DE10136005C1 - Halbleiter-Temperatursensor vom Ausbreitungswiderstands-Typ - Google Patents

Abstract

Ein Halbleiter-Temperatursensor vom Ausbreitungswiderstands-Typ umfaßt eine Halbleiterschicht (4) mit einer ersten Oberfläche (2), eine erste Elektrode (6a), die eine erste für den Widerstandswert des Halbleiter-Temperatursensors maßgebliche Abmessung aufweist, und eine zweite Elektrode (10a), die eine zweite für den Widerstandswert des Halbleiter-Temperatursensors im wesentlichen unmaßgebliche Abmessung aufweist, wobei der kleinste Abstand zwischen der ersten Elektrode (6a) und der zweiten Elektrode (10a) größer als die erste Abmessung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter- Temperatursensor vom Ausbreitungswiderstands-Typ und insbe­ sondere auf einen Halbleiter-Temperatursensor vom Ausbrei­ tungswiderstands-Typ mit zwei nebeneinander an einer Oberflä­ che angeordneten Anschlußelektroden.

Si-Temperatursensoren nach dem Spreading-Resistance-Prinzip (Ausbreitungswiderstands-Prinzip) sind seit ca. 20 Jahren auf dem Markt. Bei diesem Prinzip wird der spezifische Widerstand des Halbleitermaterials gemessen, der stark temperaturabhän­ gig ist. Ihr Vorteil ist die kostengünstige Herstellbarkeit und die im Vergleich zu Metallfilmsensoren wesentlich höhere Empfindlichkeit bei gleichzeitig ähnlich guter Reproduzier­ barkeit der Kennlinie. Diese Sensoren sind in zwei Ausführun­ gen bekannt, die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Einlochsensor weist an einer er­ sten Oberfläche 2 einer Halbleiterschicht 4 eine erste Elek­ trode 6a in der Halbleiterschicht 4 mit einer ersten An­ schlußelektrode 6b auf der ersten Oberfläche 2 und an einer zweiten, der ersten Oberfläche 2 gegenüberliegenden Oberflä­ che 8 eine zweite Elektrode 10a in der Halbleiterschicht 4 mit einer zweiten Anschlußelektrode 10b auf der zweiten Ober­ fläche 8 auf. Die Elektroden 6a, 10a sind hochdotierte Ge­ biete in der Halbleiterschicht 4, die beispielsweise eine Do­ tierungsdichte von 10²⁰/cm³ aufweisen, im Vergleich zu einer Dotierungsdichte von ca. 5.10¹⁴/cm³ im übrigen Bereich der Halbleiterschicht 4, dem Widerstandsgebiet. Während die zwei­ te Elektrode 10a großflächig ausgebildet ist, ist die erste Elektrode 6a relativ kleinflächig ausgebildet, d. h. gerade so groß, wie es das Spreading-Resistance-Prinzip zur Ausbil­ dung eines bestimmten Widerstandes erfordert. Eine die erste Anschlußelektrode 6b bildende Metallschicht steht, wie in Fig. 1 gezeigt, nur durch ein kleines Loch (Spreadingloch bzw. Kontaktloch) in einer elektrisch isolierenden Oxid- oder Nitrid-Schicht 12 mit der Halbleiterschicht 4 in Kontakt. Durch diese gängige Verwendung eines kleinen Kontaktloches bzw. einer kleinen ersten Elektrode 6a an der ersten Oberflä­ che 2 eines Sensorchips bzw. der Halbleiterschicht 4 und ei­ ner großflächigen Kontaktierung bzw. zweiten Elektrode 10a an der zweiten Oberfläche 8 der Halbleiterschicht 4 bildet sich zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a eine Stromdichteverteilung aus, die nahe der ersten Elek­ trode 6a näherungsweise die Symmetrie einer Halbkugel auf­ weist. In dieser Näherung ist der Widerstand R zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a

wobei ρ der stark temperaturabhängige spezifische Widerstand des Halbleitermaterials ist, r₀ der Ersatzradius der ersten Elektrode 6a (dieser wird durch die Größe des Kontaktloches an der ersten Oberfläche 2 bestimmt) ist und r₁ der Ersatzra­ dius der zweiten Elektrode 10a (dieser wird maßgeblich durch die Dicke der Halbleiterschicht 4 bestimmt) ist.

