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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Passivierung eines Feldeffekttransistors
mit zumindest einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und
einer Gate-Elektrode. Weiterhin geht die Erfindung aus von einer
Vorrichtung zur Detektierung mindestens einer in einem Fluidstrom
enthaltenen Substanz gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 8.
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Gassensitive
Feldeffekttransistoren auf Halbleiter-Basis finden zunehmend Verwendung
in der Sensorik. Üblicherweise führt dabei die
Beaufschlagung mit der zu detektierenden Testspezies, zum Beispiel
einem Gas oder eine Flüssigkeit bzw. einem Gas-/Flüssigkeitsgemisch,
zu einer Veränderung der Kanalimpedanz und somit zu einer
Veränderung des von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode
durch den Transistor fließenden Stroms. Ein solcher Feldeffekttransistor
ist zum Beispiel aus der
US 5,698,771 bekannt.
Ein Einsatz der Feldeffekttransistoren ist bei Sensorikanwendungen
bis zu 800°C möglich, wenn Halbleitermaterialien
mit einer Bandlücke von mehr als 2 eV, beispielsweise Galliumnitrid oder
Siliziumcarbid, eingesetzt werden.
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Der
Kanalstrom des Feldeffekttransistors ist im gewählten Arbeitspunkt
häufig um einige Größenordnungen (üblicherweise
103) höher als die Kanalstromänderung durch die
Beaufschlagung mit der Testspezies. Hieraus ergeben sich hohe Anforderungen
an die Strommessung. Zudem ergibt sich das Problem, dass der Offset
von äußeren Störeinflüssen beeinflusst
werden kann, dem so genannten Rauschen. Äußere
Störeinflüsse sind zum Beispiel Temperaturänderungen
oder Sensordegradation, die zu Änderungen des Kanalstroms
führen und nicht auf der Anwesenheit von Testspezies beruhen.
Aufgrund des gegebenen Signal-Offset- Verhältnisses kann
die Änderung des Kanalstroms durch Störeinflüsse
in der gleichen Größenordnung oder im ungünstigsten Fall
größer sein als die Änderung, die durch
die Anwesenheit von Testspezies erfolgt. Da diese Störeinflüsse
nicht vollständig ausgeschlossen werden können,
wird der damit verbundene Fehler des Messsignals groß und
verhindert im ungünstigsten Fall eine nutzbare Messung
der Testspezies.
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Um
Störeinflüsse und Offset zu kompensieren, ist
es zum Beispiel möglich, einen als Referenzelement wirkenden
Feldeffekttransistor zu verwenden, der gegenüber den zu
detektierenden Substanzen unempfindlich ist. Vorzugsweise ist das
Referenzelement zu dem als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor
identisch bezüglich Halbleiterstruktur, geometrischer Abmessung
und elektrischer Charakteristik. Aufgrund der gleichen elektrischen
Charakteristik haben beide Feldeffekttransistoren das gleiche Nullsignal.
Bei einer geringen räumlichen Trennung der beiden Feldeffekttransistoren
besteht zudem eine gute Wärmekopplung. Dies ist zum Beispiel
bei einer Integration der Bauelemente auf einem Chip gegeben. Hierdurch
erfahren beide Feldeffekttransistoren die gleichen Störeinflüsse.
Eine Differenz im Kanalstrom des als Messsensors wirkenden Feldeffekttransistors
und des als Referenzelement wirkenden Feldeffekttransistors ist
dann im Idealfall nur noch auf Anwesenheit der zu detektierenden
Substanz zurückzuführen.
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Eine
Passivierung von Feldeffekttransistoren, um diese zu einem Referenzelement
zu machen, erfolgt nach dem Stand der Technik im Halbleiterprozess
mit Hilfe von dielektrischen Schichten. Diese werden im Allgemeinen
durch Dünnschichttechniken abgeschieden. Jedoch beeinflusst
eine solche Passivierungsschicht unter Umständen die elektrische Charakteristik
des Feldeffekttransistors. So können zum Beispiel Verspannungen
an der Grenzschicht zwischen der Passivierungsschicht und der darunter liegenden
Schicht bei piezoelektrischen Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid
zu einer Veränderung im Feldeffekttransistorkanal führen.
