DE19956744A1 - Gassensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Gassensor zur Detektion von Gasen nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung vorgestellt. Der eingesetzte Feldeffekttransistor wird in Flip-Chip-Technologie auf einem Keramiksubstrat montiert, wobei das Halbleiterbauelement direkt auf der gassensitiven Schicht aufsitzt. Als Abstandhalter dient eine im Bereich des Kanals des Feldeffekttransistors mit einer Öffnung versehene Passivierungsschicht mit definierter Stärke.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der durch mindestens einen Feldeffekttransistor dargestellt wird, bestehend aus Bereichen für Source, Drain und Kanal (Emitter, Kollektor und Kanal). Eine auf einem Substrat befindliche Gate-Elektrode weist eine gassensitive Schicht auf und ist mit einem Halb­ leiterbauelement, das den Feldeffekttransistor enthält, zu­ sammengefügt. Weiterhin ist beispielsweise ein Gaskanal vor­ gesehen, um das zu analysierende Gas an die gassensitive Schicht zu führen.

Gassensoren, die nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung funktionieren, sind seit kurzer Zeit bekannt. Diese neuen Gassensoren, die sich vor allem dadurch auszeichnen, daß sie bei niedriger Betriebstemperatur von ca. 10°C bis maximal 120°C arbeiten und somit einen geringen Energieverbrauch von weniger als beispielsweise 100 mW aufweisen, stellen eine we­ sentliche Weiterentwicklung bisheriger Gassensor dar. Sie sind durch ein großes Spektrum nachweisbarer Gase gekenn­ zeichnet.

Das physikalische Meßprinzip für die neuen Gassensoren ist die Messung der Änderung der Austragsarbeit bei der Wechsel­ wirkung von gassensitiven Materialien mit Gasen. Durch die Verwendung der Meßgröße Austrittsarbeit ist neben der Senkung des Energieverbrauches auch eine deutliche Vereinfachung der Materialpräparation gegeben. Da durch die Auswertung einer reinen Oberflächeneigenschaft keine, im allgemeinen schwierig zu reproduzierenden, Abhängigkeiten von Korngrenzen und Elek­ trodenkontakten vorliegen, wie dies beispielsweise bei der Messung von Leitfähigkeiten der Fall ist, sind deutliche Ver­ besserungen der Reproduzierbarkeit der Sensorsignale möglich.

Ein Gassensorsystem nach dem Prinzip der Austrittsarbeit wird in der Regel durch den Einsatz von Feldeffekttransistoren realisiert. Eine Änderung der Austrittsarbeit an der gassen­ sitiven Beschichtung des Gates des Transistors ruft dabei ei­ ne Änderung der Einsatzspannung des Transistors hervor. Diese Änderung der Einsatzspannung ist letztlich die gemessene elektrische Größe. Hierzu ist ein Aufbau notwendig, der in geeigneter Form die Änderung der Austrittsarbeit eines Detek­ tionsmaterials in den Kanal eines Transistors einkoppelt.

Zur Realisierung dieses Meßprinzips ist beispielsweise die direkte Beschichtung des Gates mit wasserstoffpermeablem Pal­ ladium eingesetzt worden. Diese Lösung ist im wesentlichen nur zur Wasserstoffdetektion einsetzbar und benötigt zur Ak­ tivierung der Diffusion Energie, erlaubt also keinen Betrieb bei niedriger Leistung. Weiterhin sind sogenannte Gas- Feldeffekttransistoren (GasFET) mit Luftspalt zwischen sensi­ tivem Material und Gate bekannt (Suspended Gate Feldeffekt­ transistor, SGFET). In dieser Technologie wird jedoch die Si­ lizium-Ätztechnologie mittels einer Spacerschicht (Abstands­ schicht) verwendet, die zu einem monolithisch hergestellten Aufbau führt. Umfangreiche bisherige Untersuchungen zeigten jedoch, daß die meisten der sensitiven Schichten bei diesem Aufbau während des Freiätzens des Luftspaltes beschädigt wur­ den. Mit diesem Aufbau ist daher keine Freiheit bei der Wahl der Detektionsschicht gegeben.

