具有在边缘处的传感器区段的半导体管芯的制作方法

1.本发明涉及传感器以及用于制造传感器的半导体管芯。


背景技术：

2.现代传感器越来越多地基于具有微电子区段和传感器区段的半导体管芯而被制造。借助于已建立的半导体工艺技术，通过处理半导体晶片共同制造多个功能单元，其中然后将经处理的半导体晶片分割成多个半导体管芯，这些半导体管芯形成各个传感器的基础。
3.将传感器区段和微电子区段集成在单个半导体管芯中实现短的信号路径，从而能够将对测量信号的干扰性影响保持得小。此外，集成导致特别紧凑的传感器并且有助于降低传感器的能耗。
4.越来越需要在长的使用时间段上具有传感器信号值的尽可能小的漂移的传感器。
5.为了满足这种需求，提出了根据本发明的半导体管芯和根据本发明的传感器。在本发明中给出了有利的设计方案。


技术实现要素：

6.提出了一种半导体管芯，该半导体管芯具有微电子区段和传感器区段。微电子区段包括集成电路。传感器区段邻接半导体管芯的边缘。
7.已经认识到，与将传感器区段布置在半导体管芯的中心(其中传感器区段被微电子区段包围)相比，将传感器区段布置在半导体管芯的边缘处带来改善的传感器信号值。
8.设置在半导体管芯的传感器区段中的结构通常在晶片的feol处理(“前段制程处理”)中与微电子区段的半导体结构一起被制造。在此，feol处理通常理解为在用于电连接微电子区段的各个半导体器件的第一金属化层之前执行的所有处理步骤。
9.在beol处理(“后段制程处理”)的范畴中添加的金属化层和氧化层经常导致传感器区段与微电子区段之间的显著的梯级(stufe)。梯级的存在也可以称作地形(topographie)。已经发现，恰好是这种高梯级对于传感器的性能具有不利影响。由于传感器区段与半导体管芯的边缘相邻，这种梯级仅存在于传感器区段的周缘的一小部分处，使得该梯级对传感器精度的影响相对于常规的传感器被减小。此外，通过将传感器区段布置在半导体管芯的边缘处简化了对传感器区段的清洁。特别地，颗粒不能像在被提高的微电子区段完全围绕的传感器区段中可能的那样轻易地聚集在传感器区段中。
10.在一种设计方案中规定，传感器区段具有压力传感器元件、尤其是电容式压力传感器元件、和/或磁性传感器元件、尤其是霍尔传感器元件、和/或加速度传感器元件和/或超声波换能器元件和/或声学换能器元件。
11.传感器区段在半导体管芯的边缘处的有利的布置可以在所有这些元件中示出。
12.尤其可以规定，传感器区段具有可运动区域。可运动区域尤其可以包括可机械运动的区域。可运动区域尤其可以是膜片。借助于可运动区域例如可以测量压力和/或加速
度。
13.在半导体管芯的微电子区段中，可以提供管芯接触面。管芯接触面可以被设置成用于将半导体管芯并且尤其是集成电路与另外的器件电连接。接触面也可以被称为焊盘。
14.在此，在半导体管芯的设计方案中规定，管芯接触面被布置在微电子区段的背离传感器区段的一侧处。以这种方式，可以增加电连接半导体管芯所需的键合线与传感器区段的距离，使得键合线可以对传感器的性能产生较小的负面影响。
15.传感器区段尤其可以没有金属互连层。特别地，传感器区段可以没有在微电子区段的beol处理期间施加的金属互连层。特别地，传感器区段可以除了到微电子区段的过渡之外基本上没有朝向半导体管芯的边缘的隆起。
16.半导体管芯在俯视图中可以具有矩形形状，其中半导体管芯通过平面被划分为在俯视图中呈矩形的微电子区段和在俯视图中呈矩形的传感器区段。传感器区段可以在整个半导体管芯侧上延伸。
17.此外，提出了一种具有前述半导体管芯的传感器。传感器具有壳体，其中壳体具有安装面、接触端子、以及与接触端子导电连接的壳体接触面。传感器具有键合线，利用该键合线将管芯接触面与壳体接触面导电连接。半导体管芯与安装面机械连接。尤其可以借助于粘合剂建立机械连接。
18.在传感器的一个设计方案中，半导体管芯的传感器区段没有被粘合剂润湿。
19.缺少传感器区段与安装面的固定机械连接可以减少在传感器区段中产生应力。
20.传感器的半导体管芯的传感器区段可以用凝胶覆盖。凝胶可以保护位于传感器区段中的传感器元件免受有害的环境条件(例如液体、气体)的影响。
21.传感器的另一设计方案规定，管芯接触面和/或键合线和/或壳体接触面被嵌入在封装中。通过这种方式，可以保护管芯接触面、键合线和壳体接触面免受有害的环境影响。特别地，封装可以降低键合线由于机械作用而从管芯接触面和/或壳体接触面松脱的风险。
