-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
-
Stand der Technik
-
Gassensoren finden vielfältige Anwendungen, wobei unterschiedlichste physikalische und chemische Messprinzipien ausgenutzt werden. In vielen Einsatzgebieten kommt es dabei zunehmend auf geringe Kosten, kleine Baugröße und geringe Leistungsaufnahme an, wobei hohe Ansprüche an die Robustheit der Gassensoren gestellt werden. Vor diesem Hintergrund stellen halbleiterbasierte Bauelemente, insbesondere Gassensoren, eine wichtige Alternative zu beispielsweise elektrochemischen Zellen dar.
-
Aus der Literatur sind Feldeffekttransistoren (FET) mit chemosensitiven Gatebereichen bekannt.
-
Aus der
DE 19849932 A1 ,
DE 19814857 A1 ,
WO 2005/075969 A1 ,
DE 4239319 C2 und
DE 19849932 A1 sind sogenannte Suspended Gate FET (SG-FET) bekannt. Diese betreffen Sensorkonzepte, die auf einer Gasabsorption basieren und damit verbundene Potential- bzw. beziehungsweise Austrittsarbeitsänderung im Gatebereich eines FETs. Jedoch können durch die unmittelbare räumliche Nähe von der dem Gas ausgesetzten Elektrode und dem relativ empfindlichen Feldeffekttransistor gravierende Signaldrifts auftreten. Gründe dafür können strukturelle Änderungen der verwendeten Materialien oder das Einbringen von Verunreinigungen sein. Dieses Problem umgeht man teilweise beim Suspended Gate- oder Charge Coupled-FET, indem man den zum Auslesen des Signals verwendeten FET unter einer Passivierung vergräbt und so räumlich vom Gas trennt. Allerdings wird durch einen verwendeten Luftspalt zwischen sensitiver Schicht und entsprechender Elektrode, eine sich ausbildende Kapazität eines entsprechenden Gatestapels relativ gering, wodurch die Gassignale insbesondere stark abgeschwächt werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 11.
-
Durch die hier beschriebene halbleiterbasierte Gassensoranordnung kann insbesondere eine sehr hohe Sensitivität hinsichtlich einer Gasdetektion erreicht werden. Hierzu wird eine gassensitive Struktur umfassend eine Gaselektrode, eine Elektrode und eine zwischen der Gaselektrode und der Elektrode angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht eingesetzt, wobei eine durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität mit einem Gate eines Auslesetransistors gekoppelt ist und der Auslesesensor in oder an einem Substrat angeordnet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Transducer handeln, der durch die Verwendung geeigneter Elektrodenmaterialien zur Detektion verschiedener Gase, insbesondere in sehr geringen Konzentrationen, ausgelegt werden kann.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass man mit einer in großen Stückzahlen produzierbaren halbleiterbasierten Gassensoranordnung mit hoher Sensitivität im niedrigen Konzentrationsbereich Gase in rauen Umgebungen detektieren kann. Dies wird insbesondere durch das „Vergraben“ des empfindlichen Auslesetransistors erreicht, so dass Kontaminationen und damit verbundene Signaldrifts vermieden werden. Eine besonders hohe Sensitivität wird durch das Verwenden von zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schichten, insbesondere Dünnschichten, in der gassensitiven Struktur erreicht. Diese können Permittivitäten aufweisen, die circa zwei Größenordnungen höher sind als übliche Gatematerialien aus der Halbleitertechnik wie SiO2 oder Al2O3, so dass die Gatekapazität um eben diesen Faktor zunimmt und die Auflösung steigt. Darüber hinaus kann bei geeigneter Betriebsweise die Gasabhängigkeit der Kapazität der gassensitiven Struktur selbst ausgenutzt werden. Das heißt, das Gatedielektrikum, beispielsweise die polarisierbare dielektrische Schicht, wird nicht nur als passive Isolationsschicht, durch die das angelegte Feld zum Kanalbereich hin durchgreift, sondern die sich feld- bzw. gasabhängig stark ändernde Permittivität wirkt sich zusätzlich auf den Kanalstrom aus.
