JP4271741B2 - Semiconductor parts - Google Patents

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に半導体装置に関し、さらに詳しくは、センサに関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
センサの実装は、労力と時間と費用のかかる工程である。化学センサに関しては、実装工程には、半導体基板を個別の化学センサ・チップに切り出す段階が含まれる。次に、個別の化学センサ・チップは、当技術ではT39パッケージまたはT05パッケージと呼ばれる大きな金属パッケージ内に別々に接着され組み立てられる。T05パッケージの例は、1988年8月30日にタキザワ他に付与された米国特許第4,768,070号に説明される。この、切片部品の実装工程は時間がかかり面倒で、実装工程中に汚染されたり、物理的損傷を受ける可能性のある個々の化学センサ・チップを慎重に扱うことが要求される。
【0003】
従って、スループットを改善し、センサの作成と実装のサイクル時間を短縮する一括処理技術を用いて実装されるセンサが必要である。ウェハ・レベルの一括実装技術により、小型化された被実装センサが生産され、各センサ・チップをその後の処理中の汚染と物理的損傷から守ることになる。
【0004】
【実施例】
より詳細な説明を行うために、図面を参照すると、図1は、センサ10の実施例の断面図である。センサ10は、基板11を備える半導体部品である。基板11は、表面20に対向する表面19を有し、通常は、たとえば、シリコン,III-V 族化合物半導体またはII-VI 族化合物半導体などの半導体材料で構成される。基板11上には、複数のセンサを作成することができることを理解頂けよう。たとえば、図1は、基板11上でセンサ10に隣接するセンサ34,35の一部を示す。図1は、センサ34,35からそれぞれセンサ10を分離する描線として機能する直線36,37も示す。
【0005】
絶縁層32が基板11の表面19上に設けられる。絶縁層32は、好ましくは、たとえば酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの誘電性材料であり、当技術で周知の方法を用いて基板11上に付着することができる。
【0006】
基板11は、以下に説明するセンサ10の熱拡散を容易にするために表面20の部分内に形成される任意の凹部12を有する。凹部12は、表面20から表面19に向かって延在し、絶縁層32の一部分を露出することができる。センサ10の製造可能な工程を確保するために、凹部12は好ましくは、基板11の特定の結晶面に沿ってエッチングする異方性エッチャントを用いて表面20内にエッチングされる。異方性エッチャントは、基板11よりも絶縁層32を大きくエッチングしてはならない。単結晶シリコン基板に用いるのに適した異方性エッチャントの例には、水酸化カリウム,水酸化アンモニウム,水酸化セシウム,ヒドラジン,エチレンジアミン/ピロカテキンおよび水酸化テトラメチルアンモニウムなどがあるがこれらに限定されない。
【0007】
センサ10は、絶縁層32と基板11とにより支持され、凹部12上にある検知素子14を備える。センサ10が化学センサの場合、検知素子14は、通常は、特定の液体または気体(図示せず)にさらされるとその抵抗が変化する抵抗である。上昇した動作温度において、検知素子14の固有抵抗は、通常約1キロオームないし50メガオームである。化学センサの技術で周知のように、特定の液体または気体の存在は、センサにより化学反応から電気信号に変換される。たとえば、制御回路(図示せず)は、検知素子14の両端の電流または電圧降下の変化を測定することにより、検知素子14の固有抵抗の変化を検出することができる。制御回路構成は、異なる基板上に置くことも、あるいは基板11内に作成して、一体型の化学センサ・システムを生成することもできる。
【0008】
検知素子14は、当技術では周知の方法を用いて絶縁層32と基板11の表面19との上に設置または形成される。センサ10が化学センサの場合、検知素子14は、金属酸化物,遷移金属または貴金属などの導電性のある化学的感度を有する薄膜によって構成される。たとえば、検知素子14は、酸化スズ,酸化亜鉛,酸化チタンまたはプラチナと金の合金などで構成することができる。異なる組成の検知素子14を用いると、異なる液体または気体を検知または監視することができる。検知素子14に用いられる材料をドーピングして、検知素子14およびセンサ10の化学的感度および選択性をさらに高めることもできることを理解頂きたい。
【0009】
検知素子14は、任意の加熱素子13により加熱して、検知素子14と所望の液体または気体との間の化学反応を引き起こす助けとすることもできる。加熱素子13は、当業者には周知の方法を用いて形成される。たとえば、加熱素子13は、多結晶シリコンまたはプラチナ,金などの金属によって構成することもできる。
【0010】
図1に示されるように、加熱素子13は、絶縁層32の中で、凹部12の上で、検知素子14の下にある。加熱素子13は、基板11以外の他の基板上に置くこともできることを理解頂きたい。しかし、加熱素子13と検知素子14は両方とも、効率的な加熱と空間の節約のために基板11上に置くことが望ましい。基板11内の凹部12は、加熱素子13とセンサ10の熱拡散または冷却を助ける。
【0011】
結合線15,16は、それぞれフィーチャ17,18を検知素子14に電気的に結合する。結合線15,16は、たとえばケイ化物または金属などの導電性材料によって構成される。結合線15,16は、絶縁層32と基板11の表面19の上に、当技術では周知の方法を用いて形成される。
【0012】
