FR2746183A1 - Dispositif capteur chimique a semiconducteur et procede de formation d'un dispositif capteur chimique a semiconducteur - Google Patents
Dispositif capteur chimique a semiconducteur et procede de formation d'un dispositif capteur chimique a semiconducteur Download PDFInfo
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Abstract
L'invention comprend un dispositif capteur chimique à semi-conducteur qui comprend une base semi-conductrice, un élément chauffant (20) formé sur la base semi-conductrice en une matière conductrice, par exemple du silicium polycristallin, et une couche sensible (22) servant à détecter des substances chimiques particulières. L'élément chauffant (20) comprend des premier et deuxième bras (24 et 26) s'étendant sur la base semi-conductrice depuis une partie chauffante (28) et une ouverture (34) s'étendant verticalement à travers la partie chauffante (28). Un premier contact (30) de l'élément chauffant est couplé à une extrémité du premier bras (24), et un deuxième contact (32) de l'élément chauffant est couplé à une extrémité du deuxième bras (26). La couche sensible (22) est formée sur l'ouverture (34) et la partie chauffante (28) de façon que l'axe vertical passant par le centre (36) de l'ouverture (34) passe par le centre (36) de la couche sensible (22).
Description
La présente invention concerne un dispositif capteur chimique à
semiconducteur et un procédé permettant de former un semblable dispositif
capteur chimique à semiconducteur.
Un capteur chimique est un dispositif qui contrôle la concentration d'une substance chimique donnée dans un liquide ou un gaz. On utilise des capteurs chimiques par exemple pour détecter des niveaux dangereux de gaz
empoisonnés ou explosifs sur des lieux de travail ou dans des habitations.
On connait les capteurs chimiques formés par une technologie hybride, comme, par exemple, les capteurs formés sur des substrats céramiques. On sait également comment fabriquer un capteur chimique à semiconducteur sur un substrat semiconducteur. Cette invention concerne les capteurs chimiques à semiconducteur. Typiquement, les capteurs chimiques comprennent une couche sensible, qui est sensible à des substances chimiques particulières devant être détectées par le capteur. La réaction de la couche sensible avec les substances chimiques à détecter provoque une modification des propriétés physiques de la couche sensible, par exemple de la résistivité ou du potentiel de surface. Il est possible de détecter cette modification par contrôle du signal de tension existant aux bornes de la couche sensible. Puisque la réaction de la couche sensible est gouvernée par des relations thermodynamiques, la température joue un rôle important dans l'optimisation du signal de sortie du dispositif capteur, comme par
exemple la sensibilité et la sélectivité.
Certains capteurs comprennent un élément chauffant qui sert à accroitre la température de la couche sensible afin d'augmenter la sensibilité et la sélectivité du capteur. Selon les substances chimiques devant être détectées, il peut être nécessaire de chauffer des capteurs chimiques jusqu'à des températures extrêmement élevées, par exemple dans la gamme de 250 à 650 C. En ce qui concerne les capteurs à semiconducteur qui sont formés à l'aide de la technologie des pellicules minces, on forme l'élément chauffant en utilisant typiquement une résistance faite de silicium polycristallin, qui est compatible avec la technologie des pellicules minces. On sait aussi qu'il est possible d'utiliser des éléments chauffants à fil de platine, mais ces éléments chauffants ne sont pas compatibles avec les traitements CMOS. On place généralement l'élément chauffant au milieu de la couche sensible afin de réduire la consommation électrique. La géométrie de l'élément chauffant peut avoir un effet sur l'homogénéité de la température dans la
couche sensible et, par conséquent, sur la sélectivité du capteur.
On sait qu'il est possible de former un élément chauffant fait de sili, ium polycristallin qui présente une forme de S, les contacts de l'élément chauffant se trouvant aux extrémités respectives du S. Toutefois, un tel élément chauffant donne une médiocre homogénéité de la température sur la couche sensible (environ 40 %). De plus, les contacts de l'élément chauffant sont à une température élevée qui peut conduire à une migration du silicium dans les contacts métalliques. Cette migration du silicium peut modifier la résistance des contacts de l'élément chauffant, ce qui aurait pour effet d'amener une dérive de base de la couche sensible, c'est-à-dire des changements du niveau du signal de tension aux
bornes de la couche sensible en l'absence de substances chimiques.
