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Gebiet der Erfindung
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Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein Chemiesensor ist eine Vorrichtung,
welche die Konzentration eines gegebenen chemischen Stoffes in einer
Flüssigkeit
oder einem Gas überwacht.
Chemiesensoren werden verwendet, um beispielsweise unsichere Pegel
von giftigen oder explosiven Gasen in den Arbeits- und Heimumgebungen zu
ermitteln.
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Unter Verwendung von Hybridtechnolgie ausgebildete
Chemiesensoren, wie zum Beispiel auf keramischen Trägermaterialien
ausgebildete Sensoren, sind wohlbekannt. Einen Halbleiter-Chemiesensor
auf einem Halbleiterträgermaterial
auszubilden, ist ebenfalls bekannt. Diese Erfindung befasst sich mit
Halbleiter-Chemiesensoren.
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Typischerweise weisen Chemiesensoren eine
empfindliche Schicht auf, die empfindlich für bestimmte chemische Sorten
ist, die durch den Sensor zu ermitteln sind. Die Reaktion der empfindlichen Schicht
auf die zu ermittelnden chemischen Sorten hat eine Veränderung
in den physikalischen Eigenschaften der empfindlichen Schicht, z.
B. spezifischer Widerstand oder Oberflächenpotential, zur Folge. Diese
Veränderung
kann durch Überwachen
des Spannungssignals über
die empfindliche Schicht erfasst werden. Da die Reaktion der empfindlichen Schicht
durch thermodynamische Beziehungen geregelt wird, spielt Temperatur
bei der Optimierung der Ausgabe der Sensorvorrichtung, z. B. Empfindlichkeit
und Trennschärfe,
eine wichtige Rolle.
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Einige Sensoren enthalten eine Heizung
zur Erhöhung
der Temperatur der empfindlichen Schicht, um die Empfindlichkeit
und Trennschärfe
des Sensors zu erhöhen.
Je nach der zu ermittelnden chemischen Sorte kann es sein, dass
Chemiesensoren auf ziemlich hohe Temperaturen, zum Beispiel in dem Bereich
von 250–650°C, erwärmt werden
müssen. Bei
unter Verwendung der Dünnschichttechnologie ausgebildeten
Halbleiter-Chemiesensoren weist die Heizung typischerweise einen
Polywiderstand auf, der mit der Dünnschichttechnologie kompatibel
ist. Die Verwendung von Platindrahtheizungen ist ebenfalls bekannt,
aber solche Heizungen sind mit CMOS-Prozessen inkompatibel. Die Heizung
wird im Allgemeinen in der Mitte der empfindlichen Schicht angebracht,
um Energieverbrauch zu reduzieren. Die Geometrie der Heizung kann
die Temperaturhomogenität über die
empfindliche Schicht und daher die Trennschärfe des Sensors beeinflussen.
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Es ist bekannt, eine Poly-Heizung
in einer S-Form auszubilden, wobei sich die Heizungskontakte an
jedem Ende des 'S' befinden. Jedoch
liefert eine solche Heizung schlechte Temperaturhomogenität über die
empfindliche Schicht (ungefähr
40%). Zudem herrscht an den Heizungskontakten eine hohe Temperatur,
was zu Siliziummigration in die Metallkontakte führen kann. Siliziummigration
kann den Widerstand der Heizungskontakte verändern, was zur Auswirkung hat,
dass eine Drift in der Grundlinie der empfindlichen Schicht verursacht
wird; das heißt,
der Pegel des Spannungssignals über
die empfindliche Schicht, wenn keine chemischen Sorten vorhanden sind,
verändert
sich.
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Ein Artikel mit dem Titel 'SI Planar Pellistor/Designs
for Temperature Modulated Operation', verfasst von Robert Aigner, Markus
Dietl, Rainer Katterloher, Veit Klee und veröffentlicht an dem Lehrstuhl für Technische
Elektronik, Technische Universität München, beschreibt
ein spiralförmiges,
aus Platindraht gebildete Heizung. Diese Heizungsanordnung weist
verbesserte Homogenität
auf, ist aber mit CMOS-Prozessen nicht kompatibel. Des Weiteren kann
die Heizung unter überhitzten
Stellen an den Heizungskontakten leiden, was, wie oben erörtert, zu Siliziummigration
führen
kann. Wenn die Spiralform auf eine Polywiderstands-Heizung anzuwenden
wäre, würde der
Widerstand einer derartigen Heizung sehr hoch sein. Eine solche
Heizung würde
deshalb eine hohe Speisespannung benötigen, die für die meisten
Anwendungen, wo eine Speisespannung von weniger als 5 Volt erforderlich
ist, zu hoch sein würde.