-
Gegenüber dem im Stand der Technik beschriebenen Suspended Gate Konzept hat dies insbesondere den Vorteil, dass kein Luftspalt notwendig ist. Der Luftspalt hat zur Folge, dass die durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität, auch Gatekapazität bezeichnet, verringert und die Übertragung des Signals absorbierter Gasspezies verschlechtert wird. Außerdem ist während des Prozessierens keine aufwändige Flip-Chip-Montage nötig, so dass eine hohe Integrierbarkeit/Miniaturisierbarkeit des Sensors gewährleistet ist, da die Flip-Chip-Montage eine entsprechend große, „handbare“ Chipgeometrie voraussetzt, so dass eine Miniaturisierung des halbleiterbasierten Gassensors nur eingeschränkt möglich ist.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht des Weiteren, eine stabile Messung verschiedener Gase insbesondere im sehr niedrigen Konzentrationsbereich (ppt bis ppm). Die stabilen Messungen können insbesondere unter rauen Umgebungsbedingungen (–50°C bis 800°C) durchgeführt werden.
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, durch eine Kombination einer gassensitiven Struktur und einem Auslesetransistor sehr hohe Sensitivitäten zu erreichen. Die wird insbesondere durch die die gassensitive Struktur, die an das Gate des „vergrabenen“ Auslesetransistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, gekoppelt ist, realisiert. Die Besonderheit der gassensitiven Struktur ist, dass darin die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht verwendet wird. Das heißt, eine Schicht, deren Impedanz bzw. Permittivität sich in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Feldes verändert. Beispielsweise für derartige Materialien sind zum Beispiel Ferroelektrika, die in der Regel sehr hohe Permittivitäten aufweisen. Für den Einsatz bei hohen Temperaturen (vorzugsweise größer 250°C) kommen aber auch andere Dielektrika wie SiO2, Si3N4 oder AI2O3 in Frage. In diesem Fall wird der Polarisationsmechanismus dann durch mobile Ionen innerhalb der Schichten bestimmt. Die Elektrodenmaterialien werden so gewählt, dass sich in Abhängigkeit des zu detektierenden Gases eine Änderung des Potentials beziehungsweise der Austrittsarbeit einstellt. Dafür kommen Metalle (zum Beispiel Platin (Pt), Gold (Au), Silber (Ag) oder Kupfer (Cu)), leitfähige Polymere bzw. organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken in Frage. Falls das sensitive Material selbst nicht leitfähig ist, kann es mit einer porösen oder anderweitig strukturierten Elektrode kombiniert werden.
-
Die durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität wird direkt an das Gate des Auslesetransistors gekoppelt. Dies hat gegenüber anderen Ausleseverfahren den Vorteil einer sehr hohen und rauscharmen Sensitivität durch die unmittelbare Verstärkung durch den Auslesetransistor und die äußerst kurze Zuleitung zwischen der Kapazität und verstärkendem Auslesetransistor. Dabei können verschiedene Betriebsmodi mit einer nachgeschalteten Auswerteschaltung zum Einsatz kommen. Zum Beispiel kann bei konstanter Gatespannung der Source-Drain-Strom des Auslesestransistors in Abhängigkeit der angelegten Atmosphäre ausgewertet werden. Umgekehrt kann die Gatespannung derart nachgeregelt werden, dass der Source-Drain-Strom konstant bleibt. In beiden Fällen können die angelegten Spannungen auch nur gepulst angelegt werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Auslesetransistor unter einer Passivierungsschicht vergraben oder auf einer der gassensitiven Struktur abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Mit anderen Worten tritt in der hier beschriebenen halbleiterbasierten Gassensoranordnung der Auslesetransistor mit dem zu detektierenden Gas nicht in direkten Kontakt beziehungsweise die Kapazität der beschriebenen Struktur wird an das Gate eines Auslesetransistors gekoppelt, der selbst nicht dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt ist. Das heißt, der Auslesetransistor ist von dem zu detektierenden Gas isoliert. Hierdurch wird der Auslesesensor insbesondere vor Verunreinigungen geschützt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität direkt an das Gate des Auslesetransistors gekoppelt. Hierbei kann die Sensitivität eines Auslesetransistors direkt von der Kapazität an dem Gate abhängig gemacht werden und hohe Kapazitäten bzw. gasabhängige Kapazitätsänderungen detektiert werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Auslesetransistor ein Feldeffekttransistor. Dies hat den Vorteil, dass besonders kleine halbleiterbasierte Gassensoranordnungen realisierbar sind.