DE19958311A1 - Halbleiter-Gassensor in Siliziumbauweise, sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb eines Halbleiter-Gassensors - Google Patents

Abstract

Ein Halbleiter-Gassensor in Siliziumbauweise umfaßt ein gassensitives Element (8), ein Heizelement (5a, 5b) und einen elektrischen Anschluß zur Messung der elektrischen Eigenschaft des gassensitiven Elements (8), wobei eine Brücke (3) aus einkristallinem Silizium das gassensitive Element (8) trägt, die im Bereich einer Heizplatte bzw. des gassensitiven Elements (8) frei schwebt. Das gassensitive Element (8) ist beispielsweise eine Metalloxidschicht aus SnO¶2¶. Der Halbleiter-Gassensor kann jedoch auch als Gas-Feldeffekt-Transistor ausgestaltet sein, wobei das gassensitive Element aus Gate-Oxid und Gate-Elektrode gebildet wird und als elektrische Eigenschaft die Kapazität bei verschiedenen Spannungen gemessen wird. Bei der Herstellung wird eine Schicht aus Silizium unterhalb eines Bereichs porösiziert. Anschließend werden die porösizierten Bereiche entfernt, um eine Brücke zu bilden. Im Meßbereich wird die Brücke zyklisch aufgeheizt und abgekühlt, um Kohlenwasserstoffe zu detektieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Gassensor in Siliziumbauweise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- Gassensors. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter- Gassensors, der insbesondere zur Detektion organischer Moleküle geeignet ist.

In verschiedensten Bereichen der Technik ist die Gasanalyse bzw. die Detektion von Gasen von zunehmender Bedeutung. Beispielsweise entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe Kohlenmonoxid, Stickoxide bzw. NO_x und Ozon. Die Belastung der Umwelt durch diese Stoffe ist erheblich. Daher ist es erforderlich, insbesondere Abgase von Verbrennungsmotoren zu analysieren um den Schadstoffausstoß zu reduzieren, sowie die bestehende Umweltbelastung durch Luftschadstoffe zu analysieren. Dies ist dann möglichst flächendeckend möglich, wenn die Messstationen klein und kostengünstig sind.

Weiterhin besteht ein Bedarf im Bereich der Branddetektion, sowie bei der Klimatisierung von Räumen, wie z. B. im Inneren von Fahrzeugen und Flugzeugen. Auch bei diesen Anwendungen müssen Stoffe wie CO, O₃, NO, NO₂ und z. B. auch aromatisierte Kohlenwasserstoffe rasch und sicher detektiert werden. Wichtig dabei ist die Gewährleistung einer hohen Fehlalarmsicherheit und einer hohen molekularen Erkennungsleistung. Für einen weit verbreiteten Einsatz bzw. für dießerienfertigung ist es erforderlich, daß Geräte zur Gasdetektion kostengünstig herstellbar sind.

Eine Möglichkeit zur Gasanalyse bieten Halbleiter-Gassensoren, bei denen eine gassensitive Metalloxidschicht, wie beispielsweise SnO₂, auf eine bestimmte Meßtemperatur gebracht wird. Durch Messung des elektrischen Widerstands der gassensitiven Schicht bei einer bestimmten Temperatur lassen sich Gaskonzentrationen, z. B. von CO, NO_x oder O₃, bestimmen.

