CN110621613B - 半导体芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明的各方面涉及半导体芯片，包括衬底(1)和布置在衬底(1)上的叠层(4)。叠层(4)包括一个或更多个绝缘层(2)和一个或更多个金属层(3)。芯片包括布置在半导体芯片的传感器区域(SA)中的传感器装置(5)和布置在半导体芯片的处理区域(PA)中的处理电路(6)。芯片还包括连接电路(7)，其配置为在传感器装置(5)和处理电路(6)之间提供电连接。第一密封环结构(10)布置在芯片的外边缘(ED)和芯片的内部区域(IA)之间。芯片的内部区域(IA)包含传感器区域(SA)和处理区域(PA)。第二密封环结构(11)布置在传感器区域(SA)和处理区域(PA)之间，且配置为限制污染物从传感器区域(SA)到处理区域(PA)的渗透。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体芯片，尤其涉及一种具有传感器装置和用于处理传感器装置的信号的处理电路的半导体传感器芯片。
背景技术
根据本申请，传感器装置倾向于集成在半导体衬底上。这种制造的优点在于，与离散型传感器装置相比，传感器装置的尺寸可以大大减小，并且可以将相应的感测元件与集成在同一半导体衬底上的处理电路一起布置。处理电路可以包括作用于由传感器装置传递的信号的功能，例如放大、评估等。
从公共晶圆制造多个传感器芯片，其中，例如通过切割晶圆将各个传感器芯片与晶圆分离。在切割过程中，传感器装置或处理电路(如果有的话)可能会受到例如切割过程中产生的裂纹或切割过程中渗入的污染物的影响。
为了避免传感器芯片的这种损坏，可以在传感器装置和处理电路(如果有的话)周围的芯片边缘处设置密封环。出于保护的目的，这种密封环可以包括金属环。
US 2014/0319693 A1公开了一种形成半导体器件的方法。提供了一衬底，该衬底具有至少一个MOS器件、至少一个金属互连和形成在其第一表面上的至少一个MOS器件。进行第一各向异性蚀刻工艺以从衬底的第二表面去除衬底的一部分，从而在衬底中形成多个通孔，其中，第二表面与第一表面相对。进行第二各向异性蚀刻工艺以从衬底的第二表面去除衬底的另一部分，从而在衬底中形成空腔，其中，剩余的通孔位于空腔下方。对空腔和剩余的通孔进行各向同性蚀刻工艺。
US 2006/0076651 A1公开了一种电子装置，其具有在衬底的芯片区域中形成的元件、在衬底上形成的多个层间绝缘膜、在芯片区域中的层间绝缘膜中形成的布线以及插头，该插头形成在芯片区域中的层间绝缘膜中并连接到布线。密封环形成在芯片区域的外围部分中，其中密封环延伸通过多个层间绝缘膜并连续地围绕芯片区域。应力吸收壁形成在密封环的外部，其中应力吸收壁延伸穿过多个层间绝缘膜并且离散地围绕密封环。
本发明的实施例的目的是提供一种半导体芯片，该半导体芯片进一步促进传感器装置与处理电路在公共衬底上的集成。
本发明的实施例的另一个目的是提高半导体芯片的可靠性，该半导体芯片包括传感器装置，该传感器装置在公共衬底上与处理电路集成。
发明内容
根据本发明的第一方面的实施例，提供了一种半导体芯片，包括衬底和布置在该衬底上的叠层。该叠层包括一个或更多个绝缘层和一个或更多个金属层。该芯片包括传感器装置和处理电路，该传感器装置布置在半导体芯片的传感器区域中，该处理电路布置在半导体芯片的处理区域中。芯片还包括连接电路，连接电路被配置为在传感器装置和处理电路之间提供电连接。第一密封环结构布置在芯片的外边缘和芯片的内部区域之间。特别地，第一密封环被配置为保护芯片的内部区域免受侧向冲击。芯片的内部区域包含传感器区域和处理区域。第二密封环结构布置在传感器区域和处理区域之间，并且被配置为限制污染物从传感器区域到处理区域的渗透。
这样的半导体芯片便于传感器装置和相应的处理电路在单个半导体芯片上的集成。第二密封环在传感器区域和处理区域之间的布置提高了处理电路的可靠性。本发明的各方面基于本发明的发明人的发现：在同一半导体芯片上与处理电路集成在一起的传感器装置可能会对处理电路的功能和/或可靠性以及连接电路的功能产生不利影响。这尤其适用于被配置为与传感器装置的环境特别是周围空气相互作用的传感器装置。更特别地，被配置为与传感器区域/传感器装置的环境相互作用的传感器装置可能包括开口，该开口可能提供用于污染物进入叠层的渗透路径。
