特許 6129341 半導体回路上に一体化された容量センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6129341

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】半導体回路上に一体化された容量センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/22 20060101AFI20170508BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/22 A

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-552036(P2015-552036)

(86)(22)【出願日】2014年1月6日

(65)【公表番号】特表2016-504595(P2016-504595A)

(43)【公表日】2016年2月12日

(86)【国際出願番号】EP2014050097

(87)【国際公開番号】WO2014108371

(87)【国際公開日】20140717

【審査請求日】2015年9月15日

(31)【優先権主張番号】13305026.0

(32)【優先日】2013年1月11日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】515191121

【氏名又は名称】メアス フランス

【氏名又は名称原語表記】ＭＥＡＳ ＦＲＡＮＣＥ

(74)【代理人】

【識別番号】100105360

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 光治

(74)【代理人】

【識別番号】100145023

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 学

(72)【発明者】

【氏名】ギュメ，ジャン−ポール

(72)【発明者】

【氏名】ドルリャチャ，プレドラグ

(72)【発明者】

【氏名】ビーラー，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ギャロリーニ，ロミュアルド

(72)【発明者】

【氏名】ドゥチェレ，ヴァンサン

【審査官】 蔵田 真彦

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１６８８８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−０６９６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１９５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０１４９０９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／００−２７／１０、２７／１４−２７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体回路の不動態層上に容量性センサを製造する方法であって、
前記不動態層は、第１のボンド・パッド（３６０）および第２のボンド・パッド（３８０）を露出させる複数の開口部を有するものであり、
前記不動態層上に金属層を形成し（５２０）、前記金属層をパターン化して、底部電極およびランド・パッド、および前記底部電極および前記ランド・パッドをそれぞれのボンド・パッドに接続する金属配線を形成し、
前記底部電極は、能動回路を有する前記半導体回路の部分の上に位置するように配置されるものであり、
さらに、前記底部電極および前記ランド・パッドの上にガス感応層を形成し（５３０）、
前記ガス感応層を貫通して前記ランド・パッドに達するヴィア・ホールを形成し（５４０）、
前記ヴィア・ホールを通して前記ランド・パッドに電気的に接続される多孔性の上部電極を前記ガス感応層上に形成する（５５０）
ことを含み、
前記上部電極の一部が前記底部電極の表面領域を完全に覆い、前記上部電極の他の部分が前記ランド・パッドと接触するものである、
方法。

【請求項2】

前記能動回路はＡＳＩＣを含むものであり、
さらに、成形材料における開口部が前記上部電極を周囲の環境に露出させ且つ前記成形材料がこの開口部の周囲の全ての成形材料端縁に沿って前記ガス感応層の少なくとも０．１ｍｍを覆うように、前記上部電極および前記ＡＳＩＣの上に成形材料を形成することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

ＡＳＩＣの不動態層上に容量性センサを製造する方法であって、
低温プロセスを用いて前記ＡＳＩＣの能動回路の上に位置する前記不動態層の部分の上に、底部電極層およびランド・パッドを形成し（５２０）、
前記底部電極層および前記ランド・パッドの上にガス感応層を形成し（５３０）、
前記ガス感応層を貫通して前記ランド・パッドに達するヴィア・ホールを形成し（５４０）、
低温プロセスを用いて前記ガス感応層の上に上部電極層を形成する（５５０）
ことを含み、
前記上部電極層は前記底部電極層の表面領域を完全に覆い、前記上部電極層の形成は、前記ヴィア・ホール中に前記上部電極層の一部を被着し、それによって前記上部電極層と前記ランド・パッドの間に電気的接続を形成するものである、
方法。

【請求項4】

さらに、成形材料における開口部が前記上部電極層を周囲の環境に露出させ且つ前記成形材料がこの開口部の周囲の全ての成形材料端縁に沿って前記ガス感応層の少なくとも０．１ｍｍを覆うように、前記上部電極層および前記ＡＳＩＣの上に前記成形材料を形成することを含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