Ein derartiger Gassensor ist z. B. in der Veröffentlichung von Th. Becker, et al. "Ozon detection using low-power-consumption metal-oxide gassensors", vorgestellt auf der Konferenz "European materials research spring meeting", Straßburg 16.-19. 06. 1998 beschrieben. Dieser Sensor ist in Dünnschichttechnologie gefertigt, wodurch eine Miniaturisierung des Sensors erreicht wird, die in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft ist. Bei diesem Sensor befindet sich eine gassensitive Schicht aus SnO₂ auf einer Passivierungsschicht aus SiO₂, zusammen mit Heiz- und Meßelektroden. Die Elemente werden von einer Membrane getragen. Die Membrane befindet sich auf einem Siliziumsubstrat, von dem Bereiche herausstrukturiert sind, um die notwendige Heizleistung zu reduzieren. Bei der Herstellung kann jedoch nicht in großem Umfang auf Standardprozesse zurückgegriffen werden, was relativ hohe Kosten verursacht. Eine Nitrit- Membran als Träger der Metalloxidschicht und der Heizstrukturen ist darüber hinaus mechanisch fragil, wenn sie nicht in großen Bereichen von einem Substrat unterstützt wird. In diesem Fall ergibt sich jedoch eine hohe Wärmeableitung über das Substrat und somit ein hoher Energieverbrauch.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiter-Gassensor in Siliziumbauweise zu schaffen, der mechanisch stabil ist, leistungsarm betrieben werden kann und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiter-Gassensors angegeben werden. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-Gassensors bzw. GasFET's angegeben werden, mit dem Kohlenwasserstoffe bzw. organische Moleküle detektierbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst, durch den Halbleiter-Gassensor gemäß Patentanspruch 1, das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Gassensors gemäß Patentanspruch 12, und durch das Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-Gassensors bzw. GasFET's gemäß Patentanspruch 15. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Gassensor ist in Siliziumbauweise gefertigt und umfaßt ein gassensitives Element, dessen elektrische Eigenschaft durch Kontakt mit einem Gas veränderbar ist, ein Heizelement, das an das gassensitive Element thermisch gekoppelt ist, und einen elektrischen Anschluß zur Messung der elektrischen Eigenschaft des gassensitiven Elements, sowie eine Brücke aus einkristallinem Silizium, die das gassensitive Element trägt, wobei die Brücke z. B. an einem oder an beiden Enden getragen wird und im Bereich des gassensitiven Elements frei schwebt. Dadurch ist ein Raum unterhalb des gesamten gassensitiven Elements frei von Bauteilen und es entsteht ein Hot Plate, das frei schwebt und somit eine gute thermische Isolierung aufweist. Die Brücke aus einkristallinem Silizium hat eine hohe mechanische Stabilität und läßt sich kostengünstig und modular herstellen. Der Gassensor hat eine hohe molekulare Erkennungsleistung und eine hohe Fehlalarmsicherheit. Er läßt sich leistungsarm betreiben und in mikromechanischer Bauweise realisieren.

Bevorzugt ist das gassensitive Element auf einer Seite der Brücke angeordnet, während sich auf der anderen Seite der Brücke ein Gas- bzw. Luftpolster befindet, bzw. ein Freiraum, der z. B. ein solches Polster enthalten oder bilden kann. Die Brücke kann an beiden Enden getragen bzw. gehalten werden, während sie in dem dazwischenliegenden Bereich frei schwebt. Das gassensitive Element ist z. B. vollständig in dem frei schwebenden Bereich angeordnet, d. h., unterhalb der Brücke ist dort ein Freiraum.

Die Brücke wird vorteilhafterweise von einer Schicht aus Silizium, z. B. p-Si bzw. positiv dotiertes Silizium getragen, die bevorzugt in einem Bereich unterhalb der Brücke eine Aussparung oder Einbuchtung aufweist. Dadurch ergibt sich ein Freiraum zur thermischen Isolation der Brücke, bevorzugt im gesamten Bereich des Hot plates. Die Brücke kann phosphorimplantierte Bereiche aus n-Si bzw. negativ dotiertem Silizium umfassen bzw. durch diese gebildet sein. Vorteilhafterweise sind an Randbereichen der Brücke hochdotierte Bereiche aus n⁺-Si (hoch negativ dotiertes Silizium) angeordnet, um elektrische Kontakte zu bilden. Vorteilhaft sind auf der einen Seite der Brücke mäanderförmige Heizelemente aus Platin angeordnet.

Bevorzugt umfaßt das gassensitive Element eine Metalloxidschicht, z. B. SnO₂, und/oder einen gassensitiven Feldeffekt-Transistor. Dabei trägt die Brücke z. B. ein Gateoxid und eine Gateelektrode. Vorteilhafterweise ist das Gateoxid durch Siliziumdioxid gebildet, und die Gateelektrode kann durch Platin gebildet sein.

