SE524102C2 - Mikro-hotplate-anordning med integrerad gaskänslig fälteffektsensor - Google Patents

Description

524 102 ..- .- 2 kemisk sensor som helst kan integreras i den hotplaten, under det att den fortfarande utsätts för den omgivande gasen eller vätskan som omger anordningen. Med den visade anordningen, blir det möjligt att använda kemiska sensorer baserade på den så kallade fälteffektdetekterings- mekanism. Fälteffektgassensorer har visat sig vara mycket användbara i många applikationer, antingen som separata sensorer eller anordningar bestående av många sensorer eller i kombi- nation med en eller flera sensorer som använder en annan avkänningsmekanism. Genom an- vändandet av den beskrivna anordningen, är det möjligt att göra lågeffektfälteffektgassensorer och -sensoranordningar. Beroende på den lilla termiska massan för den beskrivna mikro-hot- plate-anordningen kan arbetstemperaturen för fälteffektgassensorerna pulsas eller varieras snabbt på något annat sätt och sensorer integrerade i samma mikro-hotplate kan drivas vid olika temperaturer. Anordningar av multipla sensorer kan integreras på den beskrivna mikro- hotplaten tillsammans med individuella kretsar för styming och avkänning, medgivande en oberoende drift av varje individuell sensor. Också uppvärrnandet till drifttemperaturer kan vara mycket snabb nästa momentan. De resulterande anordningar är tex lämpliga för applice- randet i bilar, portabla gasavkännande instrument och för on-line-mätningar med användning av distribuerade sensorsystem.

UTFÖRINGSEXEMPEL Ytterligare fördelar och vidareutvecklingar av uppfinningen framgår av kraven likaväl som av den nedanstående beskrivningen av ett utföringsexempel med hänvisning till fig 1 på ritningama, visande ett tvärsnitt av ett utföringsexempel på uppfinningen, dock bör noteras att tvärsnittet är mycket förstorat och icke i skala eftersom dimensionerna iden vertikala rikt- ningen (i avbildningen) är förstorad många gånger mer än i den horisontella riktningen i för- tydligande syfte. Fig 2 visar en liknande anordning något förenklad och fabricerad i enlighet med krav 13. Fig 3 illustrerar ytterligare ett annat sätt att fabricera en mikro-hotplate, denna gång i enlighet med krav 15. I fig 4 är en mikro-hotplate tillverkad i enlighet med krav 16 visad. Fig 5 är ett tvärsnitt genom en anordning liknande den i fig 1 men där sensorn kan komma i kontakt med exempelvis omgivande gas på ett mera direkt sätt.

Sensor-chip MOSFET-gassensoranordningen som visas (fig 1) har utfonnats för att reducera emitter- och kollektorläckageströmmarna och effektförbrukningen för detta slag av gassensorer. Varje 524 102 3 anordning består av 4 GasFET, en temperatursensor (diod) och en värmare. Den verkliga chipsstorleken är 4.0 x 4.Omrn2.

Elektroniska komponenter Värmaren är en halvledarresistor som görs under p-emitter implanteringen i MOSFET-fa- briceringsprocessen. Transistoriema (NMOS) och diodtemperatursensorn är tillverkade i ett enda diffusionssteg av dopade atomer från CVD oxidfilmer. Grupper med 4 medelstora eller små MOSFET har respektive utformats med en kanallängd 13.0 och 5.0;rm. Fabrikationen av NMOS-transistorer i en p-gropteknologi medger drivningen av dem separat. Deras emitter/kollektorströmmar har begränsats genom minimering sv p-n-förbindningsytan vid emitter- och kollektorområdena. Därför tas metall/halvledarkontakterna direkt på emittern och kollektom just vid sidan av basen. GasFET arbetar med sin kollektor och bas förbundna med varandra med en konstant strömförspänning mellan emittern och kollektorn. I denna utfonn- ning var emittern och basen ej förbundna med varandra för att medge större flexibilitet be- stämmandet av MOSFET-ens elektriska egenskaper.

Effektförbrukning Den terrniska massan och därför effektförbrukningen för sensorn minimeras genom ut- formningen. GasFET, värmaren och dioden är placerade på en kiselö isolerad från chips- ramen av ett elektriskt membran. Membranet är tillverkat av LPVCD lâgpâkänd kiselnitrid.

