專利名稱：集成電子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子傳感器。
現(xiàn)有技術(shù)在電子工業(yè)中一個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)力是希望獲得更大的功能集成，使得生產(chǎn)更自動(dòng)化并降低每單位的成本。當(dāng)然，附加的優(yōu)點(diǎn)是減小的尺寸以及由此更高的電路密度。更重要的是，對(duì)于電池應(yīng)用來(lái)說(shuō)，由于降低的寄生電容，所以更高的集成通常導(dǎo)致更低的能耗。
然而，在傳感器領(lǐng)域中，尤其是在無(wú)線傳感器領(lǐng)域中，由于在將微控制器、A-D轉(zhuǎn)換器(ADC)、存儲(chǔ)器、RF收發(fā)機(jī)和傳感器元件集成到一個(gè)集成的傳感器器件中碰到的困難，所以已經(jīng)減慢了更高的集成。由于對(duì)于各種元件的材料處理的不兼容性，所以這些困難已經(jīng)出現(xiàn)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(fā)機(jī)典型地由雙極晶體管構(gòu)成，它們難以和其它技術(shù)例如CMOS集成在一起。而且，很多CMOS的高分辨率ADC是利用多晶-多晶電容器制成，它們?cè)馐苤r底寄生效應(yīng)、應(yīng)力和失配效應(yīng)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(duì)于某些類傳感器應(yīng)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，電極需要鉑或者金涂覆以及聚合物的沉積作為檢測(cè)濕度的電介質(zhì)。這種處理不受大容量半導(dǎo)體處理的影響。
本發(fā)明解決了這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種集成傳感器器件，包括在半導(dǎo)體襯底中的MOS電路，具有互聯(lián)導(dǎo)體和絕緣電介質(zhì)的互連級(jí)，所述級(jí)在襯底上面并互聯(lián)MOS電路，互連級(jí)包含具有嵌入互連電介質(zhì)中的電極的傳感器，以及MOS電路包括處理來(lái)自傳感器電極的信號(hào)的處理器。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器包括多孔氧化物，用于導(dǎo)入被檢測(cè)的氣體或者濕度。
在另一個(gè)實(shí)施例中，多孔氧化物是摻雜了碳的SiO2。
在再一個(gè)實(shí)施例中，傳感器是電容性傳感器。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器包括在傳感器電極上的鈍化層。
在另一個(gè)實(shí)施例中，多孔氧化物沉積在鈍化層上，并且MOS電路檢測(cè)電極之間的邊緣場(chǎng)的變化。
在再一個(gè)實(shí)施例中，包括在互連級(jí)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(gè)實(shí)施例中，鈍化層是Si3N4的組成物。
在另一個(gè)實(shí)施例中，鈍化層在檢測(cè)電極上凹進(jìn)。
在再一個(gè)實(shí)施例中，在凹槽中有多孔氧化物膜。
在一個(gè)實(shí)施例中，多孔氧化物位于電極之間并且被暴露出來(lái)。
在另一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施例中，MOS電路包括溫度傳感器。
在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器包括PNP晶體管。
在另一個(gè)實(shí)施例中，MOS電路包括微控制器，用于處理氣體或者來(lái)自該氣體或濕度傳感器的濕度信號(hào)和來(lái)自溫度傳感器的溫度信號(hào)，以提供增強(qiáng)的輸出。
在再一個(gè)實(shí)施例中，增強(qiáng)的輸出是校正了溫度的氣體或者濕度的讀數(shù)。
在一個(gè)實(shí)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(shí)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(zhuǎn)換器。
在再一個(gè)實(shí)施例中，AD轉(zhuǎn)換器包括具有圍繞有效的(active)AD轉(zhuǎn)換器電容器的恒定布局(topography)的虛擬電容器的陣列。
在一個(gè)實(shí)施例中，還包括發(fā)光二極管。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在深入到傳感器電極的較低橫向互連級(jí)中的溝槽中形成所述二極管。
在再一個(gè)實(shí)施例中，該器件包括光電檢測(cè)二極管。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述二極管位于傳感器電極的較低橫向互連級(jí)中的深溝槽中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，MOS電路包括無(wú)線收發(fā)機(jī)。
在再一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)線收發(fā)機(jī)用于和網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)通信，并且它包括當(dāng)檢測(cè)到干擾時(shí)根據(jù)低頻信道切換方案切換信道頻率的裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，互連級(jí)包括低噪聲放大器。
