氣體傳感器和用於製造這種氣體傳感器的方法
2023-06-19 22:58:46
氣體傳感器和用於製造這種氣體傳感器的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於探測包含在流體流中的物質的氣體傳感器(10)，所述氣體傳感器包括具有襯底(12)的場效應電晶體，在所述襯底上布置有能夠暴露於氣體的柵電極(22)、源電極(18)和漏電極(20)，其中在所述襯底(12)和所述柵電極(22)之間布置有電絕緣部(24)，其中所述電絕緣部(24)構造為層系統，並且其中將規定的並且穩定的電荷引入到所述層系統的至少一層(26、28、30)中。這種氣體傳感器(10)即使在高溫時也通過機械方面和電方面穩定的電絕緣部(24)提供特別穩定的測量性能。此外本發明還涉及一種用於製造這種氣體傳感器(10)的方法。
【專利說明】氣體傳感器和用於製造這種氣體傳感器的方法
【技術領域】
[0001]本發明的主題是包括場效應電晶體的氣體傳感器。此外本發明的主題是用於製造這種氣體傳感器的方法。
【背景技術】
[0002]傳感器、如例如化學的氣體傳感器經常在高溫下運行，所述氣體傳感器基於具有襯底的場效應電晶體，所述襯底例如具有帶有大帶隙的半導體材料，所述高溫能夠處於300°C或者以上的範圍中。這種溫度例如存在於能夠布置在內燃機的排氣系統中或者上的傳感器中。為了實現傳感器中恆定的溫度，經常還會需要將傳感器加熱超過環境溫度。
[0003]除了這種傳感器相對於這種溫度的機械穩定性以及電學穩定性之外，此外還可能有利的是相對於各種不同的材料、如例如氧氣、水或者溼氣(Feucht i gke i t)、形成酸的氣體、如例如氮氧化物或者硫氧化物並且相對於溶解的物質、如例如金屬離子的化學穩定性。
【發明內容】
[0004]本發明的主題是氣體傳感器，其包括具有襯底的場效應電晶體，在所述襯底上布置有能夠暴露於氣體的柵電極、源電極和漏電極，其中在襯底和柵電極之間布置有電絕緣部，其中所述電絕緣部構造為層系統，並且其中將規定的、穩定的電荷引入到所述層系統的至少一層中。
[0005]這種氣體傳感器在此包括場效應電晶體，所述場效應電晶體以已知的方式包括襯底。所述襯底能夠例如由碳化矽構成並且例如通過相應的摻雜劑而具有源極區域以及漏極區域，在所述源極區域上布置有源電極，在所述漏極區域上布置有漏電極。在所述源極區域和所述漏極區域之間能夠布置或者在運行時形成半導體襯底的空間電荷區或者溝道。在所述襯底的空間電荷區上方能夠布置絕緣體或者電絕緣部，所述絕緣體或者電絕緣部使得襯底或者空間電荷區與柵電極分開。
[0006]因此，對於場效應電晶體或者場效應氣體傳感器能夠以已知的方式尤其理解為一種結構，對所述結構而言在吸附確定的氣體或者確定的氣體離子時能夠通過電場的作用改變電方面和物理方面可測量的參量。所述物理方面可測量的參量能夠例如是兩個連接觸頭之間的電阻或者源極觸頭和漏極觸頭之間的電流或者電容，所述電容在電極位置和背電極(Riickelektrode)之間是可測量的。
[0007]所述背電極尤其能夠通過半導體襯底形成，在所述半導體襯底中構造對氣體敏感的場效應電晶體的源極區域、漏極區域以及布置在源極區域和漏極區域之間的溝道區域，其中所述溝道區域或者所述空間電荷區域的至少一個表面鄰接到絕緣層上。
[0008]這種實施方式呈現的優點在於，氣體傳感器能夠以差異最大的變型方案用於氣體探測並且因此能夠與相應地應用於分析單元的技術相匹配。這又能夠再次呈現優點，即氣體探測器能夠基於半導體襯底製造，其中對於分析的不同方案也能夠實施氣體傳感器的不同方案。所述氣體傳感器的不同實施方式也能夠具有對於不同種類氣體的不同的敏感性，從而通過氣體傳感器的不同設計方案的自由度將上述裝置能夠應用於高精度的氣體探測。
[0009]在此柵電極尤其能夠是多孔的，以引起位於下面的層與待測量的氣體流或者存在於氣體流中的物質相互作用。此外，柵電極尤其能夠暴露於氣體，即能夠直接並且緊貼著暴露於待測量的氣體流或者能夠與所述氣體流接觸。電極或者傳感器相對於流體流或者流體也能夠至少短期地暴露，這例如在氣體流中冷凝的條件下能夠是必需的。
[0010]柵電極和襯底或者空間電荷區域之間的電絕緣部尤其能夠構造為層系統。層系統在此尤其可以意味著多個具有相同或者不同的材料的單層，所述單層尤其直接相互鄰接地布置。所述層系統在下文中也被稱為柵極堆(Gatestapel)。例如多個具有必要時不同功能性的層的組合能夠形成層系統，所述層系統能夠形成電絕緣部。在此所述層系統的至少一層能夠被用作電絕緣體，所述至少一層具有大於I X 10E70hmXcm的比電阻或者具有大於4eV的帶隙。這種層結構的其他有利的實施方式能夠以儘可能合適的次序形成例如具有良好的絕緣性的良好的擴散阻擋(Diffusionsbarrier)和具有良好的耐腐蝕性的層的組合。
[0011]在此能夠將規定的、穩定的電荷引入到所述層系統的至少一層中。
