EP1649270A1 - Gassensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Gassensor und verfahren zu dessen herstellung

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EP1649270A1
EP1649270A1 EP04762493A EP04762493A EP1649270A1 EP 1649270 A1 EP1649270 A1 EP 1649270A1 EP 04762493 A EP04762493 A EP 04762493A EP 04762493 A EP04762493 A EP 04762493A EP 1649270 A1 EP1649270 A1 EP 1649270A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
evaluation
gas
oxide layer
semiconductor substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04762493A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heribert Weber
Odd-Axel Pruetz
Christian Krummel
Christoph Schelling
Detlef Gruen
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Paragon AG
Original Assignee
Paragon AG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10347416A external-priority patent/DE10347416A1/de
Application filed by Paragon AG filed Critical Paragon AG
Publication of EP1649270A1 publication Critical patent/EP1649270A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/128—Microapparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor and a method for its production.
  • Gas sensors for gas detection are known in different embodiments. These gas sensors are used in security systems in the industrial environment and in recent years increasingly in the automotive sector, where gas sensors are used, for example, to automatically control the ventilation flaps to prevent the ingress of harmful gases into the interior.
  • the known gas sensors have a gas-sensitive layer, which experiences a change in the surface conductivity and thus the electrical resistance when exposed to reducing or oxidizing gases. This change in resistance is evaluated as a measurement signal using a suitable evaluation structure.
  • the operating temperature of such a gas sensor which is, for example, several 100 ° C., is generated via an integrated heating structure, which is often designed in the form of a meander.
  • a temperature measuring resistor is usually provided in the area of the heating structure.
  • the gas-sensitive layer generally consists of a semiconducting metal oxide such as SnO 2 or WO 3 .
  • the selectivity for individual gases can be influenced by doping the gas-sensitive layer with appropriate dopants and by selecting the operating temperature.
  • the evaluation structure generally consists of an interdigital structure (IDT; “Interdigitated Transducers”), which has two coplanar, interdigitated or interdigitated electrodes. This configuration corresponds to a parallel connection between the individual Resistors formed by fingers of different polarity, which reduces the measuring resistance and increases the sensitivity of the gas sensor.
  • IDT Interdigitated Transducers
  • the known gas sensors are often membrane sensors produced micromechanically on the basis of a semiconductor substrate.
  • the arrangement of the heating structure, the evaluation structure and the gas-sensitive layer on a membrane reduces the thermal capacity of the overall system, which results in a reduction in the power consumption of the gas sensor.
  • Evaluation structure and possibly a temperature measuring resistor in the area of the heating structure applied to the membrane The top of the membrane is provided with an adhesion-promoting layer, usually an oxide layer, in order to ensure that these structures adhere reliably to the membrane.
  • an adhesion-promoting layer usually an oxide layer
  • a cover oxide layer is subsequently deposited, this is largely removed by oxide etching with the aid of an etching solution in the region of the evaluation structure up to the surface of the evaluation structure, and the gas-sensitive layer is then applied.
  • the oxide etching of the cover oxide is usually carried out with an overetching time.
  • the etching solution used for the oxide etching can reach the adhesion-promoting oxide layer below the evaluation structure and can partially attack this layer.
  • the adhesion of the evaluation structure to the membrane is reduced, so that the evaluation structure can partially detach from the membrane in the course of the period of use of the gas sensor and thus reliable functioning can no longer be guaranteed.
  • Another problem is that the resistance values of the evaluation structure and in particular the heating structure can change over the period of use of the gas sensor.
  • This gradual change in the gas sensor which is also referred to as electrical "drift" is the result of a thermal stress effect, since the gas sensor operates in a permanent cycle between two working temperatures material rearrangements within the structures occur, for example a migration of grain boundaries or a growth of crystallites, combined with a change in resistance.
  • the electrical drift occurs in particular in gas sensors used in the automotive sector, since the ambient temperatures, which fluctuate greatly depending on the use, for example between -30 ° C. and 150 ° C., can cause additional thermal loads.
  • the change in resistance can be neglected.
  • the change in resistance leads to a change in the heating power and thus the operating temperature of the gas sensor.
  • the change in resistance also affects the temperature measuring resistor arranged in the area of the heating structure, as a result of which the exact temperature of the gas sensor can no longer be determined.
  • the electrical drift prevents reliable, stable functioning over the period of use of the gas sensors.
  • the gas sensors could indeed be replaced at certain intervals or be recalibrated, but this is associated with a very high outlay. This approach is therefore not practical, particularly in the automotive sector.
  • the object of the present invention is to provide an improved gas sensor, which is distinguished by a reliable mode of operation, and a corresponding method for its production.
  • a gas sensor of the type mentioned at the beginning with one on one
  • Semiconductor substrate formed membrane layer on which a metallic evaluation structure in an evaluation area and a metallic heating structure are arranged outside the evaluation area, and with one over the evaluation structure and the heating Structure-arranged gas-sensitive layer is proposed, in which the heating structure is arranged on an adhesion-promoting oxide layer on the top of the membrane layer and is separated from the gas-sensitive layer by a cover oxide layer, an adhesion promoter layer which is insensitive to oxide etching being arranged between the membrane layer and the evaluation structure in the evaluation area.
  • this adhesion promoter layer in the evaluation area instead of the conventional adhesion-promoting oxide layer, the risk of undercutting the evaluation structure during the oxide etching of the cover oxide layer during the manufacture of the gas sensor can be effectively avoided, as a result of which permanent adhesion of the evaluation structure to the membrane layer and thus reliable functioning of the gas sensor is achieved becomes.
  • the adhesion promoter layer is structured in accordance with the evaluation structure in order to suppress disruptive parallel leakage currents through the adhesion promoter layer, which occur, for example, when using a semiconducting adhesion promoter layer.
  • a gas sensor with a membrane layer formed on a semiconductor substrate, on which a metallic evaluation structure is arranged in an evaluation region and a metallic heating structure outside the evaluation region, and with a gas-sensitive layer arranged above the evaluation structure and the heating structure is also proposed which the heating structure is arranged on an adhesion-promoting oxide layer on the top of the membrane layer and is separated from the gas-sensitive layer by a cover oxide layer, the evaluation structure in the evaluation area being separated from the gas-sensitive layer by the cover oxide layer in accordance with the heating structure and the cover oxide layer having contact holes, each of which expose a central area of the surface of the evaluation structure in order to establish direct contact between the evaluation structure and the gas-sensitive layer.
  • This embodiment of a gas sensor also ensures reliable operation, since during the manufacture of the gas sensor contact holes are etched in the cover oxide layer, each of which only covers a central area of the surface of the evaluation structure Expose so that the adhesion-promoting oxide layer underneath the evaluation structure is not attacked during this oxide etching of the cover oxide layer and thus permanent adhesion of the evaluation structure to the membrane layer is achieved.
  • the cover oxide layer consists of a stoichiometric oxide at least in the evaluation area of the evaluation structure.
  • This stoichiometric oxide which has a poorer connection to the evaluation structure than a substoichiometric oxide that has a lower oxygen content, couples a low thermal stress into the evaluation structure, which therefore has greater freedom of movement, so that material is rearranged within the evaluation direction during the sintering process can go largely unaffected.
  • the cover oxide layer consists of a substoichiometric oxide, at least in the area of the heating structure and the optional temperature measuring resistor, in order to achieve a relatively good connection of the covering oxide layer to the heating structure and the temperature measuring resistor.
  • Temperature measurement resistance are suppressed, which enables stable operation over the period of use of the gas sensor.
  • a method for producing a gas sensor is further proposed, in which a semiconductor substrate is initially provided, one on the front
  • an adhesion-promoting oxide layer is formed on the top of the membrane layer.
  • the adhesion-promoting oxide layer is subsequently structured in order to provide an oxide-free evaluation area on the membrane. put.
  • An adhesion-promoting layer which is insensitive to an oxide etching is then applied to the front of the semiconductor substrate and this is removed outside the evaluation area.
  • a metallization layer is applied to the front of the semiconductor substrate, which is structured outside the evaluation area on the adhesion-promoting oxide layer in a heating structure and in the evaluation area on the adhesion-promoting layer in an evaluation structure.
  • a cover oxide layer is subsequently applied to the front of the semiconductor substrate and this is etched over a large area in the evaluation area in order to expose the surface of the evaluation structure.