Durch eine Anordnung von ein oder mehreren Metalloxidsensoren und/oder gassensitiven Feldeffekt-Transistoren in der Art eines Arrays können insbesondere erhöhte molekulare Erkennungsleistungen erzielt werden. Dabei können Metalloxidsensoren mit gassensitiven Feldeffekt-Transistoren kombiniert werden. Es werden also verschiedene Arten von Sensoren miteinander kombiniert, die auf unterschiedlichen physikalischen Detektionsmechanismen beruhen. Beispielsweise können die gassensitiven Feldeffekt- Transistoren in die thermisch isolierten Brücken integriert sein. Vorteilhafterweise sind die Metalloxidschichten auf den Brücken abgeschieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Gassensors umfaßt die Schritte: Bereitstellen einer Siliziumschicht mit mindestens einem Bereich aus einkristallinem Silizium; Ausbilden von elektrischen Kontaktbereichen an der Siliziumschicht; Porösizieren von Bereichen der Siliziumschicht, wobei ein darüberliegender Bereich aus einkristallinem Silizium vor dem Porösizieren geschützt wird; Ausbilden eines gassensitiven Elements auf dem einkristallinen Silizium; und Entfernen der porösizierten Bereiche, so daß eine Brücke aus einkristallinem Silizium entsteht. Dadurch ergibt sich ein modularer, kostengünstiger Fertigungsprozeß. Insbesondere können sich in ein und dem selben Fertigungsprozeß beide Arten von Sensorelement, nämlich Gassensoren auf Metalloxidbasis und gassensitive Feldeffekt-Transistoren (GasFETs) herstellen lassen. Die beiden Sensortypen sprechen auf verschiedene Molekülklassen an und bieten daher vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Bevorzugt wird bei dem oben genannten Verfahren eine Passivierungsschicht aufgebracht, die vorteilhafterweise polykristallines Silizium umfaßt. Dadurch wird ein besonderer Schutz bestimmter Bereiche gegen Ätzung erzielt. Bevorzugt ist die Passivierungsschicht steg- oder brückenförmig.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-Gassensors, der eine Brücke aus einkristallinem Silizium aufweist, die z. B. ein gassensitives Element trägt, umfaßt die Schritte: Aufheizen der Brücke auf eine Temperatur, bei der Wasserstoff aus zu detektierenden Molekülen abgespalten wird; Absenken der Temperatur der Brücke und Messen einer Kapazität des gassensitiven Elements. Dadurch können insbesondere organische Gase nachgewiesen werden. Auch ist eine sehr schnelle Messung möglich.

Bevorzugt ist in die Brücke eine gassensitive MOS-Kapazität oder ein gassensitiver Feldeffekt-Transistor mit einem katalytisch wirkenden Gate integriert, um das gassensitive Element zu bilden. Bevorzugt wird die Brücke zyklisch aufgeheizt und wieder abgekühlt, um Kohlenwasserstoffe zu detektieren. Vorteilhaft wird das Verfahren mit einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Gassensor durchgeführt.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und eine bevorzugte Ausgestaltung des Herstellungs- und Betriebsverfahrens als Beispiel für die Realisierung der Erfindung beschrieben. Dabei gelten technische Merkmale und Aspekte der Erfindung, die im Zusammenhang mit den Verfahren beschrieben werden, ebenso für die Vorrichtung, und umgekehrt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Metalloxid-Gassensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A' von Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie B-B' von Fig. 1;

Fig. 4 eine Aufsicht auf einen GasFET gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie C-C' von Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie D-D' von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Metalloxid-Gassensor 1 in schematischer Darstellung. Eine rahmenartige Struktur 2, die aus n-Si gefertigt ist, hat eine im wesentlichen rechteckige Form. Zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten 2a, 2b der Struktur 2 erstreckt sich ein Steg bzw. eine Brücke 3 aus einkristallinem Silizium, die mit ihren Enden an den Seiten 2a, 2b befestigt ist und dazwischen frei schwebt. In ihrem zentralen Bereich ist die Brücke 3 breiter ausgestaltet als in den Randbereichen und bildet dort, zusammen mit weiteren Elementen, ein Hot Plate bzw. Heizplatte 4 aus n-Si. Auf der Ober- bzw. Vorderseite der Brücke 3 befinden sich Kontakt- bzw. Leitungsbereiche 5a, 5b in Form von hochdotierten Bereichen aus n⁺-Si. Diese hochdotierten Leitungsbereiche 5a, 5b erstrecken sich von den Seiten 2a, 2b der Rahmenstruktur 2 bis zur Heizplatte 4 und dienen zum Kontaktieren bzw. zur Stromzufuhr zum Heizen der Heizplatte 4. Auf der Heizplatte 4 befindet sich eine gassensitive Schicht 8. Die hochdotierten Bereiche 5a, 5b werden von der Brücke 3 getragen, die durch phosphorimplantierte Gebiete (n-Si) definiert ist. Oberhalb der Leitungsbereiche 5a, 5b befindet sich eine Metallschicht 6a, 6b aus Platin, die sich ebenfalls von den Seiten 2a, 2b der einkristallinen Siliziumstruktur 2 zur Heizplatte 4 erstreckt. Die Metallschicht 6a, 6b und die damit verbundene gassensitive Schicht 8 ist durch eine Passivierungsschicht 7 aus LPCVD-Nitrit von den darunterliegenden Leitungsbereichen 5a, 5b getrennt, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Metalloxid-Gassensor entlang der Linie A-A' von Fig. 1. Die oberhalb der Passivierungsschicht 7 angeordnete Metall- bzw. Platinschicht 6a, 6b dient zur elektrischen Kontaktierung der im zentralen Bereich der Hot Plate 4 angeordneten gassensitiven Schicht 8, die aus einem Metalloxid gefertigt ist, im vorliegenden Fall SnO₂. Die Platinbereiche bzw. Metallschichten 6a, 6b sind durch eine Haftschicht aus Tantal, die in den Figuren nicht dargestellt ist, mit der darunterliegenden Passivierungsschicht 7 verbunden. Die Brücke 3 aus einkristallinem Silizium wird in ihren Randbereichen von einer darunterliegenden Trägerschicht 9 aus Silizium getragen. Die Trägerschicht 9 ist aus p-Si gefertigt und hat in ihrem zentralen Bereich unterhalb der Heizplatte 4 eine Ausnehmung bzw. Einbuchtung 9a, so daß die Brücke 3 im gesamten Bereich der Heizplatte 4 frei schwebt. Somit ist der gesamte Raum unterhalb der Heizplatte 4 ein Freiraum 10 zur thermischen Isolation der Heizplatte 4. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich im Freiraum 10 ein Luftpolster. Ebenso ist es jedoch möglich, dort bzw. im Bereich der Brücke ein Gas vorzusehen, das z. B. gute thermische Isolationseigenschaften hat.