在另一個(gè)實(shí)施例中，低噪聲放大器包括在導(dǎo)體下面的應(yīng)變硅區(qū)。
在再一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變硅在襯底上面的第五或者第六互連級(jí)中。
在一個(gè)實(shí)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(cè)元件。
在另一個(gè)實(shí)施例中，元件是檢測(cè)氣體的薄膜。
在再一個(gè)實(shí)施例中，元件是氧化鋅的組成物。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述元件檢測(cè)聲音，并且MOS電路包括用于處理來(lái)自元件的信號(hào)的音頻處理器。
在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，提供了一種制造上述實(shí)施例中的任何一個(gè)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(jù)互連設(shè)計(jì)在相繼的制造周期中制造互連級(jí)，以互連MOS電路，以及在最后的互連級(jí)中制造傳感器電極和電介質(zhì)。
在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括在頂部互連級(jí)上沉積鈍化層的步驟。
在另一實(shí)施例中，該方法包括在互連級(jí)中的每層電介質(zhì)上沉積刻蝕阻止層以及在頂部互連級(jí)電介質(zhì)上沉積刻蝕阻止材料以提供鈍化層的步驟。
在再一個(gè)實(shí)施例中，提供多孔氧化物作為較低互連級(jí)中的電介質(zhì)，并使用通常的氧化物作為較高互連級(jí)中的電介質(zhì)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在較高互連級(jí)中沉積應(yīng)變的低噪聲放大器，所述放大器包括應(yīng)變的硅區(qū)域。
本發(fā)明的具體描述附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明從僅僅參考附圖借助于例子給出的其一些實(shí)施例的下述描述可以更清楚地理解本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明的單芯片無(wú)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(cè)電極的平面圖；而圖3(c)是示出了電極之間的邊緣場(chǎng)的范圍的圖；圖4是器件的AD轉(zhuǎn)換器的示意圖；圖5是示出了替換實(shí)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(zhuǎn)換器的電路圖；圖10是用于SAR轉(zhuǎn)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(yīng)變硅晶體管中的子表面電流流動(dòng)路徑的橫截面圖；圖13是表示無(wú)線收發(fā)機(jī)的頻率選擇的圖；
圖14示出了用于本發(fā)明的器件的通信方案；圖15是氣體檢測(cè)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(gè)實(shí)施例中器件的LED和光電二極管的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
氣體/濕度傳感器實(shí)施例參考圖1，單芯片無(wú)線傳感器1包括通過(guò)傳送/接收接口3連接到無(wú)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(chǔ)器9和32kHz的晶體10。在這個(gè)實(shí)施例中，器件1檢測(cè)濕度和溫度，并且濕度傳感器11通過(guò)18位ΣΔAD轉(zhuǎn)換器12連接到微控制器2，以及溫度傳感器13通過(guò)12位的SAR AD轉(zhuǎn)換器14連接到微控制器2。
器件1是在單個(gè)工藝中制造的單個(gè)集成芯片，其中在該單個(gè)工藝中使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理技術(shù)制造電子和傳感器部件，應(yīng)用該技術(shù)以在集成工藝中獲得電子和檢測(cè)部件。
現(xiàn)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(duì)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(zhì)沉積形成第一、第二和第三互連級(jí)42。這包括多孔低K二氧化硅電介質(zhì)42(a)的化學(xué)汽相沉積(CVD)，以及刻蝕和鍍銅操作三個(gè)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(gè)周期都在刻蝕阻止層42(c)的沉積中完成?？涛g阻止材料是氮化硅Si3N4。每個(gè)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(jí)堆棧42。對(duì)于部件之間更快的信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，使用低K電介質(zhì)允許了低電容。