フィーチャ17,18は、検知素子14の電気接触となる。たとえば、組立ワイヤボンド配線を、フィーチャ17,18に結合して、ボンディング・パッドとすることができる。フィーチャ17,18は、通常は、金または銅などの金属によって構成され(但し、これらに限定するものではない)、絶縁層32と基板11の表面19の上に、スパタリング法,電気メッキ法,化学蒸着法または蒸着法を用いて付着される。
【0013】
接着剤21は、結合線15,16の上、絶縁層32の上、基板11の表面19の上にあり、好ましくは、検知素子14の汚染を回避するために検知素子14とは空間的に離して配置される。接着剤21は、たとえばハンダ・プレフォーム,シルク・スクリーン・エポキシまたはフリット・ガラスなどの有機または無機の任意の接着材料とすることができる。接着剤21として導電性接着剤が用いられる場合は、分離層(図示せず)が接着剤21から結合線15,16を電気的に分離することになる。
【0014】
接着剤21は、絶縁層32およびメッシュ,スクリーンまたはフィルタ22を結合または電気的に接着して、センサ10を覆う、すなわち実装する。その結果、接着剤21,絶縁層32,基板11およびフィルタ22がキャビティ31を形成する。キャビティ31の容量は、接着剤21の厚みまたは高さにより制御することができる。図1に示されるように、検知素子14はキャビティ31内に位置し、フィーチャ17,18はキャビティ31の外に位置する。
【0015】
フィルタ22は、絶縁層32およびキャビティ31の上にあり、望ましくない粒子または化学物質がキャビティ31内に入ることを濾波,遮蔽または防止する。フィルタ22は、表面23と、対向面24と、接触開口部25,30と、フィルタ22の濾波機構として機能する濾波孔26,27,28,29とを有する。これについては、後で詳細に説明する。
【0016】
フィルタ22は、好ましくは、検知素子14の汚染または損傷を避けるために、検知素子14から空間的に離れて配置される。フィルタ22は、実質的に剛性となる程度の適切な厚みを持たねばならない。これは、検知素子14との接触や検知素子14に対する損傷を起こす可能性のある弾性変形を防ぐためである。
【0017】
フィルタ22には、以下に述べるような広範囲の材料を用いることができる。しかし、フィルタ22に用いられる材料の多くは、センサ10の動作温度を上げると化学物質を除気する。フィルタ22は、動作温度が上昇しても化学物質を除気せずに、センサ10の環境に対する正確な化学的応答を確保することが好ましい。しかし、フィルタ22が化学物質を除気しても、フィルタ22は検知素子14によって検出することのできる化学物質を除気せずに、センサ10が正確な環境監視を行えるようにすべきである。同様に、接着剤21,絶縁層32,基板11,結合線15,16およびフィーチャ17,18も、センサ10の動作温度において検知素子14により検知することのできる化学物質を除気してはならない。
【0018】
フィルタ22は、非孔性材料または多孔性または通気性材料で構成することができる。可能性のある適切な非孔性材料としては、従来の単結晶シリコン基板,III-V 族化合物半導体基板およびII-VI 族化合物半導体基板などがあるが、これらに限定されない。可能性のある適切な多孔性または通気性材料としては、多孔性シリコン基板,ポリマ薄膜,多孔性セラミック,ガラス,チャコール・フィルタ,熱硬化性樹脂,アルミナ,ポリイミド,シリカおよび石英などがあるが、これらに限定されない。
【0019】
フィルタ22が多孔性または通気性材料で構成される場合は、フィルタ22が非孔性材料で構成されたときにはない、別の濾波機構が備わる。特定の液体または気体が特定の多孔性または通気性材料に浸透することができ、フィルタ22の濾波孔26,27,28,29を通過せずにキャビティ31内に進入することができる。そのため、多孔性または通気性材料は、非孔性材料の濾波機能よりも、フィルタ22の濾波機能を拡張または強化して、センサ10の化学的感度および選択性を改善することができる。
【0020】
多孔性または通気性材料はそれぞれ、異なる孔寸法を有し、それを利用して、異なる寸法の粒子,化学物質または分子を濾波することができる。多孔性または通気性材料は、化学的に活性とすることができる。化学的に活性の通気性材料の一例として、メタロフタロシアニン・ポリマの層をフィルタ22に用いて、亜酸化窒素がキャビティ31内を通過するのを防ぐことができる。多孔性材料の一例としては、圧縮チャコール・フィルタをフィルタ22に用いて、炭化水素を濾波して、キャビティ31に進入することを防ぐことができる。さらに、ポリイミド層をフィルタ22に用いて、水分または水蒸気を濾波し、キャビティ31に進入することを防ぐことができる。
【0021】
フィルタ22内の接触開口部25,30の説明に戻り、接触開口部25,30はそれぞれ、フィーチャ17,18の上方で、これらのフィーチャに対する進入路となる位置にある。フィーチャ17,18がボンディング・パッドとして機能する場合は、接触開口部25,30は、それぞれ約50ないし1,000ミクロンの寸法を有し、組立ワイヤボンド配線が接触開口部25,30内を貫通して延在し、接触フィーチャ17,18にそれぞれ接触することができるようにする。接触開口部25,30は、図1で直線36,37として示されるダイ分離領域を露出させることもできる。
【0022】
フィルタ22の濾波孔26,27,28,29は、キャビティ31上方に位置して、フィルタ22の濾波機構として働く。フィルタ22がキャビティ31の上にある単独の孔を持つことができる場合でも、フィルタ22は、以下に述べるような充分な濾波機能を維持しながら、充分な気体または液体流がキャビティ31に出入りすることができるよう複数の孔を有することが好ましい。濾波孔26,27,28,29は、望ましくない粒子がキャビティ31に進入しないように接触開口部25,30の直径より小さい直径をそれぞれ有することが好ましい。それにより、フィルタ22は、基板ダイシング中や他の組立工程やセンサ10の動作中に、物理的損傷および汚染から検知素子14を保護する。
【0023】
