集成电路及制造方法

摘要

公开了一种集成电路，包括：衬底(10)，包括至少一个光传感器(12)；衬底上方的互连结构(20)；互连结构上的至少一个钝化层(30)，所述钝化层包括所述至少一个光传感器上方的第一区域；以及气体传感器如湿气传感器(50)，至少部分地位于所述至少一个钝化层的另一区域上，其中气体传感器包括处于第一电极(42)和第二电极(44)之间的气敏层(46’)，气敏层还包括位于第一区域上的一部分(46”)。还公开了一种制造这种IC的方法。

权利要求

1.一种集成电路，包括：

衬底(10)，包括至少一个光传感器(12)；

衬底上方的互连结构(20)；

互连结构上的至少一个钝化层(30)，所述钝化层包括所述至少一个光传感器上方的第一区域；以及气体传感器(50)，至少部分地位于所述至少一个钝化层的另一区域上，其中所述气体传感器包括处于第一电极(42)和第二电极(44)之间的气敏层(46’)，所述气敏层还包括位于第一区域上的一部分(46”)。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述气体是湿气。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中，所述气体传感器是相对湿度传感器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的集成电路，其中，所述气敏层(46)是聚合物层。

5.根据权利要求4所述的集成电路，其中，所述聚合物层是从包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚胺、聚吡啶、聚碳酸酯、聚乙酸酯、聚苯乙烯、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(苯基亚乙烯基)及其衍生物的组中选择的。

6.根据权利要求5所述的集成电路，其中，所述聚合物是聚酰亚胺。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的集成电路，其中，所述气敏层(46)至少在所述部分(46”)中还包括染料。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的集成电路，其中，所述光传感器(12)是光敏二极管。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的集成电路，包括衬底中所述至少一个钝化层(30)未被所述部分(46”)覆盖的区域下方的另一光传感器(12)。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的集成电路，还包括温度传感器。

11.一种封装产品，包括根据权利要求1-10中任一项所述的集成电路。

12.一种电子设备，包括根据权利要求1-10中任一项所述的集成电路。

13.一种制造集成电路的方法，所述集成电路包括至少一个光传感器(12)和气体传感器(50)，所述方法包括：提供衬底(10)，所述衬底包括至少一个光传感器(12)；

在衬底上形成互连结构(20)；

在互连结构上形成至少一个钝化层(30)，所述钝化层包括所述至少一个光传感器上方的第一区域；

通过下述操作形成至少部分地位于所述至少一个钝化层上的气体传感器(50)：在所述至少一个钝化层的另一区域上形成一对电极(42，44)；

在包括该对电极的所述至少一个钝化层上沉积气敏层(46)；以及对气敏层进行构图，使得气敏层保留于所述第一区域和所述另一区域中。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括在气敏层(46)中加入染料的步骤。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述气敏层(46)是从包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚胺、聚吡啶、聚碳酸酯、聚乙酸酯、聚苯乙烯、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(苯基亚乙烯基)及其衍生物的组中选择的聚合物层；以及通过旋涂沉积湿敏层。

说明书

集成电路及制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种集成电路(IC)，该IC包括：衬底，包括至少一个光传感器；衬底上的互连结构；以及互连结构上的至少一个钝化层。

[0002] 本发明还涉及一种制造这种IC的方法。

背景技术

[0003] 在从汽车到家庭自动化和移动计算的众多应用中，关于例如电磁谱的适光(photopic)范围(即，人眼可见的光)中的环境光量的信息获取可能受到商业上的关注。这种信息例如可以用于控制环境中的光源，使得在舒适的照明水平和能耗之间获得适当的折中，以调整移动设备显示器的亮度从而延长电池工作时间，例如在进入隧道时打开车辆前照灯，等等。

[0004] 除了适光信息之外，检测UV和IR辐射水平也受到关注，以区分环境光条件类型，如人造光还是阳光，或者传送关于环境舒适度的完整信息，如包括关于UV照射以及存在辐射热源的信息。

[0005] 光敏Si二极管可以用作光传感元件。光在Si衬底中通过在典型地反向偏置的n+/+p(或者p/n)二极管的耗尽区附近产生电子-空穴对而被吸收，这些载流子被耗尽区分离并因此产生可被测量的光电流。光电流与光强成正比；因此，这些器件可以用作光传感器换能器。

