DE19814857A1

DE19814857A1 - Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung

Info

Publication number: DE19814857A1
Application number: DE1998114857
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Rainer Strzoda; Bernhard Ostrick; Hans Meixner; Frank Daeche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: DE19814857C2; WO1999051976A1

Abstract

Es wird ein hybrider Flip-Chip-Aufbau eines Gassensors nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung in Form eines kostengünstigen CMOS-Transistors vorgestellt. Dieser besteht aus einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat (8), das elektrische Leiterbahnen (14) und Kontaktiermittel aufweist. Eine gassensitive Schicht (11) ist Bestandteil der Gateisolierung. Der CMOS-Transistor (10) mit Source (s) und Drain (D) ist in Flip-Chip-Technik auf dem Keramiksubstrat (8) montiert und entsprechend mit den Leiterbahnen (14) kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der bestimmte Gase nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bzw. deren Ände rung detektiert. Bei einem derartigen Sensor wird durch den Kontakt mit einem zu detektierenden Gas eine Änderung der Austrittsarbeit an einem gassensitiven Material verursacht.

Um einen Sensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung kostengünstig und mit kleiner Baugröße herzustellen, wird die Änderung der Austrittsarbeit direkt an einem Kanal eines Feld effekttransistors gemessen. Dazu wird der Feldeffekttransi stor durch die Änderung der Austrittsarbeit derart angesteu ert, daß als Sensorsignal z. B. eine einfach auszulesende Än derung des Source-Drain-Stromes abgegriffen werden kann.

Gegenüber herkömmlichen Wirkprinzipien von Gassensoren, wie beispielsweise resistiven Sensoren, die in der Regel halblei tende Metalloxide beinhalten, elektrochemische Zellen, Nernst Sonden oder Pellistoren, bietet die Benutzung der Aus trittsarbeitsänderung wesentliche Vorteile. So ist mit derar tigen Sensoren erstmals die Kombination von geringen Herstel lungskosten und geringem Energiebedarf im Betrieb erzielbar. Die Herstellungskosten sind sehr gering und der Betrieb läßt sich mit einer Leistungsaufnahme im Micro- oder Milliwattbe reich bewerkstelligen. Dadurch erschließen sich zusätzlich zum konventionellen Massenmarkt für Gassensoren große spezifi sche neue Märkte. Zum anderen können für diese Gassensoren prinzipiell alle unter Einsatzbedingungen stabilen Detekti onsmaterialien verwendet werden, wodurch eine bisher uner reicht große Bandbreite unterschiedlicher Gase detektierbar ist. Durch die Möglichkeit für ein Zielgas ein bezüglich der chemischen Eigenschaften passendes Detektionsmaterial zu wäh len, ist eine hohe Selektivität der Gasdetektion möglich.

Bisher existieren verschiedene im Forschungsstadium befindli che Aufbauten, die hinlänglich die prinzipielle Machbarkeit der Messung der Austrittsarbeit beispielsweise mit gassensi tiven Transistoren und entsprechenden gassensitiven Schichten gezeigt haben. Für eine Produktverwertung existiert jedoch keinerlei praktikable Produktionstechnologie.

Ein Kennzeichen derartiger gassensitiver Transistoren [1] be steht in einem Luftspalt zwischen einem passivierten Kanal und einer Schicht des Sensormaterials, das ein Bestandteil eines Gates darstellt (suspended gate). In dieses diffundiert das zu messende Gasgemisch ein. Durch Adsorption von Molekü len des zu detektierenden Gases auf der Oberfläche des sensi tiven Materials entsteht eine Dipolschicht und damit ein elektrisches Potential, welches über den kleinen Luftspalt die Kanalleitfähigkeit und damit den Source-Drain-Strom be einflußt.

In der Druckschrift [2] wird von einem monolithischen Aufbau des suspended gate ausgegangen, wobei auf der Oberfläche des Siliziums durch eine Folge von Abscheide- und Ätzprozessen die benötigte Struktur mit einem Luftspalt geschaffen wird. Insbesondere wird der Luftspalt durch Abscheiden einer Opfer schicht, Aufbringung zusätzlicher Schichten und in einem spä ter folgenden Prozeß durch Wegätzen der Opferschicht, wodurch eine Hohlraumbildung von statten geht, gebildet.