这与以CMOS技术实现的处理电路和连接电路特别相关，因此对此类污染物非常敏感。
术语处理电路应表示可用于处理传感器装置的传感器信号的任何种类的电子电路。
术语污染物应表示可能对叠层的组件，特别是处理电路，产生不利影响的任何种类的元素、成分或材料。
特别地，污染物可以包括湿气和离子。
本发明的各方面对于传感器装置和MEMS装置的集成是特别有利的，传感器装置和MEMS装置包括衬底中的空腔、凹部或开口和/或钝化中的开口。根据本发明的实施例的第二密封环结构可以有效地屏蔽或密封衬底的这种凹部或开口，从而避免了诸如化学品、湿气或离子之类的污染物在芯片的寿命期间进入(氧化物)叠层。因此，本发明的实施例防止了污染物可能经由传感器装置/传感器区域扩散到半导体芯片的CMOS区域中。
这可以显着提高这种集成芯片的可靠性。
通常，术语第一环结构和第二环结构应分别表示围绕或封闭内部区域以及围绕或封闭传感器区域的任何类型的环。该环可以是没有用于连接电路的任何开口的闭环，或者是具有用于连接电路的开口的开环，这将在下面更详细地说明。取决于各个芯片的几何形状，该环可以具有各种形式，例如圆形、环形、多边形或其他合适的自由形式环。
根据实施例，半导体芯片包括钝化层，该钝化层至少部分地布置在叠层的顶部上。此外，第一密封环结构和第二密封环结构被实现在衬底和钝化层之间的叠层中。
这是实现第一密封环和第二密封环的有效方式。优选地，衬底包括提供扩散屏障的材料，特别是体硅，或由其组成。优选地，钝化层也包括提供扩散屏障的材料或由其组成。这提供了一种顶盖和底盖以屏蔽污染物的渗透。第一密封环和第二密封环分别在芯片的边缘和芯片的内部区域之间以及芯片的传感器区域和芯片的处理区域之间建立垂直侧屏障，或者换句话说，垂直侧壁。这保护了处理电路和连接电路免受外部污染。优选地，第一密封环结构和/或第二密封环结构直接连接到或附接到钝化层和衬底。
因此，根据实施例，钝化层、衬底/体硅、第一密封环结构和第二密封环结构提供了用于处理电路的用作扩散屏障的包围结构。
根据实施例，第二密封环结构被配置为开放式密封环结构，其包括用于一个或更多个馈电贯通连接部的一个或更多个开口。该一个或更多个馈电贯通连接部被配置为在传感器装置和处理电路之间提供电连接。
这是一种优雅、简单且有效的方式，一方面实现了传感器装置与处理电路之间的电连接，另一方面又限制了污染物的任何渗透。在这方面，根据这样的实施例的第二密封环用于两个目的，或者换句话说，具有双重用途。
根据实施例，第二密封环结构包括布置在叠层中的导电结构，并且馈电贯通连接部由叠层的两个或更多个不同的金属层实现。叠层的两个或更多个不同的金属层通过互连元件电连接，互连元件也可以被称为通孔。馈电贯通连接部以传感器区域和处理区域之间的直接扩散路径被阻挡的方式被布置。直接扩散路径的这种阻挡导致剩余扩散路径的延长或伸长，减少了可能的污染，因此增加了CMOS叠层的组件的可靠性。
根据实施例，馈电贯通连接部包括多个弯头连接部，特别是90°弯头连接部。由此形成壁，特别是垂直壁，其阻挡了传感器区域和处理区域之间的直接扩散路径。
根据实施例，一个或更多个开口可以包括侧向突出部，其被配置为增加传感器装置与处理电路之间的扩散长度。特别地，这样的侧向突出部可以在平行于衬底的表面和钝化层的表面的方向上延伸。特别地，侧向突出部被配置为防止在开口之后污染物可能在多个方向上分散。相反，横向延伸部将扩散/渗透路径约束到横向延伸部之间的区域。这增加了扩散长度，从而减少了污染物的扩散。
根据替代实施例，第二密封环结构是封闭的密封环结构。封闭的密封环结构在衬底和钝化层之间提供封闭的密封环。封闭的密封环结构不包括任何用于馈电贯通连接部的开口，并且与传感器装置和处理电路电绝缘。这种封闭的密封环结构可以将传感器区域/传感器装置与处理区域/处理装置完全密封，以防止任何扩散。
为了在传感器装置和处理电路之间提供电连接，具有封闭的密封环结构的半导体芯片包括布置在钝化层顶部上的接触层，作为电连接电路。接触层被配置为通过钝化层的开口接触传感器装置。这通过绕开封闭的密封环结构，在CMOS叠层外部的传感器装置和处理电路之间提供了电连接。
根据另一实施例，第二密封环结构是布置在叠层中的导电结构，并且第二密封环结构由多个金属层形成，该多个金属层通过互连元件电连接。