  • the back of the semiconductor substrate is then etched until the membrane layer is reached, and finally a gas-sensitive layer is applied to the front of the semiconductor substrate.
  • the gas sensor described above can be produced with an adhesion promoter layer in the evaluation area.
  • the additional adhesion promoter layer prevents the evaluation structure from being under-etched during the oxide etching of the cover oxide layer, as a result of which permanent evaluation of the evaluation structure on the membrane layer and thus reliable functioning of the gas sensor is made possible.
  • a method for producing a gas sensor in which a semiconductor substrate is initially provided, a membrane layer is applied to the front side of the latter, and an adhesion-promoting oxide layer is then formed on the upper side of the membrane layer. A metallization layer is then applied to the adhesion-promoting oxide layer and this is then structured into a heating structure and an evaluation structure. Next, a cover oxide layer is applied to the front of the semiconductor substrate. Then contact holes are etched into the cover oxide layer, each of which exposes a central region of the surface of the evaluation structure. The back of the semiconductor substrate is then etched until the membrane layer is reached, and finally a gas-sensitive layer is applied to the front of the semiconductor substrate.
  • This method enables the gas sensor described above to be produced with contact holes in the cover oxide layer. Since the contact holes are etched in such a way that they only expose a central area of the surface of the evaluation structure and that lateral areas of the evaluation structure continue to be covered by the cover oxide layer, etching of the adhesion-promoting oxide layer located below the evaluation structure is avoided, which in turn results in permanent adhesion of the evaluation structure to the membrane layer and thus reliable functioning of the gas sensor.
  • the gas-sensitive layer is applied in a pasty form and then sintered.
  • Different dopants can be introduced in advance in the gas-sensitive layer, which is initially in pasty form, in order to adjust the selectivity for individual gases.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a gas sensor in a top view
  • FIG. 2 shows a sectional view of a first embodiment of a gas sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a sectional view of a second embodiment of a gas sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a sectional view of a third embodiment of a gas sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structures of a gas sensor 1 known from the prior art in a top view.
  • the gas sensor 1 has an essentially circular meandering metallic heating structure 9 on the outside, which can be supplied with electrical energy via supply lines 15.
  • These structures 7, 9 are arranged on a membrane layer (not shown) on a semiconductor substrate, as a result of which the heat capacity of the overall system and thus the power consumption of the gas sensor 1 are reduced.
  • a gas-sensitive layer (not shown in FIG. 1) is applied to the heating structure 9 and the evaluation structure 7 and covers essentially the entire area delimited by the heating structure 9.
  • the gas-sensitive layer which over the heating structure 9 can be heated to an operating temperature of several hundred degrees Celsius changes its resistance when exposed to reducing or oxidizing gases. This change in resistance is evaluated as a measurement signal by the evaluation structure 7.
  • the evaluation structure 7 is designed as an interdigital structure with two coplanar, interdigitated electrodes. This configuration corresponds to a parallel connection of the resistances formed between the individual electrode fingers of different polarity, as a result of which the measuring resistance of the gas-sensitive layer is reduced and the sensitivity of the gas sensor 1 is increased.
  • the surface of the membrane layer is provided with an adhesion-promoting oxide layer.
  • a cover oxide layer is formed between the heating structure 9 and the gas-sensitive layer, which also extends on the leads 14, 15 to contact or bonding surfaces of the leads 14, 15, not shown.
  • this cover oxide layer is generally applied over the entire area to the heating structure 9 and evaluation structure 7 already structured on the membrane layer and the feed lines 14, 15 as part of a CVD deposition process (“chemical vapor deposition”).
  • the cover oxide layer is subsequently applied in an evaluation area 8, identified by the dashed circle in FIG. 1, removed over the entire area from the surface of the evaluation structure 7 in order to make it possible for the evaluation structure 7 to be contacted with the gas-sensitive layer applied later.
  • the removal is generally carried out by means of a wet chemical etching process in which, for example, hydrofluoric acid is used as the etching solution.
  • a wet chemical etching process in which, for example, hydrofluoric acid is used as the etching solution. Since the applied covering oxide layer can have different thicknesses at different points due to deposition inhomogeneities, the etching process is usually carried out with an overetching time in order to ensure that the entire surface of the evaluation structure 7 in the evaluation area 8 is exposed by the covering oxide.
  • the setting of an overetching time harbors the risk of the etching structure 7 being underetched, since the etching solution used can reach the adhesion-promoting oxide layer below the evaluation structure 7 via the regions between the electrode fingers and can attack this layer in part.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a first embodiment of a gas sensor according to the invention.
  • the gas sensor la has a semiconductor substrate 2, for example made of silicon, with a cavity 21, on which a membrane layer 3 is arranged.
  • the membrane layer 3 is designed as a layer sequence of an oxide layer 4 adjoining the semiconductor substrate 2 and a nitride layer 5 and has an adhesion-promoting oxide layer 6 on the top outside of an evaluation area 8.
  • a metallic heating structure 9 is arranged on the adhesion-promoting oxide layer 6 and, in the area of the heating structure 9, a temperature measuring resistor, not shown in FIG. 2, is arranged. On top of the heating structure 9 and the temperature measuring resistor there is a cover oxide layer 11 for insulation.
  • a metallic evaluation structure 7 designed as an interdigital structure with electrode fingers is arranged within the evaluation area 8.
  • a gas-sensitive layer 10 is applied to these structures, which can be heated by the heating structure 9 and whose electrical resistance can be evaluated by the evaluation structure 7.
  • the operating temperature of the gas sensor 1 a can be monitored with the aid of the temperature measuring resistor and a reference resistor, also not shown in FIG. 2, arranged on the solid substrate 2.
  • Platinum is preferably used as the material for the metallic structures, the evaluation structure 7, the heating structure 9 and the temperature measuring resistor.
  • This material is characterized by a high temperature coefficient of resistance, whereby on the one hand the heating power of the heating structure 9 can be easily adjusted and on the other hand the temperature of the gas sensor la can be measured with a high degree of accuracy via the temperature measuring resistor is.
  • Platinum is also an inert material with high chemical stability.
  • the evaluation structure 7 is arranged on an adhesion promoter layer 13 which is insensitive to an oxide etching.
  • This adhesion promoter layer 13, which consists for example of silicon, is structured in accordance with the evaluation structure 7 in order to avoid disturbing leakage currents between the individual electrode fingers of the evaluation structure 7.
  • the advantageous effect of the adhesion promoter layer 13 can be explained on the basis of the production method of this gas sensor 1 a described below.
  • the semiconductor substrate 2 is provided and the oxide layer 4 and the nitride layer 5 are applied to the front thereof to form the membrane layer 3.
  • the oxide layer 4 can be generated, for example, by thermal oxidation of the semiconductor wafer 2 and the nitride layer 5 can be applied with the aid of a CVD deposition process.
  • the adhesion-promoting oxide layer 6 is formed over the entire surface on the upper side of the membrane layer 3, which is possible by means of a superficial thermal conversion of the nitride layer 5 referred to as reoxidation or a CVD oxide deposition.
  • the adhesion-promoting oxide layer 6 is subsequently structured by means of an oxide etching in such a way that the oxide-free evaluation area 8 is provided on the membrane layer 3.
  • the adhesion promoter layer 13, which is insensitive to an oxide etching is applied over the entire area to the front of the semiconductor substrate 2, removed outside the evaluation area 8 and structured within the evaluation area 8 in accordance with the evaluation structure 7 which was formed later, which can be carried out, for example, with the aid of an ion beam etching process.
  • a metallization layer is applied over the entire area to the front side of the semiconductor substrate 2 and this is structured into the heating structure 9 and the temperature measuring resistor outside the evaluation area 8 and into the evaluation structure 7 within the evaluation area 8.
  • the structuring can in turn be carried out by means of an ion beam etching process.
  • the cover oxide layer 11 then becomes the entire surface applied to the front side of the semiconductor substrate 2 via a CVD deposition process.
