集成電子傳感器的制作方法

專利名稱：集成電子傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子傳感器。
現有技術在電子工業中一個主要的驅動力是希望獲得更大的功能集成，使得生產更自動化并降低每單位的成本。當然，附加的優點是減小的尺寸以及由此更高的電路密度。更重要的是，對于電池應用來說，由于降低的寄生電容，所以更高的集成通常導致更低的能耗。然而，在傳感器領域中，尤其是在無線傳感器領域中，由于在將微控制器、A-D轉換
器(ADC)、存儲器、RF收發機和傳感器元件集成到一個集成的傳感器器件中碰到的困難，所以已經減慢了更高的集成。由于對于各種元件的材料處理的不兼容性，所以這些困難已經出現了。例如，通常在陶瓷或者玻璃襯底上制造傳感器元件，并且傳感器元件不可能容易地集成在硅上。RF收發機典型地由雙極晶體管構成，它們難以和其它技術例如CMOS集成在一起。而且，很多CMOS的高分辨率ADC是利用多晶一多晶電容器制成，它們遭受著襯底寄生效應、應力和失配效應的影響。而且，在IC處理中使用的鋁金屬化容易腐蝕，因此限制了對于某些類傳感器應用的有效性。US6724612和US6690569介紹了具有電子和傳感部件的傳感器器件，所述傳感部件是電容性的電極。然而，電極需要鉬或者金涂覆以及聚合物的沉積作為檢測濕度的電介質。這種處理不受大容量半導體處理的影響。本發明解決了這些問題。

發明內容
根據本發明，提供了一種集成傳感器器件，包括在半導體襯底中的MOS電路，具有互聯導體和絕緣電介質的互連級，所述級在襯底上面并互聯MOS電路，互連級包含具有嵌入互連電介質中的電極的傳感器，以及MOS電路包括處理來自傳感器電極的信號的處理器。在一個實施例中，傳感器包括多孔氧化物，用于導入被檢測的氣體或者濕度。在另一個實施例中，多孔氧化物是摻雜了碳的Si02。在再一個實施例中，傳感器是電容性傳感器。在一個實施例中，傳感器包括在傳感器電極上的鈍化層。在另一個實施例中，多孔氧化物沉積在鈍化層上，并且MOS電路檢測電極之間的邊緣場的變化。在再一個實施例中，包括在互連級之間的刻蝕阻止層，并且鈍化層是和刻蝕阻止材料相同的組成物。在一個實施例中，鈍化層是Si3N4的組成物。在另一個實施例中，鈍化層在檢測電極上凹進。
在再一個實施例中，在凹槽中有多孔氧化物膜。在一個實施例中，多孔氧化物位于電極之間并且被暴露出來。在另一個實施例中，MOS電路在垂直維度上直接位于傳感器之下。在再一個實施例中，MOS電路包括溫度傳感器。在一個實施例中，溫度傳感器包括PNP晶體管。在另一個實施例中，MOS電路包括微控制器，用于處理氣體或者來自該氣體或濕度傳感器的濕度信號和來自溫度傳感器的溫度信號，以提供增強的輸出。在再一個實施例中，增強的輸出是校正了溫度的氣體或者濕度的讀數。在一個實施例中，傳感器包括沉積在傳感器電極上的聚酰亞胺。在另一實施例中，MOS電路包括連接在傳感器電極和處理器之間的AD轉換器。在再一個實施例中，AD轉換器包括具有圍繞有效的(active) AD轉換器電容器的恒定布局(topography)的虛擬電容器的陣列。在一個實施例中，還包括發光二極管。在另一個實施例中，在深入到傳感器電極的較低橫向互連級中的溝槽中形成所述