[0012]上述裝置或者如此構造的氣體傳感器尤其能夠改善電絕緣部、如尤其安裝在場效應電晶體的活性的溝道區域上的柵極絕緣部的結構方面和電方面的穩定性。此外尤其在高溫時能夠減少漏電。如上所述，這尤其能夠通過在製造期間對層系統中的電絕緣部或者柵極絕緣部的單個層有針對性地並且持續地進行改性實現，所述改性例如通過有針對性地將電荷引入到或者使電荷形成到電絕緣部的相應的層材料或單個的或者全部的層中實現。
[0013]具體來說，能夠例如在將尤其穩固的或者穩定的電荷構造到層系統的層材料中或者絕緣層中的一層中時實現。所述層系統在施加的電壓相同並且構件在升高的溫度下運行的情況下實現了，即使在高溫時，尤其與現有技術中相應的裝置相比，明顯減少了漏電。因為例如通過形成電荷產生了對於隧道電流而言明顯升高的勢壘，這能夠使得漏電減少。
[0014]在此有利的是尤其穩定的或者穩定化的額外的電荷，因為在氣體傳感器的長期運行中並且在測量時出現苛刻的條件的情況下、如例如腐蝕性環境、溼氣和/或高溫，所述電荷也沒有離開所述層，這實現了特別可靠的並且長時間穩定的測量。在本發明的意義中，所述穩定化的電荷的存在在此能夠尤其通過持續地將電荷引入到相應的層或者相應層的材料中實現。因此例如在測量過程或者運行期間通過以許可的大小施加電壓，所述穩定化的電荷沒有離開材料。換句話說在所有的運行條件下所述電荷穩定地保留在相應的層中。
[0015]除了如上所述改善電特性外，具有如上所述構造的絕緣層系統的裝置還能夠顯示結構中的變化。因此通過結構變化引入電荷能夠使得所述結構在運行時保持穩定。由此即使在尤其苛刻的條件的影響下、例如腐蝕性環境、溼氣和/或高溫，也能夠實現特別長時間穩定的並且可靠的測量性能。
[0016]此外，通過設置如上所述通過結構變化改性的絕緣部能夠實現相對於不期望的物質、如例如來自待測量的流體流或者柵電極的物質而言特別好的擴散阻擋。
[0017]因此尤其有利的是用於改善電方面和/或機械方面穩定性的尤其電絕緣部的改性，因為所述絕緣部承擔了多個功能。這類功能的例子例如是根本上的電絕緣、相對於柵極或者柵電極的電絕緣材料以及相對於來自待測量的流體流、如例如廢氣或者廢氣冷凝物的汙染物的擴散阻擋的形成。為此電絕緣部能夠具有尤其多種特性、如例如良好的電穩定性、更小的雜質密度(SWrstellendichte )和與襯底材料以及與柵電極的材料的良好的相容性。此外可能有利的是高的電壓穩定性、在高溫時、如例如尤其在500°C或者以上的溫度時的高擊穿強度以及良好的化學惰性。為了使這些特性統一在電絕緣部中，能夠有利的是如上所述的多層結構，其中能夠以有利的方式對單個層或者所有層改性。
[0018]由此呈現的優點是，即使在溫度升高時柵極絕緣層也有穩定的擊穿場強。此外即使在溫度升高時漏電也保持得很小。
[0019]上述電荷存儲的證明能夠或者直接通過測量方法、例如開爾文探針-力顯微鏡(Kelvinsonden-Kraftmikroskopie)或者間接通過在考慮到層厚並且與仿真對比的情況下對電測量的分析實現。
[0020]在設計方案的範圍內，所述層系統的至少一層能夠具有規定的結晶度(KristalHnitat )。尤其通過規定的結晶度能夠特別有利的實現結構穩定化。這尤其能夠在下述情況下實現，即通過規定的預時效步驟引入規定的結晶度而形成在使用條件下時效之後得到的狀態。具體而言，例如對於純的非晶形地沉積的氧化鋁而言能夠在類似於內燃機的廢氣的具有溼氣的環境中在500°C下放置IOOOh之後觀察到部分結晶。這符合這種裝置在實際使用時的時效性能，因此這與在使用條件下原則上非期望的結構變化一致，這還能夠影響電特性。根據本發明能夠例如通過在製造過程中已經實現結晶來禁用這種時效步驟。具體而言，即使具有以結晶形式存在的材料的傳感器也能夠以合適的方式工作，然而能夠在製造時已經產生結晶度的高穩定性，從而通過此前進行的結晶作為時效結果能夠避免電特性的功能變化並且由此還能夠避免必要時需要的傳感器後續校準。由此能夠實現特別穩定的測量性能。
[0021]在此特別有利的是，獲得的結晶度能夠在從大於或者等於20%直至小於或者等於60%的範圍內，因為這種結晶度大部分符合實際的時效性能。
[0022]在此尤其將電荷引入到其中的這種層能夠被晶化，或者層系統的其他層也能夠被晶化。所述層的結晶度在此能夠直接在現有的層上藉助結構成象的方法、例如透射電子顯微鏡(TEM)或者X射線衍射儀(XRD)證明。
[0023]在另一設計方案的範圍內，電絕緣部的層系統包括三層或者由三層組成。尤其在所述方案中，能夠實現與應用特別相關的對電絕緣部或者其特性的匹配。具體而言，能夠特別有利地匹配特性、例如吸附性能、相對於確定的物質的惰性以及穩定性或者上述特性中的其他特性。在此電絕緣部還能夠緊湊地構造並且還能夠低成本地製造。在此恰好三層的優點在於最簡單地可能的和對稱的結構。向外能夠有儘可能好的電絕緣材料。電荷存儲和/或結晶能夠恰好存在於材料或者層、例如尤其中間層中。在此能夠省掉多種其他額外的材料,這能夠減少複雜性和必要時需要的匹配。
