DE10219726A1

DE10219726A1 - Verfahren zur Herstellung eines brückenartigen Halbleiter-Gassensors, sowie Halbleiter-Gassensor mit Brückenstruktur

Info

Publication number: DE10219726A1
Application number: DE10219726A
Authority: DE
Inventors: Alois Friedberger; Patrick Kreisl; Gerhard Mueller
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Ein brückenartiger Halbleiter-Gassensor (10) wird aus einem SOI-Element bzw. Wafer hergestellt, der eine erste (18) und eine zweite (19) Schicht aus einkristallinem Silizium umfasst, zwischen denen eine Oxidschicht (17) angeordnet ist. Anschließend wird eine Elektrodenanordnung (12) und ein Heizelement (14) auf einer elektrisch isolierenden Schicht (21) oberhalb des SOI-Elements ausgebildet. Die Unterseite des SOI-Elements wird geätzt, bis die Unterseite der Oxidschicht (17) in einem Teilbereich freiliegt, um eine Brücke (15) zu bilden, die aus der Oxidschicht (17) mit der darüber liegenden Schicht (18) aus einkristallinem Silizium besteht. Im Zentrum der Brücke (15) wird auf der Elektrodenanordnung (12) ein gassensitives Element (11) angeordnet. Bei dem hergestellten Gassensor (10) wird das gassensitive Element (11) auf der Brücke (15) getragen, die durch die Oxidschicht (17) gebildet wird, auf der die Schicht (18) aus einkristallinem Silizium ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines brückenartigen Halbleiter-Gassensors, sowie einen Halbleiter-Gassensor mit Brückenstruktur gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Gassensoren, die aus Halbleitermaterialien gefertigt sind, werden zunehmend zur Detektion und Analyse von Gasen eingesetzt. Beispielsweise werden Metalloxid- Gassensoren und GasFETs zur Detektion von Stoffen wie CO, O₃, NO, NO₂ bzw. NO_x verwendet. Auch können mit derartigen Gassensoren aromatisierte Kohlenwasserstoffe rasch und sicher detektiert werden. Mit Hilfe dieser Gassensoren können beispielsweise Abgase von Verbrennungsmotoren analysiert werden, um den Schadstoffausstoß zu reduzieren und damit die bestehende Umweltbelastung zu verringern. Weitere Anwendungsbereiche sind Rauchgasmelder bzw. Brandmelder, die z. B. in Flugzeugen, insbesondere im Luftfrachtbereich, einsetzbar sind. Auch können Halbleiter-Gassensoren in Gasanalysesystemen zur Umweltüberwachung eingesetzt werden, insbesondere zur laufenden Überwachung der Luftqualität.
Für all diese Anwendungen ist es wichtig, dass eine hohe Fehlalarmsicherheit und eine hohe molekulare Erkennungsleistung gewährleistet ist. Weiterhin sollten die Messstationen und die Sensoren klein und kostengünstig herstellbar sein.
In dem US-Patent Nr. 4,696,188 ist ein Halbleiter-Gassensor beschrieben, bei dem ein gassensitives Element auf einer Brücke angeordnet ist, die aus dielektrischen Schichten besteht. Die dielektrischen Schichten befinden sich auf einem darunterliegenden Substrat, das an seiner Oberseite eine Ausbuchtung aufweist, über die sich die Brücke erstreckt.
Eine ähnliche Anordnung ist in dem US-Patent Nr. 4,967,589 gezeigt. Auf einem Siliziumsubstrat, das an seiner Oberseite eine Einbuchtung aufweist, befindet sich eine Brückenstruktur. Die Brückenstruktur wird durch eine Isolationsschicht gebildet, die die gassensitive Schicht trägt.
Die Druckschrift DE 199 58 311 C2 zeigt einen Halbleiter-Gassensor in Siliziumbauweise, bei dem eine Brücke aus einkristallinem Silizium ein gassensitives Element trägt, wobei die Brücke im Bereich des gassensitiven Elements frei schwebt. Um die Brücke auszubilden, wird bei der Herstellung eine untere Schicht aus Silizium an ihrer Oberseite porösiziert, um dort eine Ausbuchtung auszubilden, über die sich die Brücke aus einkristallinem Silizium erstreckt.
Bei den bekannten Halbleiter-Gassensoren in Brückenbauweise besteht das Problem, dass die Brücken einerseits möglichst dünn ausgestaltet werden sollen, andererseits jedoch eine hohe mechanische Stabilität aufweisen sollen. Die bekannten Verfahren zur Herstellung brückenartiger Halbleiter-Gassensoren haben den Nachteil, dass sie sehr komplex und aufwändig sind, um dünne und stabile Brücken als Sensorträgerelemente auszubilden. Daher sind sie für eine Serienfertigung in den meisten Fällen ungeeignet bzw. zu teuer. Hinzu kommt oftmals noch eine geringe Flexibilität hinsichtlich der Empfindlichkeit der Sensoren für verschiedenartige Gase.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines brückenartigen Halbleiter-Gassensors anzugeben, mit dem schnell und kostengünstig Halbleiter-Gassensoren mit dünnen Brücken hoher Stabilität hergestellt werden können, inbesondere in Serienfertigung. Weiterhin soll ein Halbleiter-Gassensor mit einer Brückenstruktur geschaffen werden, der schnell und kostengünstig herstellbar ist und eine stabile Brücke als Sensorträgerelement aufweist, die dünn ausgestaltet werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung eines brückenartigen Halbleiter-Gassensors gemäß Patentanspruch 1 und durch den Halbleiter-Gassensor mit Brückenstruktur gemäß Patentanspruch 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines brückenartigen Halbleiter- Gassensors umfasst die Schritte: Bereitstellen eines SOI-Elements (SOI = Silicon on Insulator), das eine erste und eine zweite Schicht aus einkristallinem Silizium umfasst, zwischen denen eine Oxidschicht angeordnet ist; Ausbilden einer Elektrodenanordnung und gegebenenfalls eines Heizelements auf einer elektrisch isolierenden Schicht bzw. Passivierungsschicht oberhalb des SOI-Elements bzw. Silicon-on-Insulator-Elements; Ätzen der Unterseite des SOI-Elements, bis die