上部不動態層（２１０）を有する半導体回路（２００）と、
前記半導体回路（２００）の前記不動態層（２１０）上の金属底部電極（３１０）であって、能動回路を含む前記半導体回路の領域の上に位置する金属底部電極（３１０）と、
前記不動態層（２１０）の上にあり前記金属底部電極（３１０）から電気的に分離された金属ランド・パッド（３３０）と、
前記金属底部電極（３１０）および前記金属ランド・パッド（３３０）の上にあり、前記ランド・パッドの一部を露出させるヴィア・ホール（３５０）を含むガス感応層（３４０）と、
前記ガス感応層（３４０）上にある多孔性上部電極（３２０）であって、前記多孔性上部電極（３２０）によって形成される領域が前記金属底部電極（３１０）によって形成される領域を完全に覆い、前記多孔性上部電極（３２０）が、前記ガス感応層（３４０）における前記ヴィア・ホール（３５０）を通して前記ランド・パッド（３３０）に電気的に接続される、多孔性上部電極（３２０）と、
前記金属底部電極（３１０）と第１のボンド・パッド（３８０）の間に第１の金属配線（３９０）と、前記ランド・パッド（３３０）と第２のボンド・パッド（３６０）の間に第２の金属配線（３７０）と、
を含み、
前記半導体回路は、前記金属底部電極（３１０）に信号を加えて容量によって前記多孔性上部電極を通って移動した電荷を測定することによって、前記ガス感応層の容量を測定するものである、ガス・センサ。

【請求項6】

前記ガス感応層（３４０）は前記第１の金属配線（３９０）および前記第２の金属配線（３７０）を覆い、それによって前記多孔性上部電極（３２０）と前記金属底部電極（３１０）の間の電気的短絡が防止されるものである、請求項５に記載のガス・センサ。

【請求項7】

さらに、前記多孔性上部電極（３２０）に隣接する成形材料（４００）を含み、
前記成形材料（４００）は前記多孔性上部電極（３２０）を周囲の環境に露出させる開口部（４１０）を有し、前記成形材料における前記開口部（４１０）の各側部は前記ガス感応層（３４０）の少なくとも０．１ｍｍを覆うものである、請求項５に記載のガス・センサ。

【請求項8】

前記多孔性上部電極（３２０）の領域は前記金属底部電極（３１０）の領域より広く、それによって、前記多孔性上部電極（３２０）は、前記多孔性上部電極と前記金属底部電極が位置ずれしていても、前記金属底部電極（３１０）を完全に覆うことができるものである、請求項５に記載のガス・センサ。

【請求項9】

電圧を加えてその結果の移動した電荷を測定することによって、容量性センサの容量を測定することができる半導体回路と、
前記半導体回路の不動態層の外側の表面の直上に形成され、能動回路を含む前記半導体回路の表面領域の上に位置する金属層と、
を含み、
前記金属層は、前記容量性センサの底部電極と、前記容量性センサの多孔性上部電極の接続用のランド・パッドと、前記底部電極と前記ランド・パッドの双方を別々のボンド・パッドに接続する配線とを形成し、
前記別々のボンド・パッドは、前記半導体回路に接続され、前記半導体回路のＡＳＩＣ組立てプロセスの一部として形成されたものであり、
さらに、前記半導体回路の前記外側の表面上の前記不動態層の上に被着され、前記金属層を覆うガス感応性材料層であって、前記多孔性上部電極を前記ランド・パッドに電気的に接続するためのヴィア・ホールを画定し且つ前記半導体回路の前記ボンド・パッドを露出させるようパターン化されたガス感応性材料層と、
前記金属層に形成された前記底部電極パターンを完全に覆い且つ前記ランド・パッドに電気的接続を形成するように前記ガス感応性材料層上に被着された多孔性上部電極と、
を含み、
前記半導体回路は、信号を前記底部電極に加えて前記ガス感応性材料層の容量によって前記上部電極を通って移動した電荷を測定することによって、前記ガス感応性材料層の容量を測定するものである、ガス・センサ。

【請求項10】

前記ガス感応性材料層は、前記底部電極をそのボンド・パッドに接続する金属配線と、前記上部電極の最大領域を超える領域の上のそのボンド・パッドに前記上部電極を接続する金属配線とを覆うよう構成され、それによって前記上部電極と前記底部電極の間の電気的短絡が防止されるものである、請求項９に記載のガス・センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般的には、半導体回路の最も外側の保護層（不動態化層）の直上に構築される容量性のガス・センサに関する。

【背景技術】

【0002】

容量性ガス・センサはこの技術分野で既知のものであり、特定の例は水蒸気（相対湿度）の測定におけるものである。これらのセンサに関連する多数の構成が存在する。１つの構成は、ガス感応性材料（gas sensitive：感ガス材料）によって覆われた（被覆された）互いにかみ合う同一平面上の両極性の電極を使用し、ここ（電極）で、ガス濃度の増大によってその材料の誘電率が増大し、それによって両平面電極間の誘電結合が増大し、それによって両電極間の実効容量が増大する。一体化された電極の場合、両電極はガス感応性材料の上部表面の真下にあり、電界フリンジング（fringing）効果によって両平面電極間に誘電結合が生じる。