  • the covering oxide layer 11 is subsequently removed over a large area in the evaluation area 8 by a wet chemical etching process, for example using hydrofluoric acid as the etching solution. Since the evaluation structure 7 is arranged on the adhesion promoter layer 13 which is insensitive to this oxide etching, the risk of the evaluation structure 7 being under-etched is avoided. There is also no undercutting of the adhesion promoter layer 13 if, as shown in FIG. 2, the entire cover oxide layer 11 is etched away as far as the nitride layer 5 of the membrane layer 3, since the nitride layer 5 is also insensitive to the wet chemical oxide etching. The use of the adhesion promoter layer 13 consequently leads to a secure adhesion of the evaluation structure 7 on the membrane layer 3 and thus favors a reliable functioning of the gas sensor 1 a.
  • the back of the semiconductor substrate 2 is etched, for example with the aid of potassium hydroxide solution, until the membrane layer 3 is reached, so that the cavity 21 is formed.
  • the gas-sensitive layer 10 is produced on the front side of the semiconductor substrate 2.
  • the gas-sensitive layer 10 is first applied in a pasty form, for example with the aid of a screen printing or dispensing method, and then sintered.
  • the gas-sensitive layer 10 can contain dopants, as a result of which the gas sensor 1 a is sensitive for the detection of specific gases. It is also possible to apply the gas-sensitive layer using a sputter or CVD process and optionally to sinter it.
  • modifications of the described method according to the invention for producing the gas sensor 1 a shown in FIG. 2 can be carried out.
  • gas-sensitive layer 10 before the backside etching of the semiconductor Apply substrate 2, provided that the gas-sensitive layer 10 is safely protected against an etching attack.
  • the adhesion-promoting oxide layer 6 on the top of the membrane layer 3 is not structured in this gas sensor 1 b and is furthermore located in the evaluation area 8 below the evaluation structure 7.
  • the cover oxide layer 11 also extends over the Evaluation area 8 and has contact holes 12, which each expose only a central area of the surface of the evaluation structure 7.
  • this gas sensor 1b In the production of this gas sensor 1b, after the membrane layer 3 formed from the oxide layer 4 and the nitride layer 5 has been applied to the provided semiconductor substrate 2 and the adhesion-promoting oxide layer 6 has been formed on the upper side of the membrane layer 3, a metallization layer is in turn deposited and this correspondingly into the heating structure 9, the evaluation structure 7 and the temperature measuring resistor.
  • the cover oxide layer 11 is subsequently deposited over the entire area on the front side of the semiconductor substrate 2. With the aid of a wet chemical etching process, the contact holes 12 are then etched into the cover oxide layer 11, which in each case only expose a central region of the surface of the evaluation structure 7, so that the surfaces of the electrode fingers of the evaluation structure 7 are still covered on the sides with the cover oxide layer 11 , This prevents the etching solution used in the oxide etching from reaching and attacking the adhesion-promoting oxide layer 6 below the evaluation structure 7, so that in turn reliable evaluation of the evaluation structure 7 on the membrane layer 3 is achieved.
  • the gas sensor 1b according to the invention shown in FIG. 3 has the disadvantage compared to the gas sensor la according to the invention shown in FIG. 2 that there are only larger distances between the masks required for structuring the evaluation structure 7 and for etching the contact holes 12 due to adjustment tolerances allow the individual electrode fingers of the evaluation structure 7 to be implemented, as a result of which the gas sensor 1b is less sensitive. Because the greater the distance between the individual electrode fingers, the greater the measuring resistance, because on the one hand the length-dependent resistance measured between the electrode fingers becomes larger and on the other hand fewer electrode fingers and thus fewer parallel connections can be realized on a given area.
  • the problem of electrical drift is the result of a thermomechanical stress effect, since the gas sensors la, lb operate in a permanent cycle between ambient temperature and operating temperature during operation, which can lead to material redistribution within the metallic structures combined with changes in resistance.
  • the resulting change in resistance can again be neglected due to the high measuring resistance of the gas-sensitive layer 10.
  • the change in resistance can, however, lead to a significant change in the heating power and thus the operating temperature of the gas sensors 1a, 1b.
  • a two-layer cover oxide layer 11 is used, which in the area of the drift-sensitive heating structure 9, the temperature measuring resistor and their electrical feed lines consists of a sub-stoichiometric oxide layer 11a, in the case of a silicon top oxide layer it consists of a silicon-rich oxide, over which a rather stoichiometric oxide layer 1 lb is arranged.
  • This cover oxide layer 11 could be produced, for example, by depositing the substoichiometric oxide layer 11a over the entire surface on the top of the membrane layer 3 with the metallic structures already formed, then structuring the substoichiometric oxide layer 11a and subsequently depositing the stoichiometric oxide layer 11b over the entire surface.
  • the application of the two oxide layers 11a, 1 lb is again possible using CVD deposition processes.
  • the substoichiometric oxide layer 1 la is distinguished by a relatively good connection to the heating structure 9 and the temperature measuring resistor, as a result of which material rearrangements due to thermal stress effects within the heating structure 9 and the temperature measuring resistor are suppressed along with changes in resistance. As a result, stable operation over the operating time of the gas sensor lc is made possible.
  • the stoichiometric oxide layer 11b applied to the substoichiometric oxide layer 1 la and also to the evaluation structure 7, which is provided with contact holes 12 in accordance with the embodiment shown in FIG. 3, has proven to be very favorable for the evaluation structure 7 in the sintering process of the gas-sensitive layer 10. Due to the high temperatures prevailing in this process, different thermomechanical stresses occur at the transition areas between the surface of the evaluation structure 7 covered by the cover oxide layer 11 and the surface exposed via the contact holes 12, which stresses can cause material rearrangements within the evaluation structure 7.
  • the stoichiometric oxide layer 11b which has a poorer connection to the evaluation structure 7 than a layer consisting of a substoichiometric oxide, consequently couples a low thermal stress into the evaluation structure 7, so that material transfers within the evaluation structure 7 are regarded as less critical during a sintering process can.
  • the cover oxide layer 11 could be designed as a substoichiometric oxide layer in order to avoid the electrical drift in the heating structure 9 and the temperature measuring resistor.
  • the feature disclosed with reference to FIG. 4, to use a substoichiometric oxide layer as a cover oxide layer for drift-sensitive structures, can also be implemented as an independent feature of a gas sensor. It is also possible to implement this feature in other sensors such as air mass sensors.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor mit einer auf einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildeten Membranschicht (3), auf der eine Auswertestruktur (7) in einem Auswertebereich (8) und eine Heizstruktur (9) ausserhalb des Auswertebereichs (8) angeordnet sind, und mit einer über der Auswertestruktur (7) und der Heizstruktur (9) angeordneten gassensitiven Schicht (10), wobei die gassensitive Schicht (10) von der Heizstruktur (9) beheizbar und der elektrische Widerstand der gassensitiven Schicht (10) von der Auswertestruktur (7) auswertbar ist und wobei die Heizstruktur (9) auf einer haftvermittelnden Oxidschicht (6) auf der Oberseite der Membranschicht (3) angeordnet und durch eine Deckoxidschicht (11) von dergassensitiven Schicht getrennt ist. Um eine zuverlässige Funktionsweise zu ermöglichen, ist bei dem Gassensor vorgesehen, dass in dem Auswertebereich (8) eine gegenüber einer Oxidätzung unempfindliche Haftvermittlerschicht (13) zwischen der Membranschicht (3) und der Auswertestruktur (7) angeordnet ist oder dass die Auswertestruktur (7) in dem Auswertebereich (8) entsprechend der Heizstruktur (9) durch die Deckoxidschicht (11) von der gassensitiven Schicht (10) getrennt ist, wobei die Deckoxidschicht (11) Kontaktlöcher (12) aufweist, welche jeweils einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur (7) freilegen, um einen direkten Kontakt zwischen der Auswertestruktur (7) und der gassensitiven Schicht (10) herzustellen.

Description

Gassensor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Halbleitergassensoren zur Gasdetektion sind in unterschiedlichen Ausführungsformen be- kannt. Diese Gassensoren werden in Sicherheitssystemen im industriellen Umfeld und auch in den letzten Jahren verstärkt im Automobilbereich eingesetzt, wo Gassensoren beispielsweise zur automatischen Steuerung der Lüftungsklappen verwendet werden, um das Eindringen von Schadgasen in den Innenraum zu verhindern.