Diese Technologie hat sich jedoch als nicht praktikabel er wiesen, da bei den zur Öffnung des Luftspaltes benötigten Ätzprozessen beinahe unvermeidlich auch die gassensitive Schicht angegriffen wird. Diese Methode erlaubt auch von der möglichen Abscheidetechnik der gassensitiven Schicht her nur eine sehr eingeschränkte Gruppe von Sensormaterialien, so daß hiermit der wesentliche Vorteil der beschriebenen Meßmethode derartiger Sensoren, nämlich die Detektion einer großen Band breite von Gasen durch unterschiedliche Detektormaterialien, entfällt. Zudem sind für einen derartigen Aufbau eine große Reihe von nicht CMOS kompatiblen Sonderprozessen nötig.

Weitergehende Entwicklungen haben gezeigt, daß die Aufbau technologie eines hybriden Gates [3] wesentliche Vorteile mit sich bringt. Bei derartigen Aufbauten wird ein Basistransi stor in CMOS-Technologie hergestellt, bei dem der Kanalbe reich mit einer Passivierung, beispielsweise Si₃N₄, versehen ist. In einem davon unabhängigen Prozeß wird ein Gate in Si lizium-Mikromechanik hergestellt, welches bei relativ gro ßer Freiheit der anzuwendenden Prozesse mit einer dünnen Schicht des Detektionsmaterials bedeckt wird. Das Gate weist beispielsweise auch Abstandshalter auf und wird über dem Ka nal des CMOS-Basistransistors befestigt, wodurch wiederum der benötigte Luftspalt gebildet wird. Nachteile dieses Aufbaues bestehen darin, daß aufwendige und nicht für sämtliche Pro duktionsstandorte verfügbare Silizium-Mikromechanik und auf wendige Bearbeitungen eines hybriden Gates mit Prozessen auf beiden Seiten notwendig sind. Außerdem muß der besprochene Aufbau eines Gassensors noch an einen hochwertigen Sockel eingebaut werden, was einen zusätzlichen Kostenfaktor dar stellt.

Vergleichbare Aufbautechnologien finden sich weiterhin in der Druckschrift [4], wobei allerdings der Luftspalt separat als Kapazität ausgeführt ist und die Spannung über einen Bondkon takt in den MOSFET geführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bereit zu stel len, der einen minimierten und einfachen Aufbau mit allen Vorteilen des Prinzipes der Austrittsarbeitsmessung aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf einem elektrisch isolierenden Substrat mit elektrischen Leiterbah nen und Kontaktiermitteln in einfacher und vorteilhafter Wei se ein MOSFET mit passiviertem Gate in Flip-Chip-Technik auf gebracht werden kann, wobei das Substrat wesentlich größer ist als der Feldeffekttransistor. Wesentlich hierbei ist, daß die in dem Aufbau vorhandene gassensitive Schicht, die einen Bestandteil der Gateisolierung des FET darstellt, leicht rea lisierbar ist. Darüber hinaus besteht die einfache Möglich keit den ebenfalls zur Gateisolierung zugehörigen Luftspalt innerhalb des MOSFET bei der Flip-Chip-Montage exakt einzu stellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent nommen werden.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues eines gassensi tiven FET nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues für einen erfin dungsgemäß strukturierten gassensitiven FET,

Fig. 3 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues für einen erfin dungsgemäß strukturierten gassensitiven FET für die SMD-Montage,

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen konstruktive Ausgestaltungen ent sprechend der Fig. 2 und 3, wobei zusätzliche Elektroden zur Realisierung der Guard-Technik für das Gate-Potential bzw. für die Potentialsteuerung der gassensitiven Schicht verwendet werden,

Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues eines FET mit Referenztransistor zur Temperaturkompensation und Gaskanäle im Substrat,

Fig. 7 zeigt einen teilweise vergossenen Gassensor der da durch gegen aggressive Atmosphäre geschützt ist.

Die Verwendung eines hybriden Aufbaues mit Flip-Chip-Tech nologie besteht, wie die Fig. 2 und folgende zeigen, aus:

- einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat 8, welches als Träger des Aufbaues dient,
- elektrischer Leiterbahnen 14 auf dem Keramiksubstrat 8 mit Kontaktflecken 15 (Kontaktpads für die SMD-Montage) oder mit Steckstiften (Pin) 13 zur Kontaktierung nach außen hin,
- einer gassensitiven Schicht 11, 111, welche lokal auf dem Keramiksubstrat 8 aufgebracht ist,
- einem CMOS-Transistor 10, 100 mit passiviertem Gate, wel cher von der lateralen Größe her deutlich unter den Abmessun gen des Trägersubstrats liegt.