23，較高互連和CVD電介質(zhì)沉積形成第四和第五互連級(jí)43。還存在電介質(zhì)沉積和電鍍金屬互連兩個(gè)周期。然而，在這兩個(gè)周期中，為了使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好，電介質(zhì)是“常規(guī)的”SiO2(非多孔)43(a)，以抵消較低級(jí)42中的多孔電介質(zhì)的較弱的機(jī)械強(qiáng)度。此外，這些周期包括標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)。
第五級(jí)包括具有內(nèi)部溫度監(jiān)控器的加熱元件43(b)，用于以即時(shí)的溫度監(jiān)控來(lái)對(duì)濕度傳感器11進(jìn)行即時(shí)的加熱和清潔。而且，作為形成第四和第五級(jí)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(0.04μm)的SiO2電介質(zhì)，以形成用于這兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換器的混合信號(hào)的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。
24，SiO2的CVD沉積，檢測(cè)級(jí)形成互連/檢測(cè)層44。這只是前面的互連和電鍍周期之后的下一次重復(fù)或者循環(huán)，并且實(shí)際上電介質(zhì)是和用于之前緊鄰的周期的“常規(guī)”SiO2相同。然而，作為電鍍頂部互連層44的完整部分，形成檢測(cè)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(yīng)應(yīng)用。在這個(gè)實(shí)施例中，指45和46具有0.5μm的間隔。在圖3(b)中更清楚地示出了該設(shè)置。使用介電常數(shù)Kox為3.9的氧化物，這產(chǎn)生的電容為Cox=koxe0Tox=3.9*8.85×10-120.5×10-6=0.000069F/m2=0.069fF/μm2]]>每個(gè)實(shí)際的電容性結(jié)構(gòu)大概是焊接盤的尺寸，允許每個(gè)指具有4000μm的總長(zhǎng)度。對(duì)于1μm的金屬厚度，這給出了傳感器的電容為0.276pF。然而，由于邊緣分量(fringing component)，所以兩個(gè)緊密間隔的狹窄導(dǎo)體之間的電容可能比簡(jiǎn)單平行板的計(jì)算值大10％到30％。
25，Si3N4鈍化層的沉積以類似于常規(guī)刻蝕阻止層的方式通過(guò)CVD沉積鈍化層48，因?yàn)槠湟矠镾i3N4。然而，鈍化層48大約3-5μm厚，以提供對(duì)器件1的物理保護(hù)和防潮層。
26，在檢測(cè)電極上刻蝕鈍化層將檢測(cè)電極45上的鈍化層48的那個(gè)部分刻蝕到90％的深度，以在檢測(cè)電極上留下大約0.1μm深度的薄Si3N4層48(a)。
27，多孔氧化物的CVD沉積現(xiàn)在通過(guò)CVD在步驟26中形成的凹槽中沉積與在前三個(gè)級(jí)中用作電介質(zhì)的材料相同的材料。這是具有大比表面積的檢測(cè)濕度的膜49。氣體或者濕氣的進(jìn)入導(dǎo)致多孔電介質(zhì)的介電常數(shù)的變化。這導(dǎo)致下面的檢測(cè)電極45電容的變化。
從上面可以理解的是，使用標(biāo)準(zhǔn)深亞微米CMOS處理技術(shù)，由此獲得完全集成的產(chǎn)品。使用相同的電介質(zhì)和互連金屬層，和芯片的其余部分同時(shí)地制成了該傳感器。對(duì)于該傳感器1的大批量可制造性，這種‘標(biāo)準(zhǔn)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鉑和/或?qū)⒈徽J(rèn)為是現(xiàn)代CMOS晶片制造工廠中的污染物的其它非標(biāo)準(zhǔn)材料。為了獲得減小的電容而進(jìn)行的基于SiO2的組成物的研發(fā)打破了內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)。這使得它們多孔并經(jīng)受濕氣或者氣體滲透。而且，在傳感器結(jié)構(gòu)中使用CMOS處理的氮化硅(Si3N4)以獲得刻蝕阻止層，來(lái)?yè)?dān)當(dāng)保護(hù)集成器件的阻擋層。在上述實(shí)施例中，Si3N4層在檢測(cè)部件上面，并且當(dāng)在非常潮濕的環(huán)境中這種滲透可能腐蝕電極時(shí)，它對(duì)于被檢測(cè)濕氣的進(jìn)入擔(dān)當(dāng)阻擋物的作用。因此檢測(cè)是基于利用彈簧(spring)效應(yīng)，這在下面闡述。
器件1的使用在使用中，濕氣進(jìn)入到膜49中，使得它影響其介電常數(shù)，以及由此影響檢測(cè)指45之間的邊緣場(chǎng)。這在圖3(c)中用線55表示。即使通過(guò)層48的薄部分48(a)阻止?jié)駳膺M(jìn)入檢測(cè)指45之間的間隔，這也會(huì)發(fā)生。
傳感器1依賴于電極之間的場(chǎng)的這個(gè)邊緣分量55。對(duì)于所述的4000μm、0.27pF的結(jié)構(gòu)，邊緣分量大約是25到50fF。由于18位ΣΔAD轉(zhuǎn)換器的緊密接近(直接位于傳感器下方)，所以可以檢測(cè)非常小的電容變化，即使在邊緣場(chǎng)。在圖4中示出這個(gè)轉(zhuǎn)換器，其中檢測(cè)指45是Cs，而參考指46是Cr。這些電容形成第二級(jí)過(guò)采樣希格瑪?shù)露{(diào)制器的微分前端，表示傳感器和轉(zhuǎn)換器部件之間的集成等級(jí)。Vr和Vs提供比例和偏移補(bǔ)償。通過(guò)使用抽取(decimation)濾波器來(lái)對(duì)每秒的采樣數(shù)量和過(guò)采樣比例進(jìn)行折中而獲得了非常高的分辨率。
