EP1711803A1 - Sensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Sensor und verfahren zu dessen herstellung

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EP1711803A1
EP1711803A1 EP05707905A EP05707905A EP1711803A1 EP 1711803 A1 EP1711803 A1 EP 1711803A1 EP 05707905 A EP05707905 A EP 05707905A EP 05707905 A EP05707905 A EP 05707905A EP 1711803 A1 EP1711803 A1 EP 1711803A1
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EP
European Patent Office
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silicon
sensor
containing components
silanization
fet
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Withdrawn
Application number
EP05707905A
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English (en)
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Inventor
Markus Burgmair
Ignaz Eisele
Thorsten Knittel
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TDK Micronas GmbH
Original Assignee
TDK Micronas GmbH
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
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    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/005—H2

Definitions

  • the invention relates to a sensor, for example gas sensor, acceleration sensor or pressure sensor with silicon-containing components, by means of which electrical signals can be read out in the presence of analyte or in the event of mechanical deformation, and a manufacturing method.
  • the moisture contained in the air forms a thin film of water on the surface of silicon-containing material, which leads to increased surface conductivity.
  • the leakage currents caused by this increase represent a problem with regard to stability and signal behavior for many sensors that are in contact with air.
  • the invention has for its object to provide a sensor with a semiconductor body, the sensitivity to moisture or whose leakage currents is / are significantly reduced. A manufacturing process must also be specified.
  • the invention is based on the knowledge that the method of silanization known from glass coating also can be transferred to semiconductor technology. This creates a monolayer of the common, hydrophobic molecular chains on the silicon-containing surface, which prevent the adsorption of water molecules. All hydrophobic molecular chains that form a stable connection with the surface are suitable for this. Thus, up to high air humidity, almost 100%, no closed water film can arise, which favors the undesirable surface conductivity.
  • silicon-containing components can be operated unheated and unencapsulated in ambient air without any disturbing influences from surface currents induced by moisture.
  • the semiconductor body used as the basis in this silicon technology is silanized. Both pure silicon and superficial silicon compounds can be treated.
  • silicon-based semiconductor sensors which are insensitive to moisture are, for example, gas sensors, pressure sensors or generally all sensors which come into contact with essentially atmospheric moisture during operation. Therefore, analytes such as target gases are detected in gas sensors and mechanical shape changes in pressure or acceleration sensors.
  • FIG. 1 shows a comparison between a silanized hydrogen sensor and one without a hydrophobic cover layer
  • FIG. 2 shows a representation with different moisture values and additional gases
  • Figure 3 shows the prior art in the form of a floating gate FET.
  • FGFET floating gate field effect transistor
  • Other types of FETs can also be used, such as suspended gate FETs.
  • 3 shows the schematic structure of the FGFET used.
  • the potential change at the sensitive layer, caused by the application of gas, is conducted to the MOSFET via the voltage control spanned by the floating gate and capacitive well (electrode) and leads there to a
  • the strong drift and "deformation" of the hydrogen signals is effectively prevented by the silanization.
  • the remaining small moisture levels in the silanized signal are caused by the dipole signal of the water on the sensitive platinum layer and are no longer a problem.
  • the above FGFET with surfaces without a hybrid gate was both silanized and unsilanized.
  • the sensitivity of the floating gate was used.
  • the guard ring was controlled with a rectangular generator and the moisture-dependent coupling to the transistors was measured.
  • the frequency was chosen to be very low (0.1 Hz) in order to exclude frequency-dependent effects in the RC elements.
  • the representation corresponding to FIG. 2 contains a comparison of these measurements with different humidities and additional gases.
  • the current in the transistors is kept constant via feedback electronics. The resulting signals originate from the feedback control loop and thus reflect the potential present at the floating gate.

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Abstract

Sensor mit siliziumhaltigen Bauteilen an dessen sensitivem Detektionselement elektrische Signale entsprechend einem vor­handenen Analyten mittels eines Siliziumhalbleitersystems auslesbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die siliziumhal­tigen Bauteile zur Vermeidung von Störsignalen aufgrund von Feuchtigkeit mit einer Schicht aus hydrophobem Material be­legt sind.

