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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine chemische Halbleitersensorvorrichtung und auf ein
Verfahren zum Bilden eines Thermoelementes für eine solche Vorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein chemischer Sensor ist eine Vorrichtung, die
die Konzentration einer gegebenen chemischen Substanz in einer Flüssigkeit
oder in einem Gas überwacht.
Chemische Sensoren werden z. B. verwendet, um unsichere Pegel von
giftigen oder explosiven Gasen in der Arbeitsumgebung und in der
häuslichen Umgebung
zu detektieren.
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Chemische Sensoren, die durch Verwenden der
Hybridtechnologie gebildet werden, wie z. B. Sensoren, die auf Keramiksubstraten
gebildet werden, sind gut bekannt. Es ist auch bekannt, einen chemischen
Halbleitersensor auf einem Halbleitersubstrat herzustellen. Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit chemischen Halbleitersensoren.
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Typische chemische Sensoren umfassen eine
empfindliche Schicht, die gegenüber
bestimmten chemischen Substanzen empfindlich ist, die durch den
Sensor detektiert werden sollen. Die Reaktion der empfindlichen
Schicht mit der chemischen Substanz, die detektiert werden soll,
resultiert in einer Veränderung
der physikalischen Eigenschaften der empfindlichen Schicht, z. B.
des spezifischen Widerstandes oder der Oberflächenspannung. Weil die Reaktion
der empfindlichen Schicht von thermodynamischen Verhältnissen
beherrscht wird, spielt die Temperatur eine wichtige Rolle beim
Optimieren der Ausgabe der Sensorvorrichtung, z. B. Empfindlichkeit und
Selektivität.
Einige Sensoren umfassen eine Heizung zum Erhöhen der Temperatur der empfindlichen Schicht,
um die Empfindlichkeit und Selektivität des Sensors zu erhöhen. In
Abhängigkeit
von der chemischen Substanz, die detektiert werden soll, mag es sein,
dass chemische Sensoren auf recht hohe Temperaturen erhitzt werden
müssen,
z. B. im Bereich von 250–650°C.
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Da die Selektivität eines chemischen Sensors
von der Temperatur abhängt,
auf die die empfindliche Schicht erhitzt wird, ist es Somit wünschenswert,
dass die Temperatur der empfindlichen Schicht oder der Heizung über einen
Temperaturbereich, wie z. B. 250–650°C, genau überwacht wird.
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Polywiderstände und metallische Widerstände sind
verwendet worden, um die Betriebstemperatur in chemischen Halbleitersensoren
zu überwachen,
siehe z. B. den Artikel von Wan Young Chun in Sensors and Actuators
B, 20 (1994) 139–143.
Solche Techniken benötigen
jedoch einen beträchtlichen Platz
auf dem Chip und sie können
die Temperatur nur über
einen großen
Bereich des Chips überwachen.
Daher fehlt es solchen Techniken an Genauigkeit.
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Die US-Patentanmeldungen 5 362 975
und 4 903 106 offenbaren chemische Messvorrichtungen und Temperaturmessvorrichtungen,
bieten jedoch keine Lösungen
der oben genannten Probleme an.
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Daher ist es wünschenswert, eine verbesserte
chemische Halbleitersensorvorrichtung mit einem Temperaturdetektor
zur Verfügung
zu stellen, der nicht unter den oben erwähnten Problemen leidet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine chemische Halbleitersensorvorrichtung zur Verfügung gestellt,
die eine empfindliche Schicht zum Detektieren spezifischer Chemikalien
und eine Heizung zum Heizen der empfindlichen Schicht hat, wobei
die Heizung durch einen Heizungsanteil einer leitenden Polysiliziumschicht
in der chemischen Halbleitersensorvorrichtung gebildet wird, wobei
die chemische Halbleitersensorvorrichtung weiterhin ein erstes Thermoelement
zum Detektieren der Temperatur der empfindlichen Schicht umfasst,
wobei das erste Thermoelement einen P/N-Übergang
umfasst, der als Teil des Heizungsanteils der leitenden Polysiliziumschicht
oder als Teil der an den Heizungsanteil der leitenden Polysiliziumschicht
angrenzenden leitenden Polysiliziumschicht gebildet wird, so dass
ein quer über
den P/N-Übergang
entwickeltes Signal die Temperatur der empfindlichen Schicht darstellt.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine chemische Sensorvorrichtung zur Verfügung, die ein kleines Thermoelement zum
Detektieren der Temperatur der empfindlichen Schicht hat, das leicht
in die chemische Sensorvorrichtung integriert werden kann. Das Thermoelement
kann in die Heizung oder sehr nahe bei der Heizung angeordnet werden
und kann somit eine genauere Temperaturdetektion zur Verfügung stellen,
die eine bessere Selektivität
und Empfindlichkeit der chemischen Sensorvorrichtung sicherstellt.
