WO2016102189A1 - Halbleiterbasierte gassensoranordnung zum detektieren eines gases und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleiterbasierte gassensoranordnung zum detektieren eines gases und entsprechendes herstellungsverfahren Download PDF

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WO2016102189A1
WO2016102189A1 PCT/EP2015/079233 EP2015079233W WO2016102189A1 WO 2016102189 A1 WO2016102189 A1 WO 2016102189A1 EP 2015079233 W EP2015079233 W EP 2015079233W WO 2016102189 A1 WO2016102189 A1 WO 2016102189A1
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gas
electrode
semiconductor
gas sensor
based gas
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PCT/EP2015/079233
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French (fr)
Inventor
Denis Kunz
Martin Schreivogel
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor-based gas sensor assembly for detecting a gas and a corresponding manufacturing method.
  • semiconductor-based components in particular gas sensors, represent an important alternative to, for example, electrochemical cells.
  • FET field effect transistors
  • Suspended Gate FET (SG-FET) are known. These relate to sensor concepts based on gas absorption and associated potential or work function changes in the gate region of an FET.
  • serious signal drifts may occur due to the immediate proximity of the gas-exposed electrode and the relatively sensitive field-effect transistor.
  • Reasons for this may be structural changes of the materials used or the introduction of impurities.
  • This problem is partially avoided when suspended Gate or Charge Coupled FET by burying the FET used to read the signal under passivation and thus spatially separating it from the gas.
  • a forming capacity of a corresponding gate stack becomes relatively low, as a result of which the gas signals
  • the present invention provides a semiconductor-based gas sensor assembly for detecting a gas according to claim 1 and a corresponding one
  • a very high sensitivity with regard to gas detection can be achieved by the semiconductor-based gas sensor arrangement described here.
  • a gas-sensitive structure comprising a gas electrode, an electrode and an arranged at least partially polarizable dielectric layer between the gas electrode and the electrode is used, wherein a capacitor formed by the gas-sensitive structure is coupled to a gate of a readout transistor and the readout sensor in or on a substrate is arranged.
  • This may in particular be a transducer, which by the use of suitable
  • Electrode materials for the detection of various gases, especially in very low concentrations, can be designed.
  • the present invention makes it possible to detect gases in harsh environments with a high-sensitivity, low-concentration, semiconductor-fabricated gas sensor assembly that can be produced in high volumes. This is especially due to the "burying" of the sensitive
  • Readout transistor is achieved so that contamination and related signal drifts are avoided.
  • a particularly high sensitivity is due to the Use of at least partially polarizable dielectric layers, in particular thin layers, achieved in the gas-sensitive structure. These can have permittivities that are approximately two orders of magnitude higher than common gate materials from semiconductor technology such as S1O2 or Al2O3, so that the gate capacitance increases by just this factor and the resolution increases.
  • the gate dielectric for example, the polarizable dielectric layer
  • the gate dielectric becomes not only a passive insulating layer through which the applied field becomes
  • the present invention further enables stable measurement of various gases, especially in the very low concentration range (ppt to ppm).
  • the stable measurements can be particularly rough
  • the idea underlying the present invention is to achieve very high sensitivities by a combination of a gas-sensitive structure and a read-out transistor. This is realized, in particular, by the gas-sensitive structure which is coupled to the gate of the "buried" readout transistor, in particular a field effect transistor.
  • the peculiarity of the gas sensitive structure is that the at least partially polarizable dielectric layer is used therein Layer whose impedance or permittivity changes depending on the applied electric field. Examples of such materials are, for example
  • Ferroelectrics which usually have very high permittivities. For use at high temperatures (preferably greater than 250 ° C) but also other dielectrics such as S1O2, S13N4 or AI2O3 in question. In this case, the polarization mechanism is then determined by mobile ions within the layers.
  • the electrode materials are chosen so that in
  • platinum Pt
  • gold Au
  • silver Au
  • Cu copper
  • conductive polymers or organic substances examples include conductive ceramics in question. If the sensitive material itself is not conductive, it may be combined with a porous or otherwise patterned electrode.