Un article intitulé "SI Planar Pellistor/Designs for Temperature Modulated Operation", de Robert Aigner, Markus Dietl, Rainer Katterloher, Veit Klee, publié dans Lehrstuhl fur Technische Elektronik, Technische Universitat, Munich (RFA), décrit un élément chauffant en forme de spirale qui est formé par un fil en platine. L'élément chauffant ayant cette disposition offre une homogénéité améliorée, mais n'est pas compatible avec les traitements CMOS. De plus, l'élément chauffant peut souffrir de l'existence de points chauds au niveau des contacts de l'élément chauffant, ce qui peut provoquer la migration du silicium, comme ci-dessus discuté. Si on devait appliquer cette forme spirale à un élément chauffant à résistance en silicium polycristallin, la résistance d'un tel élément chauffant serait très élevée. Cet élément chauffant demanderait donc une tension d'alimentation élevée, qui serait trop élevée pour la plupart des applications, dans
lesquelles une tension d'alimentation inférieure à 5 V est demandée.
Le brevet des Etats Unis d'Amérique n 5 345 213 décrit un capteur chimique qui possède un élément chauffant en forme d'accordéon et une plaque de répartition de chaleur conductrice qui est formée sur l'élément chauffant afin de faire fonction de puits thermiques. La plaque de répartition de chaleur conductrice répartit uniformément la chaleur émanant de l'élément chauffant de manière à assurer une bonne homogénéité de la température sur la couche sensible du capteur. Toutefois, cette disposition n'évite pas complètement les points chauds et, puisqu'il faut deux opérations supplémentaires, de photogravure et de dépôt, il
s'agit d'une solution assez complexe.
Il est donc souhaitable de pouvoir produire un élément chauffant perfectionné pour dispositif capteur chimique à semiconducteur, dans lequel les
produits ci-dessus indiqués sont diminués.
Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un dispositif capteur chimique à semiconducteur Comprenant: une base semiconductrice; un élément chauffant formé sur la base semiconductrice à partir d'une matière semiconductrice, l'élément chauffant comprenant un premier et un deuxième bras s'étendant sur la base semiconductrice depuis une partie chauffante et une ouverture s'étendant verticalement à travers la partie chauffante; un premier contact de l'élément chauffant couplé à une extrémité du premier bras; un deuxième contact de l'élément chauffant couplé à une extrémité du deuxième bras; et une couche sensible servant à détecter des substances chimiques, la couche sensible étant formée sur l'ouverture et la partie chauffante, o l'axe vertical
qui passe par le centre de l'ouverture traverse le centre de la couche sensible.
L'élément chauffant selon l'invention fournit une température sensi-
blement uniforme sur la couche sensible et assure une basse température au niveau
des contacts de l'élément chauffant.
Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de formation d'un dispositif capteur chimique à semiconducteur, comprenant les opérations suivantes: fournir une base semiconductrice;
former une couche de matière conductrice sur la base semi-
conductrice; appliquer un tracé de motif et une gravure à la couche de matière conductrice afin de former un élément chauffant, l'élément chauffant comprenant des premier et deuxième bras qui s'étendent sur la base semiconductrice depuis une partie chauffante et une ouverture qui s'étend verticalement à travers la partie chauffante; former une couche isolante sur l'élément chauffant; former une couche sensible, destinée à détecter des substances chimiques particulières, sur la couche isolante de facçon qu'elle s'étende sur la partie chauffante et sur l'ouverture, o l'axe vertical passant par le centre de l'ouverture traverse le centre de la couche sensible; former des première et deuxième ouvertures dans la couche isolante, la première ouverture s'étendant jusqu'à une extrémité du premier bras et la deuxième ouverture s'étendant jusqu'à une extrémité du deuxième bras; et déposer un métal dans les premier et deuxième ouvertures de manière
à respectivement former des premier et deuxième contacts de l'élément chauffant.
La description, conçue à titre d'illustration de l'invention présente un
dispositif capteur chimique à semiconducteur ainsi qu'un procédé de formation de ce dispositif et elle vise à permettre une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié agrandi représentant une vue en plan de dessus d'un élément chauffant de type connu; la figure 2 est un schéma simplifié agrandi représentant une vue en plan de dessus d'une partie d'un dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'invention; la figure 3 est un schéma simplifié agrandi représentant une ouverture ménagée dans l'élément chauffant selon l'invention, qui présente une section droite horizontale circulaire; la figure 4 est un schéma simplifié agrandi représentant une ouverture ménagée dans l'élément chauffant selon l'invention, qui possède une section droite horizontale en forme de losange; la figure 5 est un schéma simplifié agrandi représentant une ouverture ménagée dans l'élément chauffant selon l'invention qui présente une section droite horizontale carrée avec des coins arrondis; la figure 6 est un schéma simplifié agrandi en section droite montrant le dispositif capteur chimique à semiconducteur de la figure 2 suivant la direction X; et la figure 7 est un schéma simplifié agrandi en section droite montrant le dispositif capteur chimique à semiconducteur de la figure 2 suivant la direction Y. Sur la figure 1, on peut voir une vue en plan de dessus d'un élément chauffant 2 en forme de S d'un type connu, lequel élément chauffant sert à chauffer une couche sensible 4 d'un dispositif capteur chimique. L'élément chauffant 2 comprend une partie chauffante 3 qui est formée en silicium polycristallin et a la forme d'un S et deux contacts métalliques 6 et 8 se trouvant aux extrémités respectives du S. La couche sensible 4 est formée sur une partie importante de la
partie chauffante 3.