封闭的密封环结构的这种实施例可以通过标准CMOS工艺有效且可靠地制造。
根据另一实施例，半导体芯片包括附加钝化层，其布置在传感器区域和处理区域之间并且被配置为将处理区域与传感器区域屏蔽开，特别是使处理区域免受污染物扩散。
这种附加钝化层可用于进一步减少或限制可能的扩散路径，并可为污染物进入CMOS叠层提供附加的屏障。特别地，这种附加钝化层可以邻近于传感器装置的凹部、开口或空腔布置。
如上所述，第二密封环结构可以有效地阻挡或减小从环境，特别是环境空气到CMOS叠层的扩散路径。
因此，特别地，本发明的实施例包括具有传感器区域的半导体芯片，该传感器区域包括衬底中的凹部、开口和/或空腔。更特别地，根据实施例，凹部、开口或空腔设置在体衬底(bulk substrate)中，并且被从体侧或者换句话说从半导体芯片的底侧蚀刻。
根据一些实施例，衬底的蚀刻可以以使得它仅在叠层的垂直下边缘处停止的方式执行。根据其他实施例，除了蚀刻衬底之外，蚀刻还可以去除叠层的一部分，使得凹部或开口从衬底延伸到叠层中。
其他实施例包括具有传感器区域的传感器装置，该传感器区域具有钝化层，该钝化层具有传感器区域中的至少一个开口。
此外，本发明的实施例包括具有桥接结构的传感器装置，该桥接结构承载传感器装置的一个或更多个感测元件。根据本发明的实施例，可以利用芯片架构有效地屏蔽这种凹部、开口、空腔、桥接结构或开口可能提供的扩散路径。
尽管本发明通常可以用于将与CMOS处理电路集成的任何种类的传感器装置或MEMS装置，但是特别优选的实施例包括与传感器的环境相互作用的环境传感器装置，用于测量和/或感测的目的。特别地，根据本发明的传感器装置包括流量传感器、湿度传感器、MOX气体传感器、电化学单元(electro-chemical cell)或红外传感器。
本发明的另一方面还适用于电子装置，特别是包括如上所述的半导体芯片的便携式电子装置。将根据本发明实施例的芯片用于这样的电子装置在电子装置的小型化、集成和可靠性方面提供了优点。
优选地，多个半导体芯片由公共晶圆制造。因此，本发明的各方面还涉及晶圆，该晶圆包括根据第一方面的多个半导体芯片。
附图说明
以上限定的实施例以及本发明的其他实施例、特征和优点也可以从以下结合附图进行描述的实施例的示例中得出，在附图中示出：
图1示出了根据本发明实施例的半导体芯片的横截面；
图2示出了根据本发明实施例的半导体芯片的三维视图；
图3示出了根据本发明实施例的半导体芯片的示意性俯视图；
图4示出了根据本发明实施例的半导体芯片的示意性俯视图，该半导体芯片包括具有用于馈电贯通连接部的开口的密封环；
图5示出了根据本发明实施例的半导体芯片的横截面；
图6示出了根据本发明的另一实施例的半导体芯片的横截面，该半导体芯片包括在钝化层的顶部上的接触层；
图7示出了根据本发明的另一实施例的半导体芯片的横截面，该半导体芯片包括另外的钝化层；以及
图8示出了根据本发明另一实施例的半导体芯片的示意性俯视图，该半导体芯片包括桥接结构。
具体实施方式
提供附图是出于说明的目的，并且附图可以是不按比例的。相同或相似的元件由相同的附图标记表示。
图1示出了根据本发明实施例的半导体芯片100的横截面。
半导体芯片100包括诸如硅衬底的衬底1。绝缘/介电层2和金属层3的叠层布置在衬底1上，并统称为4。该叠层4的介电层2可以包含SiO或SiN，金属层3可以包含Al、W或Cu。
根据该实施例，传感器装置5布置在叠层4的顶部上。然而，根据其他实施例，传感器装置5也可以嵌入叠层4中，或者布置在衬底1上。
另外，处理电路6集成在叠层4中，用于处理半导体芯片100的传感器装置5的信号。优选地，叠层4的层是CMOS层。
半导体芯片100具有在x/y方向上延伸的平面，并且在该平面上包括传感器区域SA和处理区域PA。
传感器装置5布置在传感器区域SA中，处理电路6布置在处理区域PA中。半导体芯片100还具有内部区域IA，其包围传感器区域SA和处理区域PA。
半导体芯片100包括在衬底1中并且更具体地在芯片100的传感器区域SA中的凹部或开口15。凹部或开口15可以从体侧/衬底侧或者换句话说从半导体芯片100的底侧蚀刻。在本文中，顶部和底部是指垂直的z方向。