Um die Leitungsbereiche 5a, 5b elektrisch anzuschließen, sind Kontaktbereiche 11a, 11b vorgesehen, die mittels einer Haftschicht aus Tantal auf den Leitungsbereichen 5a, 5b in deren Randzonen befestigt sind. Unterhalb der Trägerschicht 9 aus p-Si, d. h. auf der Rückseite des Gassensors 1, befindet sich eine leitfähige bzw. hochdotierte Schicht 12 aus p⁺-Si, die beim weiter unten beschriebenen Herstellungsverfahren ein Porösizieren der Trägerschicht 9 unterhalb der Brücke 3 ermöglicht.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Metalloxid-Gassensor gemäß Fig. 1 entlang der Linie B-B'. Darin ist zu erkennen, daß sich der Freiraum 10 bzw. das Luftpolster sowohl unterhalb der Heizplatte 4, als auch seitlich davon erstreckt. D. h. die Heizplatte 4 mit den darüberliegenden Sensorstrukturen ist in weiten Bereichen von der Trägerschicht 9 und den damit verbundenen Schichten getrennt. Der Freiraum 10 erstreckt sich somit auch seitlich zwischen dem zentralen Bereich der Brücke, der die Heizplatte 4 bildet, und den horizontal angrenzenden Schichtbereichen. Teilabschnitte der Platinschicht 6a, 6b erstrecken sich bis in die Randbereiche der Heizplatte 4 (siehe Fig. 1) und stehen dort in elektrischem Kontakt mit der gassensitiven Schicht 8. Insgesamt ist also die Heizplatte 4 mit den darauf befindlichen Sensorstrukturen im wesentlichen von Luft bzw. Gas umgeben, wobei sie nur über einen im Vergleich zur Heizplatte 4 schmalen Verbindungssteg 3a, 3b aus einkristallinem Silizium, der Teil der Brücke 3 ist, mit der Tragestruktur 2 verbunden ist.

Obwohl in der hier gezeigten Ausführungsform zwei Verbindungsstege 3a, 3b als Teil der Brücke 3 ausgestaltet sind (siehe auch Fig. 1), ist es auch möglich, je nach Anforderung zwei oder mehr Verbindungsstege aus einkristallinem Silizium zum Halten der frei schwebenden Heizplatte 4 vorzusehen. Mit anderen Herstellungsverfahren ist es auch möglich, den Metalloxid-Gassensor so herzustellen, daß die Brücke (3) bzw. die Heizplatte (4) aus einkristallinem Silizium nicht von Siliziumaufhängungen, sondern anderweitig getragen wird, z. B. von einer geschlossenen Nitritmembran. Dies gilt vor allem auch für den GasFET.