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Aufbau eines gas sensitiven FETs nach dem Stand der Technik ist auf einem Grundkörper aus Silizium aufgebaut, enthält einen Drainbe reich D, Sourcebereiche S1, S2, die zu einem HSGFET bzw. zu einem Referenz-FET gehören, einem Guard-Ring 6, Abstandshal tern 3, einem hybriden Silizium-Gate 7 und einer Gaszuführung 5. Das Gate 7 weist eine definierte Beabstandung zum Grund körper auf. Der dadurch definierte Luftspalt zwischen Gate 7 und Grundkörper bzw. zu Drain D und Source S1, S2 ist Be standteile einer Gateisolierung, wobei die gassensitive Schicht 1 in diese Gateisolierung integriert ist. Der konven tionelle Aufbau nach Fig. 1 ist sehr kostenaufwendig in der Fertigung, da das Gate durch sog. Bulk-Silizium-Mikromechanik geformt werden muß. Zum anderen ist es erforderlich, daß der gesamte Aufbau in einem Sockel montiert wird.

Die Fig. 2 zeigt, den grundsätzlichen Aufbau entsprechend der Erfindung. Dabei wird der CMOS-Transistor 10 in Flip-Chip-Technik auf ein mit Leiterbahnen 14 versehenes Kera miksubstrat 8 montiert. Dies kann beispielsweise mittels ei nes Leitklebstoffes 12 geschehen. Die gassensitive Schicht 11 ist partiell auf dem Keramiksubstrat 8 aufgebracht und mit den Leiterbahnen 14 entsprechend kontaktiert. Der Gaskanal ist der bereits beschriebene Luftspalt 9 zwischen Gate und CMOS-Transistor. Bei diesem Aufbau kann auf die Bulk-Sili zium-Mikromechanik-Fertigung verzichtet werden. Statt des sen wird ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat einge setzt. Das Keramiksubstrat 8 dient als Träger der gassensiti ven Schicht und gleichzeitig als Träger des gesamten Sensor aufbaues, so daß kein Einbau in einen Sensorsockel notwendig ist. Auf dieses Keramiksubstrat 8 können Steckstifte 13 ange bracht werden, so daß das elektronische Bauelement direkt beispielsweise in eine Single-in-Line Steckverbindung einge bracht werden kann. Alternativ ist auch die Ausführung als SMD-Bauelement möglich (surface mounted device) entsprechend Fig. 3. In Fig. 3 sind die Leiterbahnen dreidimensional ausgebildet, so daß sie senkrecht zur lateralen Ausbildung des Keramiksubstrats 8 zu dessen Unterseite geführt sind. Dort sind Kontaktflecken 15 zur SMD-Montage angebracht.

Auf dem Keramiksubstrat kann der CMOS-Transistor in Flip-Chip-Transistor befestigt und elektrisch kontaktiert werden, wozu Verbindungen aus Leitkleber 12, Lötverbindungen oder la sergeschweißte Gold-Bumps dienen können. Das Trägersubstrat kann aus nahezu beliebigem elektrisch isolierenden Material bestehen, wie beispielsweise aus Al₂O₃, Si₃N₄, Glas, Quarzglas, Kunststoff, . . . oder aus Metall mit aufgebrachter isolieren der Oberflächenschicht. Die auf dem Trägersubstrat aufge brachten Leiterbahnen 14 können beispielsweise mittels Sieb druck Technik oder auch durch photolithographische Struktu rierung mittels Sputter- oder Aufdampftechnik erzeugt werden. Die Leiterbahnen dienen der elektrischen Kontaktierung des Source- und Drain-Bereiches des Transistors und können noch weitere Funktionen umfassen. Diese weiteren Funktionen können beispielsweise eine elektrische Heizung, eine Temperaturmes sung, die Realisierung der Guardfunktionen des Gatepotenti als, . . . beinhalten. Um das elektronische Bauelement bezüg lich der Abmessungen klein zu gestalten, können Leiterbahnen 14 z. B. zur Darstellung einer Heizung auf der Rückseite des Trägersubstrats angebracht sein. Zusätzliche Leiterbahnen 14 können vorgesehen sein, um eine verbesserte Signalstabilität mittels der Guard-Technik zu erhalten, was durch Fig. 4 dar gestellt wird, worin eine Elektrode 17 für die Guard-Technik vorgesehen ist. Weiterhin kann durch Anlegen eines elektri schen Feldes an die gassensitive Schicht deren Adsorptionsei genschaft elektrisch beeinflußt werden, was einer Feldsteue rung entsprechend Fig. 5 entspricht. Damit wird das An sprechverhalten des Gassensors eingestellt bzw. verbessert. In Fig. 5 ist dazu eine Elektrode 18 für die Feldsteuerung vorgesehen.