[0024]在另一設計方案的範圍內，能夠將規定的並且穩定的電荷引入到層系統的中間層中，並且必要時層系統的中間層能夠具有規定的結晶度。因此在所述方案中，能夠針對性地對尤其中間層改性，以改善電絕緣部的電方面和機械方面的特性。在存在三層的情況下，能夠因此對中間層進行改性，而在存在多於三層的層的情況下能夠對內層中的一個或者多個層、即非外層進行改性。在所述方案中能夠尤其有利的是，不需要對電絕緣部的指向外的平面、即非中間層進行改性，也就是在此能夠選擇標準材料、例如氧化矽，這尤其能夠形成朝向半導體或者朝向柵電極的非常好地電絕緣的並且儘可能好的界面，其中這也尤其能夠包含到其他層、例如柵電極或者到半導體材料的附著性能。所述層系統的中間層在此尤其能夠是沒有直接鄰接在襯底材料上或者柵電極上而是被所述層系統的其他兩層包圍的層。例如在設置三層的情況下，在所述層系統中所述中間層能夠是唯一的中間層。在設置多於三層的情況下，在所述層系統中每層都能夠指中間層，所述層沒有直接鄰接在襯底材料上或者柵電極上，並且由此指中間層的一層或者多層。
[0025]在另一設計方案的範圍內，至少一層能夠包括氧化物、如尤其氧化鋁(Al2O3)、氧化娃(SiO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氧化錯(ZrO2)、氧化錫(SnO2)、氧化禮(Gd2O3)、氧化鋪(CeO2)、氧化鑭(La2O3)、氧化鐠(Pr2O3)、氧化銦(In2O3)、氧化鶴(WO3);並且/或者至少一層能夠包括混合氧化物、如尤其上述具有形式為矽酸鹽的矽的材料以及此外具有分別小於0.5的X和大於0.5的y的鋯鈰氧化物(ZrxCeyO2)、釓鈰氧化物(GdxCeyO2)、乾鋯氧化物(YxZry_x02)、乾鉿氧化物(YxHfy_x02)之間的混合氧化物；並且/或者至少一層能夠包括具有鈣鈦礦結構的氧化物、如尤其鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3);並且/或者至少一層能夠包括非氧化物陶瓷、尤其氮化矽(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鈦(TiN)、碳化矽(SiC)、矽化鉭(TaSi)、矽化鎢(WSi)，和/或相應的硼化物，即硼化鈦、硼化鉭、硼化鑭、硼化鎢。此外至少一層能夠由所述材料中的一種或者多種組成。對於本領域技術人員可理解的是，也能夠存在由所述材料組成的混合物。
[0026]用於層系統的外側層和在此尤其用於層系統的與襯底相鄰的層的優選的材料尤其能夠具有適用於襯底的所使用的半導體材料的帶間距或者帶偏移，如例如適用於襯底中存在的碳化矽的氧化矽或者氧化鋁。用於內層或者中間層的優選的材料包括特別優選適合於電荷引入和電荷存儲的材料。為此例如下述材料能夠是合適的，所述材料具有比在外側的材料更小的帶隙，並且此外能夠有利地提供電荷引入的條件或者附著位置分布的可調整性。在此尤其適合作為實施例的能夠是氮化矽或者混合氧化物、如例如矽化鉿。
[0027]有關於存有氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭、氧化鈦和/或非氧化物陶瓷、尤其氮化矽、氮化硼、氧化鈦、碳化矽、矽化鉭、矽化鎢和/或相應的硼化物，即硼化矽、硼化鈦、硼化鑭、硼化鉭、硼化鎢，所述設計方案尤其能夠用於產生特別高的熱穩定性和特別好的電絕緣性能。也能夠非常好地考慮作為對抗來自大氣或者廢氣的汙物的擴散保護層以及對抗起催化作用的活性的金屬電極的擴散保護層的功能。
[0028]有關於存有氧化鋯、氧化錫、氧化釓、氧化鈰、氧化鑭和/或氧化鐠和/或存在的混合氧化物、例如尤其鋯鈰氧化物、釓鈰氧化物、釔鋯氧化物和/或釔鉿氧化物，這種實施方式能夠呈現的優點是，尤其對於探測氧氣或者其他氣體而言，對於所述氣體的探測而言在柵極堆的表面上必須存在氧氣，基於良好的氧氣吸附特性能夠存在良好的敏感性和/或選擇性。
[0029]有關於存有氧化銦、氧化錫、氧化鎢、氧化釓、氧化鈰、氧化鑭、氧化鐠、氧化鋁和具有鈣鈦礦結構的氧化物、尤其是鈦酸鈣、鈦酸鋇和鈦酸鍶，這種實施方式尤其能夠呈現的優點是，包括或者由這些材料中的一種或者多種組成的絕緣層能夠實現針對氮氧化物的特別好的選擇性和敏感性。
[0030]在此上述材料能夠摻雜合適的摻雜劑材料。通過摻雜劑例如能夠在層的表面上或者內部產生晶格缺陷。這種實施方式能夠呈現的優點是，用於確定種類的氣體的傳感器的敏感性還能夠被進一步加強，所述氣體能夠取決於所使用的摻雜劑材料。合適的摻雜劑材料包括例如銦(In)、鎢(W)、貴金屬例如金(Au)、鈀(Pd)和鉬(Pt)以及其他的金屬、如例如鐵(Fe)、鑰(Mb)、鈣(Ca)和 / 或鋇(Ba)。
[0031]在另一設計方案的範圍內，層系統的與襯底相鄰布置的層能夠包括氧化矽，和/或層系統的中間層能夠包括氮化矽，和/或層系統的外側層能夠包括氧化鋁或者氧化矽。