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Da das Thermoelement klein ist, kann
eine Vielzahl von Thermoelementen in die chemische Sensorvorrichtung
integriert werden, um so die Temperatur über einen großen Chipbereich
genau und gleichmäßig zu überwachen
und zu steuern.
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Es wird ebenso ein Verfahren zum
Bilden eines Thermoelementes für
eine chemische Halbleitersensorvorrichtung offenbart und beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es werden nun drei chemische Halbleitersensorvorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung und ein Verfahren zum Bilden eines Thermoelementes für solche
chemischen Sensorvorrichtungen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
vereinfachte schematische Querschnittsansicht einer chemischen Halbleitersensorvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
vereinfachte schematische Querschnittsansicht einer chemischen Halbleitersensorvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3-6 vereinfachte schematische
Querschnittsansichten der chemischen Halbleitersensorvorrichtung
von 1 während verschiedener
Stufen der Fertigung zeigen;
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7 einen
vereinfachten schematischen Grundriss des Thermoelementes der chemischen Halbleitersensorvorrichtung
von 1 vor der Metallisierung
zeigt; und
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8 einen
vereinfachten schematischen Grundriss eines Teils einer chemischen
Halbleitersensorvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, darin umfasst eine
chemische Halbleitersensorvorrichtung 2 gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine empfindliche Schicht 4 zum
Detektieren spezifischer Chemikalien und eine Heizung zum Heizen
der empfindlichen Schicht 4. Die Heizung wird durch einen
Heizungsanteil 6 einer leitenden Schicht 8 gebildet,
die über
einer Halbleiterschicht 10 gebildet ist. Die chemische
Halbleitersensorvorrichtung 2 umfasst weiterhin ein Thermoelement 12 zum
Detektieren der Temperatur der empfindlichen Schicht 4,
wobei das Thermoelement 12 einen P/N-Übergang 14 umfasst,
der angrenzend an dem Heizungsanteil 6 der leitenden Schicht 8 gebildet
ist. Quer über
den P/N-Übergang 14 wird
ein Signal entwickelt, das die Temperatur an den P/N-Übergang 14 gemäß dem Seeback-Effekt
darstellt und somit die Temperatur der empfindlichen Schicht 4 darstellt.
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Das Thermoelement 12 umfasst
einen Anteil 16 der leitenden Schicht 8, die an
den Heizungsanteil 6 angrenzt und einen leitenden Bereich 18,
der in der leitenden Schicht 8 gebildet ist, wobei der
leitende Bereich 18 aus einem leitenden Material gebildet wird,
das eine Leitfähigkeitstype
hat, die zu der der leitenden Schicht 8 verschieden ist.
Eine Verbindung zwischen dem Anteil 16 der leitenden Schicht 8 und dem
leitenden Bereich 18 bildet den P/N-Übergang 14 des
Thermoelementes 12. Ein erster Kontakt 20 erstreckt
sich bis zu dem Anteil 16 der leitenden Schicht 8,
und ein zweiter Kontakt 22 erstreckt sich bis zu dem leitenden
Bereich 18. Ein Spannungssignal, das dem Signal quer über dem
P/N-Übergang 14 und
somit der Temperatur der empfindlichen Schicht 4 entspricht,
wird quer über
den ersten 20 und zweiten 22 Kontakt entwickelt.