參考圖5，在該實(shí)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3μm，那么傳感器電容器指45的間隔必須增加到大約大于等于5μm，以使得邊緣電容分量仍表示總電容的可測(cè)量比例。對(duì)于4000μm的傳感器結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在將總電容降低為大約27fF，現(xiàn)在可變的邊緣分量在3到5fF的區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)在1％或者2％的濕度變化產(chǎn)生了小于千萬(wàn)億分之一法拉的電容變化，通過(guò)該高度過(guò)采樣的微分希格瑪?shù)露叻直媛实霓D(zhuǎn)換器仍然可以檢測(cè)該變化。18位的分辨率還提供了非常大的動(dòng)態(tài)范圍，能夠使轉(zhuǎn)換器容易地應(yīng)對(duì)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(duì)于濕度的特性。
參考圖6，在這個(gè)實(shí)施例中，使用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力’的涂層。通常用稍微大尺寸形式的焊盤掩模來(lái)確定聚酰亞胺的設(shè)置。在這個(gè)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(xiàn)在檢測(cè)電容器上的部分經(jīng)歷了電容相對(duì)于濕度的微小變化。
參考圖7，在這個(gè)實(shí)施例中，在器件的所有互連級(jí)中使用多孔的低K氧化物電介質(zhì)，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(zhì)70。通過(guò)在傳感器結(jié)構(gòu)上放置‘虛擬的’焊盤鈍化層開口，露出檢測(cè)指71上面的表面72，用于在焊盤刻蝕的過(guò)程中使?jié)駳膺M(jìn)入到指之間的電介質(zhì)中。這在除了檢測(cè)電容指71之外的整個(gè)區(qū)域上剩下了鈍化層73。這個(gè)實(shí)施例具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即使用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于很多的應(yīng)用來(lái)說(shuō)這不是問題，例如對(duì)于傳感器每幾分鐘只經(jīng)受一次幾毫秒的幾毫伏的低濕度辦公環(huán)境。
圖8示出了用于封入單芯片無(wú)線傳感器的簡(jiǎn)單密封裝置。傳感器1通過(guò)導(dǎo)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(cè)部件上的區(qū)域清楚。用封裝82包圍所有的其它區(qū)域，該封裝提供物理保護(hù)，以及如果連續(xù)暴露于非常潮濕的環(huán)境中，也保護(hù)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(dǎo)線83之外，任何地方都沒有露出金屬。
或者，如果物理保護(hù)不太重要和/或如果對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)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(fā)射結(jié)的公知的-2.2mV/℃Vbe特性。通過(guò)使?jié)穸群蜏囟葌鞲衅鹘M合在一個(gè)器件中，可能存在通過(guò)微控制器計(jì)算的增強(qiáng)讀數(shù)，也就是露點(diǎn)。這些和微控制器2和閃存存儲(chǔ)器9一起，允許使用標(biāo)度(scaling)和刻度(calibration)的查找表，以實(shí)現(xiàn)精度在0.5℃內(nèi)。
參考圖9，示出了12位的SAR轉(zhuǎn)換器14。該轉(zhuǎn)換器測(cè)量PNP的Vbe電壓或者在如所示的橋結(jié)構(gòu)中的金屬加熱器的監(jiān)控器的與溫度有關(guān)的電阻。如下所述，在沒有任何校準(zhǔn)電路的情況下，轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)12位的分辨率。參考圖10，用于轉(zhuǎn)換器14的電容器陣列處于級(jí)的中心，并且它被八個(gè)類似的虛擬陣列90圍繞，以保證轉(zhuǎn)換器14中的關(guān)鍵陣列電容器的恒定形狀和良好的匹配。通過(guò)耦合電容器Cc將陣列分割成7個(gè)上面的位和5位子DAC。這和7×7μm的小單元電容器尺寸一起保持整個(gè)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(lái)有效地驅(qū)動(dòng)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(shù)而引起的整體的不匹配最小化。在100KHz的采樣頻率時(shí)，kT/C噪聲圖是140nV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于12位LSB尺寸。