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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Sensorbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein elektronisches Sensorbauteil gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Stand der Technik
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Elektronische Sensorbauteile zur Gasdetektion sind bekannt. Üblicher Weise werden zur Gasdetektion poröse Keramikschichten eingesetzt, deren elektrische Oberflächenleitfähigkeit sich bei Adsorption von Gasen ändert. Als solche poröse Keramikschichten eignen sich beispielsweise SnO2 oder WO3. Die Keramikschichten können durch Oberflächendotierstoffe selektiv empfindlich für bestimmte Gase gemacht werden.
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Bei der Herstellung von derartigen Sensorbauteilen wird die Keramikschicht als Paste aufgebracht und anschließend gesintert. Dabei auftretende Spannungen können zur Ablösung von Schichtmaterial und zur Partikelbildung führen. Da die Auswirkungen von SnO2 oder WO3 auf andere mikromechanische Prozesse weitgehend unbekannt sind, besteht zudem eine Kontaminationsgefahr. Aufgrund der relativ großen Oberfläche der Keramik bei gegebenem Volumen weist diese eine hohe Sensitivität gegenüber Oberflächenleitfähigkeitsänderungen auf. Gleichzeitig wirkt sich die Porosität nachteilig auf die mechanische Stabilität der Schicht aus. Dies ist insbesondere kritisch im Zusammenhang mit der Vereinzelung eines Halbleiterwafers zu Halbleiterchips und der weiteren Prozessierung nach dem Aufbringen der Keramik. Beim Vereinzeln des Halbleiterwafers durch Sägen fließt Wasser und Sägestaub über den Wafer, das die Keramikschicht in deren Funktion beeinflussen oder zerstören kann. Diesen Problemen kann dadurch begegnet werden, dass die Keramikschichten so spät wie möglich aufgebracht werden, bspw. erst nach dem Sägen. Es können auch zusätzliche Verfahrensschritte eingesetzt werden, um die Keramikschichten zu schützen. Hierbei gehen allerdings wesentliche Kostenvorteile verloren, da teilweise eine Einzelchipprozessierung erforderlich ist, wofür aufwändige Sonderanlagen notwendig sind.
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Aus der Schrift
US 5 545 300 A ist ein Gassensor bekannt, bei dem auf die Vorderseite eines Siliziumsubstrats eine Membranschicht aufgebracht wird, bevor von der Rückseite in dem Siliziumsubstrat eine Kaverne bis zur Membranschicht erzeugt wird. Zusätzlich werden auf die Membranschicht von der Vorderseite Heizelemente sowie Temperatursensoren aufgebracht, die von einer lsolierschicht bedeckt sind. Auf die lsolierschicht wird anschließend eine Sensiereleketrode aufgebracht, die ihrerseits durch eine Gassensitive Schicht abgedeckt wird. Aus der Schrift
DE 102 39 281 A1 ist ebenfalls ein Gassensor bekannt, bei dem eine Membran eine rückseitige Kaverne überdeckt. Auf der Vorderseite der Membran ist ebenfalls eine Heizungsanordnung sowie ein darauf befindlicher Gasfühlerfilm angeordnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Sensorbauteil mit einer Keramikschicht bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen, bei dem die Keramikschicht nach dem Aufbringen vor weiteren Einflüssen beim Prozessieren bzw. Herstellen des Sensorbauteils weitestgehend geschützt ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Sensorbaustein nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorteile der Erfindung
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Sensorbauteils mit wenigstens einem Halbleiterchip, der eine aktive Vorderseite und eine passive Rückseite mit einer darauf aufgebrachten, porösen Keramikschicht zur Gasdetektion aufweist, sind zumindest die nachfolgend beschriebenen Schritte vorgesehen. Es wird ein Halbleitersubstrat bzw. Halbleiterwafer bereitgestellt. Auf dieses Halbleitersubstrat, das insbesondere aus Silizium besteht, wird beidseitig eine Ätzstoppschicht aufgebracht. Diese Ätzstoppschichten können insbesondere eine oder mehrere Oxidschichten und/oder eine Nitridschicht umfassen. Bspw. können nacheinander eine erste Oxidationsschicht, eine Nitridschicht sowie eine obere Oxidationsschicht aufgebracht werden.
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Die Ätzstoppschicht auf der Vorderseite wird anschließend strukturiert, wonach Leiterbahnstrukturen darin eingebracht werden. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass eine Metallisierungsschicht auf der Vorderseite aufgebracht wird, die zur Ausbildung von Leiterbahnstrukturen strukturiert und mit einer Passivierungsschicht bedeckt wird. Zur Ausbildung von Kontaktöffnungen kann anschließend die Passivierungsschicht strukturiert werden.