L'élément chauffant 2 présente un certain nombre d'inconvénients. Eu égard à la forme de la partie chauffante 3, l'élément chauffant 2 ne produit une température uniforme que sur 40 % de l'aire de la couche sensible 4. Cette médiocre homogénéité de la température conduit à une sensibilité médiocre du capteur. Le problème lié à ce type d'élément chauffant 2 est que les contacts métalliques 6 et 8 sont, en utilisation, à des températures élevées, pouvant amener
une migration du silicium dans les contacts métalliques.
L'invention propose un élément chauffant qui surmonte, ou au moins
réduit, ces problèmes de la technique antérieure.
On se reporte maintenant à la figure 2, qui est une vue en plan de dessus d'une partie d'un dispositif capteur chimique à semiconducteur 50 selon l'invention. Le dispositif capteur chimique à semiconducteur 50 comprend un élément chauffant 20 selon un mode de réalisation préféré de l'invention, qui est destiné à être utilisé pour le chauffage d'une couche sensible 22. L'élément chauffant 20 est formé sur une base semiconductrice (non représentée) à partir d'une matière conductrice, qui, dans le mode de réalisation préféré, est du silicium polycristallin. L'élément chauffant 20 comprend un premier bras 24 et un deuxième bras 26 ainsi qu'une partie chauffante 28. Le premier bras 24 et le deuxième bras 26 s'étendent sur la base semiconductrice (non représentée) depuis la partie chauffante 28. Un premier contact 30 de l'élément chauffant est couplé à l'extrémité du premier bras 24, et un deuxième contact 32 de l'élément chauffant
est couplé à l'extrémité du deuxième bras 26.
L'élément chauffant 20 comprend en outre une ouverture 34 s'étendant verticalement à travers la partie chauffante 28. La couche sensible 22 est formée sur l'ouverture 34 et sur la partie chauffante 28, et la couche sensible 22et l'ouverture 34 sont disposés de telle facçon que l'axe vertical passant par le centre 36 de l'ouverture 34 traverse le centre 36 de la couche sensible 22. Les contacts 38 et 40 sont couplés aux deux extrémités opposés de la couche sensible 22. Le signal de tension présent entre les contacts 38 et 40 donne une indication de la présence
de substances chimiques.
L'ouverture 34 possède une section droite horizontale dont la forme est sy métrique par rapport à l'axe vertical passant par le centre 36. L'ouverture 34 augmente la distribution de la température sur la couche sensible 22 dans toutes les directions qui sont perpendiculaires à l'axe vertical. Puisque l'ouverture 34 est symétrique par rapport à l'axe vertical et que les centres 36 de l'ouverture et de la couche sensible 22 coïncident, la répartition de la température est sensiblement égale sur la couche sensible 22. De préférence, le centre de la partie chauffante 28 est aligné avec les centres de l'ouverture 34 et de la couche sensible 22 suivant
l'axe vertical.
Le premier bras 24 s'étend sur une première longueur 25 dans une certaine direction depuis la partie chauffante 28 jusqu'au premier contact 30 de l'élément chauffant, et le deuxième bras s'étend sur une deuxième longueur 27, suivant une direction opposée à la direction précédemment citée, depuis la partie chauffante 28 jusqu'au deuxième contact 32 de l'élément chauffant. Les première et
deuxième longueurs sont chacune supérieures à 100um.
De préférence, le premier bras 24 et le deuxième bras 26 ont tous deux des sections droites horizontales rectangulaires. Les longueurs des sections droites du premier bras 24 et du deuxième bras 26 sont, respectivement, les première et deuxième longueurs, et les largeurs des sections droites sont égales. Puisque les contacts 30 et 32 de l'élément chauffant sont connectés à la partie chauffante 28 par l'intermédiaire du premier bras 24 et du deuxième bras 26, la température des contacts 30 et 32 de l'élément chauffant est diminuée. La réduction de température dépend de la première longueur 25 et de la deuxième longueur 27 des premier et deuxième bras 24 et 26 respectifs. Dans le mode de réalisation préféré, les première et deuxième longueurs sont identiques et valent 200aum. Les premier et deuxième bras 24 et 26 diminuent donc les problèmes qui sont associés à l'existence de
points chauds et à la migration de silicium.