22.特别地，封装可以通过膜辅助铸造(“膜辅助成型”，fam)来制造。所提出的传感器区段与半导体管芯的边缘相邻的布置在此才可以实现通过膜辅助铸造的封装。作为封装方法的膜辅助铸造可以实现如下的传感器，该传感器相对于常规传感器以减小的尺寸而出众。
23.在半导体管芯的背离安装面的一侧处，可以设置用于防止传感器区段被封装的材料润湿的阻挡件。特别地，可以设置阻挡件来分离封装和凝胶。以这种方式可以防止用于封装的材料到达传感器区段并且在那里不利地影响传感器元件。
24.在传感器的一个设计方案中规定，在半导体管芯的朝向安装面的一侧处设置用于防止传感器区段被粘合剂润湿的屏障件。
附图说明
25.现在将参照附图更详细地解释所提出的半导体管芯和在其上构建的传感器。其中：
26.图1以横截面图示出半导体管芯；
27.图2以俯视图示出根据图1的半导体管芯；
28.图3以横截面示出传感器；
29.图4以横截面示出传感器；
30.图5以俯视图示出传感器；
31.图6以俯视图示出传感器；
32.图7示出用于制造传感器的方法步骤；
33.图8示出用于制造传感器的另外的方法步骤；
34.图9示出在图8中示出的方法步骤之后的传感器；以及
35.图10示出在另外的方法步骤之后的传感器。
具体实施方式
36.图1中示出的半导体管芯100具有微电子区段101和传感器区段103。微电子区段101和传感器区段通过平面108彼此分离。在微电子区段101中设置有多个半导体器件，如其通过晶体管102所指示的。在微电子区段中尤其可以设置放大器电路、模拟数字转换器、逻辑组件、asic、fpga，利用它们可以评估由设置在传感器区段中的传感器元件生成的传感器信号。在此，传感器区段103邻接于半导体管芯100的边缘104。设置在传感器区段103中的传感器元件具有膜片105。传感器元件位于层121中，该层121已经在feol处理中被制造。特别地，传感器元件位于与半导体器件102一起被制造的层中。在半导体器件102上方设置有多个金属化层107，利用这些金属化层将半导体器件102与其他半导体器件电连接。此外，也被称为互连层的金属化层107与半导体管芯接触面106连接。
37.金属化层107和半导体管芯接触面106在beol处理的范畴中被制造。在beol处理期间制造的附加层导致传感器区段103与微电子区段101之间的梯级122。由于传感器区段103邻近半导体管芯100的边缘104，因此该梯级122仅存在于传感器区段103的一侧处，使得与传感器区段的常规布置相比，该梯级对传感器元件的特性具有较小的影响。此外，杂质颗粒可以不太容易地聚集在传感器区段103中。
38.图2以俯视图示出图1中所示的半导体管芯100。在此，半导体管芯100在俯视图中具有基本上矩形的形状。平面108将半导体管芯100分为传感器区段103和微电子区段101。在此，该平面被布置成使得传感器区段103和微电子区段101在俯视图中同样具有矩形的形状。
39.图3示出传感器300。传感器300包括具有安装面309的壳体，半导体管芯借助于粘合剂313被安装在该安装面上。壳体具有壳体接触面311。借助于键合线312，半导体管芯接触面106与壳体接触面311电连接。
40.半导体管芯接触面106、键合线312和壳体接触面311被布置在封装315中。
41.可选地，半导体管芯可以包括阻挡件316，利用该阻挡件可以防止封装315的材料润湿膜片105所位于的传感器区段。为了保护传感器元件，在传感器区段中设置有凝胶314，该凝胶也覆盖膜片105。
42.图4示出与传感器300类似的传感器400。与传感器300不同，在传感器400中在传感器区段下方不设置粘合剂313。更确切地，屏障件417防止在将半导体管芯安装在安装面309上时在传感器区段与安装面309之间产生机械连接。以这种方式，可以减小机械应力从壳体传递到传感器区段的风险。
43.图5以俯视图示出另一传感器500。传感器500的壳体具有接触端子510，接触端子
与壳体接触面311连接。键合线312在壳体接触面311与半导体管芯接触面106之间建立电连接。壳体接触面311、键合线312和半导体管芯接触面106被布置在封装315中。封装315可以例如由环氧树脂制成。半导体管芯100的传感器区段由凝胶314覆盖，以保护传感器区段的传感器元件免受环境影响。
44.图6以俯视图示出与传感器500类似的传感器600。传感器600与图5中示出的传感器500的不同之处在于半导体管芯100在壳体中的定向。半导体管芯100的所选择的定向允许利用6个键合线312将6个壳体接触面311与6个半导体管芯接触面连接。