Fig. 2 zeigt den auf dem Markt besser bekannten Zweilochsen­ sor, der zwei gegeneinander geschaltete Spreading-Widerstände aufweist. Der Zweilochsensor weist neben der ersten Elektrode 6a an der ersten Oberfläche 2 der Halbleiterschicht 4 und der zweiten Elektrode 10a an der zweiten Oberfläche 8 der Halb­ leiterschicht 4 eine dritte Elektrode 14a mit einer dritten Anschlußelektrode 14b an der ersten Oberfläche 2 der Halblei­ terschicht 4 auf. Die erste Elektrode 6a und die dritte Elek­ trode 14a weisen in lateraler Richtung einen Abstand auf, der im Bereich der Dicke der Halbleiterschicht 4 ist. Größe­ re/kleinere Abstände erhöhen/reduzieren den Sensorwiderstand nur geringfügig. Die dadurch bewirkten Änderungen können leicht durch eine Erhöhung/Verkleinerung des Spreading- Kontaktes kompensiert werden. Am Zweilochsensor wird der elektrische Widerstand zwischen der ersten Elektrode 6a und der dritten Elektrode 14a gemessen.

Einloch- und Zweilochsensoren, wie sie anhand der Fig. 1 und 2 dargestellt wurden, sind auch in der DE 29 44 015 C2 und in dem Artikel "Mikroelektronischer Spreading-Widerstand- Temperatursensor" von M. Beitner und G. Tomasi (Siemens-For­ schungs- und Entwicklungsberichte, Band 10 (1981) Nr. 2, Springer-Verlag 1981, Seiten 65-71) beschrieben.

Ein Vorteil des Einlochsensors ist die bei geeigneter Polung (erste Elektrode 6a positiv vorgespannt) mögliche Anwendung bei Temperaturen bis zu 350°C. Bei dieser Polung wird der Ef­ fekt der Eigenleitung unterdrückt. Die physikalische Erklä­ rung dafür wurde auf der NTG-Fachtagung in Bad Nauheim, 9. bis 11. März 1982, von Herrn Raab vorgetragen. Da der Sensor unipolar, d. h. mit definierter Stromrichtung betrieben wer­ den muß, muß er als Produkt wie eine Diode mit zwei verschie­ denen Anschlüssen spezifiziert werden.

Ein Vorteil des Zweilochsensors ist die polungsunabhängige Verwendbarkeit. Da der Widerstandswert des Sensors aufgrund der Symmetrie von der Stromrichtung unabhängig ist, kann er wie ein Ohmscher Widerstand spezifiziert und eingesetzt wer­ den. Nachteilig ist allerdings, daß er nur bis maximal ca. 150°C eingesetzt werden kann, da aufgrund der Eigenleitung des Halbleitermaterials die Kennlinie bei ca. 170°C abknickt und bei Temperaturen ab 200°C sogar zweideutige Ergebnisse auftreten können.

Während alle Zweiloch-Sensoren vom Prinzip her beide Elektro­ den 6a, 14a und damit auch beide Anschlußelektroden 6b, 14b nebeneinander an einer Seite, der Chipoberseite aufweisen, werden alle bekannten hochtemperaturfähigen Einlochsensoren zwischen einer ersten Elektrode 6a an einer ersten Oberfläche und einer zweiten Elektrode 10 an einer gegenüberliegenden Oberfläche betrieben. Besteht nun Bedarf einen Einlochsensor für die Messung der Temperatur eines Bauelementes zu nutzen, so muß die nötige Kontaktierung des auf der Chiprückseite be­ findlichen Widerstandskontaktes durch ein elektrisch leitfä­ higes Element (z. B. eine Kupferfahne) von der schwer zugäng­ lichen Rückseite zu einem besser zugänglichen Bereich verlegt werden. Gerade für all jene Applikationen, wo ein separates Temperaturmeßelement elektrisch isoliert auf das zu messende Element (z. B. mittels einer Klebung) aufgebracht wird, er­ fordert dies das Einbringen eines elektrisch leitfähigen Ele­ mentes zwischen der Chiprückseite und der Klebung, das kraft- und formschlüssig mit der Chiprückseite verbunden sein sollte und den Chiprückseitenkontakt bzw. die zweite Anschlußelek­ trode 10b für eine günstigere Kontaktierung bis zu einem leichter zugänglichen Ort verlängert. Dies hat in der Regel einen erheblichen Verarbeitungstechnischen und technologi­ schen Mehraufwand zur Folge, bildet zusätzliche Fehlerquellen und kann die thermische Anbindung des Sensors an das zu mes­ sende Element verschlechtern. Diese Nachteile bzw. Probleme verschärfen sich weiter, wenn der Sensor gleichzeitig poten­ tialfrei bzw. elektrisch isoliert an dem Bauelement ange­ bracht werden soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen einfacheren bzw. einfacher aufgebauten Halbleiter-Temperatur­ sensor vom Ausbreitungswiderstands-Typ zu schaffen, der die elektrischen Eigenschaften des bekannten Einlochsensors auf­ weist.

Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiter-Temperatursensor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Halbleiter-Temperatursensor vom Ausbreitungswiderstands- Typ umfaßt eine Halbleiterschicht mit einer ersten Oberflä­ che, eine erste Elektrode, die eine erste, für den Wider­ standswert des Halbleiter-Temperatursensors maßgebliche Ab­ messung aufweist, und eine zweite Elektrode, die eine zweite für den Widerstandswert des Halbleiter-Temperatursensors im wesentlichen unmaßgebliche Abmessung aufweist, wobei der kleinste Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zwei­ ten Elektrode größer als die erste Abmessung ist.

Vorzugsweise ist die zweite Elektrode größer oder erheblich größer als die erste Elektrode. Gemäß einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel ist die erste Elektrode kreisförmig und die zweite Elektrode umschließt die erste Elektrode lateral im wesentlichen. Die zweite Elektrode bzw. der der ersten Elek­ trode zugewandte Rand der zweiten Elektrode kann im wesentli­ chen kreisförmig und konzentrisch zur ersten Elektrode sein oder die erste Elektrode im wesentlichen rechteckförmig um­ schließen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, den Halbleiter-Temperatursensor unempfindlich gegenüber elektrischen Potentialen in angrenzenden Bauelementen auszu­ gestalten.

Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiter-Temperatursensor mit den oben genannten Merkmalen gelöst, bei dem die Halblei­ terschicht einen ersten Teilbereich, in dem die erste Elek­ trode und die zweite Elektrode angeordnet sind und einen zweiten Teilbereich aufweist, wobei zwischen dem ersten Teil­ bereich und dem zweiten Teilbereich eine elektrisch isolie­ rende Schicht, beispielsweise eine Oxid- oder Nitridschicht, oder ein pn-Übergang als Sperrschicht angeordnet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Halbleiter-Temperatursensor mit elektrischen Eigenschaf­ ten, die denen des Einlochsensors ähnlich sind, eine zweite Elektrode aufweisen kann, die nicht an der der ersten Elek­ trode gegenüber liegenden Seite der Halbleiterschicht ange­ ordnet ist.

Entsprechend kann die zweite Elektrode an der Chipoberseite bzw. der gleichen Oberfläche, an der die erste Elektrode an­ geordnet ist, angeordnet sein, wobei die zweite Elektrode vorzugsweise einen Mindestabstand zu der ersten Elektrode hat, der größer als eine für den Widerstandswert des Halblei­ ter-Temperatursensors maßgebliche Abmessung ist, wobei die zweite Elektrode eine erheblich größere Fläche aufweist als die erste Elektrode, und wobei die zweite Elektrode eine weitgehend beliebige Form aufweisen kann. Die für den Wider­ stand des Halbleiter-Temperatursensors maßgebliche Abmessung ist beispielsweise im Fall einer kreisförmigen ersten Elek­ trode deren Durchmesser, im Fall einer ersten Elektrode in Form eines schmalen und langen Rechtecks deren Breite. Denk­ bare laterale Formen der zweiten Elektrode sind z. B. ein konzentrisch zur ersten Elektrode verlaufenden Ring, ein die erste Elektrode umgebendes Rechteck oder eine beliebige, ne­ ben der ersten Elektrode angeordnete Fläche. Durch diese Ver­ legung der zweiten Elektrode von der Chiprückseite an die Oberfläche, an der die erste Elektrode angeordnet ist, wird die Kontaktierung des Halbleiter-Temperatursensors erheblich erleichtert. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen der Sen­ sor als separates Bauelemente beispielsweise mittels einer Klebung an dem Bauelement angebracht wird, dessen Temperatur gemessen werden soll, bedeutet dies eine wesentlich einfache­ re Kontaktierung beider Elektroden. Ferner ergeben sich neue Einsatzfelder für den Halbleiter-Temperatursensor gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann er als On-Chip- Halbleitermeßelement in einer durch Dotierung hergestellten isolierenden Wanne verwendet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Halblei­ ter-Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands- Typ gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Halbleiter-Temperatursensors vom Ausbreitungswider­ stands-Typ gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispieles eines Halbleiter- Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des Ausfüh­ rungsbeispieles aus Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispieles der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung des Ausfüh­ rungsbeispieles aus Fig. 7.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Halbleiter- Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Dabei ist Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schnittes B-B in Fig. 4 und Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Schnittes A-A in Fig. 3. An einer ersten Oberfläche 2 ei­ ner Halbleiterschicht 4 sind eine erste Elektrode 6a und eine zweite Elektrode 10a in der Halbleiterschicht 4 angeordnet. Die Elektroden 6a, 10a sind hochdotierte Gebiete in der Halb­ leiterschicht 4, die beispielsweise eine Dotierungsdichte von 10²⁰/cm³ aufweisen. Im Vergleich dazu weist die Halbleiter­ schicht 4 im Widerstandsgebiet außerhalb der Elektroden 6a, 10a eine Dotierungsdichte von 7.10¹⁴/cm³ auf. An die erste Elektrode 6a grenzt eine erste Anschlußelektrode 6b an, und an die zweite Elektrode 10a grenzt eine zweite Anschlußelek­ trode 10b an, so daß jeweils ein elektrisch leitfähiger Kon­ takt zwischen der ersten Elektrode 6a und der ersten An­ schlußelektrode 6b sowie zwischen der zweiten Elektrode 10a und der zweiten Anschlußelektrode 10b besteht. Die beiden An­ schlußelektroden 6b, 10b weisen jeweils eine Metallisierung bzw. eine Metallschicht auf, die im wesentlichen auf der Oberfläche 2 der Halbleiterschicht 4 angeordnet sind. In la­ teraler Richtung sind die erste Elektrode 6a kreisförmig und die zweite Elektrode 10a kreisringförmig, wobei beide Elek­ troden 6a, 10a konzentrisch angeordnet sind. Der Radius der ersten Elektrode 6a ist relativ klein gewählt, d. h. gerade so groß, wie es das Spreading-Resistance-Prinzip zur Ausbil­ dung eines bestimmten Widerstandes erfordert, und der Innen­ radius der zweiten Elektrode 10a ist so gewählt, daß der Ab­ stand d zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a, d. h. die Differenz des Innenradius der zwei­ ten Elektrode 10a und des Radius der ersten Elektrode 6a grö­ ßer ist als der Radius der ersten Elektrode 6a. Beispielswei­ se weisen die erste Elektrode 6a einen Durchmesser von ca. 25 µm und die zweite Elektrode einen Innenradius von ca. 150 µm auf. Die Halbleiterschicht 4 umfaßt einen ersten Teilbereich 4a, an dem die erste Elektrode 6a und die zweite Elektrode 10a angeordnet sind, und einen zweiten Teilbereich 4b. Zwi­ schen dem ersten Teilbereich 4a und dem zweiten Teilbereich 4b der Halbleiterschicht 4 ist eine elektrisch isolierende Schicht 16 angeordnet, die den ersten Teilbereich 4a in der Form einer Wanne elektrisch vollständig von dem zweiten Teil­ bereich 4b isoliert.