二極管。 在再一個實施例中，該器件包括光電檢測二極管。在一個實施例中，所述二極管位于傳感器電極的較低橫向互連級中的深溝槽中。在另一個實施例中，MOS電路包括無線收發機。在再一個實施例中，無線收發機用于和網絡中的其它節點通信，并且它包括當檢測到干擾時根據低頻信道切換方案切換信道頻率的裝置。在一個實施例中，互連級包括低噪聲放大器。在另一個實施例中，低噪聲放大器包括在導體下面的應變硅區。在再一個實施例中，應變硅在襯底上面的第五或者第六互連級中。在一個實施例中，傳感器包括連接在器件的上表面上的焊盤之間的檢測元件。在另一個實施例中，元件是檢測氣體的薄膜。在再一個實施例中，元件是氧化鋅的組成物。在一個實施例中，所述元件檢測聲音，并且MOS電路包括用于處理來自元件的信號的音頻處理器。在本發明的另一個方案中，提供了一種制造上述實施例中的任何一個的傳感器器件的方法，該方法包括以下步驟在襯底中制造MOS電路，根據互連設計在相繼的制造周期中制造互連級，以互連MOS電路，以及在最后的互連級中制造傳感器電極和電介質。在一個實施例中，該方法還包括在頂部互連級上沉積鈍化層的步驟。在另一實施例中，該方法包括在互連級中的每層電介質上沉積刻蝕阻止層以及在頂部互連級電介質上沉積刻蝕阻止材料以提供鈍化層的步驟。在再一個實施例中，提供多孔氧化物作為較低互連級中的電介質，并使用通常的氧化物作為較高互連級中的電介質。在一個實施例中，在較高互連級中沉積應變的低噪聲放大器，所述放大器包括應變的硅區域。本發明的具體描述附圖的簡要說明從僅僅參考附圖借助于例子給出的其一些實施例的下述描述可以更清楚地理解本發明，其中圖I是本發明的單芯片無線傳感器器件的方框圖；圖2是表示用于制造該器件的工藝的流程圖；圖3 (a)是器件的橫截面圖，圖3 (b)是檢測電極的平面圖；而圖3 (C)是示出了
電極之間的邊緣場的范圍的圖；圖4是器件的AD轉換器的示意圖；圖5是示出了替換實施例的傳感器部件的圖；圖6和7是替換傳感器部件的橫截面圖；圖8是用于最終封裝的密封(potting)裝置的圖；圖9是傳感器器件的12位SARAD轉換器的電路圖；

圖10是用于SAR轉換器的電容器陣列的布局圖；圖11是器件的微控制器的方框圖；圖12是示出了在器件的應變硅晶體管中的子表面電流流動路徑的橫截面圖；圖13是表示無線收發機的頻率選擇的圖；圖14示出了用于本發明的器件的通信方案；圖15是氣體檢測器件的橫截面圖；圖16是音頻傳感器的示意性橫截面圖；以及圖17是一個實施例中器件的LED和光電二極管的橫截面圖。
具體實施例方式氣體/濕度傳感器實施例參考圖I，單芯片無線傳感器I包括通過傳送/接收接口 3連接到無線天線4的微控制器2。微控制器2還連接到8kB的RAM5、USB接口 6、RS232接口 8、64kB的閃存存儲器9和32kHz的晶體10。在這個實施例中，器件I檢測濕度和溫度，并且濕度傳感器11通過18位Σ AAD轉換器12連接到微控制器2，以及溫度傳感器13通過12位的SARAD轉換器14連接到微控制器2。器件I是在單個工藝中制造的單個集成芯片，其中在該單個工藝中使用標準CMOS處理技術制造電子和傳感器部件，應用該技術以在集成工藝中獲得電子和檢測部件。現在參考圖2、3 (a)、3 (b)和3 (C)更具體地描述制造工藝20，并且其包括步驟21 到 27。21,前端處理用CMOS阱、隔離氧化、多晶硅和注入處理硅襯底41，以形成MOS元件，如在CMOS處理中公知的。而且，在襯底中形成對溫度敏感的PNP晶體管，以提供傳感器13。22,較低互連和電介質沉積形成第一、第二和第三互連級42。這包括多孔低K 二氧化硅電介質42 (a)的化學汽相沉積(CVD)，以及刻蝕和鍍銅操作三個周期，以提供互連軌跡42 (b)。為了限制下一周期中刻蝕的范圍，每個周期都在刻蝕阻止層42 (c)的沉積中完成。刻蝕阻止材料是氮化硅Si3N4。每個周期的二氧化硅、互連金屬和刻蝕阻止形成第一互連的三級堆棧42。對于部件之間更快的信號傳輸來說，使用低K電介質允許了低電容。23,較高互連和CVD電介質沉積形成第四和第五互連級43。還存在電介質沉積和電鍍金屬互連兩個周期。然而，在這兩個周期中，為了使結構強度更好，電介質是“常規的”SiO2 (非多孔)43 (a)，以抵消較低級42中的多孔電介質的較弱的機械強度。此外，這些周期包括標準CMOS技術。第五級包括具有內部溫度監控器的加熱元件43 ( b )，用于以即時的溫度監控來對濕度傳感器11進行即時的加熱和清潔。而且，作為形成第四和第五級的一部分，該工藝增加了用于電容器頂端金屬(CTM)的薄金屬板,在它們之間具有薄層(O. 04 μ m)的SiO2電介