Description

Beschreibung
Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Sensor, beispielsweise Gassensor, Beschleunigungssensor oder Drucksensor mit siliziumhal- tigen Bauteilen mittels der elektrische Signale bei vorhandenem Analyten oder bei mechanischer Verformung auslesbar sind, sowie ein Herstellungsverfahren.
Die in der Luft enthaltene Feuchte bildet an der Oberfläche von siliziumhaltigem Material einen dünnen Wasserfilm, der zu erhöhter Oberflächenleitfähigkeit führt. Die durch diese Erhöhung entstehenden Leckströme stellen für viele Sensoren, die mit Luft in Kontakt stehen ein Problem bezüglich der Stabilität und des Signalverhaltes dar.
Um Feuchteeinflüsse auf Sensorsysteme zu vermeiden, werden diese zur Zeit, falls möglich gekapselt aufgebaut. Ist der Kontakt mit der Umgebungsluft für das Sensorprinzip zwingend erforderlich, beispielsweise Gassensoren, greift man auf passive, wasserabweisende Membranen zurück. Heizen auf Temperaturen von deutlich über 100°C löst das Problem ebenso, ist jedoch mit erheblichen Energieaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Sensor mit einem Halbleiterkörper bereitzustellen, dessen Feuchteempfindlichkeit bzw. dessen Leckströme wesentlich reduziert ist/sind. Weiterhin ist ein Herstellungsverfahren anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgaben geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. Anspruch XXX. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das aus der Glasbeschichtung bekannte Verfahren der Silanisierung auch auf die Halbleitertechnologie übertragen werden kann. Hierbei entsteht auf der siliziumhaltigen Oberfläche eine Monolage der gängigen, hydrophoben Molekülketten, die die Adsorption von Wassermolekühlen unterbinden. Hierfür eignen sich alle hydrophoben Molekülketten, die eine stabile Verbindung mit der Oberfläche eingehen. Somit kann bis zu hohen Luftfeuchtigkeiten, nahezu 100%, kein geschlossener Wasserfilm entstehen, der die unerwünschte Oberflächenleitfähigkeit begünstigt.
Siliziumhaltige Bauelemente können nach der Silanisierung ungeheizt und ungekapselt an Umgebungsluft betrieben werden, ohne dass störende Einflüsse durch Feuchte induzierte Oberflächenströme zum Tragen kommen.
Allgemein ausgedrückt wird der in dieser Siliziumtechnologie als Basis verwendete Halbleiterkörper silanisiert. Dabei können sowohl reines Silizium, als auch oberflächlich vorhandene Siliziumverbindungen behandelt werden.
Die Einsatzbereiche für derartige gegen Feuchtigkeit unempfindliche Halbleitersensoren auf Siliziumbasis sind beispielsweise Gassensoren, Drucksensoren oder allgemein sämtliche im Betrieb mit im Wesentlichen Luftfeuchtigkeit in Kon- takt kommende Sensoren. Daher werden bei Gassensoren Analyten wie Zielgase detektiert und bei Druck- oder Beschleunigungssensoren mechanische Formänderungen.
Im Folgenden werden anhand der schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Vergleich zwischen einem silanisierten Wasserstoffsensor und einem ohne hydrophobe Deck- Schicht, Figur 2 zeigt eine Darstellung bei verschiedenen Feuchtewerten und zusätzlichen Gasen,
Figur 3 zeigt den Stand der Technik in Form eines Floating- Gate-FET .
Die Funktionsweise der Silanisierung auf Siliziumnitrid und oxidiertem Polysilizium wurde speziell an einem Gassensor, einem Floating-Gate-Feldeffekttransistor (FGFET) erprobt und genauer untersucht. Ebenso können andere Ausführungen von FETs verwendet werden, wie beispielsweise Suspended Gate FETs. Die Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau des verwendeten FGFETs.
Funktionsweise
Die an der sensitiven Schicht, durch Gasbeaufschlagung entstehende Potentialänderung wird über den durch das floatende Gate und kapazitiven Well (Elektrode) aufgespannten Span- nungsteuer zum MOSFET geleitet und führt dort zu einer
Stromänderung zwischen Drain D und Source S. Die floatende Elektrode ist, um sie vor störenden Leckströmen zu schützen, mit einer Nitrid-, bzw. Oxidschicht bedeckt. Dennoch können Potentiale durch einen leitendem Feuchtefilm auf dieser Pas- sivierung noch kapazitiv einkoppeln. Um dies zu unterdrücken ist eine Äquipotentialfläche, der sog. Guardring, auf der Oberfläche, um das empfindliche Gate herum, angeordnet. Bei höheren Luftfeuchtigkeiten (>50%) treten dennoch erhöhte Oberflächenströme auf, die zu starker Signaldrift führen. Um dies zu verhindern, ist es notwendig die Entstehung eines Feuchtefilms zu unterbinden. Beim Silanisieren werden nun sehr hydrophobe Molekülketten auf der bestehenden Passivie- rung aufgebracht, bevor das hybride Gate montiert wird. Da die Klebeverbindung des Gates nun auf dieser Schicht nicht mehr haftet, sind auf dem Chip zusätzliche Aluminium-Klebe-
