CN108369208A - 具有气体可渗透区域的气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种气体感测装置，其包括形成在包括体蚀刻的空腔部分的半导体衬底上、位于电介质膜内或上方的加热器、用于感测气体的位于膜一侧上的材料、位于材料附近的支撑结构以及耦合到支撑结构以便保护材料的气体可渗透区域。

Description

具有气体可渗透区域的气体传感器
技术领域
本发明涉及具有气体可渗透区域的感测装置。
背景技术
气体可渗透层通常在感测装置中被使用。通常，已知的装置在封装级上具有气体可渗透层。
US6140144描述了一种通过倒装芯片封装在陶瓷(或类似材料)衬底上的传感器芯片，该衬底具有穿过其的孔。对于某些应用，它可以在孔中具有过滤层/筛。
US8226892描述了基于FET的气体传感器，其具有直接施加在感测材料上的气体可渗透涂层。该涂层还防止某些类型的气体到达感测材料。
US8852513描述了气体传感器封装，其具有两个彼此连接的空腔。其中一个具有传感器芯片，而另一个具有到外部的过滤窗口/层。
EP1775259描述了用于MEMS的封装-用于在悬浮膜或掩埋腔的压力传感器。顶部的衬底具有孔以允许其接触到外部压力。
US20060001114描述了一种用于气体传感器的芯片级封装，其中盖由晶片粘合塑料模制盖形成。
US20140186999描述了一种使用腔型盖的用于辐射热测量计的真空封装。
US7781250描述了一种用于MEMS的晶片级封装，其包括具有空腔的盖衬底，其中空腔填充有气体。
EP2703338描述了封装中的芯片，并且该封装作为顶部的气体可渗透层。
S Kuhne等人在微型机械与微型工程杂志2008发表的“在微传感器上进行气敏层的晶片级火焰喷涂热解沉积”中描述了具有支撑在聚酰亚胺结构上的箔的气体传感器。然而，这是为了在晶片切割期间保护装置，并且在切割之后箔被移除。他们还提到可以使用气体可渗透薄膜(但没有提到它应如何被连接)，并且显示聚酰亚胺层的使用(但是这不适合，因为膜和气体可渗透薄膜之间的距离太小，并且会受微热板温度的影响)。
S.M.Lee的“使用阵列式微孔的疏水镍微网的防水能力的评估”描述了用在麦克风中的防水镍网，但讨论其作用为保护芯片，而不是将网作为芯片的一部分。另外，他们没有描述它在气体传感器中的使用。
发明内容
基于微热板的电阻式气体传感器，包括具有嵌入式加热器的薄电介质膜以及位于膜的顶部的传感层(通常为金属氧化物)。理想的是感测材料被保护免受可能影响其感测性能的液体和微粒的影响。理想的是装置的封装能够允许空气和气体流入装置，同时防止水、微粒和其他污染物进入感测材料。
本发明描述了一种装置，该装置是基于微热板的气体传感器芯片，其具有沉积或附着在芯片或晶片级上的气体可渗透层，以防止水和污物进入气体感测材料。
微热板气体传感器包括位于由半导体衬底支撑的电介质膜内的加热器以及附接到膜的气体敏感层或催化剂，其可以在膜的上方或下方。可能有或没有电极连接到感测材料或催化剂以测量其电子性能。
气体可渗透层可以是聚合物薄膜，诸如膨体聚四氟乙烯(Gore-Tex)。例如，可以在芯片上制造小的支撑结构，并将薄膜沉积/附接在其顶部。或者，如果感测材料位于膜的背面，则薄膜可以沉积/附接在衬底的背面。
气体可渗透层也可以是具有允许空气和气体通过但防止污物和液体的小孔网状薄膜。这可以例如通过制造金属、半导体和/或电介质材料的定型化结构以及将其晶片键合到芯片或晶片上来附接。
或者，如果气体感测材料或催化剂位于膜的背面，则可以将气体可渗透层附接在芯片的背面上到原始的半导体衬底上。
该装置可以封装在倒装芯片中，或者可以通过硅通孔(TSV)来电连接装置。另一种封装方法是：如果附加半导体衬底小于芯片尺寸，则允许结合焊盘被暴露并且因此可以被引线结合。
本发明还描述了一种制造这种装置的方法，该装置可以在芯片级或晶片级制造，然后切成单个芯片。
微热板可以是基于CMOS的微热板。本发明提供了基于封闭电介质膜结构的完全CMOS兼容或基于CMOS的微热板设计。这里的电介质膜指的是其中电介质膜通过对下面的半导体衬底进行体蚀刻而释放的电介质膜。
该装置优选地使用基于CMOS或CMOS可用的材料制造。这里术语“基于CMOS”的材料或“CMOS可用”材料是指在最先进的CMOS工艺步骤或CMOS工艺中兼容的材料。在这种情况下，加热器可以是由诸如钨、铝、钛、多晶硅、钼或单晶硅的CMOS材料制成的电阻式加热器。加热器也可以是MOSFET加热器，以便于驱动控制。电介质膜本身可以包括二氧化硅和/或氮化硅层以及旋涂玻璃。起始晶片可以是体硅或绝缘体上硅(SOI)晶片。可以通过背蚀刻支撑半导体衬底来形成膜。膜空腔可具有大体垂直的侧壁(通过使用深反应离子蚀刻(DRIE)形成)，或可具有倾斜的侧壁(通过使用各向异性或晶体学蚀刻方法诸如氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲基铵(TMAH))。DRIE的使用使圆形膜更容易制造。这种膜通常将是一个封闭的膜结构，其沿其整个边界由衬底支撑。或者，膜可以通过正面蚀刻形成。在这种情况下，所形成的膜由机械连接到衬底的一个或多个梁支撑。如果电介质层被相应地定型化，则这种膜也可以通过背蚀刻来制造。
