DE3019387C2

DE3019387C2 - Dünnschicht-Halbleiter-Gassensor mit einem in den Sensoraufbau integrierten Heizelement

Info

Publication number: DE3019387C2
Application number: DE3019387A
Authority: DE
Inventors: Brigitte Ing.(grad.) 8000 München Schneider-Gmelch; Peter Dipl.-Ing. Dr. 8021 Straßlach Tischer; Ludwig Dipl.-Ing. Dr. 8000 München Treitinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1986-01-23
Also published as: DE3019387A1; FR2484646A1; US4338281A; JPS5717849A; FR2484646B1

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft einen Dünnschicht-Gassensor auf der Basis Metalloxid-Halbleiter, bei dem der elektrische Widerstand der Metalloxid-Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der Art und Konzentration des zu detektierenden Gases gemessen wird, mit einem für seine Funktion erforderlichen, in den Sensoraufbau integrierten Heizelement

Ein selektiver Gassensor auf der Basis Metalloxid-Halbleiter ist zum Beispiel aus der DE-OS 27 35 222 bekannt, Bei diesem Gassensor wird eine aus Zinnoxid (SnO₂) bestehende Metalloxid-Halbleiterschicht verwendet, um z. B. den Äthylalkoholgehalt in Luft zu bestimmen. Die Funktion eines solchen Gassensors beruht auf dem Prinzip, daß bei Adsorption und Reaktion eines spezifischen reaktiven Gases aus der Luft eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit meßbar ist Die Empfindlichkeit des Gassensors ist durch die relative Änderung der elektrischen Leitfähigkeit pro Einheit Gaskonzentration in der Luft gegeben. Eine solche Meßanordnung ist ebenfalls aus der DE-OS 27 35 222 zu entnehmen.

Halbleiter-Gassensoren in Form dünner Oxidhalbleiterschichten brauchen für ihre Funktion eine erhöhte Arbeitstemperatur, die je nach Bauart des Sensors, seiner chemischen Zusammensetzung und dem zu detektierenden Medium bei mindestens 150⁰C, vorzugsweise ίο bei 300 bis 400° C liegt

Aus der US-Patentschrift 38 65 550 ist ein Halbleiter-Gassensor zu entnehmen, bei dem das Heizelement in Form einer Heizwendel in einer Glasperle eingeschmolzen wird, auf der die sensitive Metaltoxid-Halbleiterschicht aufgebracht wird.

Der aus der DE-OS 27 35 222 bekannte Gassensor ist dagegen mit einer Heizwendel, z. B. aus Chromnickeldraht ausgestattet welche durch ein Keramikröhrchen geführt wird, auf dessen Außenseite die Metalloxid-Halbleiterschicht aufgebracht ist Neben dem Vorteil, daß solche Heizwendeln manuell einfach herstellbar und beliebig auswechselbar sind, haben diese Bauformen eine Reihe von Nachteilen: diese Aufbauten sind nur in geringem Umfang automatisch herstellbar und benötigen deshalb einen großen Anteil an manueller Arbeit Außerdem bestehen diese Heizwendeln zumeist auch aus Platin-Draht (weil andere Heizdrähte nicht so korrosionsfest sind) und bedingen dadurch einen hohen Aufwand an Edelmetall. Aus der DE-OS 29 33 971.7 ist ein Gassensorelement zu entnehmen, bei dem für dessen Beheizung auf dem isolierenden Substrat aus oxidiertem Silizium, Saphir oder Spinell eine Heizschicht aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder Platin und darauf eine Kontaktschicht aus Platin oder Gold/Palladium aufgedampft ist

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt besteht in der Schaffung eines bei erhöhten Ärbeitstemperaturen funktionsfähigen Dünnschicht-Halbleiter-Gassensorelementes, bei dem nicht nur tm rationeller Aufbau in der Herstellung erfolgen kann, sondern auch bei seinem Betrieb eine zuverlässige und schnelle Anzeige und Registrierung erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei einem Dünnschicht-Gassensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst daß an oder nahe an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine bis zur Entartung hochdotierte Randzone als Heizelement vorgesehen ist die für den Heizanschluß mit zwei Metallstreifen versehen ist