[0032]關於在與襯底相鄰布置的層中設置氧化矽，這尤其能夠具有的優點是，能夠特別簡單地製造。具體而言特別對碳化矽作為半導體材料而言，所述半導體材料尤其作為適用於高溫、具有大帶隙的半導體材料能夠是有利的，通過襯底表面的氧化物產生氧化矽層用於製造電絕緣部的層系統的第一柵極絕緣層或者第一層。由此尤其能夠實現襯底或者半導體材料與電絕緣部或者氧化矽之間的界面的微小的雜質密度和其他優選的界面特性、例如微小的界面粗糙度。此外能夠以簡單的方式通過選擇能夠以簡單的方式相互協調的氧化參數、如尤其溫度曲線、氧化持續時間以及工藝氣體環境影響界面的質量。此外氧化矽具有例如相對於碳化矽特別大的帶偏移。
[0033]關於在層系統的中間層中設置氮化矽，尤其能夠產生特別高的熱電穩定性和特別好的電絕緣性。對抗來自大氣或者待測量的流體流的汙物、如例如廢氣的擴散保護層以及對抗起催化作用的活性的金屬電極的擴散保護層也非常的穩定。
[0034]關於在層堆的外側層中設置氧化鋁或者氧化矽，能夠尤其實現氮氧化物的特別好的選擇性和敏感性。這以對於本領域技術人員可理解的方式尤其對於氮氧化物傳感器、例如廢氣傳感器而言是有利的。此外還能夠實現熱別高的熱穩定和特別好的電絕緣性能。作為對抗來自待測量的流體流的汙物以及對抗起催化作用的活性的金屬電極的擴散保護層的層也非常穩定。層系統的外側層在此尤其能夠是處於與襯底間隔開的側面上或者與柵電極相鄰、尤其是直接與柵電極相鄰的層。
[0035]在另一設計方案的範圍內，電絕緣部能夠具有厚度，所述厚度處於小於或者等於500nm、優選小於或者等於IOOnm的範圍內。通過電絕緣部的整個層系統的這種厚度能夠在所述設計方案中引起傳感器的特別可靠並且敏感的測量性能，因為在測量過程中存在於與半導體襯底間隔開的側面上的電場的影響，能夠在溝道或者空間電荷區域上以合適的方式存在或者不以過強的方式減弱。
[0036]在另一設計方案的範圍內，層系統的與襯底相鄰布置的層能夠包括襯底材料的氧化物並且尤其具有厚度，所述厚度處於小於或者等於lOOnm、優選小於或者等於50nm的範圍。在所述設計方案中能夠產生半導體材料、如尤其碳化矽和電絕緣部的第一層、例如尤其氧化矽之間的界面的特別高的質量。尤其當通過半導體材料的氧化實現或者產生第一絕緣層時，界面的質量能夠隨著氧化層厚度的增加而減少。將氧化層、例如尤其氧化矽層的厚度減少到小於或者等於lOOnm、優選小於或者等於50nm的範圍內，在此能夠提供足夠的絕緣特性，可是在此也實現了尤其具有微小的雜質密度的高質量的界面。
[0037]關於根據本發明的氣體傳感器的其他優點和技術特徵，對此詳細參見結合根據本發明的方法的闡述、附圖以及【專利附圖】
【附圖說明】。
[0038]此外本發明的主題是用於製造用於探測包含在流體流中的物質的氣體傳感器、尤其是如上所述的氣體傳感器的方法，所述方法包括下列方法步驟:
[0039]a)提供襯底；
[0040]b)將電絕緣部施加到所述襯底的至少一個部分區域上，其中所述電絕緣部具有由多層構成的層系統；[0041]c)將額外的、穩定的電荷引入到所述層系統的層中的至少一層中；並且
[0042]d)將導電層施加到所述電絕緣部上。
[0043]通過這種方法能夠以特別簡單的方式提供用於探測包含在流體流中的物質的氣體傳感器。
[0044]在此在第一方法步驟a)中提供了襯底。所述襯底能夠以已知的方式由半導體材料、如尤其由碳化矽構成。在此所述襯底能夠具有源極區域和與所述源極區域間隔開的並且存在於同樣的表面上的漏極區域，在所述漏極區域上通過已知的方法布置有導電層作為源電極或者作為漏電極。所述源極區域或者漏極區域在此能夠例如對於矽或者碳化矽作為半導體材料而言用局部溶解的注入方法或者對於矽而言通過熱擴散方法利用相應的摻雜劑構造。源極區域和漏極區域尤其能夠通過n+摻雜劑產生。與此相對地，所述襯底能夠具有P摻雜劑、如尤其對於場效應電晶體已知的P摻雜劑。
[0045]在進一步的方法步驟b)中此外能夠在襯底上施加電絕緣部。尤其能夠至少在源極區域和漏極區域重疊的部分區域上施加電絕緣部。在此所述電絕緣部能夠具有由多層組成的層系統。
[0046]電絕緣部的第一層例如能夠通過襯底的半導體材料的氧化產生。尤其是能夠把碳化娃氧化成氧化娃，其中以有利的方式產生了具有小於或者等於50nm厚度的氧化娃層。
[0047]其他層例如能夠通過在半導體工藝過程中常見的方法產生或者沉積。合適的方法包括例如物理方面的沉澱作用方法、如例如物理氣相沉積(PVD)方法、磁噴鍍或者還包括化學方面的沉澱作用方法、例如化學氣相沉澱(CVD)或者原子層沉積(ALD)。
[0048]用於電絕緣部的層系統的絕緣層的合適的材料在此包括氧化物、例如尤其氧化鋁、氧化矽、氧化鉿、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化錫、氧化釓、氧化鈰、氧化鑭、氧化鐠、氧化銦、氧化鎢；包括混合氧化物、例如尤其鋯鈰氧化物、釓鈰氧化物、釔鋯氧化物和釔鉿氧化物；包括具有鈣鈦礦結構的氧化物、尤其鈦酸鈣、鈦酸鋇和鈦酸鍶；包括非氧化物陶瓷、尤其氮化矽、氮化硼、氮化鈦、碳化矽、矽化鉭、矽化鎢，和/或相應的硼化物、即硼化矽、硼化鈦、硼化鉭、硼化鑭和硼化鎢。