Unterseite der Oxidschicht in einem Bereich des SOI-Elements freiliegt, so dass die Oxidschicht mit der darüber liegenden Schicht aus einkristallinem Silizium eine Brücke bildet; und Ausbilden eines gassensitiven Elements, das in Kontakt mit der Elektrodenanordnung im Bereich der Brücke gelangt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, leistungsarm beheizbare und mechanisch stabile Halbleiter-Gassensoren mit brückenartigen Sensorträgerelementen schnell und kostengünstig herzustellen. Insbesondere durch die Verwendung von SOI-Wafern als Ausgangsmaterial für Gassensoren können komplexe Plattformen für das Aufbringen verschiedenartiger gassensitiver Schichten bereitgestellt werden, die mechanisch stabil sind und leistungsarm beheizbare Hotplates darstellen. Dadurch ergibt sich weiterhin eine höhere Flexibilität im Vergleich zu den bekannten Herstellungsverfahren. Insbesondere durch das Ätzen des SOI-Elements von der Unterseite, bei dem ein Teilbereich einer unteren Siliziumschicht entfernt wird, können auf schnelle und kostengünstige Weise sehr dünne und stabile Brückenstrukturen als Basis für gassensitive Elemente und Heizeinrichtungen geschaffen werden. Dabei wird die Oxidschicht des SOI-Elements erfindungsgemäß als Ätzstopp genutzt, was eine sehr exakte Arbeitsweise und die Bildung sehr dünner Brückenstrukturen ermöglicht.
Bei dem Verfahren kann das gassensitive Element sowohl vor als auch nach dem Schritt des Ätzens der Unterseite des SOI-Elements aufgebracht werden.
Bevorzugt wird über bzw. auf der Elektrodenanordnung und/oder dem Heizelement eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht aufgebracht, die im Bereich des Kontakts zwischen der gassensitiven Schicht und der Elektrodenanordnung geöffnet ist. Dadurch ist es möglich, verschiedene Arten gassensitiver Schichten von verschiedenen Anbietern mit unterschiedlichen Technologien aufzubringen. Beispielsweise können Dünnschichten aufgedampft oder gesputtert werden, oder es können Dickschichten mit einem Dispenser aufgebracht werden, um nur einige Möglichkeiten zu nennen.
Vorteilhafterweise werden Teilbereiche der Oxidschicht mit der oder den darüberliegenden weiteren Schichten von der Oberseite her durchbrochen, um zwischen den entstehenden Öffnungen ein oder mehrere freitragende Brücken auszugestalten. Dadurch können auf einem Chip ein oder mehrere Hotplates bzw. beheizbare Plattenstrukturen ausgebildet werden, die nur an schmalen Aufhängungen bzw. Stegen befestigt sind und jeweils ein gassensitives Element tragen. Somit lassen sich ganze Arrays von dünnen Sensorbrücken schnell und kostengünstig aus einem einzigen Chip anfertigen, die eine verbesserte Gasselektivität und eine verbesserte Gasanalyse ermöglichen. Dies kann durch unterschiedliche Betriebstemperaturen der verschiedenen Hotplates noch weiter verbessert werden.
Vorteilhafterweise werden auf einem einzigen Chip mehrere Brücken mit verschiedenartigen gassensitiven Elementen ausgebildet. Dadurch können Gassensoren mit verbesserter Gasselektivität geschaffen werden, die darüber hinaus zur Messung verschiedenartiger Gase geeignet sind.
Bevorzugt werden Metalloxide und/oder MOS-Kapazitäten als gassensitives Element bzw. als gassensitive Elemente verwendet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiter-Gassensor mit einer Brückenstruktur geschaffen, umfassend: ein gassensitives Element, dessen elektrische Eigenschaft durch Kontakt mit einem Gas veränderbar ist; ein Heizelement, das an das gassensitive Element thermisch gekoppelt ist; eine Anordnung bzw. Elektrodenanordnung zur Messung der elektrischen Eigenschaften des gassensitiven Elements; und eine Brücke, die das gassensitive Element trägt und eine Schicht aus einkristallinem Silizium umfasst, wobei die Brücke durch eine Oxidschicht gebildet wird, auf der die Schicht aus einkristallinem Silizium ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Halbleiter-Gassensor ist besonders schnell und kostengünstig und mit hoher Genauigkeit herstellbar. Er weist eine besonders große mechanische Stabilität auf, wobei gleichzeitig die mindestens eine Brücke sehr dünn ausgestaltet werden kann. Dadurch lässt sich der Gassensor leistungsarm betreiben, d. h., es lassen sich leistungsarm beheizbare Hotplates verwirklichen.
Vorteilhafterweise ist die Brücke aus einem SOI-Wafer gefertigt, der unterhalb der Oxidschicht eine untere Schicht aus Silizium aufweist, die zur Brückenbildung zumindest in einem Teilbereich von unten geätzt ist. Durch die Verwendung eines SOI-Wafers bzw. Silicon-Insulator-Wafers, der handelsüblich erhältlich ist, und durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des SOI-Wafers kann der Halbleiter- Gassensor besonders schnell und auch besonders kostengünstig produziert werden und ist somit für eine Serienfertigung geeignet.
Bevorzugt weist der Halbleiter-Gassensor ein SOI-Element auf, das mindestens zwei Schichten aus einkristallinem Silizium umfasst, zwischen denen die Oxidschicht angeordnet ist, wobei insbesondere in einem zentralen Bereich der Brücke ein Teilbereich der unteren Schicht aus einkristallinem Silizium vollständig entfernt ist. Auf diese Weise erhält der Halbleiter-Gassensor eine besonders stabile Brückenstruktur, die besonders dünn ausgestaltet werden kann und eine besonders exakte Geometrie aufweist.
Vorteilhafterweise liegt die Oxidschicht im Bereich der Enden der Brücke auf einer unteren Schicht aus Silizium, insbesondere einkristallinem Silizium, auf. Durch diese Struktur können besonders kleine Sensoren angefertigt werden, die dennoch eine sehr große Stabilität aufweisen.
