具有热模块的湿度传感器的制作方法

本发明涉及一种湿度传感器，该湿度传感器包括硅基板，在所述硅基板上布置至少多个金属间介电层以及金属层，金属间介电层中的每一个设置有金属区，其中所述金属层被蚀刻以形成两个电极，每一个电极包括设置有多个臂的电枢(armature)，其中这些电枢被安装成使得每一个电枢的臂交错以使臂定位成彼此面对。

背景技术：

已知用于电子电路的湿度传感器。这种湿度传感器是具有叉指梳状物的湿度传感器。

这种传感器由硅晶片基底构成，在该硅晶片基底上放置至少一个层间介电(ild)层，并且在该层间层上放置多个金属间介电(imd)层。这些层(优选三个)重叠，并且每一个包括用于导电的金属区。

在这些金属间介电层的顶部上，形成用于叉指梳状物的导电层，其中该层可以由铝制成。然后对该铝层进行蚀刻以形成所述梳状物。一旦已经形成梳状物，则整个组件由钝化层覆盖。

然后将该蚀刻的板存储，然后在第二阶段的生产中使用，在此期间准备使用。该第二阶段生产包括打开步骤，在该步骤期间，在梳状物的水平面处和在接触区域的水平面处蚀刻钝化层。钝化的该蚀刻步骤允许位于梳状物的不同分支之间的钝化层蚀刻。

一旦该步骤已结束，则沉积保护层以保护铝免受腐蚀，并且该层可以是氮氧化物层。

最后的步骤是沉积聚酰亚胺层以保护整个组件。

然而，该结构造成缺点。第一个缺点是由于该传感器在两个阶段中生产。具有用于传感器生产的两个不同阶段的事实实际上强加了额外的热循环的存在。这些额外的热循环使额外的热应力出现在板上和叉指梳状物上，这可能损坏所述湿度传感器和/或在相同衬底上实现的任何其它电路。

第二个缺点是由于在第二阶段期间的蚀刻。事实上，寄生电容发生在钝化层被蚀刻的第二阶段期间。这些寄生电容来自不完美的蚀刻，即侧面不是笔直的。因此，存在钝化层的残留物，使这些寄生电容显现。

此外，必须注意的是，湿度传感器对温度敏感。这种对温度的敏感性引起取决于温度的测量上的漂移，因此在恒定的湿度比下，温度变化将影响传感器提供的输出信号。

同样已知的是文献us2005/0218465，其描述了包括硅基板的感测电路，在该硅基板上传感器布置在其水平面(level)处。具有低介电常数的多孔二氧化硅的三个互连层沉积在该基板上。然后布置另两个互连水平面，并且这两个水平面由无孔二氧化硅制成。在最后水平面上，沉积金属层，然后蚀刻以形成两个电极，每一个电极包括设置有多个臂的电枢，其中这些电枢被安装成使得每一个电枢的臂交错以使臂定位成彼此面对，并且整个组件形成湿度传感器。

在该配置中已知具有布置在最后互连层的水平面处(即在湿度传感器下方)的加热元件。该布置的缺点是位于传感器正下方，并且因此不允许最优的热传递。

此外，该感测电路的特征在于添加了与位于两个最后互连水平面之间的薄氧化物层相关联的薄金属层，允许形成mim电容器。这些薄层部件需要使用另一种技术。该技术需要作为标准cmos工艺的变体的生产过程，这使感测电路的生产更加复杂并且成本更高。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种更可靠的湿度传感器。

为此，本发明包括湿度传感器，该湿度传感器包括硅基板，在该硅基板上布置几个金属间介电层和金属层，金属间介电层中的每一个设置有金属区，其中所述金属层被蚀刻以形成两个电极，每一个电极包括设置有多个臂的电枢，其中这些电枢被安装成使得每个电枢的臂交错以使臂定位成彼此面对，所述湿度传感器特征在于，所述传感器还包括直接沉积到基板上的有源层，该有源层被插入在所述基板和第一金属间介电层之间，其中布置有温度检测器，其中该温度检测器提供表示温度的信号。

在第一有利的实施例中，温度模块包括具有并联的两个双极晶体管的温度检测器，每一个晶体管通过其基极及其集电极连接到地，并通过其发射极连接到被连接到电源的电流源。

在第二有利的实施例中，温度模块包括具有并联的一个双极晶体管的温度检测器，该双极晶体管通过其基极及其集电极连接到地，并通过其发射极连接到被连接到电源的电流源和提供参考电压的电压源。

在第三有利的实施例中，每一个晶体管包括p型硅衬底，形成在p型衬底上的n型区，沉积在该p型硅衬底上并被局部蚀刻的二氧化硅层，使得形成用于所述晶体管的基极、发射极和集电极的连接衬垫的金属可以沉积在其中，其中p+型区布置在形成集电极和发射极的每一个金属衬垫的下方，而n+区布置在基底的衬垫下方。

在用于每一个双极晶体管的第四有利实施例中，提取所述晶体管和电流源之间的连接点处的基极-发射极电压以引导到差分放大器，其中所述差分放大器实现了两个晶体管的基极-发射极电压的差以提供表示温度的电压。

在另一个有利的实施例中，提取所述晶体管和电流源之间的连接点处的基极-发射极电压以引导到差分放大器，其中所述差分放大器实现基极-发射极电压和参考电压之间的差以提供表示温度的电压。

在另一个有利的实施例中，差分放大器被布置成连接到经由数字接口向微控制器提供信号的模数转换器。

在另一个有利的实施例中，传感器还包括加热元件。

在另一个有利的实施例中，加热元件布置在插入在有源层和第一金属间介电层之间的层的水平面处。

本发明同样涉及一种包括硅基板的湿度传感器，在该硅基板上布置至少多个金属间介电层和金属层，该金属间介电层中的每一个设置有金属区，其中所述金属层被蚀刻以形成两个电极，每一个电极包括设置有多个臂的电枢，其中这些电枢被安装成使得每一个电枢的臂交错以使臂定位成彼此面对，所述湿度传感器特征在于，所述传感器另外包括插入在基板和第一金属间介电层之间的有源层和插入在有源层和第一金属间介电层之间的层，加热元件布置在该层中。

在另一个有利的实施例中，所述加热元件包括形成经由连接衬垫连接到至少一个金属间介电层的金属区的电阻器的多晶硅层。

在另一个有利的实施例中，所述加热元件包括并联布置的多个电阻器，其中每一个电阻器通过其端子中的一个端子连接到地并且通过其端子中的另一个端子连接到本身连接到电源电压的控制晶体管，其中所述控制晶体管接收信号以允许或阻止电流通过电阻器。

在另一个有利的实施例中，所有晶体管由相同的控制信号控制。

在另一个有利的实施例中，所有晶体管以彼此不同的方式控制。

附图说明

本发明的目的、优点和特征将从仅作为非限制性示例给出并且由附图示出的本发明的至少一个实施例的以下详细描述中变得更清楚：

-图1至图2示意性地示出根据本发明的湿度传感器的实施例。

-图3a、图4a示出根据本发明的湿度传感器的温度检测器的实施例。

-图3b、图4b示出与根据本发明的湿度传感器的温度检测器的实施例相关联的电压的图。

-图5示出根据本发明的湿度传感器的温度模块。

-图6和图7示出根据本发明的湿度传感器的加热元件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的湿度传感器1。这种传感器包括称为晶片的硅基板10。该基板10用作所述传感器的衬底，并且第一步骤包括提供该基板10。

在第二步骤中，在该衬底上连续沉积不同的层。沉积第一层12。该层包括所谓的有源区和二氧化硅区。

在该第一层的顶部上，沉积层间介电(ild)层14。

然后，沉积多个金属间介电(imd)层16。这些层16(优选三个(imd1、imd2和imd3))叠加，并且每一个包括用于导电的金属区18。这些金属区18可以通过via型连接器18a连接在一起。

在这些金属间介电层的顶部上，形成用作叉指梳状物的导电层20，其中该层在第二步骤期间沉积并且可以由铝制成，如图1所示。该第二步骤是对本领域技术人员已知的步骤。

在第三步骤期间蚀刻该铝层以形成所述梳状物。叉指梳状物通常由两个电极22形成，每一个电极具有设置有多个臂的电枢(armature)。这些电枢被安装成使得每一个电枢的臂交错。

一旦已经形成梳状物，则第四步骤包括用钝化层24覆盖整个组件。

一旦该钝化层已被蚀刻，则进行打开(opening)步骤或第五步骤。打开步骤在相同阶段期间(即从前面的步骤开始)发生。

该打开步骤包括首先借助于蚀刻去除形成传感器的叉指梳状物的水平面处的钝化层。

一旦已经执行了第五步骤，则进行包括沉积保护层26(盖帽层或覆盖层、防潮层等)的第六步骤。事实上，存在电极的铝与随后沉积的作为保护层的聚酰亚胺接触的腐蚀以及铝扩散到聚酰亚胺中的风险。在我们的解决方案的情况下，该保护层由20nm±2nm厚度的氮氧化物(sionx)制成。

在第七步骤中，接触区域的水平面处的钝化层是被打开的，其中这些接触区域形成在沉积在最后一个金属间介电层16上的金属层20上。由此清除的接触区域允许接触部件放置在那里。

在随后的步骤中，沉积聚酰亚胺层28并布置接触部件。

有利地，根据本发明，湿度传感器另外包括温度模块200。这种温度模块200首先包括温度检测器210。事实上，湿度传感器对温度敏感，使得由所述传感器提供的信息根据温度而变化。使用的温度检测器210允许测量温度并提供温度信息。该信息可以被发送到布置在同一基板上或另一基板上的微控制器。该信息由微控制器300使用。

事实上，微控制器300可以包括其中存储对应表或者管理预定传输功能的存储区。对应表使湿度传感器的漂移对于给定的温度是已知的，并且因此提供的湿度信息能够被校正。

有利地，温度检测器210布置在湿度传感器1的相同基板上。更具体地，该温度检测器210由多个双极晶体管组成。双极晶体管由两个p-n结组成以形成npn或pnp结构。在pnp双极晶体管中，其中基极连接到n区，而发射极和集电极连接到p区。

在如上所述的湿度传感器的水平面处，双极晶体管被布置在包括所谓的有源区和二氧化硅区的第一层12的水平面处。

有源区被配置为以p型硅衬底120的形式提供，其中双极晶体管如图2所示被布置。这些晶体管具有配置在p型衬底上的n型区122。二氧化硅层124沉积到该p型硅衬底上，并且该层被局部蚀刻，使得金属可以沉积到其中以形成用于基极、发射极和集电极的金属部分126。对于集电极和发射极，p+型扩散布置在每一个金属衬垫下方，而n+锚130布置在基极衬垫下方。

这种温度检测器210可以以几种不同的方式配置。

在图3a和4a中明显看出的第一实施例中，它由并联设置的称为t1和t2的两个pnp型双极晶体管组成，其中每一个晶体管t1和t2具有连接到地的其基极及其集电极，而发射极连接到电流源i1、i2。对于每一个分支，提取称为vbe的电流源和发射极的连接点处的电压以被引导到差分放大器220。晶体管t1具有被称为vbe1的基极-发射极电压，而晶体管t2具有称为vbe2的基极-发射极电压。

事实上，这种pnp晶体管具有基极-发射极电压vbe，该基极-发射极电压vbe具有作为开尔文温度的函数的电压特性，其中该电压vbe在温度t＝0k°时相当于禁带宽度vbg，并且该电压vbe的值随温度而降低。

在当前情况下，两个电压vbe1和vbe2被布置为不同：如果电流相同，则晶体管具有不同的尺寸(发射极表面)，但是如果尺寸(发射极表面)相等，则电流不同。在实践中，为了形成具有良好定义的关系的不同表面，使用并联的相同晶体管。两个电压vbe1和vbe2被传递到执行诸如差分放大器220的这些电压之间的差的电路中，以获得所得到的电压vtemp1＝vbe1-vbe2。该电压vtemp1具有在电压-温度图上随温度线性增加的特征。