或者，该装置也可以用一些或完全非CMOS材料制造。例如，加热器可以由铂制成，或者可以使用除硅之外的支撑半导体衬底。
方面和优选特征在所附权利要求中列出。
我们在此公开了一种气体感测装置，其包括：形成在半导体衬底上的电介质膜，半导体衬底包括体蚀刻的空腔部分；位于电介质膜内或上方的加热器；用于感测位于膜的一侧上的气体的材料；位于材料附近的支撑结构；以及耦合到支撑结构以便保护材料的气体可渗透区域。应该理解的是，术语“材料”涵盖气体感测材料和有助于感测气体的催化材料。电介质膜和加热器的使用使气体感测装置能够在高温下(例如高达500℃)运行。可以理解的是，在装置被封装之后，可渗透层保留在气体感测材料上。换句话说，气体可渗透层在加工步骤中(例如，在高温下)不会溶解。
支撑结构可以包括无机材料。该支撑结构可以包括半导体材料。支撑结构可以包括包含玻璃或陶瓷的材料。这比有机材料更有优势，因为半导体材料和玻璃/陶瓷材料可以承受更恶劣的环境，例如高温或腐蚀。
传感层和气体可渗透层之间的支撑结构的长度可以是大约150-200μm。对于大型加热器(200μm或更大)来说，这是有利的，以避免功率损失。
气体可渗透区域可以被配置为允许空气和气体流动到装置并且被配置为阻止液体和/或微粒进入材料。
该材料可以位于电介质膜的第一侧上，第一侧是背蚀刻衬底的相对侧。
支撑结构可以位于装置的第一侧上，并且可渗透区域形成在支撑结构上。
支撑结构可以围绕材料形成。
材料可以位于装置的第二侧上，第二侧与形成背蚀刻衬底的一侧相同。
材料可以形成在装置的背蚀刻空腔中。
半导体衬底可以形成支撑结构。气体可渗透区域可以与支撑电介质膜的半导体衬底耦合。
该膜可以通过半导体衬底沿着其整个边界被支撑。气体可渗透区域可以是聚合物薄膜。聚合物薄膜可以是聚四氟乙烯(PTFE)材料，例如Gore-Tex。
支撑结构可以形成在芯片的顶侧或背侧上，其中装置包括在芯片中。
该材料可以是气体感测材料。
该装置还可以包括在气体感测材料下方或上方的一个或多个电极。
电极可以被配置成测量气体感测材料的电阻和/或电容。
气体感测材料可以包括金属氧化物材料或金属氧化物的组合。
气体感测材料可以包括从包括氧化锡、氧化钨、氧化锌、氧化铬的组中选择的金属氧化物材料，或者传感层包括所述金属氧化物的组合。
该材料可以是诸如钯或铂的催化材料。在这种情况下，催化材料催化目标气体的燃烧(如果存在的话)，这增加了膜的温度。可以测量该温度变化以确定气体的存在和/或浓度。
该材料还可以形成气体FET(场效应晶体管)感测结构的一部分。在这种情况下，材料存在于FET的栅极上，或者材料下面的电极连接至FET的栅极。气体的存在改变了FET的功能。
可以使用蚀刻技术来形成电介质膜以对衬底进行块蚀刻，蚀刻技术选自包括深反应离子蚀刻(DRIE)、各向异性或晶体学湿法蚀刻、氢氧化钾(KOH)和氢氧化四甲基铵(TMAH)的组。
电介质膜可以包括：
包括垂直侧壁或倾斜侧壁的膜空腔，或由不完全延伸穿过衬底的正面蚀刻形成的空腔；
一个或多个包含二氧化硅和/或氮化硅的电介质层；
旋涂玻璃的一层或多层，以及
在一个或多个电介质层上的钝化层。
用于感测气体的材料可以形成在电介质膜的钝化层上或在装置的膜空腔中。
加热器可以是电阻式加热器，其包括包含铝、铜、钛、钼、多晶硅、单晶硅钨或氮化钛的CMOS可用材料。加热器也可以是MOSFET。
该装置可以是基于CMOS的微热板，其中加热器包括CMOS互连金属，并且电介质膜包括CMOS电介质层。
该装置也可以用非CMOS材料制成，例如使用铂作为加热器。
半导体衬底可以是体硅衬底或SOI衬底。
该装置可以被封装在印刷电路板(PCB)上的倒装芯片中。该装置可以包括硅通孔(TSV)。
支撑结构可以覆盖电介质膜区域，留下结合焊盘区域以允许引线结合。
包括如上所述的气体感测装置的气体感测装置阵列，其中气体感测装置阵列可被布置在同一芯片上。
每个感测装置可以包括独立的气体可渗透区域。
感测装置可以包括公共的气体可渗透区域。
我们在此公开了一种制造气体感测装置的方法，该方法包括：形成在包括背蚀刻空腔部分的半导体衬底上形成的电介质膜；在电介质膜内或上方形成加热器；在膜的一侧形成用于感测气体的材料；在材料附近形成支撑结构；以及形成耦合到支撑结构以保护材料的气体可渗透区域。