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Die leitende Schicht 8 wird
vorzugsweise aus N+-dotiertem
Polysilizium gebildet, das auf einer ersten Isolierschicht 24 gebildet
ist, wie z. B. einer Siliziumoxidschicht, wobei die Isolierschicht
auf der Halbleiterschicht 10 gebildet wird. Die Halbleiterschicht 10 kann
ein Siliziumsubstrat sein. Der leitende Bereich 18 ist
vorzugsweise P+-dotiertes Polysilizium, wobei eine Verbindung von
Poly-P+ und Poly-N+
den P/N-Übergang 14 bildet.
Wenn das N+-dotierte
Polysilizium und das P+-dotierte Polysilizium stark dotiert sind,
funktionieren sie als Metalle. Solch ein Verbindung erzeugt ein
Spannungssignal als eine Funktion der Temperatur aufgrund des Seebeck-Effektes.
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Eine zweite Isolierschicht 26,
wie z. B. eine TEOS-Schicht
oder eine Siliziumoxidschicht, stellt eine Isolierung zwischen der
empfindlichen Schicht 4 und der leitenden Schicht 8 zur
Verfügung.
Die empfindliche Schicht 4 wird auf der zweiten Isolierschicht 26 gebildet
und kann aus einer Goldschicht oder einer Gold-Palladium-Legierungsschicht zum
Erfassen von Hydridgasen gebildet werden. Für eine Kohlenmonoxidsensorvorrichtung
kann die empfindliche Schicht 4 eine Zinnoxidschicht umfassen.
Die Art des empfindlichen Materials, das verwendet wird, um die empfindliche
Schicht 4 zu bilden, kann von Metallen bis zu dotierten/zusammengesetzten
Materialien variieren und hängt
von den Anwendungen und der Art der Chemikalien ab, die die chemische
Halbleitersensorvorrichtung 2 detektieren soll.
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In der ersten Ausführungsform
wird das Thermoelement 12 angrenzend an den Heizungsanteil 6 der
leitenden Schicht 8 gebildet. Das Thermoelement kann zusätzlich oder
alternativ als Teil der Heizung gebildet werden, wie in 2 gezeigt.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen, darin wird eine chemische
Halbleitersensorvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Gleiche Merkmale wie die von 1 werden durch dieselben
Bezugszeichen plus einhundert gekennzeichnet.
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Die chemische Halbleitersensorvorrichtung 200 umfasst
eine empfindliche Schicht 104 zum Detektieren spezifischer
Chemikalien und eine Heizung zum Heizen der empfindlichen Schicht 104.
Die Heizung wird durch einen Heizungsanteil 106 einer leitenden
Schicht 108 über
eine Halbleiterschicht 110 gebildet. Die chemische Halbleitersensorvorrichtung 200 umfasst
weiterhin ein Thermoelement 150 zum Detektieren der Temperatur
der empfindlichen Schicht 104 und zum Umfassen eines P/N-Überganges 114,
der in dem Heizungsanteil 106 der leitenden Schicht 108 gebildet
ist. Quer über
den P/N-Übergang 114 wird
ein Signal entwickelt, das die Temperatur des P/N-Überganges 114 und
somit der empfindlichen Schicht 4 darstellt.
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Das Thermoelement 150 umfasst
einen leitenden Bereich 118, der in dem Heizungsanteil 106 der
leitenden Schicht 108 gebildet ist. Der leitende Bereich 118 wird
aus einem leitenden Material gebildet, dessen Leitfähigkeitstype
von der der leitenden Schicht 108 verschieden ist. Ein
Kontakt 152 erstreckt sich bis zu dem leitenden Bereich 118.
Quer über
dem Kontakt 152 und einem Kontakt (nicht gezeigt) mit dem
Heizungsanteil 106 wird ein Spannungssignal entwickelt,
das dem Signal quer über dem
P/N-Übergang 114 des
Thermoelementes 150 entspricht. Das Spannungssignal an
dem Kontakt 152 stellt somit die Temperatur der empfindlichen Schicht 104 dar.