Es kann ein CMOS-Transistor 101 als Referenztransistor vorge sehen, dieser ist im gesamten Aufbau integriert und enthält eine nicht-gassensitive Schicht bzw. liegt einer nicht gas sensitiven Schicht gegenüber. Durch diese vorteilhafte Ausge staltung kann eine Kompensation von Temperatureinflüssen rea lisiert werden. Diese Ausgestaltung sowie Gasführungen 50 im Trägersubstrat sind in der Fig. 6 dargestellt. Die Gasfüh rungen 50 realisieren einen Gaseinlaß, wobei die Öffnungen des Luftspaltes 9 im Gatebereich der Anordnung zur Seite hin nicht offen ausgeführt werden müssen. Für den Einsatz in rau hen Umgebungsbedingungen kann dieser Aufbau entsprechend in Fig. 7 zum Schutz vergossen werden. Dazu ist eine Verguß masse 16 vorgesehen, die den Aufbau teilweise oder vollstän dig umhüllt. Alternativ zu den Kontaktflecken 15 können am Rand des Keramiksubstrats 8 Steckstifte 13 vorgesehen sein.

Die Funktion des MOS-FET erfordert einen definierten Abstand der gassensitiven Schicht zum Transistor-Gate (Isolierung, Luftspalt, . . .) in der Größe von einigen Mikrometern. Ab standshalter können aus entsprechend strukturierten nicht leitenden Schichten entsprechender Stärke durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Spin-Coating, Aufdampfen, gebildet werden. Diese Abstandshalter werden auf die Si liziumoberfläche oder das Trägermaterial, beispielsweise Ke ramik, aufgebracht. Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Gas sensors umfaßt die Möglichkeit auf der Verdrahtungsstruktur des Trägersubstrates weitere Bauelemente mit dem Ziel zu mon tieren, Verarbeitungsschritte eines Sensorsignales bereits auf der beschriebenen Anordnung vorzunehmen.

Claims

1. Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung be stehend aus:

- einem elektrisch isolierenden Substrat,
- Kontaktiermitteln, die oberflächlich auf dem Substrat verlaufen,
- einer partiell auf dem Substrat aufgebrachten gas sensitiven Schicht und
- mindestens einem auf dem Substrat dargestellten MOS-FET-Transistor, wobei ein auf dem Substrat dargestellter Source/bzw. Drain-Bereich des Transistors jeweils mit den Kontaktiermitteln elektrisch kontaktiert ist und ein Gate mit einer gassensitiven Schicht in Flip-Chip-Technik relativ zu einem vorbestimmten Abstand zum Source/Drain-Bereich positioniert ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, worin die Kontaktiermittel zu sätzlich eine elektrische Heizung darstellen.

3. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel in Verbindung mit einem Temperatursen sor eine Temperaturmesseinheit darstellen.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Heizung oder eine Temperaturmesseinheit oder weitere Bauelemente auf der der gassensitiven Schicht gegenüberlie genden Seite des Substrates angebracht sind.

5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel mit am Substrat angebrachten Steck stiften (13) verbunden sind.

6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel mit auf dem Substrat aufgebrachten SMD-Anschlußflecken (15) verbunden sind.

7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin durch die Kontaktiermittel die Guard-Funktion des Gate-Potentiales darstellbar ist.

8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel Leiterbahnen (14) sind, die auf dem Substrat ein-, zwei- oder dreidimensional verlaufen.

9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Abstandshalter zur Einstellung des Luftspaltes (9) zwischen gassensitiver Schicht (11) und Transistor vorgesehen sind.

10. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Referenztransistor vorhanden ist, der einem nicht-gassensitiven Bereich des Gates gegenüberliegt.

11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Gasführung Durchbrüche im Substrat vorhanden sind.

12. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Träger aus Al₂O₃, Si₃N₄, Glas, Quarzglas, Kunststoff oder aus einem Metall mit aufgebrachter isolierender Oberflächen schicht besteht.

13. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine gassensitive Schicht aus einem Karbonat oder einem Phosphat besteht.

14. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Veränderung der Adsorptionseigenschaften des gassensiti ven Materiales ein elektrisches Feld an das gassensitive Material angelegbar ist.

15. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Verarbeitung eines Sensorsignales weitere Bauelemente auf dem Substrat vorgesehen sind.

16. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sensor zumindest teilweise mit einer Schutzschicht über zogen ist.

17. Gassensor nach Anspruch 16, worin die Schutzschicht aus Kunststoff besteht.