Zudem besitzen dielektrische Passivierungsschichten häufig
Elektronenzustände, die Ladung speichern können
und dadurch das elektrische Feld unter der Gate-Elektrode beeinflussen
können.
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Zudem
ist die Passivierung eines als Referenzelement eingesetzten Feldeffekttransistors
auf einem integrierten Chip im Halbleiterprozess sehr aufwändig.
So erlauben zum Beispiel prozesstechnische Einschränkungen
keine vollständige laterale Strukturierung der Passivierung
und zum anderen schädigen beispielsweise Prozessparameter
wie hohe Temperaturen bei der Abscheidung der Passivierung das chemisch
sensitive Gate des Messsensors. Aus diesem Grund müssen
als Referenzelement wirkende Feldeffekttransistoren und als Messsensor
wirkende Feldeffekttransistoren getrennt voneinander prozessiert
werden. Dies kann jedoch unter Umständen zu nicht mehr
identischen Feldeffekttransistoren führen, die gegebenenfalls
eine unterschiedliche elektrische Charakteristik aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Passivierung eines
Halbleiterbauelements mit zumindest einer chemosensitiven Elektrode
wird zumindest die chemosensitive Elektrode durch Aufbringen einer Glas-
oder Glaskeramikschicht verblindet. Die Glas- oder Glaskeramikschicht
kann amorph, teilkristallin oder kristallin vorliegen.
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Durch
das Aufbringen der Glas- oder Glaskeramikschicht wird die chemosensitive
Elektrode des Halbleiterbauelements unempfindlich gegenüber
zu detektierenden Substanzen und verhindert so, dass im Fluidstrom
anwesende Substanzen mit der chemosensitiven Elektrode des Halbleiterbauelements wechselwirken.
Derartige Halbleiterbaulelemente werden insbesondere als Referenzelemente
zur Eliminierung von Störeinflüssen in Vorrichtungen
zur Detektierung von Substanzen in einem Fluidstrom eingesetzt.
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Vorteil
des Aufbringens einer Glas- oder Glaskeramikschicht auf die chemosensitive
Elektrode ist, dass das als Referenzelement wirkende Halbleiterbauelement
einen identischen Aufbau hinsichtlich der Halbleiterstruktur, den
geometrischen Abmessungen, dem Aufbau des Gate-Stapels sowie der
elektrischen Charakteristik aufweisen kann wie das als Messsensor
eingesetzte Halbleiterbauelement. Durch den identischen Aufbau sind
Differenzen im Kanalstrom des als Messsensor wirkenden Halbleiterbauelements
und des als Referenzelement wirkenden Halbleiterbauelements nur
noch auf Anwesenheit von zu detektierenden Sub stanzen zurückzuführen.
In diesem Fall erfolgt eine Messung nicht anhand einer Stromänderung
eines einzelnen Halbleiterbauelements sondern anhand der Differenz
des Kanalstroms zwischen dem als Messsensor wirkenden Halbleiterbauelement
und dem als Referenzelement wirkenden Halbleiterbauelement.
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Das
Aufbringen der Glas- oder Glaskeramikschicht auf zumindest die chemosensitive
Elektrode des Halbleiterbauelementes, um diese zu verblinden, das
heißt um die chemosensitive Elektrode unempfindlich gegenüber
dem Einfluss von Substanzen in einem Fluidstrom zu machen, erfolgt
zum Beispiel durch Auftragen einer in einem Lösungsmittel
dispergiertes Glaspulver enthaltenden Suspension auf die chemosensitive
Elektrode. Anschließend wird das Lösungsmittel
verdampft und das Glaspulver aufgeschmolzen. Weitere, gegebenenfalls
in der Suspension enthaltene organische Bestandteile, die nicht
verdampfen, werden durch die zum Aufschmelzen des Glases erforderlichen
hohen Temperaturen verbrannt. Auf diese Weise verbleibt ein Glasfilm
auf der chemosensitiven Elektrode des Halbleiterbauelementes, die
frei von organischen Einschlüssen ist. Vorzugsweise enthält
das Glaspulver ein Glas, das bei einer Temperatur im Bereich von
400 bis 800°C aufschmilzt. Die Schmelztemperatur liegt
dabei jedoch oberhalb der späteren Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements,
um zu vermeiden, dass im Betrieb des Halbleiterbauelements die Glasschicht wieder
aufschmilzt. Die Erweichungstemperatur des Glases ist bevorzugt
mehr als 50°C höher als die Betriebstemperatur
des Halbleiterbauelements. Um die Materialien des Halbleiterbauelementes
bzw. das Halbleiterbauelement beim Aufschmelzen des Glases nicht
zu schädigen, ist es jedoch bevorzugt, ein Glas mit einer
möglichst niedrigen Schmelztemperatur zu wählen.
