CN101048655A - 电气元件 - Google Patents

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米尔科·莱曼
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    • G01N27/4148—Integrated circuits therefor, e.g. fabricated by CMOS processing

Abstract

一种电气元件(1)具有传感器和/或执行器芯片，该芯片具有基底(2)，在基底上设置钝化层(3)和具有有效表面区域(5a，5b)的传感器和/或执行器结构。该芯片被具有孔(7)的封装(6)包围，该孔形成与所述至少一个有效表面区域(5a，5b)相通的通道。在基底(2)上设置叠层，该叠层从钝化层(3)到基底(2)具有至少一个第一印制导线层(15)、第一电绝缘层(14)、第二印制导线层(17)和第二电绝缘层(16)。第一印制导线层(15)完全位于芯片与孔(7)重叠的区域之外。第二印制导线层(15)的至少一个印制导线与传感器和/或执行器结构连接。

Description

电气元件
技术领域
本发明涉及一种具有传感器芯片和/或执行器芯片、尤其是CMOS芯片的电气元件，该芯片具有基底，在基底上设置钝化层和至少一个具有至少一个有效表面区域的用于传感器和/或执行器的结构，其中芯片被具有至少一个孔的封装包围，该孔形成与所述至少一个有效表面区域和钝化层相通的通道，其中芯片在孔中具有至少以区域方式(bereichsweise)在钝化层和有效表面区域上延伸的交互面，该交互面在工作状态(Gebrauchsstellung)下与液态或软膏状的介质接触，其中在钝化层和基底之间设置第一电绝缘层，在钝化层和第一绝缘层之间以区域方式设置第一印制导线层，在第一绝缘层和基底之间设置第二电绝缘层，在第一绝缘层和第二绝缘层之间设置第二印制导线层，并且至少一个印制导线与传感器和/或执行器结构连接。
背景技术
这种电气元件在实践中是公知的。其包括具有半导体基底的CMOS芯片，在该基底中集成有离子敏场效应晶体管(ISFET)作为传感器。传感器具有被构造为栅电极的有效表面区域，为了检测包含在液态介质中的离子，可以将该有效表面区域与该介质接触。在基底上设置多个由铝制成的印制导线层，即所谓的层(Layer)，印制导线和/或印制导线的段在该层中延伸。印刷导线的在多个印制导线层上经过的印制导线段通过通孔相互连接。在印制导线层之间以及在设置于基底上最下面、最厚的印制导线层和该基底之间分别设置电绝缘层。在由印制导线层和绝缘层所形成的叠层上设置钝化层作为覆盖层。印制导线将ISFET的漏极和源极与远离它们并设置在CMOS芯片表面上的焊盘连接。
CMOS芯片被密封地位于其上的塑料填料包裹(umkapseln)，该填料具有与有效表面区域连接的孔，并且可以向该孔中注入液态介质。其中，介质在交互面上与芯片接触，其中交互面在钝化层的部分区域和有效表面区域上延伸。印制导线层和绝缘层分别一直延伸到芯片的与交互面重叠的区域中。钝化层和绝缘层用作印制导线层的腐蚀防护，其应当防止印制导线层与液态介质接触。但在实践中，当孔被液态或软膏状介质填满时，钝化层只能对印制导线层进行有限的腐蚀防护，而且芯片只具有相对短的寿命。如果印制导线例如由于钝化层上的缺陷而与介质接触，则可能导致整个芯片的故障。