所望の場合は、濾波孔26,27,28,29はそれぞれ数オングストロームないし数ミクロン程度の直径を有して、それより大きな寸法の分子または化学物質がキャビティ31に進入して、検知素子14と化学反応を起こすことを防ぐことができる。このように、フィルタ22は、センサ10の化学的選択性および感度を改善するための化学的フィルタとしても用いられる。たとえば、センサ10が小さい炭化水素分子だけを監視して、検知素子14は小さい炭化水素分子,それより大きなタンパク質分子およびさらに大きなデオキシリボ核酸分子(DNA )とも化学反応を起こすとする。この場合、濾波孔26,27,28,29がそれぞれ数オングストローム程度の直径を有するとすると、小さい炭化水素分子は濾波孔26,27,28,29を通過して、検知素子14と反応することができるが、それより大きなタンパク質分子やDNA 分子は濾波孔26,27,28,29を通過することができず、検知素子14と反応することができない。そのため、この例ではセンサ10の化学的選択性が改善される。
【0024】
濾波孔26,27,28,29と接触開口部25,30とは、フィルタ22と基板11とを結合する前に、フィルタ22内に超精密加工される。濾波孔26,27,28,29と接触開口部25,30とは、広範囲の異なる化学的および物理的方法を用いて形成することができる。たとえば、反応性イオン・エッチングまたは機械的穿孔技術を用いて、濾波孔26,27,28,29および接触開口部25,30をフィルタ22内に形成することができる。別の例としては、フィルタ22が約100ないし500ミクロンの厚みを有する非孔性単結晶シリコン基板で構成される場合は、基板11内の凹部12に関して用いられるのと同様の異方性エッチャントを用いて、濾波孔26,27,28,29および接触開口部25,30をエッチングすることもできる。
【0025】
濾波孔26,27,28,29および接触開口部25,30は、表面23からでも、表面24からでも、あるいは両表面23,24からでもエッチングすることができる。図1に示されるように、接触開口部25,30と濾波孔26とは、表面23からエッチングされ、孔27は表面24からエッチングされ、孔28,29は表面23,24からエッチングされる。孔を両表面23,24からエッチングする場合は、孔がフィルタ22の1つの表面からのみエッチングされる場合と比べて、多数のまたは密度の高い孔を設けることができる。
【0026】
図2を続けて参照して、図1のセンサ10の代替実施例の部分的断面図がセンサ40として図示される。図2のセンサ40は、図1のセンサ10と類似のものであり、同一の素子を示すには図1および図2において同一の参照番号を用いる。図2では、キャビティ44は、接着剤21を用いて絶縁層32とフィルタ45とを結合することにより形成される。キャビティ44とフィルタ45とは、目的において、図1のキャビティ31およびフィルタ22とそれぞれ類似のものである。
【0027】
フィルタ45は、支持層41の上にある層43によって構成される。支持層41は、組成において、図1のフィルタ22と類似のものである。支持層41は、複数の孔42を有し、これらは層43により覆われている。これらの孔は、目的において、図1のフィルタ22の濾波孔26,27,28,29と類似のものである。
【0028】
層43は、一定の化学物質を通過させ、他の化学物質の通過を制限する選択的フィルタとして機能する多孔性または通気性材料により構成される。層43に適した多孔性材料および通気性材料の例は、前述されている。
【0029】
層43は、支持層41を絶縁層32に結合した後に、指示層41の上に約0.1ないし30ミクロンの厚みまでスパタリング,噴出,積層,吐出または塗布することができる。あるいは、層43は、フィルタ45を絶縁層32に付着する前に支持層41上に設けることもできる。この代替方法においては、フィルタ45を絶縁層32に結合して、絶縁層32と基板11とが支持層41よりも層43に近づくようにすることもできる。この構成は図2には示されない。しかし、フィルタ45は、好ましくは絶縁層32に結合されて、絶縁層32と基板11とが、図2に示されるように層43よりも支持層41に近い位置に配置されると、複数の孔42がセンサ40の動作中に詰まることはない。
【0030】
図3を参照して、図1のセンサのさらに別の実施例の部分的断面図がセンサ60として図示される。図3のセンサ60も、図1のセンサ10に類似しており、図1および図3において、同一の素子を示すためには同一の参照番号が用いられる。図3では、接着剤21が絶縁層32とフィルタ61とを結合して、その間にキャビティ62を形成する。キャビティ62とフィルタ61とは、目的において、図1のキャビティ31およびフィルタ22とそれぞれ類似のものである。
【0031】
フィルタ61は、前述のように、検知素子14の損傷を防ぐために実質的剛性を得られるだけの適当な厚みを有する多孔性または通気性材料によって構成される。図1のフィルタ22とは異なり、図3のフィルタ61は、濾波孔を持たない。フィルタ61は、図2の層43と組成において類似のものであり、約50ないし500ミクロンの厚みを有することができる。
【0032】
図1,図2および図3のセンサ10,40,60は、それぞれ、従来の金属製T05またはT39パッケージに実装される従来技術によるセンサに対しいくつかの利点を有する。たとえば、図1,図2および図3のキャビティ31,44,62は、それぞれ従来の金属製T05またはT39パッケージのキャビティまたは封入領域に比べて、キャビティ容積が小さい。キャビティ容積が小さいために、センサ10,40,60は、従来の金属製T05またはT39パッケージに比べて寸法が小さくかさばらないので、あらゆる用途において空間の節約となる。センサ10,40,60は、少なくとも従来の金属製T05またはT39パッケージより約100倍は小さくなっている。
【0033】