質，以形成用于這兩個AD轉換器的混合信號的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。24, SiOJ^l CVD 沉積，檢測級形成互連/檢測層44。這只是前面的互連和電鍍周期之后的下一次重復或者循環，并且實際上電介質是和用于之前緊鄰的周期的“常規” SiO2相同。然而，作為電鍍頂部互連層44的完整部分，形成檢測濕度的電容性的互相交叉的指(電極)45和參考電容性的互相交叉的指(電極)46。選擇指的尺寸和間隔以適應應用。在這個實施例中，指45和46具有O. 5μπι的間隔。在圖3 (b)中更清楚地示出了該設置。使用介電常數Kox為3. 9的氧化物，這產生的電容為Cox=^s- == 0.000069F/ W2 =0.069,/從M2
Tm 0.5 X Ir*每個實際的電容性結構大概是焊接盤的尺寸，允許每個指具有4000 μ m的總長度。對于I μ m的金屬厚度，這給出了傳感器的電容為O. 276pF。然而，由于邊緣分量(fringing component),所以兩個緊密間隔的狹窄導體之間的電容可能比簡單平行板的計算值大10%到30%。25, Si2N1鈍化層的沉積以類似于常規刻蝕阻止層的方式通過CVD沉積鈍化層48，因為其也為Si3N4。然而，鈍化層48大約3 — 5 μ m厚，以提供對器件I的物理保護和防潮層。26，在檢測電極上刻蝕鈍化層將檢測電極45上的鈍化層48的那個部分刻蝕到90%的深度，以在檢測電極上留下大約O. I μ m深度的薄Si3N4層48 (a)。27,多孔氧化物的CVD沉積現在通過CVD在步驟26中形成的凹槽中沉積與在前三個級中用作電介質的材料相同的材料。這是具有大比表面積的檢測濕度的膜49。氣體或者濕氣的進入導致多孔電介質的介電常數的變化。這導致下面的檢測電極45電容的變化。從上面可以理解的是，使用標準深亞微米CMOS處理技術，由此獲得完全集成的產品。使用相同的電介質和互連金屬層，和芯片的其余部分同時地制成了該傳感器。對于該傳感器I的大批量可制造性，這種‘標準CMOS’方法非常有益。顯然至今還沒有嘗試這種方法，這是由于這樣的感受，即這種傳感器將需要聚合物以及鍍金或鍍鉬和/或將被認為是現代CMOS晶片制造工廠中的污染物的其它非標準材料。為了獲得減小的電容而進行的基于SiO2的組成物的研發打破了內部晶格結構。這使得它們多孔并經受濕氣或者氣體滲透。而且，在傳感器結構中使用CMOS處理的氮化硅(Si3N4)以獲得刻蝕阻止層，來擔當保護集成器件的阻擋層。在上述實施例中，Si3N4層在檢測部件上面，并且當在非常潮濕的環境中這種滲透可能腐蝕電極時，它對于被檢測濕氣的進入擔當阻擋物的作用。因此檢測是基于利用彈簧(spring)效應，這在下面闡述。器件I的使用在使用中，濕氣進入到膜49中，使得它影響其介電常數，以及由此影響檢測指45之間的邊緣場。這在圖3 (c)中用線55表示。即使通過層48的薄部分48 (a)阻止濕氣進入檢測指45之間的間隔，這也會發生。傳感器I依賴于電極之間的場的這個邊緣分量55。對于所述的4000 μ m、0. 27pF的結構，邊緣分量大約是25到50fF。由于18位Σ Λ AD轉換器的緊密接近(直接位于傳感器下方)，所以可以檢測非常小的電容變化，即使在邊緣場。在圖4中示出這個轉換器，其中檢測指45是Cs，而參考指46是Cr。