La partie chauffante 28 possède de préférence une section horizontale
de forme carrée dont la largeur est égale aux largeurs des premier et deuxième bras.
Une partie chauffante 28 de forme carrée et des premier et deuxième bras 24 et 26 de forme rectangulaire font que l'élément chauffant 20 possède une résistance faible, qui assure qu'on pourra utiliser une faible tension d'alimentation (moins de V) pour alimenter l'élément chauffant 20. La partie chauffante 28 peut toutefois avoir une forme rectangulaire ou toute autre forme conduisant à une faible
résistance électrique.
Sur la figure 2, l'ouverture 34 est représentée comme ayant une section droite horizontale de forme carrée. Toutefois, la section droite horizontale de l'ouverture peut prendre d'autres formes, comme par exemple celles représentées sur les figures 3 à 5. La figure 3 montre une ouverture 42 qui possède une section droite horizontale circulaire. La figure 4 montre une ouverture 44 qui possède une section droite horizontale en forme de losange. La figure 5 montre une ouverture 46 qui possède une section droite horizontale de forme carrée ayant des coins arrondis. D'autres formes possibles pour la section droite horizontale de l'ouverture comprennent une section droite en losange à coins arrondis en hexagone, en étoile,
ou bien en dodécagone.
On se reporte maintenant à la figure 6, qui montre une vue en section droite agrandie du dispositif capteur chimique à semiconducteur 50 de la figure 2 sur la direction X. Le dispositif capteur chimique à semiconducteur 50 comprend une base semiconductrice 52 se présentant sous la forme d'un pont et faite de préférence en silicium. Sur la base semiconductrice 52, on a formé une première couche isolante 54. Sur la première couche isolante 54, on a formé une couche de matière conductrice. Comme cela est bien connu dans la technique, on a appliqué à la couche de matière conductrice un tracé de motif et une gravure pour former la partie chauffante 28 comportant l'ouverture 34 qui s'étend jusqu'à la première couche isolante 54 et les premier et deuxième bras 24 et 26 (non représentés sur la figure 6) partant de la partie chauffante 28. Sur la partie chauffante 28 et la première couche isolante 54, on a formé une deuxième couche isolante 56. Sur la deuxième couche isolante 56, on a formé une couche de matière sensible, à laquelle on a ensuite appliqué un tracé de motif et une gravure pour former la couche sensible 22 s'étendant sur la partie chauffante 28. On a ensuite fait déposer
du métal pour former les contacts 38 et 40 de la couche sensible 22.
Dans le mode de réalisation préféré, la première couche isolante 54 est faite de dioxyde de silicium et la deuxième couche isolante 56 est faite d'une matière dite TEOS. Le type de matière sensible que l'on utilise pour former la couche sensible 22 peut aller des métaux aux matières dopées et, ou bien, composées et dépend des applications et du type de substances chimiques que le dispositif capteur chimique à semiconducteur doit détecter. La couche sensible 22 peut être formée à partir d'une couche d'or ou d'une couche d'alliage or-palladium pour capter des hydrures gazeux. Pour un dispositif capteur de monoxyde de
carbone, l'élément de détection 22 peut comprendre une couche d'oxyde d'étain.
On se reporte maintenant à la figure 7 qui montre une vue en section droite agrandie du dispositif capteur chimique à semiconducteur 50 de la figure 2 suivant la direction Y. On a formé les premier et deuxième bras 24 et 26 en appliquant un tracé de motif et une gravure à la couche de matière conductrice, comme décrit ci-dessus. On a formé la couche sensible 22 sur la partie chauffante 28 et l'ouverture 34. On a formé des ouvertures, aux extrémités des premier et deuxième bras 24 et 26, dans la deuxième couche isolante 56 et on a fait déposer du métal dans celles-ci afin de former les premier et deuxième contacts 30 et 32 de l'élément chauffant. Il est possible de former la couche sensible 22 avant ou après
la formation des ouvertures de contact.
Ainsi, le dispositif à semiconducteur selon l'invention peut être fabri'. ué à l'aide d'opérations de traitement connues et par simple modification du masque associé à l'élément chauffant, de facçon que ce dernier produise un élément chauffant conformé selon l'invention. On comprendra donc que le dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'invention peut être fabriqué sans faire
intervenir des opérations de traitement complexes supplémentaires.
