DE102014017194B4 - Halbleiter-Gassensor - Google Patents

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Abstract

Halbleiter-Gassensor (10) mit einem monolithisch in einen Halbleiterkörper (20) integrierten MOS-Transistor und einer an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (20) ausgebildeten Passivierungsschicht (30), und einer oberhalb der Passivierungsschicht (30) ausgebildeten Steuerelektrode, wobei die Steuerelektrode als eine erste Platte (40) eines Kondensators ausgebildet ist, und der MOS-Transistor (25) einen Kanalbereich und eine unmittelbar oberhalb des Kanalbereichs ausgebildete Gate Elektrode (50) aufweist, wobei die Gate Elektrode (50) über Via-Verbindungen (65) mit einer zweiten Platte (60) des Kondensators verschaltet ist, um durch die kapazitive Verkopplung der Platten (40, 60) den Kanalbereich (45) mittels der Steuerelektrode zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (60) mit der Gate Elektrode (50) eine elektrische Verbindung aufweist und zusätzlich zu den Via-Verbindungen (65) ein Teil (70) der elektrischen Verbindung oberhalb der Passivierungsschicht (30) ausgebildet ist, um eine Schädigung des MOS-Transistors (25) während des Herstellungsprozesses zu verringern.

Description

  • Halbleiter-Gassensoren sind aus der DE 43 338 75 C2 , der DE 10 2012 022 136 B4 , der EP 21 057 34 A1 , der DE 10 2011 118 930 A1 , der DE 101 61 213 A1 sowie aus „The capacitively controlled field effect transistor (CCFET) as a new low power gas sensor“ von Gergintschew et al., Sensors and Actuators B 35-36 (1996) 285-289 bekannt. Zwischen der Steuerelektrode, welche oberhalb der Passivierungsschicht ausgebildet ist, und dem Gate des MOS-Transistors ist eine kapazitive Kopplung ausgebildet. Hierzu ist das Gate mit einer weiteren Metallplatte verschaltet, welche im Allgemeinen floatend ausgebildet ist. Mittels der kapazitiven Kopplung wird bei einer Änderung der Austrittsarbeit die Spannung an dem Gate verändert und der Kanal des MOS-Transistors angesteuert.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
  • Die Aufgabe wird durch einen Halbleiter-Gassensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Halbleiter-Gassensor bereitgestellt, mit einem monolithisch in einen Halbleiterkörper integrierten MOS-Transistor und einer an der Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildeten Passivierungsschicht und einer oberhalb der Passivierungsschicht ausgebildeten Steuerelektrode, wobei die Steuerelektrode als eine erste Platte eines Kondensators ausgebildet ist, und der MOS-Transistor einen Kanalbereich und einer unmittelbar oberhalb des Kanalbereichs ausgebildete Gate Elektrode aufweist, wobei die Gateelektrode mit einer zweite Platte des Kondensators verschaltet ist, um durch die kapazitive Verkopplung der Platten den Kanalbereich mittels der Steuerelektrode zu steuern, wobei die zweite Platte mit der Gate Elektrode eine elektrische Verbindung aufweist und ein Teil der elektrischen Verbindung oberhalb der Passivierungsschicht ausgebildet ist, um eine Schädigung des MOS-Transistors während des Herstellungsprozesses zu verringern. Bevorzugt ist weiterhin, die Steuerelektrode mit einer Schutzstruktur zu verschalten und insbesondere die Verschaltung mittels des oberhalb der Passivierungsschicht ausgebildeten Teils der elektrischen Verbindung zu bewirken. Es sei angemerkt, dass eine Verschaltung mit einer Schutzstruktur die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Gassensoren erhöht und eine Zerstörung mittels einer statischen Aufladung verhindert wird.
  • Es versteht sich, dass zwischen den beiden Platten insbesondere parallel zueinander angeordnet und durch einen Luftspalt beabstandet sind. Im Allgemeinen ist je nach Aufbau ein SGFET oder ein CCFET ausgebildet.
  • Um eine ausreichende Sensitivität zu erreichen, ist es erforderlich, dass die beiden Platten jeweils eine Fläche größer als ein sogenanntes Pad aufweisen. Vorzugsweise ist die Fläche der Platten größer als 0,5 mm2, höchst vorzugsweise größer als 1,5 mm2.
  • Ein Vorteil ist, dass bei der Herstellung, insbesondere bei den Plasmaätzschritten die zweite Platte nicht mehr als sehr große Antenne für die wesentliche kleinere Gate Elektrode wirkt. Hierdurch lassen sich Schädigungen des MOS-Transistors reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Ausbeute und Lebensdauer bei der Herstellung der Gas Sensoren wesentlich erhöht.
  • In einer Weiterbildung umfasst der Teil der elektrischen Verbindung eine Leiterbahn und / oder einen Bonddraht und / oder einen elektrisch leitfähigen Kleber. Ein Beispiel für einen derartigen Kleber ist Leitsilber.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Passivierungsschicht Öffnungen für wenigstens eine metallische Kontaktfläche, wobei die Kontaktfläche ein Teil der elektrischen Verbindung ist. Insbesondere ist der Rand der Kontaktfläche an der Oberseite von der Passivierungsschicht umlaufend bedeckt. Bevorzugt umfasst die Passivierungsschicht eine Siliziumnitridschicht.
  • In einer anderen Weiterbildung ist die zweite Platte seitlich neben der Gate Elektrode angeordnet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
    • 1 eine Querschnittsansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform,
    • 2 eine Querschnittsansicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform.
  • Die Abbildung der 1 zeigt eine Querschnittsansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, aufweisend einen Halbleiter-Gassensor 10 mit einem monolithisch in einen Halbleiterkörper 20 integrierten MOS-Transistor 25 und einer an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 ausgebildeten Passivierungsschicht 30. Auch umfasst der Halbleiter-Gassensor 10 eine oberhalb der Passivierungsschicht 30 auf einem Träger 33 ausgebildete Steuerelektrode, wobei die Steuerelektrode als eine erste Platte 40 eines Kondensators ausgebildet ist.
  • Die Passivierungsschicht 30 ist als eine Siliziumnitridschicht ausgebildet. Der MOS-Transistor 25 weist einen Kanalbereich 45 und einer unmittelbar oberhalb des Kanalbereichs 45 ausgebildeten Gate Elektrode 50 auf, wobei die Gate Elektrode 50 mit einer zweiten Platte 60 des Kondensators verschaltet ist, um durch die kapazitive Verkopplung der Platten 40 und 60 den Kanalbereich 45 mittels der Steuerelektrode zu steuern.
  • Die zweite Platte 60 ist seitlich neben der Gate Elektrode 50 angeordnet. Eine derartige Anordnung wird als CCFET bezeichnet. Zwischen der ersten Platte 40 und der zweiten Platte 60 ist ein Luftraum 62 ausgebildet. Optional ist die zweite Platte 60 mit einer dielektrischen Schicht 64 - gestrichelt eingezeichnet- abgedeckt.
  • Die zweite Platte 60 ist mit der Gate Elektrode 50 über Via-Verbindungen 65 elektrisch verschaltet, wobei ein Teil 70 der elektrischen Verbindung oberhalb der Passivierungsschicht 30 ausgebildet ist. Die Passivierungsschicht 30 weist Öffnungen für eine metallische Kontaktfläche 80 auf, wobei Rand der Kontaktfläche 80 an der Oberseite von der Passivierungsschicht 30 umlaufend bedeckt ist. Die Kontaktfläche 80 gehört vorliegend zu der elektrischen Verbindung. Der oberhalb der Passivierung ausgebildete Teil 70 der elektrischen Verbindung ist als Bonddraht ausgebildet.
  • Vorliegend ist eine Mehrebenenmetallisierung dargestellt, d.h. die einzelnen Metallebenen sind mittels den Via-Verbindungen 65 mit einander verschaltet. Zwischen den einzelnen Metallebenen sind dielektrische Schichten 90 ausgebildet.
  • Indem die elektrische Verbindung zwischen der Gate Elektrode 50 und der zweiten Platte 60 erst nach den Trockenätzprozessen ausgebildet werden wird die Antennenwirkung durch die große Fläche der Platte unterdrückt und eine Schädigung des MOS-Transistors 25 während des Herstellungsprozesses wesentlich verringert. Insbesondere sind die Kontaktflächen 80, wesentlich kleiner als die Fläche der zweiten Platte 60.
  • In der Abbildung der 2 zeigt eine Querschnittsansicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert. Der Teil 70 ist vorliegend als Leiterbahn ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Leiterbahn einen elektrisch leitfähigen Kleber, z. b. Leitsilber. Es versteht sich, dass auch mittels einer Maskentechnik und einer vorzugsweise Naßätzung die Leiterbahn auf der Passivierungsschicht ausbilden lässt.