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumdioxid (Al2O3), Hafniumoxid (HfO2), Tantaloxid (Ta2O5), Zirkonoxid (ZrO2), Nitride, wie insbesondere Siliziumnitrid (Si3N4), Bornitrid (BN), Carbide, wie insbesondere Siliziumcarbid (SiC), und Silizide, wie insbesondere Wolframsilizid (WSi2), Tantalsilizid (TaSi2) und ferroelektrische Materialien, wie beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO3), Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrxTi1-x)O3) oder Barium-Strontium-Titanat (BaxSr1-xTiO3). Insbesondere in dieser Weiterbildung kann eine effektive elektrisch isolierende beziehungsweise polarisierbare dielektrische Schicht ausgebildet werden oder sein, welche ferner dazu geeignet ist, zumindest lokal begrenzt polarisierbar zu sein. Die vorgenannten Substanzen sind insbesondere ausreichend inert, so dass polarisierbare Spezies in diese einbringbar sind und ferner auch unter den Betriebsbedingungen der gassensitiven Struktur ohne signifikante Wechselwirkungen nebeneinander vorliegen können. Somit bilden die Gaselektrode, die Elektrode und die zwischen der Gaselektrode und der Elektrode angeordnete zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht eine Kapazitätsstruktur aus, welche als Basis für die erfindungsgemäße halbleiterbasierte Gassensoranordnung dienen kann.
-
Weiterhin kann die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht lokal polarisierbar sein. Das kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die gesamte polarisierbare dielektrische Schicht polarisierbar ist, oder dass die polarisierbare dielektrische Schicht auch nur lokal begrenzt polarisierbar ist und etwa parallel ausgerichtete beziehungsweise ausrichtbare Dipole aufweisen kann, bzw. dass in der Schicht zumindest räumlich begrenzt ein gewisses Maß an Polarität erzeugbar sein kann. Unter einer Polarisierbarkeit kann dabei grundsätzlich das Ausrichten elektrischer Ladungen beziehungsweise Dipole für eine Polarisierbarkeit auf atomarer bzw. molekularer Ebene verstanden werden. Dies führt zu einer spannungsabhängigen Permittivität der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Gaselektrode und die Elektrode Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Rhodium (Rh), Rhenium (Re), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Kupfer (Cu) oder Legierungen aufweisend ein oder mehrere der vorgenannten Komponenten oder leitfähige Polymere und/oder organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken. Dabei kann die Gaselektrode beziehungsweise die Elektrode vollständig aus einem oder mehreren der vorgenannten Substanzen hergestellt sein oder derartige Substanzen nur teilweise aufweisen, etwa in Form von in einer Elektrodenstruktur angeordneten Partikeln.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Gaselektrode und die Elektrode mit porösen und/oder strukturierten weiteren Elektroden kombinierbar. Des Weiteren kommen leitfähige Polymere und/oder organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken in Frage. Hierbei hat die Kombination den Vorteil, dass insbesondere Materialkosten eingespart werden können, falls das sensitive bzw. leitfähige Material selbst nicht leitfähig ist. Das heißt, dass nicht die gesamte Gaselektrode und/oder Elektrode ein kostenintensives Material aufweisen muss.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die gassensitive Struktur auf einer Membran mit oder ohne integrierten Heizer angeordnet. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine schnelle Ansprechzeit und/oder geringe Leistungsaufnahme gewährleistet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Elektrode eine Interdigitalstruktur auf. Die Interdigitalstruktur kann das Prozessieren vereinfachen und macht ein Aufbringen einer nicht-leitfähigen, gassensitiven Gaselektrode, auf die dem Gas zugewandte freie Seite des Dielektrikums, also der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht, möglich.