En PECVD kiselnitridfilm används som ett passiviseringsskikt pâ aluminiummetalliseringen.

Membranstorleken är 1.8 x 1.8mm2 och silikonöns yta är 900 x 9OOum2 och IOum tjock.

FRAMSTÄLLNING Tre huvuddelar bildar framställningsprocessen: 1. Framställning av de dopade områden i kiseln för att bilda de elektroniska kom- ponenterna; 2. Basoxidpåväxt och deponering av membranet, metalliseringen och passivise- ringsfilmer; och 3. Frigivandet av membranet och bildandet av kiselön exempelvis genom våt anti- sotrop etsning av kiseln. 524 102 Elektroniska komponenter Processen startar med implanterande av boron i ett 4 tums silikonsubstrat (259cm, n-typ, 300ym tjock polerad på bägge sidor) för att bilda MOSFET-ens p-tråg, p-sidan av dioden och den resistiva värmaren. Likaså inkluderat i denna första del är deponerandet och mönstrandet av boron- och fosfordopade CVD- oxidfilmer och diffunderandet av dopningsatomerna för att bilda n+ och p+ regionerna för de elektroniska anordningarna.

Membran, metallisering och passivisering Den andra delen startar med påväxandet av en termisk basoxid (100nm) följt av depone- randet av en lågpåkänd kiselrik nitrid-LCPVD-film. Sedan definieras basen och kontakterna i nitriden. Metalliseringen deponeras genom e-strålförångning av aluminium som är anlöpt för att bilda ohmiska kontakter på kiseln. En PECVD-reaktor används för att deponera ett passiviseringsskikt av kiselnitrid på anordningen. Efter mönstrandet av passiviseringsfilmen, deponeras tunna katalytiska metaller (CM: Pt, Ir, Pd) och anlöps. GasFET med 4 olika kata- lytiska metaller kan fabriceras eller en av dem kan vara överdragen med aluminium och kan användas som referens. Eftersom deponerandet av CM-skikten görs före huvuddelen av kisel- bearbetningen, används en chuck i den tredje och sista delen av bearbetningen för att skydda framsidan av skivan (substratet) under baksidans etsning av kisel i KOH.

Mikrobearbetning av silikonkropp Först definieras kiselön och skyddas av den terrniskt påväxta oxidfilmen under etsningen av lOpm av kisel i standard KOH (40% vid 60° C) för att definiera kiselötjockleken. därefter efter avlägsnandet av den skyddande oxiden etsas kiseln helt genom användning av 52% KOH (lösningsgräns för KOH i vatten vid rumstemperatur) vid 70” C. KOH med en koncentration på 52% användes för att minska etsningshastigheten för planen 311 bildande sidan av silikon- ön, jämfört med etsningshastigheten för planet 100, vilket är det plan som bildar botten för kiselön. Förhållandet mellan etsningshastighetema i riktningen parallellt och vinkelrätt < 100 > mot substratytan är ungefär 1.4 för denna specifika KOH-lösning.

Trots det faktum att nitrid- och oxidskikten som används som membran är selektiva för KOH, måste friandet av membranet utföras med en exakt tidskontroll av kiseletsningshastig- heten för att åstadkomma den önskade tjockleken för kiselön. På bägge sidor polerade substrat med en TTV (Total tjockleksvariation) så låg som möjligt krävs eftersom likformigheten för 524 102 5 kiselöamas tjocklek över hela substratet beror på denna parameter).

Hela fabrikationsprocessen innefattar 50 steg, av vilka 50 är fotolitografier (12 masker).

Fabrikationsprocessen är kompatibel med användning av olika basisolatorer såsom exempelvis kiseldioxid (SiOz). kiselnitrid (Si3N4), aluminiumoxid (AlzOg) och tantaloxid (TazOs).