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Das
Aufschmelzen des Glases erfolgt vorzugsweise bei einer Heizrate
von bis zu 100 K/s, einer Haltezeit im Bereich von 0 bis 60 min
und einer Abkühlrate von bis zu 50 K/s.
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Das
Glas- oder Glaskeramikpulver, das zum Ausbilden der Glas- oder Glaskeramikschicht
eingesetzt wird, ist entweder Alkali-frei oder Alkalihaltig. Ein
vorteilhaftes Alkali-freies Glaspulver ist zum Beispiel ein Silicat-Glaspulver,
das Bismut, Zink, Bor oder Kombinationen dieser Materialien enthält,
zum Beispiel Bismut-Bor-Zink-Silicat-Glaspulver. Vorteil eines Bismut-Bor-Zink-Silicat-Glaspulvers
ist, dass dieses bereits bei Temperaturen von ca. 600°C schmilzt.
Alternativ können Alkali- und/oder Erdalkali-haltige Glas-
oder Glaskeramikpulver verwendet werden, beispielsweise Alkali-Erdalkali-Bor-Silicat-Glaspulver.
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Im
Allgemeinen enthalten Gläser, die bei niedrigen Temperaturen,
das heißt bei Temperaturen um ca. 600°C schmelzen,
fast immer sehr hohe Anteile an Bleioxid oder Bismutoxid. Durch
den hohen Anteil an Bleioxid oder Bismutoxid sind die Gläser
im Allgemeinen leichter reduzierbar als hochschmelzende Siliziumoxid-reiche
Gläser. Die Reduktion des Glases erfolgt zum Beispiel in
Gegenwart von Kohlenmonoxid oder bei einer Reaktion mit der Oberfläche
des Halbleiterchips. Da die Reduktion zu einer Schädigung
der Glasschicht führt, werden vorzugsweise Gläser
eingesetzt, die nur einen geringen Bestandteil an Bleioxid oder
Bismutoxid enthalten.
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Es
sind auch Alkali-Erdalkali-Bor-Silicat-Gläser erhältlich,
die bei niedrigen Temperaturen schmelzen, jedoch weisen diese im
Allgemeinen hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Alkali-Erdalkali-Bor-Silicat-Glaspulvers liegt im Allgemeinen
oberhalb dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des für das
Halbleiterbauelement eingesetzten Siliziumcarbids als Halbleitermaterial.
Eine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten kann jedoch
zum Beispiel durch Zugabe eines Additivs mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Alkali-Erdalkali-Bor-Silicat-Glases, erfolgen. Geeignete Additive sind
zum Beispiel Cordierit oder Lithium-Aluminium-Silicat-Glaskeramik.
Durch diese Additive wird beim Aufschmelzen und anschließenden
Erstarren ein Glas-Keramik-Komposit gebildet.
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Damit
das Glas auch bei einer Abweichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Halbleitermaterial und Glas keine Risse ausbildet, ist es bevorzugt
das Glas mit einer geringen Schichtdicke auszubilden. Jedoch muss
die Schichtdicke groß genug sein, damit das Glas dicht
ist gegenüber dem Fluidstrom. Die Schichtdicke liegt daher
vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 100 μm, bevorzugt im
Bereich von 1 bis 50 μm.
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Das
Lösungsmittel, in dem das Glaspulver dispergiert ist, ist
zum Beispiel ein Ester oder Alkohol-Keton.
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Neben
dem Lösungsmittel kann die Suspension auch zum Beispiel
ein Bindemittel enthalten. Geeignete Bindemittel sind zum Beispiel
Polymethacrylat oder Cellulosenitrat.