在金屬5(第五級(jí))上，對(duì)于襯底來(lái)說(shuō)電容器具有非常小的寄生電容，簡(jiǎn)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(MIM)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致低的電壓和溫度系數(shù)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(chǔ)器9能夠使得在精度和功能上有顯著的改進(jìn)。這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了在各種溫度條件上的實(shí)時(shí)連續(xù)校準(zhǔn)或者現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。這些數(shù)量的存儲(chǔ)器也足夠適應(yīng)整個(gè)IEEE802.15.4協(xié)議和Zigbee軟件棧以執(zhí)行信標(biāo)(beacon)、對(duì)等、星形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接、現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求。片上調(diào)節(jié)器產(chǎn)生1.2V，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(chǔ)器塊和無(wú)線RF收發(fā)機(jī)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(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)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(dāng)芯片在睡眠狀態(tài)或者斷電模式時(shí)可以關(guān)閉調(diào)節(jié)器，消除調(diào)節(jié)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(dǎo)致顯著的電能節(jié)約和電池壽命的延長(zhǎng)。當(dāng)從斷電醒來(lái)時(shí)，通過(guò)依次操作傳感器、轉(zhuǎn)換器和無(wú)線收發(fā)機(jī)，微控制器還實(shí)現(xiàn)了噪聲和襯底串?dāng)_的減少。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到無(wú)線收發(fā)機(jī)3，并且尤其是它的低噪聲放大器(LNA)，將LNA設(shè)計(jì)成具有超低功率和低噪聲操作。參見圖12，對(duì)于前端LNA，通過(guò)在第五或第六級(jí)上的銅電感器以及使用應(yīng)變硅MOS器件能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)。該圖示出了硅鍺的薄層100，在其上面有薄應(yīng)變硅層101，其具有比常規(guī)硅更高的載流子遷移率。多晶硅柵102在應(yīng)變硅區(qū)域中產(chǎn)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(qū)域中流動(dòng)，從而給出更低的噪聲操作和更高的增益。因此對(duì)于相同的增益，LNA可以在更低的電流下偏置，從而節(jié)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(shù)(導(dǎo)致更高的接收器增益)。第五或者第六級(jí)銅也更厚(更低的電阻)，并更遠(yuǎn)離襯底(更少的寄生電容)。
參考圖13，示出了對(duì)于RF收發(fā)機(jī)3的頻率選擇。器件1在節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中形成節(jié)點(diǎn)。這可能是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路或者星形或者網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。所有的節(jié)點(diǎn)使用固定的頻率，并且無(wú)線接口3提供慢跳頻方案來(lái)防止干擾。其通過(guò)最初所有的節(jié)點(diǎn)使用相同的頻率來(lái)進(jìn)行操作。當(dāng)傳輸故障表示可能的干擾時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)圖13中所示的算法而移動(dòng)到不同的頻率。接著是所有節(jié)點(diǎn)的同步。
