DE10239281A1

DE10239281A1 - Gassensor vom Membrantyp und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE10239281A1
Application number: DE10239281A
Authority: DE
Inventors: Inao Toyoda; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2003-03-20
Also published as: JP4325133B2; US7157054B2; JP2003065990A; US20030039586A1

Abstract

Ein Gassensor enthält ein Halbleitersubstrat und eine Fühlermembran. Die Fühlermembran befindet sich am Boden einer Vertiefung, welche durch Ätzen des Substrats ausgebildet ist, und umfaßt eine Heizungsanordnung, Heizungs-Anschlußelektroden, einen Gasfühlerfilm und Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden. Ein erstes Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode ist in Kontakt mit der Heizungsanordnung, und ein zweites Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode erstreckt sich von der Fühlermembran aus nach außen. Ein erstes Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode ist in Kontakt mit dem Gasfühlerfilm, und ein zweites Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode erstreckt sich von der Fühlermembran aus nach außen. Sowohl die Heizungsanordnung als auch die Heizungs-Anschlußelektroden und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden sind aus polykristallinem Silizium hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, in welchem ein gasempfindlicher Film zum Erfassen eines Gases auf einer durch ein Halbleitersubstrat unterstützten Membran angeordnet ist, und auf ein Verfahren zum Herstellen des Gassensors.
JP-A-58-102144 und JP-B2-2582343, deren korrespondierendes US-Patent USP 5,545,300 ist, offenbaren Gassensoren dieser Art. Die in den Veröffentlichungen offenbarten Sensoren enthalten eine Membran, welche an dem Boden einer in einem Halbleitersubstrat durch Ätzen des Halbleitersubstrats ausgebildeten Ausnehmung bzw. Vertiefung angeordnet ist. Die Membran enthält einen gasempfindlichen Film bzw. Gasfühlerfilm, welcher aus einem Material wie etwa Zinnoxid (SnO₂) und/oder Indiumoxid (In₂O₃) hergestellt ist, und einer Heizungsanordnung, welche Wärme erzeugt, wenn sie mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Sensoren enthalten auch ein Paar von Gasfühlerfilm- Anschlußelektroden, welche jeweils mit dem Gasfühlerfilm verbunden sind, und ein Paar von Heizungs-Anschlußelektroden, welche jeweils mit der Heizungsanordnung verbunden sind.
Bei den in den Veröffentlichungen offenbarten Sensoren sind die Heizungsanordnung und die Verlängerungs- bzw. Anschlußelektroden aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt wie etwa Platin hergestellt, weil die Temperaturen von Heizungsanordnung und Anschlußelektroden auf der Membran im Betrieb extrem hoch werden können. Allerdings können Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt wie Platin bei dem Herstellungsprozeß von herkömmlichen Halbleiterchips wie etwa einem CMOSFET zu einem Schadstoff werden, sodaß die Verwendung der Metalle vorzugsweise zu vermeiden ist, um den Herstellungsprozeß eines Gassensors mit dem von herkömmlichen Halbleiterchips kompatibel zu machen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorgenannten Aspekte gemacht mit dem Ziel, einen Gassensor vom Membrantyp zu schaffen, dessen Herstellungsprozeß mit dem von herkömmlichen Halbleiterchips kompatibel zu machen, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Gassensors vom Membrantyp bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der vorliegenden Erfindung enthält ein Gassensor ein Halbleitersubstrat und eine Sensormembran bzw. Fühlermembran. Die Fühlermembran ist am Boden einer Ausnehmung bzw. Vertiefung, welche durch Ätzen des Substrats ausgebildet ist, angeordnet und enhält eine Heizuüg bzw. Heizungsanordnung, Heizungs-Anschlußelektroden, einen gasempfindlichen Film bzw. Gasfühlerfilm und Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden. Ein erstes Ende jeder Heizungs- Anschlußelektrode ist in Kontakt mit der Heizungsanordnung, und ein zweites Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode erstreckt sich von der Fühlermembran aus nach außen. Ein erstes Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode ist in Kontakt mit dem Gasfühlerfilm, und ein zweites Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode erstreckt sich von der Fühlermembran aus nach außen. Sowohl die Heizungsanordnung als auch die Heizungs-Anschlußelektroden und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden sind aus polykristallinem Silizium hergestellt.
Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung, welche mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen angefertigt wurde, ersichtlicher werden. In den Zeichnungen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Gassensors in Fig. 1 entlang einer Linie II-II;
Fig. 3A bis 3C Teilschnittansichten, welche nacheinander auszuführende Schritte des Herstellungsprozesses des Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 4A bis 4C Teilschnittansichten, welche die im Anschluß an Fig. 3C folgenden, nacheinander auszuführenden Schritte des Herstellungsprozesses des Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 5A bis 5C Teilschnittansichten, welche die im Anschluß an Fig. 4C folgenden, nacheinander auszuführenden Schritte des Herstellungsprozesses des Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 6A bis 6C Teilschnittansichten, welche die im Anschluß an Fig. 5C folgenden, nacheinander auszuführenden Schritte des Herstellungsprozesses des Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 eine Teilschnittansicht des Gassensors in Fig. 7 entlang einer Linie VIII-VIII.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsformen genau beschrieben werden.