Die bekannten Gassensoren weisen eine gassensitive Schicht auf, welche unter Beaufschlagung von reduzierenden oder oxidierenden Gasen eine Änderung der Oberflächenleitfähigkeit und damit des elektrischen Widerstands erfährt. Diese Widerstandsänderung wird mittels einer geeigneten Auswertestruktur als Messsignal ausgewertet. Die Betriebstemperatur eines solchen Gassensors, welche beispielsweise mehrere 100°C beträgt, wird über eine integrierte Heizstruktur erzeugt, welche vielfach in Form einer Mäander ausgebildet ist. Um die Betriebstemperatur des Gassensors einzustellen und zu überwachen, ist zumeist ein Temperaturmesswiderstand im Bereich der Heizstruktur vorgesehen.
Die gassensitive Schicht besteht in der Regel aus einem halbleitenden Metalloxid wie etwa SnO2 oder WO3. Eine Beeinflussung der Selektivität für einzelne Gase ist durch eine Dotierung der gassensitiven Schicht mit entsprechenden Dotierstoffen und durch die Wahl der Betriebstemperatur möglich.
Da der spezifische Widerstand der gassensitiven Schicht sehr hoch ist, besteht die Aus- Wertestruktur in der Regel aus einer Interdigitalstruktur (IDT; „Interdigitated Transdu- cers"), welche zwei koplanare, kämm- oder fingerartig ineinandergreifende Elektroden aufweist. Diese Ausgestaltung entspricht einer Parallelschaltung der zwischen den einzel- nen Fingern unterschiedlicher Polarität gebildeten Widerstände, wodurch der Messwiderstand verringert und die Empfindlichkeit des Gassensors gesteigert wird.
Die bekannten Gassensoren sind vielfach mikromechanisch auf der Basis eines Halbleiter- Substrats hergestellte Membransensoren. Durch die Anordnung der Heizstruktur, der Auswertestruktur und der gassensitiven Schicht auf einer Membran wird die Wärmekapazität des Gesamtsystems verringert, was eine Reduzierung der Leistungsaufnahme des Gassensors mit sich bringt.
Bei der Herstellung eines derartigen Gassensors werden zunächst die Heizstruktur, die
Auswertestruktur und gegebenenfalls ein Temperaturmesswiderstand im Bereich der Heiz- struktur auf die Membran aufgebracht. Die Oberseite der Membran ist mit einer haftvermittelnden Schicht, in der Regel eine Oxidschicht, versehen, um eine zuverlässige Haftung dieser Strukturen auf der Membran zu gewährleisten. Nachfolgend wird eine Deckoxid- Schicht abgeschieden, diese durch eine Oxidätzung mit Hilfe einer Ätzlösung großflächig im Bereich der Auswertestruktur bis zur Oberfläche der Auswertestruktur entfernt und dann die gassensitive Schicht aufgebracht.
Um sicherzugehen, dass die gesamte Oberfläche der Auswertestruktur von dem Deckoxid freigelegt ist und damit eine ganzflächige Kontaktierung mit der gassensitiven Schicht erzielt wird, wird die Oxidätzung des Deckoxids in der Regel mit einer Überätzzeit durchgeführt. Hierbei besteht jedoch die Gefahr eines Unterätzens der Auswertestruktur, da die zur Oxidätzung eingesetzte Ätzlösung die haftvermittelnde Oxidschicht unterhalb der Auswertestruktur erreichen und diese Schicht zum Teil angreifen kann. Hierdurch wird die Haftung der Auswertestruktur auf der Membran verringert, so dass sich die Auswertestruktur im Verlauf der Einsatzzeit des Gassensors von der Membran teilweise ablösen kann und somit eine zuverlässige Funktionsweise nicht mehr gewährleistet ist.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich die Widerstandswerte der Auswertestruktur und insbesondere der Heizstruktur über die Einsatzzeit des Gassensors ändern können.
Diese schleichende Veränderung des Gassensors, welche auch als elektrischer „Drift" bezeichnet wird, ist Folge einer thermischen Stresseinwirkung, da der Gassensor im Betrieb in einem permanenten Zyklus zwischen zwei Arbeitstemperaturen arbeitet. Hierdurch kommt es zu Materialumlagerungen innerhalb der Strukturen, beispielsweise zu einem Wandern von Korngrenzen oder einem Wachsen von Kristalliten, verbunden mit einer Widerstandänderung. Die elektrische Drift tritt insbesondere bei im Automobilbereich eingesetzten Gassensoren auf, da hier die je nach Verwendung stark schwankenden Umge- bungstemperaturen zwischen beispielsweise -30°C bis 150°C zusätzliche thermische Belastungen hervorrufen können.
Bei der Auswertestruktur, welche sehr hohe Widerstandswerte der gassensitiven Schicht beispielsweise im MΩ-Bereich misst, kann die Widerstandsänderung vernachlässigt wer- den. Gerade bei der Heizstruktur führt die Widerstandsänderung jedoch zu einer Veränderung der Heizleistung und damit der Betriebstemperatur des Gassensors. Ebenfalls betroffen von der Widerstandsänderung ist der im Bereich der Heizstruktur angeordnete Temperaturmesswiderstand, wodurch die exakte Temperatur des Gassensors nicht mehr bestimmt werden kann.
Infolgedessen verhindert die elektrische Drift eine zuverlässige stabile Funktionsweise über die Einsatzzeit der Gassensoren. Die Gassensoren könnten zwar in bestimmten Zeitabständen ersetzt oder einer Neukalibrierung unterzogen werden, was jedoch mit einem sehr hohen Aufwand verbunden ist. Insbesondere im Automobilbereich ist diese Vorge- hens weise daher nicht praktikabel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Gassensor, welcher sich durch eine zuverlässige Funktionsweise auszeichnet, und ein entsprechendes Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Gassensor gemäß den Ansprüchen 1 oder 3 bzw. durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 10 oder 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Gassensor der eingangs genannten Art mit einer auf einem
Halbleitersubstrat ausgebildeten Membranschicht, auf der eine metallische Auswertestruktur in einem Auswertebereich und eine metallische Heizstruktur außerhalb des Auswertebereichs angeordnet sind, und mit einer über der Auswertestruktur und der Heiz- Struktur angeordneten gassensitiven Schicht vorgeschlagen, bei welchem die Heizstruktur auf einer haftvermittelnden Oxidschicht auf der Oberseite der Membranschicht angeordnet und durch eine Deckoxidschicht von der gassensitiven Schicht getrennt ist, wobei in dem Auswertebereich eine gegenüber einer Oxidätzung unempfindliche Haftvermittlerschicht zwischen der Membranschicht und der Auswertestruktur angeordnet ist.
Durch die Verwendung dieser Haftvermittlerschicht im Auswertebereich anstelle der herkömmlichen haftvermittelnden Oxidschicht lässt sich die Gefahr eines Unterätzens der Auswertestruktur bei der Oxidätzung der Deckoxidschicht während der Herstellung des Gassensors wirksam vermeiden, wodurch eine dauerhafte Haftung der Auswertestruktur auf der Membranschicht und damit eine zuverlässige Funktionsweise des Gassensors erzielt wird.
In der für die Praxis relevanten Ausführungsform ist die Haftvermittlerschicht entspre- chend der Auswertestruktur strukturiert, um störende parallele Kriechströme über die Haftvermittlerschicht, welche beispielsweise bei Verwendung einer halbleitenden Haftvermittlerschicht auftreten, zu unterdrücken.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Gassensor mit einer auf einem Halbleitersubstrat ausge- bildeten Membranschicht, auf der eine metallische Aus wertestruktur in einem Aus wertebereich und eine metallische Heizstruktur außerhalb des Auswertebereichs angeordnet sind, und mit einer über der Auswertestruktur und der Heizstruktur angeordneten gassensitiven Schicht vorgeschlagen, bei welchem die Heizstruktur auf einer haftvermittelnden Oxidschicht auf der Oberseite der Membranschicht angeordnet und durch eine Deckoxidschicht von der gassensitiven Schicht getrennt ist, wobei die Auswertestruktur in dem Auswertebereich entsprechend der Heizstruktur durch die Deckoxidschicht von der gassensitiven Schicht getrennt ist und die Deckoxidschicht Kontaktlöcher aufweist, welche jeweils einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur freilegen, um einen direkten Kontakt zwischen der Auswertestruktur und der gassensitiven Schicht herzustellen.