根据图1的图示，已经以这样的方式执行衬底1的蚀刻，使得凹部或开口15的垂直的顶侧/顶面对应于叠层4的垂直下侧/下平面。根据其他实施例，凹部或开口15也可以包围叠层4的CMOS层，或者换句话说，凹部或开口15可以延伸到叠层4中。凹部或开口15可以被设置例如用于传感器装置，例如用于MOX气体传感器装置的绝热目的。
半导体芯片100还包括连接电路7，该连接电路7在传感器装置5与处理电路6之间提供电连接。连接电路7包括作为水平导电元件(在x-y平面中)的多个金属层3以及实施为通孔的互连元件8，该互连元件8穿过相应的绝缘层2在垂直z方向的不同平面的金属层之间提供电连接。金属层3中的一个或更多个也可以用于构建接触垫(contact pad)，该接触垫用于从外部接触半导体芯片100。
半导体芯片100包括钝化层9，该钝化层9至少部分地布置在叠层4的顶部上。钝化层9是惰性的，并且防止诸如湿气和离子等污染物扩散进入叠层4中。
半导体芯片100包括第一密封环结构10，第一密封环结构10布置在芯片100的外边缘ED和芯片100的内部区域IA之间。
第一密封环结构10保护半导体芯片100的内部区域IA免受侧向冲击，并且还防止诸如湿气和离子等污染物扩散进入叠层4中。第一密封环结构10被实施在叠层4中，并在衬底1和钝化层9之间延伸。特别地，它可以由金属层3和互连元件8形成为导电且封闭的结构，从而形成用于污染物扩散的封闭的屏障。
根据实施例，钝化层9可以在传感器区域SA中包括一个或更多个开口16。开口16在图1中以示意图的方式示出。
半导体芯片100还包括布置在传感器区域SA和处理区域PA之间的第二密封环结构11。第二密封环结构11限制并优选地防止污染物从传感器区域SA或传感器区域SA的周围环境向处理区域PA的渗透。
第二密封环结构11也实现在衬底1和钝化层9之间的叠层中。它可以形成为包括金属层3和互连元件8的导电结构。
根据图1的实施例，第二密封环结构11被配置为开放式密封环结构，因此，第二密封环结构11包括一个或更多个开口12，用于一个或更多个馈电贯通连接部13。馈电贯通连接部13形成连接电路7的一部分，并经由开口12提供传感器装置5和处理电路6之间的电连接。
术语传感器装置应在广义上理解，并且特别地，应涵盖任何种类的微机电系统(MEMS)装置。
因此，特别地，传感器装置5可以是微机电系统(MEMS)装置。在这方面，术语MEMS应在广义上理解，并且还应包括没有移动组件的装置。相反，术语MEMS将包括使用微细加工技术制成的器件和结构，尤其是用非CMOS工艺制造的器件和结构。特别地，术语MEMS应该包括任何种类的微传感器。根据优选实施例，传感器装置5可以是流量传感器、MOX气体传感器、湿度传感器、电化学单元(electro-chemical cell)或红外(IR)传感器。
特别地，处理电路6是CMOS电路，因此对诸如湿度和离子之类的污染物敏感。
图2示出了根据本发明实施例的半导体芯片200的一部分的三维局部视图(剖视图)，其可以部分地对应于图1的半导体芯片100。半导体芯片200被配置为气体传感器，因此被配置为测量环境空气的样本中的目标气体的气体浓度。
半导体芯片200包括气敏组件210作为传感器装置5。气敏组件210包括气敏层211。气敏层211包括气敏感测材料。感测材料这样一种材料：根据围绕它的气体的成分改变至少一个电特性(特别是其电阻抗的实部或虚部)。可以测量特性的变化，以便获得关于所述成分的信息。气敏层211的感测材料可以例如包含至少一种金属氧化物材料。这种金属氧化物材料可以包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓中的一种或更多种。这样的金属氧化物可以用于检测诸如臭氧、VOC、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨、氢或硫化氢等作为目标气体的各种分析物。
金属氧化物传感器基于这样的概念：气态分析物在高于100°0，特别是在250°5和450是在之间的范围内的敏感层的高温下与金属氧化物层相互作用。由于催化反应，气敏层的电导率可能改变，该改变可以被测量。因此，由于分析物的化学特性在气敏层的高温下被转换成电阻，所以这种传感器也被称为高温化学电阻器。
半导体芯片200与作为处理电路的CMOS电路6集成。