[0049]在進一步的方法步驟中，根據本發明將額外的穩定的電荷引入到層系統的至少一層中。所述方法步驟能夠整合在施加相應層的工藝過程中。例如這能夠通過適當地選擇相應的沉積方法或者適當地選擇適當的沉積參數實現，尤其是通過在所述工藝過程中或者之後的熱處理，或者通過在適當條件下在所述工藝過程之後施加電壓實現。對於Si3N4的沉積而言，例如能夠選擇例如等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)，所述氣相沉積法能夠在300°C到400°C之間的溫度下進行，或者選擇在600°C到800°C之間的溫度範圍內的低壓化學氣相沉積(LPCVD)(低壓方法)。作為調和步驟能夠考慮例如所謂的快速熱退火方法(RTA)，所述方法例如對於Si3N4而言以例如1000°C /min的斜坡和1000°C下的2分鐘的保持時間起作用。理想的是，在此能夠使用工藝過程期間為其他目的所需的調和步驟、例如場氧化物(Feldoxid)或者鈍化物的調和(退火)或者對SiC半導體材料而言使用注入物的活性化或者用於改變柵極堆材料的觸頭的合金化。在室溫時或者在溫度升高直至約600°C時能夠實現將電子電荷電衝壓到多層的層系統的一層中。在此必須如此選擇電壓，從而利用相應的電場、如約5MV/cm的場，通過將電荷引入到柵極堆並且尤其引入到柵極堆的接收電荷的(部分)層中能夠產生穿過柵極堆的隧道電流。在此典型的電流處於10E-6A/cm2以下的範圍內。
[0050]總之,通過例如在相應的材料層的氧化或者沉澱作用(Deposition)時參數的選擇並且首先通過熱方面的後續處理步驟能夠在規定的氣體環境中調整單層的電絕緣性能、結構穩定性、防擴散性和由此絕緣層類似的相應的特性。
[0051]在最後一個方法步驟d)中，能夠在電絕緣部上施加導電層。所述導電層隨後尤其用於柵電極。柵電極、也如漏電極或者源電極尤其能夠包括從由鉬、鈀、銠、釕、金、銀和/或鉻組成的組合中選出的材料。此外所述導電層、也如漏電極或者源電極的相應的導電層尤其能夠通過物理學的方法、例如汽化滲鍍或者噴鍍方法或者通過來自懸浮物的顆粒的沉積施加。
[0052]在設計方案範圍內，在層系統的層中至少一層內至少實現了部分結晶。在此尤其有利的是，在處理相應的材料、例如氧化鋁層時不進行完全的結晶。由此能夠避免在相應層中產生連續晶界並且由此避免例如鹼離子沿著所述晶界的快速擴散。有利的是，能夠進行直至約20%至60%的結晶度的結晶，所述結晶具有一般具有大於或者等於層厚度的10%直至小於或者等於層厚度的50%的單個結晶區域的直徑。這例如對於來自原子層沉積方法(ALD)的非結晶形氧化鋁而言當層厚在例如大於或者等於IOnm直至小於或者等於50nm的範圍內時能夠通過調和步驟實現，在所述調和步驟中例如在2min至5min內能夠實現溫度從900°C到達1200°C。在更高的溫度中能夠相應地選擇更短的時間。反應氣體、例如氧氣或者溼氣的存在能夠明顯地加快高溫時的結晶，或者在明顯的低溫下實現結晶。因此對於非結晶形沉積的氧化鋁而言即使暴露於潮溼的空氣中在低於700°C的溫度下經過幾百個小時也能夠實現部分結晶。
[0053]對結晶的實施例而言，由此能夠通過在升高的溫度下相應層的處理實現所述結晶。尤其能夠通過在大於或者等於600°C直至小於或者等於1200°C的溫度範圍內的層處理實現所述步驟。例如此處能夠使用多個小時的工藝過程時間、例如在2h直至IOOh的範圍內。此外所述步驟能夠在氧氣和/或溼氣的影響下進行。在此應該如此選擇所述條件，從而使得在其他材料例如柵極絕緣材料上僅進行一次結晶或者結構穩定化而沒有進行非期望的氧化過程。
[0054]在另一設計方案的範圍中，通過施加電壓到至少一層上實現了將電荷引入到或者形成到至少一層中、或者尤其將電子引入到至少一層中。在所述設計方案中，電荷由於隧道電流的產生被穩定地引入到相應的層中。在所述設計方案中，能夠特別規定地並且在此低成本地實現電荷的引入。此外，如果隨後在預先給定的運行條件下運行時工作並且此外不存在過電壓，則所述電荷在所有運行條件下都得以持久地保持。
[0055]關於根據本發明的方法的其他優點和技術特徵，詳細參見結合根據本發明的氣體傳感器的闡述、附圖以及【專利附圖】
【附圖說明】。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0056]通過附圖闡明並且在隨後的說明中闡述了根據本發明的主題的其他優點和有利的設計方案。在此要注意的是，附圖僅具有所描述的特徵而並未考慮以任何形式局限本發明。附圖中:
[0057]圖1示出用於探測包含在流體流中的物質的根據本發明的氣體傳感器的一種實施方式的示意圖；
[0058]圖2示出描述了用於根據現有技術的具有電絕緣部的氧化物-氮化物-氧化物堆的傳感器的帶圖的示意圖；
[0059]圖3示出描述了用於根據本發明的具有絕緣部的氧化物-氮化物-氧化物堆的傳感器的帶圖的示意圖；並且