Bevorzugt ist die Brücke freitragend ausgestaltet. D. h., die Brücke bzw. das Trageelement für die Sensorstruktur schwebt frei über einem Luft- bzw. Gaspolster oder im Vakuum und ist nur über mindestens einen Steg, der sehr schmal ausgestaltet werden kann, gehalten. Dadurch hat der Gassensor eine sehr kurze Ansprechzeit bzw. verringerte Messzeiten.
Vorteilhaft sind bei dem Halbleiter-Gassensor Bereiche der Oxidschicht mit der darauf angeordneten Schicht aus einkristallinem Silizium unterbrochen oder entfernt, um dadurch ein oder mehrere freitragende Brücken in Form von Hotplates bzw. beheizbaren Platten oder Membranen zu bilden. Der Halbleiter-Gassensor kann mehrere Brücken aufweisen, die unterschiedliche gassensitive Elemente tragen. Dadurch hat der Gassensor eine stark verbesserte Gasselektivität und damit verbesserte Möglichkeiten zur Gasanalyse. Dabei können die Betriebstemperaturen der verschiedenen Hotplates unterschiedlich eingestellt werden, wodurch die Mess- und Analysemöglichkeiten noch weiter verbessert werden.
Bevorzugt befindet sich über bzw. auf dem Heizelement und/oder der Elektrodenanordnung eine Passivierungsschicht, die insbesondere im Bereich des gassensitiven Elements geöffnet ist. Dadurch ist es möglich, den Gassensor mit verschiedenen Arten gassensitiver Schichten von verschiedenen Anbietern zu versehen und bei der Herstellung unterschiedliche Technologien zu verwenden. Bevorzugt überdeckt die Passivierungsschicht den Heizer und/oder die Elektroden und ist nur über den zur Kontaktierung der gassensitiven Schicht benötigten Elektrodenbereichen geöffnet. Die gassensitive Schicht bzw. die gassensitiven Schichten können aufgedampfte oder gesputterte Dünnschichten sein, oder es können Dickschichten sein, die mit einem Dispenser aufgebracht sind.
Beispielsweise kann die untere Schicht aus einkristallinem Silizium ein oder mehrere Brückenpfeiler bilden, die gerade Kanten aufweisen. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Stabilität der Brückenstruktur.
Vorteilhafterweise bildet die untere Schicht aus einkristallinem Silizium ein oder mehrere Brückenpfeiler, deren Kanten in einem Winkel an die darüberliegende Oxidschicht angrenzen, welcher insbesondere der Kristallstruktur des einkristallinem Silizium entspricht. Diese Brückenstruktur ist besonders stabil und lässt sich schnell und sicher herstellen.
Die Brücke kann insbesondere als Membran ausgestaltet sein, die beispielsweise an einer oder mehreren Aufhängungen, die z. B. an gegenüberliegenden Enden der Brücke ausgestaltet sein können, freitragend befestigt sein.
Bevorzugt sind ein oder mehrere Metalloxide und/oder ein oder mehrere MOS- Kapazitäten als gassensitive Elemente vorgesehen. D. h., es können Metalloxid- Gassensoren und Gas-Feldeffekttransistoren bzw. GasFETs auf Sensorträgerelementen auf SOI-Basis geschaffen werden.
Vorteilhaft hat der Halbleiter-Gassensor eine Leitungsaufnahme von weniger als 60 mW, beispielsweise 53 mW und weniger, bei einer Arbeitstemperatur von 400°C. Die Dicke der Hotplates kann dabei auch 3,5 µm und weniger betragen.
Der Halbleiter-Gassensor kann z. B. bei schneller Temperaturmodulation betrieben werden, wobei er bevorzugt eine Zeitkonstante von weniger als 10 mSek, bevorzugt weniger als 8 mSek, aufweist.
Trotz der sehr kleinen und sehr dünnen Brückenstruktur weisen die Hotplates im Vergleich zu herkömmlichen Membran-Sensoren eine erhöhte Stabilität auf. In Versuchen hat sich ergeben, dass die Strukturen einem Aufprall aus 5 m Höhe auf Beton standhalten. Labortests haben weiterhin ergeben, dass die Hotplates bzw. heizbaren Brücken in ihrem Zentralbereich bis zu 100 µm ausgelenkt bzw. gebogen werden können, ohne zu brechen. D. h., dass die Brücken eine sehr hohe Elastizität und Bruchfestigkeit aufweisen. Bei diesem Versuch wurden die Brücken mit einigen Gramm Gewicht belastet, um die Verbiegung nach unten bis zu 100 µm hervorzurufen.
Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Gassensor und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung an Hand der Figuren beschrieben, in denen
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Halbleiter-Gassensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Halbleiter-Gassensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt, der mehrere Brücken aufweist;
Fig. 2b eine Draufsicht auf den durch einen Kreis in Fig. 2a gekennzeichneten Teilbereich zeigt;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Halbleiter-Gassensors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt, der als GasFET bzw. Gas-Feldeffekttransistor ausgestaltet ist;
Fig. 4a-h einzelne Stufen des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung an Hand von Schnittansichten verwendeter Bauteile bzw. Strukturen zeigen; und
Fig. 5a und 5b Schnittansichten von Brückenstrukturen nach nasschemischem bzw. trockenchemischem Ätzen schematisch zeigen.
Vorteile und Merkmale, die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben sind, gelten auch für den erfindungsgemäßen Halbleiter-Gassensor, ebenso wie Vorteile und Merkmale, die in Zusammenhang mit der beschriebenen Vorrichtung gezeigt sind, auch für das Herstellungsverfahren gelten.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Gassensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Metalloxid-Gassensor 10, der schichtartig aufgebaut ist. Der Gassensor 10 trägt an seiner Oberseite ein gassensitives Element 11 in Form einer SnO₂-Schicht, die in elektrischem Kontakt zu einer Elektrodenanordnung 12 steht. Dabei erstreckt sich das gassensitive Element 11 zwischen zwei Elektroden 12, auf deren jeweiligem äußeren Ende jeweils ein Bondpad 13a zur elektrischen Kontaktierung angeordnet ist. In Fig. 1 ist nur eine Elektrode 12 mit zugehörigem Bondpad 13a erkennbar, da die zweite Elektrode mit zugehörigem Bondpad in derselben Ebene liegt.