半导体芯片200包括CMOS层的叠层4和建立处理层(handle layer)的衬底1。蚀刻掉部分CMOS层和处理层以在气敏层211的位置处形成空腔250。剩余的CMOS层形成薄膜以支撑气敏组件210。空腔250可以对应于在图1中示出的凹部或开口15。
形成加热器的加热元件220嵌入CMOS层内，用于提供局部热源以在操作期间加热气敏组件210。气敏组件210周围的温度可以迅速升高，而半导体芯片的较厚部分由于其热惯性而以较慢升高的温度进行反应。通过相应地控制加热元件220，可以激活气敏层210的材料，特别是金属氧化物，以进行测量和随后的再生。
气敏层210与测量电极(未示出)接触，因此用作电阻器。在存在作为分析物的目标气体时，气敏层210相应的电阻发生变化，从而提供了对目标气体浓度的度量，该目标气体在紧邻气敏层210的周围空气的样本中。
半导体芯片200包括参考图1描述的第一密封环结构10和第二密封环结构11。特别地，第二密封环结构11限制了污染物从空腔250到处理电路6的渗透。应该注意的是，由于部分剖视图的缘故，图2仅示出了在y方向上延伸的密封环结构10、11的一部分。然而，密封环结构10、11也可以在x方向上在所示区域之外延伸以提供完整的保护环。
图3示出了根据本发明实施例的半导体芯片300的示意性俯视图。半导体芯片300包括实施为CMOS电路的处理电路6和实施为MEMS电路的传感器装置5。处理电路6形成处理区域PA，传感器装置5形成传感器区域SA。传感器装置5和处理电路6通过连接电路7电连接，该连接电路7由双箭头示意性地表示。第一密封环10布置在半导体芯片300的边缘ED处，并且更特别地布置在边缘ED与芯片300的内部区域IA之间。第一密封环10由短划线表示。
第二密封环11布置在传感器装置5周围，并且更具体地布置在传感器装置5与CMOS处理电路6的处理区域PA之间。优选地，第二密封环11布置为相当靠近传感器区域SA周围。这提供了以下优点：第二密封环11还可以保护叠层的其他部分，特别是保护连接电路7，以免受可能通过传感器区域SA进入叠层的污染物的影响。第二密封环11由虚线表示。
图4示出了根据本发明实施例的半导体芯片400的示意性俯视图。半导体芯片400包括布置在芯片400的不同位置处的三个不同的处理电路6a、6b和6c。传感器装置5被实施为MEMS电路。
处理电路6a、6b和6c形成三个处理区域PAa、PAb和PAc。这三个处理区域PAa、PAb和PAc可以统称为处理区域PA。
芯片400还包括第一密封环10，其布置在半导体芯片400的边缘ED处，并且更具体地布置在边缘ED和芯片400的内部区域IA之间。第一密封环10再次由短划线示出。
根据实施例，处理区域PA可以包括连接电路7的区域，并且根据实施例，处理区域PA可以是第一密封环10内部的叠层的除了传感器区域SA之外的整个区域。
第二密封环11布置在传感器装置5周围，并且更具体地布置在传感器装置5与处理区域PAa、PAb和PAc之间。
第二密封环11再次由虚线表示。第二密封环11包括三个开口12a、12b和12c，分别用于馈电贯通连接部13a、13b和13c。开口12b和12c包括侧向突出部18，该侧向突出部18从传感器装置5在x-y平面中延伸，并且增加了用于污染物从传感器区域SA分别经由开口12b、12c扩散到处理区域PAb和PAc的扩散路径。
图5示出了根据本发明实施例的半导体芯片500的横截面。更具体地，
图5示出了第二密封环结构511以及相邻的处理区域PA和传感器区域SA的一部分的横截面。第二密封环结构511由多个不同的金属层M1、M2和M3实现。多个不同的金属层M1、M2和M3通过互连元件8电互连，该互连元件被实施为通孔8。
根据该实施例，第二密封环结构511不提供衬底1和钝化层9之间的电连接，而是衬底1和钝化层9彼此电绝缘。第二密封环结构511包括馈电贯通连接部13作为连接电路，该馈电贯通连接部13用短划线表示。馈电贯通连接部13将半导体芯片600的传感器装置5和处理电路6电连接。更具体地，馈电贯通连接部13不提供传感器装置5和处理电路6之间的直接路径，而是布置有多个弯头连接部530，特别是90别弯头连接部。由此，馈电贯通连接部13和第二密封环结构511形成有垂直壁510，该垂直壁510阻挡了传感器区域SA和处理区域PA之间的直接扩散路径。垂直壁被理解为沿垂直z方向或换句话说垂直于衬底1的表面延伸的壁。这种直接扩散路径用虚线和附图标记520示出。直接扩散路径520被垂直壁510a阻挡。同样用虚线示出的剩余的扩散路径521建立了间接扩散路径，因此通过第二密封环结构11以间接方式围绕弯头连接部引导。由于间接和细长的扩散路径521，与直接扩散路径520相比，有效地减少了扩散。