[0060]圖4示出描述了流過根據現有技術和根據本發明的電絕緣部的電流密度的對比情況的示意圖。
【具體實施方式】
[0061]在圖1中示意地示出用於探測包含在氣體流中的物質的根據本發明的氣體傳感器10的設計方案。所述裝置10尤其能夠用作氣體傳感器、例如在內燃機的排氣系統中的氣體傳感器。具體的用途是，所述裝置10能夠用作機動車的排氣系統中的氮氧化物傳感器。
[0062]在此，氣體傳感器10尤其包括化學方面敏感的場效應電晶體。具體而言設置有襯底12，所述襯底尤其由半導體材料構成。優選的是，所述襯底12能夠由碳化矽構成。其他不具有局限性的實施例包括例如矽、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)，其中尤其在使用基於GaN的電晶體的情況下的結構原則上也可以是其他結構，也就是說尤其通過以下方式，即以已知的方式在柵極之下空間上較小的層中通過柵電極能夠控制「二維電子氣體」。
[0063]通過添加相應的摻雜劑，襯底12具有源極區域14和漏極區域16，在所述這些區域上布置相應的接頭或者相應的電極、尤其是源電極18和漏電極20。
[0064]此外，在襯底12上布置尤其多孔並且能夠暴露於氣體的柵電極22。在此，在襯底12和柵電極22之間布置電絕緣部24。在此，由於柵電極22的多孔性，與電極發生接觸的氣體種類能夠具有通往電絕緣部的表面的直接通道並且與所述通道發生相互作用。
[0065]在此，電絕緣部24構造為層系統。所述層系統例如能夠包括三層。用於所述層的合適的材料包括例如氧化物，如尤其是氧化鋁、氧化矽、氧化鉿、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化錫、氧化釓、氧化鈰、氧化鑭、氧化鐠、氧化銦、氧化鎢；包括例如混合氧化物，如尤其是鋯鈰氧化物、釓鈰氧化物、釔鋯氧化物、釔鉿氧化物；包括例如具有鈣鈦礦結構的氧化物，尤其是鈦酸鈣、鈦酸鋇、鈦酸鍶；包括例如非氧化物陶瓷，尤其是氮化矽、氮化硼、氮化鈦、碳化矽、矽化鉭、矽化鎢，和/或相應的硼化物，即硼化鈦、硼化鉭、硼化鑭、硼化鎢。
[0066]在一種設計方案中，電絕緣部24的層系統的與襯底12相鄰、如例如與碳化矽襯底相鄰布置的層26能夠包括氧化矽，層厚約為IOnm並且通過碳化矽的氧化產生。中間層28在此能夠包括氮化矽，層厚約為30nm。此外，外側的並且與柵電極22相鄰的層30能夠包括氧化鋁，層厚同樣約為30nm。
[0067]在另一設計方案中，電絕緣部24的層系統的與襯底12相鄰、如與碳化矽襯底相鄰布置的層26能夠包括氧化矽，層厚約為20nm並且通過碳化矽的氧化產生。中間層28在此能夠包括氮化矽，層厚約為30nm。此外，外側的並且與柵電極22相鄰的層30能夠包括氧化娃，層厚約為30nm。
[0068]原則上，電絕緣部24包括的所有層26、28、30都能夠具有處於小於或者等於IOOnm的範圍內的厚度。在此，層系統的與襯底12相鄰布置的層26、即尤其包括氧化矽的層能夠具有處於小於或者等於50nm的範圍內的厚度。此外，其他層28、30能夠處於大於或者等於IOnm的範圍內。
[0069]此外，在源極區域14和漏極區域16之間設置有空間電荷區32或者溝道，或者其通過將電壓施加到柵電極22上形成。具體而言襯底12的材料的存在於源極區域14和漏極區域16之間的空間電荷區32形成或者改變。類似情況可以是，帶電的離子貼靠在柵電極22上並且由此引起柵電極22上電壓升高。
[0070]為了形成機械方面特別穩定的電絕緣部24，並且同時為了實現特別好的電絕緣功能、尤其為了避免漏電，將規定的電荷引入到所述層系統的至少一層26、28、30中。這例如通過施加電壓並且通過形成隧道電流(Tunnelstrom)能夠實現。附加的是，電絕緣部24的層系統的至少一層26、28、30能夠具有規定的增大了的結晶度或者規定的結晶度程度。
[0071]由於這種穩定，能夠以特別有利的方式測量或者傳感器能夠在直至500°C或者甚至500°C以上的溫度範圍內運行，而在溫度升高時不必擔心漏電增多或者機械穩定性受限。由此例如即使在高溫時也能夠防止由於時效效應而出現的測量信號的漂移，這實現了特別可靠且長時間穩定的測量。
[0072]層26、28、30中的一層或者多層、如例如中間層28和/或外側層30的穩定能夠例如通過人工時效過程實現。這能夠例如通過層26、28、30中的一層或者多層的有針對性的結晶實現。
[0073]在此，結晶例如在從大於或者等於600°C直至小於或者等於1200°C的溫度中利用一般多個小時的過程時間在含氧的環境中實現並且受溼度影響。這種處理導致了例如氧化鋁層的結晶。相應的環境在此能夠簡單地可形成，這例如相應於溼氣氧化步驟中的環境，以製造氧化矽。在此，在設有多層絕緣層的碳化矽的情況下，雖然沒有發生碳化矽的氧化，但是發生了柵極堆的結構穩定化。