Erste Ausführungsform

In Fig. 1 ist ein Gassensor S1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, welcher zum Erkennen bzw. Erfassen eines Gases wie etwa Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Stickoxid (NO) oder Stickstoffdioxid (NO₂) vorgesehen ist. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, enthält der Gassensor S1 ein Substrat 10 aus Silizium vom n-Typ und eine Sensormembran bzw. Fühlermembran 20. Die Fühlermembran 20 ist auf dem gleichen Niveau wie eine erste Oberfläche des Substrats 10 angeordnet und bilded den Boden einer Ausnehmung bzw. Vertiefung 11, welche definiert ist durch die Fühlermembran 20 und eine Öffnung, welche durch Ätzen des Substrats 10 von einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche aus ausgebildet ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist auf der ersten Oberfläche und an dem Boden der Vertiefung 11 ein erster Isolationsfilm 21 angeordnet, welcher aus Siliziumoxid (SiO₂) hergestellt ist. Eine Heizung bzw. Heizungsanordnung 22, ein Paar von Heizungs-Anschlußelektroden 24 und ein Paar von Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 sind aus polykristallinem Silizium (Poly-Si) hergestellt, was ein in Halbleiterherstellungsverfahren herkömmlich verwendetes Material ist, und in dem ersten Isolationsfilm 21 vergraben.
Ein zweiter Isolationsfilm 25, welcher aus Siliziumnitrid (SiN) hergestellt ist, ist auf dem ersten Isolationsfilm 21 angeordnet. Auf dem zweiten Isolationsfilm 25 der Fühlermembran 20 ist ein gasempfindlicher Film bzw. Gasfühlerfilm 26 angeordnet. Der Gasfühlerfilm 26 ist aus einem Material hergestellt, dessen elektrischer Widerstand variiert, wenn das Material ein Gas wie CO, CH₄, NO oder NO₂ absorbiert. Insbesondere kann das Material ein Halbleiter vom Metalloxid-Typ wie etwa SnO₂ oder In₂O₃ sein. Die Fühlermembran 20, welche als der Boden der Vertiefung 11 angeordnet ist, enthält den ersten Isolationsfilm 21, die Heizungsanordnung 22, die Heizungs-Anschlußelektroden 24, die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23, den zweiten Isolationsfilm 25 und den Gasfühlerfilm 26. Die Heizungsanordnung 22, welche z. B. als Heizschlange ausgebildet sein kann, erzeugt Wärme zum Erwärmen des Gasfühlerfilms 26, wenn sie mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 sind jeweils mit dem Gasfühlerfilm 26 verbunden, und die Heizungs-Anschlußelektroden 24 sind jeweils mit der Heizungsanordnung 22 verbunden.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Stromkreis- bzw. Schaltungselektroden 30, welche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, um die Fühlermembran 20 herum angeordnet. Die Schaltungselektroden 30 sind zwischen dem ersten Isolationsfilm 21 und dem zweiten Isolationsfilm 25 mit Ausnahme von in den Isolationsfilmen 21, 25 vorgesehenen Öffnungen angeordnet. Die Schaltungselektroden 30 können durch Aufeinanderschichten von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit anderen Metallen ausgebildet sein. Zusätzlich dazu kann ein bei herkömmlichen Halbleiter-Herstellungsprozessen verwendetes leitfähiges Material wie Aluminium-Silizium (Al-Si), welches hauptsächlich Aluminium und eine kleine Menge, z. B. 0,1 bis 0,3%, an Silizium, Titan (Ti), Gold (Au), Kupfer (Cu) und Poly-Si enthält, als Material für die Schaltungselektroden 30 verwendet werden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein erstes Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode 23 durch jeweilige in den Isolationsfilmen 21, 25 angeordnete Öffnungen in elektrischem Kontakt mit dem Gasfühlerfilm 26. Ein zweites Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode 23 ist durch jeweilige in dem ersten Isolationsfilm 21 außerhalb der Fühlermembran 20 angeordnete Öffnungen in elektrischem Kontakt einer jeweiligen Schaltungselektrode 30.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Gassensor S1 weist die Heizungsanordnung 22 ein Muster derart auf, daß sie sich unter dem Gasfühlerfilm 26 in der Fühlermembran 20 windet und durch die Isolationsfilme 21, 25 elektrisch von dem Gasfühlerfilm 26 isoliert ist. Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Gassensor S1 sind die Heizungs-Anschlußelektroden 24 und die Heizungsanordnung 22 so integriert, daß ein erstes Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode 24 mit der Heizungsanordnung 22 verbunden ist. Wenn auch in Fig. 2 nicht gezeigt, ist ein zweites Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode 24 durch jeweilige in dem ersten Isolationsfilm 21 außerhalb der Fühlermembran 20 angeordnete Öffnungen in elektrischem Kontakt mit einer jeweiligen Schaltungselektrode 30. Wie in Fig. 2 gezeigt, befindet sich ein Gasfühlergebiet 40 in dem Gebiet, welches durch den Gasfühlerfilm 26 definiert ist, sodaß sich das Gasfühlergebiet 40 bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Gassensor S1 nur auf der Fühlermembran 20 befindet.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Gassensor S1 ist eine Mehrzahl von Schaltungselementen 100, welche mit den Schaltungselektroden 30 elektrisch verbunden sind, um die Fühlermembran 20 herum in dem schraffierten Gebiet in Fig. 1 angeordnet. Die Schaltungselemente 100 sind zur Stromversorgung der Heizungsanordnung 22 Strom durch die Schaltungselektroden 30 und zum Verarbeiten des elektrischen Signals ausgebildet, welches bei dem Gasfühlerfilm 26 in der Form einer Widerstandsänderung generiert wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfassen die Schaltungselemente 100 einen Komplementär-MOSFET 110 (CMOSFET), welcher aus einem P-Kanal-MOSFET und einem N-Kanal-MOSFET besteht. Jeder MOSFET enthält eine Gateelektrode 111, eine Sourceelektrode 112, welche in Kontakt mit einem Sourcegebiet ist, und eine Drainelektrode 113, welche in Kontakt mit einem Draingebiet ist.
Die Elektroden 111, 112, 113 des CMOSFET 110 können unter Verwendung von Materialien ausgebildet sein, welche in den Herstellungsprozessen für herkömmliche CMOSFETs verwendet werden. Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Gassensor S1 ist die Gateelektrode 111 aus Poly-Si hergestellt, was das gleiche Material ist, welches zum Ausbilden der Heizungsanordnung 22, der Heizungs-Anschlußelektroden 24 und der Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 verwendet wird. Sie Sourceelektrode 112 und die Drainelektrode 113 sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, was das gleiche Material ist, welches zum Ausbilden der Schaltungselektroden 30 verwendet wird. Der erste und zweite Isolationsfilm 21, 25 fungieren in dem CMOSFET 10 der Schaltungskomponenten 100 jeweils als ein Zwischenschicht-Isolationsfilm und ein Passivierfilm. In Fig. 2 ist nur ein CMOSFET 110 dargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, daß die Schaltungskomponenten 100 eine Mehrzahl von CMOSFETs 110 umfassen können, und darüberhinaus, daß die Schaltungskomponenten 100 andere Transistoren wie etwa Bipolartransistor und BiCMOS-Transistor umfassen können.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Gassensor S1 wird unter Verwendung des in Fig. 3A gezeigten Siliziumsubstrats 10 vom n-Typ hergestellt wie folgt. Zuerst wird, wie in Fig. 38 gezeigt, ein thermischer Oxidfilm 21a auf der ersten Oberfläche des Substrats 10 thermisch ausgebildet, und Muldengebiete für den CMOSFET 110 werden durch Ionenimplantation durch den thermischen Oxidfilm 21a und thermische Diffusion ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 3C gezeigt, ein Poly-Si-Film durch ein CVD-Verfahren auf dem thermischen Oxidfilm 21a abgelegt, und die Heizungsanordnung 22, die Heizungs-Anschlußelektroden 24, die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 und die Gateelektrode 111 werden gleichzeitig als Muster aus dem Poly-S1-Film ausgebildet, wobei in Fig. 3C die Heizungs-Anschlußelektrode 24 nicht dargestellt ist.