Auch diese Ausgestaltung eines Gassensors gewährleistet eine zuverlässige Funktionsweise, da bei der Herstellung des Gassensors Kontaktlöcher in die Deckoxidschicht geätzt werden, welche jeweils nur einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur freilegen, so dass die haftvermittelnde Oxidschicht unterhalb der Auswertestruktur bei dieser Oxidätzung der Deckoxidschicht nicht angegriffen wird und somit eine beständige Haftung der Auswertestruktur auf der Membranschicht erzielt wird.
Da die aufgebrachte gassensitive Schicht bei der Herstellung des Gassensors einem Sinter- prozess unterzogen werden kann und dabei insbesondere an den Übergangsbereichen zwischen der durch die Deckoxidschicht bedeckten und der über die Kontaktlöcher freigelegten Oberfläche der Auswertestruktur unterschiedliche thermomechanische Spannungen auftreten, welche Materialumlagerungen innerhalb der Auswertestruktur oder sogar ein teilweises Auseinanderreißen der Auswertestruktur hervorrufen können, besteht die Deckoxidschicht in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens in dem Auswertebereich der Auswertestruktur aus einem stöchiometrischen Oxid. Dieses stöchiometrische Oxid, welches eine schlechtere Anbindung an die Auswertestruktur aufweist als ein einen geringeren Sauer Stoffanteil aufweisendes unterstöchiometrisches Oxid, koppelt eine geringe thermische Spannung in die Auswertestruktur ein, welche dadurch eine größere Bewegungsfreiheit aufweist, so dass Materialumlagerungen innerhalb der Auswertestiriktur beim Sinterprozess in der Fläche weitgehend unbeeinflusst von statten gehen können.
Gemäß einer weiteren sehr bevorzugten Ausführungsform besteht die Deckoxidschicht wenigstens im Bereich der Heizstruktur und des optionalen Temperaturmesswiderstands aus einem unterstöchiometrischen Oxid, um eine relativ gute Anbindung der Deckoxidschicht an die Heizstruktur und den Temperaturmesswiderstand zu erzielen. Hierdurch wird das oben geschilderte Problem der elektrischen Drift der Heizstruktur und des Temperaturmesswiderstands vermieden, da die durch die thermische Stresseinwirkung im Betrieb des Gassensors hervorgerufenen Materialumlagerungen innerhalb der Heizstruktur und des
Temperaturmesswiderstands unterdrückt werden, wodurch eine stabile Funktionsweise über die Einsatzzeit des Gassensors ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors vorgeschla- gen, bei dem zunächst ein Halbleitersubstrat bereitgestellt, auf dessen Vorderseite eine
Membranschicht aufgebracht und anschließend eine haftvermittelnde Oxidschicht auf der Oberseite der Membranschicht ausgebildet wird. Nachfolgend wird die haftvermittelnde Oxidschicht strukturiert, um einen oxidfreien Auswertebereich auf der Membran bereitzu- stellen. Danach wird eine gegenüber einer Oxidätzung unempfindliche Haftvermittlerschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht und diese außerhalb des Auswertebereichs entfernt. Als Nächstes erfolgt das Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats, welche außerhalb des Auswertebe- reichs auf der haftvermittelnden Oxidschicht in eine Heizstruktur und im Auswertebereich auf der Haftvermittlerschicht in eine Auswertestruktur strukturiert wird. Nachfolgend wird eine Deckoxidschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht und diese im Auswertebereich großflächig geätzt, um die Oberfläche der Auswertestruktur freizulegen. Danach wird die Rückseite des Halbleitersubstrats bis zur Erreichung der Membranschicht geätzt und abschließend eine gassensitive Schicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht.
Mit Hilfe dieses Verfahrens lässt sich der oben beschriebene Gassensor mit einer Haftvermittlerschicht im Auswertebereich herstellen. Durch die zusätzliche Haftvermittlerschicht wird ein Unterätzen der Auswertestruktur bei der Oxidätzung der Deckoxidschicht vermieden, wodurch eine dauerhafte Haftung der Auswertestruktur auf der Membranschicht und damit eine zuverlässige Funktionsweise des Gassensors ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird des weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors vorge- schlagen, bei dem zu Beginn ein Halbleitersubstrat bereitgestellt, auf dessen Vorderseite eine Membranschicht aufgebracht und anschließend eine haftvermittelnde Oxidschicht auf der Oberseite der Membranschicht ausgebildet wird. Anschließend wird eine Metallisierungsschicht auf der haftvermittelnden Oxidschicht aufgebracht und diese danach in eine Heizstruktur und eine Auswertestruktur strukturiert. Als Nächstes erfolgt das Aufbringen einer Deckoxidschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats. Danach werden in die Deckoxidschicht Kontaktlöcher geätzt, welche jeweils einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur freilegen. Danach wird die Rückseite des Halbleitersubstrats bis zur Erreichung der Membranschicht geätzt und abschließend eine gassensitive Schicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht.
Dieses Verfahren ermöglicht das Herstellen des oben beschriebenen Gassensors mit Kontaktlöchern in der Deckoxidschicht. Da die Kontaktlöcher derart geätzt werden, dass diese jeweils nur einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur freilegen und die seitlichen Bereiche der Auswertestruktur weiterhin von der Deckoxidschicht bedeckt sind, wird ein Anätzen der unterhalb der Auswertestruktur befindlichen haftvermittelnden Oxidschicht vermieden, wodurch sich wiederum eine beständige Haftung der Auswertestruktur auf der Membranschicht und damit eine zuverlässige Funktionsweise des Gassensors er- gibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die gassensitive Schicht in pastöser Form aufgebracht und anschließend gesintert. In die zunächst in pastöser Form vorliegende gassensitive Schicht können vorab gezielt unterschiedliche Dotierstoffe eingebracht werden, um die Selektivität für einzelne Gase einzustellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Gassensors in einer Aufsicht,
Figur 2 ein Schnittbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors, Figur 3 ein Schnittbild einer zweiten Aus-rihrungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors, und Figur 4 ein Schnittbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Strukturen eines vom Stand der Technik her bekannten Gassensors 1 in einer Aufsicht. Der Gassensor 1 weist außen eine im wesentlichen kreisförmige mäanderartig ausgebildete metallische Heizstruktur 9 auf, welche über Zuleitungen 15 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Innerhalb der Heiz- sttuktur 9 ist eine kreisförmig begrenzte metallische Auswertestruktur 7 angeordnet, bei der ebenfalls elektrische Zuleitungen 14 vorgesehen sind. Diese Strukturen 7, 9 sind auf einer nicht dargestellten Membranschicht auf einem Halbleitersubstrat angeordnet, wodurch die Wärmekapazität des Gesamtsystems und damit die Leistungsaufnahme des Gassensors 1 verringert wird.
Auf der Heizstruktur 9 und der Auswertestruktur 7 ist eine in Figur 1 nicht dargestellte gassensitive Schicht aufgebracht, welche im wesentlichen die gesamte von der Heizstruktur 9 begrenzte Fläche abdeckt. Die gassensitive Schicht, welche über die Heizstruktur 9 auf eine Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius aufgeheizt werden kann, ändert ihren Widerstand bei Beaufschlagung mit reduzierenden oder oxidierenden Gasen. Diese Widerstandsänderung wird als Messsignal von der Auswertestruktur 7 ausgewertet.
Da die gassensitive Schicht in der Regel einen sehr hohen Widerstand aufweist, ist die Auswertestruktur 7 als Interdigitalstruktur mit zwei koplanaren fingerartig ineinandergreifenden Elektroden ausgebildet. Diese Ausgestaltung entspricht einer Parallelschaltung der zwischen den einzelnen Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität gebildeten Widerstände, wodurch der Messwiderstand der gassensitiven Schicht verringert und die Emp- fϊndlichkeit des Gassensors 1 erhöht wird.