【0003】

別の構成は、電極間にガス感応性材料の層を有する平行板（プレート）電極を使用して、ガス濃度の変化によって、ガス感応性材料の誘電率が変化し、平行板キャパシタの容量が変化するようになっている。仏国特許出願公開第２７５０４９４号（米国特許第６４５００２６号）に記載されている平行板構成は、高度に多孔性または多孔質の導電ポリマーからなる上部電極を有し、これ（多孔性の導電ポリマー）によって電極を通してガス感応性材料中への選択ガスの拡散が可能になる。この上部電極材料は、ガス感応性材料に機密に接着し（密着し）化学的に不活性で且つ環境的に頑強となるように処理される。ここで、仏国特許出願公開第２７５０４９４号および米国特許第６４５００２６号の全体を参照により組み込む。

【0004】

容量性ガス・センサの容量はガス濃度の関数であり、その容量はセンサを電気的に励起することができる関連の電子装置によって測定される。容量性ガス・センサの製造コストはそのセンサとその関連の電子装置の物理的サイズ（大きさ）に関連し、従って、所望の精度および信号対ノイズ比を達成しつつ可能な限り小さい容量性ガス・センサを実現することが望ましい。ガス感応キャパシタ（コンデンサ）のサイズが減少するにしたがって、ガス感応キャパシタは、相互接続および関連の電子装置において見出される寄生容量を含めた漂遊容量に関連する信号劣化の影響をより受けやすくなる。より小さいキャパシタを用いるときの寄生容量の効果を低減する１つの方法は、そのセンサにできるだけ物理的に接近するように関連の電子装置を位置決めすることである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】仏国特許出願公開第２７５０４９４号明細書

【特許文献2】米国特許第６４５００２６号明細書

【発明の開示】

【0006】

容量性ガス・センサのサイズ、従ってその製造コストを減少させると共に、関連の電子装置のサイズおよびコストを減少させることが望ましい。関連の電子装置の製造コストの減少は、小さい低コストの構成で全ての必要な機能を実現する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）の使用によって達成できる。

【0007】

互いにかみ合う（interdigitated：櫛歯、交互嵌合）コプレーナ（共平面上の）キャパシタ電極がＡＳＩＣの部分の上部に配置され且つガス感応性材料層がそのコプレーナ・センサ電極の上部に配置されてガス・センサを形成する構成の市販の装置が存在する。互いにかみ合うキャパシタ電極を有するＡＳＩＣ用の構成は、その互いにかみ合うキャパシタ電極がＡＳＩＣにおける能動回路（活動状態の回路、機能している回路）の直上にある場合に結合および干渉が起こり得る、という欠点がある。その結果、そのセンサ電極が能動回路の上に位置しないようにそのセンサ電極を収容するより広いシリコン面積領域に対するニーズ（必要性）がある。特に、その互いにかみ合う電極は、それらの電極の中間および下への導電層の付加によって回路で誘導された漂遊結合信号に対して遮蔽することができない。その理由は、そのような導電層は、その互いにかみ合う検出電極間のベースライン（基準値）の容量性結合をかなり増大させ得るからである。ガス感応層におけるガス濃度を変えることによって生成された信号は容量の変化割合（百分率）として測定されるので、ベースライン容量を増大させるとその装置の感度が低くなる。互いにかみ合う電極を有するＡＳＩＣの別の欠点は、ガス感応性材料層の上部の外来の材料に対する電極間容量の望ましくない感度である。例えば、ガス感応性材料層の表面上の水滴または金属小粒子は、電極によって生成されたフリンジング電界を歪ませることによって、電極間の誘電結合をかなり変化させる。

【0008】

代替的な装置は、次のような別々の２つのチップを有する。その１つのチップは適切な基板の上に組み立てられたガス検出キャパシタを有し、その第２のチップは適切な回路を有する。この２つのチップによる解決法（ソリューション）は、各部分を製造するのに用いられる、各生産収率（歩留まり）、各プロセス（処理）および各基板材料を互いに分離するという利点を有する。しかし、これらのチップは、検出キャパシタの動作または性質に影響を与えるフリップ・チップまたはワイヤ・ボンディング技術を用いて電気的に相互接続されなければならない。さらに、電気的および機械的なパッケージングのコストは、垂直に一体化される構成の場合よりも高い。