Als nächstes werden, wie in Fig. 4A gezeigt, Source- und Draingebiete durch Ionenimplantation und thermische Diffusion ausgebildet. Dann wird durch ein CVD-Verfahren ein Siliziumoxidfilm ausgebildet, wie in Fig. 48 gezeigt. Der Siliziumoxidfilm und der thermische Oxidfilm 21a sind bzw. werden integriert und bilden den Siliziumoxidfilm 21, welcher der erste Isolationsfilm 21 ist. Nachfolgend werden, wie in Fig. 4C gezeigt, durch Photolithographie und Ätzen Kontaktlöcher 120 in dem ersten Isolationsfilm 21 ausgebildet, um die Sourcegebiete mit den Sourceelektroden 112, die Draingebiete mit den Drainelektroden 113, und sowohl die Heizungsanordnung 22 als auch die Heizungs-Anschlußelektroden 24 und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 mit den Schaltungselektroden 30 elektrisch zu verbinden.
Die Sourceelektroden 112, die Drainelektroden 113 und die Schaltungselektroden 30 werden aus einem Film aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet, welcher, wie in Fig. 5A gezeigt, durch Sputtern abgelegt wird. Zur gleichen Zeit werden, wenn auch nicht dargestellt, andere Verdrahtungen für die Schaltungskomponenten 100 ausgebildet. Als nächstes wird, wie in Fig. 5B gezeigt, ein Siliziumnitridfilm 25, welcher der zweite Isolationsfilm 25 ist, durch CVD ausgebildet. Als nächstes werden, wie in Fig. 5C gezeigt, durch Photolithographie und Ätzen in dem Siliziumoxidfilm 21 und dem Siliziumnitridfilm 25 Kontaktlöcher 121 ausgebildet, um die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 mit dem Gasfühlerfilm 26 elektrisch zu verbinden. Zur gleichen Zeit werden, wenn auch nicht dargestellt, in dem Siliziumoxidfilm 21 und dem Siliziumnitridfilm 25 andere Kontaktlöcher an den Positionen von Verbindungsflecken bzw. Bondinseln für Drahtanschlüsse bzw. Bonddrähte oder dergleichen in den Schaltungskomponenten 100 ausgebildet. Als nächstes wird auf der zweiten Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 mit Ausnahme eines Gebiets, in welchem eine Vertiefung 11 ausgebildet wird, eine aus Siliziumnitrid hergestellte Ätzmaske 11a ausgebildet, wie in Fig. 6A gezeigt. Die vorgenannten, in Fig. 3A bis 6A gezeigten Schritte werden unter Verwendung einer Produktionslinie für herkömmliche Halbleiterchips ausgeführt.
Dann wird, wie in Fig. 6B gezeigt, an der Stelle, welche der Heizungsanordnung 22, den Heizungs-Anschlußelektroden 24 und den Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 entspricht, durch anisotropes Ätzen des Siliziumsubstrats 10 von der zweiten Oberfläche her unter Verwendung eines Ätzmittels wie etwa einer wässrigen alkalischen Lösung, welche Kaliumhydroxid bzw. Ätzkali (KOH) enthält, die Vertiefung 11 ausgebildet. Durch das Ätzen wird eine Öffnung in dem Siliziumsubstrat 10 ausgebildet, und eine vorläufige Membran, welche den Boden der Vertiefung 11 bildet, an einem Ende der Öffnung ausgebildet.
Dann wird, wie in Fig. 6C gezeigt, in einer Produktionslinie, welche sich von jener für die vorgenannten Schritte verwendeten unterscheidet, der Gasfühlerfilm 26 durch Drucken einer Paste, welche SnO₂ oder In₂O₃ enthält, auf der vorläufigen Membran und Härten bzw. Aushärten der Paste ausgebildet, um die Fühlermembran 20 und das Gasfühlergebiet 40 auf im Wesentlichen dem gleichen Niveau wie die erste Oberfläche des Substrats 10 auszubilden. In diesem Stadium ist der in Fig. 1 und 2 gezeigte Gassensor S1 fertiggestellt.
Halbleiter vom Metalloxidtyp wie etwa SnO₂ und In₂O₃ können die Herstellungsprozesse von herkömmlichen Halbleiterchips, welche Elemente wie etwa den CMOSFET 110 enthalten oder daraus bestehen, verunreinigen, wenn sie sich in der Produktionslinie für die Halbleitermikrochips befinden. Dagegen wird bei dem Verfahren nach der ersten Ausführungsform der Gasfühlerfilm 26 nach den in Fig. 3A bis 6A gezeigten Herstellungsschritten für den CMOSFET 110 in einer unterschiedlichen Produktionslinie ausgebildet. Dadurch wird verhindert, daß der CMOSFET 110 durch die Metalloxid-Halbleiter verunreinigt wird. Darüberhinaus sind die in Fig. 3A bis 6A gezeigten Herstellungsschritte mit den Herstellungsprozessen herkömmlicher Halbleiterchips kompatibel.