また、キャビティ容積が小さいために、キャビティ31,44,62は、検知素子14によって検知しようとする臨界濃度の化学物質を、より迅速に充填することができる。キャビティの容積が小さいために、臨界化学濃度をより速く除去することもできる。このため、センサ10,40,60は、従来技術に比べて応答時間およびリフレッシュ時間が改善される。前述のように、キャビティ31,44,62のキャビティ容量は接着剤21の厚みまたは高さにより制御することができる。キャビティ31,44,62に必要とされる最小容積は、検知素子14の組成および動作温度,検知される化学物質およびキャビティ31,44,62内外への環境気体または液体の拡散速度に依存する。
【0034】
さらに、センサ10,40,60の製造工程は、従来技術に比べて、時間がかからず、費用が安く、労力も少なくて済む。基板11とフィルタ22,45または61が異なる半導体ウェハの部分である場合は、人間の介在を削減し製造歩留まりを改善する自動化された半導体ウェハ処理装置を用いてセンサ10の作成を行うことができる。このように、センサ10の作成は、大量生産の環境になじむ。
【0035】
かくして、センサ10,40,60を、ウェハレベルの一括処理を用いて実装または組立をすることができ、数百または数千のセンサを単独の半導体基板上に同時に実装してから、個々のセンサを切り離す。このウェハレベルの一括実装処理によりスループットが改善され、一度に1つのセンサを別々に実装する従来の人手の要る面倒な工程に比べて、対費用効果が高くなる。
【0036】
さらに、ウェハレベルの実装により、検知素子14がダイ切り離しの間に損傷を受けることを防ぐ。これは検知素子14が切り離し過程の前にキャビティ31,44または62内に封入されるためである。さらに、接着剤21およびフィルタ22,45,61は、それぞれセンサ10,40,60を堅固に強固にし、破損の可能性を下げる。従って、センサ10,40,60の製造歩留まりが従来の技術に比べさらに改善される。
【0037】
従って、本発明により、従来技術の欠点を克服する改善されたセンサが提供されたことは明らかである。従来の金属製T05またはT39パッケージにおける非効率的な切片部品組立が排除され、対費用効果が高くサイクル時間が短縮される方法により、機械的強度が高まり、センサ作成の製造歩留まりが改善される。被実装センサの寸法は、従来の被実装センサに比べて約100分の1ほどになっている。さらに、センサの性能は、化学的感度と、化学的選択性と、リフレッシュ時間および応答時間とを改善することにより強化される。
【0038】
本発明は、好適な実施例を参照して特定的に図示および説明されているが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、形態および詳細において変更が可能であることは当業者には理解頂けよう。たとえば、キャビティ31,44,62内に湿度および温度センサを備えて、センサ10,40,60の監視機能をそれぞれ改善することもできる。さらに、本明細書で説明された工程は、たとえば化学電界効果トランジスタ(CHEMFET ),弾性表面波(SAW )装置,容量性センサなどの他種のセンサの実装にも適用することができる。従って、本発明の開示は制約を加えるためのものではない。本発明の開示は、本発明の範囲を説明するためのものであり、範囲は以下の請求項に記述される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるセンサの実施例の断面図である。
【図2】本発明による図1のセンサの代替の実施例の部分的断面図である。
【図3】本発明による図1のセンサの別の代替の実施例の部分的断面図である。
【符号の説明】
10 センサ
11 基板
12 凹部
13 加熱素子
14 検知素子
15,16 結合線
17,18 フィーチャ
19,20 基板表面
21 接着剤
22 フィルタ
23,24 フィルタ表面
25,30 接触開口部
26,27,28,29 濾波孔
31 キャビティ
34,35 隣接センサ
36,37 描線
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates generally to semiconductor devices, and more particularly to sensors.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
Sensor implementation is a laborious, time consuming and expensive process. For chemical sensors, the mounting process includes cutting the semiconductor substrate into individual chemical sensor chips. The individual chemical sensor chips are then separately glued and assembled into a large metal package, referred to in the art as a T39 package or T05 package. An example of a T05 package is described in US Pat. No. 4,768,070 issued August 30, 1988 to Takizawa et al. This process of mounting the piece components is time consuming and cumbersome and requires careful handling of individual chemical sensor chips that can become contaminated or physically damaged during the mounting process.