這些電容形成第二級過采樣希格瑪德耳塔調制器的微分前端，表示傳感器和轉換器部件之間的集成等級。Vr和Vs提供比例和偏移補償。通過使用抽取(decimation)濾波器來對每秒的采樣數量和過采樣比例進行折中而獲得了非常高的分辨率。參考圖5，在該實施例中，在鈍化層51的頂部沉積(或者印制)多孔材料50，消除了多余的刻蝕步驟。然而，如果鈍化層的厚度大約是例如3 μ m，那么傳感器電容器指45的間隔必須增加到大約大于等于5 μ m,以使得邊緣電容分量仍表示總電容的可測量比例。對于4000 μ m的傳感器結構，現在將總電容降低為大約27fF，現在可變的邊緣分量在3到5fF的區域內。現在1%或者2%的濕度變化產生了小于千萬億分之一法拉的電容變化，通過該高度過采樣的微分希格瑪德耳塔高分辨率的轉換器仍然可以檢測該變化。18位的分辨率還提供了非常大的動態范圍，能夠使轉換器容易地應對晶片和晶片以及批量和批量之間不同氧化物和不同孔尺寸的高度可變的和非線性的電容相對于濕度的特性。參考圖6，在這個實施例中，使用標準CMOS處理，而不需要多余的處理步驟。通常使用聚酰亞胺作為硅芯片上的‘減輕應力’的涂層。通常用稍微大尺寸形式的焊盤掩模來確定聚酰亞胺的設置。在這個例子中，聚酰亞胺掩模包括從參考電容器上消除聚酰胺60的額外開口。由于聚酰亞胺是多孔的，所以現在檢測電容器上的部分經歷了電容相對于濕度的微小變化。參考圖7，在這個實施例中，在器件的所有互連級中使用多孔的低K氧化物電介質，使得傳感器器件在電容性的互相交叉的指71之間具有多孔的低K電介質70。通過在傳感器結構上放置‘虛擬的’焊盤鈍化層開口，露出檢測指71上面的表面72，用于在焊盤刻蝕的過程中使濕氣進入到指之間的電介質中。這在除了檢測電容指71之外的整個區域上剩下了鈍化層73。這個實施例具有這樣的優點，即使用標準CMOS工藝，而不需要額外的掩模。然而，它允許了濕氣靠近電容指71。然而，對于很多的應用來說這不是問題，例如對于傳感器每幾分鐘只經受一次幾毫秒的幾毫伏的低濕度辦公環境。圖8示出了用于封入單芯片無線傳感器的簡單密封裝置。傳感器I通過導電粘接劑81粘接到電池，并存在封裝82。使用模型(former)以保持檢測部件上的區域清楚。用封裝82包圍所有的其它區域，該封裝提供物理保護，以及如果連續暴露于非常潮濕的環境中，也保護芯片和電池端子使其不腐蝕或者不電解退化。除了 RF天線導線83之外，任何地方都沒有露出金屬。或者，如果物理保護不太重要和/或如果對溫度變化的響應時間更重要，則可以沒有封裝。溫度傳感器除了上述的金屬加熱器溫度傳感器43 (b)之外，還可以形成襯底PNP溫度傳感器13作為襯底41的完整部分，如圖3 (a)所示的。這依賴于基極發射結的公知的-2. 2mV / V Vbe特性。通過使濕度和溫度傳感器組合在一個器件中，可能存在通過微控制器計算的增強讀數，也就是露點。這些和微控制器2和閃存存儲器9 一起，允許使用標度(scaling)和刻度(calibration)的查找表，以實現精度在O. 5°C內。參考圖9，示出了 12位的SAR轉換器14。該轉換器測量PNP的Vbe電壓或者在如所示的橋結構中的金屬加熱器的監控器的與溫度有關的電阻。如下所述，在沒有任何校準電路的情況下，轉換器實現12位的分辨率。參考圖10，用于轉換器14的電容器陣列處于級的中心，并且它被八個類似的虛擬陣列90圍繞，以保證轉換器14中的關鍵陣列電容器的恒定形狀和良好的匹配。通過耦合電容器Ce將陣列分割成7個上面的位和5位子DAC。這和7X7 μ m的小單元電容器尺寸一起保持整個陣列電容(Cs)大約在8pF，足夠小的電容使得可以用所示的芯片上的緩沖放大器來有效地驅動它，并且足夠小的電容還使得由于氧化物厚度的梯度或者其它工藝參數而引起的整體的不匹配最小化。