  • the capacitance formed by the gas sensitive structure is coupled directly to the gate of the readout transistor. This has the advantage over other readout methods of very high and low-noise sensitivity due to the direct amplification by the read-out transistor and the extremely short lead between the capacitance and the amplifying read-out transistor.
  • Different operating modes can be used with a downstream evaluation circuit. For example, with constant gate voltage, the source-drain current of the read-out transistor can be evaluated as a function of the applied atmosphere. Conversely, the gate voltage can be readjusted such that the source-drain current remains constant. In both cases, the applied voltages can be applied only pulsed.
  • the read-out transistor is buried under a passivation layer or arranged on a side of the substrate which faces away from the gas-sensitive structure.
  • the readout transistor does not come into direct contact with the gas to be detected or the capacitance of the described structure is coupled to the gate of a readout transistor which itself is not exposed to the gas to be examined. That is, the readout transistor is isolated from the gas to be detected.
  • the read-out sensor is particularly protected against contamination.
  • the capacitance formed by the gas-sensitive structure is coupled directly to the gate of the readout transistor. In this case, the sensitivity of a readout transistor can be made directly dependent on the capacitance at the gate and high capacitances or gas-dependent capacitance changes can be detected.
  • the readout transistor is a field effect transistor. This has the advantage that especially small
  • the at least partially polarizable dielectric layer comprises silicon dioxide (S1O2),
  • Alumina Al2O3
  • hafnium oxide HfCh
  • tantalum oxide Ta20s
  • zirconium oxide ZrCh
  • nitrides in particular silicon nitride (S13N4)
  • boron nitride BN
  • carbides in particular silicon carbide (SiC)
  • silicides in particular
  • Tungsten silicide (WS12), tantalum silicide (TaSi2) and ferroelectric materials, such as barium titanate (BaTiOs), lead zirconate titanate (Pb (Zr x Ti x ) 03) or barium strontium titanate (Ba x Sri- x TiO 3) ,
  • ferroelectric materials such as barium titanate (BaTiOs), lead zirconate titanate (Pb (Zr x Ti x ) 03) or barium strontium titanate (Ba x Sri- x TiO 3) ,
  • an effective electrically insulating or polarizable dielectric layer can be formed or be, which is also suitable to be at least locally limited polarization.
  • the abovementioned substances are in particular sufficiently inert that polarizable species can be introduced into them and also under the operating conditions of the
  • gas-sensitive structure can exist side by side without significant interactions.
  • the gas electrode, the electrode, and those disposed between the gas electrode and the electrode at least partially form
  • polarizable dielectric layer of a capacitance structure which can serve as a basis for the semiconductor-based gas sensor arrangement according to the invention.
  • the at least partially polarizable dielectric layer may be locally polarizable.
  • this may mean, in particular, that the entire polarizable dielectric layer can be polarized, or that the polarizable dielectric layer is also only locally polarizable to a limited extent and may be oriented approximately parallel or alignable Dipoles may have, or that in the layer at least limited in space a certain degree of polarity can be generated.
  • Under a polarizability can be understood basically the alignment of electrical charges or dipoles for a polarizability at the atomic or molecular level. This leads to a voltage-dependent permittivity of the at least partially polarizable dielectric layer.
  • the gas electrode and the electrode comprise platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), iridium (Ir), Titanium (Ti), titanium nitride (TiN),
  • Tantalum nitride TiN
  • Cu copper
  • alloys comprising one or more of the aforementioned components or conductive polymers and / or organic substances and conductive ceramics.
  • the gas electrode or the electrode can be made entirely from one or more of the aforementioned substances or have such substances only partially, for example in the form of particles arranged in an electrode structure.
  • the gas electrode and the electrode can be combined with porous and / or structured further electrodes.
  • conductive polymers and / or organic substances are also suitable.