【0009】

従って、適切な半導体回路の直上に組み立てられるより小さく且つより効果的な（効率的な）容量性ガス・センサに対するニーズ（必要性）が存在する。

【0010】

発明の概要
本発明の実施形態は、標準的半導体ガス・センサＡＳＩＣの不動態化された表面の直上に組み立てられた平行板容量性ガス・センサからなるガス・センサ・アセンブリ（組立体）に関する。その構成は、最小の可能なセンサ・サイズを可能にしつつ、平行板センサ構成の利益を提供する。

【0011】

本発明の目的は、製造が簡単な半導体回路上のガス測定用の容量性センサを製造することである。

【0012】

本発明は、ガス・センサとして使用されるセンサに加えて、これらのセンサの製造方法に関する。好ましい実施形態において、この方法は、薄い金属層、ガス感応層（感ガス層）および多孔性または多孔質の上部電極の連続的な積層または形成に関する。

【0013】

半導体回路の不動態（passivation：保護）層上に容量性センサを製造する方法は、その回路を覆う（cover）その不動態層の上に金属層を被着すること（deposit：堆積、被覆）を含んでもよい。その金属層がパターン化されて、底部電極、その底部電極を第１のボンド・パッド（bond pad：接着パッド）に接続する第１の配線（trace）、ランド・パッド（landing pad）、およびそのランド・パッドを第２のボンド・パッドに接続する第２の配線を形成する。その底部電極は、それ（底部電極）が能動回路を含むその半導体回路の部分の上に位置するように配置される。その方法は、さらに、その底部電極およびそのランド・パッド上にガス感応層を被着し；そのガス感応層を貫通するヴィア・ホールを形成してそのランド・パッドを露出させ；そのガス感応層上に多孔性（porous：多孔質）の導電性電極を被着して、そのヴィア・ホールを通してそのランド・パッドに電気的に接続される上部電極を形成すること、を含んでもよい。その上部電極の一部はその底部電極の表面領域を完全に覆い、その上部電極はそのランド・パッドに接続する。

【0014】

一実施形態において、ＡＳＩＣ（５１０）の不動態層上に容量性センサを製造する方法は、そのＡＳＩＣの能動回路の上に位置するその不動態層の部分の上に底部電極層およびランド・パッド（５２０）を形成し；その底部電極層およびそのランド・パッド上にガス感応層（５３０）を形成し；そのガス感応層を貫通してそのランド・パッドに達するヴィア・ホール（５４０）を形成し；そのガス感応層上に上部電極層（５５０）を形成することを含んでもよい。その上部電極層はその底部電極層の表面領域を完全に覆う。その上部電極層の形成プロセス（工程）はそのヴィア・ホールに電導性材料を充填することを含み、それによって、その上部電極層とそのランド・パッドの間に電気的接続を形成する。

【0015】

一実施形態において、その不動態層上に被着された金属層からその底部電極層およびランド・パッドを形成するのに用いられるプロセス（方法）は、フォトリソグラフィ・プロセス（過程）、フォトリソグラフィ・レジスト・プロセス、またはウェット・エッチング・プロセスを含んでもよい。スピン・コーティング・プロセスを用いて、その底部電極層およびそのランド・パッド上にガス感応層を形成してもよい。一実施形態において、その方法は、さらに、ドライ・エッチングまたはウェット・エッチングの後でフォトリソグラフィ技術を用いてそのガス感応層にパターンを形成または塗布することを含んでもよい。そのガス感応層上にその多孔性上部電極層を形成するのに用いられるプロセスは、スクリーン・プリンティング、ステンシル・プリンティング、パッド・プリンティング、インク噴射、またはスピン・コーティングを含んでもよい。一実施形態において、その方法は、さらに、その上部電極およびそのＡＳＩＣ上に成形材料（molding compound：成形コンパウンド、モールド化合物）を形成することを含んでもよく、その成形材料の形成は、その成形材料における開口部がその上部電極をその周囲環境に露出させるように、また、その成形材料がその開口部の周りの全ての成形材料端縁に沿ってそのガス感応性材料の少なくとも０．１ｍｍ（幅）を覆うように行われてもよい。