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Durch
den Einsatz des Bindemittels wird eine höhere Viskosität
der Suspension erzielt. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich,
dass die Suspension in Form einer Paste vorliegt. Hierdurch wird
vermieden, dass die Suspension nach dem Auftragen auf das Halbleiterbauelement
verläuft und so eine undefinierte Form einnimmt und gegebenenfalls
auch Bereiche auf dem Halbleiterbauelement abdeckt, die nicht von
der Glasschicht bedeckt werden sollten.
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Das
Aufbringen der Suspension kann durch jedes beliebige geeignete Druckverfahren,
durch Dispensen oder durch Pico-Deposition-Methoden erfolgen. Geeignete
Methoden zum Aufbringen der Suspension sind zum Beispiel Siebdruck
oder Auftropfen.
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Erfindungsgemäß ist
die chemosensitive Elektrode, die durch das Aufbringen der Glasschicht verblindet
wird, vorzugsweise eine Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors
oder einer Diode.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Detektierung mindestens
einer in einem Fluidstrom enthaltenen Substanz, die mindestens ein Halbleiterbauelement
als Messsensor sowie mindestens ein als Referenzelement wirkendes
Halbleiterbauelement umfasst, wobei die Halbleiterbauelemente jeweils
eine chemosensitive Elektrode aufweisen. Die chemosensitive Elektrode
des als Referenzelement wirkenden Halbleiterbauelements ist passiviert.
Zur Passivierung ist zumindest auf die chemosensitive Elektrode
des als Referenzelement wirkenden Halbleiterbauelements eine Glasschicht
aufgebracht.
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Durch
die Glasschicht wird, wie vorstehend bereits beschrieben, vermieden,
dass Bestandteile eines Fluids mit dem Halbleiterbauelement wechselwirken
und so zu einem Messsignal führen. Das als Referenzelement
wirkende Halbleiterbauelement wird dazu eingesetzt, dass Störeinflüsse,
die auf die Vorrichtung zur Detektierung wirken, eliminiert werden
können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind das als Referenzelement
wirkende Halbleiterbauelement und das als Messsensor wirkende Halbleiterbauelement
als integrierte Bauelemente auf einem Chip ausgebildet. Besonders
bevorzugt weisen das als Referenzelement wirkende Halbleiterbauelement und
das als Messsensor wirkende Halbleiterbauelement einen übereinstimmenden
Aufbau auf. Durch den übereinstimmenden Aufbau, insbesondere
hinsichtlich der Halbleiterstruktur, den geometrischen Abmessungen,
dem Aufbau des Gate-Stapels sowie der elektrischen Charakteristik
reagieren sowohl das als Messsensor wirkende Halbleiterbauelement
als auch das als Referenzsensor wirkende Halbleiterbauelement gleich
auf Umgebungseinflüsse, zum Beispiel Schwankungen in der
Temperatur. Durch Differenzbildung der Signale des als Messsensor
wirkenden Halbleiterbauelements und des als Referenzelement wirkenden
Halbleiterbauelementes lassen sich diese Störeinflüsse
eliminieren.
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Neben
einem übereinstimmenden Aufbau von als Referenzelement
wirkendem Halbleiterbauelement und als Messsensor wirkenden Halbleiterbauelement
ist es alternativ jedoch auch möglich, zum Beispiel nur
die als Messsensor wirkenden Halbleiterbauelemente zu funktionalisieren,
jedoch den Halbleiterbauelementen, die als Referenzelemente wirken,
bereits im Halbleiterprozess eine abweichende Metallisierung der
Gate-Elektrode aufzubringen.
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Insbesondere
bei einem im Wesentlichen gleichen Aufbau von als Messsensor wirkendem Halbleiterbauelement
und als Referenzelement wirkendem Halbleiterbauelement ist es möglich,
zunächst beide Halbleiterbauelemente herzustellen und erst
nach der Fertigstellung der Halbleiterbauelemente die chemosensitive
Elektrode des als Referenzelement dienenden Halbleiterbauelementes durch
Aufbringen der erfindungsgemäßen Glassicht zu
passivieren. Zur Passivierung ist es erforderlich, dass die Glasschicht
zumindest die chemosensitive Elektrode des als Referenzelement dienenden
Bauelementes gasdicht bedeckt. Es kann jedoch auch eine größere
Fläche als die Fläche der chemosensitiven Elektrode
bedeckt werden. So ist es zum Beispiel möglich, das gesamte
als Referenzelement wirkende Halbleiterbauelement oder sogar mehr
als das als Referenzelement wirkende Halbleiterbauelement durch
die Glasschicht abzudecken. Wenn sowohl das als Messsensor wirkende
Halbleiterbauelement als auch das als Referenzelement wirkende Halbleiterbauelement
auf einem gemeinsamen Chip prozessiert sind, so ist lediglich darauf
zu achten, dass die chemosensitive Elekt rode des als Messsensor
wirkenden Halbleiterbauelementes nicht durch die Glasschicht überdeckt
wird.