Hybrid aufgebaute Transistoren werden als SGFET oder als Ca­ pacitive Controlled FET dargestellt. Dabei ist zwar durch den hybriden Aufbau die Möglichkeit gegeben, das Gate mit einer beliebigen Schicht zu versehen, wobei jedoch bisher keine realisierbaren Aufbauten mit entsprechender Verbindungstech­ nologie bekannt sind. Ausgegangen wird in der Regel von mi­ kromechanisch hergestellten Siliziumteilen, die manuell zu­ sammengebaut werden.

Das Grundkonzept eines industriell fertigbaren hybriden, ins­ besondere mit Keramik und Silizium realisierten, Flip-Chip- Aufbaus gibt die deutsche Patentanmeldung mit der amtlichen Anmeldenummer P 198 14 857.7 wieder. Der hier gezeigte hybri­ de Flip-Chip im Aufbau stellt eine kostengünstige Realisie­ rung eines Gassensors nach dem Prinzip der Austrittsarbeits­ messung dar. Dieser Stand der Technik wird in Verbindung mit der Fig. 2 näher erläutert.

In Fig. 2 ist ein Keramiksubstrat dargestellt, das nach au­ ßen hin über Steckpins kontaktierbar ist. Auf dem Keramiksub­ strat verlaufen Leiterbahnen, die in der Regel durch Sieb­ druck hergestellt sind. Das Keramiksubstrat trägt eine gas­ sensitive Schicht, die integraler Bestandteil der Gate- Elektrode ist. Das Keramiksubstrat dient als Träger für einen in Flip-Chip-Technik aufgebrachten CMOS-Transistor. Dieser wird mit seiner Frontseite, also umgedreht zur üblichen Mon­ tage, mittels Leitkleber auf dem Keramiksubstrat montiert. Die in diesem Halbleiterbauelement vorhandenen Bestandteile des Feldeffekttransistors, der Source-, der Drain- und der Kanalbereich bilden zusammen mit dem in der Seitenansicht sichtbaren Gaskanal insgesamt das System des GasFETs. Mit dem in Fig. 2 dargestellten Design eines gassensitiven Feldef­ fekttransistors läßt sich jedoch keine funktionsfähige Aus­ führung realisieren. Der in der Regel notwendige Gaskanal kann für ein funktionsfähiges System mit diesem Aufbau nicht reproduzierbar im µ-Meter-Bereich dargestellt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Gassen­ sor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung zur Verfü­ gung zu stellen, der eine große Freiheit in der Auswahl und Montage der gassensitiven Schichten erlaubt, der ein zuver­ lässiges Detektionssignal liefert und der kostengünstig her­ zustellen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Kombination der Merkmale entsprechend Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent­ nommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Herstel­ lung von Transistoren mit einer notwendigen Steilheit in ih­ rer Kennlinie der Abstand zwischen sensitiver Schicht und dem Kanalbereich des Transistors im µ-Meter-Bereich liegen muß. Dabei sollten weiterhin geringe Toleranzwerte eingehalten werden, wie beispielsweise 1 µm ± 0,4 µm oder 5 µm ± 1 µm. Dies benötigt äußerst präzise Abstandshalter. Bei hybriden in Flip-Chip-Technik aufgebauten gassensitiven Transistoren ste­ hen als Beschichtungstechnologien für den Keramikteil im we­ sentlichen Siebdruck oder Spin-Coating-Verfahren zur Verfü­ gung. Daraus läßt sich mit den genannten Vorgaben die Ferti­ gung eines Abstandshalters nicht erfüllen. Wenn berücksich­ tigt wird, daß eine typische Schichtdicke im Bereich von 10 µm ± 2 µm liegt, ist dies leicht zu erkennen. Dies, insbeson­ dere vor dem Hintergrund, daß die geforderte Gaskanaldimensi­ on als Differenz der Abstände zweier Dickschichten erzeugt werden muß. Erfindungsgemäß wird das in Flip-Chip-Technologie auf das Trägersubstrat aufzubringende Halbleiterbauelement modifiziert. Durch die letzte auf dem CMOS-Transistor aufge­ brachte Schicht, ausnahmslos eine Passivierungsschicht, wird ein Abstandshalter mit definierter Schichtdicke im gewünsch­ ten Bereich hergestellt. Dazu wird die Schicht über dem Ka­ nalbereich des Feldeffekttransistors geöffnet und direkt auf die gassensitive Schicht, die sich auf dem Trägersubstrat be­ findet, plaziert bzw. bei der Montage angedrückt. Dadurch be­ steht weitgehende Freiheit bei der Wahl der Präparationstech­ nik und der Dicke der gassensitiven Schicht.