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Wie in der ersten Ausführungsform
wird die leitende Schicht 108 vorzugsweise aus N+-dotiertem Polysilizium
gebildet, das auf einer ersten Isolierschicht 124 gebildet
ist, wie z. B. einer Siliziumoxidschicht, die auf der Halbleiterschicht 110 gebildet
ist. Der leitende Bereich 118 ist vorzugsweise P+-dotiertes
Polysilizium, wobei eine Verbindung von Poly-P+ und Poly-N+ den
P/N-Übergang 114 bildet.
Solch ein Übergang
erzeugt ein Spannungssignal als eine Funktion der Temperatur aufgrund
des Seebeck-Effektes.
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Eine zweite Isolierschicht 126,
wie z. B. eine TEOS-Schicht
oder eine Siliziumoxidschicht, stellt eine Isolierung zwischen der
empfindlichen Schicht 104 und der leitenden Schicht 108 zur
Verfügung. Das
Material aus dem die empfindliche Schicht 104 gebildet
wird, hängt
von den Anwendungen und der Art der Chemikalien ab, die die chemische
Halbleitersensorvorrichtung 200 detektieren soll.
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Es wird nun ein Verfahren zum Bilden
eines Thermoelementes für
eine chemische Halbleitersensorvorrichtung gemäß der Erfindung unter Bezug
auf das Bilden des Thermoelemen tes 12 der chemischen Halbleitersensorvorrichtung 2 gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und unter Bezug auf 1, 3–7 beschrieben.
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Es wird eine Halbleiterschicht 10,
vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, zur Verfügung gestellt, und über dem
Siliziumsubstrat 10 wird eine erste Isolierschicht 24 aus
Siliziumoxid (Thermooxid) gebildet. Eine leitende Schicht 8,
die vorzugsweise eine N+-dotierte Polysiliziumschicht umfasst, wird über der
ersten Isolierschicht 24 aus Siliziumoxid gebildet (siehe 3). Dies sind die selben
Schritte, die verwendet werden, um die Heizung der chemischen Halbleitersensorvorrichtung
zu bilden.
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Eine Maske 23, wie z. B.
Photoresist, wird über
der leitenden Schicht 8 gebildet, die dann bemustert und
geätzt
wird, um eine Öffnung 25 durch das
Photoresist 23 zu der leitenden Schicht 8 zur
Verfügung
zu stellen (siehe 4).
Bor oder eine beliebige andere P-Verbindung wird dann durch die Öffnung 25 mit
einer ziemlich hohen Dosis in die leitende Schicht 8 dotiert,
um die leitende N+ Polysiliziumschicht 8 mit dem P-Dotierungsstoff
zu dotieren. Das Photoresist 23 wird dann entfernt. Somit
wird in der leitenden Schicht 8 ein leitender Bereich 18 gebildet, der
eine Leitfähigkeitstype
hat, die von der der leitenden Schicht 8 verschieden ist
(5); d. h. jeweils Poly
P+ versus Poly N+.
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Die leitende Schicht 8 wird
dann bemustert und geätzt,
um den Heizungsanteil 6 (in 6 nicht gezeigt)
und den Teil 16 des Thermoelementes 12 zu bilden.
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Dann wird eine zweite Isolierschicht 26 über der
leitenden Schicht 8 und der Isolierschicht 24 gebildet.
Die zweite Isolierschicht 26 wird bemustert und geätzt, um
Kon taktöffnungen
zu dem leitenden Bereich 18 und zu der leitenden Schicht 8 zu
bilden. Dann wird eine Metallschicht in die Öffnungen aufgebracht, um den
ersten 20 und zweiten 22 Kontakt zu bilden. Die
Kontaktöffnungen 19, 21 können in 7 deutlicher gesehen werden,
die eine perspektivische Ansicht von 6 vor
der Metallisierung zeigt.