Beim Betrieb des hier gezeigten Metalloxid-Gassensors, der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, wird die Hot Plate 4 durch einen Stromfluß entlang der Leitungsbereiche 5a, 5b auf ihre Betriebstemperatur erhitzt, die z. B. bei ca. 400°C liegt. Das Erhitzen der Hot Plate bzw. Heizplatte 4 kann jedoch auch durch einen oder mehrere Platinheizer erfolgen, die an Stelle der n-Implantation bzw. der Leitungsbereiche 5a, 5b für die Aufheizung sorgen. Der elektrische Widerstand der gassensitiven Schicht 8, wird durch Strommessung über die Metall- bzw. Platinschicht 6a, 6b bestimmt. Über den elektrischen Widerstand der gassensitiven Schicht 8 bei bestimmten Temperaturen werden Gaskonzentrationen, beispielsweise von CO, NOx und O₃, gemessen. Die thermische Isolation durch den Freiraum 10 bzw. durch das Luftpolster verringert die Leistungsaufnahme. Die guten mechanischen Eigenschaften der Brücke 3 aus einkristallinem Silizium gewährleisten eine besonders hohe mechanische Stabilität. Die Gasdetektion erfolgt durch die Widerstandsänderung der Metalloxidschicht bzw. des SnO₂ bei Anlagerung von reduzierenden bzw. oxidierenden Gasen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiter-Gassensors ist durch seinen modularen Aufbau gegeben, der eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Dabei werden weitgehend Standardtechnologien aus der Mikroelektronik verwendet, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden. Im Anschluß daran folgen sensorspezifische Spezialprozesse, die dem jeweiligen Sensor je nach den besonderen Anforderungen individuelle Eigenschaften verleihen.

Zunächst wird eine Siliziumschicht in Form einer p-Si-Scheibe bereitgestellt, die die spätere Trägerschicht 9 bildet. Anschließend werden auf einer Seite der Siliziumschicht Bereiche aus n-Si ausgebildet. Dies geschieht durch Ionenimplantation, wobei im Anschluß an die Ionenimplantation Phosphorionen bei ca. 1100°C in das Silizium eindiffundieren (drive in). Je nach Anforderung werden die Bereiche aus n-Si strukturiert bzw. nur an bestimmten Stellen ausgebildet, wobei z. B. photolithografische Verfahren zum Einsatz kommen. Die Bereiche aus n-Si sind z. B. phosphorimplantierte Gebiete, die eine oder mehrere spätere Brücken 3 definieren. Nun werden elektrische Kontaktbereiche geschaffen, die sich auf der n-Si-Schicht erstrecken und in Form von n⁺-Si ausgebildet sind (spätere Leitungsbereiche 5a, 5b). Sie werden durch Ionenimplantation geschaffen und dienen als Stromzuleitung im Fall des oben beschriebenen Metalloxid-Gassensors 1 bzw. als Kondensatorplatte im Fall des weiter unten beschriebenen gassensitiven Feldeffekt- Transistors. Im Anschluß an die Ionenimplantation werden die Ionen bei Temperaturen im Bereich von ca. 900°C elektrisch aktiviert (annealing). Weiterhin dienen sie zum Kontaktieren der späteren Heizplatte 4. Auf der Rückseite der Trägerschicht 9 werden hochdotierte Bereiche in Form einer p⁺-Si-Schicht 12 (siehe Fig. 2) ausgebildet, um einen Stromfluß durch die Trägerschicht 9 beim späteren Porösizieren zu ermöglichen. Nach den Implantationen wird die Passivierungsschicht 7 aus LPCVD-Nitrit und polykristallinem Silizium abgeschieden, um die Strukturen beim nachfolgenden Porösizieren vor einem Angriff der dabei verwendeten Flußsäure zu schützen. Die Passivierungsschicht 7 wird z. B. steg- oder brückenförmig aufgebracht, so daß in nachfolgenden Schritten eine Steg- bzw. Brückenstruktur ausgestaltet wird. Bei der Ausbildung der Passivierungsschicht 7 werden LPCVD-Nitrit und polykristallines Silizium nacheinander abgeschieden, d. h. das polykristalline Silizium befindet sich oberhalb eines Si-Nitrits.

Im Anschluß an diese Schritte, die besonders kostengünstig durch Standardtechnologien realisiert werden können, folgen nun die sensorspezifischen Spezialprozesse, also das Porösizieren und anschließende Entfernen von Bereichen der Siliziumschicht 9, so daß aus der n-Si-Schicht die Brücke 3 aus einkristallinem Silizium entsteht. Dabei wird die Schichtstruktur in Flußsäure getaucht und über die p⁺-Si-Schicht 12 (Fig. 2) ein elektrischer Strom angelegt, so daß in Bereichen 10 unterhalb der n-Si-Schicht 3 in Fig. 2 poröses Silizium gebildet wird, das eine große innere Oberfläche aufweist. Es ist dabei mechanisch noch so stabil, daß die Wafer weiterverarbeitet werden können. Das Entfernen des polykristallinen Siliziums erfolgt durch Wegätzen von der Oberfläche. Um Anschlüsse für die n⁺-Si-Schicht 5a, 5b bereitzustellen, wird das LPCVD-Nitrit strukturiert. Durch die besondere Art der Passivierung, nämlich die Verwendung von Nitrit statt Oxid, liegt eine erhöhte chemische Resistenz gegen HF vor. Das zusätzlich aufgebrachte polykristalline Silizium dient als zusätzlicher Schutz gegen eine Ätzung von oben.