Um eine ausreichende Haftung der Heizstruktur 9, der Auswertestruktur 7 und der Zuleitungen 14, 15 auf der Membranschicht zu gewährleisten, ist die Oberfläche der Membranschicht mit einer haftvermittelnden Oxidschicht versehen. Zur Isolierung der Heizstruktur 9 ist zwischen der Heizstruktur 9 und der gassensitiven Schicht eine Deckoxidschicht ausgebildet, welche sich weiter auch auf den Zuleitungen 14, 15 bis zu nicht dargestellten Kontaktierungs- oder Bondflächen der Zuleitungen 14, 15 erstreckt. Bei der Herstellung des Gassensors 1 wird diese Deckoxidschicht in der Regel im Rahmen eines CVD- Abscheideprozesses („Chemical vapour deposition") ganzflächig auf die bereits auf der Membranschicht strukturierte Heizstruktur 9 und Auswertestruktur 7 sowie die Zuleitungen 14, 15 aufgebracht. Nachfolgend wird die Deckoxidschicht in einem Auswertebereich 8, in Figur 1 durch den gestrichelten Kreis gekennzeichnet, ganzflächig von der Oberfläche der Auswertestruktur 7 entfernt, um eine Kontaktierung der Auswertestruktur 7 mit der später aufgebrachten gassensitiven Schicht zu ermöglichen.
Das Entfernen erfolgt in der Regel mittels eines nasschemischen Ätzprozesses, bei dem beispielsweise Flusssäure als Ätzlösung eingesetzt wird. Da die aufgebrachte Deckoxidschicht bedingt durch Abscheideinhomogenitäten an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Dicken aufweisen kann, wird der Ätzprozess zumeist mit einer Überätzzeit durchgeführt, um zu gewährleisten, dass die gesamte Oberfläche der Auswertestruktur 7 in dem Auswertebereich 8 von dem Deckoxid freigelegt wird. Das Ansetzen einer Überätzzeit birgt jedoch die Gefahr eines Unterätzens der Auswertestruktur 7, da die eingesetzte Ätzlösung über die Bereiche zwischen den Elektrodenfingern die haftvermittelnde Oxidschicht unterhalb der Auswertestruktur 7 erreichen und diese Schicht zum Teil angreifen kann. Dadurch wird die Haftung der Auswertestruktur 7 auf der Membranschicht verringert, so dass sich die Auswertestruktur 7 im Verlauf der Einsatzzeit des Gassensors 1 von dieser ablösen kann und somit eine zuverlässige Funktionsweise des Gassensors 1 nicht mehr sichergestellt ist. Um die Gefahr des Unterätzens der Auswertestruktur 7 zu vermeiden, existieren unterschiedliche erfindungsgemäße Ausführungen eines Gassensors, welche anhand der folgenden Figuren erläutert werden.
Figur 2 zeigt ein Schnittbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors. Der Gassensor la weist ein beispielsweise aus Silizium bestehendes Halbleitersubstrat 2 mit einer Aushöhlung 21 auf, auf welchem eine Membranschicht 3 angeordnet ist. Die Membranschicht 3 ist als Schichtenfolge einer an das Halbleitersubstrat 2 angren- zenden Oxidschicht 4 und einer Nitridschicht 5 ausgebildet und weist außerhalb eines Auswertebereichs 8 auf der Oberseite eine haftvermittelnde Oxidschicht 6 auf.
Auf der haftvermittelnden Oxidschicht 6 ist eine metallische Heizstruktur 9 sowie im Bereich der Heizstruktur 9 ein in Figur 2 nicht dargestellter Temperaturmesswiderstand ange- ordnet. Auf der Heizstruktur 9 und dem Temperaturmesswiderstand befindet sich weiter eine Deckoxidschicht 11 zur Isolierung. Innerhalb des Auswertebereichs 8 ist eine als In- terdigitalstruktur ausgebildete metallische Auswertestruktur 7 mit Elektrodenfingern angeordnet. Auf diese Strukturen ist eine gassensitive Schicht 10 aufgebracht, welche von der Heizstruktur 9 beheizbar und deren elektrischer Widerstand von der Auswertestruktur 7 auswertbar ist. Mit Hilfe des Temperaturmesswiderstands und eines ebenfalls in Figur 2 nicht dargestellten auf dem massiven Substrat 2 angeordneten Referenzwiderstands lässt sich die Betriebstemperatur des Gassensors la überwachen.
Als Material für die metallischen Strukturen, die Auswertestruktur 7, die Heizstruktur 9 und den Temperaturmesswiderstand wird vorzugsweise Platin eingesetzt. Dieses Material zeichnet sich durch einen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aus, wodurch einerseits die Heizleistung der Heizstruktur 9 gut einstellbar als auch die Temperatur des Gassensors la über den Temperaturmesswiderstand mit einer hohen Genauigkeit messbar ist. Zudem handelt es sich bei Platin um ein inertes Material mit einer hohen chemischen Stabilität.
Im Unterschied zu einem vom Stand der Technik her bekannten Gassensor ist die Aus- Wertestruktur 7 auf einer gegenüber einer Oxidätzung unempfindlichen Haftvermittlerschicht 13 angeordnet. Diese Haftvermittlerschicht 13, welche beispielsweise aus Silizium besteht, ist entsprechend der Auswertestruktur 7 strukturiert, um störende Kriechströme zwischen den einzelnen Elektrodenfingern der Auswertestruktur 7 zu vermeiden.
Anhand des nachfolgend geschilderten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dieses Gassensors la lässt sich die vorteilhafte Wirkung der Haftvermittlerschicht 13 erläutern. Zu Beginn wird das Halbleitersubstrat 2 bereit gestellt und auf dessen Vorderseite die O- xidschicht 4 und die Nitridschicht 5 zur Bildung der Membranschicht 3 aufgebracht. Die Oxidschicht 4 kann hierbei beispielsweise durch eine thermische Oxidation des Halblei- terwafers 2 erzeugt und die Nitridschicht 5 mit Hilfe eines CVD-Abscheideverfahrens aufgebracht werden. Anschließend wird die haftvermittelnde Oxidschicht 6 ganzflächig auf der Oberseite der Membranschicht 3 ausgebildet, was durch eine als Reoxidation bezeichnete oberflächliche thermische Umwandlung der Nitridschicht 5 oder eine CVD- Oxidabscheidung möglich ist.
Die haftvermittelnde Oxidschicht 6 wird nachfolgend mittels einer Oxidätzung derart strukturiert, dass der oxidfreie Auswertebereich 8 auf der Membranschicht 3 bereitgestellt wird. Als nächstes wird die gegenüber einer Oxidätzung unempfindliche Haftvermittlerschicht 13 ganzflächig auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 aufgebracht, außerhalb des Auswertebereichs 8 entfernt und innerhalb des Auswertebereichs 8 entsprechend der später ausgebildeten Auswertestruktur 7 strukturiert, was beispielsweise mit Hilfe eines Ionenstrahlätzprozesses durchgeführt werden kann.
Anschließend wird eine Metallisierungsschicht ganzflächig auf die Vorderseite des Halb- leitersubstrats 2 aufgebracht und diese in die Heizstruktur 9 und den Temperaturmesswiderstand außerhalb des Auswertebereichs 8 und in die Auswertestruktur 7 innerhalb des Auswertebereichs 8 strukturiert. Das Strukturieren kann wiederum mittels eines Ionenstrahlätzprozesses durchgeführt werden. Danach wird die Deckoxidschicht 11 ganzflächig über einen CVD-Abscheideprozess auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 aufgebracht.
Um die Oberfläche der Auswertestruktur 7 freizulegen wird die Deckoxidschicht 11 nach- folgend durch einen nasschemischen Ätzprozess beispielsweise mit Flusssäure als Ätzlösung großflächig im Auswertebereich 8 entfernt. Da die Auswertestruktur 7 auf der gegenüber dieser Oxidätzung unempfindlichen Haftvermittlerschicht 13 angeordnet ist, wird die Gefahr eines Unterätzens der Auswertestruktur 7 vermieden. Auch tritt kein Unterätzen der Haftvermittlerschicht 13 auf, wenn wie in Figur 2 dargestellt die gesamte Deckoxidschicht 11 bis zur Nitridschicht 5 der Membranschicht 3 weggeätzt wird, da die Nitridschicht 5 ebenfalls unempfindlich gegenüber der nasschemischen Oxidätzung ist. Der Einsatz der Haftvermittlerschicht 13 führt folglich zu einer sicheren Haftung der Auswertestruktur 7 auf der Membranschicht 3 und begünstigt damit eine zuverlässige Funktionsweise des Gassensors la.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt wird die Rückseite des Halbleitersubstrats 2 beispielsweise mit Hilfe von Kalilauge bis zur Erreichung der Membranschicht 3 geätzt, so dass die Aushöhlung 21 entsteht. Die Oxidschicht 4, welche eine gegenüber dem Halbleitersubstrat 2 stark reduzierte Ätzrate aufweist, fungiert hierbei als Ätzstopp, auf welchem der Ätzvorgang gezielt gestoppt werden kann. Abschließend wird die gassensitive Schicht 10 auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 erzeugt. Die gassensitive Schicht 10 wird dabei zunächst in pastöser Form, beispielsweise mit Hilfe eines Siebdruck- oder Dispensverfahrens, aufgebracht und anschließend gesintert. Die gassensitive Schicht 10 kann Dotierstoffe enthalten, wodurch der Gassensor la zum Nachweis spezifischer Gase sensitiv ist. Möglich ist es auch, die gassensitive Schicht per Sputter - oder CVD-Verfahren aufzubringen und optional zu sintern.