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Die Heizung der chemischen Halbleitersensorvorrichtung
gemäß der Erfindung
wird aus der leitenden Schicht 8 gebildet. Somit wird aus
dem oben gesagten klar, dass die Anfangsschritte des Bildens eines
leitenden Bereiches 18 in einer leitenden Schicht 8 den
Schritten des Bildens der Heizung entsprechen. Da nur zusätzliche
Foto- und Dotier-Schritte
erforderlich sind, um das Thermoelement 12 zu bilden, sind
wenige Schritte erforderlich, um ein Thermoelement gemäß der vorliegendenden
Erfindung in eine chemische Halbleitersensorvorrichtung zu integrieren.
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Es ist klar, dass im Wesentlichen
dasselbe Verfahren verwendet werden kann, um das Thermoelement 150 der
zweiten Ausführungsform
zu bilden. Die Bemusterungs- und Ätzschritte der leitenden Schicht 108 sind
für die
zweite Ausführungsform leicht
unterschiedlich, da das Thermoelement 150 ein Teil der
Heizung selbst ist.
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Jede der chemischen Halbleitersensorvorrichtungen
gemäß der ersten
und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist bisher so beschrieben worden, dass
sie ein Thermoelement umfasst. Dies dient jedoch lediglich dem Zwecke
der Darstellung. Eine chemische Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung
kann ein oder mehrere Thermoelemente umfassen. Das heißt, eine
chemische Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung
kann ein oder mehrere der Thermoelemente 12 gemäß der ersten Ausführungsform
oder ein oder mehrere der Ther moelemente 150 gemäß der zweiten
Ausführungsform umfassen.
Weiterhin kann eine chemische Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung
mindestens ein erstes und mindestens ein zweites unterschiedliches Thermoelement
umfassen; das erste Thermoelement umfasst einen P/N-Übergang,
der als Teil der Heizung gebildet ist, so dass ein Signal, das quer über dem
P/N-Übergang
entwickelt wird, die Temperatur des Heizungsanteils der leitenden
Schicht darstellt; und das zweite Thermoelement umfasst einen P/N-Übergang,
der angrenzend an die Heizung gebildet ist, so dass ein Signal,
das quer über
dem P/N-Übergang
entwickelt wird, die Temperatur der empfindlichen Schicht darstellt.
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Vorzugsweise wird die leitende Schicht
aus einem ersten leitenden Material gebildet, und das erste Thermoelement
umfasst einen leitenden Bereich eines zweiten leitenden Materials,
das in dem Heizungsanteil der leitenden Schicht gebildet ist und einen
ersten Kontakt hat, der sich bis dorthin erstreckt, wobei das zweite
leitende Material eine andere Leitfähigkeitstype hat, als das erste
leitende Material, wobei der P/N-Übergang des ersten Thermoelementes
eine Verbindung zwischen dem leitenden Bereich und dem Heizungsanteil
der leitenden Schicht umfasst und bei dem ein Spannungssignal, das
an dem ersten Kontakt entwickelt wird, die Temperatur der empfindlichen
Schicht darstellt.
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Vorzugsweise umfasst das zweite Thermoelement
folgendes: einen leitenden Bereich des zweiten leitenden Materials,
das in der leitenden Schicht gebildet ist und einen ersten Kontakt
hat, der sich bis dorthin erstreckt; und einen Teil der an den Heizungsteil
der leitenden Schicht angrenzenden leitenden Schicht, der einen
zweiten Kontakt hat, der sich bis dorthin erstreckt, wobei der P/N-Übergang des
zweiten Thermoelementes eine Verbindung zwischen dem leitenden Bereich
und dem Teil der leitenden Schicht umfasst, bei dem ein Spannungssignal,
das quer über
den ersten und zweiten Kontakt entwickelt wird, die Temperatur der
empfindlichen Schicht darstellt.
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Vorzugsweise wird die leitende Schicht
aus N+-dotiertem
Polysilizium gebildet, und die leitenden Bereiche des ersten und
zweiten Thermoelementes werden aus P+-dotiertem Polysilizium gebildet.