Die im Verhältnis zum Abstand d zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a kleine laterale Ausdehnung der ersten Elektrode 6a erzeugt eine ausgeprägt inhomogene Stromdichteverteilung in dem ersten Teilbereich 4a der Halb­ leiterschicht 4 in der Nähe der ersten Elektrode 6a. In un­ mittelbarer Umgebung der ersten Elektrode 6a liegt ähnlich den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Halbleiter-Temperatur­ sensoren vom Ausbreitungswiderstands-Typ gemäß dem Stand der Technik eine näherungsweise kugelsymmetrische Stromdichtever­ teilung vor. Es folgt eine Abhängigkeit des elektrischen Wi­ derstandes R vom spezifischen Widerstand ρ des Halbleiterma­ terials, dem Radius bzw. Ersatzradius r₀ der ersten Elektrode 6a und dem Ersatzradius r₁ der zweiten Elektrode 10a ähnlich der oben angegebenen Formel, wobei aber der Ersatzradius r₁ der zweiten Elektrode 10a eine kompliziertere Funktion der Geometrie des Halbleiter-Temperatursensors ist und nicht mehr einfach als der Abstand d zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a oder der Innenradius der zwei­ ten Elektrode 10a interpretiert werden kann.

Aus der ausgeprägt inhomogenen, nahe der ersten Elektrode 6a näherungsweise kugelsymmetrischen Stromdichteverteilung in dem ersten Teilbereich 4a der Halbleiterschicht 4 folgt eine Funktionsweise des in den Fig. 3 und 4 dargestellten Halbleiter-Temperatursensors, die der des in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Halbleiter-Temperatur­ sensors entspricht bzw. ähnlich ist. Zur Messung einer Tempe­ ratur des Halbleiter-Temperatursensors wird der elektrische Widerstand zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a gemessen, wobei die erste Elektrode 6a ein po­ sitiveres Potential aufweist als die zweite Elektrode 10a. Bei dieser Polung ist es z. B. bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial möglich, Temperaturen bis über 300°C zu messen. Bei noch höheren Temperaturen ändert sich das Ver­ halten des Halbleiter-Temperatursensors aufgrund der Eigen­ leitung von PTC- zu NTC-Verhalten.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Einlochsensoren, welche prin­ zipbedingt den gleichen Temperatur-Einsatzbereich aufweisen, sind bei dem Halbleiter-Temperatursensor gemäß der vorliegen­ den Erfindung sowohl die erste Elektrode 6a als auch die zweite Elektrode 10a an ein und derselben Oberfläche der Halbleiterschicht 4, d. h. lateral nebeneinander angeordnet.