[0006] Si二极管一般而言具有小的波长选择性，且检测相当宽的光谱，可以包括UV、可见光以及直至1100nm的IR辐射。关于如何可以针对光谱的给定部分来改变光电二极管的灵敏度，存在大量文献，例如使用不同扩散深度的掺杂剂以形成二极管结，形成垂直堆叠二极管，以及封装级或外壳级滤波器应用。然而，这些方法或者没有向光谱的不同部分给出适当的灵敏度且需要大量后期信号处理，或者仅允许每一ALS(环境光传感器)器件感测光谱的单一部分。

[0007] 随着电子设备和电子信息收集(如通过封装产品上的RF标签)的多样化，经常希望在单一IC中包括多种传感器。例如，可能特别希望检测其他环境参数，如温度和湿度，例如用于建筑物和车辆中的HVAC(采暖、通风和空调)控制。

[0008] 这种多传感器IC本身是已知的。但是，大多数解决方案基于包括多个分立传感器的系统，这使得系统庞大而昂贵。此外，制造工艺可能十分复杂，特别是在用于检测EM谱不同部分的多个光传感器集成到单一IC中时。这不利地影响产率，并推高了已知产品的价格。

发明内容

[0009] 本发明旨在提供一种包括至少一个光传感器以及湿气传感器(如相对湿度传感器)的紧凑IC。

[0010] 本发明还旨在提供一种以成本有效的方式制造这种IC的方法。

[0011] 根据本发明的一个方面，提供了一种集成电路，包括：衬底，包括至少一个光传感器；衬底上方的互连结构；互连结构上的至少一个钝化层，所述钝化层包括所述至少一个光传感器上方的第一区域；以及气体传感器，至少部分地位于所述至少一个钝化层的另一区域上，其中气体传感器包括处于第一电极和第二电极之间的气敏层，气敏层还包括位于第一区域上的一部分。

[0012] 本发明基于这样的认识：气敏材料，例如表现出的介电常数取决于材料中的气体(例如，CO、CO2和/或湿气)水平的材料，也可以用作衬底中光传感器(例如，光敏二极管)的光滤波器，这通过将气敏材料的一部分置于光传感器上方的钝化层区域上，从而有效地使用气敏材料的吸收谱作为滤波材料的滤波性质来实现。由于气敏材料还用作针对EM谱一部分的滤波器，IC可以更加紧凑且更加成本有效，因为只需要单一处理步骤，即，沉积气敏材料以形成气体传感器(例如，湿气传感器，如相对湿度传感器)并形成衬底中位于用作滤波器的气敏材料部分下方的光敏元件(即，光传感器)的滤波器。

[0013] 在一实施例中，湿敏层是聚合物层，其中聚合物优选地是从包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚胺、聚吡啶、聚碳酸酯、聚乙酸酯、聚苯乙烯及其衍生物的组中选择的，因为已知这些聚合物的介电常数和/或导电性质取决于聚合物吸收的湿气量。聚酰亚胺是特别优选的聚合物，因为该聚合物表现出其介电常数对于该聚合物中的湿气水平具有特别大的依赖性，例如这已经由M.Dokmecki在Journal of Microelectromechanical Systems，2001，Vol.10第197-204页中公开，并且其具有的光学性质能够通过控制其固化温度来进行调整，例如这已经在J.Chem.Phys.，1993，Vol.38第3445页中公开。

[0014] 备选地，可以使用诸如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(苯基亚乙烯基)(poly(phenyl vinylene))及其衍生物之类的聚合物，尤其是在要检测气态水(湿气)之外的其他气体时。气敏材料如合适聚合物的吸收性质可以通过在材料中引入染料来予以调整。这种染料可以溶解到或以其他方式散布于气敏材料，或者可以化学结合到气敏材料，例如通过将染料共价、离子或范德华(分子)结合到合适的聚合物。由于只需要添加少量染料，材料对气体如湿气的灵敏度保持基本不变。由于该原因，可以使用任意合适的染料，因为只需考虑所选染料的期望吸收谱，而这对于众多染料而言已有很好的文献记载，从而在本申请中事实上难以做到列举这种染料的具体示例。

[0015] 在一实施例中，IC可以包括多于一个光敏元件，对于这些光敏元件中的一些而言，这种额外光传感器上方的钝化叠层区域可以未被覆盖，从而提供对于EM谱的不同部分敏感的多个光传感器。备选地，这种额外光传感器上方的钝化叠层区域可以被气敏材料的另一部分所覆盖，该另一部分例如可以已注入有另一染料，其使其滤波性质不同于气敏材料在第一区域中的部分。

[0016] 本发明的IC可以合适地集成到各种设备中，如电子设备、车辆等，以及集成到封装产品中，在这种情况下IC例如可以是RF-ID芯片，用于监测封装产品的环境条件，其中监测数据可以经由RF链路中继到控制中心。