F.Fassbender等人的“Optimization of passivation layers forcorrosion protection of silicon-based microelectrode arrays”，Sensorsand Actuators B 68(2000)，128-133页也公开了一种具有硅基底的半导体芯片，在硅基底上设置具有16个大致成矩形的电极的阵列。这些电极通过经过一个印制导线层的印刷导线与焊盘连接。印制导线层被钝化层覆盖。在制造该芯片时，首先借助于热处理在半导体基底上产生二氧化硅层。在该二氧化硅层中，在稍后应当作为印制导线的位置上设置沟状下凹。在该下凹中沉积形成印制导线的金属。通过将印制导线埋入式设置二氧化硅层，得到芯片的基本平坦的表面。通过该表面，应当避免钝化层中可能导致裂缝的机械应力，其中通过该裂缝，要用电极检查的分析物(Analyt)可能与印制导线层接触并可能在印制导线层上产生腐蚀。虽然可以通过该措施提高芯片的抗腐蚀性并因此延长芯片的寿命，但是在位于基底上的二氧化硅层中设置沟槽在制造芯片时需要附加的不小的花费，尤其是在CMOS过程中。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种开头所述类型的电气元件，其可以经济地通过半导体制造中常见的标准过程来制造，但是又具有良好的抗腐蚀性以及长寿命。
该技术问题通过权利要求1的特征解决。
其中，根据本发明，与钝化层相邻的第一印制导线层的至少引导电势的区域或元件的电功能所需要的区域完全设置在芯片的与交互面重叠的区域之外。然后，在芯片的与交互面重叠的区域中，在最上面的、与孔或位于孔中的液态或软膏状介质之间的距离最短的印制导线层和用于元件的电功能的印制导线层之间，除了钝化层之外至少还设置第一绝缘层，由此与其中在最上面的印制导线层和液态或软膏状介质之间只设置了钝化层的芯片相比明显改善了抗腐蚀能力。在芯片的与交互面重叠的区域内，必要时可以设置第一印制导线层的至少一个电绝缘的、浮动的子区域，该子区域不用于引入电压和/或电流，并因此对于元件的电功能没有什么用处。在制造该芯片时，在产生第二印制导线层的至少一个印制导线之后，首先在芯片上生成或者在芯片上涂敷第一绝缘层，然后生成或涂敷第一印制导线层和钝化层。由至少一个印制导线在绝缘层远离该印制导线的边界面上的轮廓所产生的表面结构相对于第二印制导线层的印制导线的轮廓来说已经明显更平整和更平滑。通过钝化层再次平滑该表面结构，从而钝化层具有基本上平坦的表面，该表面没有有棱角的阶梯或凸缘。因此，在芯片中出现机械应力时在钝化层中形成裂缝的危险明显降低。因此，本发明的元件可以实现良好的抗腐蚀性和长寿命。元件的芯片可以通过半导体制造中常见的标准过程而经济地生产。可以不需要在芯片表面中费事和麻烦地置入沟槽。钝化层也可以包括多个层，其中这些层在必要时可以由不同的原材料制成。由此，得到更好的腐蚀保护。电气元件也可以是气体传感器，其中与交互面接触的液态介质是薄的、例如2-3纳米厚的水层。
上述技术问题也通过权利要求2的特征解决。
其中，按照本发明，至少在第一印制导线层的与交互面重叠的区域中，该印制导线层的侧面相邻并且相互间隔的导电层区域之间的间距分别小于印制导线层的厚度的1.2倍。由此，通过简单的方式，使得设置在第一印制导线层上的钝化层的朝向孔并且在工作状态下与液态或软膏状介质接触的表面在覆盖第一印制导线层的层区域之间间隙的区域中基本上是平的。因此，在芯片中出现机械应力时在钝化层中形成裂缝的危险明显降低。因此，本发明的电气元件具有良好的抗腐蚀性和长寿命。元件的芯片可以通过半导体制造中常见的标准过程而经济地生产。用于与介质接触的交互面优选地在芯片的被封装的孔覆盖的整个表面区域上延伸。
在本发明的一个优选实施方式中，至少在第一印制导线层的被交互面覆盖的区域中，该印制导线层的侧面相邻的层区域之间的间距小于第一印制导线层厚度的1.1倍，尤其是小于1.0倍，必要时小于0.9倍，并且优选小于0.8倍。于是，电气元件可以具有更好的抗腐蚀性。
优选地，第二印制导线层具有至少两个侧面相互间隔的导电层区域，至少在第一印制导线层的被交互面覆盖的区域中，该印制导线层的侧面相邻的层区域之间的间距分别小于第二印制导线层厚度的1.2倍，尤其是小于1.1倍，必要时小于1.0倍，有时小于0.9倍，并优选小于0.8倍。由此得到更平的钝化层表面，由此在芯片中出现机械应力时在钝化层中形成裂缝的危险进一步降低。电气元件因此具有更长的寿命。