Daraus resultieren erhebliche Vorteile bei der Herstellung sowie bei der Kontaktierung bzw. elektrischen Beschaltung des Sensors. Im Gegensatz zu dem bekannten Zweilochsensor wird dieser Vorteil bei dem Halbleiter-Temperatursensor gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch nicht durch einen eingeschränk­ ten Temperatur-Einsatzbereich erkauft.

Die elektrisch isolierende Schicht 16 des dargestellten Aus­ führungsbeispieles des Halbleiter-Temperatursensors gemäß der vorliegenden Erfindung begründet eine besondere Eignung des Sensors für Anwendungen, bei denen der Sensor in unmittelba­ rem mechanischem Kontakt zu anderen elektrischen oder elek­ tronischen Bauelementen steht. Der Halbleiter-Temperatur­ sensor gemäß dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel kann aufgrund der elektrisch isolierenden Schicht 16 völlig unabhängig von elektrischen Potentialen der anderen Bauelemente betrieben werden. Die vorliegende Erfin­ dung erleichtert somit die Verwendung eines Halbleiter-Tempe­ ratursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ für Temperatur­ messungen für all jene Anwendungen, bei denen durch den phy­ sikalischen Aufbau des Sensors auf dem zu messenden Element bzw. in dem zu messenden Element eine Kontaktierung der Rück­ seite unmöglich oder ungünstig ist. Beispiele hierfür sind grundsätzlich alle jene Temperaturmessungen, bei denen die Forderung nach Potentialtrennung der Sensorrückseite von dem zu messenden Element besteht (dies ist z. B. der Fall, wenn der Sensor als separater Chip elektrisch isoliert, jedoch thermisch gut gekoppelt an dem zu messenden Objekt angebracht werden soll), oder bei denen beide Sensorkontakte zur Ver­ schaltung auf die Chipoberfläche zurückgeführt sein müssen (dies ist z. B. der Fall, wenn sich der Sensor monolithisch integriert als Schaltungskomponente auf dem zu messenden Halbleiterchip befindet und über eine auf oder außerhalb des Chips befindliche Logik ausgewertet wird). Insbesondere kann also der Sensor, wenn er als Einzelbauelement ausgeführt ist, ohne weiteres an einem anderen Bauelement angebracht werden, ohne daß auf eine elektrische Isolation zwischen dem Sensor und dem anderen Bauelement geachtet werden muß. Besonders vorteilhaft ist die elektrische isolierende Schicht 16 auch dann, wenn der Halbleiter-Temperatursensor einstückig mit an­ deren elektronischen Bauelementen, die an oder in derselben Halbleiterschicht 4 angeordnet sind, ausgeführt wird (On- Chip-Sensor).

Die elektrisch isolierende Schicht 16 kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, beispielsweise durch einen in Sperr­ richtung vorgespannten pn-Übergang, durch ein Dotierungsprofil, durch Implantation von Sauerstoff oder auch durch eine bereits bei der Herstellung der Halbleiterschicht 4 gewachsene isolierende Schicht, wobei die Seitenwände, d. h. die Abschnitte der elektrisch isolierenden Schicht 16, welche den ersten Teilbereich 4a in lateraler Richtung be­ grenzen, durch Ätzen von Gräben oder andere Maßnahmen bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten erzeugt werden. Die geo­ metrische Form der elektrisch isolierenden Schicht 16 hat ge­ ringen Einfluß auf die Funktion des Halbleiter-Temperatur­ sensors und kann weitgehend frei gewählt bzw. anderen Erfor­ dernissen angepaßt werden, die beispielsweise aus Art, Funk­ tion und Anordnung benachbarter Bauelemente resultieren kön­ nen, sofern die erste Elektrode 6a und die zweite Elektrode 10a vollständig an dem durch die elektrisch isolierende Schicht 16 definierten ersten Teilbereich 4a der Halbleiter­ schicht 4 angeordnet sind und der erste Teilbereich 4a durch die Schicht 16 von dem zweiten Teilbereich 4b elektrisch iso­ liert ist. Dabei ist die durch die geometrische Form der elektrisch isolierenden Schicht 16 bestimmte Dicke des ersten Teilbereiches 4a der Halbleiterschicht 4 vorzugsweise zumin­ dest so groß gewählt, daß die näherungsweise kugelsymmetri­ sche Stromdichteverteilung nahe der ersten Elektrode 6a nicht beeinträchtigt wird.