In derselben Ebene wie die Elektrodenanordnung 12, jedoch in Fig. 1 rechts, befindet sich ein mäanderförmiges Heizelement 14, das auch in der Draufsicht in Fig. 2b gezeigt ist und zum Heizen des gassensitiven Elements 11 dient. Ein weiteres Bondpad 13b dient zur Kontaktierung des Heizelements 14.
Das gassensitive Element 11 wird auf einer Brücke 15 getragen, wobei es zentral angeordnet ist und sich vollständig oberhalb eines Freiraums 16, der beispielsweise durch Luft oder ein sonstiges Gas gebildet wird, befindet. Die Brücke 15 wird durch eine Oxidschicht 17 gebildet, auf der eine obere Schicht 18 aus einkristallinem Silizium ausgebildet ist.
An den beiden gegenüberliegenden Enden der Brücke 15 befinden sich Reste einer unteren Schicht 19 aus einkristallinem Silizium. Die Reste der unteren Schicht 19 bilden Stützen bzw. Brückenpfeiler, so dass der dazwischen liegende zentrale Bereich der Brücke 15 frei schwebt. Unterhalb der unteren Schicht 19 befindet sich eine weitere Oxidschicht 20 bzw. Passivierungsschicht.
Zwischen der oberen Schicht 18 aus einkristallinem Silizium und der darüber liegenden Anordnung aus Elektroden 12 und Heizelement 14 ist eine Passivierungsschicht 21 zur elektrischen Passivierung bzw. Isolierung der darüber liegenden Bauelemente vorgesehen.
Die Oxidschicht 17 der Brücke 15 besteht aus SiO₂ und bildet einen Isolator. Sie befindet sich zwischen den beiden Schichten 18 und 19 aus einkristallinem Silizium. Die Passivierungsschicht 21, welche die Elektrodenanordnung 12 und das Heizelement 14 trägt, und die unterste Oxidschicht 20 bestehen aus SiO₂.
Die Brücke 15 ist aus einem Silicon-on-Insulator-Wafer gefertigt, der zwei Schichten aus einkristallinem Silizium aufweist, die durch eine dazwischen liegende Isolationsschicht bzw. Oxidschicht voneinander getrennt sind. Zur Ausbildung der Brücke 15 wurde ein Teilbereich der unteren Schicht des SOI-Wafers, der die untere Schicht 19 aus einkristallinem Silizium bildet, durch Strukturierung an der Unterseite entfernt. Dabei dient die Oxidschicht des SOI-Wafers bzw. die Oxidschicht 17 als Ätzstopp zur exakten Steuerung des Ätzvorgangs.
Auf der Oberseite der Elektrodenanordnung 12 und des Heizelements 14 ist eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht 22 ausgebildet, die z. B. aus aufgedampftem SiO₂ besteht und die Elektrodenanordnung 12 und das Heizelement 14 vollständig überdeckt, wobei lediglich derjenige Bereich der Elektroden 12 geöffnet ist bzw. frei bleibt, der vom gassensitiven Element 11 kontaktiert bzw. überdeckt ist.
Das mäanderförmige Heizelement 14 und die Elektroden 12 sind vorzugsweise aus Platin gebildet, wodurch sich eine große Stabilität gegenüber hohen Temperaturen ergibt. Es können aber auch andere leitfähige Materialien verwendet werden, die je nach den notwendigen Anforderungen gewählt werden.
Als Haftvermittler wird unterhalb des Platins Zr verwendet, beispielsweise in Form einer 25 nm dicken Zr-Schicht, die das z. B. 500 nm stark ausgebildete Platin trägt. Es sind aber selbstverständlich auch andere Materialien zur Ausbildung einer Haftschicht möglich, beispielsweise Ti, Ta und TaSi. Diese Materialien zeigen jedoch eine geringere Temperaturstabilität.
Die Brücke 15 hat einen zentralen Bereich B, der in Fig. 1 durch die beiden gestrichelten Linien b1 und b2 begrenzt wird. Der zentrale Bereich B der Brücke 15 bildet eine Hotplate bzw. eine durch das Heizelement 14 beheizbare Platte, die in der Draufsicht von Fig. 2a und vergrößert in Fig. 2b dargestellt ist.
Auf beiden Seiten des zentralen Bereichs B der Brücke 15 befinden sich schmal ausgebildete Bereiche S1, S2, jeweils zwischen den gestrichelten Linien s1, b1 bzw. s2, b2 in Fig. 1. Diese Bereiche der Brücke 15 bilden schmale Stege, durch die der zentrale Bereich B bzw. die Hotplate mit dem darauf gelagerten gassensitiven Element freitragend über dem Freiraum 16 bzw. Hohlraum gehalten wird. Im vorliegenden Fall bilden die Stege S1, S2 der Brücke 15 Aufhängungen, zwischen denen die Hotplate B freitragend befestigt ist.
Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch in einer Draufsicht einen erfindungsgemäß ausgestalteten Halbleiter-Gassensor 30 gemäß einer besonderen Ausführungsform, der ein Array von drei nebeneinander angeordneten, freischwebenden Hotplates in der erfindungsgemäßen Brückenbauweise aufweist. Dabei zeigt die Fig. 2b die in Fig. 2a rechts dargestellte Hotplate in vergrößerter Darstellung. Die Linie A-A' in Fig. 2a kennzeichnet die Lage der in Fig. 1 dargestellten Schnittansicht. Im folgenden werden Elemente, die funktions- oder wesensgleich zu denen in Fig. 1 gezeigten Elementen sind, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der Gassensor 30 gemäß Fig. 2a umfasst drei Brücken 15, in deren Zentren jeweils eine Hotplate B ausgebildet ist. Die Brücken 15 erstrecken sich zwischen zwei gegenüber liegenden Stegen 31 einer rahmenartigen Struktur. Die rahmenartige Struktur umgibt den Freiraum 16, über dem die Brücken 15 mit den zentralen Hotplates B freitragend befestigt sind. Auf jeder Brücke 15 befindet sich ein gassensitives Element 11 sowie die weiteren in Fig. 1 bereits dargestellten Elemente. Der Rahmen und die Brückenstrukturen sind aus einem SOI-Wafer gefertigt, der zur Ausbildung der Brücken 15 von seiner Unterseite her geätzt ist, wie es oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben ist. Zur Ausbildung der Zwischenräume zwischen dem Rahmen und den Brücken 15 sind Durchbrechungen bzw. durchgehende Öffnungen vorgesehen.