45.图7图示了用于制造传感器900的方法步骤(参见图9)。具有传感器区段703和微电子区段701的半导体管芯与壳体(尤其是引线框架)的安装面709机械连接。半导体管芯接触面与壳体接触面之间的电连接利用键合线712来建立。壳体接触面与接触端子710电连接。
46.示出了上半模718和下半模719，具有半导体管芯的壳体700被布置在该上半模和该下半模之间。在壳体700与半模718和719之间分别设置膜720。
47.在将两个半模718和719合拢之后，如图8所示，膜720密封半模718和719与壳体700或半导体管芯之间的接触位置。在闭合模具718和719之后，引入用于制造封装815的材料。由于模具718和719的成型以及通过膜720的密封，半导体管芯的传感器区段保持不被封装815的材料润湿。键合线712和被键合线接触的壳体接触面和半导体管芯接触面被封装815的材料包围。
48.在图9中示出脱模之后的传感器900。在此，半导体管芯的传感器区段未被封装815的材料包围。
49.图10示出，最后可以用凝胶1014覆盖传感器区段，以便防止传感器区段被杂质颗粒或其他有害的环境影响污染。
50.一些实施例由以下示例限定：
51.示例1.一种半导体管芯，
52.其中所述半导体管芯具有微电子区段，
53.其中所述微电子区段具有集成电路，
54.其中所述半导体管芯具有传感器区段，
55.其中所述传感器区段与所述半导体管芯的边缘邻接。
56.示例2.根据示例1所述的半导体管芯，
57.其中所述传感器区段具有：
58.压力传感器元件，尤其是电容式压力传感器元件，和/或
59.磁性传感器元件，尤其是霍尔传感器元件，和/或
60.加速度传感器元件，和/或
61.超声波换能器元件，和/或
62.声学换能器元件。
63.示例3.根据示例1或2所述的半导体管芯，
64.其中所述传感器区段具有可运动区域。
65.示例4.根据前述示例中的任一个示例所述的半导体管芯，
66.其中所述半导体管芯在所述微电子区段中具有管芯接触面。
67.示例5.根据示例4所述的半导体管芯，
68.其中所述管芯接触面被布置在所述微电子区段的背离所述传感器区段的一侧处。
69.示例6.根据前述示例中的任一个示例所述的半导体管芯，
70.其中所述传感器区段没有金属互连层。
71.示例7.根据前述示例中的任一个示例所述的半导体管芯，
72.其中所述半导体管芯在俯视图中具有矩形形状，
73.其中所述半导体管芯通过平面被划分为在俯视图中呈矩形的微电子区段和在俯视图中呈矩形的传感器区段。
74.示例8.一种传感器，
75.所述传感器具有根据前述示例中的任一个示例所述的半导体管芯，
76.所述传感器具有壳体，其中所述壳体具有：
77.安装面，
78.接触端子，以及
79.壳体接触面，与所述接触端子导电连接，
80.并且
81.所述传感器具有键合线，
82.其中所述管芯接触面借助于所述键合线与所述壳体接触面导电连接，
83.其中所述半导体管芯尤其借助于粘合剂与所述安装面机械连接。
84.示例9.根据示例8所述的传感器，
85.其中所述半导体管芯的所述传感器区段没有被所述粘合剂润湿。
86.示例10.根据示例8或9所述的传感器，
87.其中所述半导体管芯的所述传感器区段被凝胶覆盖。
88.示例11.根据示例8至10中任一项所述的传感器，
89.其中管芯接触面和/或所述键合线和/或所述壳体接触面被嵌入在封装中。
90.示例12.根据示例11所述的传感器，
91.其中所述封装由膜辅助铸造制成。
92.示例13.根据示例8至12中任一项所述的传感器，
93.其中在所述半导体管芯的背离安装面的一侧处设置阻挡件，以用于防止所述传感器区段被所述封装的材料润湿，尤其是用于分离所述封装和所述凝胶。
94.示例14.根据示例8至13中任一项所述的传感器，
95.其中在所述半导体管芯的朝向所述安装面的一侧处设置屏障件，以用于防止所述传感器区段被所述粘合剂润湿。
96.虽然在本说明书中已经示出和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离所示出的本发明的范围的情况下，可以选择各种备选和/或等同的实现方式来替换在本说明书中示出和描述的具体实施例。本技术旨在覆盖这里讨论的特定实施例的所有改编或变型。因此，本发明旨在仅由权利要求和权利要求的等同物来限制。