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Anschließend erfolgt ein Freilegen einer Ätzöffnung auf der passiven Rückseite unter Entfernung der rückseitig auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachten Ätzstoppschicht. Danach wird die passive Rückseite bis zur Erreichung der vorderseitigen Ätzstopp- bzw. Nitridschicht und/oder bis zum Erreichen der Leiterbahnstrukturen geätzt. Schließlich wird auf der Rückseite innerhalb der durch das Ätzen entstandenen Vertiefung eine gassensitive Keramikschicht aufgebracht. Danach kann das Halbleitersubstrat bzw. der Halbleiterwafer zu Sensorbauteilenchips vereinzelt werden.
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Durch das Aufbringen der gassensitiven Keramikschicht auf der Rückseite ist die mechanisch sehr empfindliche Keramikschicht vor dem Sägewasser beim Vereinzeln des Halbleiterchips weitgehend geschützt. Die Keramikschicht wird in eine Vertiefung eingebracht, so dass die umgebenden Bereiche als Schutzwall gegen das Eindringen von Ätzwasser dienen können. Üblicherweise wird der Halbleiterwafer bzw. das Substrat auf eine Klebefolie aufgebracht, bevor es zu Halbleiterchips vereinzelt wird. Hierdurch sind die Keramikschichten der einzelnen Halbleiterchips gegen Eindringen von Medieneinflüssen weitgehend geschützt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine einfache Flipchipmontagemöglichkeit gegeben ist. Vorzugsweise wird die Keramikschicht in pastöser Form aufgebracht und durch anschließendes Sintern gehärtet. Während der gesamten Prozessierung bleibt die Keramikschicht gegen mechanische Einflüsse geschützt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktöffnungen mit einer Metallisierung versehen werden, auf die Lotkugeln zur Flipchipmontage aufgesetzt werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise auf Bondverbindungen verzichtet werden. Das Bauteil kann im noch auf die Folie aufgeklebten Zustand mit Lotkugeln versehen und ggf. an seinem vorgesehenen Montageort aufgesetzt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf die Passivierungsschicht auf der Vorderseite eine zusätzliche Siliziumnitridschicht bzw. eine zusätzliche Siliziumcarbidschicht als Deckschicht aufgebracht wird. Diese dient zur weiteren Abschirmung des Halbleitersubstrats gegen äußere mechanische Einflüsse.
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Bei der gesamten Verarbeitung und Montage ist keine Abschirmung des Sensors gegen eindringende Partikel oder sonstige mechanische Einflüsse notwendig.
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Ein erfindungsgemäßes elektronisches Sensorbauteil aus einem Halbleitersubstrat, das eine aktive Vorderseite mit Leiterbahnstrukturen und Kontaktanschlussflächen und eine passive Rückseite mit einer darauf aufgebrachten porösen Keramikschicht zur Gasdetektion aufweist, sieht vor, dass die Keramikschicht in einem Bereich angeordnet ist, an dem ein Halbleitersubstrat unter Freilegung einer Ätzstoppschicht mit der Leiterbahnstruktur vollständig entfernt ist. Hierdurch ist die Keramikschicht während des Prozessierens des Halbleiterchips sowie bei dessen nachfolgender Verarbeitung vor mechanischen Einflüssen und Beeinträchtigungen weitestgehend geschützt.
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Die Keramikschicht kann insbesondere eine Dotierung zur selektiven Detektion bestimmter chemischer Verbindungen aufweisen. Der erfindungsgemäße elektronische Sensor kann im biomedizinischen sowie im luftgütesensorischen Bereich eingesetzt werden. Es kann weiterhin eine durchsichtige Membran für optische Diagnosemöglichkeiten bei biomedizinischen Fragestellungen vorgesehen sein.
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die 1 bis 7 zeigen aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorbauteils 8.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Teil eines Siliziumsubstrats 10 in Waferform, anhand dessen die Verarbeitung zu einem erfindungsgemäßen elektronischen Sensorbauteil verdeutlicht wird. Durch thermische Oxidation wird jeweils auf einer Vorderseite 12 sowie auf einer Rückseite 14 des Siliziumsubstrats 10 eine erste Oxidschicht 16, 18 (SiO2) aufgebracht. Auf die Oxidschichten 16, 18 auf der Vorder- und Rückseite 12, 14 wird anschließend jeweils eine Nitridschicht 20, 22 abgeschieden. Diese Abscheidung kann beispielsweise mittels LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) erfolgen. Diese Nitridschichten 20, 22 auf der Vorder- und Rückseite 12, 14 werden anschließend jeweils mit einer oberen Oxidschicht 24, 26 auf der Vorder- bzw. Rückseite 12, 14 bedeckt, was durch ein Oxidationsverfahren der Nitridschichten erfolgen kann.