In Fig. 2b ist eine Si-Hotplate B in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Heizelemente 14 verlaufen mäanderförmig und umschließen die zahnartig ineinandergreifenden Elektroden 12, die auf der Si-Hotplate B ausgebildet sind. In der hier gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Elektroden 12 von einer Seite der Brücke 15 zu deren Zentrum, während sich das mäanderförmige Heizelement 14 von der anderen Seite der Brücke 15 zu deren Zentrum hin erstreckt. Das gassensitive Element 11 ist als SnO₂-Schicht auf den Elektroden 12 angeordnet, die in der Art einer Interdigitalstruktur ausgestaltet sind.
Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht, bei der ein Halbleiter-Gassensor 40 als Gas-Feldeffekttransistor ausgestaltet ist. Dabei sind anstelle von Metalloxiden MOS-Kapazitäten auf den ein oder mehreren brückenartig ausgestalteten Hotplates aufgebracht. Auf der Oberseite der oberen Schicht 18 aus einkristallinem Silizium befindet sich eine Oxidschicht 41, die als Gateoxid wirkt bzw. ausgestaltet ist. Auf der Gateoxidschicht 41 befindet sich eine Elektrode 42a, die als Metallgate wirkt und z. B. aus Pt gefertigt ist. Unter der Gateoxidschicht 41 befindet sich eine weitere Elektrode 42b, die beispielsweise durch hochdotiertes Silizium gebildet ist und als Gegenelektrode zum Metallgate wirkt. Die Gegenelektrode 42b wird durch eine elektrisch leitende Schicht 42c kontaktiert, die sich vom Rand der Brücke 15 zu deren Zentrum hin erstreckt und beispielsweise als Pt-Schicht auf der Oxidschicht 41 ausgebildet ist. Die Elektroden des FETs werden über die Bondpads 113a, 113b am Brückenrand kontaktiert.
Um auch bei hohen Betriebstemperaturen Silizium für elektrische Funktionen nutzen zu können, wird im Messbetrieb der Heizstrom kurz abgeschaltet, was zur Abkühlung der Brücke 15 führt, so dass die Kapazität gemessen werden kann. Die gemessene Kapazität ist ein Maß für die Gaskonzentration. Dadurch wird vermieden, dass bei hohen Temperaturen die einsetzende Eigenleistung des Siliziums die Messung stört. In dieser Betriebsart arbeitet der Sensor zyklisch, d. h., dass in einer ersten Phase die Hotplate aufgeheizt wird, damit eine Gasreaktion am katalytischen Platingate erfolgt. In einer zweiten Phase lässt man die Hotplate abkühlen, um die MOS-Kapazität zu messen.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der brückenartigen Gassensoren auf SOI-Basis an Hand der Fig. 4a-4h detailliert beschrieben.
Als Ausgangsmaterial wird ein SOI-Wafer 55 verwendet, wie er in Fig. 4a gezeigt wird. Der SOI-Wafer ist kommerziell erhältlich und umfasst die obere Schicht 18 aus einkristallinem Silizium und die untere Schicht 19 aus einkristallinem Silizium, wobei die beiden Schichten 18, 19 durch die dazwischen liegende Isolations- bzw. Oxidschicht 17 aus SiO₂ voneinander getrennt sind.
Im nächsten Verfahrensschritt gemäß Fig. 4b erfolgt eine Oxidation auf der Oberseite bzw. Vorderseite des SOI-Wafers 55 und auf der Unterseite bzw. Rückseite des SOI-Wafers 55. Dabei bildet sich auf der Oberseite des Wafers die Passivierungsschicht 21, die zur elektrischen Passivierung der später aufgebrachten weiteren Bauelemente dient und diese gegenüber der darunter liegenden Siliziumschicht 18 isoliert. Auf der Unterseite des Wafers wird die weitere Oxidschicht 20 aus SiO₂ gebildet und strukturiert. Die untere SiO₂-Schicht 20 dient zur chemischen Passivierung beim späteren Ätzen des SOI-Wafers an seiner Unterseite.
Wie in Fig. 4c gezeigt, werden im nächsten Verfahrensschritt die ein oder mehreren mäanderförmigen Heizelemente 14 und die Elektroden 12 aufgedampft und strukturiert. Dies erfolgt durch Aufbringen einer Metallisierung auf der Oberseite der Passivierungsschicht 21. Um eine hohe Temperaturstabilität zu erreichen, wird hierfür vorzugsweise Platin verwendet. Unter dem Platin ist ein Haftvermittler aufgebracht, der aus einer ca. 25 nm dicken Zr-Schicht besteht. Es sind aber auch andere Materialien als Haftschichten möglich, beispielsweise Ti, Ta und TaSi, die jedoch eine geringere Temperaturstabilität zeigen. Oberhalb des Haftvermittlers wird die Platinschicht mit einer Dicke von ca. 500 nm aufgebracht. Alternativ dazu ist es möglich, das Platin relativ dick aufzusputtern, beispielsweise mit einer Dicke von 1 µm. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise durch Fotoätzverfahren.
Fig. 4d zeigt den nächsten Verfahrensschritt. Dabei wird auf das bzw. die Heizelemente 14 und die Elektroden 12 die elektrisch isolierende Passivierungsschicht 22 aufgebracht und strukturiert. Dies erfolgt beispielsweise durch Aufdampfen von SiO₂. Dabei wird die gesamte Oberfläche der Elektroden 12 und des Heizelements 14 bedeckt, bis auf die Bereiche, die für Kontaktpads zum elektrischen Anschluss und für das Aufbringen der gassensitiven Schicht vorgesehen sind.
Fig. 4e zeigt das Aufbringen einer Maskierung 56 in Form von Fotolack, der strukturiert wird, auf der Oberseite der Passivierungsschicht 22. In Bereichen, in denen später Durchbrechungen bzw. durchgehende Öffnungen durch die Schichten geschaffen werden sollen, ist die Oberfläche frei von Fotolack.