Nach dem Entfernen der Schutzschicht aus polykristallinem Silizium werden die Elektroden aus Platin ausgebildet, wobei eine zusätzliche Haftschicht aus Tantal bereitgestellt wird. D. h. Tantal und Platin werden nacheinander abgeschieden bzw. aufgedampft, um Elektroden und/oder Heizer zu bilden. Diese können z. B. auch mäanderförmig ausgestaltet werden. Nun wird die gassensitive Schicht 8 auf der Oberseite der Brücke 3 aufgebracht, wobei ein Metalloxid, hier SnO₂, verwendet wird. Schließlich wird die aus dem porösen Silizium gebildete Opferschicht entfernt bzw. herausgelöst, wobei Kaliumhydroxid bei Raumtemperatur verwendet wird. Dadurch wird die Brücke 3 gebildet, die nur an ihren Seiten aufgehängt ist und in ihrem zentralen Bereich einschließlich der gesamten Heizplatte 4 frei schwebt und somit von einer thermischen Isolation in Form eines Luftpolsters umgeben ist.

Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle des Metalloxids MOS-Kapazitäten auf der oder den Brücken 3 aufzubringen. Dabei entsteht ein Gas-Feldeffekt-Transisitor 100, wie er in den Abb. 4 bis 6 gezeigt ist. Fig. 4 zeigt den GasFET 100, der auf seiner Brücke 3 aus einkristallinem Silizium in seinem zentralen Bereich, d. h. im Bereich der Hot Plate 4, eine elektrisch leitende Schicht 51 aus n⁺-Si trägt, die in eine Schicht aus einkristallinem Silizium, welche die Brücke 3 bildet, eingebettet ist. Der schichtweise Aufbau ist am besten aus Fig. 5 zu entnehmen, die schematisch einen Querschnitt durch den GasFET gemäß Fig. 4 entlang der Linie C-C' zeigt. Auf der Brücke 3 aus n-Si ist ein Gateoxid 52 in Form einer SiO₂-Schicht ausgebildet, das sich zum Teil auch über die hochdotierte, leitfähige Schicht 51 aus n⁺-Si erstreckt.

Auf dem Gateoxid 52 ist eine Gateelektrode 53 aus Tantalsilizid und Platin ausgebildet. Die Gateelektrode 53 befindet sich oberhalb der hochdotierten, leitfähigen Schicht 51 und ist von dieser durch die Gateoxidschicht 52 getrennt. Ein Teilbereich der Schicht aus Tantalsilizid und Platin bildet einen elektrischen Kontakt 53a, der sich von der Gateelektrode 53 zur einen Seite 2a der Struktur 2 erstreckt (vgl. Fig. 4). Ein weiterer Kontakt 54a aus Tantalsilizid und Platin erstreckt sich von der anderen Seite 2b der Struktur 2 auf der Brücke 3 bis in den zentralen Bereich der Heizplatte 4. Der Kontakt 54a dient zum elektrischen Anschluß der hochdotierten leitenden Si-Schicht 51 (n⁺-Si), die eine n⁺-Gegenelektrode zur Gateelektrode 53 bildet. Die Gateelektrode 53 bildet zusammen mit der Gegenelektrode bzw. hochdotierten Si-Schicht 51 ein gassensitives Element in Form eines Kondensators, dessen Kapazität durch Kontakt mit einem Gas veränderbar ist. Durch die Kontakte 53a, 54a wird ein elektrischer Anschluß zur Messung der Kapazität des gassensitiven Elements gebildet, die eine elektrische Eigenschaft dieses Elements darstellt.

Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die Brücke 3 weiterhin ein Heizelement 55 in Form eines Heizmäanders umfaßt, der zum Heizen des Hot Plates 4 dient. Das Heizelement 55 wird durch einen Heizwiderstand gebildet, der im vorliegenden Fall aus Tantalsilizid und Platin gefertigt ist. Der Heizmäander bzw. das Heizelement 55 wird ebenfalls durch die Brücke 3 getragen und erstreckt sich von den Seiten 2a, 2b der Tragestruktur 2 bis in den Bereich der Hot Plate 4. Neben der hier gezeigten Ausgestaltung des Heizelements 55 gibt es auch die Möglichkeit, n-Si als Heizer im Bereich der Hot Plate 4 vorzusehen und die Stromzufuhr über n⁺-Silizium in den Aufhängungen bzw. Stegen 3a, 3b auszugestalten, wie es weiter oben in Bezug auf den Metalloxid-Gassensor 1 beschrieben wurde.