Unter Umständen kann auf die elektrisch isolierende Schicht 16 teilweise oder vollständig verzichtet werden, beispiels­ weise wenn der Halbleiter-Temperatursensor das einzige elek­ trische oder elektronische Bauelement an und in der Halblei­ terschicht 4 darstellt, oder wenn andere Bauelemente selbst eine elektrische Isolation aufweisen oder so weit beabstandet sind, daß eine elektrische Wechselwirkung zwischen ihnen und dem Temperatursensor vernachlässigbar ist.

Die erste Anschlußelektrode 6b und die zweite Anschlußelektrode 10b können ein oder mehrere Metalle oder ein anderes Material mit elektrischer Leitfähigkeit aufwei­ sen. Die erste Oberfläche 2 der Halbleiterschicht 4 kann, ähnlich wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, teilweise durch eine isolierende Schicht 12, beispielsweise Nitrid oder Oxid, bedeckt sein, wobei die erste Anschlußelektrode 6b mit der ersten Elektrode 6a und die zweite Anschlußelektrode 10b mit der zweiten Elektrode 10a durch entsprechend geformte Aussparungen in der isolierenden Schicht 12 in elektrischem Kontakt stehen. Die erste Elektrode 6a und die zweite Elek­ trode 10a können ferner abweichend von der schematischen Dar­ stellung in Fig. 3 in lateraler Richtung verschiedene Formen aufweisen. Zwei Beispiele sind in den Fig. 5 und 6 darge­ stellt, in denen auf eine Darstellung der optionalen elek­ trisch isolierenden Schicht 16 verzichtet wurde.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halblei­ ter-Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung, das sich von dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die laterale Form der zweiten Elektrode 10a unterscheidet. Die zweite Elektrode 10a umgibt die erste Elektrode 6a in lateraler Richtung vollständig, wobei der der ersten Elektrode 6a zuge­ wandte Rand der zweiten Elektrode 10a die Form eines Kreises aufweist, der konzentrisch zu der ebenfalls kreisförmigen er­ sten Elektrode 6a angeordnet ist. Ähnlich wie Fig. 3 kann auch Fig. 5 als schematische Darstellung eines Ausschnittes der Oberfläche 2 einer lateral weiter ausgedehnten Halblei­ terschicht 4, die beispielsweise weitere Bauelemente aufwei­ sen kann, oder als in Hinsicht auf die laterale Ausdehnung vollständige schematische Darstellung eines Einzelbauelement- Halbleiter-Temperatursensors verstanden werden. Die zweite Elektrode 10a erstreckt sich entsprechend bis zum Rand des dargestellten Ausschnittes der ersten Oberfläche 2 der Halb­ leiterschicht 4 oder darüber hinaus bzw. bis zum Rand der er­ sten Oberfläche 2 der Halbleiterschicht 4.

Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht eines weiteren Aus­ führungsbeispieles eines Halbleiter-Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung, das sich von den in den Fig. 3 und 4 bzw. 5 dargestellten Ausführungsbeispielen durch die laterale Ausdehnung der zwei­ ten Elektrode 10a unterscheidet. Die zweite Elektrode 10a um­ gibt die erste Elektrode 6a in lateraler Richtung vollstän­ dig, wobei ein der ersten Elektrode 6a zugewandter Rand der zweiten Elektrode 10a die Form eines Rechtecks, insbesondere eines Quadrats aufweist.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine schematische Draufsicht bzw. ei­ ne schematische Schnittdarstellung eines weiteren, bevorzug­ ten Ausführungsbeispieles eines Halbleiter-Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ gemäß der vorliegenden Erfin­ dung. In Fig. 7 sind lediglich die erste Elektrode 6a, die erste Anschlußelektrode 6b, die zweite Elektrode 10a und die zweite Anschlußelektrode 10b dargestellt. Die zweite Elektro­ de 10a erstreckt sich lateral unter einem großen Teil der er­ sten Oberfläche 2 der Halbleiterschicht 4 des Temperatursen­ sors. Sie weist einen kreisförmigen Ausschnitt 18 auf, zu dem konzentrisch die kreisförmige erste Elektrode 6a unter der ersten Oberfläche 2 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 10a wird teilweise von der zweiten Anschlußelektrode 10b über­ deckt. Die erste Elektrode 6a wird vollständig von einer er­ sten Anschlußelektrode 6b überdeckt. Die erste Anschlußelek­ trode 6b erstreckt sich ferner über einen Bereich 20 der zweiten Elektrode 10a und einen Ausschnitt 22 der zweiten Elektrode 10a. In Fig. 7 nicht dargestellte isolierende Oxid- und Nitrid-Schichten isolieren die Anschlußelektroden 6b, 10b von der Halbleiterschicht 4 und die erste Anschlußelektrode 6b von der zweiten Elektrode 10a, wie es nachfolgend anhand der in Fig. 8 gezeigten schematischen Darstellung eines Schnitts entlang der Linie C-C in Fig. 7 erläutert wird.