Als das Material für den Gasfühlerfilm 26 wird vorzugsweise eine Paste verwendet, welche einen Metalloxid- Halbleiter enthält, dessen elektrischer Widerstand sich als Reaktion auf die Konzentration eines erfaßten Gases ändert. In besonderer Weise vorteilhaft ist die Verwendung einer Paste, welche die Ausbildung des Gasfühlerfilms 26 durch Drucken und Aushärten bei einer Temperatur von weniger als 450°C erlaubt, weil die elektronischen Eigenschaften der Schaltungskomponenten 100 bei einer Temperatur von weniger als 450°C unbeeinflußt bleiben.
Schließlich wird der in Fig. 1 und 2 gezeigte Gassensor S1 mit einer außen liegenden Schaltung durch Drahtbonden oder dergleichen der Bondinseln mit entsprechenden Anschlußflecken oder dergleichen in der außen liegenden Schaltung elektrisch verbunden.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Gassensor S1 arbeitet wie folgt. Die Heizungsanordnung 22 wird dadurch erwärmt, daß der Heizungsanordnung 22 von den Schaltungskomponenten 100 aus elektrischer Strom zugeführt wird. Die Fühlermembran 20 wird durch die bei der Heizungsanordnung 22 erzeugte Wärme auf eine Temperatur zwischen 300°C und 600°C erwärmt, um den Gasfühlerfilm 26 mit einer vorbestimmten Empfindlichkeit auszustatten. Mit Ausnahme der Fühlermembran 20 bleibt die Temperatur des Gassensors S1 niedriger als 120, weil die Wärme durch das Siliziumsubstrat 10 abgegeben wird. Daher liegt kein Wärmeverlust an PN-Übergängen zwischen den Muldengebieten und keine thermische Beeinträchtigung der Verdrahtungen bzw. Leitungen für die Schaltungskomponenten 100 vor.
Der elektrische Widerstand des Gasfühlerfilms 26 ändert sich als Reaktion auf die Konzentration des erfaßten bzw. zu erfassenden Gases wie etwa CO, CH₄, NO oder NO₂ in der Atmosphäre, welcher der Sensor S1 ausgesetzt ist. Die Änderung des elektrischen Widerstands des Gasfühlerfilms 26 wird durch die Schaltungskomponenten 100 verarbeitet, um eine vorbestimmte Form eines Signals zu liefern, dessen Intensität der Konzentration des erfaßten Gases entspricht. Zum Beispiel wird die Änderung des elektrischen Widerstands des Gasfühlerfilms 26 durch den CMOSFET 110 in der Schaltungskomponente 100 in eine Potentialänderung umgewandelt, und die Potentialänderung wird verstärkt und korrigiert, um das Signal als Reaktion auf die Konzentration des erfaßten Gases auszugeben.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Gassensor S1 sind sowohl die Heizungsanordnung 22 als auch die Heizungs-Anschlußelektroden 24 und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 aus Poly-Si anstelle von Platin hergestellt, welches in den Herstellungsprozessen herkömmlicher Halbleiterchips wie etwa einem CMOSFET ein Schadstoff werden kann. Daher ist der Herstellungsprozeß des Gassensors S1 weiter mit jenem herkömmlicher Halbleitermikrochips kompatibel. Zusätzlich sind die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 und die Heizungs-Anschlußelektroden 24 elektrisch mit den Schaltungselektroden 30 verbunden, welche außerhalb der Fühlermembran 20 angeordnet sind, und die Schaltungselektroden 30 sind elektrisch mit den Schaltungskomponenten 100 verbunden, welche ebenfalls außerhalb der Fühlermembran 20 angeordnet sind. Daher sind das Gasfühlergebiet 40 und die Schaltungskomponenten 100 vergleichsweise einfach in den Gassensor S1 in Fig. 1 und 2 integriert bzw. zu integrieren.
Die Gateelektroden 111 des CMOSFET 110, welcher in den Schaltungskomponenten 100 enthalten ist, sind aus Poly-Si hergestellt. Daher weist der Herstellungsprozeß des Gassensors S1 einen Vorteil dahingehend auf, daß er in der Lage ist, das Material für die Gateelektroden 111 und das Material für die Heizungsanordnung 22, die Heizungs- Anschlußelektroden 24 und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 zu konsolidieren bzw. zu verfestigen, und daß er weiter in der Lage ist, die Gateelektroden 111, die Heizungsanordnung 22, die Heizungs-Anschlußelektroden 2 und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 gleichzeitig auszubilden.
Es versteht sich von selbst, daß die Reihenfolge der Verfahrensschritte von der in der vorstehenden Beschreibung des Verfahrens gewählten im Rahmen der Erfindung abweichen kann, sofern technisch möglich und sinnvoll.

