集成到半导体电路上的电容性传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明大体而言涉及直接构建于半导体电路的最外部保护层的顶部上的电容性气体传感器。
【背景技术】
[0002]电容性气体传感器是所属领域中已知的，其具体实例是用于水蒸气(相对湿度)的测量。存在与所述传感器相关联的多种构造。一种构造使用被气体敏感材料覆盖的具有相反极性的叉指共面电极，其中增大气体浓度会使此种气体敏感材料的介电常数增大，从而增大平面电极之间的介电耦合并进而增大所述电极之间的有效电容。在叉指电极的情形中，两个电极均位于气体敏感材料的顶面下方，且通过场边缘效应(field fringingeffect)而发生所述平面电极之间的介电耦合。
[0003]另一种构造采用平行板状电极，在所述电极之间存在气体敏感材料层，使得改变气体浓度会改变所述气体敏感材料的介电常数并改变平行板电容器的电容。在FR2750494(US 6，450，026)中阐述的一种平行板构造具有由高度多孔导电聚合物构成的顶部电极，所述高度多孔导电聚合物容许所选择的气体经由所述电极扩散到气体敏感材料中。此顶部电极材料经处理，以使得其紧密结合到气体敏感材料并具有化学惰性及环境耐用性。FR2750494及US 6，450，026以引用的方式全文并入本文中。
[0004]电容性气体传感器的电容随气体浓度变化，且以能够电激发所述传感器的相关联电子器件来测量所述电容。制造电容性气体传感器的成本与所述传感器及相关联电子器件的物理尺寸相关联，因此期望将电容性气体传感器提供成尽可能小的而同时仍达成所需的准确度及信号噪声比。随着气体敏感电容器的尺寸减小，气体敏感电容器变得越来越容易受到与杂散电容(包括在互连及相关联电子器件中存在的寄生电容)相关联的信号劣化的影响。一种在使用较小电容器时减小寄生电容影响的方式是将相关联的电子器件定位成在物理上尽可能地靠近传感器。
[0005]伴随着电容性气体传感器的尺寸减小并因此电容性气体传感器的制造成本降低，期望减小相关联电子器件的尺寸及成本。可通过使用专用集成电路(applicat1nspecific integrated circuits ；ASICS)来降低相关联电子器件的制造成本，所述专用集成电路以小的低成本构造来提供所有必要的功能。
[0006]市场上可买到以下装置，在所述装置中，叉指共面电容器电极设置于ASIC的一部分的顶部上且气体敏感材料层设置于共面传感器电极的顶部上以形成气体传感器。ASIC的具有叉指电容器电极的此种构造具有以下缺点:若叉指电容器电极直接位于ASIC的有源电路上方，则可能会发生耦合及干扰。这会导致需要更大的硅面积来容纳传感器电极以使所述传感器电极不位于有源电路上方。值得注意的是，通过在叉指电极之间及下方添加导电层并无法使叉指电极免受电路诱发(circuitry-1nduced)杂散親合信号的影响，因为此导电层将显著增大叉指感测电极之间的基线电容性耦合。由于通过改变气体敏感层中的气体浓度而产生的信号被测量作为电容的变化百分比，故增大基线电容将会降低装置的敏感性。具有叉指电极的ASIC的另一个缺陷在于电极间电容对气体敏感材料层顶部上的异物具有非期望的敏感性。举例而言，气体敏感材料层的表面上的水滴或小的金属颗粒可通过扭曲由电极产生的边缘电场而显著改变电极之间的介电耦合。
[0007]—种替代装置具有两个单独的芯片:一个芯片具有构建于恰当基板顶部上的气体感测电容器，第二个芯片具有适当的电路。这种采用两个芯片的解决方案具有分离用于生产各部件的生产良率、工艺、及基板材料的优点。然而，这些芯片必须利用倒装芯片或焊线技术而电互连，而所述两者均会影响感测电容器的性能。此外，电性及机械封装的成本大于垂直集成的构造。
[0008]因此，需要一种直接构建于恰当半导体电路的顶部上的更小更有效的电容性气体传感器。
【发明内容】
[0009]本发明的实施例涉及一种由直接构建于标准半导体气体传感器ASIC的保护表面顶部上的平行板电容性气体传感器构成的气体传感器组件。此构造提供平行板传感器构造的有益效果同时容许具有尽可能最小的传感器尺寸。
[0010]本发明的目标是生产一种用于测量半导体电路顶部上的气体的电容性传感器，由此简化所述电容性传感器的制造。
