(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
0004271741.tif 000002
【図２】
0004271741.tif 000003
【図３】
0004271741.tif 000004