图6示出了根据本发明另一实施例的半导体芯片600的横截面。更具体地，图6示出了第二密封环结构611以及相邻的处理区域PA和传感器区域SA的一部分的剖视图。第二密封环结构611被实现为导电结构并且由多个不同的金属层M1、M2和M3形成。多个不同的金属层M1、M2和M3通过互连元件8电互连，该互连元件被实施为通孔8。
根据该实施例，第二密封环结构611是闭合的密封环结构。封闭的密封环结构611在衬底1和钝化层9之间提供封闭的密封环，并因此提供封闭且完整的扩散屏障。封闭的密封环结构611与传感器装置5和处理电路6电绝缘。
根据该实施例，借助于接触层640在传感器装置5和处理电路6之间设置电连接。接触层640可以是金属层，并且布置在钝化层9的顶部上，钝化层9布置在叠层4上。接触层640通过钝化层9的开口630在传感器装置5和处理电路6之间提供电接触。接触层640接触叠层4，并且更具体地，接触第一金属层M1，第一金属层M1经由金属层M2和互连元件8提供贯穿叠层4的与处理电路6的电连接。
如虚线所示，传感器区域SA与处理区域PA之间的任何扩散路径620均被封闭的第二密封环结构611阻挡。
图7示出了根据本发明另一实施例的半导体芯片700的横截面。更具体地，图7示出了第二密封环结构711以及相邻的处理区域PA和传感器区域SA的一部分的横截面。第二密封环结构711由多个不同的金属层M1、M2和M3形成。多个不同的金属层M1、M2和M3通过互连元件8电互连，该互连元件被实施为通孔8。
根据该实施例，衬底1和钝化层9彼此电绝缘。第二密封环结构711包括馈电贯通连接部13，其以短划线示出。馈电贯通连接部13将半导体芯片700的传感器装置5和处理电路6电连接。馈电贯通连接部13布置有弯头连接部，并且形成有垂直壁710a，该垂直壁710a为扩散路径721提供旁路，从而建立间接扩散路径，该扩散路径721由虚线示出。
半导体芯片700包括附加钝化层730，其布置在传感器区域SA和处理区域PA之间并且更特别地邻近传感器区域SA和第二密封环结构711。附加钝化层730沿着衬底1在垂直的z方向上延伸到叠层4中，并且在叠层4内在水平x-y平面中延伸。钝化层730将传感器区域SA与处理区域PA密封隔开，并且特别地阻挡衬底中的凹部15或开口15与叠层4之间的直接扩散路径720。
图8示出了根据本发明另一实施例的半导体芯片800的示意性俯视图。半导体芯片800是用于检测和/或分析气体的气体传感器，并且包括传感器装置5和CMOS处理电路6。
半导体芯片800包括衬底1，特别是硅衬底。衬底1具有布置在其中的开口或凹部15。传感器装置5包括跨越该开口或凹部15的多个单独的桥接结构。更具体地，传感器装置5包括形成第一热板806a的第一桥接结构803a、形成第二热板806b的第二桥接结构803b、形成第三热板806c的第三桥接结构803c和形成第四热板806d的第四桥接结构803d。在下文中，可以将多个桥接结构统称为桥接结构803，并且将多个热板统称为热板806。
传感器装置5包括布置在第一热板806a上的感测材料的第一贴片808a、布置在第二热板806b上的感测材料的第二贴片808b，布置在第三热板806c上的感测材料的第三贴片808c和布置在第四热板806d上的感测材料的第四贴片808d。特别地，感测材料可以是金属氧化物材料。
感测材料是根据围绕它的气体的成分改变至少一个电特性(特别是其电阻抗的实部或虚部)的材料。可以测量特性的变化以获得关于所述成分的信息。
感测材料可以例如包含至少一种金属氧化物材料。这种金属氧化物材料通常可以包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓中的一种或更多种。此类金属氧化物可用于检测诸如VOC、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨气或硫化氢等分析物。