Das Gateoxid bzw. Siliziumdioxid ist fast überall 70 nm dick. Nur unterhalb des Heizelements 55, des elektrischen Kontakts 53a und des weiteren Kontakts 54a ist das Siliziumdioxid ca. 700 nm dick; damit durch die Platinzuleitungen keine großen parasitären Kapazitäten entstehen. Dort wo das Siliziumdioxid ca. 700 nm dick ist, wird es als Feldoxid bezeichnet.

Fig. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den GasFET 100 entlang der Linie D-D' von Fig. 4. Auch hier ist gut zu erkennen, daß der gesamte Bereich direkt unterhalb der Heizplatte 4 frei von Material bzw. Bauelementen ist bzw. durch ein Luftpolster oder Gaspolster gebildet wird. Ebenso sind seitliche Bereiche der Heizplatte 4 durch den Freiraum 10 bzw. Zwischenraum von der Tragestruktur 2 getrennt und nur über den relativ schmalen Steg 3a, 3b mit der Tragestruktur 2 verbunden.

Im Meßbetrieb wird die Hot Plate 4 zunächst auf die Betriebstemperatur aufgeheizt. Bei einer Betriebstemperatur von ca. 400°C wird von organischen Molekülen, wie z. B. Metan oder allgemein Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff abgespalten. Anschließend wird die Temperatur gesenkt, indem der Heizstrom reduziert bzw. abgeschaltet wird. Die Brücke 3 kühlt ab auf eine Temperatur von unter 200°C, was dank der kleinen Strukturen, die im Mikrometerbereich liegen, innerhalb sehr kurzer Zeit geschieht. Über eine Kapazitätsmessung wird nun die im Gateoxid 52 getrappte bzw. enthaltene Wasserstoffkonzentration gemessen. Über die Messung einer Kapazitäts-Spannungs-Kurve kann die Wasserstoffkonzentration bestimmt werden, noch bevor der Wasserstoff wieder vom Platin-Gateoxid-Interface wegdiffundiert.

Die Absenkung der Temperatur ist notwendig, da Silizium bei hohen Temperaturen im Bereich von 400°C und mehr nicht mehr für elektronische Funktionen nutzbar ist. D. h., bei diesen hohen Temperaturen kann mit Silizium als Halbleitermaterial nicht gemessen werden. Der Sensor arbeitet deshalb zyklisch: in der ersten Phase wird das Hot Plate 4 aufgeheizt, damit sich Wasserstoff von organischen Molekülen abspaltet und durch das Platin diffundiert. In der zweiten Phase läßt man das Hot Plate abkühlen, um die MOS- Kapazität zu messen. Durch den alternierenden Aufheiz- und Abkühlvorgang ist es also möglich, sowohl bei hohen Temperaturen Wasserstoff katalytisch abzuspalten, als auch bei niedrigen Temperaturen die Wasserstoffkonzentrationen zu messen.

Die Herstellung des Gas-Feldeffekt-Transistors 100 erfolgt im wesentlichen ebenso, wie es weit oben am Beispiel des Metalloxid-Gassensors 1 beschrieben wurde.

Beide hier beschriebenen Sensortypen, d. h. der Metalloxidsensor 1 gemäß Fig. 1 bis 3 und der GasFET 100 gemäß Fig. 4 bis 6, stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar und basieren auf unterschiedlichen Detektionsmechanismen. Deshalb reagieren sie unterschiedlich auf die verschiedenen Gase. Durch Ausbildung eines Arrays aus den beiden Sensortypen ist es möglich, Gasgemische zu analysieren.

Durch die vorliegende Erfindung werden mit Hilfe von Silizium-Technologie leistungsarm beheizbare und mechanisch stabile Metalloxidsensoren und GasFETs geschaffen und kostengünstig modular herstellbar. Brücken aus einkristallinem Silizium liefern dabei sehr gute mechanische Eigenschaften als Heizer und/oder Träger für gassensitive Schichten bzw. Bauelemente. Dies wird durch Formierung von porösem Silizium als Opferschicht unterhalb der Brücken realisiert. Im letzten Herstellungsprozeß wird diese Opferschicht herausgelöst, so daß das verbleibende Luftkissen für thermische Isolation sorgt. Da Gassensoren auf Metalloxidbasis bzw. gassensitive Feldeffekt-Transistoren (GasFETs) auf verschiedene Molekülklassen ansprechen, ist es möglich, durch Gassensor-Arrays, die aus beiden Typen von Einzelsensorelementen bestehen, sehr hohe molekulare Erkennungsleistungen zu schaffen und eine hohe Fehlalarmsicherheit zu gewährleisten.