Fig. 4f zeigt den Schritt des Ätzens des SOI-Wafers 55 von seiner Rückseite bzw. Unterseite. Zum Ätzen wird Tetramethylammoniumhydroxid bzw. TMAH verwendet. TMAH hat den Vorteil, dass es besonders zuverlässig an der vergrabenen SiO₂-Schicht bzw. Oxidschicht 17 stoppt. In Bereichen, in denen die Unterseite des SOI-Wafers 55 nicht durch die untere bzw. weitere Oxidschicht 20 bedeckt ist, wird somit das einkristalline Silizium der Schicht 19 vollständig entfernt, d. h., dass die Unterseite der Oxidschicht 17 aus SiO₂ in diesen Bereichen freigelegt wird. Die verbleibenden Reste der Schicht 19 am Rand des SOI-Wafers 55 bilden gerade verlaufende Kanten, wobei sich aufgrund der Kristallstruktur des einkristallinen Siliziums ein Winkel von 54° einstellt.
Die einzelnen Schichten sind in diesem Beispiel in folgenden Dicken ausgebildet:
Passivierungsschicht 22: 400 nm
Passivierungsschicht 21: 700 nm
obere Schicht 18 aus einkristallinem Silizium: 5 µm
Oxidschicht 17: 300 nm
untere Schicht 19 aus einkristallinem Silizium: 300 µm
untere Passivierungs- bzw. Oxidschicht 20: 700 nm.
Es können jedoch auch andere Schichtdicken ausgebildet werden, je nach den jeweiligen Erfordernissen. Zum Ätzen kann anstatt TMAH auch Kalilauge bzw. KOH verwendet werden. Durch das Ätzen der Unterseite des SOI-Wafers bildet sich eine dünne Membran aus der SIO₂-Schicht bzw. Oxidschicht 17 mit der darüber liegenden Schicht 18 aus einkristallinem Silizium und der Passivierungsschicht 21.
Neben dem nasschemischen Ätzen des Siliziums von der Rückseite mit TMAH oder KOH, wodurch sich auf Grund der Kristallstruktur der charakteristische Winkel zwischen den Kanten ergibt, ist auch trockenchemisches Ätzen (z. B. Plasmaätzverfahren) möglich. Dadurch ergeben sich gerade Kanten. Die sich bei den unterschiedlichen Verfahren ergebenden Strukturen sind in den Fig. 5a und 5b schematisch dargestellt. Dabei zeigt Fig. 5a die sich bei nasschemischem Ätzen ergebende Struktur mit schrägen Kanten der Brückenpfeiler, während Fig. 5b die sich bei trockenchemischem Ätzen ergebende Struktur mit geraden Kanten der Brückenpfeiler zeigt. Die einzelnen Elemente der Strukturen wurden im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren unter Verwendung derselben Bezugszeichen bereits beschrieben.
Fig. 4g zeigt einen weiteren Verfahrensschritt, bei dem die Si-Membran von der Vorderseite bzw. Oberseite her durchbrochen wird, um eine oder mehrere freitragende Brücken-Strukturen bzw. an schmalen Stegen aufgehängte Hotplates zu schaffen. Dabei wird der zentrale Bereich B der Brücke, der zwischen den beiden gestrichelten Linien b1, b2 angedeutet ist, relativ breit ausgestaltet, um die Hotplate zu bilden, während die daran angrenzenden Bereiche S1, S2 relativ schmal ausgestaltet werden, um zwei gegenüber liegende schmale Stege bzw. Aufhängungen für die Hotplate zu bilden. Die Breite der Brücke verläuft senkrecht zur Betrachtungsebene und ist daher in dieser Darstellung nicht gezeigt. Hierzu wird auf Fig. 2 verwiesen, in der eine Draufsicht auf drei nebeneinander liegende Brücken gezeigt wird, wobei die unterschiedlichen Breiten zu erkennen sind.
Fig. 4h zeigt das Aufbringen der gassensitiven Schicht bzw. des gassensitiven Elements 11 auf der Brücke 15 in deren Zentrum. Dazu wird ein Metalloxid wie z. B. SnO₂ aufgedampft, was vorteilhafterweise mit einer Schattenmaske und Annealing z. B. bei einer Temperatur von 600°C an Luft erfolgt. Weiterhin werden die Bondpads 13a, 13b für die elektrischen Anschlüsse aufgebracht, die zum Drahtbonden dienen. Das Aufbringen der Bondpads 13a, 13b erfolgt mit einer Schattenmaske, z. B. durch Aufdampfen von Ti und Al.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch mehrere verschiedene sensitive Schichten auf einem Chip ausgestaltet werden, so dass ein Multisensor- Array mit verschiedenartigen Gassensoren auf einem Chip entsteht.
Da einkristallines Silizium als Trägermaterial verwendet wird, sind die gebildeten Sensoren mechanisch sehr stabil. Die ausgebildeten Hotplates mit schmalen Aufhängungen, wie sie beim Durchätzen der Siliziummembran erzeugt werden, führen zu einem sehr geringen Leistungsverbrauch von beispielsweise 53 mW bei einer Arbeitstemperatur von 400°C und einer beispielhaften Dicke der Hotplate von 3,5 µm.
Das gassensitive Element 11 bzw. die gassensitive Schicht kann auch früher aufgebracht und strukturiert werden, beispielsweise nach dem in Fig. 4c gezeigten Verfahrensschritt des Aufbringens von Heizmäander 14 und Elektroden 12. In diesem Fall ist die Passivierungsschicht 22 oberhalb der Heizmäander 14 und Elektroden 12 nicht erforderlich.
Die gezeigte Sensorarchitektur erlaubt das Aufbringen sowohl von Dünnfilm- als auch von Dickfilmsensormaterialien auf verschiedenartigen Hotplates auf ein und demselben Chip. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Massenherstellung.
Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Sensor werden Gaskonzentrationen verschiedenartiger Gase gemessen, beispielsweise CO, NO, O₂, O₃, NOX, H₂, HC, NO₂ usw.. Dabei wird bei bestimmten Temperaturen des gassensitiven Elements 11 dessen elektrischer Widerstand bestimmt. Das Messverfahren selbst ist bekannt und im Stand der Technik ausführlich beschrieben, beispielsweise in der DE 199 58 311 C2, wobei an dieser Stelle ausdrücklich Bezug auf die Beschreibung eines möglichen Messverfahrens genommen wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines brückenartigen Halbleiter-Gassensors, das die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines SOI-Elements (55), das eine erste (18) und eine zweite (19) Schicht aus einkristallinem Silizium umfasst, zwischen denen eine Oxidschicht (17) angeordnet ist;