每个桥接结构803a、803b、803c和803d包括中央区域以及在中央区域和衬底1之间延伸的两个臂807，从而将热板806a、806b、806c和806d悬挂在凹部或开口2上方。臂807彼此共线地并且与具有布置在它们之间的中心区域的热板共线地延伸。
桥接结构803a、803b、803c和803d中的每一个都包括适于测量贴片的电特性的电极。此外，每个桥接结构803a、803b、803c和803d都包括适于加热热板的加热器和温度传感器，该温度传感器用于测量各个桥接结构的温度。出于视觉清晰的原因，电极、加热器和温度传感器未在图8中示出。
衬底1承载处理电路6，该处理电路6例如包括用于驱动加热器并处理来自电极和温度传感器的信号的电路。为此，处理电路6经由连接电路7电连接到加热器、电极和温度传感器。有利地，在与当前CMOS制造工艺兼容的CMOS技术中集成处理电路6。在衬底1上载有CMOS电路允许减少与衬底的接合数量并增加信噪比。
图8中所示类型的结构可以例如使用诸如在EP2278308或US2014/0208830等中描述的技术来构建。
特别地，制造过程包括在衬底1的顶部上形成多个介电层和金属层的步骤。可以在形成CMOS电路6的过程中沉积这些层中的一些，例如金属间介电层和金属层，而可以在后处理期间施加其他层，例如可拉伸氮化硅层。然后，使用选择性各向异性蚀刻技术形成凹部或开口815。可以例如使用滴涂技术(dispensing technique)来涂覆感测材料的贴片808a、808b、808c和808d，其中，将一滴或几滴感测材料的液体前体(liquid precursor)涂覆到热板上，如EP 2952885中所述。
半导体芯片800包括第一密封环结构10和第二密封环结构11，该第一密封环结构10布置在芯片800的外边缘ED与芯片800的内部区域IA之间，该第二密封环结构11布置在传感器装置5与处理电路6之间。
如上所述并如图8中所示，具有集成热板的桥接结构803a、803b、803c和803d被自由地悬置，并且CMOS叠层的材料已经在热板/桥接结构与CMOS之间被完全去除。这可能导致化学品进入CMOS叠层一个相当直接的进入路径。因此，本发明的实施例便于在公共芯片上将这些结构与CMOS电路集成在一起，并且第二密封环结构11有效地屏蔽了化学物质进入氧化物叠层的可能进入路径。
根据本发明实施例的半导体芯片可以用在各种电子装置中，特别是在便携式电子装置中。因此，本发明的方面还提高了这种电子装置的传感器功能的可靠性。
已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是并不旨在将其解释为或者限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，解释对市场上发现的技术的实际应用或技术上的改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。
Claims (16)
1.一种半导体芯片，包括：
衬底(1)；
布置在衬底(1)上的一个或更多个绝缘层(2)和一个或更多个金属层(3)的叠层(4)；
传感器装置(5)，布置在半导体芯片的传感器区域(SA)中；
处理电路(6)，布置在半导体芯片的处理区域(PA)中；
连接电路(7)，被配置为在传感器装置(5)和处理电路(6)之间提供电连接；
第一密封环结构(10)，布置在芯片的外边缘(ED)和芯片的内部区域(IA)之间，内部区域(IA)包含传感器区域(SA)和处理区域(PA)；以及
第二密封环结构(11)，布置在传感器区域(SA)和处理区域(PA)之间，并被配置为限制污染物从传感器区域(SA)向处理区域(PA)的渗透，其中
所述半导体芯片包括至少部分地布置在叠层(4)的顶部上的钝化层(9)；
第一密封环结构(10)和第二密封环结构(11)被实施在衬底(1)和钝化层(9)之间的叠层(4)中；
第二密封环结构(11)是封闭的密封环结构；
封闭的密封环结构(11)在衬底和钝化层之间提供封闭的密封环；
封闭的密封环结构(11)与传感器装置(5)和处理电路(6)电绝缘；以及
所述半导体芯片包括布置在钝化层(9)的顶部上的作为连接电路的接触层(640)，接触层(640)被配置为通过钝化层的开口(630)接触传感器装置(5)。
2.一种半导体芯片，包括
衬底(1)；
布置在衬底(1)上的一个或更多个绝缘层(2)和一个或更多个金属层(3)的叠层(4)；