為了跳頻方案能工作，用跳頻序列預(yù)編程所有的節(jié)點(diǎn)。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(dāng)安裝時(shí)(或者換電池時(shí))，例如，安裝者通過(guò)按壓按鈕來(lái)手動(dòng)將節(jié)點(diǎn)放在“初始化”模式中。然后節(jié)點(diǎn)將它的接收機(jī)打開并“聽”例如信道0上的附近的節(jié)點(diǎn)傳輸(或者主信號(hào))。如果在適當(dāng)時(shí)間例如幾秒或者幾分鐘(因?yàn)楫?dāng)前信道可能堵塞)之后它什么都沒有接收到，則它步進(jìn)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(yīng)當(dāng)從相鄰的節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)或者數(shù)據(jù)包；然后它可以再次使它的計(jì)時(shí)器同步、請(qǐng)求跳頻間隔定時(shí)、加入序列并進(jìn)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(shí)候節(jié)點(diǎn)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1到3年壽命的99.9％的時(shí)間(如802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的)中可以回到睡眠模式。由于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)允許高達(dá)4分鐘的睡眠周期，所以在這個(gè)持續(xù)時(shí)間中節(jié)點(diǎn)可以處于全功率接收模式。然而，實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)榘惭b者將知道這個(gè)周期。使用頻譜分析器(或者手持無(wú)線“檢漏頭(sniffer)”)，他可以粗略地預(yù)測(cè)下一信標(biāo)傳輸時(shí)間什么時(shí)候到，并剛剛在該時(shí)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(gè)建筑物120和125之間的長(zhǎng)距離(200m)鏈路115上(在和計(jì)算機(jī)127連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)126上使用定向的14dBi的天線)。在第一建筑物120中實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)121的標(biāo)準(zhǔn)802.15.4Zigbee固定信道星形網(wǎng)絡(luò)。這使得多供給方的能共同使用的節(jié)點(diǎn)安裝在星形網(wǎng)設(shè)施的監(jiān)控應(yīng)用中，而在更容易受到干擾的長(zhǎng)距離關(guān)鍵鏈路(critical link)上采用慢跳頻算法。
測(cè)試和校準(zhǔn)對(duì)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(fā)明中，由于以標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造整個(gè)濕度傳感器，所以可以在晶片發(fā)貨之前在通常的晶片級(jí)測(cè)試時(shí)測(cè)試和校準(zhǔn)該濕度傳感器。這利用了這樣的事實(shí)，即晶片探針和工廠測(cè)試區(qū)域通常運(yùn)行在精確的濕度等級(jí)時(shí)，例如40％的相對(duì)濕度?？梢詫⑦@種已知值存儲(chǔ)在片上閃存EEPROM存儲(chǔ)器中，以便隨后由微控制器在軟件控制下精確地校準(zhǔn)輸出值時(shí)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(shí)熔斷多狀態(tài)保險(xiǎn)絲(poly fuse)來(lái)校準(zhǔn)傳感器。該1點(diǎn)校準(zhǔn)對(duì)于很多應(yīng)用可能足夠了，例如設(shè)置點(diǎn)周圍的辦公空調(diào)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(zhǔn)點(diǎn)。這通過(guò)例如在85％RH時(shí)的密閉腔室中或者在干氮干燥劑腔室(0.001％RH)中進(jìn)行“第二通道(second-pass)”晶片探針來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管第二通道晶片測(cè)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(cè)試。
氣體檢測(cè)在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖15所示，在鈍化層131上、在18位ΣΔAD轉(zhuǎn)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(guò)溶膠凝膠工藝合成這些氧化物，將其加熱到大約120℃到200℃，然后通過(guò)混合噴墨沉積來(lái)進(jìn)行沉積。薄膜意味著可以在傳感器結(jié)構(gòu)中使用小的指間隔，并且高分辨率AD轉(zhuǎn)換器意味著可以使用小傳感器結(jié)構(gòu)，并仍然導(dǎo)致電容可檢測(cè)的微小變化，甚至在室溫操作時(shí)也是如此。
圖16示出了替換實(shí)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(guò)18位轉(zhuǎn)換器可以作為橋式電路的一部分來(lái)確定。