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Das US Patent Nr. 5,345,213 offenbart
einen Chemiesensor, der eine harmonikaförmige Heizung und eine zum
Wirken als Wärmesenke über die
Heizung ausgebildete leitfähige
Wärmeverteilungsplatte aufweist.
Die leitfähige
Wärmeverteilungsplatte
verteilt die Wärme
von der Heizung gleichmä ßig, um gute
Temperaturhomogenität über die
empfindliche Schicht des Sensors zu schaffen. Jedoch vermeidet diese
Anordnung überhitzte
Stellen nicht vollständig, und
da sie zwei zusätzliche
Foto- und Sedimentierungsschritte erfordert, ist sie eine komplexere
Lösung.
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Deshalb ist es wünschenswert, eine verbesserte
Heizung für
eine Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung bereitzustellen, in dem
die obigen Probleme entschärft
werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine wie in den beigefügten
Ansprüchen
beschriebene Halbleitervorrichtung bereit.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nun wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
lediglich als Beispiel eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
vergrößertes vereinfachtes
Diagramm einer Draufsicht einer bekannten Heizung;
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2 ein
vergrößertes vereinfachtes
Diagramm einer Draufsicht eines Teils einer Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ein
vergrößertes vereinfachtes
Diagramm einer Öffnung
der Heizung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem kreisrunden horizontalen Querschnitt;
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4 ein
vergrößertes vereinfachtes
Diagramm einer Öffnung
der Heizung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem rhombischen horizontalen Querschnitt;
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5 ein
vergrößertes vereinfachtes
Diagramm einer Öffnung
der Heizung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem rechteckig gestalteten horizontalen Querschnitt
mit runden Ecken;
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6 das
vergrößerte vereinfachte
Diagramm eines in der X-Richtung genommenen Querschnitts des Halbleiter-Chemiesensors von 2; und
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7 das
vergrößerte vereinfachte
Diagramm eines in der Y-Richtung genommenen Querschnitts des Halbleiter-Chemiesensors von 2.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt
eine Draufsicht der oben erwähnten
bekannten S-förmigen
Heizung 2, das zum Erwärmen
einer empfindlichen Schicht 4 einer Chemiesensorvorrichtung
verwendet wird. Die Heizung 2 umfasst einen aus Polysiliziummaterial
ausgebildeten, in ein S gestalteten Heizungsbereich 3 und
zwei Metallkontakte 6 und 8 an den jeweiligen
Enden des S. Die empfindliche Schicht 4 ist über einen
signifikanten Teil des Heizungsbereichs 3 ausgebildet.
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Die Heizung 2 leidet unter
einer Reihe von Problemen. In Anbetracht der Form des Heizungsbereichs 3 liefert
die Heizung 2 eine einheitliche Temperatur über nur
40% des Bereichs der empfindlichen Schicht 4. Eine derart
schlechte Temperaturhomogenität
hat schlechte Sensorempfindlichkeit zur Folge. Ein weiteres Problem
mit diesem Typ der Heizung 2 ist, das die Metallkontakte 6 und 8 im
Gebrauch hohe Temperaturen aufweisen, was zu Siliziummigration in die
Metallkontakte führen
kann.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Heizung zur Verfügung,
die diese Probleme des Standes der Technik beseitigt oder zumindest
entschärft.
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Mit Bezug auf 2 wird nun eine Draufsicht eines Teils
einer Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung 50 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung 50 umfasst
eine Heizung 20 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Verwendung beim Erwärmen einer
empfindlichen Schicht 22. Die Heizung 20 ist über eine
Halbleiterbasis (nicht gezeigt) aus leitfähigem Material ausgebildet,
das in der bevorzugten Ausführungsform
Polysiliziummaterial ist. Die Heizung 20 umfasst erste 24 und
zweite 26 Arme und einen Heizungsbereich 28. Der
erste Arm 24 und der zweite Arm 26 erstrecken
sich von dem Heizungsbereich 28 aus über die Halbleiterbasis (nicht
gezeigt). Ein erster Heizungskontakt 30 ist mit dem Ende
des ersten Arms 24 gekoppelt und ein zweiter Heizungskontakt 32 ist
mit dem Ende des zweiten Arms 26 gekoppelt.
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Die Heizung 20 umfasst weiterhin
eine sich vertikal durch den Heizungsbereich 28 erstreckende Öffnung 34.