传感器装置(5)，布置在半导体芯片的传感器区域(SA)中；
处理电路(6)，布置在半导体芯片的处理区域(PA)中；
连接电路(7)，被配置为在传感器装置(5)和处理电路(6)之间提供电连接；
第一密封环结构(10)，布置在芯片的外边缘(ED)和芯片的内部区域(IA)之间，内部区域(IA)包含传感器区域(SA)和处理区域(PA)；以及
第二密封环结构(11)，布置在传感器区域(SA)和处理区域(PA)之间，并被配置为限制污染物从传感器区域(SA)向处理区域(PA)的渗透，其中
第二密封环结构(11)被配置为开放式密封环结构，开放式密封环结构包括用于一个或更多个馈电贯通连接部(13)的一个或更多个开口(12)，其中，所述一个或更多个馈电贯通连接部(13)被配置为在传感器装置(5)和处理电路(6)之间提供电连接；
第二密封环结构(11)包括布置在叠层(4)中的导电结构；以及
馈电贯通连接部(13)由通过互连元件(8)电连接的叠层的两个或更多个不同的金属层(M1、M2、M3)实现，其中，馈电贯通连接部(13)以传感器区域(SA)和处理区域(PA)之间的直接扩散路径被阻挡的方式布置。
3.根据权利要求2所述的半导体芯片，其中
所述一个或更多个开口(12)包括横向突出部(18)，横向突出部(18)被配置为增加传感器装置(5)和处理电路(6)之间的扩散长度。
4.根据权利要求2所述的半导体芯片，其中，所述馈电贯通连接部(13)包括多个弯头连接部(530)以及壁(510)，壁(510)阻挡了传感器区域和处理区域之间的直接扩散路径。
5.根据权利要求1所述的半导体芯片，其中
第二密封环结构(11)是布置在叠层(4)中的导电结构；以及
第二密封环结构(11)由通过互连元件(8)电连接的多个金属层(M1、M2、M3)形成。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的半导体芯片，其中，半导体芯片包括附加钝化层(730)，附加钝化层(730)布置在传感器区域(SA)与处理区域(PA)之间并且被配置为将传感器区域(SA)与处理区域(PA)屏蔽开。
7.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的半导体芯片，其中，传感器装置(5)是MEMS装置，处理电路(6)是CMOS电路。
8.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的半导体芯片，其中，传感器区域(SA)包括衬底中的凹部、开口或空腔(15、250)。
9.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的半导体芯片，其中，传感器区域(SA)包括桥接结构(803a、803b、803c、803d)，桥接结构承载传感器装置(5)的一个或更多个感测元件(808a、808b、808c、808d)。
10.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的半导体芯片，其中，传感器区域(SA)包括钝化层(9)，钝化层(9)具有在传感器区域中的至少一个开口(16)。
11.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的半导体芯片，其中，传感器装置(5)选自由以下组成的组：
流量传感器；
湿度传感器；
气体传感器；
电化学单元；以及
红外传感器。
12.根据权利要求4所述的半导体芯片，其中，馈电贯通连接部(13)包括多个90°弯头连接部。
13.根据权利要求4所述的半导体芯片，其中，馈电贯通连接部(13)包括阻挡传感器区域与处理区域之间的直接扩散路径的垂直壁。
14.根据权利要求11所述的半导体芯片，其中，所述气体传感器是MOX气体传感器。
15.一种电子装置，其中，所述电子装置包括根据前述权利要求中的任一项所述的半导体芯片。
16.根据权利要求15所述的电子装置，其中，所述电子装置是便携式电子装置。
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Legal Events
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