在IOOKHz的采樣頻率時，kT/C噪聲圖是140nV，遠遠低于12位LSB尺寸。在金屬5 (第五級)上，對于襯底來說電容器具有非常小的寄生電容，簡化了成比例的電容器的匹配。這些電容器的金屬-絕緣體-金屬(MM)結構導致低的電壓和溫度系數以及寄生電阻。閃存微控制器在和傳感器相同的芯片上具有8位微控制器2和64KB閃存存儲器9能夠使得在精度和功能上有顯著的改進。這是因為實現了在各種溫度條件上的實時連續校準或者現場校準。這些數量的存儲器也足夠適應整個IEEE802. 15. 4協議和Zigbee軟件棧以執行信標(beacon)、對等、星形和網狀網絡連接、現代無線傳感器網絡的關鍵需求。片上調節器產生
I.2V，其給在薄氧化物最小幾何形狀器件上制造的微控制器、存儲器塊和無線RF收發機中的大部分供電。為了有助于更低的功率，在厚氧化物的3. 3V晶體管上實現時間間隔的計數器和微控制器的中斷邏輯的一部分，如圖11所示。這意味著，當芯片在睡眠狀態或者斷電模式時可以關閉調節器，消除調節器的DC偏置電流。這和3V晶體管的幾乎為零的亞閾值泄漏一起導致顯著的電能節約和電池壽命的延長。當從斷電醒來時，通過依次操作傳感器、轉換器和無線收發機，微控制器還實現了噪聲和襯底串擾的減少。現在轉到無線收發機3，并且尤其是它的低噪聲放大器(LNA)Jf LNA設計成具有超低功率和低噪聲操作。參見圖12，對于前端LNA，通過在第五或第六級上的銅電感器以及使用應變硅MOS器件能夠實現這一點。該圖示出了硅鍺的薄層100，在其上面有薄應變硅層101，其具有比常規硅更高的載流子遷移率。多晶硅柵102在應變硅區域中產生溝道。然而，由于鍺的遷移率更高，所以晶體管電流中的大部分在子表面SiGe區域中流動，從而給出更低的噪聲操作和更高的增益。因此對于相同的增益，LNA可以在更低的電流下偏置，從而節省電池電能。銅比鋁具有更低的電阻，從而給出更高的Q因數(導致更高的接收器增益)。第五或者第六級銅也更厚(更低的電阻)，并更遠離襯底(更少的寄生電容)。參考圖13，示出了對于RF收發機3的頻率選擇。器件I在節點的無線網絡中形成節點。這可能是簡單的點對點鏈路或者星形或者網狀網絡。所有的節點使用固定的頻率，并且無線接口 3提供慢跳頻方案來防止干擾。其通過最初所有的節點使用相同的頻率來進行操作。當傳輸故障表示可能的干擾時，節點根據圖13中所示的算法而移動到不同的頻率。接著是所有節點的同步。為了跳頻方案能工作，用跳頻序列預編程所有的節點。而且，它們必須都被初始化到相同的信道中，使得它們可以“一起跳頻”，這通常是在安裝之后或者換電池之后。更具體而言，當安裝時(或者換電池時)，例如，安裝者通過按壓按鈕來手動將節點
放在“初始化”模式中。然后節點將它的接收機打開并“聽”例如信道O上的附近的節點傳輸(或者主信號)。如果在適當時間例如幾秒或者幾分鐘(因為當前信道可能堵塞)之后它什么都沒有接收到，則它步進到序列中的下一信道，并再次等候和收聽。最后，借助于這種方式，它應當從相鄰的節點接收信標或者數據包；然后它可以再次使它的計時器同步、請求跳頻間隔定時、加入序列并進入睡眠，一直到下一次跳頻和傳輸周期。這種初始化方法意味著，在安裝的時候節點僅必須保持一次“開啟”在全功率接收模式下；然后它在電池的I到3年壽命的99. 9%的時間(如802. 15. 4標準所定義的)中可以回到睡眠模式。由于802. 15.4標準允許高達4分鐘的睡眠周期，所以在這個持續時間中節點可以處于全功率接收模式。然而，實際上這是不可能的，因為安裝者將知道這個周期。使用頻譜分析器(或者手持無線“檢漏頭(sniffer)”)，他可以粗略地預測下一信標傳輸時間什么時候到，并剛剛在該時間之前按壓‘初始化’按鈕。參考圖14，該圖示出了使用慢跳頻方案的例子。