Die empfindliche Schicht 22 ist über die Öffnung 34 und den
Heizungsbereich 28 ausgebildet, und die empfindliche Schicht 22 und
die Öffnung 34 sind
so angeordnet, dass sich eine vertikale Achse durch das Zentrum 36 der Öffnung 34 durch
das Zentrum 36 der empfindlichen Schicht 22 erstreckt.
Kontakte 38 und 40 sind mit zwei einander gegenüberliegenden
Enden der empfindlichen Schicht 22 gekoppelt. Das Spannungssignal über die
Kontakte 38 und 40 liefert eine Anzeige des Vorhandenseins
spezieller Chemikalien.
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Die Öffnung 34 weist einen
horizontalen Querschnitt auf, der um die durch das Zentrum 36 führende vertikale
Achse herum eine symmetrische Form hat. Die Öffnung 34 vergrößert die
Temperaturverteilung über
die empfindliche Schicht 22 in alle Richtungen senkrecht
zu der vertikalen Achse. Da die Öffnung 34 um
die vertikale Achse herum symmetrisch ist und die Zentren 36 der Öffnung und
der empfindlichen Schicht 22 übereinstimmen, ist die Temperaturverteilung über die
empfindliche Schicht 22 im Wesentlichen gleichmäßig. Vorzugsweise
ist das Zentrum des Heizungsbereichs 28 entlang der vertikalen
Achse mit den Zentren der Öffnung 34 und der
empfindlichen Schicht 22 ausgerichtet.
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Der erste Arm 24 erstreckt
sich eine erste Länge 25 in
eine Richtung von dem Heizungsbereich 28 zu dem ersten
Heizungskontakt 30, und der zweite Arm erstreckt sich eine
zweite Länge 27 in
einer zu der einen Richtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung
von dem Heizungsbereich 28 zu dem zweiten Heizungskontakt 32.
Jede der ersten und zweiten Längen
ist größer als
100 Mikron.
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Vorzugsweise weisen die ersten 24 und zweiten 26 Arme
beide rechtwinklige horizontale Querschnitte auf. Die Längen der
Querschnitte der ersten 24 und zweiten 26 Arme
sind die ersten bzw. zweiten Längen,
und die Breiten der Querschnitte sind gleich. Da die Heizungskontakte 30 und 32 über die
ersten 24 und zweiten 26 Arme mit dem Heizungsbereich 28 gekoppelt
sind, wird die Temperatur an den Heizungskontakten 30 und 32 reduziert.
Die Temperaturreduzierung hängt
von den ersten 25 und zweiten 27 Längen der
ersten 24 bzw. zweiten 26 Arme ab. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Längen
bei 200 Mikrometer die gleichen. Somit reduzieren die ersten 24 und zweiten 26 Arme
die durch überhitzte
Stellen und Siliziummigration verursachten Probleme.
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Der Heizungsbereich 28 weist
vorzugsweise einen rechteckig gestalteten horizontalen Querschnitt
mit einer Breite gleich den Breiten der ersten und zweiten Arme
auf. Ein rechteckig gestalteter Heizungsbereich 28 und
rechtwinklig gestaltete erste 24 und zweite 26 Arme
bedeuten, dass die Heizung 20 einen niedrigen Widerstand
hat, was sicherstellt, dass eine niedrige Speisespannung (weniger
als 5 Volt) zur Versorgung der Heizung 20 verwendet werden
kann. Jedoch kann der Heizungsbereich 28 eine rechtwinklige
Form oder irgendeine andere Form haben, die einen niedrigen Widerstand
hat.
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In 2 wird
die Öffnung 34 mit
einem rechteckig gestalteten horizontalen Querschnitt gezeigt. Jedoch
kann der horizontale Querschnitt der Öffnung andere Formen annehmen,
wie zum Beispiel jene in 3-5 gezeigten. 3 zeigt eine Öffnung 42 mit einem
kreisrunden horizontalen Querschnitt. 4 zeigt
eine Öffnung 44 mit
einem rhombischen horizontalen Querschnitt. 5 zeigt eine Öffnung 46 mit einem
rechteckig gestalteten horizontalen Querschnitt mit runden Ecken.
Andere mögliche
Formen für
den horizontalen Querschnitt der Öffnung schließen einen
hexagonal gestalteten oder einen sternförmigen oder einen zwölfeckig
gestalteten Querschnitt ein.