[0003]
Accordingly, there is a need for a sensor that is mounted using a batch processing technique that improves throughput and reduces sensor creation and mounting cycle time. Wafer level batch mounting technology produces smaller mounted sensors, protecting each sensor chip from contamination and physical damage during subsequent processing.
[0004]
【Example】
For a more detailed description, referring to the drawings, FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a sensor 10. The sensor 10 is a semiconductor component including a substrate 11. The substrate 11 has a surface 19 that faces the surface 20, and is usually composed of a semiconductor material such as silicon, a III-V group compound semiconductor, or a II-VI group compound semiconductor. It will be appreciated that a plurality of sensors can be created on the substrate 11. For example, FIG. 1 shows a portion of sensors 34, 35 adjacent to sensor 10 on substrate 11. FIG. 1 also shows straight lines 36 and 37 that function as drawn lines separating the sensor 10 from the sensors 34 and 35, respectively.
[0005]
An insulating layer 32 is provided on the surface 19 of the substrate 11. Insulating layer 32 is preferably a dielectric material, such as silicon oxide or silicon nitride, and can be deposited on substrate 11 using methods well known in the art.
[0006]
The substrate 11 has an optional recess 12 formed in a portion of the surface 20 to facilitate thermal diffusion of the sensor 10 described below. The recess 12 extends from the surface 20 toward the surface 19 and can expose a portion of the insulating layer 32. In order to ensure a manufacturable process of the sensor 10, the recess 12 is preferably etched into the surface 20 using an anisotropic etchant that etches along a particular crystal plane of the substrate 11. The anisotropic etchant should not etch the insulating layer 32 more than the substrate 11. Examples of anisotropic etchants suitable for use with single crystal silicon substrates include, but are not limited to, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, cesium hydroxide, hydrazine, ethylenediamine / pyrocatechin, and tetramethylammonium hydroxide. Not.
[0007]
The sensor 10 includes a sensing element 14 that is supported by the insulating layer 32 and the substrate 11 and is on the recess 12. When the sensor 10 is a chemical sensor, the sensing element 14 is typically a resistance that changes its resistance when exposed to a particular liquid or gas (not shown). At elevated operating temperatures, the resistivity of sensing element 14 is typically about 1 kilohm to 50 megaohms. As is well known in the chemical sensor art, the presence of a particular liquid or gas is converted by the sensor from a chemical reaction to an electrical signal. For example, a control circuit (not shown) can detect a change in the specific resistance of the sensing element 14 by measuring a change in current or voltage drop across the sensing element 14. The control circuitry can be on a different substrate or can be created in the substrate 11 to create an integrated chemical sensor system.
[0008]
The sensing element 14 is placed or formed on the insulating layer 32 and the surface 19 of the substrate 11 using methods well known in the art. When the sensor 10 is a chemical sensor, the sensing element 14 is configured by a thin film having a chemical sensitivity with conductivity such as a metal oxide, a transition metal, or a noble metal. For example, the sensing element 14 can be made of tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, an alloy of platinum and gold, or the like. Different sensing elements 14 can be used to detect or monitor different liquids or gases. It should be understood that the material used for sensing element 14 can be doped to further increase the chemical sensitivity and selectivity of sensing element 14 and sensor 10.
[0009]
The sensing element 14 can also be heated by an optional heating element 13 to help cause a chemical reaction between the sensing element 14 and the desired liquid or gas. The heating element 13 is formed using a method well known to those skilled in the art. For example, the heating element 13 can also be made of polycrystalline silicon or a metal such as platinum or gold.
[0010]
As shown in FIG. 1, the heating element 13 is above the recess 12 and below the sensing element 14 in the insulating layer 32. It should be understood that the heating element 13 can be placed on a substrate other than the substrate 11. However, both the heating element 13 and the sensing element 14 are preferably placed on the substrate 11 for efficient heating and space saving. The recess 12 in the substrate 11 aids in thermal diffusion or cooling of the heating element 13 and the sensor 10.
[0011]
Coupling lines 15 and 16 electrically couple features 17 and 18 to sensing element 14, respectively. The coupling lines 15 and 16 are made of a conductive material such as silicide or metal. The coupling lines 15 and 16 are formed on the insulating layer 32 and the surface 19 of the substrate 11 using methods well known in the art.
[0012]
The features 17 and 18 are in electrical contact with the sensing element 14. For example, assembly wire bond wiring can be coupled to features 17 and 18 to form bonding pads. The features 17 and 18 are typically made of a metal such as gold or copper (but not limited to), and are formed on the insulating layer 32 and the surface 19 of the substrate 11 by a sputtering method, an electroplating method, Deposited using chemical vapor deposition or vapor deposition.