优选地，第一印制导线层由金属、尤其是由铝制成，第二印制导线层由掺杂的半导体材料、优选由多晶硅(Polysilizium)制成。由铝制成的印制导线具有良好的导电性。由于铝只具有相对低的抗腐蚀性，因此接近表面的第一印制导线层仅设置在被交互面覆盖的芯片区域之外并与该区域间隔开。在被交互面覆盖的芯片区域内，只使用由多晶硅形成的印制导线层来引导印制导线。由此，芯片具有对于孔中的液态或软膏状介质更好的抗腐蚀性。在被交互面覆盖的芯片区域之外，多晶硅印制导线与铝印制导线连接。在第一印制导线层和第二印制导线层之间，必要时可以设置至少一个由金属制成的另一印制导线层和至少一个与该另一印制导线层对应的绝缘层，即第二印制导线层不必是传感器和/或执行器芯片的第二高的印制导线层，第二绝缘层也不必是第二高的绝缘层。
在本发明的一种合适结构中，在基底上并且在与孔重叠的区域之外设置用于电子电路、尤其用于分析装置的结构，其中该结构通过至少一个印制导线层与传感器和/或执行器芯片电连接。因此，由电子电路和传感器和/或执行器所组成的电路配置实现了特别紧凑的尺寸。此外，该电路配置可以用半导体制造方法而经济地批量制造。
附图说明
下面借助附图详细解释本发明的实施例。其中：
图1是根据本发明的电气元件的第一实施例的部分横截面图，
图2是根据本发明的电气元件的第二实施例的部分横截面图。
具体实施方式
在图1中整个用1表示的电气元件具有传感器芯片，该芯片具有由p掺杂的硅制成的半导体基底2，在该基底上设置用于传感器的结构。作为覆盖位置(Decklage)，传感器芯片具有钝化层3，钝化层优选由氮化硅和/或二氧化硅构成并且可以达到几百nm到几μm厚。图1左边所示的传感器结构包括具有有效表面区域5a的贵金属电极4a，图1右边所示的传感器结构包括具有有效表面区域5b的氮化硅层4b。芯片被图1和图2中仅部分示出的、由填料形成的封装6包围，其中封装具有形成与有效表面区域5a、5b相通的通道的孔7。至少封装6的包围该孔的边缘密封地设置在芯片上。可以在孔7中置入待检查的液态或软膏状介质8，该介质在交互面上与芯片接触，该交互面在图1所示的实施例中对应于芯片1的与孔7重叠的整个自由表面区域。但是，也可以考虑，交互面只在芯片1的与孔7重叠的表面区域的一部分上延伸，例如当只是以区域方式将芯片侵入液态介质8中时。
在图1的实施例中，电极4a设置在置于基底2上的场氧化层(Feldoxidschicht)9上。电极4b被构造为栅电极，该栅电极与场效应晶体管(FET)的通道区域10相邻。通道区域10形成在场效应晶体管的p+源极11和p+漏极12之间在n掺杂区域13中，该n掺杂区域13设置在基底2内。在图1中可以看出，源极11和漏极12设置在区域13上。在通道区域10的两侧，在源极11和漏极12上设置场氧化层9。在通道区域10的范围内，场氧化层9具有断口。该断口由电极4b桥接。
在钝化层3和基底2之间设置被构造为金属间介电质(InterMetallic Dielectric，IMD)的第一电绝缘层。在钝化层3和第一绝缘层14之间例如设置由铝制成的第一印制导线层15。第一印制导线层15具有多个被构造为印制导线的区域。在第一绝缘层14和基底2之间设置层间介电质(Inter Layer Dielectric，ILD)作为第二电绝缘层16。
第一绝缘层14和第二绝缘层16之间设置第二印制导线层17，该印制导线层由铝制成并具有被构造为印制导线的区域。如在图1可以看出的，第二印制导线层17的第一印制导线与n掺杂区域1连接，第二印制导线与源极11连接，第三印制导线与漏极12连接。为此，在第二绝缘层16和场氧化层9中设置断口，这些断口分别被印制导线的段通过。第一绝缘层14和第二绝缘层16在电极4a、4b的有效表面区域5a、5b上具有断口18，这些断口与封装6的孔7相连。第二印制导线层17通过绝缘层14、16而侧面地与断口18间隔开，并相对于该断口密封。断口18通过钝化层3。