Anhand des in Fig. 8 dargestellten vertikalen Schnitts durch das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors gemäß der Erfindung wird gleichzeitig seine Her­ stellung beschrieben. Die Halbleiterschicht 4 weist homogen mit einer Konzentration von ca. 7 × 10¹⁴ cm^-3 n-dotiertes Silizium auf. An der ersten Oberfläche 2 der Halbleiter­ schicht 4 wird zunächst mittels eines Maskenprozesses eine Oxidmaske 24 mit einer Dicke von ca. 1 µm erzeugt, deren la­ terale Ausdehnung den in Fig. 7 zu erkennenden Ausschnitten 18 und 22 der späteren zweiten Elektrode 10a entspricht, und die ferner am Ort der späteren ersten Elektrode 6a einen kreisförmigen Ausschnitt aufweist. In einem folgenden Prozeß­ schritt wird in den nicht von der Oxidmaske 24 bedeckten Be­ reichen der ersten Oberfläche 2 der Halbleiterschicht 4 eine n-Dotierung mit einer Dichte von ca. 1,0 × 10²⁰ cm^-3 bis zu einer Tiefe von einigen µm eingetrieben. Diese hochdotierten Bereiche der Halbleiterschicht 4 an deren ersten Oberfläche 2 bilden die erste Elektrode 6a und die zweite Elektrode 10a. In einem weiteren Prozeßschritt werden die von der Halblei­ terschicht 4 abgewandten Oberflächen der Oxidmaske 24 und der Elektroden 6a und 10a mit Niederdruck-Nitrid 26 (low pressure nitride) mit einer Dicke von ca. 0,1 µm abgedeckt. Diese Schicht soll primär ein Eindringen von Ionen (insbesondere Na⁺) verhindern und wird mittels einer Maske und eines Ätz­ schrittes lateral strukturiert, um die von der Halbleiter­ schicht 4 abgewandte Oberfläche der ersten Elektrode 6a und den später von der zweiten Anschlußelektrode 10b bedeckten Bereich der von der Halbleiterschicht 4 abgewandten Oberflä­ che der zweiten Elektrode 10a freizulegen. In einem weiteren Prozeßschritt wird auf der Nitridschicht 26 und den Elektro­ den 6a und 10a eine lateral strukturierte Metallisierung aus Aluminium mit einer Dicke von ca. 1,5 µm aufgebracht, welche die erste Anschlußelektrode 6b und die zweite Anschlußelek­ trode 10b bildet. Wie es in Fig. 8 zu erkennen ist, steht die erste Anschlußelektrode 6b mit der ersten Elektrode 6a in Kontakt und ist von der zweiten Elektrode 10a durch die Ni­ tridschicht 26 getrennt. Die zweite Anschlußelektrode 10b steht mit der zweiten Elektrode 10a in Kontakt. In einem letzten Prozeßschritt wird eine ca. 0,8 µm dicke Nitrid- Passivierung 28 aufgebracht, welche abgesehen von Kontakt­ flecken 30, an denen die erste Anschlußelektrode 6b bzw. die zweite Anschlußelektrode 10b des fertigen Temperatursensors kontaktiert werden kann, die gesamten von der Halbleiter­ schicht 4 abgewandten und offenliegenden Oberflächen der zweiten Elektrode 10a, der Anschlußelektroden 6b und 10b und der Niederdruck-Nitrid-Schicht 26 bedeckt und Plasma-Oxid aufweist.

Da, wie oben dargestellt, für die Funktion eines Halbleiter- Temperatursensors vom Ausbreitungswiderstands-Typ näherungs­ weise nur die ausgeprägt inhomogene Stromdichteverteilung in der Halbleiterschicht 4 nahe der ersten Elektrode 6a ent­ scheidend ist, kann die zweite Elektrode 10a in lateraler Richtung eine der in den Fig. 3, 5, 6 und 7 dargestellten Formen oder weitere, nicht dargestellte Formen aufweisen. Konvexe Singularitäten an der zweiten Elektrode 10a sind da­ bei vorzugsweise zu vermeiden, da sie eine inhomogene Strom­ dichteverteilung zur Folge haben, woraus analog dem in Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Zweilochsensor Nachteile hin­ sichtlich des Temperatur-Einsatzbereiches resultieren können. Abgesehen von dieser Einschränkung ist es jedoch auch mög­ lich, daß die zweite Elektrode 10a die erste Elektrode 6a in lateraler Richtung nicht vollständig umschließt oder sogar nur neben der ersten Elektrode 6a angeordnet ist.