Zweite Ausführungsform

Wie in Fig. 7 gezeigt, weist ein Gassensor S2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung keine Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 auf.
Stattdessen erstreckt sich ein Gasfühlerfilm 26 von einer Fühlermembran 20 aus nach außen, um direkt mit den Schaltungselektroden 30 verbunden zu sein. Heizungs-Anschlußelektroden 24 stellen bei dem Gassensor S2 einen elektrischen Kontakt zwischen Heizungsanordnung 22 und Schaltungselektroden 30 in gleicher Weise wie bei dem Gassensor S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung her. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist der Gasfühlerfilm 26 durch Kontaktlöcher, welche in einem Siliziumnitridfilm 25 außerhalb der Fühlermembran 20 angeordnet sind, elektrisch mit den Schaltungselektroden 30 verbunden.
Der Gassensor S2 in Fig. 7 und 8 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung von im Wesentlichen den gleichen Herstellungsschritten wie jenen für die Herstellung des Gassensors S1 in Fig. 1 und 2 hergestellt, mit Ausnahme der in Fig. 3C, 4C und 5C gezeigten Schritte. Bei dem Herstellungsprozeß für den Gassensor S2 werden in dem in Fig. 3C gezeigten Schritt nur die Heizungsanordnung 22 und die Heizungs-Anschlußelektroden 24 als Muster aus einem Poly- Si-Film ausgebildet; in dem in Fig. 4C gezeigten Schritt werden Kontaktlöcher 120 an den den Schaltungselektroden 30 entsprechenden Stellen im Siliziumoxidfilm 21 nicht ausgebildet; und in dem in Fig. 5C gezeigten Schritt werden Kontaktlöcher an den den Schaltungselektroden 30 entsprechenden Stellen im Siliziumnitridfilm 25 nicht ausgebildet.
Genau wie bei dem Gassensor S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Fig. 1 und 2 sind bei dem in Fig. 7 und 8 gezeigten Gassensor S2 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Heizungsanordnung 22 und die Heizungs-Anschlußelektroden 24 aus Poly-Si hergestellt. Daher ist auch der Herstellungsprozeß des Gassensors S2 mit jenem herkömmlicher Halbleitermikrochips kompatibel. Der Gassensor S2 zeigt im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie der Gassensor S1. Allerdings liegen zwischen den Gassensoren S1 und S2 die folgenden Unterschiede vor. Die Fühlermembran 20 des Gassensors S1 weist eine bessere Wärmespeicherkapazität als die des Gassensors S2 auf, weil ein Randgebiet der Fühlermembran 20 des Gassensors S2 aufgrund des erweiterten Gasfühlerfilms 26 dicker als jenes des Gassensors S1 ist und Wärme leichter abgibt.
Der Gasfühlerfilm 26 ist bei dem Gassensor S1 durch die aus Poly-Si hergestellten Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden 23 mit den Schaltungselektroden 30 verbunden, während bei dem Gassensor S2 der Gasfühlerfilm 26 direkt mit den Schaltungselektroden 30 verbunden ist. Daher ist die Empfindlichkeit des Gassensors S1 durch die Charakteristiken des elektrischen Widerstands der Gasfühlerfilm- Anschlußelektroden 23 beeinflußt, und die Empfindlichkeit des Gassensors S1 muß korrigiert werden, während dies bei dem Gassensor S2 nicht der Fall ist.
Abgesehen von den oben genannten Abweichungen sind sind die Gassensoren S1 und S2 gemäß der ersten bzw. zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die Verfahren zu deren Herstellung im wesentlichen identisch, und die Merkmale, Vorteile und Wirkungen der beiden Ausführungsformen finden sich wechselweise auch in der jeweils anderen. Andererseits können sich die Gassensoren S1 und S2 auch in anderen Punkten als den vorgenannten unterscheiden.