【0016】

ガス・センサは、上部不動態層（２１０）を有する半導体回路（２００）と；その半導体回路（２００）のその不動態層（２１０）上に金属底部電極（３１０）とを含んでいてもよい。その底部電極（３１０）は、能動回路を含むその半導体回路の領域の上に位置する。ガス・センサは、さらに、その不導体層（２１０）上にその底部電極（３１０）から電気的に分離した金属ランド・パッド（３３０）と；その金属底部電極（３１０）および金属ランド・パッド（３３０）上にガス感応層（３４０）を含んでいてもよい。そのガス感応層（３４０）は、そのガス感応層を貫通するように画定されたヴィア（３５０）を有する。ガス・センサは、さらに、そのガス感応層（３４０）上に多孔性上部電極（３２０）を含んでいてもよい。その多孔性上部電極（３２０）によって形成された領域は、その金属底部電極（３１０）によって形成された領域を完全に覆い、その多孔性上部電極（３２０）は、そのガス感応層（３４０）におけるそのヴィア（３５０）を通してそのランド・パッド（３３０）に電気的に接続される。ガス・センサは、さらに、その金属底部電極（３１０）を第１のボンド・パッド（３８０）に接続する第１の金属配線（３９０）と、そのランド・パッド（３３０）を第２のボンド・パッド（３６０）に接続する第２の金属配線（３７０）とを含んでいる。その底部電極、ランド・パッド、および双方の接続用の配線は、同じ金属層からパターン化されてもよい（例えば、選択的パターニングによって）。一実施形態において、その半導体回路は、その金属底部電極（３１０）に信号を加えてキャパシタ（容量）によってその上部電極を通って移動（変位）した電荷を測定することによって、そのガス感応層の容量を測定する。

【0017】

一実施形態において、前記ガス感応層（３４０）は、その第１の金属配線（３９０）および第２の金属配線（３７０）を覆い、それによって、その上部電極を被着するのに用いられるプロセスによって生じ得るその多孔性上部電極（３２０）とその金属底部電極（３１０）の間の電気的短絡が防止される。別の実施形態において、ガス・センサは、さらに、その多孔性上部電極（３２０）に隣接する成形材料（４００）を含んでもよい。その成形材料（４００）はその多孔性上部電極（３２０）をその周囲の環境に露出させる開口部（４１０）を有し、その成形材料におけるその開口部（４１０）の各側部は、そのガス感応層（３４０）の少なくとも０．１ｍｍ（の幅）を覆う。ガス・センサにおいて、その多孔性上部電極（３２０）の領域（面積）は、その底部電極（３１０）の領域（面積）より広くてもよく、それによって、その多孔性上部電極（３２０）とその底部電極（３１０）とが位置ずれしていても（misaligned：正しく整列または位置合わせされていなくても）、その多孔性上部電極（３２０）はその底部電極（３１０）を完全に覆うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1a】図１ａは、外側被覆（オーバモールド）成形材料を含む半導体回路上に一体化された容量性センサの典型例の実施形態の斜視図を示している。

【図1b】図１ｂは、外側被覆成形材料のない、半導体回路上に一体化された容量性センサの典型例の実施形態の斜視図を示している。

【図1c】図１ｃは、底部電極、ランド・パッド、ヴィア・ホールの整列状態、および底部電極およびランド・パッドのそれぞれのボンド・パッドへの相互接続を含む、容量性センサが一体化されたＡＳＩＣの典型例の実施形態の上面図を示している。

【図2】図２は、底部電極を覆いガス感応性材料層におけるヴィア・ホールを通して接触を形成する上部電極を含む、図１ｃのＡＳＩＣ構成の短辺側の幅の図１ｃの線Ａ−Ａに沿った部分断面図を示している。

【図3】図３は、キャパシタ接続用の接続パッド上のダイ・パッケージ材料の重なり状態を含む、図１ｃのＡＳＩＣ構成の長辺側の図１ｃの線Ｂ−Ｂに沿った長さの断面図を示している。

【図4】図４は、下部の回路から底部電極への望ましくない寄生容量結合を含む、図１ｃのＡＳＩＣ構成の短辺側の幅の図１ｃの線Ａ−Ａに沿った部分断面図を示している。

【図5】図５は、本発明の実施形態による一体化されたガス・センサを有する半導体回路を製造するプロセスのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