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Das
als Messsensor eingesetzte Halbleiterbauelement bzw. das als Referenzelement
wirkende Halbleiterbauelement ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor
oder ein Diode. Im Falle von zu detektierenden Gasen handelt es
sich hierbei um einen gassensitiven Feldeffekttransistor bzw. eine
gassensitive Diode.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnittes
durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Halbleiterbauelement.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der einzigen Figur ist schematisch ein Schnitt durch ein nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbleiterelement
dargestellt.
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Ein
Halbleiterbauelement 1 umfasst im Allgemeinen ein Substrat 3 aus
einem Halbleitermaterial. Als Halbleitermaterialien eignen sich
prinzipiell alle Halbleitermaterialien mit einer Bandlücke
von mehr als 2 eV. Geeignete Halbleitermaterialien sind zum Beispiel
Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Weitere geeignete Halbleitermaterialien
sind beispielsweise ZnO oder Diamant.
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Wenn
das Halbleiterbauelement ein Feldeffekttransistor ist, so umfasst
dieser zumindest eine Source-Elektrode 5 und eine Drain-Elektrode 7.
Im Allgemeinen sind die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 7 vom
Halbleitermaterial 3 umschlossen und weisen eine freie
Oberfläche 9 auf. Alternativ ist es jedoch auch
möglich, dass die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 7 beispielsweise
auf das Halbleitermaterial 3 aufgetragen sind.
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Als
Material für die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 7 eignen
sich zum Beispiel Platin, Titan, Tantal, Silicide oder Carbide.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform bilden die freien
Oberflächen 9 der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode 7 sowie
die Oberfläche des Substrates 3 eine ebene Oberfläche.
Auf diese Oberfläche ist ein Dielektrikum 11 aufgebracht.
Das Dielektrikum 11 überdeckt teilweise die Source-Elektrode 5 und
die Drain-Elektrode 7 sowie das zwischen der Source-Elektrode
und der Drain-Elektrode 7 liegende Substrat 3.
Als Material für das Dielektrikum 11 eignen sich
zum Beispiel Oxide wie SiO2, Al2O3, ZrO2, Nitride wie Si3N4 oder
Carbide wie SiC.
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Auf
das Dielektrikum 11 ist eine elektrisch leitfähige
Schicht 13 aufgebracht. Die elektrisch leitfähige
Schicht 13 ist zum Beispiel bei einem Feldeffekttransistor
eine Gate-Elektrode 17.
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Neben
dem hier dargestellten zweischichtigen Aufbau aus Dielektrikum 11 und
elektrischleitfähiger Schicht 13 ist auch ein
Aufbau aus mehr als zwei Schichten möglich. So können
zum Beispiel eine weitere Schicht aus einem Dielektrikum und eine weitere
elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht sein. Weiterhin
ist es auch möglich, zum Beispiel eine poröse
Schicht aufzubringen, die katalytisch aktiv ist und an der eine
chemische Reaktion erfolgen kann. Alternativ ist es auch möglich,
dass die elektrisch leitfähige Schicht 13 beispielsweise
porös ausgebildet ist. Zudem kann die elektrisch leitfähige
Schicht 13 auch katalytisch aktives Material enthalten,
an dem eine chemische Reaktion stattfinden kann. Eine solche chemische
Reaktion führt zu einer Änderung der Gate-Spannung,
wodurch die Anwesenheit einer zu detektierenden Substanz bestimmt
werden kann.