EGENSKAPER Elektriska egenskaper för MOSFET-ar utformade för denna lågeffektanordning har visat att de är lämpliga för gasavkänning vid temperaturer upp till 225° C. Vi denna maximala driftstemperatur, krävs en konstant strömförspänning på åtminstone ZOOnA mellan bas och kollektor (ansluten till basen) för att undvika interferens av läckströmmar. Huvudstrukturan- ordningar belagda med tunna CM-skikt (Ir och Pt) visar en god känslighet för H2 och NH, vid en driftstemperatur pá 140°C (Fig 4).

Värmeresistansvärdet är 11759 j; 30% och minskar som en funktion av temperaturer med det beteende som väntas för en halvledare. Effektförbrukningen för anordningen har ut- värderats genom användning av dioden som tidigare kalibrerats som en funktion av temperam- ren. En låg effektförbrukning på 80mW åstadkoms för en drifttemperatur på 175°C för grup- pen av 4 GasFET-ar jämfört med O.5-1.0W för en standard GasFET.

Kiselön säkerställer en likformig temperaturfördelning över hela den aktiva ytan. Den lilla termiska massan medger drift för sensorn i en temperaturcykelmode som förbättrar förbruk- ningen för anordningen och kan påverkas selektiviteten liksom i resistiva gassensorer.

SLUTSATSER Utfonnning, fabrikation och egenskaper för en MOSFET-gassensoranordning med låg effektförbrukning har presenterats. Sensom består av en uppvärmande resistor, en diodtempe- ratursensor och 4 GasFet placerade pá en kiselö terrniskt isolerad från chipsramen av ett di- elektriskt membran. Kombinationen av mikroelektronik och MEMS (kiselkroppsmikrobearbet- ning) fabrikationsteknologier användes för att fabricera dessa anordningar. Anordningen av 4 GasFET har en låg effekförbrukning på en 80mW vid en arbetstemperatur på l75°C. Kisel- ön ger också en likformig temperatur över hela avkänningsområdet. Denna lilla termiska mas- san för anordningen medger drift av sensorerna i en temperaturcykelmod. Även om ovan och på ritningama ön har beskrivits och visats utan halvledarekisel (exem- pelvis) i membranförbindningen med stödet, kan membranet innefatta kisel utan förlust av ter- øqu.. , ,. ,, ~ -I -<- . n. . . .. .a- n -a a - . ~ » n n. a a. u. " e « u -- ~ ~ « . - ,. misk isolering. Kiseln i membranet kan vara tunt format som ekrar eller lågdopad eller även odopad eller kombinationer därav så att de termiska förlusterna genom kiseln är små.

Claims (25)

524 102 7- PATENTKRAV

1. Mikro-hotplate-anordning med integrerad kemisk sensor kännetecknad av att den innefattar: a) ett stödsubstrat; b) ett uppburet membran fäst vid substratet, stråckande sig över en grop i stödsub- stratet; c) en ö fast vid membranet så att det är elektriskt och termiskt isolerat från substratet, vilken ö består åtminstone delvis av ett halvledande material. d) ett eller flera uppvårmningselement integrerade i ön; e) ett eller flera temperaturavkännande element integrerande i ön; f) ett eller flera aktiva mikroelektroniska anordningar integrerade i ön, där åtminstone en av de aktiva mikroelektroniska anordningarna är en gaskänslig fälteffektsensor vars kemiska aktiva skikt år exponerat för omgivningen.

2. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 1, kännetecknad av att åtminstone ett vänneele- ment består av en värmetransistor.

3. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 1, kännetecknad av att åtminstone ett uppvärm- ningselement består av en värmeresistor.

4. Mikro-hotplate-anordning enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknad av att åtmin- stone ett temperaturavkännande element är en temperaturkänslig resistor.

5. Mikro-hotplate-anordning enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknad av att åtmin- stone ett temperaturavkännande element är en temperaturkänslig diod.

6. Mikro-hotplate-anordning enligt något av kraven 1 till 5, kännetecknad av att mem- branet består av ett eller flera isolerande skikt.

7. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 6, kännetecknad av att åtminstone en isolator är kiselnitrid.

8. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 6 eller 7, kännetecknad av att elektrisk förbin- dande ledare till de aktiva mikroelektroniska anordningama på ön har placerats mellan olika isolatorskikt.