Das Halbleiterbauelement wird in der Regel ein Silizium- Bauelement sein. Zu dessen oberflächlichen Passivierung wer­ den eine oder mehrere Passivierungsschichten aufgebracht, wo­ bei es vorteilhaft ist, die oberste Schicht aus Siliziumni­ trid herzustellen.

Der Kanal eines Feldeffekttransistors ist grundsätzlich durch die damit verbundene Ladungsträgergeneration auch lichtemp­ findlich. In manchen Anwendungen können daher wechselnde äu­ ßere Lichtintensitäten Störsignale auslösen. Es ist daher vorteilhaft, bei der Herstellung des Gaskanals, in der Regel durch einen Ätzvorgang, die Öffnung der Abdeckschicht (Sili­ ziumnitrid) auf dem Silizium-Bauelement im Eingangsbereich mäanderförmig zu strukturieren. Die Gasdiffusion in den Gas­ kanal ist trotz der mäanderförmigen Ausbildung gegeben, wobei jedoch die geradlinige Ausbreitung des Lichtes behindert wird.

Zur flexiblen Herstellung der Flip-Chip-Verbindung ist der Einsatz von leitfähigen Polymeren zur Befestigung des Halb­ leiterbauelementes auf einem Substrat vorteilhaft. Die dabei herzustellenden Polymerbumps müssen nicht mit exakt gleicher Höhe hergestellt werden, da sie bei der Flip-Chip-Montage im noch nicht ausgehärteten Zustand verformbar sind.

Im folgenden wird anhand der schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines GasFETs mit einem Abstandshalter und der Darstellung des Gas­ kanals,

Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Designs eines gassensiti­ ven Feldeffekttransistors in Flip-Chip-Technologie entsprechend dem Stand der Technik.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines GasFETs darge­ stellt, wobei einerseits das Keramiksubstrat mit der Gate- Elektrode, in die die gassensitive Schicht integriert ist, vorliegt, und andererseits ein Halbleiterbauelement, insbe­ sondere ein Silizium-Bauelement bzw. ein CMOS-Transistor.

Dieser Transistor wird in Flip-Chip-Technologie auf das Kera­ miksubstrat elektrisch leitend befestigt (gebondet).

Fig. 1 zeigt in einer stark verzerrten seitlichen Schnitt­ darstellung einen gassensitiven Feldeffekttransistor. Auf ei­ nem Substrat 1 ist eine Metallisierung 3, beispielsweise Kon­ taktpads oder Leiterbahnen aufgebracht, auf die die elek­ trisch leitenden Flip-Chip-Bonds 4 aufgesetzt sind. Bemaßun­ gen sind der Fig. 2 neben entsprechenden Doppelpfeilen zu entnehmen. Zentral ist die gassensitive Schicht 2 mit der Me­ tallisierung 3 verbunden. Das Halbleiterbauelement besteht aus dem Silizium-Bauelement 5, das eine p-Wanne 9 beinhaltet, worin wiederum der Drain-Bereich 7 und der Source-Bereich 8 angesiedelt sind. Zwischen den Bereichen 7, 8 liegt der Ka­ nalbereich des Transistors. Die oberste Passivierungsschicht des Halbleiterbauelementes trägt das Bezugszeichen 6. In die­ ser, im speziellen durch Siliziumnitrid dargestellten, Passi­ vierungsschicht wird zentral ein Durchbruch herausgearbeitet, so daß der Kanalbereich des Transistors frei liegt. Die Stär­ ke der Isolatorschicht 6 ist gleichzeitig der Abstand zwi­ schen dem Kanalbereich des Feldeffekttransistors und der gas­ sensitiven Schicht. Somit liegt einerseits die gassensitive Schicht direkt auf dem Silizium-Bauelement 5 auf, wird jedoch durch die Isolatorschicht 6 elektrisch getrennt. Die Öffnung bzw. der Durchbruch in der Isolatorschicht 6 stellt den Gas­ kanal 10 dar, durch den das zu detektierende Gas an die Gate- Elektrode bzw. an die gassensitive Schicht 2 gelangt.