Claims (6)

  1. Halbleiter-Gassensor (10) mit einem monolithisch in einen Halbleiterkörper (20) integrierten MOS-Transistor und einer an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (20) ausgebildeten Passivierungsschicht (30), und einer oberhalb der Passivierungsschicht (30) ausgebildeten Steuerelektrode, wobei die Steuerelektrode als eine erste Platte (40) eines Kondensators ausgebildet ist, und der MOS-Transistor (25) einen Kanalbereich und eine unmittelbar oberhalb des Kanalbereichs ausgebildete Gate Elektrode (50) aufweist, wobei die Gate Elektrode (50) über Via-Verbindungen (65) mit einer zweiten Platte (60) des Kondensators verschaltet ist, um durch die kapazitive Verkopplung der Platten (40, 60) den Kanalbereich (45) mittels der Steuerelektrode zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (60) mit der Gate Elektrode (50) eine elektrische Verbindung aufweist und zusätzlich zu den Via-Verbindungen (65) ein Teil (70) der elektrischen Verbindung oberhalb der Passivierungsschicht (30) ausgebildet ist, um eine Schädigung des MOS-Transistors (25) während des Herstellungsprozesses zu verringern.
  2. Halbleiter-Gassensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (70) der elektrischen Verbindung eine Leiterbahn oder einen Bonddraht umfasst.
  3. Halbleiter-Gassensor (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (30) Öffnungen für eine metallische Kontaktfläche (80) umfasst, wobei der Rand der Kontaktfläche (80) an der Oberseite von der Passivierungsschicht (30) umlaufend bedeckt ist und die Kontaktfläche (80) ein Teil (70) der elektrischen Verbindung ist.
  4. Halbleiter-Gassensor (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (60) seitlich neben der Gate Elektrode (50) angeordnet ist.
  5. Halbleiter-Gassensor (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (30) eine Siliziumnitridschicht umfasst.
  6. Halbleiter-Gassensor (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung einen elektrisch leitfähigen Kleber umfasst.
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