[0013]
The adhesive 21 is on the bonding lines 15, 16, on the insulating layer 32, and on the surface 19 of the substrate 11, preferably spatially away from the sensing element 14 to avoid contamination of the sensing element 14. Placed apart. The adhesive 21 can be any organic or inorganic adhesive material such as solder preform, silk screen epoxy or frit glass. When a conductive adhesive is used as the adhesive 21, a separation layer (not shown) electrically separates the bonding wires 15 and 16 from the adhesive 21.
[0014]
The adhesive 21 covers or mounts the sensor 10 by bonding or electrically bonding the insulating layer 32 and the mesh, screen or filter 22. As a result, the adhesive 21, the insulating layer 32, the substrate 11 and the filter 22 form the cavity 31. The capacity of the cavity 31 can be controlled by the thickness or height of the adhesive 21. As shown in FIG. 1, the sensing element 14 is located in the cavity 31, and the features 17 and 18 are located outside the cavity 31.
[0015]
The filter 22 is above the insulating layer 32 and the cavity 31 and filters, shields or prevents unwanted particles or chemicals from entering the cavity 31. The filter 22 has a surface 23, a facing surface 24, contact openings 25 and 30, and filtering holes 26, 27, 28, and 29 that function as a filtering mechanism for the filter 22. This will be described in detail later.
[0016]
The filter 22 is preferably placed spatially away from the sensing element 14 to avoid contamination or damage of the sensing element 14. The filter 22 must have an appropriate thickness that is substantially rigid. This is to prevent elastic deformation that may cause contact with the detection element 14 or damage to the detection element 14.
[0017]
A wide range of materials as described below can be used for the filter 22. However, many of the materials used for the filter 22 will degas chemicals when the operating temperature of the sensor 10 is increased. The filter 22 preferably ensures an accurate chemical response to the environment of the sensor 10 without degassing the chemicals even when the operating temperature rises. However, even if the filter 22 evacuates the chemical substance, the filter 22 should not allow the chemical substance that can be detected by the sensing element 14 to be evacuated, so that the sensor 10 can perform accurate environmental monitoring. . Similarly, the adhesive 21, insulating layer 32, substrate 11, bond lines 15, 16 and features 17, 18 should not degas chemicals that can be detected by the sensing element 14 at the operating temperature of the sensor 10. .
[0018]
The filter 22 can be composed of a non-porous material or a porous or breathable material. Possible suitable non-porous materials include, but are not limited to, conventional single crystal silicon substrates, III-V compound semiconductor substrates, and II-VI compound semiconductor substrates. Possible suitable porous or breathable materials include porous silicon substrates, polymer films, porous ceramics, glass, charcoal filters, thermosetting resins, alumina, polyimide, silica and quartz, It is not limited to these.
[0019]
If the filter 22 is composed of a porous or breathable material, another filtering mechanism is provided that is not present when the filter 22 is composed of a non-porous material. A particular liquid or gas can penetrate a particular porous or breathable material and can enter the cavity 31 without passing through the filter holes 26, 27, 28, 29 of the filter 22. As such, a porous or breathable material can extend or enhance the filtering function of the filter 22 to improve the chemical sensitivity and selectivity of the sensor 10 over that of a non-porous material.
[0020]
Each porous or breathable material has a different pore size, which can be used to filter particles, chemicals or molecules of different sizes. Porous or breathable materials can be chemically active. As an example of a chemically active breathable material, a layer of metallophthalocyanine polymer can be used in the filter 22 to prevent nitrous oxide from passing through the cavity 31. As an example of a porous material, a compression charcoal filter can be used for filter 22 to filter hydrocarbons and prevent entry into cavity 31. Furthermore, the polyimide layer can be used for the filter 22 to prevent moisture or water vapor from entering the cavity 31.
[0021]
Returning to the description of the contact openings 25 and 30 in the filter 22, the contact openings 25 and 30 are located above the features 17 and 18, respectively, to serve as access paths for these features. When features 17 and 18 function as bonding pads, contact openings 25 and 30 each have a size of about 50 to 1,000 microns, and the assembled wire bond wiring passes through contact openings 25 and 30. The contact features 17 and 18 respectively. Contact openings 25 and 30 can also expose die isolation regions shown as straight lines 36 and 37 in FIG.
[0022]
The filter holes 26, 27, 28 and 29 of the filter 22 are located above the cavity 31 and function as a filter mechanism of the filter 22. Even if the filter 22 can have a single hole above the cavity 31, the filter 22 will still have sufficient gas or liquid flow in and out of the cavity 31 while maintaining sufficient filtering function as described below. It is preferable to have a plurality of holes so that it is possible. The filtering holes 26, 27, 28, 29 preferably have a diameter that is smaller than the diameter of the contact openings 25, 30, respectively, so that unwanted particles do not enter the cavity 31. Thereby, the filter 22 protects the sensing element 14 from physical damage and contamination during substrate dicing, other assembly processes, and operation of the sensor 10.