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Eine andere mögliche Kombination wird in 8 gezeigt, die einen schematischen
Oberseitengrundriss eines Teiles einer chemischen Halbleitersensorvorrichtung 300 gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Die chemische Sensorvorrichtung 300 umfasst
eine Heizung 60, die in einer leitenden Schicht, wie z.
B. N+-dotiertes
Polysilizium, gebildet wird, wobei die Schicht ein erstes Thermoelement 302 als
Teil der Heizung und ein zweites Thermoelement 304 hat, das
von der Heizung entfernt angeordnet ist, z. B. an dem Rand des chemischen
Halbleitersensorvorrichtungschips. Das erste Thermoelement 302 entspricht dem
oben beschriebenen Thermoelement 150, und das zweite Thermoelement 304 entspricht
dem oben beschriebenen Thermoelement 12. Der Kontakt 310 ist
mit dem P+-leitenden
Bereich des ersten Thermoelementes 302 verbunden, das in
der Heizung gebildet ist. Die Kontakte 306, 308 sind
mit dem P+-leitenden Bereich und einem Teil der N+-leitenden Schicht des
zweiten Thermoelementes 304 verbunden. Die Kontakte 312 und 314 sind
die Heizungskontakte.
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Aus den Spannungssignalen, die durch
die Thermoelemente 302 und 304 erzeugt wird, kann
der Temperaturunterschied zwischen den zwei Bereichen der chemischen
Halbleitersen sorvorrichtung und auch die Temperatur am Zentrum der
Heizung bestimmt werden.
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Vorzugsweise befindet sich das zweite
Thermoelement 304 an dem Rand des Chips, wo das Silizium
seine maximale Dicke hat. In einer solchen Anordnung, befindet sich
das zweite Thermoelement 304 an einem Standort, wo die
Temperatur ungefähr gleich
der Temperatur der Verpackung der chemischen Sensorvorrichtung ist.
Somit entspricht die durch das zweite Thermoelement 304 gemessene Temperatur
im Wesentlichen der externen Umgebungstemperatur. Solch eine Anordnung
kann verwendet werden, um eine Immunität gegenüber Abweichungen von Partie
("lot") zu Partie aufgrund von Abweichungen der Polywiderstandsfähigkeit
zur Verfügung
zu stellen. Eine kleine Veränderung
des Widerstandes erzeugt eine messbare Änderung der Temperatur. Diese
kann durch Prüfen
des Temperaturunterschiedes zwischen dem ersten und zweiten Thermoelement
für jede
Partie detektiert werden.
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Mit zwei oder mehr Thermoelementen
in der chemischen Halbleitersensorvorrichtung lässt sich somit die Temperatur
gleichmäßiger und
genauer überwachen
und steuern.
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Besonders nützlich ist es, zwei Thermoelemente
in der Heizung zu haben, da die Temperatur quer über der Heizung ungleichmäßig sein
kann. Die Temperatur der Heizung kann daher an verschiedenen Punkten überwacht
und entsprechend gesteuert werden.
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Das Thermoelement gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst einen P/N-Übergang,
der angrenzend an der Heizung und/oder als Teil der Heizung integriert
ist. Solch ein Thermoelement hat sehr kleine Dimensionen, ungefähr 30–50 Mikrometer, verglichen
mit den Polywiderständen
nach dem Stand der Technik, und stellt so eine gute räumliche Auflö sung auf
dem Chip sicher. Die kleine Größe des Thermoelementes
bedeutet, dass eine Vielzahl von Thermoelementen in der ganzen chemischen
Halbleitersensorvorrichtung integriert werden kann, wodurch ein
genaues Erfassen der Temperatur gewährleistet wird.
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Wenn die Heizung aus einer polyleitenden Schicht
gebildet wird, kann das Thermoelement als Teil der Heizung integriert
werden. In diesem Falle wird der P/N-Übergang zwischen der Heizung
selbst und einem in die Heizung dotierten leitenden Bereich gebildet.