所述集成气体传感器(1)包括：衬底(2)，包括半导体材料；以及多个互连层(8)的结构，布置在所述衬底(2)上，并且包括多个堆叠的导电层(9、10、11)和介电层(13)，其中所述气体感测元件(21)被集成在所述多个互连层(8)的结构内，并且至少一个电极(22a、22b)布置在所述多个互连层(8)的结构内，被电连接至所述气体感测元件(21)并被设计为提供电流(Iox)至所述气体感测元件(21)，以便加热所述气体感测元件(21)。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)包括由钨制成的金属体(21a)。3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中空腔(15)设置在所述多个互连层(8)的结构内，所述气体感测元件(21)布置在所述空腔(15)内。4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)附着于所述堆叠的导电层(9、10、11)中的支撑导电层(11)，所述支撑导电层(11)还限定所述至少一个电极(22a、22b)，其中至少一个导电柱(24a、24b)设置在所述多个互连层(8)的结构内，被电连接至所述至少一个电极(22a、22b)，并从所述同一电极(22a、22b)延伸至所述衬底(2)；所述至少一个导电柱(24a、24b)包括由导电层(11)的各部分和通过各介电层(13)限定的多个导电过孔(14)的堆叠。5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)在与至少一个所述导电过孔(14)相同的层中实现。6.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)具有纵向延伸，并且包括具有横切于所述纵向延伸的第一尺寸(W1)的侧部(61)，和具有横切于所述纵向延伸的对应的第二尺寸(W2)的中心部(62)；所述第二尺寸(W2)大于所述第一尺寸(W1)，其中至少一个所述侧部(61)被连接至所述至少一个电极(22a、22b)。7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述气体感测元件(21)还包括过渡部(64)，将所述中心部(62)连接至所述侧部(61)并具有从所述第一尺寸(W1)到所述第二尺寸(W2)的渐变形状。8.根据任一项前述权利要求所述的传感器，包括所述衬底(2)内的集成电子电路(4)，所述集成电子电路(4)被可操作地耦合至所述气体感测元件(21)。9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述集成电子电路(4)被配置为在至少一种操作条件下使所述电流(Iox)流过所述气体感测元件(21)。10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述集成电子电路(4)包括电压源(40)和控制单元(42)，所述控制单元(42)被配置为控制所述电压源(40)，以便在所述至少一种操作条件下为所述气体感测元件(21)提供所述电流(Iox)，以使所述气体感测元件(21)的金属体(21a)氧化。11.根据权利要求9或10所述的传感器，其中所述控制单元(42)被配置为确定所述操作条件的发生，并且响应于所述操作条件，通过施加逐渐增大的氧化电压(Vox)使所述金属体(21a)氧化，直到所述金属体(21a)的电阻值(Rox)达到氧化阈值。12.根据权利要求10或11所述的传感器，其中所述操作条件对应于下述中的至少一个：所述集成气体传感器(1)的启动...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·蒙塔尼亚西尔韦斯特雷，
申请(专利权)人：拉芳德利责任有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT