[發明專利]集成電容式濕度傳感器

有效

• 申請號: 201710105978.8
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN107121461B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 張青;穆罕默德·馬赫布卜·喬杜里;古爾·澤布
• 申請（專利權）人: 恩智浦美國有限公司
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;H01L21/8238
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 倪斌

本公開提供了由電容式濕度傳感器組成的半導體裝置、由密封的裝置組成的封裝和在半導體裝置內形成電容式濕度傳感器的方法，該電容式濕度傳感器由潮濕敏感聚合物層組成，該潮濕敏感聚合物層電接枝到定位于CMOS襯底或組合的MEMS和CMOS襯底上的導電金屬層且暴露于通過鈍化層的開口內。

技術領域

本公開大體上涉及用于化學感測的結構，并且更具體地說，涉及例如集成到互補金屬氧化物半導體(CMOS)襯底或相似的結構中的電容式濕度傳感器。

背景技術

在很多自動化工業過程和氣候控制系統中，常常必須感測和控制環境濕度水平。電容式相對濕度傳感器廣泛用于各種應用領域中，例如儀器、自動化系統和氣候學，以監測和檢測濕度水平。

當暴露于周圍區域的大氣濕度條件時，濕度傳感器利用敏感材料(例如，介電聚合物)的物理和電特性中的改變。原則上，通過電容型有機聚合物膜濕度傳感器，吸附的水蒸氣占據聚合物分子之間的自由空間，并且聚合物的介電常數與吸附的水的量成比例地線性改變。因此，基于水分子的吸附或解吸附的量和感測材料的介電常量的所得變化，以及因此該感測材料的電容中的改變，電容型濕度傳感器提供濕度的測量值。因此，通過測量感測材料的電容的改變來直接檢測濕度改變。

一般而言，電容傳感器的典型配置是或者每側上具有兩個電極表面的夾層結構，或者具有梳狀電鍍物品和沉積于梳狀電鍍物品之間的感測材料(例如，介電聚合物)的叉指形結構。

已經進行各種嘗試以將濕度和其它化學電容傳感器集成到CMOS結構中。例如，已經通過形成底部電極、沉積化學敏感聚合物層(例如，聚酰亞胺)，且然后圖案化一組頂部電極(例如，導體)來制作電容式濕度傳感器。然而，該結構難以與測試電子器件集成。此外，將敏感材料層放置在兩個金屬層之間需要超出傳統CMOS的大量處理。

另一個嘗試涉及用化學敏感聚合物涂覆叉指形金屬電極。雖然該做法消除在敏感層上面和下面具有金屬的必要性，但是通過襯底在電極之下創建大型并聯電容。

產生到CMOS結構中的集成化學電容傳感器的另一個技術涉及選擇性蝕刻CMOS的介電質，以暴露核心金屬層(串聯電連接在兩個其它金屬粘附層之間)。然后蝕刻暴露的核心金屬層，以形成兩個金屬粘附層之間的空腔。然后用能夠選擇性地吸附將被感測的化學制品的環境敏感介質材料充滿空腔。對于濕度應用，使用聚合物例如聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚(對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚砜(PSF)、乙酸丁酸纖維素(CAB)和聚乙炔基芴醇(PEFI)。然后，金屬粘附層用作環境敏感電容器的頂部電極和底部電極。然而，該方法需要CMOS過程流程的修改，以接納濕度傳感器的并入。

發明內容

根據本發明的一個方面，提供一種用于形成半導體裝置的方法，包括：在IC襯底的表面上形成第一導電金屬層；將潮濕敏感聚合物層電接枝到所述第一導電金屬層上；以及在所述襯底上方形成鈍化層，其中所述聚合物層通過所述鈍化層中的一個或多個開口暴露；其中當所述聚合物層暴露于環境空氣時，所述聚合物層充當電容式濕度感測元件。

可選地，所述電接枝包括：將含水的酸性電接枝組合物施加到所述第一導電金屬層的表面，其中所述組合物包括溶劑、芳基重氮鹽、乙烯基酯單體化合物和酸性組分，以維持1到2的pH；以及將電勢施加到所述金屬層的所述表面以形成芳基的引物層，然后將乙烯基單體附加和聚合到所述引物層上，以形成所述金屬層的所述表面上的電接枝聚合物層。

可選地，所述聚合物層包括聚乙烯酯。

可選地，從由聚乙烯甲基丙烯酸脂(PVM)、聚苯甲酸乙烯酯(PVG)、聚乙烯巴豆酸酯(PVCr)、聚乙烯肉桂酸酯(PVCi)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構成的組中選擇所述聚乙烯酯，以及所述聚乙烯酯包括由羧基(-COOH)、羥基(-OH)和胺基(-NH2)基團構成的組中選擇的官能團。

可選地，所述第一導電金屬層包括一對叉指形感測電極，并且所述聚合物層電接枝到所述對感測電極。