詳細な説明
次に、図面に例が記載された本発明の例示的な実施形態を参照して説明する。

【0020】

図１ａは、成形材料を含む、半導体回路上に一体化されたガス・センサの典型例の実施形態の斜視図を示している。特に、図１ａに示されたガス・センサ１００は、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）２００、ＡＳＩＣ２００上の平行板容量性センサ３００、およびガス・センサ１００上の成形材料４００を含んでいる。成形材料４００は開口部４１０を含み、開口部４１０は、検出するように設計された状態の読取りを行い得るように、容量性センサ３００を周囲の環境に露出させる。

【0021】

図１ｂは、成形材料４００のない、図１ａのセンサ１００の等尺性の図を示している。センサ３００は、装置の一実施形態を示すためにＡＳＩＣ２００の上部の概略的に中心に位置するように示されている。

【0022】

図１ｃは、上にセンサ３００が一体化されたＡＳＩＣ２００の典型例の実施形態の上面図を示している。成形材料４００は図を簡明にするために示されていない。底部電極３１０は、高精度の半導体リソグラフィ・プロセスを用いて形成されてもよく、一実施形態において薄い金属層からなるものであてもよい。非限定的な一実施形態において、底部電極は、ＴｉＷ接着／バリア層を有するＡｕで形成されてもよい。底部電極は、半導体回路またはＡＳＩＣの能動回路の上に位置してもよく、その結果、能動回路の上に配置されていない互いにかみ合う（櫛歯、交互嵌合）電極を有するセンサよりもコンパクトな設計が得られる。

【0023】

多孔性上部電極３２０は、底部電極を完全に覆っている（overlay）。ここで、覆う（overlay）という用語は、上部電極の足跡（フットプリント）または領域が、基本的に平行板キャパシタを形成する底部電極の足跡と完全に重なるまたはそれを完全に覆う（overlap）という意味で用いられるが、上部電極と底部電極の間の接触（コンタクト）という意味を含んでいる。一実施形態において、上部電極は多孔性電極である。用語“多孔性”（porous）は、ここでは、関心の対象であるガスに対して完全に不浸透性ではないという意味で用いられる。本発明の実施形態を実施するのに有用な多孔性電極の例は、単なる非限定的な例として、フィルム系の多孔性電極、および、白金または炭素粒子が充填された有機バインダ、等を含むが、これらに限定されるものではない。

【0024】

上部電極３２０は、好ましい多孔性および接着性（接着力）を与えるプロセスを用いて組み立てられ、このプロセスは、底部電極におけるような半導体ウェハ上に金属電極をフォトリソグラフィで像形成するのに用いられるプロセスよりも、概して寸法的または位置関係的に精度が低い。ガス検出材料の所与の誘電特性および厚さについて、容量性センサのベースライン（基準値）容量は、底部電極および上部電極の重ね合わせまたは上覆い（overlay：オーバレイ）によって決定される。非限定的な一実施形態において、その容量は、約１．５ｐＦ乃至約１０ｐＦの容量であってもよいが、これは単なる例示であり、特定の適用例の要求に応じて種々の他の範囲（例えば、約０．２ｐＦ乃至約２０ｐＦの範囲）が使用されてもよい。同じサイズの上部電極および底部電極の使用、および被着プロセスの位置決めおよび幾何学的許容誤差から生じ得る不可避的な容量の分散（variance：差異、ばらつき）をなくすために、一実施形態において、上部電極３２０は、図１ｃに示された底部電極３１０の表面領域（面積）より広い表面領域（面積）を有してもよい。このようにして、底部電極の上の上部電極の完全な重ね合わせまたは上覆いが確保されてもよく、その結果、センサの容量は、上部電極の位置ずれ（不整列）があったとしても、一貫性または均一性のある（consistent）ものとなる。その位置ずれによって上部電極が底部電極を完全に覆うことがなくならない限り、その容量は、一貫性または均一性のあるものとなる。

【0025】

また、図１ｃは、ボンド・パッド３６０および３８０、および金属配線３７０および３９０を示している。示された実施形態において、ボンド・パッド３６０は、金属配線３７０によって、ランド・パッド（これは上部電極に接続されている）に電気的に接続されている。同様に、ボンド・パッド３８０は、金属配線３９０によって、底部電極に電気的に接続されている。金属底部層がＡＳＩＣの不動態層上に形成されたとき、その底部層の電極部分が金属配線３８０との接触を形成し且つその底部層のランド・パッド部分が金属配線３６０との接触を形成するように、それ（金属底部層）は形成される。お分かりのように、各ボンド・パッドは、ガス・センサを後でＡＳＩＣ上に組み立てることができるように、ＡＳＩＣの一部として設計される機能または要素である。さらにお分かりのように、ボンド・パッド３６０および３８０は、検出される状態（例えばガス）を決定または測定するＡＳＩＣの回路に電気的に接続される。また、ＡＳＩＣまたは半導体回路は、ガスの検出濃度を示すデータを信号に供給または付与する出力リード線（図示せず）を含んでもよい。上述のように、半導体回路は、金属底部電極（３１０）に信号を加えてキャパシタによって上部電極を通して移動する電荷を測定することによって、ガス感応層（感ガス層）の容量を測定する。次いで、その測定結果は、ＡＳＩＣまたは半導体回路によって使用されて、検出される状態が決定される。

