CN100425982C - 具有前侧键合的半导体传感器 - Google Patents

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Abstract

一种离子敏感传感器设置，包括：具有第一表面的半导体芯片(1)，该第一表面具有介质敏感区域(4)和至少一个第一电接触面(2，3)；和具有第二表面的支架(6)，该第二表面面向半导体芯片(1)的第一表面，具有与敏感区域(4)对齐的开口(7)和至少一个第二电接触面(8，9)，第二电接触面(8，9)与至少一个第一电接触面(2，3)重叠或对齐；其中，在支架和半导体芯片之间放置(优选为弹性的)各向异性导体(5)，其在至少一个第一接触面和至少一个第二接触面之间产生导电连接，并且其具有与第二表面中的开口(7)对齐的贯穿开口，使得半导体芯片(1)的敏感区域(4)可以通过该开口接纳分析物，其中(优选为弹性的)各向异性导体(5)密封开口(7)外部的区域，以防被分析物污染。

Description

具有前侧键合的半导体传感器
本发明涉及一种半导体传感器，特别是所谓的ISFET或CHEMFET传感器，其包括离子敏感的场效应晶体管。为了实现传感器，以芯片形式存在的离子敏感传感器元件必须这样安装，使得它们一方面可以接纳通常较高腐蚀性的样本，而另一方面易腐蚀部件，诸如导电迹线不会接触介质。为此，半导体芯片的离子敏感元件通常与样本室的壁中的开口对齐，其中在样本室的壁和半导体芯片之间设置有环形密封。环形密封围绕开口，使得半导体芯片的离子敏感区域可以接纳样本，而样本不能接触离子敏感区域之外的芯片区域。
然而，芯片的电键合已经被证明是困难的。现有技术基本上使用三种方法。在美国专利No.5,833,824中，Benton公开了一种pH传感器，其中利用金属密封将ISFET芯片固定在衬底的下侧，该金属密封围绕ISFET芯片的离子敏感区域，离子敏感区域与衬底中的开口对齐。在由密封围绕的区域之外，芯片表面上的导电迹线延伸至接触面，这些接触面经由焊料或焊接连接与衬底下侧上的互补接触面相连。Benton提出的解决方案非常昂贵，因为在密封的制造期间以及电接触的影响期间，都需要昂贵的锡焊和/或焊接过程。
Benton讨论的现有技术中描述了ISFET传感器，其中在ISFET芯片的衬底和离子敏感区域之间的样本室壁的开口周围安排普通的聚合体密封。然而，按照Benton的想法，ISFET芯片不与衬底接触，而是与支架接触，支架在远离衬底的后侧上支承ISFET芯片。为此，接合线在ISFET芯片的前侧上的接触面之间延伸到ISFET芯片的支承表面之外的支架上的接触面。即使这种解决方案也是昂贵的，因为为了接触芯片需要焊接工作，并且为了保证传感器的功能和整体性，芯片必须相对于衬底和支架都以很小的公差放置。
另外，已知这样的解决方案，其中芯片在远离离子敏感区域的后侧上具有它们的接触面或焊盘。于是这些芯片可以在后侧上经由具有互补接触面的支架而接触，其中，为了保证芯片后侧和支架之间的足够的电接触，将各向异性的弹性导体，例如具有内嵌金丝的硅膜放置在垂直于薄膜平面的方向上。
考虑到电接触贯穿芯片从其前侧到其后侧将制造成本增加了若干倍，这种解决方案非常昂贵。
因此，本发明的目的是提供一种半导体传感器，其克服上述缺点。这个目的根据本发明具有如下结构的传感器得以实现。
本发明的传感器包括：具有第一表面的半导体芯片，该第一表面具有介质敏感区域和至少一个第一电接触面；和具有第二表面的支架，该第二表面面向半导体芯片的第一表面，具有与敏感区域对齐的开口和至少一个第二电接触面，第二电接触面与至少一个第一电接触面重叠或对齐；其中，在支架和半导体芯片之间放置(优选为弹性的)各向异性导体，其在至少一个第一接触面和至少一个第二接触面之间产生导电连接；其中薄膜或层具有与第二表面中的开口对齐的贯穿开口，使得半导体芯片的敏感区域可以通过该开口接纳分析物；其中(优选为弹性的)各向异性导体密封开口外部的区域，以防被分析物污染。
优选地，各向异性的导体包括具有内嵌的导电颗粒、细粒或细丝，特别是金属颗粒或细丝的弹性绝缘无机层。这里特别优选的是金丝，其垂直于弹性无机层的平面延伸。这里特别优选的是硅层，其具有金丝并且可以从Shin-Etsu公司购得。
只要无机弹性层具有金属细粒，它们就在松弛的层中以这样的浓度均匀分布的，使得在细粒之间的电接触不足以产生在大距离上的电导通性。然而，如果在一个方向上压缩弹性层，例如通过夹紧用作密封元件的弹性层，那么在压缩方向上产生足够量的电接触，从而保证了沿压缩方向的导通性。
与密封元件的所选类型无关，半导体芯片优选地由后侧支架压向弹性层，以最优化弹性层的密封作用。后侧支架可以被刚性和弹性地预加应力。例如通过卷簧弹性预加应力是优选的，因为与必须仅仅基于密封元件的弹性而预加应力相比，可以更好地均衡不同热膨胀系数的影响。当需要密封元件压缩一定程度时，这特别重要，以保证贯穿密封的电导通性。
从附图中可以更清楚地理解进一步的细节，附图中：
图1是本发明的半导体传感器的衬底的下侧的平面图；
图2是本发明的半导体传感器的密封元件；和
图3是本发明的半导体传感器的纵截面。
下面结合附图1～3说明实施例。
图1显示了本发明的半导体传感器的衬底的下侧，其中在下侧上与开口7相间隔地布置接触面8，9。接触面8，9经由导电迹线10，11以适当的方式与所需的接线连接。在完整安装的传感器中，开口7用于半导体芯片接纳待分析的样本。
图2显示了本发明的半导体传感器的密封元件的平面图，其中这个实施例的密封元件包括硅层，其包含贯穿的金丝，该金丝基本上垂直于密封元件5的平面延伸。以这种方式，密封元件在密封元件的平面中绝缘，并且垂直于密封元件的平面导电。结果，相互对齐且通过密封相互间隔的电接触面可以彼此电接触，而在密封元件的平面中横向移位的接触面彼此电绝缘。
为了保证安全接触，对齐的接触面所需的最小尺寸是有关密封元件的每单位面积的平均金丝数的问题。这个参数可以由本领域技术人员以合适的方式调整。以同样的方式，部件为了保证可靠绝缘的平均横向距离是金丝的数量密度以及它们的方向和直径的函数。现在，优选是密封元件，其使得几平方毫米的对齐的接触面能够可靠接触并且使得在大约1毫米的横向距离能够得到足够的绝缘。
图2的密封元件的外部尺寸在这个实施例中与图1的衬底的下侧的外部直径适合；然而，这并不是强制的。然而，密封元件中的开口具有与衬底6的下侧中的开口7相同的尺寸是有利的。
图3显示了本发明的组装的半导体传感器的纵截面，其中密封元件5夹持在半导体芯片1和衬底6之间。
半导体芯片1在其面向密封元件的表面中具有离子敏感区域4，其与衬底6中的开口7对齐。接触面2和3与开口相间隔，这两个接触面2和3与衬底下侧上的互补接触面8，9对齐。芯片侧的接触面2，3和衬底侧的接触面8，9之间的键合通过密封元件垂直于其平面的导通性保证。
为了得到足够的密封，半导体芯片1必须以足够的力压向衬底6的下侧。这一方面可以通过以形状稳定的结构元件(未显示)夹持而实现，另一方面可以通过弹性元件，例如卷簧(未显示)而实现。
衬底6可以例如与半导体传感器的外壳一体构成，或者形成为以合适的方式安装在外壳中的独立部件。本领域技术人员基于上述说明可以很清楚这些以及相似的实施例，它们都在所附权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (6)

