專利名稱：具有前側鍵合的半導體傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體傳感器，特別是所謂的ISFET或CHEMFET傳感器，其包括離子敏感的場效應晶體管。為了實現傳感器，以芯片形式存在的離子敏感傳感器元件必須這樣安裝，使得它們一方面可以接納通常較高腐蝕性的樣本，而另一方面易腐蝕部件，諸如導電跡線不會接觸介質。為此，半導體芯片的離子敏感元件通常與樣本室的壁中的開口對齊，其中在樣本室的壁和半導體芯片之間設置有環形密封。環形密封圍繞開口，使得半導體芯片的離子敏感區域可以接納樣本，而樣本不能接觸離子敏感區域之外的芯片區域。
然而，芯片的電鍵合已經被證明是困難的。現有技術基本上使用三種方法。在美國專利No.5,833,824中，Benton公開了一種pH傳感器，其中利用金屬密封將ISFET芯片固定在襯底的下側，該金屬密封圍繞ISFET芯片的離子敏感區域，離子敏感區域與襯底中的開口對齊。在由密封圍繞的區域之外，芯片表面上的導電跡線延伸至接觸面，這些接觸面經由焊料或焊接連接與襯底下側上的互補接觸面相連。Benton提出的解決方案非常昂貴，因為在密封的制造期間以及電接觸的影響期間，都需要昂貴的錫焊和/或焊接過程。
Benton討論的現有技術中描述了ISFET傳感器，其中在ISFET芯片的襯底和離子敏感區域之間的樣本室壁的開口周圍安排普通的聚合體密封。然而，按照Benton的想法，ISFET芯片不與襯底接觸，而是與支架接觸，支架在遠離襯底的后側上支承ISFET芯片。為此，接合線在ISFET芯片的前側上的接觸面之間延伸到ISFET芯片的支承表面之外的支架上的接觸面。即使這種解決方案也是昂貴的，因為為了接觸芯片需要焊接工作，并且為了保證傳感器的功能和整體性，芯片必須相對于襯底和支架都以很小的公差放置。
另外，已知這樣的解決方案，其中芯片在遠離離子敏感區域的后側上具有它們的接觸面或焊盤。于是這些芯片可以在后側上經由具有互補接觸面的支架而接觸，其中，為了保證芯片后側和支架之間的足夠的電接觸，將各向異性的彈性導體，例如具有內嵌金絲的硅膜放置在垂直于薄膜平面的方向上。
考慮到電接觸貫穿芯片從其前側到其后側將制造成本增加了若干倍，這種解決方案非常昂貴。
因此，本發明的目的是提供一種半導體傳感器，其克服上述缺點。這個目的根據本發明通過獨立權利要求1的傳感器得以實現。
本發明的傳感器包括具有第一表面的半導體芯片，該第一表面具有介質敏感區域和至少一個第一電接觸面；和具有第二表面的支架，該第二表面面向半導體芯片的第一表面，具有與敏感區域對齊的開口和至少一個第二電接觸面，第二電接觸面與至少一個第一電接觸面重疊或對齊；其中，在支架和半導體芯片之間放置(優選為彈性的)各向異性導體，其在至少一個第一接觸面和至少一個第二接觸面之間產生導電連接；其中薄膜或層具有與第二表面中的開口對齊的貫穿開口，使得半導體芯片的敏感區域可以通過該開口接納分析物；其中(優選為彈性的)各向異性導體密封開口外部的區域，以防被分析物污染。
優選地，各向異性的導體包括具有內嵌的導電顆粒、細粒或細絲，特別是金屬顆粒或細絲的彈性絕緣無機層。這里特別優選的是金絲，其垂直于彈性無機層的平面延伸。這里特別優選的是硅層，其具有金絲并且可以從Shin-Etsu公司購得。
只要無機彈性層具有金屬細粒，它們就在松弛的層中以這樣的濃度均勻分布的，使得在細粒之間的電接觸不足以產生在大距離上的電導通性。然而，如果在一個方向上壓縮彈性層，例如通過夾緊用作密封元件的彈性層，那么在壓縮方向上產生足夠量的電接觸，從而保證了沿壓縮方向的導通性。
與密封元件的所選類型無關，半導體芯片優選地由后側支架壓向彈性層，以最優化彈性層的密封作用。后側支架可以被剛性和彈性地預加應力。例如通過卷簧彈性預加應力是優選的，因為與必須僅僅基于密封元件的彈性而預加應力相比，可以更好地均衡不同熱膨脹系數的影響。當需要密封元件壓縮一定程度時，這特別重要，以保證貫穿密封的電導通性。
從附圖中可以更清楚地理解進一步的細節，附圖中
圖1是本發明的半導體傳感器的襯底的下側的平面圖；圖2是本發明的半導體傳感器的密封元件；和圖3是本發明的半導體傳感器的縱截面。
下面結合附圖1～3說明實施例。
圖1顯示了本發明的半導體傳感器的襯底的下側，其中在下側上與開口7相間隔地布置接觸面8，9。接觸面8，9經由導電跡線10，11以適當的方式與所需的接線連接。在完整安裝的傳感器中，開口7用于半導體芯片接納待分析的樣本。