- Ausbilden einer Elektrodenanordnung (12; 42c) auf einer elektrisch isolierenden Schicht (21; 41) oberhalb des SOI-Elements;

- Ätzen der Unterseite des SOI-Elements (55), bis die Unterseite der Oxidschicht (17) in einem Bereich des SOI-Elements (55) frei liegt, so dass die Oxidschicht (17) mit der darüber liegenden Schicht (18) aus einkristallinem Silizium eine Brücke (15) bildet; und

- Ausbilden eines gassensitiven Elements (11; 42b), das in Kontakt mit der Elektrodenanordnung (12; 42c) im Bereich der Brücke (15) gelangt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gassensitive Element (41) vor dem Ätzen der Unterseite des SOI-Elements (55) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über der Elektrodenanordnung (12) und/oder einem aufgebrachten Heizelement (14) eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht (22) aufgebracht wird, die im Bereich des Kontakts zwischen der gassensitiven Schicht (11) und der Elektrodenanordnung (12) geöffnet ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche der Oxidschicht (17) mit der oder den darüber liegenden weiteren Schichten von der Oberseite her durchbrochen werden, um zwischen den entstehenden Öffnungen ein oder mehrere freitragende Brücken (15) auszugestalten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem einzigen Chip mehrere Brücken (15) mit verschiedenartigen gassensitiven Elementen (11; 42b) ausgebildet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metalloxide und/oder MOS-Kapazitäten als gassensitives Element (11) verwendet werden.