Modifizierung

Der Gassensor S1 in Fig. 1 und 2 und der Gassensor S2 in Fig. 7 und 8 müssen nicht notwendigerweie die Schaltungskomponenten 100 einschließen, welche die Heizungsanordnung 22 durch die Schaltungselektroden 30 mit elektrischem Strom versorgen und das bei dem Gasfühlerfilm 26 generierte elektrische Signal verarbeiten. Vielmehr können die Schaltungskomponenten 100 von den Gassensoren S1, S2 getrennt als eine externe Schaltung ausgebildet sein, und in diesem Fall können das Gasfühlergebiet 40 und die externe Schaltung durch Drahtbonden oder dergleichen elektrisch verbunden sein.
Vorstehend wurde in zwei Ausführungsformen sowie einer Modifizierung ein Gassensor vorgestellt, welcher ein Halbleitersubstrat und eine Fühlermembran umfaßt. Die Modifizierung kann auf jede der beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Die Fühlermembran befindet sich am Boden einer Vertiefung, welche durch Ätzen des Substrats ausgebildet ist, und umfaßt eine Heizungsanordnung, Heizungs-Anschlußelektroden, einen Gasfühlerfilm und Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden. Ein erstes Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode ist in Kontakt mit der Heizungsanordnung, und ein zweites Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode erstreckt sich von der Fühlermembran aus nach außen. Ein erstes Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode ist in Kontakt mit dem Gasfühlerfilm, und ein zweites Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode erstreckt sich von der Fühlermembran aus nach außen. Sowohl die Heizungsanordnung, als auch die Heizungs-Anschlußelektroden und die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden sind aus polykristallinem Silizium hergestellt.

Claims

1. Gassensor (S1), welcher aufweist:
ein Halbleitersubstrat (10), welches eine Öffnung aufweist; und
eine Fühlermembran (20), welche an einem Ende der Öffnung angeordnet ist, um zusammen mit der Öffnung eine Vertiefung (11) zu bilden, und enthält:
einen Gasfühlerfilm (26);
ein Heizungsanordnung (22), welche aus polykristallinem Silizium besteht;
ein Paar Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden (23), welche aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei ein erstes Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode (23) in elektrischem Kontakt mit dem Gasfühlerfilm (26) ist und sich ein zweites Ende jeder Gasfühlerfilm-Anschlußelektrode (23) von der Fühlermembran (20) aus nach außen erstreckt; und
ein Paar Heizungs-Anschlußelektroden (24), welche aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei ein erstes Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode (24) in elektrischem Kontakt mit der Heizungsanordnung (22) ist und sich ein zweites Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode (24) von der Fühlermembran (20) aus nach außen erstreckt.