[0074]結晶或者人工時效過程例如能夠通過調和過程(Tempervorgang)、如例如所謂的快速熱退火(Rapid Thermal Annealing)例如在惰性氣體、如例如IS氣中實現。在此能夠使用例如加熱燈或者冷卻燈，所述燈能夠處於每秒20°C的範圍內並且在此還能夠具有2分鐘的保持時間並且還能夠具有從大於或者等於900°C直至小於或者等於1200°C的溫度範圍內的溫度。如果在製造場效應電晶體時能夠共同實現氧化層的熱處理與觸頭的合金化，那麼會尤其顯現這種工藝的優點。在此，從這點上看優點例如能夠是，能夠省去額外的步驟，因為每個調和步驟也會成為半導體襯底的負荷。
[0075]支持上述方法的是，單個層26、28、30或者尤其是通過加入電荷進行改性的層26、28,30的層厚能夠如此選擇，使得在典型的運行條件下儲存在所述層中的電荷載體不發生變化。在三層結構中選擇的外側層30的層厚尤其應該如此選擇，使得在所有後期的運行條件下都不到達在中間層28中引入的電荷的遂道，其中所述隧道尤其涉及溫度和電壓或者其由此涉及在外側的絕緣層30中產生的電場。對此合適的層厚包括例如從大於或者等於約IOnm直至小於或者等於約IOOnm的範圍。
[0076]在上述裝置中或者在這種構造為場效應電晶體的氣體傳感器10中，通過氣體種類的相互作用、例如尤其藉助柵電極22與電絕緣部24的相互作用並且根據探測到的種類能夠改變空間電荷區32中的電荷載體濃度，從而藉助遂道電流的變化能夠識彆氣體的存在。
[0077]尤其針對這種情況，即在上述裝置的製造過程中將額外的電荷載體引入到電絕緣部24的層26、28、30中的一層或多層中，能夠以合適的方式改變測量方法，由此注入的電荷隨著時間沒有變化或沒有顯著變化。因此，這在氣體傳感器10的長期運行中能夠尤其有幫助。在這種方法中限定柵電極22處的電壓並且能夠儘可能短地保持高溫時在柵極區域上施加電壓的時間。這例如能夠通過傳感器的間歇性的運行實現。在此尤其能夠多個傳感器10或者多個場效應電晶體如上述那樣並聯。在此能夠在相應的工作點中相應地將柵極電壓施加到一場效應電晶體上，反之，將反向電壓施加到另一場效應電晶體上。因此每次僅一個單個場效應電晶體運行，從而使得所述場效應電晶體能夠提供測量信號。對相應的場效應電晶體的信號的選擇在此能夠通過施加相應的柵極勢能(Gate-Potenzial)例如藉助集成電路有針對性地壓縮溝道實現。
[0078]在圖2中示出了根據現有技術以氧化物-氮化物-氧化物堆作為電絕緣部24的層系統的示例性的氣體傳感器10的帶圖仿真(Simulation)的示意實施例。詳細地示出了作為線C的費米能級(Ferm1-Energie),關於此示出作為線B的價帶和作為線A的導帶。在此，X軸示出從襯底12起單個層以納米(nm)為單位的深度或者厚度D，所述襯底由碳化矽(n-4H-SiC)構成。與襯底12鄰接布置由氧化矽構成的第一絕緣層34，隨後跟有由氮化矽構成的其他絕緣層36，並且跟有在所述仿真中由氧化矽構造的其他絕緣層38。與外側的絕緣層38鄰接設置有柵電極40，所述柵電極在所述情況下由鈦構成。此外Y軸示出了以電子伏特(eV)為單位的帶能E。這種層系統相應於現有技術，因為在電絕緣部24中沒有根據本發明改性的層。
[0079]用於根據圖2的傳感器的帶圖仿真在此描述了場效應電晶體運行中的狀態，其中在柵電極40與布置在所述絕緣部之下的溝道之間施加了 5V的示例電壓，這導致了勢能差和橫向於電絕緣部的層系統的電場。由圖2可看出，從襯底12或者從半導體材料到柵電極40的金屬的勢魚高度(Barrierenh6he )處於小於5eV的範圍內。
[0080]作為比較在圖3中示出了根據本發明的氣體傳感器10的仿真的示意實施例。原則上根據圖3的X軸同樣示出了從襯底12起單個層以納米(nm)為單位的深度或者厚度D，所述襯底由碳化矽(n-4H-SiC)構成。與襯底12鄰接布置由氧化矽構成的第一絕緣層26，隨後跟有由氮化矽構成的其他絕緣層28，並且跟有在所述仿真中由氧化矽構造的其他絕緣層30。與外側的絕緣層30鄰接設置有柵電極22，所述柵電極在所述情況下由鈦構成。此外Y軸示出了以電子伏特(eV)為單位的帶能E。
[0081]在這種裝置中，在中間層28、即氮化矽層中均勻地引入額外的、穩定的電荷。具體而言，在所述層中儲存了數量為5X IO18CnT3的電荷。
[0082]用於根據圖3的這種根據本發明的傳感器的帶圖仿真在此描述了場效應電晶體運行中的狀態，其中在柵電極22與布置在所述絕緣部之下的溝道之間施加了 5V的電壓，這導致了勢能差和橫向於電絕緣部的層系統的電場。由圖3可看出，從襯底12或者從半導體材料到柵電極22的金屬的勢壘高度處於大於SeV的範圍內。通過移動所述帶引起的勢壘的提高由箭頭42表明。原則上有利的是，在具有大帶隙的半導體中實現儘可能高的勢壘。通過合適的、由所選擇的絕緣材料確定的帶偏移在絕緣體和半導體之間能夠調整到良好的絕緣特性。