[0017] 根据本发明的另一方面，提供了一种制造集成电路的方法，该集成电路包括至少一个光传感器且包括气体传感器(如湿气传感器)，该方法包括：提供衬底，所述衬底包括至少一个光传感器；在衬底上形成互连结构；在互连结构上形成至少一个钝化层，所述钝化层包括所述至少一个光传感器上方的第一区域；通过下述操作形成至少部分地位于所述至少一个钝化层上的气体传感器(50)：在所述至少一个钝化层的另一区域上形成一对电极；在包括该对电极的所述至少一个钝化层上沉积气敏层；以及对气敏层进行构图，使得气敏层保留于所述第一区域和所述另一区域中。

[0018] 因为气敏材料的构图通常无论如何都是必须进行的，所以本发明认识到针对EM谱部分的一个或多个滤波器可以通过还将气敏层材料用于该目的来提供，这意味着可以在相同构图步骤中提供这种滤波器，从而可以提供这种滤波器，而不会增加制造工艺的复杂度，即无需额外的处理步骤，这使得本发明的方法特别成本有效，而同时又不会不利地影响产率。

[0019] 可以在气敏材料至少位于第一区域上的部分中引入染料，以调整滤波器的性质。这种染料可以化学结合到湿敏层材料，例如通过共价结合、离子结合或通过范德华力结合。

[0020] 在气敏层材料是从包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚胺、聚吡啶、聚碳酸酯、聚乙酸酯、聚苯乙烯、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(苯基亚乙烯基)及其衍生物的组中选择的聚合物层的情况下，可以通过旋涂来实现沉积湿敏材料层的步骤。

附图说明

[0021] 参照附图，通过非限制性示例，更加详细地描述本发明的实施例，附图中：

[0022] 图1示意性示出了根据本发明实施例的IC制造方法；

[0023] 图2示意性示出了本发明实施例中可以使用的反应方案；

[0024] 图3示出了根据本发明实施例的IC的测量结果；以及

[0025] 图4示出了根据本发明实施例的IC的另一测量结果。

具体实施方式

[0026] 应当理解，附图仅仅是示意性的，且没有按比例绘制。还应理解，贯穿附图，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

[0027] 图1示意性示出了根据本发明实施例的制造IC的方法。本发明的IC可以使用任意合适的制造技术来提供，如CMOS、绝缘体上硅和SiGe技术。如图1(a)所示，提供IC，该IC包括衬底10，例如Si衬底、SiGe衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底等，衬底通常包括多个电流元件如晶体管、二极管等，这些电路元件的组合形成电路。这些电路可以是模拟或数字电路。设置该衬底的方式并没有具体限制。

[0028] 可以采用任意合适的制造方法来提供这种衬底。由于这样的方法众多且常见，在此仅为简明起见不再进一步说明。还应理解，本发明不限于IC的具体类型。本发明可以包括于任意合适的IC，包括数字IC、模拟IC和混合信号IC。

[0029] 明确示出了在衬底10上形成的多个光敏元件12。光敏元件12可以采取任何合适的形状，例如光敏二极管，这种光敏二极管可以是单一二极管、垂直堆叠二极管等。在垂直堆叠二极管的情况下，衬底10通常至少部分透明，使得底部的二极管能够通过衬底而得以照射。这例如可以通过将衬底减薄到一定厚度使得衬底变得至少部分透明来实现。典型地将光敏元件12连接为用作IC中的光传感器。

[0030] 衬底10中电路元件之间用以限定电路的互连典型地通过金属化层或层堆叠20来提供，作为非限制性示例，这种金属化层或叠层20可以包括由电介质层分隔的多个构图金属层。可以存在任意合适数目的金属层和电介质层。不同金属层中的金属部分可以通过在相应的金属层部分之间的电介质层中形成的一个或多个通孔(via)来导电互连。可以使用任意合适的材料来形成金属化叠层20，例如使用Ti、TiN、Cu及其组合来限定金属层，以及使用氧化硅、氮化硅、低k电介质和其他电介质材料及其组合来形成电介质层。

[0031] 金属化叠层20中的每一层事实上可以包括层堆叠，这是当代半导体技术如亚微米CMOS技术中的常规设计实践。可以采用任意合适的制造方法来设置这样的互连结构。由于这样的方法众多且常见，在此仅为简明起见不再进一步说明。