2. Gassensor (S1) nach Anspruch 1, welcher weiter eine Mehrzahl von Schaltungselektroden (30) aufweist, welche aus einem Metall bestehen und außerhalb der Fühlermembran (20) angeordnet sind, wobei die Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden (23) und die Heizungs-Anschlußelektroden (24) in elektrischem Kontakt mit den Schaltungselektroden (30) außerhalb der Fühlermembran (20) sind.

3. Gassensor (S2), welcher aufweist:
ein Halbleitersubstrat (10), welches eine Öffnung aufweist; und
eine Fühlermembran (20), welche an einem Ende der Öffnung angeordnet ist, um zusammen mit der Öffnung eine Vertiefung (11) zu bilden, und enthält:
einen Gasfühlerfilm (26), welcher sich von der Fühlermembran (20) aus nach außen erstreckt;
ein Heizungsanordnung (22), welche aus polykristallinem Silizium besteht; und
ein Paar Heizungs-Anschlußelektroden (24), welche aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei ein erstes Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode (24) in elektrischem Kontakt mit der Heizungsanordnung (22) ist und sich ein zweites Ende jeder Heizungs-Anschlußelektrode (24) von der Fühlermembran (20) aus nach außen erstreckt.

4. Gassensor (S2) nach Anspruch 3, welcher weiter eine Mehrzahl von Schaltungselektroden (30) aufweist, welche aus einem Metall bestehen und außerhalb der Fühlermembran (20) angeordnet sind, wobei die Heizungs- Anschlußelektroden (24) und der Gasfühlerfilm (26) in elektrischem Kontakt mit den Schaltungselektroden (30) außerhalb der Fühlermembran (20) sind.

5. Gassensor (S1, S2) nach Anspruch 2 oder 4, wobei die Schaltungselektroden (30) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.

6. Gassensor (S1, S2) nach Anspruch 2, 4 oder 5, wobei der Gassensor (S1, S2) Schaltungskomponenten (100) enthält, welche außerhalb der Fühlermembran (20) angeordnet sind und in elektrischem Kontakt mit den Schaltungselektroden (30) sind, wobei die Schaltungskomponenten (100) durch die Schaltungselektroden (30) die Heizungsanordnung (22) mit elektrischem Strom versorgen und ein elektrisches Signal verarbeiten, welches bei dem Gasfühlerfilm (26) erzeugt wird.

7. Gassensor (S1, S2) nach Anspruch 6, wobei die Schaltungskomponenten (100) einen CMOSFET (110) einschließen.

8. Gassensor (S1, S2) nach Anspruch 7, wobei Gateelektroden (111) des CMOSFET (110) aus polykristallinem Silizium bestehen.

9. Verfahren zum Herstellen eines Gassensors (S1, S2), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
gleichzeitiges Ausbilden einer Heizungsanordnung (22) und eines Paars von Heizungs-Anschlußelektroden (24) auf einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats (10) aus einem Film polykristallinen Siliziums;
Ätzen des Halbleitersubstrats (10) von einer zweiten Oberfläche her, um eine Öffnung in dem Halbleitersubstrat (10) und eine vorläufige Membran an einem Ende der Öffnung auszubilden, wobei die Öffnung und die vorläufige Membran eine Vertiefung bilden (11); und
Ausbilden eines Gasfühlerfilms (26) auf der vorläufigen Membran, um eine Fühlermembran (20) und ein Gasfühlergebiet (40) auf im Wesentlichen dem gleichen Niveau wie die erste Oberfläche des Substrats (10) auszubilden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei in dem Schritt eines Ausbildens der Heizungsanordnung (22) und des Paars von Heizungs-Anschlußelektroden (24) eine Gateelektrode (111) eines CMOSFET (110) aus dem Film polykristallinen Siliziums außerhalb des Gebiets, in welchem die Fühlermembran ausgebildet wird, ausgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei in dem Schritt eines Ausbildens der Heizungsanordnung (22) und des Paars von Heizungs-Anschlußelektroden (24) ein Paar von Gasfühlerfilm-Anschlußelektroden (23) aus dem Film polykristallinen Siliziums ausgebildet wird.