[0011]除将被用于气体传感器的传感器以外，本发明还涉及制造这些传感器的方法。在优选实施例中，此方法涉及依序堆叠或形成薄金属层、气体敏感层、及多孔顶部电极。
[0012]—种在半导体电路的保护层上制造电容性传感器的方法可包括:在所述保护层的顶部上沉积金属层以覆盖电路，所述金属层被图案化以形成底部电极、用于将所述底部电极连接至第一焊盘的第一迹线、搭接盘、以及用于将所述搭接盘连接至第二焊盘的第二迹线，所述底部电极被定位成使得其位于所述半导体电路的具有有源电路的部分上方；在所述底部电极及所述搭接盘上沉积气体敏感层；形成穿过所述气体敏感层的通路孔以暴露出所述搭接盘；以及在所述气体敏感层上沉积多孔导电电极，以形成经由所述通路孔电连接至所述搭接盘的顶部电极，其中所述顶部电极的一部分完全覆盖所述底部电极的表面区域且所述顶部电极连接所述搭接盘。
[0013]在一实施例中，一种在ASIC(510)的保护层上制造电容性传感器的方法可包括:在所述保护层的位于所述ASIC的有源电路上方的部分上形成底部电极层及搭接盘(520);在所述底部电极层及所述搭接盘上形成气体敏感层(530);形成穿过所述气体敏感层到达所述搭接盘的通路孔(540);在所述气体敏感层上形成顶部电极层(550)，其中所述顶部电极层完全覆盖所述底部电极层的表面区域，且其中所述形成所述顶部电极层的工艺包括以导电材料填充所述通路孔，从而在所述顶部电极层与所述搭接盘之间形成电连接。
[0014]在一实施例中，用于自沉积于所述保护层上的金属层形成所述底部电极层及搭接盘的工艺可包括光刻工艺、光刻抗蚀剂工艺、或湿蚀刻工艺。可使用旋转涂布工艺在所述底部电极层及所述搭接盘上形成气体敏感层。在一实施例中，所述方法还可包括利用光刻技术然后利用干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺将图案施加至所述气体敏感层上。用于在所述气体敏感层上形成所述多孔顶部电极层的工艺可包括网版印刷、丝网印刷、移印、喷墨印刷或旋转涂布。在一实施例中，所述方法还可包括在所述顶部电极及所述ASIC上形成模塑化合物，使得所述模塑化合物中的开口将所述顶部电极暴露至周围环境且使得所述模塑化合物在所述开口周围沿所有模塑化合物边缘覆盖至少0.1mm的所述气体敏感材料。
[0015]—种气体传感器可包括:半导体电路(200)，具有顶部保护层(210);金属底部电极(310)，位于所述半导体电路(200)的所述保护层(210)上，其中所述底部电极(310)位于所述半导体电路的包含有源电路的区域上方；金属搭接盘(330)，位于所述保护层(210)上并与所述底部电极(310)电分离；气体敏感层(340)，位于所述金属底部电极(310)及所述金属搭接盘(330)上，所述气体敏感层(340)具有穿过其限定的通路(350);多孔顶部电极(320)，位于所述气体敏感层(340)上，其中由所述多孔顶部电极(320)形成的区域完全覆盖由所述金属底部电极(310)形成的区域，且其中所述多孔顶部电极(320)经由所述气体敏感层(340)中的所述通路(350)电连接至所述搭接盘(330);以及第一金属迹线(390)及第二金属迹线(370)，所述第一金属迹线(390)用于将所述金属底部电极(310)连接至第一焊盘(380)，所述第二金属迹线(370)用于将所述搭接盘(330)连接至第二焊盘(360)。所述底部电极、搭接盘及两个连接迹线可自同一金属层被图案化(例如，通过选择性图案化)。在一实施例中，所述半导体电路通过对所述金属底部电极(310)施加信号并通过所述顶部电极测量由所述电容器移动的电荷来测量所述气体敏感层的电容。
[0016]在一实施例中，所述气体敏感层(340)覆盖所述第一金属迹线(390)及所述第二金属迹线(370)，从而防止所述多孔顶部电极(320)与所述金属底部电极(310)之间出现可由用于沉积所述顶部电极的工艺导致的电短路。在另一实施例中，所述气体传感器还可包括邻近所述多孔顶部电极(320)的模塑化合物(400)，所述模塑化合物(400)具有开口(410)，所述开口(410)将所述多孔顶部电极(320)暴露至周围环境，且其中所述模塑化合物中的所述开口(410)的每一侧覆盖至少0.1mm的所述气体敏感层(340)。在所述气体传感器中，所述多孔顶部电极(320)的面积可大于所述底部电极(310)的面积，从而使得即使在所述多孔顶部电极(320)与所述底部电极(3