利用代替圖15的氧化物130的不同材料，可以使器件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝適應(yīng)于檢測(cè)不同的氣體，例如使用用于檢測(cè)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(guò)注入氣體、通過(guò)吸附或者物理吸附或者化學(xué)吸附改變檢測(cè)材料的導(dǎo)電率和介電常數(shù)。因此，交替使用15-電容性的和16-電阻性的實(shí)施例或者和片上緊密集成的高分辨率轉(zhuǎn)換器一起使用，以獲得非常低的ppm氣體濃度測(cè)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(jié)構(gòu)中應(yīng)用壓電聚合物。轉(zhuǎn)換主要基于導(dǎo)電率的變化。在這種情況下，在MOS電路級(jí)，采用具有驅(qū)動(dòng)18位AD轉(zhuǎn)換器的緩沖器的橋式電路，以捕獲音頻信號(hào)。
音頻傳感器(麥克風(fēng))是遠(yuǎn)程無(wú)線節(jié)點(diǎn)上有用的特征，例如，用于“聽”電機(jī)是否在運(yùn)行、警鈴是否在響。由于IEEE802.15.4的0.1％的占空比，所以需要用于該音頻的設(shè)置；在802.15.4的2.4GHz頻帶中的250Kb/s的最大數(shù)據(jù)速率對(duì)應(yīng)于0.1％占空比時(shí)250b/s的恒定不變的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)3.75Kb/S的有效比特速率，這對(duì)于很多工業(yè)的低級(jí)音頻需求是足夠的。
光學(xué)傳感器參考圖17，該器件還可包括光發(fā)射器150和檢測(cè)器151。在通常處理的最后應(yīng)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(zhì)，以露出光電二極管的光傳感器151、200μm×500μm的大PN結(jié)，，其收集光子并產(chǎn)生相應(yīng)的電流。
在本實(shí)施例中，刻蝕還露出了多孔硅區(qū)域150，該區(qū)域是在工藝的開始時(shí)通過(guò)電化學(xué)刻蝕在該特殊區(qū)域中的襯底產(chǎn)生的。由于多孔硅的公知的發(fā)光特性，所以讓電流流過(guò)該區(qū)域使得它起到發(fā)光二極管(LED)的作用。放置在多孔區(qū)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(fā)光效率。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)電化學(xué)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(duì)于大部分CMOS工藝是不標(biāo)準(zhǔn)的。替換的LED結(jié)構(gòu)是摻雜的聚合物有機(jī)發(fā)光器件。使用混合噴墨印刷，以圖16所示的方式直接將構(gòu)圖的發(fā)光摻雜聚合物膜，例如聚乙烯咔唑(PVK)膜沉積到電極上。
本發(fā)明不局限于所述的實(shí)施例，而是可以在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)上變化。例如，除了銅之外可以使用其它的導(dǎo)體用于互連，例如鋁。而且，傳感器器件可以是不具有無(wú)線電或者微控制器或者閃存存儲(chǔ)器的“拆開(stripped down)”形式的傳感器，“濕度到數(shù)字”傳感器芯片。在這種情況下，通過(guò)在電壓參考電路和電容器陣列中熔斷各個(gè)多狀態(tài)保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)AD和傳感器的校準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意的是，測(cè)試不需要包括AD的每個(gè)編碼，由此明顯簡(jiǎn)化了測(cè)試，并降低了成本。而且，可以在上面的實(shí)施例中所述的之外的方法和器件中獨(dú)立地或者組合地提供一些或者更多的下述特征使用應(yīng)變硅作為低噪聲放大器，低頻信道選擇/跳頻，具有復(fù)制的電容器陣列的SAR，多孔硅LED，音頻的壓電聚合物麥克風(fēng)傳感器，低占空比的音頻壓縮和傳輸，微控制器特征。
權(quán)利要求
1.一種集成傳感器器件，包括在半導(dǎo)體襯底中的MOS電路，具有互連導(dǎo)體和絕緣電介質(zhì)的互連級(jí)，所述級(jí)在該襯底上并對(duì)所述MOS電路進(jìn)行互連，所述互連級(jí)包含具有嵌入該互連電介質(zhì)中的電極的傳感器，并且所述MOS電路包括用于處理來(lái)自該傳感器電極的信號(hào)的處理器。
2.如權(quán)利要求1所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括用于使被檢測(cè)的氣體或者濕氣進(jìn)入的多孔氧化物。
3.如權(quán)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SiO2。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的集成傳感器器件，其中該傳感器是電容性傳感器。
5.如權(quán)利要求4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。
6.如權(quán)利要求5所述的集成傳感器器件，其中該多孔氧化物沉積在該鈍化層上，并且所述MOS電路檢測(cè)所述電極之間的邊緣場(chǎng)的變化。
7.如權(quán)利要求5或者6所述的集成傳感器器件，包括在所述互連級(jí)之間的刻蝕阻止層，并且所述鈍化層具有和該刻蝕阻止材料相同的組成物。
8.如權(quán)利要求7所述的集成傳感器器件，其中該鈍化層具有Si3N4組成物。
9.如權(quán)利要求5至8中的任一項(xiàng)所述的集成傳感器器件，其中該鈍化層在該檢測(cè)電極上凹進(jìn)。