它用在兩個建筑物120和125之間的長距離(200m)鏈路115上(在和計算機127連接的網關節點126上使用定向的14dBi的天線)。在第一建筑物120中實現節點121的標準802. 15. 4Zigbee固定信道星形網絡。這使得多供給方的能共同使用的節點安裝在星形網設施的監控應用中，而在更容易受到干擾的長距離關鍵鏈路(critical link)上采用慢跳頻算法。測試和校準對于濕度傳感器這通常是困難的，連同特殊包裝控制以及電連接一起，需要濕度受控制的特殊腔室。在本發明中，由于以標準CMOS工藝制造整個濕度傳感器，所以可以在晶片發貨之前在通常的晶片級測試時測試和校準該濕度傳感器。這利用了這樣的事實，即晶片探針和工廠測試區域通常運行在精確的濕度等級時，例如40%的相對濕度。可以將這種已知值存儲在片上閃存EEPROM存儲器中，以便隨后由微控制器在軟件控制下精確地校準輸出值時使用，或者它可以用在芯片的非閃存EEPROM形式中，以在40%的RH時熔斷多狀態保險絲(poly fuse)來校準傳感器。該I點校準對于很多應用可能足夠了，例如設置點周圍的辦公空調控制，通常為40 %。如果在更寬范圍濕度上需要更高的精度，那么可能需要第二校準點。這通過例如在85% RH時的密閉腔室中或者在干氮干燥劑腔室(O. 001% RH)中進行“第二通道(second-pass)”晶片探針來實現。盡管第二通道晶片測試增加了一些額外的成本，但是它顯著地低于基于封裝的測試。氣體檢測在另一個實施例中，如圖15所示，在鈍化層131上、在18位Σ AAD轉換器12的微分電容器132之一的位置處沉積氧化鋅和氧化鐵的薄膜130。通過溶膠凝膠工藝合成這些氧化物，將其加熱到大約120°C到200°C，然后通過混合噴墨沉積來進行沉積。薄膜意味著可以在傳感器結構中使用小的指間隔，并且高分辨率AD轉換器意味著可以使用小傳感器結構，并仍然導致電容可檢測的微小變化，甚至在室溫操作時也是如此。圖16示出了替換實施例，其中在頂部氧化物或者鈍化層141上沉積氧化鐵/氧化鋅140，但是其直接連接到頂部金屬層中的電極142，形成電阻器，其值通過18位轉換器可以作為橋式電路的一部分來確定。利用代替圖15的氧化物130的不同材料，可以使器件結構和生產工藝適應于檢測
不同的氣體，例如使用用于檢測氫氣的鈀，用于so2、h2s的氧化鋯，或者用于NO2的增塑聚乙烯氯化物，以及用于異丁烷的wo3。在每一種情況中，通過注入氣體、通過吸附或者物理吸附或者化學吸附改變檢測材料的導電率和介電常數。因此，交替使用15-電容性的和16-電阻性的實施例或者和片上緊密集成的高分辨率轉換器一起使用，以獲得非常低的ppm氣體濃度測量。音頻傳感器或者，為了聲音的靈敏性，可以在圖16所示的結構中應用壓電聚合物。轉換主要基于導電率的變化。在這種情況下，在MOS電路級，采用具有驅動18位AD轉換器的緩沖器的橋式電路，以捕獲音頻信號。音頻傳感器(麥克風)是遠程無線節點上有用的特征，例如，用于“聽”電機是否在運行、警鈴是否在響。由于IEEE 802. 15.4的0.1%的占空比，所以需要用于該音頻的設置；在802. 15. 4的2. 4GHz頻帶中的250Kb/s的最大數據速率對應于O. 1%占空比時250b/s的恒定不變的數據速率。采用可變比特率的音頻壓縮器塊(VBR)以獲得15 1或者更好的壓縮比例，實現3. 75Kb/S的有效比特速率，這對于很多工業的低級音頻需求是足夠的。光學傳感器參考圖17，該器件還可包括光發射器150和檢測器151。在通常處理的最后應用高度定向的深各向異性刻蝕，以完全刻蝕掉所有的六或者七層電介質，以露出光電二極管的光傳感器151、200μπιΧ500μπι的大PN結，其收集光子并產生相應的電流。在本實施例中，刻蝕還露出了多孔硅區域150，該區域是在工藝的開始時通過電化學刻蝕在該特殊區域中的襯底產生的。