圖2顯示了本發明的半導體傳感器的密封元件的平面圖，其中這個實施例的密封元件包括硅層，其包含貫穿的金絲，該金絲基本上垂直于密封元件5的平面延伸。以這種方式，密封元件在密封元件的平面中絕緣，并且垂直于密封元件的平面導電。結果，相互對齊且通過密封相互間隔的電接觸面可以彼此電接觸，而在密封元件的平面中橫向移位的接觸面彼此電絕緣。
為了保證安全接觸，對齊的接觸面所需的最小尺寸是有關密封元件的每單位面積的平均金絲數的問題。這個參數可以由本領域技術人員以合適的方式調整。以同樣的方式，部件為了保證可靠絕緣的平均橫向距離是金絲的數量密度以及它們的方向和直徑的函數。現在，優選是密封元件，其使得幾平方毫米的對齊的接觸面能夠可靠接觸并且使得在大約1毫米的橫向距離能夠得到足夠的絕緣。
圖2的密封元件的外部尺寸在這個實施例中與圖1的襯底的下側的外部直徑適合；然而，這并不是強制的。然而，密封元件中的開口具有與襯底6的下側中的開口7相同的尺寸是有利的。
圖3顯示了本發明的組裝的半導體傳感器的縱截面，其中密封元件5夾持在半導體芯片1和襯底6之間。
半導體芯片1在其面向密封元件的表面中具有離子敏感區域4，其與襯底6中的開口7對齊。接觸面2和3與開口相間隔，這兩個接觸面2和3與襯底下側上的互補接觸面8，9對齊。芯片側的接觸面2，3和襯底側的接觸面8，9之間的鍵合通過密封元件垂直于其平面的導通性保證。
為了得到足夠的密封，半導體芯片1必須以足夠的力壓向襯底6的下側。這一方面可以通過以形狀穩定的結構元件(未顯示)夾持而實現，另一方面可以通過彈性元件，例如卷簧(未顯示)而實現。
襯底6可以例如與半導體傳感器的外殼一體構成，或者形成為以合適的方式安裝在外殼中的獨立部件。本領域技術人員基于上述說明可以很清楚這些以及相似的實施例，它們都在所附權利要求限定的本
權利要求
1.傳感器設置，包括半導體芯片，其具有第一表面，該第一表面具有介質敏感區域和至少一個第一電接觸面；支架，其具有第二表面，該第二表面面向半導體芯片的第一表面，該第二表面具有與敏感區域至少重疊的開口和至少一個第二電接觸面，第二電接觸面與至少一個第一電接觸面至少重疊；和各向異性導體，其安排在支架和半導體芯片之間，并且在至少一個第一接觸面和至少一個第二接觸面之間產生導電連接，并且該各向異性導體具有與第二表面中的開口至少重疊的貫穿開口，使得半導體芯片的敏感區域可以通過該開口接納分析物，其中各向異性導體密封開口外部的區域，以防被分析物污染。
2.根據權利要求1所述的傳感器設置，其中各向異性導體是彈性的。
3.根據權利要求2所述的傳感器設置，其中彈性各向異性導體包括具有內嵌的導電顆粒、細粒或細絲的彈性絕緣無機層。
4.根據權利要求3所述的傳感器設置，其中彈性各向異性導體包括具有內嵌金絲的硅層，其中金絲垂直于硅層的平面延伸。
5.根據權利要求3所述的傳感器設置，其中無機彈性層包括在松弛狀態中以這樣的濃度分布的內嵌金屬細粒，使得在細粒之間的電接觸的量不足以產生貫穿的電導通性，其中，進一步通過在支架和半導體芯片之間夾持作為密封元件的彈性層，層被壓縮到這樣的程度，使得在壓縮方向上產生足夠量的電接觸，用于在至少一個第一接觸面和至少一個第二接觸面之間產生導電連接。
6.根據前述任一權利要求所述的傳感器設置，其中半導體芯片具有離子敏感區域。
7.根據前述任一權利要求所述的傳感器設置，其中半導體芯片是pH傳感器元件或氧化還原傳感器元件。
全文摘要
一種離子敏感傳感器設置，包括具有第一表面的半導體芯片(1)，該第一表面具有介質敏感區域(4)和至少一個第一電接觸面(2，3)；和具有第二表面的支架(6)，該第二表面面向半導體芯片(1)的第一表面，具有與敏感區域(4)對齊的開口(7)和至少一個第二電接觸面(8，9)，第二電接觸面(8，9)與至少一個第一電接觸面(2，3)重疊或對齊；其中，在支架和半導體芯片之間放置(優選為彈性的)各向異性導體(5)，其在至少一個第一接觸面和至少一個第二接觸面之間產生導電連接，并且其具有與第二表面中的開口(7)對齊的貫穿開口，使得半導體芯片(1)的敏感區域(4)可以通過該開口接納分析物，其中(優選為彈性的)各向異性導體(5)密封開口(7)外部的區域，以防被分析物污染。
文檔編號H05K3/32GK1729395SQ200380106906
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月6日 優先權日2002年12月20日
發明者托爾斯滕·佩希施泰因, 羅伯特·肖爾茨 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾分析儀表兩合公司