9. Mikro-plate-anordning enligt något av kraven 1 till 8, kännetecknad av att halvledar- materialet i ön är kisel. P9918 524 102 8

10. Mikro-plate-anordning enligt något av kraven 1 till 8, kännetecknad av att det halvle- dande materialet i ön är kiselkarbid.

11. ll. Mikro-plate-anordning enligt något av kraven 1 till 10, kännetecknad av att stödsub- stratet och ön är tillverkade av samma material.

12. Förfarande för fabrikation av en mikro-plate-anordning i enlighet med krav l, känne- tecknad av användningen av en kombination av maskeringssteg och etsningssteg för att defi- niera geometrin för anordningen.

13. Förfarande enligt krav 12, kännetecknad av användningen av konsekutiva baksidan etsande steg innefattande: a) deponerandet av stödmembranet över kiselsubstratet; b) ett etsningssteg används för att definiera tjockleken för ön genom att etsa bort om- rådet som omger ön till ett viss önskat djup, lika med den önskade tjockleken för ön; e) ett ytterligare etsningssteg användes för att etsa ön och det omgivande ornrâdet tills ön är isolerad från stödsubstratet.

14. Förfarande enligt krav 12, kännetecknat av användningen av ett substrat av typen ki- sel på isolator varigenom det inbäddade i isolatorskiktet i kisel på isolatorsubstratet användes som ett etsningsstopp för att definiera tjockleken för ön i anordningen, resulterande i en kiselö med ett isolatorskikt på baksidan.

15. Förfarande enligt krav 14, kännetecknat av att användningen av följande steg: a) från framsidan av anordningen bortetsas området som omger ön ner till det innesluta isolatorskiktet; b) från baksidan av anordningen etsas kiseln i området under ön och området som omger ön bort tills det inneslutna isolatorskiktet på ön är frilagt och ön är fast vid stödet av isolatorskiktet.

16. Förfarande enligt krav 14, kännetecknat av följande steg: a) oxiderande av kiselskiktet på framsidan av anordningen ned till det inneslutna iso- latorskiktet, bortsett från det omrâde där ön skall vara; b) från framsidan av anordningen etsas oxiden i området omgivande ön bort tills dess det underliggande kiselsubstratet är frilagt; c) från baksidan av anordningen etsas kiseln i området under ön bort tills dess det inneslutna isolatorskiktet för ön är frilagt och ön är fäst vid stödet via den kvarvarande P99l8 524 102 Ci delen av isolatorskiktet.

17. Förfarande enligt något av kraven 12 till 16, kännetecknat av att åtminstone ett av etsningsstegen är ett anisotropt kaliumhydroxidetsningssteg.

18. Förfarande enligt något av kraven 12 till 16, kännetecknat av att åtminstone ett av etsningsstegen är ett anisotropt tetrametyl-ammonium-hydroxid-etsningssteg.

19. Förfarande enligt något av kraven 12 till 16, kännetecknat av att åtminstone ett av etsningsstegen är ett djupt reaktivt jonetsande steg.

20. Mikro-hotplate-anordning enligt något av kraven 1 till 12, kännetecknad av att en eller flera kemiska fálteffektsensorer är kombinerade med en eller flera kemiska sensorer som utnyttjar en detekteringsmekanism som skiljer sig från fálteffekten.

21. Mikro-hotplate-anordning enligt något av kraven 1 till 12 eller 20, känneteeknad av att en eller flera av de kemiska sensorema drivs som gassensorer.

22. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 20 och 21, kännetecknad av att en eller flera fälteffektgassensorer är kombinerade med en eller flera gassensorer som utnyttjar resistans- ändringar som detekteringsmekanism.

23. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 22, kännetecknad av att åtminstone en av gas- sensorerna som utnyttjar resistensändringar som detekteringsmekanism är tillverkad av en halvledande metalloxid.

24. Mikro-hotplate-anordning enligt krav 22, kännetecknad av att åtminstone en av gas- sensorema som utnyttjar resistensändringar som detekteringsmekanism år framställd av en polymer.

25. Mikro-hotplate-anordning enligt något av kraven 1 till 12 eller 20 till 24, kännetecknad av att stödsubstratet innehåller en grupp av flera öar. P9918