10.如權(quán)利要求9所述的集成傳感器器件，其中在凹槽中存在多孔氧化物膜。
11.如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的集成傳感器器件，其中該多孔氧化物處于所述電極之間并被暴露出來(lái)。
12.如前述任一權(quán)利要求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。
13.如前述任一權(quán)利要求所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路包括溫度傳感器。
14.如權(quán)利要求13所述的集成傳感器器件，其中該溫度傳感器包括PNP晶體管。
15.如權(quán)利要求13或者14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(lái)自氣體或者濕度傳感器的氣體或者濕度信號(hào)和來(lái)自該溫度傳感器的溫度信號(hào)，以提供增強(qiáng)的輸出。
16.如權(quán)利要求15所述的集成傳感器器件，其中所述增強(qiáng)的輸出是校正了溫度的氣體或者濕度的讀數(shù)。
17.如權(quán)利要求1所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括沉積在所述傳感器電極上的聚酰亞胺。
18.如前述任一權(quán)利要求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(zhuǎn)換器。
19.如權(quán)利要求18所述的集成傳感器器件，其中該AD轉(zhuǎn)換器包括具有圍繞有效的AD轉(zhuǎn)換器電容器的恒定布局的虛擬電容器的陣列。
20.如前述任一權(quán)利要求所述的集成傳感器器件，還包括發(fā)光二極管。
21.如權(quán)利要求20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(jí)的溝槽中形成所述二極管。
22.如前述任一權(quán)利要求所述的集成傳感器器件，其中該器件包括光電檢測(cè)器二極管。
23.如權(quán)利要求22所述的集成傳感器器件，其中所述二極管位于該傳感器電極的較低橫向互連級(jí)中的深溝槽中。
24.如前述任一權(quán)利要求所述的集成傳感器器件，其中所述MOS電路包括無(wú)線收發(fā)機(jī)。
25.如權(quán)利要求24所述的集成傳感器器件，其中該無(wú)線收發(fā)機(jī)用于和網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)通信，并且它包括用于當(dāng)檢測(cè)到干擾時(shí)根據(jù)低頻信道切換方案來(lái)切換信道頻率的裝置。
26.如權(quán)利要求24或者25所述的集成傳感器器件，其中互連級(jí)包括低噪聲放大器。
27.如權(quán)利要求26所述的集成傳感器器件，其中該低噪聲放大器包括在導(dǎo)體下面的應(yīng)變硅區(qū)。
28.如權(quán)利要求27所述的集成傳感器器件，其中該應(yīng)變硅處在該襯底上面的第五或者第六互連級(jí)中。
29.如前述任一權(quán)利要求所述的集成傳感器器件，其中該傳感器包括連接在該器件的上表面上的焊盤之間的檢測(cè)元件。
30.如權(quán)利要求29所述的集成傳感器器件，其中該元件是檢測(cè)氣體的薄膜。
31.如權(quán)利要求30所述的集成傳感器器件，其中該元件是氧化鋅的組成物。
32.如權(quán)利要求29所述的集成傳感器器件，其中所述元件檢測(cè)聲音，并且所述MOS電路包括用于處理來(lái)自該元件的信號(hào)的音頻處理器。
33.一種制造前述任一權(quán)利要求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(jù)互連設(shè)計(jì)在相繼的制造周期中制造互連級(jí)，以互連所述MOS電路，和在最后的互連級(jí)中制造所述傳感器電極和電介質(zhì)。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括在該頂部互連級(jí)上沉積鈍化層的步驟。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，包括在所述互連級(jí)中的每層電介質(zhì)上沉積刻蝕阻止層，以及在該頂部互連級(jí)電介質(zhì)上沉積刻蝕阻止材料以提供該鈍化層的步驟。
36.如權(quán)利要求33到35中的任一項(xiàng)所述的方法，其中設(shè)置多孔氧化物作為較低互連級(jí)中的電介質(zhì)，并使用常規(guī)的氧化物作為較高互連級(jí)中的電介質(zhì)。
37.如權(quán)利要求33到36中的任一項(xiàng)所述的方法，其中在較高互連級(jí)中沉積應(yīng)變的低噪聲放大器，所述放大器包括應(yīng)變的硅區(qū)域。
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(dǎo)體襯底中的MOS電路，具有互連導(dǎo)體和絕緣電介質(zhì)的互連級(jí)，所述級(jí)在襯底上并互連MOS電路，互連級(jí)包含具有嵌入互連電介質(zhì)中的電極的傳感器，以及MOS電路包括用于處理來(lái)自傳感器電極的信號(hào)的處理器。
文檔編號(hào)H01L27/15GK1961209SQ200580017844
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者蒂莫西·卡明斯 申請(qǐng)人:蒂莫西·卡明斯