形成电介质膜的步骤可以包括形成电介质膜，使得其通过半导体衬底沿着其整个边界被支撑。
形成电介质膜的步骤包括使用蚀刻技术以背蚀刻半导体衬底以形成背蚀刻部分。
蚀刻技术可以选自包括深反应离子刻蚀(DRIE)、各向异性或晶体湿法蚀刻、氢氧化钾(KOH)和氢氧化四甲基铵(TMAH)的组。
附图说明
现在将仅以示例的方式并参考附图来描述本发明的一些优选实施例，其中：
图1显示了具有气体可渗透层的气体传感器；
图2示出了使用硅通孔(TSV)的另一气体传感器；
图3显示了另一气体传感器；
图4示出了具有孔的气体可渗透层的另一气体传感器；
图5示出了另一气体传感器，其中感测材料在膜的下方，并且气体可渗透层在背侧上，由硅衬底本身支撑；
图6示出了通过倒装芯片结合的另一气体传感器；以及
图7示出了另一气体传感器，其中膜通过正面蚀刻形成。
具体实施方式
图1示出了气体传感器，其具有感测材料6，在顶部附接有气体可渗透层8的硅衬底1。加热器2和加热器轨道或金属化层3嵌入在支撑在衬底1上的电介质膜4内。膜顶部上的电极5连接到已经在膜上生长或沉积的感测材料6。附加的定型化(patterned)半导体7(或支撑结构)通过晶片键合附接在顶部，并且气体可渗透层8位于该支撑结构7的顶部上。电介质膜4和钝化可以包括二氧化硅和氮化硅，或其他电介质层的一种或多种组合。在一个示例中，气体可渗透层或区域是具有多个孔的金属、电介质和/或半导体层。这可以例如通过在衬底上沉积电介质层或金属层来形成。然后在金属或电介质层内制作孔。然后对衬底的选定部分进行背蚀刻，并通过晶片键合将该结构连接到气体感测热板。
图2示出了使用硅通孔(TSV)9电连接到装置的另一气体传感器。TSV通常连接到金属化层或盘(未示出)。气体传感器的其余特征与以上关于图1所述的那些相同，因此具有相同的附图标记。
图3示出了另一气体传感器，其中支撑结构7(或附加的半导体衬底)较小，使得结合焊盘11被暴露并且可以通过引线结合而电连接到封装或印刷电路板之一(在图中未示出)。此外，该图还示出了钝化层10，其可以存在也可以不存在于装置上。气体传感器的其余特征与上面关于图1和图2所述的相同，因此具有相同的附图标记。
图4示出了另一气体传感器，其中气体可渗透层8具有孔，或者甚至在连接到半导体支撑结构7的区域中也是气体可渗透的。气体可渗透层可以是例如诸如Gore-Tex的薄膜。它也可以是带有孔的金属、电介质和/或半导体薄膜。气体传感器的其余特征与上面关于图1至图3所描述的那些相同，因此具有相同的附图标记。
图5示出了另一气体传感器，其中感测材料6在电介质膜4下方，并且气体可渗透层8在背面上，由硅背蚀刻衬底1本身支撑。在这个示例中，不需要附加的支撑结构，因为背蚀刻衬底1用作支撑结构。气体传感器的其余特征与以上关于图1至图4所描述的那些特征相同，因此具有相同的附图标记。
图6示出了另一气体传感器，其在电介质膜4下方具有感测材料6，以及在背面上的气体可渗透层5，其通过倒装芯片与连接到印刷电路板(PCB)12的结合部13结合。结合部13通常可以连接到金属化层或焊盘(未示出)。在这个示例中，芯片结合在芯片的正面或顶面。气体传感器的其余特征与以上关于图1至图5所描述的那些特征相同，因此具有相同的附图标记。
图7示出了另一气体传感器，其中膜14是悬浮膜，其由衬底的正面蚀刻形成，并且由一个或多个梁(未示出)支撑。膜14包括电介质材料，例如氧化硅。衬底1包括三角形区域10，其通常是空的并且由于衬底的正面蚀刻而形成。图7的其余特征与上述相同，因此具有相同的附图标记。
在上述实施例中，气体感测材料6设置在电极5上。电极5被配置为测量气体感测材料6的电阻和/或电容。在替代实施例中，可以使用催化材料代替气体感测材料。当使用催化材料时，通常不需要其下面的电极，因为测量是通过膜的温度变化而不是材料的电阻或电容来完成检测的。或者，气体感测材料可以作为栅极的一部分或气体感测FET的扩展栅极被沉积。
综上所述，本发明提供了一种基于微热板的气体传感器芯片，其将气体可渗透层附接到芯片本身上。现有技术通常在封装上具有气体可渗透层，而本发明在芯片级提供气体可渗透层。现有技术的装置不是用于基于膜的装置，而本发明使用基于膜的装置。现有技术的装置通常具有相对较大的孔以允许空气流动，但不能阻止水或微粒。现有技术的装置通常具有单个孔(例如EP1775259)。或者，本发明的方法可以允许较小的封装(或者甚至芯片级封装)，在组装期间更容易处理，并且成本较低。此外，在现有技术的装置中，气体可渗透层可以形成在感测材料本身上，这可以影响感测材料的性能。在本发明中不存在这个问题，因为提供了用于在感测材料和气体可渗透层之间产生间隙的支撑结构。此外，在一些现有技术的装置中，提供了塑料模制盖，在其上难以形成气体可渗透层。这个问题在本发明中不存在。