Die erforderlichen Heizleistungen werden drastisch reduziert, wobei trotz der hervorragenden thermischen Isolation der Sensoren eine hohe mechanische Stabilität vorliegt. Neben der Detektion von H₂ können mit den erfindungsgemäßen Sensoren auch reaktionsträgere Kohlenwasserstoffe nachgewiesen werden.

Claims (17)

1. Halbleiter-Gassensor (1; 100) in Siliziumbauweise, mit
einem gassensitiven Element (8; 51, 52, 53), dessen elektrische Eigenschaft durch Kontakt mit einem Gas veränderbar ist,
einem Heizelement (5a, 5b; 55), das an das gassensitive Element thermisch gekoppelt ist, und
einem elektrischen Anschluß (6a, 6b; 53a, 54a) zur Messung der elektrischen Eigenschaft des gassensitiven Elements (8; 51, 52, 53),
gekennzeichnet durch eine Brücke (3) aus einkristallinem Silizium, die das gassensitive Element (8; 51, 52, 53) trägt, wobei die Brücke getragen wird und im Bereich des gassensitiven Elements (8; 51, 52, 53) frei schwebt.

2. Halbleiter-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gassensitive Element (8; 51, 52, 53) auf der einen Seite der Brücke (3) angeordnet ist, während sich auf ihrer anderen Seite ein Freiraum (10) befindet.

3. Halbleiter-Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) an beiden Enden gehalten wird, während sie in einem dazwischen liegenden Bereich frei schwebt.

4. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) von einer Trägerschicht (9) aus Silizium, insbesondere p-Si, getragen wird, die in einem Bereich unterhalb der Brücke eine Aussparung oder Einbuchtung (9a) aufweist.

5. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gassensitive Element eine Metalloxidschicht (8) und/oder einen gassensitiven Feldeffekt-Transistor (51, 52, 53) umfaßt.

6. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) phosphorimplantierte Bereiche aus n- Si umfaßt oder durch diese gebildet ist.

7. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Randbereichen auf einer Seite der Brücke (3) hochdotierte Bereiche aus n⁺-Si angeordnet sind, um elektrische Kontakte zu bilden.

8. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite der Brücke (3) mäanderförmige Heizelemente (55) angeordnet sind, die aus Platin gefertigt sind.

9. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) ein Gateoxid (52) und eine Gateelektrode (53) umfaßt oder trägt.

10. Halbleiter-Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gateoxid (52) durch Siliziumdioxid gebildet ist und/oder die Gateelektrode (53) durch Platin gebildet ist.

11. Halbleiter-Gassensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er durch eine Anordnung von ein oder mehreren Metalloxidsensoren (1) und/oder ein oder mehreren gassensitiven Feldeffekt- Transistoren (100) gebildet wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Gassensors, mit den Schritten:
Bereitstellen einer Siliziumschicht (9) mit zumindest einem Bereich aus einkristallinem Silizium;
Ausbilden von elektrischen Kontaktbereichen (12) an der Siliziumschicht;
Porösizieren von Bereichen der Siliziumschicht (9), wobei ein darüberliegender Bereich aus einkristallinem Silizium vor dem Porösizieren geschützt wird;
Ausbilden eines gassensitiven Elements (8; 51, 52, 53) auf dem Bereich aus einkristallinem Silizium; und
Entfernen der porösizierten Bereiche, so daß eine Brücke (3) aus einkristallinem Silizium entsteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das modular unter Verwendung von Standardprozeßschritten durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Passivierungsschicht (7) aufgebracht wird, die polykristallines Silizium umfaßt.

15. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-Gassensors, der eine Brücke (3) aus einkristallinem Silizium aufweist, die ein gassensitives Element (8; 51, 52, 53) trägt, mit den Schritten:
Aufheizen der Brücke (3) auf eine Temperatur, bei der Wasserstoff aus zu detektierenden Molekülen abgespalten wird; und
Absenken der Temperatur der Brücke (3) und Messen einer Kapazität des gassensitiven Elements (8; 51, 52, 53).

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Brücke (3) zyklisch aufgeheizt und abgekühlt wird, um Kohlenwasserstoffe zu detektieren.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das mit einem Halbleiter-Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.