[0023]
If desired, the filtering holes 26, 27, 28, 29 each have a diameter on the order of a few angstroms to a few microns, so that larger sized molecules or chemicals enter the cavity 31 and the sensing element 14 and It can prevent chemical reaction. Thus, the filter 22 is also used as a chemical filter for improving the chemical selectivity and sensitivity of the sensor 10. For example, suppose sensor 10 monitors only small hydrocarbon molecules, and sensing element 14 causes a chemical reaction with small hydrocarbon molecules, larger protein molecules, and even larger deoxyribonucleic acid molecules (DNA). In this case, assuming that the filter holes 26, 27, 28, 29 each have a diameter of about several angstroms, small hydrocarbon molecules pass through the filter holes 26, 27, 28, 29 and react with the sensing element 14. However, larger protein molecules and DNA molecules cannot pass through the filter holes 26, 27, 28, and 29, and cannot react with the sensing element 14. Therefore, in this example, the chemical selectivity of the sensor 10 is improved.
[0024]
The filtering holes 26, 27, 28, 29 and the contact openings 25, 30 are ultra-precision processed in the filter 22 before the filter 22 and the substrate 11 are coupled. Filter holes 26, 27, 28, 29 and contact openings 25, 30 can be formed using a wide variety of different chemical and physical methods. For example, the filter holes 26, 27, 28, 29 and the contact openings 25, 30 can be formed in the filter 22 using reactive ion etching or mechanical drilling techniques. As another example, if the filter 22 is composed of a non-porous single crystal silicon substrate having a thickness of about 100 to 500 microns, an anisotropic etchant similar to that used for the recess 12 in the substrate 11 is used. It can also be used to etch the filter holes 26, 27, 28, 29 and the contact openings 25, 30.
[0025]
The filtering holes 26, 27, 28, 29 and the contact openings 25, 30 can be etched from the surface 23, from the surface 24, or from both surfaces 23, 24. As shown in FIG. 1, the contact openings 25, 30 and the filtering holes 26 are etched from the surface 23, the holes 27 are etched from the surface 24, and the holes 28, 29 are etched from the surfaces 23, 24. When holes are etched from both surfaces 23, 24, more or more dense holes can be provided compared to when the holes are etched only from one surface of the filter 22.
[0026]
With continued reference to FIG. 2, a partial cross-sectional view of an alternative embodiment of sensor 10 of FIG. The sensor 40 of FIG. 2 is similar to the sensor 10 of FIG. 1, and the same reference numerals are used in FIGS. 1 and 2 to indicate the same elements. In FIG. 2, the cavity 44 is formed by bonding the insulating layer 32 and the filter 45 using the adhesive 21. Cavity 44 and filter 45 are similar in purpose to cavity 31 and filter 22 of FIG. 1, respectively.
[0027]
The filter 45 is constituted by a layer 43 on the support layer 41. The support layer 41 is similar in composition to the filter 22 of FIG. The support layer 41 has a plurality of holes 42 that are covered with a layer 43. These holes are similar in purpose to the filtering holes 26, 27, 28, 29 of the filter 22 of FIG.
[0028]
Layer 43 is comprised of a porous or breathable material that functions as a selective filter that allows certain chemicals to pass and restricts the passage of other chemicals. Examples of suitable porous and breathable materials for layer 43 are described above.
[0029]
Layer 43 can be sputtered, jetted, laminated, discharged, or applied to indicator layer 41 to a thickness of about 0.1 to 30 microns after support layer 41 is bonded to insulating layer 32. Alternatively, the layer 43 can be provided on the support layer 41 before the filter 45 is attached to the insulating layer 32. In this alternative method, the filter 45 may be coupled to the insulating layer 32 so that the insulating layer 32 and the substrate 11 are closer to the layer 43 than the support layer 41. This configuration is not shown in FIG. However, the filter 45 is preferably coupled to the insulating layer 32 so that when the insulating layer 32 and the substrate 11 are disposed closer to the support layer 41 than the layer 43 as shown in FIG. The holes 42 do not clog during operation of the sensor 40.
[0030]
Referring to FIG. 3, a partial cross-sectional view of yet another embodiment of the sensor of FIG. The sensor 60 of FIG. 3 is also similar to the sensor 10 of FIG. 1, and the same reference numerals are used in FIGS. 1 and 3 to indicate the same elements. In FIG. 3, the adhesive 21 bonds the insulating layer 32 and the filter 61 and forms a cavity 62 therebetween. Cavity 62 and filter 61 are similar in purpose to cavity 31 and filter 22, respectively, in FIG.
[0031]
As described above, the filter 61 is made of a porous or air-permeable material having an appropriate thickness sufficient to obtain substantial rigidity in order to prevent damage to the sensing element 14. Unlike the filter 22 of FIG. 1, the filter 61 of FIG. 3 does not have a filtering hole. Filter 61 is similar in composition to layer 43 of FIG. 2, and can have a thickness of about 50 to 500 microns.
[0032]
The sensors 10, 40, 60 of FIGS. 1, 2 and 3 each have several advantages over prior art sensors mounted in a conventional metal T05 or T39 package. For example, the cavities 31, 44, 62 of FIGS. 1, 2, and 3 each have a smaller cavity volume than the cavities or encapsulated areas of conventional metal T05 or T39 packages. Due to the small cavity volume, the sensors 10, 40, 60 are less bulky in size than conventional metal T05 or T39 packages, thus saving space in any application. Sensors 10, 40, 60 are at least 100 times smaller than conventional metal T05 or T39 packages.