1. 一种传感器，包括：
半导体芯片，其具有第一表面，该第一表面具有介质敏感区域和至少一个第一电接触面；
支架，其具有第二表面，该第二表面面向半导体芯片的第一表面，该第二表面具有与敏感区域至少重叠的开口和至少一个第二电接触面，第二电接触面与至少一个第一电接触面至少重叠；和
各向异性导体，其安排在支架和半导体芯片之间，并且在至少一个第一接触面和至少一个第二接触面之间产生导电连接，并且该各向异性导体具有与第二表面中的开口至少重叠的贯穿开口，使得半导体芯片的敏感区域可以通过该开口接纳分析物，其中各向异性导体密封开口外部的区域，以防被分析物污染，所述各向异性导体是弹性的，并且包括具有内嵌的导电颗粒、细粒或细丝的弹性绝缘无机层。
2. 根据权利要求1所述的传感器，其中弹性各向异性导体包括具有内嵌金丝的硅层，其中金丝垂直于硅层的平面延伸。
3. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述弹性绝缘无机层包括在松弛状态中以这样的浓度分布的内嵌金属细粒，使得在细粒之间的电接触的量不足以产生贯穿的电导通性，其中，进一步通过在支架和半导体芯片之间夹持作为密封元件的弹性层，层被压缩到这样的程度，使得在压缩方向上产生足够量的电接触，用于在至少一个第一接触面和至少一个第二接触面之间产生导电连接。
4. 根据前述任一权利要求所述的传感器，其中半导体芯片具有离子敏感区域。
5. 根据权利要求1至3任一项所述的传感器，其中半导体芯片是pH传感器元件或氧化还原传感器元件。
6. 根据权利要求4所述的传感器，其中半导体芯片是pH传感器元件或氧化还原传感器元件。
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