[发明专利]集成电容式湿度传感器

说明书

本公开提供了由电容式湿度传感器组成的半导体装置、由密封的装置组成的封装和在半导体装置内形成电容式湿度传感器的方法，该电容式湿度传感器由潮湿敏感聚合物层组成，该潮湿敏感聚合物层电接枝到定位于CMOS衬底或组合的MEMS和CMOS衬底上的导电金属层且暴露于通过钝化层的开口内。

技术领域

本公开大体上涉及用于化学感测的结构，并且更具体地说，涉及例如集成到互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底或相似的结构中的电容式湿度传感器。

背景技术

在很多自动化工业过程和气候控制系统中，常常必须感测和控制环境湿度水平。电容式相对湿度传感器广泛用于各种应用领域中，例如仪器、自动化系统和气候学，以监测和检测湿度水平。

当暴露于周围区域的大气湿度条件时，湿度传感器利用敏感材料(例如，介电聚合物)的物理和电特性中的改变。原则上，通过电容型有机聚合物膜湿度传感器，吸附的水蒸气占据聚合物分子之间的自由空间，并且聚合物的介电常数与吸附的水的量成比例地线性改变。因此，基于水分子的吸附或解吸附的量和感测材料的介电常量的所得变化，以及因此该感测材料的电容中的改变，电容型湿度传感器提供湿度的测量值。因此，通过测量感测材料的电容的改变来直接检测湿度改变。

一般而言，电容传感器的典型配置是或者每侧上具有两个电极表面的夹层结构，或者具有梳状电镀物品和沉积于梳状电镀物品之间的感测材料(例如，介电聚合物)的叉指形结构。

已经进行各种尝试以将湿度和其它化学电容传感器集成到CMOS结构中。例如，已经通过形成底部电极、沉积化学敏感聚合物层(例如，聚酰亚胺)，且然后图案化一组顶部电极(例如，导体)来制作电容式湿度传感器。然而，该结构难以与测试电子器件集成。此外，将敏感材料层放置在两个金属层之间需要超出传统CMOS的大量处理。

另一个尝试涉及用化学敏感聚合物涂覆叉指形金属电极。虽然该做法消除在敏感层上面和下面具有金属的必要性，但是通过衬底在电极之下创建大型并联电容。

产生到CMOS结构中的集成化学电容传感器的另一个技术涉及选择性蚀刻CMOS的介电质，以暴露核心金属层(串联电连接在两个其它金属粘附层之间)。然后蚀刻暴露的核心金属层，以形成两个金属粘附层之间的空腔。然后用能够选择性地吸附将被感测的化学制品的环境敏感介质材料充满空腔。对于湿度应用，使用聚合物例如聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚(对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚砜(PSF)、乙酸丁酸纤维素(CAB)和聚乙炔基芴醇(PEFI)。然后，金属粘附层用作环境敏感电容器的顶部电极和底部电极。然而，该方法需要CMOS过程流程的修改，以接纳湿度传感器的并入。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于形成半导体装置的方法，包括：在IC衬底的表面上形成第一导电金属层；将潮湿敏感聚合物层电接枝到所述第一导电金属层上；以及在所述衬底上方形成钝化层，其中所述聚合物层通过所述钝化层中的一个或多个开口暴露；其中当所述聚合物层暴露于环境空气时，所述聚合物层充当电容式湿度感测元件。

可选地，所述电接枝包括：将含水的酸性电接枝组合物施加到所述第一导电金属层的表面，其中所述组合物包括溶剂、芳基重氮盐、乙烯基酯单体化合物和酸性组分，以维持1到2的pH；以及将电势施加到所述金属层的所述表面以形成芳基的引物层，然后将乙烯基单体附加和聚合到所述引物层上，以形成所述金属层的所述表面上的电接枝聚合物层。

可选地，所述聚合物层包括聚乙烯酯。

可选地，从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)构成的组中选择所述聚乙烯酯，以及所述聚乙烯酯包括由羧基(-COOH)、羟基(-OH)和胺基(-NH2)基团构成的组中选择的官能团。

可选地，所述第一导电金属层包括一对叉指形感测电极，并且所述聚合物层电接枝到所述对感测电极。