En résumé, l'invention fournit un élément chauffant qui assure une uniformité améliorée de la température sur la couche sensible et qui réduit les problèmes de migration silicium polycristallin/métal en réduisant la température présente au niveau des contacts de l'élément chauffant. La partie chauffante possède une forme associée à une faible résistance, qui est de préférence rectangulaire ou carrée. On peut former l'élément chauffant à l'aide de traitements bien connus et sans qu'il soit nécessaire de faire intervenir des opérations complexes supplémentaires. L'invention est donc compatible avec les traitements
CMOS.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du
dispositif et du procédé dont la description vient d'être donnée à titre simplement
illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas
du cadre de l'invention.
Claims (13)
1. Dispositif capteur chimique à semiconducteur (50), caractérisé en ce qu'il comprend: une base semiconductrice (52) un élément chauffant (20) formé sur la base semiconductrice en une matière conductrice, l'élément chauffant comprenant des premier et deuxième bras (24, 26) s'étendant sur la base semiconductrice depuis une partie chauffante (28) et une ouverture (34) s'étendant verticalement à travers la partie chauffante; un premier contact (30) de l'élément chauffant couplé à une extrémité du premier bras; un deuxième contact (32) de l'élément chauffant couplé à une extrémité du deuxième bras; et une couche sensible (22) servant à détecter des substances chimiques particulières, la couche sensible étant formée sur l'ouverture et la partie chauffante, o l'axe vertical passant par le centre de l'ouverture passe par le centre de la couche sensible.
2. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon la revendi-
cation 1, caractérisé en ce que l'ouverture possède une section droite horizontale
qui présente une forme symétrique par rapport à l'axe vertical.
3. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon la revendi-
cation 2, caractérisé en ce que la section droite horizontale de l'ouverture possède l'une quelconque des formes suivantes: un carré, un cercle, un losange, un carré à
coins arrondis, et un losange à coins arrondis.
4. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon la revendi-
cation 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le centre de la partie chauffante est aligné
avec les centres de l'ouverture et de la couche sensible, suivant l'axe vertical.
5. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'une
quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie chauffante
possède une section droite horizontale de forme carrée.
6. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'une
quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins un des premier
et deuxième bras possède une section droite horizontale en forme de quadrilatère.
7. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'une
quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premier et deuxième
bras ont des sections droites horizontales présentant la même forme.
8. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'une
quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier bras s'étend
sur une première longueur dans une certaine direction, depuis la partie chauffante jusqu'au premier contact de l'élément chauffant et le deuxième bras s'étend sur une deuxième longueur, suivant une direction sensiblement opposée à la direction citée en premier, depuis la partie chauffante jusqu'au deuxième contact de l'élément chauffant, o les première et deuxième longueurs sont chacune supérieures à /um.
9. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon la revendica-
tion 8, caractérisé en ce que les premier et deuxième bras ont tous deux une section horizontale de forme rectangulaire, la longueur de la section droite horizontale du premier bras étant la première longueur, et la longueur de la section droite
horizontale du deuxième bras étant la deuxième longueur.
10. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon la revendica-
tion 8 ou 9, caractérisé en ce que les première et deuxième longueurs sont chacune
de 200 /m.
11. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon la revendica-
tion 9 ou 10, caractérisé en ce que les sections droites horizontales des premier et deuxième bras ont la même largeur, et la partie chauffante possède une largeur qui est perpendiculaire aux première et deuxième longueurs et est la même que les
largeurs des premier et deuxième bras.
12. Dispositif capteur chimique à semiconducteur selon l'une
quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément chauffant est
formé de silicium polycristallin.
13. Procédé de formation d'un dispositif capteur chimique à semi-
conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: produire une base semiconductrice;
former une couche de matière conductrice sur la base semi-
conductrice; appliquer un tracé de motif et graver la couche de matière conductrice de façon à former un élément chauffant, l'élément chauffant comprenant des premier et deuxième bras s'étendant sur la base semiconductrice depuis une partie chauffante et une ouverture s'étendant verticalement à travers la partie chauffante; former une couche isolante sur l'élément chauffant; former une couche sensible, servant à détecter des substances chimiques particulières, sur la couche isolante de façon qu'elle s'étende sur la partie chauffante et l'ouverture, o l'axe vertical passant par le centre de l'ouverture traverse le centre de la couche sens:ble; former des première et deuxième ouvertures dans la couche isolante, la première ouverture s'étendant jusqu'à une extrémité du premier bras et la deuxième ouverture s'étendant jusqu'à une extrémité du deuxième bras; et faire déposer du métal dans les première et deuxième ouvertures de façon à produire respectivement des premier et deuxième contacts de l'élément chauffant.
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