由于多孔硅的公知的發光特性，所以讓電流流過該區域使得它起到發光二極管(LED)的作用。放置在多孔區域周圍的隔離溝槽可以使泄漏到襯底的任何電流最小化，并且改善發光效率。對于本領域技術人員來說電化學刻蝕形成多孔硅是公知的，并且在一些CMOS工藝上是可以利用的，但是對于大部分CMOS工藝是不標準的。替換的LED結構是摻雜的聚合物有機發光器件。使用混合噴墨印刷，以圖16所示的方式直接將構圖的發光摻雜聚合物膜，例如聚乙烯咔唑(PVK)膜沉積到電極上。本發明不局限于所述的實施例，而是可以在結構和細節上變化。例如，除了銅之外可以使用其它的導體用于互連，例如鋁。而且，傳感器器件可以是不具有無線電或者微控制器或者閃存存儲器的“拆開(stripped down)”形式的傳感器，“濕度到數字”傳感器芯片。在這種情況下，通過在電壓參考電路和電容器陣列中熔斷各個多狀態保險絲實現AD和傳感器的校準。應當注意的是，測試不需要包括AD的每個編碼，由此明顯簡化了測試，并降低了成本。而且，可以在上面的實施例中所述的之外的方法和器件中獨立地或者組合地提供一些或者更多的下述特征使用應變硅作為低噪聲放大器，低頻信道選擇/跳頻，具有復制的電容器陣列的SAR，多孔硅LED， 音頻的壓電聚合物麥克風傳感器，低占空比的音頻壓縮和傳輸，微控制器特征。
權利要求
1.ー種集成傳感器器件，包括 在半導體襯底中的MOS電路， 傳感器，包括用于使被檢測的氣體或者濕氣進入的傳感器多孔材料，以及傳感器電極； 各自具有互連導體和絕緣電介質的互連級，所述互連級在該襯底上并對所述MOS電路進行互連， 所述傳感器電極嵌入互連電介質中并且被形成作為所述互連級中的頂部互連級的互連導體的完整部分， 其中傳感器是電容性傳感器， 其中傳感器電極是電容性電極，并且 其中所述MOS電路包括用于處理來自該傳感器電極的信號的電路。
2.如權利要求I所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括用于使被檢測的氣體或者濕氣進入的多孔氧化物。
3.如權利要求2所述的集成傳感器器件，其中該多孔氧化物是摻雜了碳的Si02。
4.如權利要求2所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括在該傳感器電極上的鈍化層。
5.如權利要求4所述的集成傳感器器件，其中該多孔氧化物在該鈍化層上，并且所述MOS電路檢測所述傳感器電極之間的邊緣場的變化。
6.如權利要求5所述的集成傳感器器件，包括在所述互連級之間的刻蝕阻止層，并且所述鈍化層具有和該刻蝕阻止層的材料相同的組成物。
7.如權利要求6所述的集成傳感器器件，其中該鈍化層具有Si3N4組成物。
8.如權利要求4至7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中該鈍化層在該傳感器電極上凹進。
9.如權利要求8所述的集成傳感器器件，其中在凹槽中存在多孔氧化物膜。
10.如權利要求2或3中的任一項所述的集成傳感器器件，其中該多孔氧化物處于所述傳感器電極之間并被暴露出來。
11.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路在垂直維度上直接位于該傳感器下面。
12.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路包括溫度傳感器。
13.如權利要求12所述的集成傳感器器件，其中該溫度傳感器包括PNP晶體管。
14.如權利要求12所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路包括微控制器，用于處理來自氣體或者濕度傳感器的氣體或者濕度信號和來自該溫度傳感器的溫度信號，以提供増強的輸出。