Alternativ können Abwandlungen des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Gassensors la durchgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, die ganzflächig auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 aufgebrachte Haftvermittlerschicht 13 zunächst nur außerhalb des Auswertebereichs 8 zu entfernen und dann gleichzeitig mit der Auswertestruktur 7 zu strukturieren. Auch ist es möglich, die gassensitive Schicht 10 vor dem Rückseitenätzen des Halbleiter- Substrats 2 aufzubringen, sofern die gassensitive Schicht 10 sicher vor einem Ätzangriff geschützt wird.
Das vom Stand der Technik her bekannte Problem des Unterätzens der Auswertestruktur 7 beim Herstellungsverfahren kann weiter durch die in Figur 3 dargestellte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors vermieden werden. Bei diesem Gassensor lb ist im Unterschied zu dem in Figur 2 dargestellten Gassensor la die haftvermittelnde Oxidschicht 6 auf der Oberseite der Membranschicht 3 nicht strukturiert und befindet sich weiterhin im Auswertebereich 8 unterhalb der Aus Wertestruktur 7. Auch die Deckoxid- schicht 11 erstreckt sich über den Auswertebereich 8 und weist Kontaktlöcher 12 auf, welche jeweils nur einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur 7 freilegen.
Bei der Herstellung dieses Gassensors lb wird nach dem Aufbringen der aus der Oxidschicht 4 und der Nitridschicht 5 gebildeten Membranschicht 3 auf das bereitgestellte Halbleitersubstrat 2 und dem Ausbilden der haftvermittelnden Oxidschicht 6 auf der Oberseite der Membranschicht 3 wiederum eine Metallisierungsschicht abgeschieden und diese entsprechend in die Heizstruktur 9, die Auswertestruktur 7 und den Temperaturmesswiderstand strukturiert.
Nachfolgend wird die Deckoxidschicht 11 ganzflächig auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 abgeschieden. Mit Hilfe eines nasschemischen Ätzprozesses werden anschließend die Kontaktlöcher 12 in die Deckoxidschicht 11 geätzt, welche jeweils nur einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur 7 freilegen, so dass die Oberflächen der Elektrodenfinger der Auswertestruktur 7 an den Seiten weiterhin mit der Deckoxid- schicht 11 bedeckt sind. Hierdurch wird vermieden, dass die bei der Oxidätzung eingesetzte Ätzlösung die haftvermittelnde Oxidschicht 6 unterhalb der Auswertestruktur 7 erreicht und diese angreift, so dass wiederum eine sichere Haftung der Auswertestirj-ktur 7 auf der Membranschicht 3 erzielt wird. Abschließend werden bei diesem Gassensor lb entsprechend das Rückseitenätzen des Halbleitersubstrats 2 und das Aufbringen der gas- sensitiven Schicht 10 auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 durchgeführt, wobei die gassensitive Schicht 10 auch in die Kontaktlöcher 12 eingebracht wird. Der in Figur 3 dargestellte erfindungsgemäße Gassensor lb hat gegenüber dem in Figur 2 dargestellten erfindungs gemäßen Gassensor la den Nachteil, dass sich aufgrund von Justa- getoleranzen zwischen den für die Strukturierung der Auswertestruktur 7 und für das Ätzen der Kontaktlöcher 12 benötigten Masken nur größere Abstände zwischen den einzelnen Elektrodenfingern der Auswertestxuktur 7 realisieren lassen, wodurch der Gassensor lb weniger empfindlich ist. Denn je größer der Abstand zwischen den einzelnen Elektrodenfingern ist, desto größer ist der Messwiderstand, da einerseits der zwischen den Elektrodenfingern gemessene längenabhängige Widerstand größer wird als auch andererseits weniger Elektrodenfinger und damit weniger Parallelschaltungen auf einer gegebenen Fläche realisiert werden können.
Das Problem der elektrischen Drift ist die Folge einer thermomechanischen Stresseinwirkung, da die Gassensoren la, lb im Betrieb in einem permanenten Zyklus zwischen Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur arbeiten, wodurch es zu Materialumlagerungen innerhalb der metallischen Strukturen verbunden mit Widerstandsänderungen kommen kann.
Bei der Auswertestruktur 7 kann die hieraus resultierende Widerstandsänderung aufgrund des hohen Messwiderstands der gassensitiven Schicht 10 wiederum vernachlässigt werden. Bei der Heizstruktur 9, welche einen Widerstand beispielsweise im Ω-bereich aufweist, kann die Widerstandsänderung jedoch zu einer deutlichen Veränderung der Heizleistung und damit der Betriebstemperatur der Gassensoren la, lb führen. Dies gilt entsprechend für den im Bereich der Heizstruktur 9 angeordneten Temperaturmesswiderstand, wodurch die exakte Temperatur der Gassensoren la, lb nicht mehr bestimmt werden kann und so- mit eine zuverlässige stabile Funktionsweise über die Einsatzzeit der Gassensoren la, lb nicht mehr gewährleistet ist.
Das Problem der elektrischen Drift ist bei der in Figur 4 dargestellten dritten Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Gassensors, welche auf der in Figur 3 dargestellten Ausfüh- rungsform aufbaut, weitgehend unterdrückt.
Bei diesem Gassensor lc wird eine zweilagige Deckoxidschicht 11 eingesetzt, welche im Bereich der driftempfindlichen Heizstruktur 9, des Temperaturmesswiderstands und deren elektrischen Zuleitungen aus einer unterstöchiometrischen Oxidschicht 11a besteht, im Falle einer Silizium-Deckoxidschicht also aus einem siliziumreichen Oxid, über welcher eine eher stöchiometrische Oxidschicht 1 lb angeordnet ist. Diese Deckoxidschicht 11 könnte beispielsweise durch ganzflächiges Abscheiden der unterstöchiometrischen Oxidschicht 11a auf die Oberseite der Membranschicht 3 mit den bereits ausgebildeten metallischen Strukturen, anschließendes Strukturieren der unterstöchiometrischen Oxidschicht 11a und nachfolgendes ganzflächiges Abscheiden der stöchiometrischen Oxidschicht 11b erzeugt werden. Das Aufbringen der beiden Oxidschichten 11a, 1 lb ist wiederum mit Hilfe von CVD- Abscheideverfahren möglich.
Die unterstöchiometrische Oxidschicht 1 la zeichnet sich durch eine relativ gute Anbindung an die Heizstruktur 9 und den Temperaturmesswiderstand aus, wodurch Materialumlagerungen aufgrund von thermischer Stresseinwirkung innerhalb der Heizstruktur 9 und des Temperaturmesswiderstands einhergehend mit Widerstandsänderungen unter- drückt werden. Infolgedessen wird eine stabile Funktionsweise über die Einsatzzeit des Gassensors lc ermöglicht.
Die auf die unterstöchiometrische Oxidschicht 1 la und auch auf die Auswertestruktur 7 aufgebrachte stöchiometrische Oxidschicht 11b, welche entsprechend der in Figur 3 darge- stellten Ausführungsform mit Kontaktlöchern 12 versehen ist, erweist sich als sehr günstig für die Auswertestruktur 7 beim Sinterprozess der gassensitiven Schicht 10. Aufgrund der bei diesem Prozess vorherrschenden hohen Temperaturen treten an den Übergangsbereichen zwischen der durch die Deckoxidschicht 11 bedeckten und der über die Kontaktlöcher 12 freigelegten Oberfläche der Auswertestruktur 7 unterschiedliche thermomechani- sehe Spannungen auf, welche Materialumlagerungen innerhalb der Auswertestruktur 7 hervorrufen können. Die stöchiometrische Oxidschicht 11b, welche eine schlechtere Anbindung an die Auswertestruktur 7 aufweist als eine aus einem unterstöchiometrischen Oxid bestehende Schicht, koppelt folglich eine geringe thermische Spannung in die Auswertestruktur 7 ein, so dass bei einem Sinterprozess Materialumlagerungen innerhalb der Auswertestruktur 7 als weniger kritisch angesehen werden können.