在图1中可以看出，第一印制导线层15完全设置在芯片的与封装6的孔7重叠的区域之外。此外，第一印制导线层15通过第一绝缘层14和钝化层3侧面地与断口18间隔开，并相对于该断口密封。很明显可以看出，第一印制导线层15在芯片的与孔7重叠的区域中在芯片延伸平面的法线方向上通过钝化层3和钝化层下面的第一绝缘层14而与孔7间隔开。由此，实现第一印制导线层15相对于孔7中的介质8的良好抗腐蚀性。钝化层3的与孔7邻接的表面在与断口18间隔开的区域中基本上是平的，从而在芯片中出现机械应力时相应地降低在钝化层3中形成裂缝的危险。钝化层3的由钝化层3的背向基底2的表面区域上的第一印制导线层15所产生的凸缘19被封装6覆盖，并侧面地与孔7间隔开。由此，对于应当在凸缘19上形成钝化层中裂缝的情况，第二印制导线层17通过封装6继续相对于孔7密封，并因此防止被介质8腐蚀。
图1所示的电气元件1因此包括具有基底2的传感器和/或执行器芯片，在基底上设置钝化层3和具有有效表面区域5a、5b的传感器和/或执行器结构。芯片被封装6包围，该封装具有形成与至少一个有效表面区域5a、5b相通的通道的孔7。在基底2上设置叠层，该叠层-从钝化层3到基底2-包括至少一个第一印制导线层15、第一电绝缘层14、第二印制导线层17和第二电绝缘层16。第一印制导线层15完全位于芯片的与孔7重叠的区域之外。第二印制导线层15的至少一个印制导线与传感器和/或执行器结构连接。
在图2所示的实施例中，在基底2中集成具有源极11、漏极12和通道区域10的场效应晶体管。与通道区域10相邻地，场效应晶体管包括具有有效表面区域5c的栅电极4c。借助于场效应晶体管，例如可以检测设置在位于孔7中并与栅电极4c接触的介质8中的离子。在源极11和漏极12上设置场氧化层9，该场氧化层与通道区域10相邻地具有桥接栅电极4c的断口。
在该实施例中，在钝化层3和基底2之间设置被构造为金属间介电质(IMD)的第一电绝缘层14。在钝化层3和第一绝缘层14之间以区域方式设置第一印制导线层15，该印制导线层由铝制成并包括多个导电的层区域15a、15b、15c。层区域15a、15b被构造为印制导线。层区域15c不被用作印制导线。在第一印制导线层15的与孔7和钝化层3重叠的区域中，侧面相邻的层区域15a、15b、15c之间的距离a分别小于印制导线层15的厚度。
在第一绝缘层14和基底2之间设置层间介电质(ILD)作为第二电绝缘层16。在第一绝缘层14和第二绝缘层16之间以区域方式设置由铝制成的第二印制导线层17。第二印制导线层17和第一绝缘层14被断口18穿过。第二印制导线层17与断口18间隔开地结束，而且通过第一绝缘层14和第二绝缘层16而相对于断口18密封。
第二印制导线层17具有多个导电的层区域17a、17b、17c。层区域17a、17b被构造为印制导线，而层区域17c不被用作印制导线。在第二印制导线层17的与孔7和钝化层3重叠的区域中，侧面相邻的层区域17a、17b、17c之间的距离b分别小于印制导线层17的厚度。该厚度大致等于第一电绝缘层14、第一印制导线层15和钝化层3的厚度。通过第一印制导线层15的层区域15a、15b、15c或第二印制导线层17的层区域17a、17b、17c之间小的侧面距离a、b，钝化层3的表面的对应于印制导线层15、17的相邻排列的层区域15a、15b、15c、17a、17b、17c之间间隙的正交投影的区域分别基本上是平的。由此，在芯片中出现机械应力时在钝化层3中形成裂缝的危险将相应地降低。
在第二绝缘层16和场氧化层9之间设置被构造为氧化层的第三电绝缘层20。在第三电绝缘层20和第二绝缘层16之间以区域方式设置由多晶硅层制成并形成印制导线的第三印制导线层21。在第三绝缘层20和场氧化层9之间设置同样由多晶硅层22制成并包含其它电气印制导线的第四印制导线层22。
还应当指出，印制导线层15、17、21、22的印制导线可以通过通孔相互连接。基底2也可以是玻璃。

Claims (6)