15.如權利要求14所述的集成傳感器器件，其中所述增強的輸出是校正了溫度的氣體或者濕度的讀數。
16.如權利要求I所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括聚酰亞胺。
17.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路包括連接在所述傳感器電極和所述處理器之間的AD轉換器。
18.如權利要求17所述的集成傳感器器件，其中該AD轉換器包括具有圍繞有效的AD轉換器電容器的恒定布局的虛擬電容器的陣列。
19.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，還包括發光二極管。
20.如權利要求19所述的集成傳感器器件，其中在深入到該傳感器電極的較低橫向互連級的溝槽中形成所述ニ極管。
21.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中該器件包括光電檢測器ニ極管。
22.如權利要求21所述的集成傳感器器件，其中所述ニ極管位于該傳感器電極的較低橫向互連級中的深溝槽中。
23.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路包括無線收發機和低噪聲放大器。
24.如權利要求23所述的集成傳感器器件，其中該無線收發機用于和網絡中的其它節點通信，并且它包括用于當檢測到干擾時根據低頻信道切換方案來切換信道頻率的裝置。
25.如權利要求23所述的集成傳感器器件，其中互連級包括用于該低噪聲放大器的電感器。
26.如權利要求25所述的集成傳感器器件，其中該低噪聲放大器包括在導體下面的應變硅區。
27.如權利要求25或者26所述的集成傳感器器件，其中該電感器處在該襯底上面的第五或者第六互連級中。
28.如權利要求1-7中的任一項所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括該器件的上表面上的焊盤，和連接在所述焊盤之間的檢測元件。
29.如權利要求28所述的集成傳感器器件，其中該元件是檢測氣體的薄膜。
30.如權利要求29所述的集成傳感器器件，其中該元件是氧化鋅的組成物。
31.如權利要求28所述的集成傳感器器件，其中所述元件檢測聲音，并且所述MOS電路包括用于處理來自該元件的信號的音頻處理器。
32.—種制造權利要求I所述的傳感器器件的方法，該方法包括以下步驟 在該襯底中制造所述MOS電路， 根據互連設計在相繼的制造周期中制造互連級，以互連所述MOS電路，和 在最后的互連級中制造所述傳感器電極和電介質。
33.如權利要求32所述的方法，還包括在該頂部互連級上沉積鈍化層的步驟。
34.如權利要求33所述的方法，包括在所述互連級中的每層電介質上沉積刻蝕阻止層，以及在該頂部互連級電介質上沉積刻蝕阻止材料以提供該鈍化層的步驟。
35.如權利要求32所述的方法，其中設置多孔氧化物作為較低互連級中的所述電介質，并使用常規的氧化物作為較高互連級中的電介質。
全文摘要
一種集成傳感器及其制造所述器件的方法，該器件包括在半導體襯底中的MOS電路，具有互連導體和絕緣電介質的互連級，所述級在襯底上并互連MOS電路，互連級包含具有嵌入互連電介質中的電極的傳感器，以及MOS電路包括用于處理來自傳感器電極的信號的處理器。
文檔編號H01L27/15GK102854229SQ20121028894
公開日2013年1月2日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年4月2日
發明者蒂莫西·卡明斯 申請人:硅實驗室公司