In jedem Fall ist die zweite Elektrode 10a vorzugsweise grö­ ßer oder wesentlich größer als die erste Elektrode 6a. Da­ durch ist gewährleistet, daß die Stromdichteverteilung nahe der zweiten Elektrode 10a näherungsweise homogen bzw. die In­ homogenität der Stromdichteverteilung nahe der zweiten Elek­ trode 10a viel schwächer ausgeprägt ist als die Inhomogenität der Stromdichteverteilung nahe der ersten Elektrode 6a. Da­ durch werden die oben in Zusammenhang mit dem Zweilochsensor gemäß dem Stand der Technik dargestellten Nachteile bezüglich des Temperatur-Einsatzbereichs vermieden.

Auch die Form der ersten Elektrode 6a kann von der in den obigen Ausführungsbeispielen dargestellten Kreisform abwei­ chen. Beispielsweise kann die erste Elektrode 6a die Form ei­ nes Quadrats oder eines Rechtecks aufweisen, wobei alle Ab­ weichungen von der Kreisform, die verglichen mit dem Abstand der ersten Elektrode 6a zur zweiten Elektrode 10a klein sind, die Stromdichteverteilung nicht wesentlich verändern. Eine erste Elektrode 6a in der Form eines schmalen und länglichen Rechteckes erzeugt hingegen in ihrer Umgebung eine ausgeprägt inhomogene Stromdichteverteilung, welche näherungsweise die Symmetrie einer Kreiszylinders aufweist. Die für den Wider­ standswert des Halbleiter-Temperatursensors maßgebliche Ab­ messung ist im Fall einer kreisförmigen ersten Elektrode 6a deren Radius oder deren Durchmesser und im Fall einer schma­ len, länglichen ersten Elektrode 6a deren Breite. Der Raumbe­ reich um die erste Elektrode 6a, in dem die Stromdichtever­ teilung näherungsweise kugelsymmetrisch bzw. näherungsweise kreiszylindersymmetrisch ist, ist um so größer, je größer der Abstand zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a ist. Der Abstand zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 10a soll deshalb größer sein als die für den Widerstandswert des Halbleiter-Temperatursensors maßgebliche Abmessung der ersten Elektrode 6a.

Claims (8)

1. Halbleiter-Temperatursensor vom Ausbreitungswiderstands- Typ, mit folgenden Merkmalen:
einer Halbleiterschicht (4) mit einer ersten Oberfläche (2);
einer ersten Elektrode (6a), die an der ersten Oberfläche (2) an­ geordnet ist und eine erste für den Widerstandswert des Halb­ leiter-Temperatursensors maßgebliche Abmessung aufweist; und
einer zweiten Elektrode (10a), die an der ersten Oberfläche (2) angeordnet ist und eine zweite für den Widerstandswert des Halbleiter-Temperatursensors im wesentlichen unmaßgebliche Abmessung aufweist;
wobei der kleinste Abstand zwischen der ersten Elektrode (6a) und der zweiten Elektrode (10a) größer als die erste Abmes­ sung ist.

2. Halbleiter-Temperatursensor nach Anspruch 1, bei dem die zweite Elektrode (10a) größer ist als die erste Elektrode (6a).

3. Halbleiter-Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Elektrode (6a) kreisförmig ist.

4. Halbleiter-Temperatursensor nach einem, der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite Elektrode (10a) die erste Elektrode (6a) lateral im wesentlichen umschließt.

5. Halbleiter-Temperatursensor nach Anspruch 4, bei dem der der ersten Elektrode (6a) zugewandte Rand der zweiten Elek­ trode (10a) im wesentlichen kreisförmig und konzentrisch zur ersten Elektrode (6a) ist.

6. Halbleiter-Temperatursensor nach Anspruch 4, bei dem der der ersten Elektrode (6a) zugewandte Rand der zweiten Elek­ trode (10a) die erste Elektrode (6a) im wesentlichen recht­ eckförmig umschließt.

7. Halbleiter-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Halbleiterschicht (4) einen ersten Teilbereich (4a), in dem die erste Elektrode (6a) und die zweite Elektro­ de (10a) angeordnet sind, und einen zweiten Teilbereich (4b) aufweist, wobei zwischen dem ersten Teilbereich (4a) und dem zweiten Teilbereich (4b) eine elektrisch isolierende Schicht (16) angeordnet ist.

8. Halbleiter-Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Halbleiterschicht (4) einen ersten Teilbereich (4a), in dem die erste Elektrode (6a) und die zweite Elektro­ de (10a) angeordnet sind, und einen zweiten Teilbereich (4b) aufweist, wobei zwischen dem ersten Teilbereich (4a) und dem zweiten Teilbereich (4b) eine Sperrschicht angeordnet ist.