1.一种具有传感器和/或执行器芯片、尤其具有CMOS芯片的电气元件(1)，其中所述芯片具有基底(2)，在所述基底上设置钝化层(3)和至少一个具有至少一个有效表面区域(5a，5b，5c)的用于传感器和/或执行器的结构，其中所述芯片被具有至少一个孔(7)的封装(6)包围，所述孔形成与所述至少一个有效表面区域(5a，5b，5c)和钝化层(3)相通的通道，其中所述芯片在所述孔中具有至少以区域方式在所述钝化层(3)和有效表面区域(5a，5b，5c)上延伸的交互面，所述交互面在工作状态下与液态或软膏状的介质接触，其中在所述钝化层(3)和基底(2)之间设置第一电绝缘层(14)，在所述钝化层(3)和第一绝缘层(14)之间以区域方式设置第一印制导线层(15)，所述第一印制导线层具有至少一个被构造为印制导线的区域，其中在所述第一绝缘层(14)和基底(2)之间设置第二电绝缘层(16)，在所述第一绝缘层(14)和第二绝缘层(16)之间设置第二印制导线层(17)，所述第二印制导线层具有至少一个被构造为印制导线的区域，并且其中至少一个所述印制导线与传感器和/或执行器结构连接，其特征在于，至少所述第一印制导线层(15)的引入电势的区域完全设置在所述芯片的与交互面重叠的区域之外。
2.一种具有传感器和/或执行器芯片、尤其具有CMOS芯片的电气元件(1)，所述芯片具有基底(2)，在所述基底上设置钝化层(3)和至少一个具有至少一个有效表面区域(5a，5b，5c)的用于传感器和/或执行器的结构，其中所述芯片被具有至少一个孔(7)的封装(6)包围，所述孔形成与所述至少一个有效表面区域(5a，5b，5c)和钝化层(3)相通的通道，其中所述芯片在所述孔中具有至少以区域方式在钝化层(3)和有效表面区域(5a，5b，5c)上延伸的交互面，所述交互面在工作状态下与液态或软膏状的介质接触，其中在所述钝化层(3)和基底(2)之间设置第一电绝缘层(14)，在钝化层(3)和第一绝缘层(14)之间以区域方式设置第一印制导线层(15)，所述第一印制导线层具有至少两个侧面间隔的导电层区域(15a，15b，15c)，其中在第一绝缘层(14)和基底(2)之间设置第二电绝缘层(16)，在第一绝缘层(14)和第二绝缘层(16)之间设置第二印制导线层(17)，其特征在于，至少在第一印制导线层(15)的与交互面重叠的区域中，侧面相邻的导电层区域(15a，15b，15c)之间的间距(a)分别小于所述印制导线层(15)的厚度的1.2倍。
3.根据权利要求2所述的电气元件(1)，其特征在于，至少在第一印制导线层(15)的与交互面重叠的区域中，所述印制导线层(15)的侧面相邻的层区域(15a，15b，15c)之间的间距(a)小于所述第一印制导线层(15)的厚度的1.1倍，尤其小于1.0倍，必要时小于0.9倍，并优选小于0.8倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电气元件(1)，其特征在于，所述第二印制导线层(17)具有至少两个侧面间隔的导电层区域(17a，17b，17c)，至少在第二印制导线层(17)的与交互面重叠的区域中，所述印制导线层(17)的侧面相邻的层区域(17a，17b，17c)之间的间距(b)小于第二印制导线层(17)的厚度的1.2倍，尤其小于1.1倍，必要时小于1.0倍，有时小于0.9倍，并优选小于0.8倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电气元件(1)，其特征在于，所述第一印制导线层由金属、尤其由铝制成，第二印制导线层由掺杂的半导体材料、优选由多晶硅制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电气元件(1)，其特征在于，在基底(2)上，在与孔(7)重叠的区域之外设置用于电子电路、尤其用于分析装置的结构，并且所述结构通过至少一个所述印制导线层(15，17)与传感器和/或执行器芯片电连接。
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