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die halbleiterbasierte Gassensoranordnung in einem Gatespannungsbereich derart betreibbar, dass Dipole in der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht beweglich sind, das heißt sich eine Permittivität durch absorbierte Gase verändern kann. Um diese Änderung dann auslesen zu können, muss neben einem DC-Bias ein zum Beispiel sinusförmig modulierter Spannungsanteil an das Gate angelegt werden. Dieser kann eine konstante oder variable Frequenz haben. Um den hier beschriebenen Fall beweglicher Dipole zu erreichen, kann insbesondere das statische elektrische Feld in der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht verschwinden, das heißt man arbeitet unter Umständen mit sehr geringen Gatespannungen. In diesem Fall kann dann die Verwendung von so genannten normally-on-Transistor-Architekturen von Vorteil sein, damit auch bei diesen Gatespannungen schon hinreichend große Kanalströme realisierbar sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In 1 bezeichnet Bezugszeichen H1 eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases. Die halbleiterbasierte Gassensoranordnung H1 weist eine gassensitive Struktur S1 umfassend eine Gaselektrode E1, eine Elektrode E2 und eine zwischen der Gaselektrode E1 und der Elektrode E2 angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht D1 auf. Die gassensitive Struktur S1 ist dazu geeignet, im Betrieb eine Kapazität auszubilden. Diese Kapazität der gassensitiven Struktur S1 ist mit einem Gate G1 eines Auslesesensors A1 gekoppelt und der Auslesesensor A1 befindet sich in einem Substrat T1.
-
Wie in der 1 gezeigt, ist im Gegensatz zum Suspended Gate-Konzept kein Luftspalt notwendig, der die Gatekapazität verringert und die Übertragung des Signals aus der gassensitiven Struktur verschlechtert. Wie in der 1 gezeigt, steht die gassensitive Struktur S1 mit dem Substrat T1 in direktem Kontakt, wobei die Elektrode E2 mit dem Substrat T1 in direktem Kontakt steht. Alternativ kann der Auslesetransistor A1 auch in einer Passivierungsschicht P1 vergraben sein.
-
In der 1 ist die durch die gassensitive Struktur S1 gebildete Kapazität direkt an das Gate G1 des Auslesetransistors A1 gekoppelt.
-
2 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Die 2 zeigt die halbleiterbasierte Gassensoranordnung H1 der 1 mit dem Unterschied, dass die gassensitive Struktur S1 der 1 auf einer Membran M1 mit einem integrierten Heizer M2 angeordnet ist. Ferner ist, wie in der 2 gezeigt, in dem Substrat T1 beziehungsweise der Passivierungsschicht P1 im Bereich der gassensitiven Struktur eine Ausnehmung ausgebildet. Die Ausnehmung befindet sich hierbei unterhalb der gassensitiven Struktur S1 und ist in dem Substrat P1 beziehungsweise der Passivierungsschicht P1 ausgebildet. Die Ausnehmung dient vorteilhafter Weise dazu, dass ein Aufheizen der Membran durch das integrierte Heizelement aufgrund einer möglichst geringen thermischen Masse besonderes schnell erfolgt, da eine durch das Heizelement erzeugte Wärme nicht zusätzlich in oder an das Substrat abgegeben werden muss. Ferner ist die Ausnehmung derart ausgebildet, dass die im Betrieb erzeugte Wärme durch den integrierten Heizer M2 der Membran M1 schnell nach außen abgeführt werden kann, und auch ein schnelles Abkühlen nach Beendigung des Betriebs möglich ist.
-
In der 2 ist die durch die gassensitive Struktur S1 gebildete Kapazität mit dem Gate G1 des Auslesetransistors A1 gekoppelt, wobei der Auslesetransistor A1 sich vollständig in dem Substrat befindet und seitlich zu der Ausnehmung in dem Substrat T1 beziehungsweise in der Passivierungsschicht P1 angeordnet ist.
-
Wie in der 1 ist im Ausführungsbeispiel der 2 ist wie bereits oben beschrieben kein Luftspalt ausgebildet.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19849932 A1 [0004, 0004]
- DE 19814857 A1 [0004]
- WO 2005/075969 A1 [0004]
- DE 4239319 [0004]