Einige der in der Flip-Chip-Technik üblichen Bondtechniken wie beispielsweise Goldbump, Löttechnik, erlauben entweder keine ausreichende Flexibilität bei der Einstellung des Ab­ standes oder gasen während des Trocknungsvorganges aus (Löse­ mitteldämpfe). Dadurch können gassensitive Schichten geschä­ digt werden. Entsprechend der Erfindung werden beim Fügen der Einzelteile leitfähige Polymerbumps verwendet, insbesondere silbergefülltes Epoxid-Harz. Diese können, solange das Mate­ rial flexibel ist, ausreichend nachgeben bis das Halbleiter­ bauelement auf der gassensitiven Schicht aufsitzt. Zum Aus­ härten benötigen diese Materialien Temperaturen von maximal 100°C. Darüber hinaus treten keinerlei Ausgasungen, bei­ spielsweise von Lösungsmitteln, auf. Ein geeigneter Klebstoff ist beispielsweise ein Zwei-Komponenten-Silberleitkleber.

Die Standardmetallisierung des Silizium-Bauelementes, die in der Regel aus Aluminium besteht, hat normalerweise eine ober­ flächliche Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid. Dieses na­ türliche Oxid entsteht durch Oxidation an Luft und weist eine Schichtdicke von 50 Å auf. Diese Schicht bildet einen sehr hohen Übergangswiderstand, so daß vor dem Aufbringen des Po­ lymers eine zusätzliche Vorbehandlung der Kontaktpads (Kon­ taktflecken) erforderlich ist. Für diese Vorbehandlung kann alternativ der naßchemische Zinkat-Prozeß oder ein Dünn­ schichtprozeß wie beispielsweise Sputtern, benutzt werden. Bei dem Dünnschichtprozeß wird das natürliche Al₂O₃ durch Io­ nenätzen entfernt. Anschließend werden eine oder zwei Metall­ schichten als Haftvermittler und Diffusionssperrschicht auf­ gesputtert. Als Materialien für die Metallschichten sind zu nennen TiN oder WCr oder TiW oder Ti/Pt. Die oberste Schicht, die den Kontakt zum leitfähigen Flip-Chip-bond herstellt, ist in jedem Fall auch bei Anwendung des Zinkat-Prozesses eine Goldschicht. Das Polymer wird anschließend durch Schablonen­ druck aufgebracht und die Polymerisation erfolgt durch Trock­ nen bei ca. 120°C. Auf den Goldkontakten des Keramikteils wird ebenfalls das Polymer durch Schablonendruck aufgebracht, jedoch werden diese Bumps nicht ausgehärtet. Alternativ ist das Aufdrucken des Polymers nur auf dem Silizium-Bauelement oder nur auf dem Keramiksubstrat ohne anschließendes Aushär­ ten möglich. Die endgültige Herstellung der Verbindung zwi­ schen Silizium-Bauelement und Keramiksubstrat erfolgt dann innerhalb der Topfzeit des Polymers unter erhöhter Temperatur und mechanischen Druck mit einem speziellem Flip-Chip-Bonder. Dabei wird das Polymer endgültig ausgehärtet. Alle diese Pro­ zeßschritte lassen sich im Labormaßstab wie auch im Produkti­ onsmaßstab mit halb- und vollautomatischen Anlagen durchfüh­ ren. Zur Herstellung der Metallisierung der Bumps sind fol­ gende Dünnschicht-Prozeßschritte möglich:

• - Ionenätzen zum Abtragen des natürlichen Aluminiumoxids,
• - Titandünnschicht als Haftvermittler, Stärke beispielsweise 75 nm,
• - Platindünnschicht als Diffusionssperrschicht, Stärke bei­ spielsweise 75 nm,
• - Golddünnschicht als Kontaktschicht, Stärke beispielsweise 150 nm.

Die Strukturierung erfolgt mit Hilfe des Lift-Off-Verfahrens.

Der Flip-Chip-Bond aus leitfähigem Polymer kann folgende wichtige Vorteile erzielen:

• - Die Prozeßtemperatur beim Flip-Chip-Bonden kann relativ niedrig gehalten werden, so daß auch der Einsatz von tem­ peraturempfindlichen, gassensitiven Schichten 2 möglich ist.
• - Es werden keine Lösungsmittel frei und keine Lötflußmittel benötigt wie sie beim Standardverfahren des Weichlötens erforderlich sind. Lötflußmittel können die gassensitiven Schichten sehr leicht schädigen.
• - Durch einen Schablonendruck lassen sich relativ leicht Bumps erzeugen, die eine konforme Höhenverteilung aufwei­ sen. Dies ist wichtig, um ein gleichmäßiges Aufsetzen des Silizium-Bauelementes auf die gassensitive Schicht zu ge­ währleisten.

Falls als gassensitive Schicht eine besonders fließfähige Substanz verwendet werden soll, kann es sein, daß die beim Fügeprozeß auftretenden Kräfte bei einem Fließen des Sensor­ materiales in den freizuhaltenden Gaskanal führen. In diesem Fall kann es nötig sein, neben der gassensitiven Schicht eine weitere Substanz auf das Keramiksubstrat aufzubringen, auf welche dann der Abstandshalter, die Isolatorschicht 6, auf­ liegt. In diesem Fall muß eine Schichtdicke der sensitiven Schicht minimal kleiner sein als die Schichtdicke der Ab­ standshalterschicht.

Claims (11)

1. Gassensor (A), dargestellt durch mindestens einen Feldef­ fekttransistor mit Source-, Drain- und Kanalbereich in ei­ nem Halbleiterbauelement und einer Gate-Elektrode auf ei­ nem Substrat (1), in die eine gassensitive Schicht (2) in­ tegriert ist, wobei das Halbleiterbauelement mit einer Isolatorschicht (6) direkt auf der gassensitiven Schicht aufliegt, ein Gaskanal (10) mittels einer Öffnung in der Isolatorschicht (6) dargestellt ist und der Abstand zwi­ schen Kanalbereich und gassensitiver Schicht durch die Schichtdicke der Isolatorschicht (10) gegeben ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Isolatorschicht aus - Siliziumnitrid oder Borosilikatglas besteht.

3. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement ein Silizium-Bauelement ist.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaskanal (10) in seinem Eingangsbereich mäanderförmig ausgebildet ist.

5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Flip-Chip-Bonds zur Befestigung des Halbleiterbauelementes auf dem Substrat (1) aus einem leitfähigen Polymer beste­ hen.

6. Gassensor nach Anspruch 5, wobei das Polymer ein Zwei- Komponenten-Silberleitklebstoff ist.

7. Gassensor nach Anspruch 6, wobei der Zwei-Komponenten- Silberleitklebstoff ein silbergefülltes Epoxidharz ist.

8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kontaktpads am Halbleiterbauelement eine oberflächliche Goldschicht aufweisen.

9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebstemperatur bei maximal 120°C liegt.

10. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungsaufnahme maximal 100 mW beträgt.

11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Isolatorschicht zwischen 1 und 5 µm beträgt, mit Toleranzen von ± 0,4 bis ± 1 µm.