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Nun wird ebenfalls auf 6 Bezug genommen, welche
eine vergrößerte Ansicht
eines in der X-Richtung genommenen Querschnitts des Halbleiter-Chemiesensors 50 von 2 zeigt.
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Die Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung 50 weist
eine als Brücke
und vorzugsweise aus Siliziummaterial ausgebil dete Halbleiterbasis 52 auf.
Eine erste Isolierschicht 54 ist auf der Halbleiterbasis 52 ausgebildet.
Eine Schicht aus leitfähigem
Material ist auf der ersten Isolierungsschicht 54 ausgebildet.
Die Schicht aus leitfähigem
Material ist gemustert und geätzt,
wie in der Technik wohlbekannt ist, um den Heizungsbereich 28 mit
der sich zu der Isolierschicht 54 erstreckenden Öffnung 34 und
die sich von dem Heizungsbereich 28 aus ausdehnenden ersten 24 und
zweiten 26 Arme (in 6 nicht
gezeigt) zu bilden. Eine zweite Isolierschicht 56 ist über den
Heizungsbereich 28 und die erste Isolierschicht 54 ausgebildet.
Eine Schicht aus empfindlichem Material ist über die zweite Isolierschicht 56 ausgebildet,
welche Schicht dann gemustert und geätzt wird, um die empfindliche
Schicht 22 über
den Heizungsbereich 28 auszubilden. Dann wird Metall abgelagert,
um die Kontakte 38, 40 an der empfindlichen Schicht 22 auszubilden.
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In der bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Isolierschicht 54 aus Siliziumdioxid-Material ausgebildet,
und die zweite Isolierschicht 56 ist aus TEOS-Material
ausgebildet. Der Typ von empfindlichem Material, der zum Ausbilden
der empfindlichen Schicht 22 verwendet wird, kann von Metall
zu dotierten-/Verbindungs-Materialien variieren und hängt ab von
den Anwendungen und dem Typ von Chemikalien, welche die Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung erfassen
soll. Die empfindliche Schicht 22 kann zum Abfühlen von
Hydridgasen aus einer Goldschicht oder einer Gold-Palladium-Legierungsschicht
ausgebildet sein. Für
eine Kohlenstoffmonoxid-Sensorvorrichtung kann das Abfühlelement 22 eine
Zinnoxidschicht umfassen.
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Nun wird ebenfalls auf 7 Bezug genommen, welche
eine vergrößerte Ansicht
eines in der Y-Richtung genommenen Querschnitts des Halbleiter-Chemiesensors 50 von 2 zeigt. Die ersten 24 und
zweiten 26 Arme sind aus der Schicht leitfähigen Materials
gemustert und geätzt,
wie oben beschrieben. Die empfindliche Schicht 22 ist über den
Heizungsbereich 28 und die Öffnung 34 ausgebildet.
In die zweite Isolierschicht 56 werden an den Enden der ersten 24 und
zweiten 26 Armen Öffnungen
angebracht und Metall wird darin abgelagert, um die ersten 30 und
zweiten 32 Heizungskontakte auszubilden. Die empfindliche
Schicht 22 kann vor oder nach der Ausbildung der Kontaktöffnungen
ausgebildet werden.
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Folglich kann die Halbleitervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Anwendung bekannter Prozessschritte und durch einfaches
Modifizieren der Maske für
die Heizung gefertigt werden, so dass sie ein gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltete Heizung erzeugt. Es wird deshalb klar sein,
dass die Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ohne das Erfordernis von zusätzlichen
komplexen Prozessschritten gefertigt werden kann.
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Zusammengefasst stellt die vorliegende
Erfindung eine Heizung bereit, das verbesserte Temperatureinheitlichkeit über die
empfindliche Schicht schafft und das die Probleme der Polymetallmigration durch
Reduzierung der Temperatur an den Heizungskontakten verringert.
Der Heizungsbereich weist eine niedrige Widerstandsform auf, die
vorzugsweise rechtwinklig oder rechteckig ist. Die Heizung kann unter
Verwendung wohlbekannter Prozesse und ohne das Erfordernis von zusätzlichen
komplexen Schritten ausgebildet werden. Die vorliegende Erfindung
ist deshalb mit CMOS-Prozessen kompatibel.
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Obwohl die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf eine Halbleiter-Chemiesensorvorrichtung
beschrieben worden ist, kann die Heizung gemäß der vorliegenden Erfindung
in irgendeiner Halbleitervorrichtung verwendet werden, die eine
Heizung zum Erwärmen
einer Schicht benötigt.