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Das
als Referenzelement eingesetzte Halbleiterbauelement 1 kann
zusätzlich eine Passivierungsschicht auf der als Gate-Elektrode 17 dienenden
elektrisch leitfähigen Schicht 13 umfassen. Die Passivierungsschicht
kann beispielsweise mehrere Materialschichten aufweisen. Im Allgemeinen
wird jedoch keine zusätzliche Passivierungsschicht auf
die elektrisch leitfähige Schicht 13 aufgebracht.
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Das
Aufbringen des Dielektrikums 11, des elektrisch leitfähigen
Materials 13 und gegebenenfalls weiterer Schichten kann
durch ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes und in der Halbleitertechnologie
etabliertes Verfahren erfolgen. Geeignete Verfahren sind zum Beispiel
CVD-Verfahren oder andere mikrostruktu rierbare Dünnschichtverfahren
wie Aufdampfen oder Aufsputtern. Gegebenenfalls können
der Abscheidung Temperschritte angefügt werden, die ein
Dichtsintern der Schichten 11, 13 unterstützen.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, zum Beispiel eine
nasschemische Abscheidung des Materials für das Dielektrikum 11,
die elektrisch leitfähige Schicht 13 und gegebenenfalls
weitere Schichten vorzusehen. An die nasschemische Abscheidung kann
sich eine Temperaturbehandlung anschließen. Die erhöhte
Temperatur der Temperaturbehandlung bewirkt zum einen das Verdampfen
der flüchtigen Lösungsmittel und zum anderen ein
Dichtsintern des deponierten Materials der Schichten 11, 13.
Alternativ ist es jedoch zum Beispiel auch möglich, das
Dielektrikum 11 und die elektrisch leitfähige
Schicht 13 beispielsweise durch ein strukturierendes Dickschichtverfahren
wie Aufdrucken mit einer Paste und gegebenenfalls einem nachfolgenden
Temperschritt aufzubringen.
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Erfindungsgemäß erfolgt
eine Passivierung der durch das Dielektrikum 11 und die
elektrisch leitfähige Schicht 13 gebildeten Gate-Elektrode 17 durch
Aufbringen einer Glas- oder Glaskeramikschicht 15. Das
Glas der Glasschicht 15 ist im Allgemeinen undurchlässig
gegen Flüssigkeiten oder Gase, so dass diese nicht an die
elektrisch leitfähige Schicht 13 gelangen. Das
Aufbringen des Glases erfolgt im Allgemeinen durch ein dem Fachmann
bekanntes Verfahren. So kann das Glas für die Glasschicht 15 insbesondere
durch Aufbringen einer Suspension bzw. Paste eines Glaspulvers durch
geeignete Druckverfahren, Dispensen oder Pico-Deposition-Methoden
erfolgen. Die aufgebrachte Paste bzw. Suspension des Glaspulvers
wird erwärmt, so dass das darin enthaltene Lösungsmittel
verdampft. Anschließend wird die Paste bzw. Suspension
durch Aufheizen mit einer geeigneten Heizrate und Haltezeiten bei
geeigneten Temperaturen aufgeschmolzen und die zur Dispergierung
des in der Suspension enthaltenen Glaspulvers verwendeten organischen
Bestandteile werden verbrannt. So ist es zum Beispiel möglich,
für die Passivierung eine Paste aus einem organischen Lösungsmittel,
Polymethacrylat und Cellulosenitratbinder und einem Bismut-Bor-Zink-Silicat-Glaspulver
durch Siebdruck oder Auftropfen aufzubringen. Anschließend
wird die Paste mit einer Heizrate von bis zu 100 K/s, bevorzugt
von bis zu 50 K/s und einer Haltezeit im Bereich von 0 bis 60 min, bevorzugt
von 5 bis 15 min bei einer Temperatur von 600°C und einem
anschließenden Abkühlen mit einer Kühlrate
von bis zu 50 K/s aufgeschmolzen. Es bildet sich eine Glasschicht 15 aus,
die gasdicht und um Wesentlichen frei von organischen Rückständen
ist. Die Tem peratur von 600°C ist dabei ausreichend, die organischen
Bestandteile, die durch den Polymethacrylatbinder und den Cellulosenitratbinder
in der Suspension enthalten sind, zu verbrennen.