Pads notwendig, da dort die Silanisierung nicht haftet. Durch diesen Prozess bleiben die so hergestellten, ungeheizten Gas- sensoren auch bei hohen Feuchten nahezu vollkommen stabil. Nachfolgende Messung zeigt, siehe Fig. 1, den Vergleich zwischen einem silanisierten und einem unbehandelten Wasserstoffsensor bei verschiedenen Feuchten.
Die starke Drift und "Verformung" der Wasserstoffsignale wird durch die Silanisierung wirkungsvoll unterbunden. Die verbleibenden kleinen Feuchte-Stufen im silanisierten Signal werden vom Dipolsignal des Wassers auf der sensitiven Platin- Schicht verursacht und sind nicht weiter störend.
Um eine präzise Aussage über die Oberflächenleitfähigkeit machen zu können, wurde obiger FGFET mit Oberflächen ohne hybrides Gate sowohl silanisiert, wie unsilanisiert aufgebaut. Um die sehr kleinen Ströme qualitativ zu messen, machte man sich die Empfindlichkeit des floatenden Gates zu Nutze. Bei beiden Chips wurde der Guardring mit einem Rechteckgenerator angesteuert und die feuchteabhängige Einkopplung auf die Transistoren gemessen. Die Frequenz wurde hierbei sehr nied- rig gewählt (0,1Hz), um frequenzabhängige Effekte in den RC- Gliedern auszuschließen. Je höher die Oberflächenleitfähigkeit, desto größer ist die Einkopplung des Rechteckgenerators in den Transistor. Die Darstellung entsprechend Fig. 2 enthält eine Gegenüberstellung dieser Messungen bei verschiede- nen Feuchten und zusätzlichen Gasen. Der Strom in den Transistoren wird hierbei über eine Feedback Elektronik konstant gehalten. Die resultierenden Signale entstammen dem Feedback- Regelkreis und geben somit das am floatenden Gate anliegende Potential wieder.
Es ist zu erkennen, dass sämtliche Feuchteeinflüsse nach der Silanisierung verschwunden sind. Die Verbleibende Einkopplung ist nur noch kapazitiv. Die Reaktion des Nitrides auf N02 ist bei der silanisierten Version verschwunden. Dafür zeigt sich eine erhöhte Empfindlichkeit auf NH3. Dies ist bei dem für die Silanisierung verwendeten Trichlorsilan, insbesondere n-Octadecyltrichlorsilan, als AusgangsSubstanz zu erwarten, da Laugen wie Ammoniak die Bindungen an die Nitrid- Passivierung angreifen. Gegen Säuren hingegen (wie N02) ist die Schicht besonders stabil. Die Proben mit oxidiertem Poly- silizium zeigen das selbe Verhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor mit siliziumhaltigen Bauteilen an dessen sensitivem Detektionselement elektrische Signale mittels eines Sili- ziumhalbleitersystems auslesbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die siliziumhaltigen Bauteile zur Vermeidung von Störsignalen aufgrund von Feuchtigkeit mit einer Schicht aus hydrophobem Material belegt sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem das hydrophobe Material aus Molekülketten besteht, die mit Silizium eine stabile Bindung bilden.
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Molekülketten eine einlagige Schicht bilden.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die siliziumhaltigen Bauteile aus Silizium, Siliziumnitrid oder oxidiertem Silizium bestehen.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Siliziumhalbleitersystem ein Feldeffekttransistor (FET) ist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Gassensor, ein Drucksensor oder ein Beschleunigungssensor vorliegt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Gassensors mit einer in einem Feldeffekttransistor (FET) mit siliziumhaltigen Bauteilen integrierten gassensitiven Schicht, an welcher elektrische Signale entsprechend einem vorhandenen Zielgas mittels des FETs auslesbar sind, bei dem siliziumhaltige Bauteile mittels Silanisierung mit einer hydrophoben Schicht belegt werden und weitere zum FET zugehörige Bauteile, wie eine hybride Elektrode/Gate nachträglich montiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zur Silanisierung ein Silan verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zur Silanisierung ein Trichlorsilan verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zur Silanisierung ein n-Octadecyltrichlorsilan (CιeH37Cl3Si) verwendet wird.
EP05707905A 2004-02-06 2005-02-01 Sensor und verfahren zu dessen herstellung Withdrawn EP1711803A1 (de)

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