[0032] 典型地在金属化叠层20上设置钝化层30，以保护互连结构和衬底10免受损害，例如防止暴露于过多的湿气。同样，可以采用任意合适的钝化层30。这种钝化结构的合适材料的非限制性示例包括电介质材料如SiO2、Si3N4、低k电介质及其组合。另外，钝化结构还可以包括防潮材料如Ta2O5。优选地，钝化层30是包括一层或多层电介质材料的叠层，其可以任意合适的方式形成。由于这样的方法众多且常见，在此仅为简明起见不再进一步说明。

[0033] 应清楚，金属化层20和钝化层30对于电磁(EM)谱的感兴趣部分至少部分透明，使得这种光能够到达光敏元件12。

[0034] 在钝化层30的顶部上形成第一电极42和第二电极44，其中优选地在形成这些电极之前平坦化钝化层30。合适的平坦化方法是化学机械抛光。电极42和44可以按任何合适的方式形成，例如，通过在钝化层30的顶部上沉积金属层，并对该金属层进行构图以获得第一电极42和第二电极44。在图1(a)中，第一电极42和第二电极44被示出为叉指电极，作为非限制性示例。应当认识到，可以想到任意合适的电极设计。任意合适的金属可以用于电极。优选地，第一电极42和第二电极44由同样用来形成金属化层20中金属互连的金属来形成，因为这意味着电极可以通过IC制造工艺中已有的工艺来形成。

[0035] 电极42和44形成在IC的钝化层顶部上形成的气体传感器如湿气传感器的电极。这类传感器的非限制性示例在欧洲专利申请EP09166518.2中有着更加详细的描述。可以为了读出目的，以任意合适的方式来导电连接电极42和44。电极42和44可以经由金属化叠层20连接到IC衬底上的电路，在这种情况下相应导电部分从电极42和44通过钝化层
30分别延伸到金属化叠层20的不同金属部分。备选地，钝化层30可以承载相应的接触焊盘(未示出)，电极42和44导电连接到这些接触焊盘，使得可以通过接触这些接触焊盘来在外部对气体传感器进行读出。

[0036] 根据本发明的实施例，在包括第一电极42和第二电极44的钝化层20上形成气敏层46。在本发明的语境中，气敏材料是其电性质(例如导电性质、电阻性质和/或电容性质)是材料中气体含量的函数的材料。例如，在电容性湿气传感器的情况下，湿敏材料是这样一种材料，其电介质常数取决于其湿气含量，使得可以通过确定传感器的电容来确定湿气含量。

[0037] 备选地，可以在液体保持层46处于电极42和44之间的部分上进行阻抗测量，以确定IC所处环境中的相对湿度。这种测量也可以用来确定IC是否已经暴露于过大湿度下，例如已经浸没到水中。

[0038] 应当理解，在钝化层30上的气体传感器是湿气传感器的情况下，该传感器可以用作相对湿度传感器或用作液体浸没传感器。

[0039] 可以使用任意合适的湿敏材料。例如，湿敏材料可以是从包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚胺、聚吡啶、聚碳酸酯、聚乙酸酯、聚苯乙烯及其衍生物的组中选择的聚合物。聚酰亚胺是尤其优选的。在层46包括这种聚合物的情况下，层46例如可以通过旋涂或者任意其他合适的聚合物沉积技术来形成。

[0040] 备选地，可以使用诸如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(苯基亚乙烯基)(poly(phenyl vinylene))及其衍生物之类的聚合物，尤其是在要检测气态水(湿气)之外的其他气体时。例如，若干导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物已经成功地用作气体传感器中的气敏层，这本身是已知的。此外，例如聚噻吩和聚十二烷基噻吩传感器对于诸如甲烷、氯代甲烷、氨之类的气体在10分钟内对于300ppm的气体可以具有范围在0.2-1.8DR/Rb的灵敏度，这本身是已知的，就如Y. Sakurai等人之前在Sensors and Actuators B：Chemical，Vol.83，No.1-3第270-275页中公开的那样。

[0041] 更一般地，可以使用任意合适的聚合物。一些适用于气体传感器中的合适聚合物的概述已由Hua Bai等人在Sensors2007，Vol.7第267-307页中提供。适用于气体传感器的合适聚合物的另一概述由K.Arshak等人在Sensor Review，24(2)，2004第181-198页中提供。

[0042] 为了增强聚合物的气体灵敏度，气敏层46中至少形成气体传感器部件的那部分可以涂覆有贵金属如Pt或Pd。备选地，这种贵金属可以散布于聚合物中。对于感兴趣的读者，这在前述Hua Bai等人的文章中有更详细的公开，具体参见该文中的表2。