An Stelle der beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gassensors sind Ausführungsformen vorstellbar, die weitere Kombinationen der in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen darstellen. Beispielsweise könnte bei dem in Figur 2 dargestellten Gassensor la die Deckoxidschicht 11 als unterstöchiometrische Oxidschicht ausgebildet sein, um die elektrische Drift bei der Heizstruktur 9 und dem Temperaturmesswiderstand zu vermeiden.
Generell ist es sinnvoll, bei einem Gassensor die driftempfindlichen metallischen Strukturen mit einer unterstöchiometrischen Oxidschicht abzudecken und an den Übergangsbereichen zwischen bedeckten und freiliegenden Oberflächen der Strukturen ein stöchiometri- sches Oxid zu verwenden, um die Sinterfestigkeit zu erhöhen. Dies gilt beispielsweise auch für die Zuleitungen der metallischen Strukturen, bei welchen der Einsatz eines stöchio- metrischen Deckoxids angrenzend an die nichtabgedeckten Kontaktierungsflächen vorteilhaft ist.
Das anhand von Figur 4 offenbarte Merkmal, eine unterstöchiometrische Oxidschicht als Deckoxidschicht für driftempfindliche Strukturen einzusetzen, kann auch als eigenständiges Merkmal eines Gassensors realisiert sein. Möglich ist es auch, dieses Merkmal bei anderen Sensoren wie beispielsweise Luftmassensensoren zu verwirklichen.

Claims

Patentansprüche
1. Gassensor mit einer auf einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildeten Membranschicht (3), auf der eine metallische Auswertestruktur (7) in einem Auswertebereich (8) und eine metallische Heizstruktur (9) außerhalb des Auswertebereichs (8) angeordnet sind, und mit einer über der Auswertestruktur (7) und der Heizstruktur (9) angeordneten gassensitiven Schicht (10), wobei die gassensitive Schicht (10) von der Heizstruktur (9) beheizbar und der elektrische Widerstand der gassensitiven Schicht (10) von der Auswertestruktur (7) auswertbar ist und wobei die Heizstruktur (9) auf einer haftvermittelnden Oxidschicht (6) auf der Oberseite der Membranschicht (3) angeordnet und durch eine Deckoxidschicht (11) von der gassensitiven Schicht (10) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Auswertebereich (8) eine gegenüber einer Oxidätzung unempfindliche Haftvermittlerschicht (13) zwischen der Membranschicht (3) und der Auswertestruktur (7) angeordnet ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (13) entsprechend der Auswertestruktur (7) strukturiert ist.
3. Gassensor mit einer auf einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildeten Membranschicht (3), auf der eine metallische Auswertestruktur (7) in einem Auswertebereich (8) und eine metallische Heizstruktur (9) außerhalb des Auswertebereichs (8) angeordnet sind, und mit einer über der Auswertestruktur (7) und der Heizstruktur (9) angeordneten gassensitiven Schicht (10), wobei die gassensitive Schicht (10) von der Heizstruktur (9) beheizbar und der elektrische Widerstand der gassensitiven Schicht (10) von der Auswertestruktur (7) auswertbar ist und wobei die Heizstruktur (9) auf einer haftver- mittelnden Oxidschicht (6) auf der Oberseite der Membranschicht (3) angeordnet und durch eine Deckoxidschicht (11) von der gassensitiven Schicht getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertestruktur (7) in dem Auswertebereich (8) entsprechend der Heiz- Struktur (9) durch die Deckoxidschicht (11) von der gassensitiven Schicht (10) getrennt ist, wobei die Deckoxidschicht (11) Kontaktlöcher (12) aufweist, welche jeweils einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur (7) freilegen, um einen direkten Kontakt zwischen der Auswertestruktur (7) und der gassensitiven Schicht (10) herzustellen.
4. Gassensor nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckoxidschicht (11) wenigstens in dem Auswertebereich (8) der Auswertestraktur (7) aus einem stöchio- metrischen Oxid besteht.
5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckoxidschicht (11) wenigstens im Bereich der Heizstruktur (9) aus einem unterstöchiometrischen Oxid besteht, um eine relativ gute Anbindung der Deckoxidschicht (11) an die Heizstruktur (9) zu erzielen.
6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (3) von einer Nitridschicht (5) gebildet wird, welche vorzugsweise eine an das Halbleitersubstrat (2) angrenzende Oxidschicht (4) aufweist.
7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesswiderstand auf der haftvermittelnden Oxidschicht (6) im Bereich der Heizstruktur (9) vorgesehen ist.
8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertestraktur (7), die Heizstruktur (9) und der Temperaturmesswiderstand aus dem gleichen metallischen Material, vorzugsweise Platin, bestehen.
9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertestraktur (7) als Interdigitalstruktur mit zwei koplanaren, fingerartig inein- ander greifenden Elektroden ausgebildet ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Gassensors gekennzeichnet durch die folgenden Ver- falirensschritte: a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (2); b) Aufbringen einer Membranschicht (3) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2); c) Ausbilden einer haftvermittelnden Oxidschicht (6) auf der Oberseite der Membran- schicht (3); d) Strukturieren der haftvermittelnden Oxidschicht (6), um einen oxidfreien Auswertebereich (8) auf der Membranschicht (3) bereitzustellen; e) Aufbringen einer gegenüber einer Oxidätzung unempfindlichen Haftvermittlerschicht (13) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2); f) Entfernen der Haftvermittlerschicht (13) außerhalb des Aus Wertebereichs (8); g) Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2); h) Strukturieren einer Heizstruktur (9) außerhalb des Auswertebereichs (8) auf der haftvermittelnden Oxidschicht (6) und einer Auswertestraktur (7) im Auswertebereich (8) auf der Haftvermittlerschicht (13); i) Aufbringen einer Deckoxidschicht (11) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2); j) Großflächiges Oxidätzen der Deckoxidschicht (11) im Auswertebereich (8), um die Oberfläche der Auswertestruktur (7) freizulegen; k) Ätzen der Rückseite des Halbleitersubstrats (2) bis zur Erreichung der Membranschicht (3); und 1) Aufbringen einer gassensitiven Schicht (10) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2).
11. Verfahren nach Ansprach 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (13) zusätzlich entsprechend der Auswertestruktur (7) strukturiert wird.
12. Verfahren zum Herstellen eines Gassensors gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (2); b) Aufbringen einer Membranschicht (3) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2); c) Ausbilden einer haftvermittelnden Oxidschicht (6) auf der Oberseite der Membran- schicht (3); d) Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf der haftvermittelnden Oxidschicht (6); e) Strukturieren einer Heizstruktur (9) und einer Auswertestraktur (7); f) Aufbringen einer Deckoxidschicht (11) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2); g) Oxidätzen von Kontaktlöchern (12) in die Deckoxidschicht (11), welche jeweils einen mittleren Bereich der Oberfläche der Auswertestruktur (7) freilegen; h) Ätzen der Rückseite des Halbleitersubstrats (2) bis zur Erreichung der Membranschicht (3); und i) Aufbringen einer gassensitiven Schicht (10) auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats (2).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckoxidschicht (11) wenigstens im Auswertebereich (8) aus einer stöchiometrischen Oxidschicht (11b) be- steht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckoxidschicht (11) wenigstens im Bereich der Heizstraktur (9) aus einer unterstöchiometrischen Oxidschicht (1 la) besteht, um eine relativ gute Anbindung der Deck- oxidschicht (11) an die Heizstruktur (9) zu erzielen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (3) von einer Nitridschicht (5) gebildet wird, welche vorzugsweise eine an das Halbleitersubstrat (2) angrenzende Oxidschicht (4) aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesswiderstand auf der haftvermittelnden Oxidschicht (6) im Bereich der Heizstruktur (9) strukturiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht (10) in pastöser Form aufgebracht und anschließend gesintert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht per Sputter - oder CVD-Verfahren aufgebracht und optional gesintert wird.
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