当该图转换成摄氏度时，在t＝0℃处建立偏移，并且因此可以具有作为温度的函数的电压vtemp1。

在图3b和图4b中明显的第二实施例中，温度检测器210包括称为t3的pnp型双极晶体管，其基极和集电极连接到地，而发射极连接到电流源i3。提取被称为vbe3的电流源i3和发射极的连接点处的电压以引导到差分放大器220。差分放大器220的另一个端子连接到参考电压源uref，其值是禁带宽度vbg的值，约为1.285v。因此，电压vbg和电压vbe3被引导到差分放大器220，该差分放大器220将提供所得的电压vtemp2＝vbg-vbe3。

该电压vtemp2具有在电压-温度图上随温度线性增加的特征。当该图转换成摄氏度时，在t＝0℃处建立偏移，因此可以具有作为温度的函数的电压vtemp2。

注意，该第二过程在精度方面具有优点。事实上，电压vbe3与参考电压vbg之间的比较导致得到的电压vtemp2具有比得到的电压vtemp1更陡的斜率。该斜率差表示vtemp2和vtemp1之间的t＝0℃处的偏移差，vtemp2的偏移远大于vtemp1的偏移。

偏移和斜率上的差导致第二组装方式更加精确，因为考虑到斜率(以mv/℃为单位)较高，每一个温度上升对应于电压上的较高上升，这变得更易于检测。采用第一组装方式，较低的斜率表示温度上的每一个上升对应于电压上的较小上升。因此，较小的上升更难以检测并且指示使用增益级来检测电压变化并因此检测温度变化。增益级实际上可能导致较高的噪声水平或降低信号的饱和度的发生。

所得的电压vtemp1或vtemp2被引导到从图5明显看出的处理电路中，其包括模数转换器230、spi或i2c型数字接口240，以便具有表示温度的电信号，然后将该电信号提供给微处理器300，该微处理器300将使用它来对所述湿度传感器进行热补偿，使得补偿由于温度导致的漂移。该补偿使用传递函数执行。

当然，差分放大器220可以直接集成到模拟/数字转换器230中。

在有利的变型中，根据本发明的湿度传感器设置有加热元件30。这种加热元件用于确保再调节，即去除生产过程期间存在的湿度，去除冷凝或改善湿度传感器的滞后和恢复时间。

使用该加热元件30的第二方式是在暴露于过度的湿度之后使用它。实际上，当聚酰亚胺层覆盖形成所述传感器的金属结构时，聚酰亚胺层暴露于极端湿度可能会损害湿度传感器1的正常操作。因此，加热元件30用于加速从聚酰亚胺层抽出该多余的湿气。为此，加热元件30被激活以便增加传感器的温度并干燥聚酰亚胺层。

使用的图6中明显看出的加热元件30是电阻器，并且更具体地是多晶电阻器32。这种多晶电阻器32由多晶硅层组成。该多晶硅层被布置在沉积在第一所谓的有源层12上的层间介电(ild)层14的水平面处。为了使由多晶电阻器产生的热扩散，层间介电(ild)层14设置有金属连接34。这些金属连接在至少一个金属间介电(imd)层16中延伸以连接到该金属间介电(imd)层16的金属区。40ma量级的电流被引导到多晶硅层中以激活加热功能。

图7中明显看出的该加热元件30可以被配置成多个模块的形式，该多个模块中的每一个模块包括电阻器，并且每一个电阻器连接到接收控制信号sc的控制晶体管tc，其中模块并联连接。该配置允许在整个传感器上的良好热分布。

另外可以想到，湿度传感器1具有没有温度模块200的加热元件30，反之亦然。

应当理解，对于本领域技术人员显而易见的各种修改和/或改进和/或组合可以应用于上述本发明的不同实施例，而不脱离所附权利要求中限定的本发明的框架。