Folgende Überlegtingen haben zu der Erfindung geführt: Im Gegensatz zu dem elektrischen Widerstand metallischer Heizdrähte oder -schichten nimmt der Widerstand hochreiner (nicht degenerierter) Halbleiter mit zunehmender Temperatur stark ab. Wird an einen Heizdraht eine konstante Spannung angelegt, die groß genug ist, den Heizdraht aufzuheizen, so bleibt der Strom bei Legierungen mit etwa konstantem Widerstand ebenfalls konstant und damit auch die Heizleistung. Nimmt der elektrische Widerstand des Heizdrahtes mit der Temperatur zu, wie z. B. bei Platin, so nimmt der Strom etwas ab, insgesamt wird sich eine stabile Arbeitstemperatur, gegeben durch die angelegte Spannung und die Widerstandskennwerte des metallischen Werkstoffes, einstellen. Wird dagegen, wie z. B. bei dem aus der DE-OS 28 31 394 bekannten Gassensor, an einen hochreinen Halbleiter eine Spannung angelegt die groß genug ist, die Erwärmung des Halbleiters zu verursachen, so sinkt der Widerstand kräftig, das heißt, der Strom steigt bei konstanter Spannung stark an, die Er-

I 3 4

I; wärmung wird durch den stark erhöhten Strom noch F i g. 2: In dem mit den gleichen Abmessungen wie in

fÜ stärker, was das Halbleitermateria! durch einen »ther- F i g. 1 beschriebenen Substrat 13, welches mit Ausnab-

% mischen« Durchbruch zerstören kann. Wollte man so me seiner Oberseite mit einer isolierenden SiO₂-Schicht

ff ein Halbleitermaterial trotzdem als Heizelement ver- 14 versehen ist, wird nun in der vom Oxid 14 freien

j- wenden, so müßte die anliegende Spannung gesteuert 5 Oberfläche eine hochdotierte p⁺-Randzone 15 durch

te werden. Diese Steuerung erfordert großen zusätzlichen Eindiffusion von Boratomen erzeugt Dann wird auf die-

s* Aufwand. ser hochdotierten Zone 15 mit Ausnahme der für die

& Durch das Vorhandensein einer an oder nahe an der Kontaktmetallstreifen 16 und 17 vorgesehenen Berei-

#, Oberfläche des Halbleiterkörpers so hochdotierten ehe durch thermische Oxidation eine SiO₂-Schicht 18

|i dünnen Zone, daß Entartung des Halbleiters eintritt, — io erzeugt und auf dieser ganzflächig durch Sputtern oder

S wie es bei der Anordnung nach der Lehre der Erfindung CVD die aus Zinnoxid bestehende Metalloxid-Halblei-

jfe der Fall ist — erreicht die Leitfähigkeit einen nahezu terschicht 19 niedergeschlagen, weiche durch Kontakt-

;;i tem^eraturunabhängigen Wert. Der entstehende Flä- metallstreifen 20 und 21 mit den Sensoransdilüssen 22

i.' chenwiderstand wird durch die Dicke der bei Silizium und 23 verbunden ist.

P vorzugsweise mit Phosphor oder Bor hochdotierten Zo- 15 Die Beheizung der hochdotierten Zone 15 erfolgt auf

% ne und durch die Dotierungskonzentration bestimmt. der gleichen Seite des Substrates 13 mittels der Heizan-

;" Solche hochdotierten Zonen werden in der Halbleiter- Schlüsse 24 und 25 über die Kontaktmetallstreifen 16

F technik für die Erzielung linearer Strom-Spannungs- und 17.

V: Kennlinien bei Metall-Halbleiter-Übergängen benutzt Die Vorteile, die sich durch die, insbesondere in den

fy Gemäß einem Ausführungsbeispiel v/eist die hochdo- 20 F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnungen gegenüber be-

|i tierte Oberflächenzone eine Dicke von 10 bis 50 μΐη auf. kannten Sensorelementen ergeben, sind folgende: Es

pf Die Dotierung liegt im Bereich von IG²⁴ bis 10²⁷ in-³. können alle Schritte zur Herstellung des Heizelementes

fc' Weitere Ausgestaltungen des DünnschLht-Gassen- in konventioneller Siliziumtechnologie ausgeführt wer-

ί§ sors sind den Unteransprüchen zu entnehmen. den, das heißt, es sind keine zusätzlichen Montagen not-

I? Anhand der F i g. 1 bis 3 soll die erfindungsgemäße 25 wendig und die Anordnung kann in Miniaturbauweise

Ip Anordnung noch näher erläutert werden. Dabei zeigen hergestellt werden. Außerdem erfolgt der Wärmeüber-

b die gang auf kurzem Wärmeleitungsweg und ermöglicht

ψ F i g. 1 und 2 im Schnittbild zwei spezielle Ausfüh- damit einen geringen Energieverbrauch. So beträgt z. B.