【0026】

図２は、図１ｃのＡＳＩＣ２００の短辺側の幅の線Ａ−Ａに沿った部分断面図を示している。図２の実施形態において、上部電極３２０は、底部電極３１０を完全に覆い（covers）および底部電極３１０に完全に重ね合わされ（overlays）且つランド・バッド３３０への接続を形成して、上部電極３２０の半導体回路への電気的相互接続が形成される。ガス検出（感応性）材料層３４０は、そこに画定された、導電性材料が充填された開口部またはヴィア３５０を有し、開口部またはヴィア３５０を通して上部電極３２０とランド・パッド３３０の間に電気的接触が形成される。上部電極被着プロセスによって、上部電極３２０がヴィア３５０を通してランド・パッド３３０に信頼できる電気的相互接続を形成することが、確保される。ガス検出材料３４０は、誘電材料であってもよい。非限定的な一実施形態において、誘電材料は、例えば厚さ約２μｍ（ミクロン）を有するポリマー・フィルムのような、高分子（ポリマー）材料であってもよい。非限定的な別の例として、ガス感応性材料層に、既知の商業的利用における湿度検出用のポリイミド（有機ポリマー）が使用されてもよい。さらに、ガス感応性ポリマー材料がこの技術分野で既知であると理解され、従ってここでは簡潔にするために更なる説明を省略する。

【0027】

図３は、図１ｃのＡＳＩＣ２００の長辺側の線Ｂ−Ｂに沿った長さの断面図を示している。この図は、上部電極３２０および底部電極３１０をＡＳＩＣ回路に相互接続するのにそれぞれ使用されるボンド・パッド３６０および３８０の上をパッケージ（包装）用の成形材料４００の上覆いを示している。一実施形態において、成形材料４００は各キャパシタ相互接続パッドを少なくとも０．１ｍｍ（幅）だけ覆って、それによって、関心の対象である測定されるガスによって生じる成形材料における小さい変化が、各検出キャパシタ接続配線または各接続パッドの間の誘電結合に影響を与えないことが、確保されるようにされる。

【0028】

図４は、図１ｃのＡＳＩＣ２００の幅の線Ａ−Ａに沿った部分断面図を示している。図４が、半導体不動態層の下（真下）の能動回路における配線が底部電極にどのように容量的に結合し得るかを示していることを除いて、図４は図２と同様である。容量性結合は、ＡＳＩＣ回路２３０に接続する、ＡＳＩＣ２００に示された複数のキャパシタ記号２２０によって表されている。

【0029】

一実施形態において、ＡＳＩＣ上のそのセンサは容量性の湿度（湿度感応、感湿度）センサである。図４に示されているように、能動回路の真上にある容量性ガス・センサの配置によって、その下部の回路からそのキャパシタの底部電極への意図しない寄生容量結合が形成される。或るガス濃度による容量の変化はゼロ濃度におけるガス感応性材料の容量よりも相対的に小さいので、センサ電荷移動（変位）測定の精度は、この追加的な寄生容量結合の影響を受ける。さらに、底部電極の下の回路はいずれにしてもガス検出キャパシタの存在によって制限されることがないので、その結合は、従来の回路モデル化ツールを用いて予測されることがないまたは容易にはモデル化されない可能性がある。これらの寄生接続（結合）の有害な効果を回避するために、本発明の実施形態において、底部電極は既知のレベルの低インピーダンス電圧によって駆動され、この印可電圧の結果として検出キャパシタによって移動（変位）した電荷（ガス濃度に起因する部分）が上部電極を用いて測定される。検出キャパシタの底部電極上の電圧、従って検出キャパシタから移動した電荷は、半導体不動態表面の下の任意の回路への寄生容量結合による影響を受けない。