[0043] 在下一步骤，如图1(b)所示，对气敏材料层46进行构图，以完成包括气敏材料一部分46’的气体传感器50，并提供用作针对光敏元件12之一的滤波器的另一部分46”。该部分46’和另一部分46”可以仍然相互连接，或者可以在构图步骤中被分开。另一部分46”位于光敏元件12上方的钝化层30区域上，使得该光敏元件12的大多数入射光(如图1(b)中的箭头所示)穿过另一部分46”。优选地，光敏元件12的基本上所有入射光，例如所有入射光中至少90％或者甚至99％，均穿过湿敏材料的部分46”，该部分用作针对该光敏元件的滤波器。

[0044] 在一实施例中，滤波特性(即入射电磁(EM)谱中被部分46”吸收的部分)由气敏材料的吸收特性即吸收谱来决定。为此，气敏材料可以基于其吸收谱性质来选择，以确保其可以有效地滤除EM谱的不需要部分。例如，对于适光传感器12，可以选择强烈吸收UV和IR辐射的材料。

[0045] 在另一实施例中，气敏材料中至少滤波器部分46”的吸收谱可以通过向该部分46”添加染料来加以调节。由于染料的强烈色彩，可能只需要将少量染料添加到气敏材料中来调节其吸收谱。可以使用任意合适的染料。只需使用少量染料的优点在于气敏材料的电性质保持基本上不受影响。这意味着染料也可以存在于形成气体传感器50部件的部分
46’中，从而可以简单地将染料应用于气敏材料。

[0046] 例如，可以在已于钝化层30上沉积气敏材料层46之后，例如通过使染料被吸收进层46中，来添加染料。备选地，在气敏材料包括聚合物的情况下，可以将染料结合到聚合物中。这例如可以通过如下方式来实现：如图2示意性所示，使用两种不同类型的单体，即化学上未结合(例如，未共价结合)染料的单体100以及包括染料(例如，作为取代基)的单体110，形成聚合物120，其中染料作为取代基而结合到聚合物主链中。在图2中，m和n是正整数，其中m典型地远大于n，因为在聚合反应中使用与单体110相比过量的单体100。在一实施例中，单体100∶单体110之比可以至少为10∶1，并且可以大至100∶1甚至
1000∶1。由于将染料附至单体的化学现象是公知的，且高度取决于染料以及单体的性质，在此仅为简明起见不再进一步说明。

[0047] 图3示出了对包括一对垂直堆叠光敏二极管(图3中标记为ALS1和ALS2)的CMOS IC进行测量的结果，其中只有ALS2被聚酰亚胺部分覆盖，即，ASL2上方的钝化层20区域包括该部分。图3中示出了三条测量曲线。曲线ALS1top-ALS2top示出了通过从ALS1的顶部二极管的光谱响应减去ALS2的顶部二极管的光谱响应得到的差分谱。曲线ALS2top示出了ASL2的顶部二极管的光谱响应，曲线ALS1bottom-ASL2bottom示出了从ALS1的底部二极管的光谱响应减去ALS2的底部二极管的光谱响应得到的差分谱。

[0048] 从曲线ALS1top-ALS2top和ALS1bottom-ASL2bottom可以看出，可以实现EM谱的UV和IR部分的分离。这可以通过对ALS1和ALS2信号进行简单的算术操作来实现。

[0049] 图4示出了在应用图3所示的数据提取之前(未滤波的)ALS1的顶部二极管和底部二极管的光谱响应。与图3中ALS2的顶部二极管的响应相比，显然ALS2顶部二极管的光谱响应的UV和IR翼已经被ALS2顶部二极管上方的聚酰亚胺滤波器部分有效地抑制。

[0050] 还应理解，其他类型的传感器可以添加到IC中，而不脱离本发明的教导。具体地，可以使用制造IC时业已使用的工艺步骤来制造的传感器是优选的，因为它们不需要制造工艺成本的重大提升来将这种传感器添加到IC中。特别优选的传感器的示例是温度传感器，如PTAT传感器，对于这种传感器易于获得基于晶体管的实现方式。

[0051] 应当指出，上述实施例说明而非限制了本发明，本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的前提下，能够设计许多备选实施例。在权利要求中，括号中的任意附图标记不应解释为限制权利要求。词语“包括”不排除权利要求中所列元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在。元件之前的词语“一”或“一个”并不排除多个这种元件的存在。本发明可以通过包括若干分立元件的硬件来实现。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些装置可以由同一硬件来实现。在不同的从属权利要求中描述某些措施的事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。