  • the combination has the advantage that in particular material costs can be saved if the sensitive or conductive material itself is not conductive. This means that not the entire gas electrode and / or electrode must have a costly material.
  • the gas-sensitive structure is arranged on a membrane with or without integrated heater. This can advantageously a fast response time and / or low
  • the second electrode has a
  • the interdigital structure can process
  • the semiconductor-based gas sensor arrangement can be operated in a gate voltage range in such a way that dipoles in the at least partially polarizable dielectric layer are movable, that is, a permittivity can be altered by absorbed gases.
  • a sinusoidally modulated voltage component must be applied to the gate, for example. This can have a constant or variable frequency.
  • the static electric field in the at least partially polarizable dielectric layer can disappear, that is to say one may work with very low gate voltages.
  • so-called normally-on-transistor architectures can be advantageous, so that even at these gate voltages already sufficiently large
  • Figure 1 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining a semiconductor-based gas sensor assembly for detecting a gas and a corresponding manufacturing method according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining a semiconductor-based gas sensor assembly for detecting a gas and a corresponding manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining a semiconductor-based gas sensor assembly for detecting a gas and a corresponding manufacturing method according to a first
  • reference numeral Hl denotes a semiconductor-based one
  • the semiconductor-based gas sensor arrangement H 1 has a gas-sensitive structure S 1 comprising a gas electrode E 1, an electrode E 2 and an at least partially polarizable gas arranged between the gas electrode E 1 and the electrode E 2
  • the gas-sensitive structure Sl is suitable for forming a capacity during operation. This capacitance of the gas-sensitive structure Sl is coupled to a gate Gl of a read-out sensor AI and the
  • Readout sensor AI is located in a substrate T1.
  • the gas-sensitive structure S 1 is in direct contact with the substrate T 1, the electrode E 2 being in direct contact with the substrate T 1.
  • the readout transistor AI may also be buried in a passivation layer PI.
  • the capacitance formed by the gas-sensitive structure S1 is coupled directly to the gate Gl of the readout transistor AI.
  • Figure 2 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining a semiconductor-based gas sensor assembly for detecting a gas and a corresponding manufacturing method according to a second
  • FIG. 2 shows the semiconductor-based gas sensor arrangement H 1 of FIG. 1 with the difference that the gas-sensitive structure S 1 of FIG. 1 is arranged on a membrane M 1 having an integrated heater M 2. Further, as shown in Fig. 2, in the substrate Tl and the
  • Passivianss slaughter PI formed in the gas sensitive structure a recess.
  • the recess is located below the gas-sensitive structure Sl and is in the substrate PI or the
  • the recess advantageously serves to ensure that heating of the membrane by the integrated heating element takes place particularly quickly due to the lowest possible thermal mass, since heat generated by the heating element does not have to be additionally dispensed into or onto the substrate. Further, the recess is formed such that the heat generated in operation by the integrated heater M2 of the membrane Ml can be dissipated quickly to the outside, and also a rapid cooling after completion of operation is possible.
  • the capacitance formed by the gas-sensitive structure S1 is coupled to the gate Gl of the readout transistor AI, the readout transistor AI being located completely in the substrate and arranged laterally to the recess in the substrate T1 or in the passivation layer PI.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung (H1) zum Detektieren eines Gases, welcheeine gassensitive Struktur (S1) umfassend eine Gaselektrode (E1), eine Elektrode (E2) und eine zwischen der Gaselektrode und der Elektrode (E1, E2) angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht (D1) aufweist, wobei eine durch die gassensitive Struktur (S1) gebildete Kapazität mit einem Gate (G1) eines Auslesetransistors (A1) gekoppelt ist und der Auslesetransistor (A1) in oder an einem Substrat (T1) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Halbleiterbasierte Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und entsprechendes Herstellungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Gassensoren finden vielfältige Anwendungen, wobei unterschiedlichste physikalische und chemische Messprinzipien ausgenutzt werden. In vielen Einsatzgebieten kommt es dabei zunehmend auf geringe Kosten, kleine
Baugröße und geringe Leistungsaufnahme an, wobei hohe Ansprüche an die Robustheit der Gassensoren gestellt werden. Vor diesem Hintergrund stellen halbleiterbasierte Bauelemente, insbesondere Gassensoren, eine wichtige Alternative zu beispielsweise elektrochemischen Zellen dar.
Aus der Literatur sind Feldeffekttransistoren (FET) mit chemosensitiven
Gatebereichen bekannt.
Aus der DE 19849932 AI, DE 19814857 AI, WO 2005/075969 AI, DE 4239319 C2 und DE 19849932 AI sind sogenannte Suspended Gate FET (SG-FET) bekannt. Diese betreffen Sensorkonzepte, die auf einer Gasabsorption basieren und damit verbundene Potential- bzw. beziehungsweise Austrittsarbeitsänderung im Gatebereich eines FETs. Jedoch können durch die unmittelbare räumliche Nähe von der dem Gas ausgesetzten Elektrode und dem relativ empfindlichen Feldeffekttransistor gravierende Signaldrifts auftreten. Gründe dafür können strukturelle Änderungen der verwendeten Materialien oder das Einbringen von Verunreinigungen sein. Dieses Problem umgeht man teilweise beim Suspended Gate- oder Charge Coupled-FET, indem man den zum Auslesen des Signals verwendeten FET unter einer Passivierung vergräbt und so räumlich vom Gas trennt. Allerdings wird durch einen verwendeten Luftspalt zwischen sensitiver Schicht und entsprechender Elektrode, eine sich ausbildende Kapazität eines entsprechenden Gatestapels relativ gering, wodurch die Gassignale
insbesondere stark abgeschwächt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases nach Anspruch 1 und ein entsprechendes
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11.
Durch die hier beschriebene halbleiterbasierte Gassensoranordnung kann insbesondere eine sehr hohe Sensitivität hinsichtlich einer Gasdetektion erreicht werden. Hierzu wird eine gassensitive Struktur umfassend eine Gaselektrode, eine Elektrode und eine zwischen der Gaselektrode und der Elektrode angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht eingesetzt, wobei eine durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität mit einem Gate eines Auslesetransistors gekoppelt ist und der Auslesesensor in oder an einem Substrat angeordnet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Transducer handeln, der durch die Verwendung geeigneter
Elektrodenmaterialien zur Detektion verschiedener Gase, insbesondere in sehr geringen Konzentrationen, ausgelegt werden kann.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass man mit einer in großen Stückzahlen produzierbaren halbleiterbasierten Gassensoranordnung mit hoher Sensitivität im niedrigen Konzentrationsbereich Gase in rauen Umgebungen detektieren kann. Dies wird insbesondere durch das„Vergraben" des empfindlichen
Auslesetransistors erreicht, so dass Kontaminationen und damit verbundene Signaldrifts vermieden werden. Eine besonders hohe Sensitivität wird durch das Verwenden von zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schichten, insbesondere Dünnschichten, in der gassensitiven Struktur erreicht. Diese können Permittivitäten aufweisen, die circa zwei Größenordnungen höher sind als übliche Gatematerialien aus der Halbleitertechnik wie S1O2 oder AI2O3, so dass die Gatekapazität um eben diesen Faktor zunimmt und die Auflösung steigt.
Darüber hinaus kann bei geeigneter Betriebsweise die Gasabhängigkeit der Kapazität der gassensitiven Struktur selbst ausgenutzt werden. Das heißt, das Gatedielektrikum, beispielsweise die polarisierbare dielektrische Schicht, wird nicht nur als passive Isolationsschicht, durch die das angelegte Feld zum
Kanalbereich hin durchgreift, sondern die sich feld- bzw. gasabhängig stark ändernde Permittivität wirkt sich zusätzlich auf den Kanalstrom aus.
Gegenüber dem im Stand der Technik beschriebenen Suspended Gate Konzept hat dies insbesondere den Vorteil, dass kein Luftspalt notwendig ist. Der Luftspalt hat zur Folge, dass die durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität, auch Gatekapazität bezeichnet, verringert und die Übertragung des Signals
absorbierter Gasspezies verschlechtert wird. Außerdem ist während des
Prozessierens keine aufwändige Flip-Chip-Montage nötig, so dass eine hohe Integrierbarkeh/Miniaturisierbarkeit des Sensors gewährleistet ist, da die Flip- Chip-Montage eine entsprechend große,„handbare" Chipgeometrie voraussetzt, so dass eine Miniaturisierung des halbleiterbasierten Gassensors nur
eingeschränkt möglich ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht des Weiteren, eine stabile Messung verschiedener Gase insbesondere im sehr niedrigen Konzentrationsbereich (ppt bis ppm). Die stabilen Messungen können insbesondere unter rauen
Umgebungsbedingungen (-50°C bis 800°C) durchgeführt werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, durch eine Kombination einer gassensitiven Struktur und einem Auslesetransistor sehr hohe Sensitivitäten zu erreichen. Die wird insbesondere durch die die gassensitive Struktur, die an das Gate des„vergrabenen" Auslesetransistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, gekoppelt ist, realisiert. Die Besonderheit der gassensitiven Struktur ist, dass darin die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht verwendet wird. Das heißt, eine Schicht, deren Impedanz bzw. Permittivität sich in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Feldes verändert. Beispielsweise für derartige Materialien sind zum Beispiel
Ferroelektrika, die in der Regel sehr hohe Permittivitäten aufweisen. Für den Einsatz bei hohen Temperaturen (vorzugsweise größer 250°C) kommen aber auch andere Dielektrika wie S1O2, S13N4 oder AI2O3 in Frage. In diesem Fall wird der Polarisationsmechanismus dann durch mobile Ionen innerhalb der Schichten bestimmt. Die Elektrodenmaterialien werden so gewählt, dass sich in
Abhängigkeit des zu detektierenden Gases eine Änderung des Potentials beziehungsweise der Austrittsarbeit einstellt. Dafür kommen Metalle (zum
Beispiel Platin (Pt), Gold (Au), Silber (Ag) oder Kupfer (Cu)), leitfähige Polymere bzw. organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken in Frage. Falls das sensitive Material selbst nicht leitfähig ist, kann es mit einer porösen oder anderweitig strukturierten Elektrode kombiniert werden.
Die durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität wird direkt an das Gate des Auslesetransistors gekoppelt. Dies hat gegenüber anderen Ausleseverfahren den Vorteil einer sehr hohen und rauscharmen Sensitivität durch die unmittelbare Verstärkung durch den Auslesetransistor und die äußerst kurze Zuleitung zwischen der Kapazität und verstärkendem Auslesetransistor. Dabei können verschiedene Betriebsmodi mit einer nachgeschalteten Auswerteschaltung zum Einsatz kommen. Zum Beispiel kann bei konstanter Gatespannung der Source- Drain-Strom des Auslesestransistors in Abhängigkeit der angelegten Atmosphäre ausgewertet werden. Umgekehrt kann die Gatespannung derart nachgeregelt werden, dass der Source-Drain-Strom konstant bleibt. In beiden Fällen können die angelegten Spannungen auch nur gepulst angelegt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Auslesetransistor unter einer Passivierungsschicht vergraben oder auf einer der gassensitiven Struktur abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Mit anderen Worten tritt in der hier beschriebenen halbleiterbasierten Gassensoranordnung der Auslesetransistor mit dem zu detektierenden Gas nicht in direkten Kontakt beziehungsweise die Kapazität der beschriebenen Struktur wird an das Gate eines Auslesetransistors gekoppelt, der selbst nicht dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt ist. Das heißt, der Auslesetransistor ist von dem zu detektierenden Gas isoliert. Hierdurch wird der Auslesesensor insbesondere vor Verunreinigungen geschützt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die durch die gassensitive Struktur gebildete Kapazität direkt an das Gate des Auslesetransistors gekoppelt. Hierbei kann die Sensitivität eines Auslesetransistors direkt von der Kapazität an dem Gate abhängig gemacht werden und hohe Kapazitäten bzw. gasabhängige Kapazitätsänderungen detektiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Auslesetransistor ein Feldeffekttransistor. Dies hat den Vorteil, dass besonders kleine
halbleiterbasierte Gassensoranordnungen realisierbar sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht Siliziumdioxid (S1O2),
Aluminiumdioxid (AI2O3), Hafniumoxid (HfCh), Tantaloxid (Ta20s), Zirkonoxid (ZrCh), Nitride, wie insbesondere Siliziumnitrid (S13N4), Bornitrid (BN), Carbide, wie insbesondere Siliziumcarbid (SiC), und Silizide, wie insbesondere
Wolframsilizid (WS12), Tantalsilizid (TaSi2) und ferroelektrische Materialien, wie beispielsweise Bariumtitanat (BaTiOs), Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrxTii-x)03) oder Barium-Strontium-Titanat (BaxSri-xTi03). Insbesondere in dieser Weiterbildung kann eine effektive elektrisch isolierende beziehungsweise polarisierbare dielektrische Schicht ausgebildet werden oder sein, welche ferner dazu geeignet ist, zumindest lokal begrenzt polarisierbar zu sein. Die vorgenannten Substanzen sind insbesondere ausreichend inert, so dass polarisierbare Spezies in diese einbringbar sind und ferner auch unter den Betriebsbedingungen der
gassensitiven Struktur ohne signifikante Wechselwirkungen nebeneinander vorliegen können. Somit bilden die Gaselektrode, die Elektrode und die zwischen der Gaselektrode und der Elektrode angeordnete zumindest teilweise
polarisierbare dielektrische Schicht eine Kapazitätsstruktur aus, welche als Basis für die erfindungsgemäße halbleiterbasierte Gassensoranordnung dienen kann.
Weiterhin kann die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht lokal polarisierbar sein. Das kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die gesamte polarisierbare dielektrische Schicht polarisierbar ist, oder dass die polarisierbare dielektrische Schicht auch nur lokal begrenzt polarisierbar ist und etwa parallel ausgerichtete beziehungsweise ausrichtbare Dipole aufweisen kann, bzw. dass in der Schicht zumindest räumlich begrenzt ein gewisses Maß an Polarität erzeugbar sein kann. Unter einer Polarisierbarkeit kann dabei grundsätzlich das Ausrichten elektrischer Ladungen beziehungsweise Dipole für eine Polarisierbarkeit auf atomarer bzw. molekularer Ebene verstanden werden. Dies führt zu einer spannungsabhängigen Permittivität der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Gaselektrode und die Elektrode Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Rhodium (Rh), Rhenium (Re), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Titan (Ti), Titannitrid (TiN),
Tantalnitrid (TaN), Kupfer (Cu) oder Legierungen aufweisend ein oder mehrere der vorgenannten Komponenten oder leitfähige Polymere und/oder organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken. Dabei kann die Gaselektrode beziehungsweise die Elektrode vollständig aus einem oder mehreren der vorgenannten Substanzen hergestellt sein oder derartige Substanzen nur teilweise aufweisen, etwa in Form von in einer Elektrodenstruktur angeordneten Partikeln.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Gaselektrode und die Elektrode mit porösen und/oder strukturierten weiteren Elektroden kombinierbar. Des
Weiteren kommen leitfähige Polymere und/oder organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken in Frage. Hierbei hat die Kombination den Vorteil, dass insbesondere Materialkosten eingespart werden können, falls das sensitive bzw. leitfähige Material selbst nicht leitfähig ist. Das heißt, dass nicht die gesamte Gaselektrode und/oder Elektrode ein kostenintensives Material aufweisen muss.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die gassensitive Struktur auf einer Membran mit oder ohne integrierten Heizer angeordnet. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine schnelle Ansprechzeit und/oder geringe
Leistungsaufnahme gewährleistet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Elektrode eine
I nterd igitalstru ktu r auf. Die Interdigitalstruktur kann das Prozessieren
vereinfachen und macht ein Aufbringen einer nicht-leitfähigen, gassensitiven Gaselektrode, auf die dem Gas zugewandte freie Seite des Dielektrikums, also der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht, möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die halbleiterbasierte Gassensoranordnung in einem Gatespannungsbereich derart betreibbar, dass Dipole in der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht beweglich sind, das heißt sich eine Permittivität durch absorbierte Gase verändern kann. Um diese Änderung dann auslesen zu können, muss neben einem DC-Bias ein zum Beispiel sinusförmig modulierter Spannungsanteil an das Gate angelegt werden. Dieser kann eine konstante oder variable Frequenz haben. Um den hier beschriebenen Fall beweglicher Dipole zu erreichen, kann insbesondere das statische elektrische Feld in der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht verschwinden, das heißt man arbeitet unter Umständen mit sehr geringen Gatespannungen. In diesem Fall kann dann die Verwendung von so genannten normally-on-Transistor-Architekturen von Vorteil sein, damit auch bei diesen Gatespannungen schon hinreichend große
Kanalströme realisierbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Figur 1 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 bezeichnet Bezugszeichen Hl eine halbleiterbasierte
Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases. Die halbleiterbasierte Gassensoranordnung Hl weist eine gassensitive Struktur Sl umfassend eine Gaselektrode El, eine Elektrode E2 und eine zwischen der Gaselektrode El und der Elektrode E2 angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren
dielektrischen Schicht Dl auf. Die gassensitive Struktur Sl ist dazu geeignet, im Betrieb eine Kapazität auszubilden. Diese Kapazität der gassensitiven Struktur Sl ist mit einem Gate Gl eines Auslesesensors AI gekoppelt und der
Auslesesensor AI befindet sich in einem Substrat Tl.
Wie in der Figur 1 gezeigt, ist im Gegensatz zum Suspended Gate- Konzept kein Luftspalt notwendig, der die Gatekapazität verringert und die Übertragung des Signals aus der gassensitiven Struktur verschlechtert. Wie in der Figur 1 gezeigt, steht die gassensitive Struktur Sl mit dem Substrat Tl in direktem Kontakt, wobei die Elektrode E2 mit dem Substrat Tl in direktem Kontakt steht. Alternativ kann der Auslesetransistor AI auch in einer Passivierungsschicht PI vergraben sein.
In der Figur 1 ist die durch die gassensitive Struktur Sl gebildete Kapazität direkt an das Gate Gl des Auslesetransistors AI gekoppelt.
Figur 2 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer halbleiterbasierten Gassensoranordnung zum Detektieren eines Gases und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Figur 2 zeigt die halbleiterbasierte Gassensoranordnung Hl der Figur 1 mit dem Unterschied, dass die gassensitive Struktur Sl der Figur 1 auf einer Membran Ml mit einem integrierten Heizer M2 angeordnet ist. Ferner ist, wie in der Figur 2 gezeigt, in dem Substrat Tl beziehungsweise der
Passivierungsschicht PI im Bereich der gassensitiven Struktur eine Ausnehmung ausgebildet. Die Ausnehmung befindet sich hierbei unterhalb der gassensitiven Struktur Sl und ist in dem Substrat PI beziehungsweise der
Passivierungsschicht PI ausgebildet. Die Ausnehmung dient vorteilhafter Weise dazu, dass ein Aufheizen der Membran durch das integrierte Heizelement aufgrund einer möglichst geringen thermischen Masse besonderes schnell erfolgt, da eine durch das Heizelement erzeugte Wärme nicht zusätzlich in oder an das Substrat abgegeben werden muss. Ferner ist die Ausnehmung derart ausgebildet, dass die im Betrieb erzeugte Wärme durch den integrierten Heizer M2 der Membran Ml schnell nach außen abgeführt werden kann, und auch ein schnelles Abkühlen nach Beendigung des Betriebs möglich ist.
In der Figur 2 ist die durch die gassensitive Struktur Sl gebildete Kapazität mit dem Gate Gl des Auslesetransistors AI gekoppelt, wobei der Auslesetransistor AI sich vollständig in dem Substrat befindet und seitlich zu der Ausnehmung in dem Substrat Tl beziehungsweise in der Passivierungsschicht PI angeordnet ist.
Wie in der Figur 1 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist wie bereits oben beschrieben kein Luftspalt ausgebildet.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) zum Detektieren eines Gases, welche aufweist: eine gassensitive Struktur (Sl) umfassend eine Gaselektrode (El), eine Elektrode (E2) und eine zwischen der Gaselektrode und der Elektrode (El, E2) angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht (Dl); wobei eine durch die gassensitive Struktur (Sl) gebildete Kapazität mit einem Gate (Gl) eines Auslesetransistors (AI) gekoppelt ist; und wobei der Auslesetransistor (AI) in oder an einem Substrat (Tl) angeordnet ist.
2. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach Anspruch 1, wobei der Auslesetransistor (AI) unter einer Passivierungsschicht (PI) vergraben oder auf einer der gassensitiven Struktur (Sl) abgewandten Seite des Substrats (Tl) angeordnet ist.
3. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach Anspruch 1, wobei die durch die gassensitiven Struktur (Sl) gebildete Kapazität direkt an das Gate (Gl) des Auslesetransistors (AI) gekoppelt ist.
4. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auslesetransistor (AI) ein
Feldeffekttransistor ist.
5. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest teilweise polarisierbare dielektrische Schicht (Dl) Siliziumdioxid (S1O2), Aluminiumdioxid (AI2O3), Hafniumoxid (HfCh), Tantaloxid (Ta20s), Zirkonoxid (ZrCh), Nitride, wie insbesondere Siliziumnitrid (S13N4), Bornitrid (BN), Carbide, wie insbesondere Siliziumcarbid (SiC), und Silizide, wie insbesondere Wolframsiliziud (WS12), Tantalsilizid (TaSi2) und ferroelektrische Materialien, wie beispielsweise Bariumtitanat (BaTiOs), Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrxTii-x)03) oder Barium- Strontium-Titanat (BaxSri-xTi03) umfasst.
6. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaselektrode und die Elektrode (El, E2) Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag), Rhodium (Rh), Rhenium (Re), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Kupfer (Cu) oder Legierungen aufweisend ein oder mehrere der vorgenannten Komponenten oder leitfähige Polymere und/oder organische Substanzen sowie leitfähige Keramiken umfasst.
7. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaselektrode und die Elektrode (El, E2) mit porösen und/oder strukturierten weiteren Elektroden kombinierbar sind.
8. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Struktur (Sl) auf einer Membran (Ml) mit oder ohne integrierten Heizer (M2) angeordnet ist.
9. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (E2) eine
Interdigitalstruktur aufweist.
10. Halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die halbleiterbasierte
Gassensoranordnung (Hl) in einem Gatespannungsbereich derart betreibbar ist, dass Dipole in der zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht (Dl) beweglich sind .
11. Herstellungsverfahren für eine halbleiterbasierte Gassensoranordnung (Hl) zum Detektieren eines Gases nach Anspruch 1 mit den Schritten:
Bereitstellen einer gassensitiven Struktur (Sl) mit einer Gaselektrode (El), einer Elektrode (E2) und eine zwischen der Gaselektrode und der Elektrode (El, E2) angeordneten zumindest teilweise polarisierbaren dielektrischen Schicht (Dl); Koppeln einer durch die gassensitiven Struktur (Sl) gebildeten Kapazität an ein Gate (Gl) eines Auslesetransistors (AI); und
Anordnen des Auslesetransistors (AI) in oder an einem Substrat (Tl).
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