【0030】

コストを低減し、結果として得られるアセンブリの信頼性を高くするために、ガス検出キャパシタに関連するプロセスとその絶縁および相互接続が下部の回路に損傷を与えないことは、重要である。典型例の実施形態における半導体回路は、標準的な高い費用対効果のＣＭＯＳ設計および組立てのグランドルール（基本原則）を用いて製造され、適用例に適切な最大のウェハ（例えば、直径２００ｍｍまたは３００ｍｍのシリコン・ウェハ）上に構築するまたは組み立てることができる。この組立てプロセスによって製造されたウェハは、露出した電気的相互接続ボンド・パッドおよびテスト・パッドを有し、露出した上部表面の大部分および全ての相互接続回路が窒化珪素または二酸化珪素または類似の不動態層内に覆われる。本発明では、容量性ガス・センサがこの外部不動態層の直上に構築されることを意図している。

【0031】

本発明の観点によるキャパシタおよび関連の配線およびパッケージ材料の組立てにおける各工程は、損傷を回避するのに充分低い温度で行われ、そうしないと、下部の能動的半導体回路の性能または信頼性に有害な影響を与える。底部電極と、上部電極用のランド・パッドとは、標準的な低リスクで低コストのフォトリソグラフィ・プロセスを用いて、例えば、ＰＶＤスパッタまたは蒸着、現像とストリップを含むフォトリソグラフィ・レジスト像形成（imaging）、およびウェット・エッチングを用いて、組み立てられる。ガス感応性材料および多孔性上部電極は、窒化珪素（シリコン）、二酸化珪素、アルミニウムまたは珪素そのものを含む、標準的ＣＭＯＳプロセスの結果においてウェハの表面上に典型的に露出される材料に、損傷を与えない。ガス感応層は、例えばスピン・コーティングおよびベーキング（焼成）のような、典型的なウェハ・プロセス技術を使用して被着することができ、材料は、プロセスまたは半導体ポリマー（フォトレジストおよびポリイミドを含む）におけるフォトグラフィ技術の使用に類似したフォトグラフィ技術を用いてパターン化されてもよい。多孔性上部電極材料は、ステンシル・プリンティング、パッド・プリンティング、インク噴射またはスピン・コーティングを含む多数の低温技術を用いて、被着されてもよい。全てのポストＣＭＯＳプロセス（ＣＭＯＳ後工程）において要求される硬化温度およびベーキング（焼成）温度は、下部の回路に害を与え得る温度より低い温度に保たれる。

【0032】

一実施形態において、一体化されたガス・センサを有する半導体回路（例えば、ＡＳＩＣ）は、半導体回路に対する損傷を防止する低い温度を用いる方法を用いて組み立てられてもよい。次に、図２および３と共に図５を参照すると、本開示内容の観点による、プロセスの各工程を示す簡単化された論理フローチャートまたはフロー図５００が示されている。ブロック５１０において、例えばＡＳＩＣのような半導体回路が供給される。半導体回路は、上部に不動態層（２１０）と、露出されたボンド・パッド（３６０および３８０）とを含んでもよい。ブロック５２０において、底部電極層（３１０）およびランド・パッド（３３０）、および、ガス・センサの上部電極（３２０）および底部電極（３１０）をＡＳＩＣ回路に電気的に接続するのに用いられる金属配線（３７０および３９０）が、不動態層（２１０）の上に形成される。ブロック５３０において、ガス感応層（３４０）が形成されてもよい。１つの構成では、底部電極およびランド・パッドをそれぞれのボンド・パッドに接続するのに使用される金属配線は、選択的パターニングによって同じ金属層から形成される。ガス感応層（３４０）は、例えばポリマーのような誘電体であってもよい。ブロック５４０において、ヴィアまたはホール（３５０）が、フォトリソグラフィ・パターニング技術を用いてガス感応層（３４０）に形成される。ブロック５５０において、上部電極層（３２０）が、例えばスクリーン・プリンティング、ステンシル・プリンティング、パッド・プリンティング、インク噴射、またはスピン・コーティングのような低温技術を用いて、ガス感応層（３４０）上に形成される。上部電極層の被着によって、ランド・パッド３３０に対するヴィア３５０を介した電気的接触が形成される。非限定的な一例において、ガス・センサのポリマー材料は、硬化を必要としてもよく、例えば、その構造体は所与の持続時間において適切な温度でベーキング（焼成）されてもよい。

【0033】

以上において例示的な実施形態および実現形態を説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対する種々の変更および変形例を作成できることは、当業者には明らかである。

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】