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Bei
der Auswahl eines geeigneten Glases für die Glasschicht 15 ist
darauf zu achten, dass dieses eine ausreichend hohe Schmelztemperatur
aufweist. So ist es bevorzugt, dass die Schmelztemperatur des Glases
mindestens 50°C höher liegt als die Temperatur
für den geplanten Einsatz des Halbleiterbauelements 1.
Andererseits ist jedoch auch darauf zu achten, dass die Temperatur,
bei der das Glas für die Glasschicht 15 schmilzt,
nicht zu hoch ist, um eine Degradation des Halbleiterbauelementes 1 während des
Aufschmelzens des Glases für die Glasschicht 15 zu
verhindern.
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Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement 1 mit
der Glasschicht 15 eignet sich insbesondere als Referenzelement
zur Detektion von Gasen in einem Gasstrom. Jedoch können
alternativ zum Beispiel auch Flüssigkeiten in einem Flüssigkeitsstrom
oder in einem Flüssigkeitsstrom gelöste Gase detektiert
werden. Zur Detektion ist hierbei zusätzlich ein als Messsensor
dienendes Halbleiterbauelement 1 erforderlich. Im Allgemeinen
werden als Halbleiterbauelemente 1 Feldeffekttransistoren
oder Dioden eingesetzt.
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Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau mit der Glas- oder
Glaskeramikschicht 15 für das als Referenzelement
dienende Halbleiterbauelement 1 ist es möglich,
im Wesentlichen gleich aufgebaute Halbleiterbauelemente 1 als
Messsensor und als Referenzelement zu verbinden. Zur Herstellung
werden vorteilhafterweise auf einem Substrat 3 gleichzeitig die
einzelnen Schichten für das als Messsensor dienende Halbleiterbauelement
und das als Referenzelement dienende Halbleiterbauelement aufgebracht. Hierdurch
lassen sich im Wesentlichen gleiche Schichten hinsichtlich ihrer
Schichtdicke und ihres Aufbaues und ihrer Struktur erzielen. Erst
im Anschluss an die Prozessierung des Halbleiterbauelementes 1,
das heißt wenn dieses vollständig aufgebaut ist,
wird der Gate-Bereich des als Referenzelement dienenden Halbleiterbauelementes 1,
zumindest das Dielektrikum 11 und die elektrisch leitfähige Schicht 13 durch
die Glasschicht 15 abgedeckt. Es ist jedoch auch möglich,
auch die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 7 des
als Referenzelement dienenden Halbleiterbauelementes durch die Glasschicht 15 mit
vollständig abzudecken. Auch kann ein noch größerer
Bereich des Substrats 3 durch die Glasschicht 15 abgedeckt
werden. Lediglich die elektrisch leitfähige Schicht der
Gate-Elektrode 17 des als Messsensor dienenden Halbleiterbauelementes darf
von der Glasschicht 15 nicht abgedeckt werden.
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Alternativ
zum gleichen Aufbau des als Messsensor dienenden Halbleiterbauelements 1 und des
als Referenzelements dienenden Halbleiterbauelements 1 ist
es auch möglich, bei dem als Referenzelement dienenden
Halbleiterbauelement 1 andere Materialien für
die Gate-Elektrode 17 zu verwenden als für die
Gate-Elektrode 17 des als Messsensor dienenden Halbleiterbauelements.
Bevorzugt ist der Aufbau jedoch identisch, damit Störsignale
jeweils zum gleichen Signal sowohl beim Messsensor dienenden Halbleiterbauelement
als auch beim als Referenzelement dienenden Halbleiterbauelement 1 führen.
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Die
gleichzeitige Herstellung von identischen Halbleiterbauelementen
auf einem Chip, von denen lediglich einige, die als Referenzelemente
dienen, mit der Glasschicht 15 versehen werden, hat weiterhin den
Vorteil, dass diese durch Einsparen von zahlreichen Prozessschritten
schneller und kostengünstiger gefertigt werden können.
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Neben
dem in der Figur dargestellten Feldeffekttransistor als Halbleiterbauelement 1 kann
das Halbleiterbauelement 1, das mit der Glasschicht 15 passiviert
wird, auch jedes beliebige andere Halbleiterbauelement sein, das
eine chemosensitive Elektrode aufweist und zum Detektieren von Gasen
dient. So kann zum Beispiel auch eine chemosensitive Elektrode einer
Diode mit der Glasschicht versehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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