[0083]在圖4中示出了流過絕緣層或者流過電絕緣部24的相應仿真的電流密度，所述電流密度能夠尤其通過電子穿過絕緣堆的福勒-諾得海姆隧道(Fowler Nordheim-Tunnel)產生。根據本發明的氣體傳感器10的仿真相應於線D，線E示出了相應於現有技術的結構元件的仿真。線F示出了在根據本發明改性的結構元件處的實際測量值。在此X軸示出了以MV/cm為單位的有效電場強度，而Y軸則示出了以A/cm2為單位的電流密度J。
[0084] 從圖4中顯而易見的是，流動的電流或者電流密度J由於注入到層堆中或者注入到電絕緣部24的層中的電荷，即在根據本發明的柵極堆中，在電流量相同時朝向明顯更高的場移動。由此顯而易見的是，沒有根據本發明的改性、即通過在相應的材料中引入電荷的情況下，相同的層結構在更高的溫度下已經被穿通、也就是不再有合適的絕緣部供使用。
【權利要求】
1.氣體傳感器，包括具有襯底(12)的場效應電晶體，在所述襯底上布置有能夠暴露於氣體的柵電極(22)、源電極(18)和漏電極(20)，其中在所述襯底(12)和所述柵電極(22)之間布置有電絕緣部(24)，其中所述電絕緣部(24)構造為層系統，並且其中將規定的、穩定的電荷引入到所述層系統的至少一層(26、28、30)中。
2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其中所述層系統的至少一層(26、28、30)具有規定的結晶度。
3.根據權利要求2所述的氣體傳感器，其中所述結晶度存在於從大於或者等於20%直至小於或者等於60%的範圍內。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的氣體傳感器，其中所述電絕緣部(24)的層系統包括三層(26、28、30)。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的氣體傳感器，其中將規定的、穩定的電荷引入到所述層系統的中間層(28)中並且必要時所述層系統的中間層(28)具有規定的結晶度。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的氣體傳感器，其中至少一層(26、28、30)包括氧化物，如尤其是氧化鋁、氧化矽、氧化鉿、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化錫、氧化釓、氧化鈰、氧化鑭、氧化鐠、氧化銦、氧化鎢；並且/或者其中至少一層(26、28、30)包括混合氧化物，如尤其是鋯鈰氧化物、釓鈰氧化物、釔鋯氧化物、釔鉿氧化物；並且/或者其中至少一層(26、28,30)包括具有鈣鈦礦結構的氧化物，尤其是鈦酸鈣、鈦酸鋇、鈦酸鍶；並且/或者其中至少一層(26、28、30)包括非氧化物陶瓷，尤其是氮化矽、氮化硼、氮化鈦、碳化矽、矽化鉭、矽化鎢，和/或相應的硼化物，即硼化鈦、硼化鉭、硼化鑭、硼化鎢。
7.根據權利要求6所述的氣體傳感器，其中所述層系統的與所述襯底(12)相鄰布置的層(26)包括氧化矽，並且/或者其中所述層系統的中間層(28)包括氮化矽，並且/或者其中所述層系統的外側層(30)包`括氧化鋁或者氧化矽。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的氣體傳感器，其中所述電絕緣部(24)具有厚度，所述厚度處於小於或者等於500nm、優選小於或者等於IOOnm的範圍內。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的氣體傳感器，其中所述層系統的與所述襯底(12)相鄰布置的層(26)包括襯底材料的氧化物並且尤其具有厚度，所述厚度處於小於或者等於lOOnm、優選小於或者等於50nm的範圍內。
10.用於製造用來探測包含在流體流中的物質的氣體傳感器(10)、尤其是根據權利要求I至9中任一項所述的氣體傳感器(10)的方法，所述方法包括下列方法步驟: a)提供襯底(12)； b)將電絕緣部(24)施加到所述襯底(12)的至少一個部分區域上，其中所述電絕緣部(24)具有由多層(26,28,30)構成的層系統； c)將額外的、穩定的電荷引入到所述層系統的層(26、28、30)中的至少一層中；並且 d)將導電層施加到所述電絕緣部(24)上。
11.根據權利要求10所述的方法，其中實現了所述層系統的層(26、28、30)中的至少一層的至少部分的結晶。
12.根據權利要求11所述的方法，其中通過溫度升高的情況下對相應層(26、28、30)的處理實現了至少部分的結晶。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的方法，其中通過將電壓施加到至少一層（26、28、30）上引入電荷
【文檔編號】H01L29/772GK103529108SQ201310306951
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月2日 優先權日:2012年7月3日
【發明者】A·克勞斯, W·達夫斯 申請人:羅伯特·博世有限公司