7. Halbleiter-Gassensor mit Brückenstruktur, umfassend:
ein gassensitives Element (11; 42b), dessen elektrische Eigenschaft durch Kontakt mit einem Gas veränderbar ist,
ein Heizelement (14), das an das gassensitive Element (11; 42b) thermisch gekoppelt ist, eine Anordnung (12; 42c) zur Messung der elektrischen Eigenschaften des gassensitiven Elements (11; 42b), und
eine Brücke (15), die das gassensitive Element (11; 42b) trägt und eine Schicht (19) aus einkristallinem Silizium umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brücke (15) durch eine Oxidschicht (17) gebildet wird, auf der die Schicht (19) aus einkristallinem Silizium ausgebildet ist.

8. Halbleiter-Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (15) aus einem SOI-Wafer (55) gefertigt ist, der unterhalb der Oxidschicht (17) eine untere Schicht (19) aus Silizium aufweist, die zur Brückenbildung zumindest in einem Teilbereich von unten geätzt ist.

9. Halbleiter-Gassensor nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein SOI-Element, das mindestens zwei Schichten (18, 19) aus einkristallinem Silizium umfasst, zwischen denen die Oxidschicht (17) angeordnet ist, wobei in einem zentralen Bereich der Brücke (15) ein Teilbereich der unteren Schicht (19) aus einkristallinem Silizium vollständig entfernt ist.

10. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht (17) im Bereich der Enden der Brücke (15) auf der unteren Schicht (19) aus einkristallinem Silizium aufliegt.

11. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (15) freitragend ausgestaltet ist.

12. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Oxidschicht (17) mit der darauf angeordneten Schicht (18) aus einkristallinem Silizium unterbrochen oder entfernt sind, um ein oder mehrere freitragende Brücken (15) in Form von Hotplates zu bilden.

13. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch mehrere Brücken (15) die unterschiedliche gassensitive Elemente (11) aufweisen.

14. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch eine Passivierungsschicht (22), die über dem Heizelement (14) und/oder der Elektrodenanordnung angeordnet ist, wobei die Passivierungsschicht (22) im Bereich des gassensitiven Elements (11) geöffnet ist.

15. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht (19) aus einkristallinem Silizium ein oder mehrere Brückenpfeiler bildet, die gerade Kanten aufweisen.

16. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht (19) aus einkristallinem Silizium ein oder mehrere Brückenpfeiler bildet, deren Kanten in einem Winkel an die darüber liegende Oxidschicht (17) angrenzen, welcher der Kristallstruktur des einkristallinen Siliziums entspricht.

17. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (15) als Membran ausgestaltet ist, die an ein oder mehreren Aufhängungen (S1, S2) freitragend befestigt ist.

18. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Metalloxide und/oder ein oder mehrere MOS-Kapazitäten als gassensitive Elemente vorgesehen sind.

19. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 18, gekennzeichnet durch eine Leistungsaufnahme von weniger als 60 mW bei einer Betriebstemperatur von 400°C.

20. Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er bei einer Temperaturmodulation eine Zeitkonstante von weniger als 10 ms aufweist.