ί?| rungsformen mit unterschiedlichem Aufbau des Heiz- der Energieaufwand für eine wie in F t g. 1 und 2 abge-

)| elements zur Sensorschicht und die 30 bildete Siliziumplatte bei einer Temperatur von 400⁰C

r| F i g. 3 in einer Meßkurve die Abhängigkeit der Heiz- etwa 130 mW/mm² (siehe F i g. 3). Damit ist die Mög-

II leistung Ph in Watt für ein 4 mm χ 4 mm großes Sensor- Hchkeit gegeben, Gassensoren mit einem Energiever- 'k element von der Arbeitstemperatur in Grad Celsius. brauch von etwa 100 mW herzustellen.

ft Als Ordinate ist zusätzlich zum pH-Wert der Heizlei- .

j| stungswert pro Sensorfläche in mm² aufgetragen. Diese 35 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

.M! Messung wurde an einer Anordnung, die identisch im

0 A.ufbau ist mit der in F i g. 1 abgebildeten, vorgenom-

|? men. Die Meßkurve zeigt, daß der Wärmeübergang auf

!? kurzem Wärmeleitungsweg erfolgt und damit einen gell ringen Energieverbrauch ermöglicht, z. B. wird mit 40

ft 0,125 W/mm² eine Arbeitstemperatur von 400⁰C erzielt.

Il F i g. 1: Auf ein vorzugsweise einkristallines Silizium-

|ä substrat 1 von 038 mm Dicke, welches bis auf seine

|] Unterseite allseitig mit einer SiO₂-Isolierschicht 2 der

£1 Dicke 0,1 <d< 1 μπι versehen ist, ist an der Oberfläche 45

U der Unterseite durch Eindiffundieren von Dotierstoff-

te atomen oder durch Ionenimplantation ζ. Β von

|| Phosphor, eine als Heizschicht wirkende hochdotierte

if η^x -Zone 3 erzeugt, die an beiden Seiten mit aufge-

i| dampften Kontaktmetallstreifen 4 und 5 aus Platin ver- 50

ψ sehen wird. Auf das mit der Oxidschicht 2 versehene

H Siliziumsubstrat 1 wird dann auf der anderen Seite

If (Oberseite) durch Sputtern oder ein CVD-Verfahren

% (chemical vapour deposition) eine z. B. aus Zinnoxid

g (SnO₂) bestehende Metalloxid-Halbleiterschicht 6 auf- 55

fr gebracht, die als Sensorschicht zum Nachweis von

If Äthylalkohol in Luft dient. Diese Schicht, die vorzugs-

|: weise 50 nm dick ist, kann auch aus Platinoxid oder PaI-

%; ladiumoxid (Sensor für Kohlenmonoxid oder Kohlen-

|| wasserstoff) oder aus Zinnoxid mit Beimengungen von 60

ψ Niob, Vanadin, Titan und Molybdän bestehen (Sensor

ir; für Propan). Auf die Sensorschicht 6 werden ebenfalls

fs zwei Kontaktmetallstreifen 7 und 8 aus Platin aufge-

ΐ dampft. Die Anschlußdrähte 9 und 10 für die Heizschicht und die Anschlußdrähte 11 und 12 für den Sen- 65

Γ; sor weisen vorii'gsweise einen Durchmesser von
25 —100 μιη auf und können aus Platin, Gold, Alumini·

;.■". um oder N ickel bestehea.

Claims

Patentansprüche:

1. Dünnschicht-Gassensor mit einem aus einem Halbleiterkörper bestehenden Sensor-Träger, einer Metalloxid-Halbleiterschicht, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Art und Konzentration des zu detektierenden Gases gemessen wird, einem in den Sensor-Träger integrierten Heizelement und einem am Sensor-Träger angebrachten, aus zwei Kontakten bestehenden Heizanschluß, dadurch gekennzeichnet, daß an oder nahe an der Oberfläche des Halbieiterkörpers eine bis zur Entartung hochdotierte Randzone als Heizelement vorgesehen ist, die für den Heizanschluß mit zwei Metallstreifen versehen ist

2. Dünnschicht-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium besteht und die Randzone mit einem drei- oder fünfwertigen Element dotiert ist

3. Dünnscnicht-Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Dotierung aus Bor oder Phosphor besteht

4. Dünnschicht-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte Randzone eine Dicke von 10 bis 50 μίτι aufweist

5. Dünnschicht-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen aus Silizium bestehenden Sensor-Träger, bei dem die mit den Metallkontaktstreifen für den Heizanschluß versehene hochdotierte Zone von der Metalloxidhaibleiterschicht djych eim SKVIsolierschicht elektrisch getrennt ist.

6. Dünnschicht-Gassensof nar~ Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkontaktstreifen für den Heizansehiuß und damit die hochdotierte Zone auf der der Metalloxidhalbleiterschicht abgewandten Seite des Siliziumkörpers angeordnet sind.

7. Dünnschicht-Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Metallkontaktstreifen für den Heizanschluß und damit die hochdotierte Zone auf der gleichen Seite des Siliziumkörpers wie die Metalloxidhalbleiterschicht angeordnet sind.

8. Dünnschicht-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen aus Platin bestehea