虽然本发明已经按照上述优选实施例进行了描述，但应该理解的是，这些实施例仅仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。本领域技术人员将能够根据被认为落入所附权利要求的范围内的公开内容进行修改和替代。在本说明书中公开或说明的每个特征可以并入本发明中，无论是单独的还是以与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

Claims (44)

1.一种气体感测装置，包括：
电介质膜，形成在包括体蚀刻的空腔部分的半导体衬底上；
加热器，位于所述电介质膜内或上方；
用于感测气体的材料，其中所述材料位于所述膜的一侧上；
支撑结构，位于所述材料附近；
气体可渗透区域，耦合到所述支撑结构以便保护所述材料，以及
其中，所述支撑结构包括无机材料。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑结构包括半导体材料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑结构包括包含玻璃和陶瓷中任一种的材料。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体可渗透区域被构造成允许空气和气体流动到所述装置并且被配置为阻止液体和/或微粒进入所述材料。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述材料位于所述电介质膜的第一侧上，所述第一侧是体蚀刻的所述衬底的相反侧。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述支撑结构位于所述装置的所述第一侧上，并且所述可渗透区域形成在所述支撑结构上。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述支撑结构围绕所述材料形成。
8.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述材料位于所述装置的第二侧上，所述第二侧是与形成体蚀刻的所述衬底的相同的侧。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述材料形成在所述装置的背蚀刻的空腔中。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述半导体衬底形成所述支撑结构。
11.如权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，所述气体可渗透区域与支撑所述电介质膜的所述半导体衬底耦合。
12.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述膜沿其整个边界由所述半导体衬底支撑。
13.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述膜仅由一个或多个电介质梁支撑以将所述膜连接至所述衬底。
14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体可渗透区域是聚合物薄膜。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述聚合物薄膜是Gore-Tex。
16.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体可渗透区域包括具有多个孔的金属、电介质或半导体薄膜。
17.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑结构形成在芯片的顶侧或背侧上，其中所述装置包括在所述芯片。
18.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述材料是气体感测材料。
19.如权利要求18所述的装置，还包括在所述气体感测材料下面的电极。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述电极被配置为测量所述气体感测材料的电阻和/或电容。
21.如权利要求18至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体感测材料包括金属氧化物材料或金属氧化物的组合。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述气体感测材料包括选自以下组的金属氧化物材料：氧化锡、氧化钨、氧化锌、氧化铬，或者所述传感层包括所述金属氧化物的组合。