[0033]
Further, since the cavity volume is small, the cavities 31, 44, and 62 can be more rapidly filled with a chemical substance having a critical concentration to be detected by the detection element 14. Because the cavity volume is small, the critical chemical concentration can also be removed faster. For this reason, the response time and refresh time of the sensors 10, 40, 60 are improved as compared with the prior art. As described above, the cavity capacity of the cavities 31, 44 and 62 can be controlled by the thickness or height of the adhesive 21. The minimum volume required for the cavities 31, 44, 62 depends on the composition and operating temperature of the sensing element 14, the chemicals to be sensed, and the diffusion rate of ambient gas or liquid into and out of the cavities 31, 44, 62.
[0034]
Further, the manufacturing process of the sensors 10, 40, 60 is less time consuming, less expensive and less labor-intensive than the prior art. If the substrate 11 and the filter 22, 45, or 61 are different semiconductor wafer portions, the sensor 10 can be created using an automated semiconductor wafer processing apparatus that reduces human intervention and improves manufacturing yield. . Thus, the creation of the sensor 10 is suitable for a mass production environment.
[0035]
Thus, the sensors 10, 40, 60 can be mounted or assembled using wafer-level batch processing, with hundreds or thousands of sensors being simultaneously mounted on a single semiconductor substrate before individual sensors. Disconnect. Through the wafer level batch mounting process, the throughput is improved, and the cost efficiency becomes higher compared to the conventional laborious process of mounting one sensor at a time separately.
[0036]
Furthermore, the wafer level mounting prevents the sensing element 14 from being damaged during die separation. This is because the sensing element 14 is enclosed in the cavity 31, 44 or 62 before the separation process. Furthermore, the adhesive 21 and the filters 22, 45, 61 make the sensors 10, 40, 60 firm and firm, respectively, and reduce the possibility of breakage. Therefore, the manufacturing yield of the sensors 10, 40, 60 is further improved as compared with the prior art.
[0037]
Thus, it is clear that the present invention provides an improved sensor that overcomes the disadvantages of the prior art. Inefficient section assembly in conventional metal T05 or T39 packages is eliminated, and cost-effective and cycle time reduced methods increase mechanical strength and improve manufacturing yield of sensor fabrication. The size of the mounted sensor is about 1/100 of that of the conventional mounted sensor. In addition, sensor performance is enhanced by improving chemical sensitivity, chemical selectivity, refresh time and response time.
[0038]
Although the invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. I understand. For example, humidity and temperature sensors can be provided in the cavities 31, 44, 62 to improve the monitoring functions of the sensors 10, 40, 60, respectively. Further, the processes described herein can be applied to mounting other types of sensors such as chemical field effect transistors (CHEMFETs), surface acoustic wave (SAW) devices, capacitive sensors, and the like. Accordingly, the disclosure of the present invention is not intended to be limiting. The disclosure of the present invention is intended to illustrate the scope of the invention, the scope of which is set forth in the following claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a sensor according to the present invention.
2 is a partial cross-sectional view of an alternative embodiment of the sensor of FIG. 1 in accordance with the present invention.
3 is a partial cross-sectional view of another alternative embodiment of the sensor of FIG. 1 in accordance with the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sensor 11 Substrate 12 Recess 13 Heating element 14 Sensing element 15, 16 Bonding line 17, 18 Feature 19, 20 Substrate surface 21 Adhesive 22 Filter 23, 24 Filter surface 25, 30 Contact opening 26, 27, 28, 29 Filtering Hole 31 Cavity 34, 35 Adjacent sensor 36, 37 Drawing

Claims (1)

半導体部品であって:
第1の面(20)、前記第1の面に対向する第2の面(19)および前記第1の面における凹部(12)を有する半導体基板(11);
前記半導体基板(11)の前記第2の面(19)の上にある絶縁層(32);
前記絶縁層(32)および前記凹部(12)の上にある化学的感度を有する薄膜(14)であって、前記化学的感度を有する薄膜(14)は前記凹部内に配置されていないもの;
前記化学的感度を有する薄膜(14)の上にあり、それから空間的に隔てられたフィルタ(22,45または61)であって、前記フィルタは前記半導体部品の全ての導電層から絶縁されているもの;
前記フィルタ(22,45または61)を前記絶縁層(32)に結合する接着剤(21);および
前記化学的感度を有する薄膜(14)の下にあり前記化学的感度を有する薄膜を加熱するための加熱素子(13);
を具備することを特徴とする半導体部品。
For semiconductor parts:
A semiconductor substrate (11) having a first surface (20), a second surface (19) facing the first surface, and a recess (12) in the first surface;
An insulating layer (32) overlying the second surface (19) of the semiconductor substrate (11);
A chemically sensitive thin film (14) overlying the insulating layer (32) and the recess (12), wherein the chemically sensitive thin film (14) is not disposed within the recess;
A filter (22, 45 or 61) on and spaced apart from the chemically sensitive thin film (14), wherein the filter is insulated from all conductive layers of the semiconductor component. thing;
An adhesive (21) for bonding the filter (22, 45 or 61) to the insulating layer (32); and heating the chemically sensitive thin film under the chemically sensitive thin film (14) Heating element (13) for;
A semiconductor component comprising:
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