- 2 zeigt einen nachfolgenden Verfahrensschritt, bei dem die vorderseitige Nitridschicht 20 und die diese bedeckende obere Oxidschicht 24 bis hinunter zur ersten Oxidschicht 16 strukturiert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Strukturierung der oberen Oxidschicht 24 sowie der Nitridschicht 20 derart, dass die erste Oxidschicht 16 nicht vollständig entfernt wird, sondern zumindest teilweise bestehen bleibt. Falls eine Silizidlegierungsbildung nicht störend ist bzw. während des KOH-Ätzens nicht angegriffen wird, kann die erste Oxidschicht 16 bei der Strukturierung auch vollständig entfernt werden. Die strukturierten Bereiche 28, bei denen die obere Oxidschicht 24 und die Nitridschicht 20 entfernt ist, dienen zur Ausbildung von Leiterbahnstrukturen zur späteren Kontaktierung des keramischen Gassensors.
- 3 zeigt einen nachfolgenden Verfahrensschritt, bei dem die gesamte Vorderseite 12 des Siliziumsubstrats 10 mit einer Metallisierungsschicht 30 versehen wird. Die Metallisierungsschicht kann insbesondere durch Bedampfen, Sputtern oder dergleichen aufgebracht werden. Als Metallisierungsschicht 30 eignet sich insbesondere Platin, Silber, Gold oder ein anderes geeignetes Metall. Die Metallisierung kann auch auf galvanischem Wege durch Abscheidung aufgebracht werden.
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Die Metallisierungsschicht 30 wird in einem nachfolgenden Verfahrensschicht (4) strukturiert, wobei die gewünschten Leiterbahnstrukturen ausgebildet werden. Anschließend erfolgt eine Passivierung mit einer die Vorderseite 12 bedeckenden Passivierungsschicht 32, die ebenfalls eine Oxidschicht (SiO2) sein kann. Optional kann die Metallisierungsschicht 28 nun einer Wärmebehandlung (Tempern) unterzogen werden, was zur Einstellung eines gewünschten thermischen Widerstandskoeffizienten notwendig sein kann. Dies betrifft insbesondere den Fall, dass ein Heizen der Membran für die Anwendung notwendig sein sollte. Für einen besseren Medienschutz kann als oberste Deckschicht optional noch eine Siliziumnitrid- oder Carbidschicht 34 aufgebracht werden.
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Anschließend werden auf der Vorderseite 12 Kontaktöffnungen 36 strukturiert ( 5), die zur äußeren Kontaktierung des Halbleiterbauteils mit einer Metallisierung aufgefüllt werden. Hierauf können gegebenenfalls Lotbälle zur Flipchipmontage des Halbleiterchips aufgebracht werden (nicht dargestellt). Weiterhin wird auf der Rückseite 14 eine Ätzmaske 38 für ein nachfolgendes anisotropes Ätzen definiert. Hierbei wird in einem Bereich, der später mit der Keramikschicht versehen werden soll, die rückseitige obere Oxidschicht 26, die rückseitige Nitridschicht 22 sowie die rückseitige erste Oxidschicht 18 entfernt, so dass das Siliziumsubstrat 10 an der Ätzmaske frei liegt und für einen nachfolgenden Ätzvorgang zugänglich ist.
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6 zeigt das Bauteil nach dem anisotropen Ätzen, bei dem die vorderseitige Nitridschicht 20 bzw. die strukturierten Bereiche 28 mit der darin eingebrachten Metallisierungsschicht 30 als Ätzstoppschicht fungieren. Es wird deutlich, dass im Bereich, in dem die Keramikschicht aufgebracht werden soll, das gesamte Siliziumsubstrat 10 sowie die vorderseitige erste Oxidschicht 16 entfernt ist.
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7 zeigt den Verfahrensschritt, bei dem von der Rückseite her die Keramik als Paste in die durch das Ätzen entstandene Kaverne 40 eingebracht und anschließend gesintert wird. Für eine Flipchipmontage werden anschließend die Lotkugeln auf der Vorderseite aufgebracht. Als letzter Verfahrensschritt wird das Siliziumsubstrat 10 in Waferform mit der Rückseite auf Klebeband auflaminiert und anschließend durch Sägen vereinzelt. Die gassensitive Keramikschicht 42 wird durch die aus der vorderseitigen Nitridschicht 20 ragenden strukturierten Bereiche 28 der Metallisierungsschicht 30 kontaktiert, was anhand der 6 verdeutlicht wird.
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Je nach Bedarf kann die Keramikschicht 42 durch eine Oberflächendotierung für bestimmte Gase sensitiv gemacht werden, so dass ein elektronisches Sensorbauteil 8 zur Detektion eines oder mehrerer bestimmter Gase zur Verfügung gestellt werden kann.
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Anhand der 7 wird deutlich erkennbar, dass die umgebenden Bereich der Kaverne 40 höher sind als die Keramikschicht 42, so dass diese beim Aufkleben auf das Klebeband vollständig gegen Medieneinflüsse von außen abgeschirmt ist, so dass beim Vereinzeln des Halbleiterwafers keinerlei Sägewasser und/oder Partikel zur Keramikschicht 42 eindringen können.