23.如权利要求1至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述材料是催化材料。
24.如权利要求1至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述材料被沉积为栅电极，或者被电连接到场效应晶体管的所述栅极电极。
25.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述电介质膜使用用于背蚀刻所述衬底的蚀刻技术形成，所述蚀刻技术选自包括以下的组：深反应离子蚀刻、各向异性或晶体学湿法蚀刻、氢氧化钾和氢氧化四甲基铵。
26.如权利要求1至24中任一项所述的装置，其特征在于，所述电介质膜由所述衬底的正面蚀刻形成。
27.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述电介质膜包括：
包括垂直侧壁或倾斜侧壁的膜空腔或通过不完全延伸穿过所述衬底的正面蚀刻形成的空腔；
一个或多个电介质层，包括二氧化硅和/或氮化硅；
一层或多层旋涂玻璃，以及
在所述一个或多个电介质层上的钝化层。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，用于感测气体的所述材料形成在所述电介质膜的钝化层上或所述装置的膜空腔中。
29.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热器是包括可用于CMOS的材料的电阻式加热器，所述材料包括铝、铜、钛、钼、多晶硅、单晶硅钨或氮化钛。
30.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是基于CMOS的微热板，其中所述加热器包括CMOS互连金属，并且所述电介质膜包括CMOS电介质层。
31.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述半导体衬底是体硅衬底或SOI衬底。
32.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被封装在位于印刷电路板上的倒装芯片中。
33.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括硅通孔。
34.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑结构覆盖所述电介质膜区域，留下结合焊盘区域以允许引线结合。
35.一种气体感测装置阵列，包括如前述权利要求中任一项所述的气体感测装置，其特征在于，所述气体感测装置阵列被布置在相同的芯片上。
36.如权利要求35所述的阵列，其特征在于，每个感测装置包括独立的气体可渗透区域。
37.如权利要求35所述的阵列，其特征在于，所述感测装置包括公共的气体可渗透区域。
38.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体可渗透层与用于感测的所述材料之间的距离在约150μm与约200μm之间。
39.一种制造气体感测装置的方法，所述方法包括：
在包括体蚀刻空腔部分的半导体衬底上形成电介质膜；
在所述电介质膜内或上方形成加热器；
在所述膜的一侧上形成用于感测气体的材料；
在所述材料附近形成支撑结构，其中，所述支撑结构包括无机材料；以及形成耦合到所述支撑结构的气体可渗透区域以保护所述材料。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述支撑结构通过晶片键合被附接。
41.如权利要求39或40所述的方法，其特征在于，在所述支撑结构附接到所述气体感测装置之前，所述气体可渗透层附接到所述支撑结构。
42.如权利要求39、40或41所述的方法，其特征在于，形成所述电介质膜包括：形成所述电介质膜以使得所述电介质膜沿着其整个边界由所述半导体衬底支撑。
43.如权利要求39至42中任一项所述的方法，其特征在于，形成所述电介质膜包括使用蚀刻技术以背蚀刻所述半导体衬底以形成所述背蚀刻部分。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述蚀刻技术选自包括以下的组：深反应离子蚀刻、各向异性或晶体湿法蚀刻、氢氧化钾和氢氧化四甲基铵。
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