气体传感器和用于制造这种气体传感器的方法

气体传感器和用于制造这种气体传感器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于探测包含在流体流中的物质的气体传感器(10)，所述气体传感器包括具有衬底(12)的场效应晶体管，在所述衬底上布置有能够暴露于气体的栅电极(22)、源电极(18)和漏电极(20)，其中在所述衬底(12)和所述栅电极(22)之间布置有电绝缘部(24)，其中所述电绝缘部(24)构造为层系统，并且其中将规定的并且稳定的电荷引入到所述层系统的至少一层(26、28、30)中。这种气体传感器(10)即使在高温时也通过机械方面和电方面稳定的电绝缘部(24)提供特别稳定的测量性能。此外本发明还涉及一种用于制造这种气体传感器(10)的方法。
【专利说明】气体传感器和用于制造这种气体传感器的方法
【技术领域】
[0001]本发明的主题是包括场效应晶体管的气体传感器。此外本发明的主题是用于制造这种气体传感器的方法。
【背景技术】
[0002]传感器、如例如化学的气体传感器经常在高温下运行，所述气体传感器基于具有衬底的场效应晶体管，所述衬底例如具有带有大带隙的半导体材料，所述高温能够处于300°C或者以上的范围中。这种温度例如存在于能够布置在内燃机的排气系统中或者上的传感器中。为了实现传感器中恒定的温度，经常还会需要将传感器加热超过环境温度。
[0003]除了这种传感器相对于这种温度的机械稳定性以及电学稳定性之外，此外还可能有利的是相对于各种不同的材料、如例如氧气、水或者湿气(Feucht i gke i t)、形成酸的气体、如例如氮氧化物或者硫氧化物并且相对于溶解的物质、如例如金属离子的化学稳定性。

【发明内容】

[0004]本发明的主题是气体传感器，其包括具有衬底的场效应晶体管，在所述衬底上布置有能够暴露于气体的栅电极、源电极和漏电极，其中在衬底和栅电极之间布置有电绝缘部，其中所述电绝缘部构造为层系统，并且其中将规定的、稳定的电荷引入到所述层系统的至少一层中。
[0005]这种气体传感器在此包括场效应晶体管，所述场效应晶体管以已知的方式包括衬底。所述衬底能够例如由碳化硅构成并且例如通过相应的掺杂剂而具有源极区域以及漏极区域，在所述源极区域上布置有源电极，在所述漏极区域上布置有漏电极。在所述源极区域和所述漏极区域之间能够布置或者在运行时形成半导体衬底的空间电荷区或者沟道。在所述衬底的空间电荷区上方能够布置绝缘体或者电绝缘部，所述绝缘体或者电绝缘部使得衬底或者空间电荷区与栅电极分开。
[0006]因此，对于场效应晶体管或者场效应气体传感器能够以已知的方式尤其理解为一种结构，对所述结构而言在吸附确定的气体或者确定的气体离子时能够通过电场的作用改变电方面和物理方面可测量的参量。所述物理方面可测量的参量能够例如是两个连接触头之间的电阻或者源极触头和漏极触头之间的电流或者电容，所述电容在电极位置和背电极(Riickelektrode)之间是可测量的。
[0007]所述背电极尤其能够通过半导体衬底形成，在所述半导体衬底中构造对气体敏感的场效应晶体管的源极区域、漏极区域以及布置在源极区域和漏极区域之间的沟道区域，其中所述沟道区域或者所述空间电荷区域的至少一个表面邻接到绝缘层上。
[0008]这种实施方式呈现的优点在于，气体传感器能够以差异最大的变型方案用于气体探测并且因此能够与相应地应用于分析单元的技术相匹配。这又能够再次呈现优点，即气体探测器能够基于半导体衬底制造，其中对于分析的不同方案也能够实施气体传感器的不同方案。所述气体传感器的不同实施方式也能够具有对于不同种类气体的不同的敏感性，从而通过气体传感器的不同设计方案的自由度将上述装置能够应用于高精度的气体探测。
[0009]在此栅电极尤其能够是多孔的，以引起位于下面的层与待测量的气体流或者存在于气体流中的物质相互作用。此外，栅电极尤其能够暴露于气体，即能够直接并且紧贴着暴露于待测量的气体流或者能够与所述气体流接触。电极或者传感器相对于流体流或者流体也能够至少短期地暴露，这例如在气体流中冷凝的条件下能够是必需的。
[0010]栅电极和衬底或者空间电荷区域之间的电绝缘部尤其能够构造为层系统。层系统在此尤其可以意味着多个具有相同或者不同的材料的单层，所述单层尤其直接相互邻接地布置。所述层系统在下文中也被称为栅极堆(Gatestapel)。例如多个具有必要时不同功能性的层的组合能够形成层系统，所述层系统能够形成电绝缘部。在此所述层系统的至少一层能够被用作电绝缘体，所述至少一层具有大于I X 10E70hmXcm的比电阻或者具有大于4eV的带隙。这种层结构的其他有利的实施方式能够以尽可能合适的次序形成例如具有良好的绝缘性的良好的扩散阻挡(Diffusionsbarrier)和具有良好的耐腐蚀性的层的组合。
[0011]在此能够将规定的、稳定的电荷引入到所述层系统的至少一层中。
[0012]上述装置或者如此构造的气体传感器尤其能够改善电绝缘部、如尤其安装在场效应晶体管的活性的沟道区域上的栅极绝缘部的结构方面和电方面的稳定性。此外尤其在高温时能够减少漏电。如上所述，这尤其能够通过在制造期间对层系统中的电绝缘部或者栅极绝缘部的单个层有针对性地并且持续地进行改性实现，所述改性例如通过有针对性地将电荷引入到或者使电荷形成到电绝缘部的相应的层材料或单个的或者全部的层中实现。
[0013]具体来说，能够例如在将尤其稳固的或者稳定的电荷构造到层系统的层材料中或者绝缘层中的一层中时实现。所述层系统在施加的电压相同并且构件在升高的温度下运行的情况下实现了，即使在高温时，尤其与现有技术中相应的装置相比，明显减少了漏电。因为例如通过形成电荷产生了对于隧道电流而言明显升高的势垒，这能够使得漏电减少。
[0014]在此有利的是尤其稳定的或者稳定化的额外的电荷，因为在气体传感器的长期运行中并且在测量时出现苛刻的条件的情况下、如例如腐蚀性环境、湿气和/或高温，所述电荷也没有离开所述层，这实现了特别可靠的并且长时间稳定的测量。在本发明的意义中，所述稳定化的电荷的存在在此能够尤其通过持续地将电荷引入到相应的层或者相应层的材料中实现。因此例如在测量过程或者运行期间通过以许可的大小施加电压，所述稳定化的电荷没有离开材料。换句话说在所有的运行条件下所述电荷稳定地保留在相应的层中。
[0015]除了如上所述改善电特性外，具有如上所述构造的绝缘层系统的装置还能够显示结构中的变化。因此通过结构变化引入电荷能够使得所述结构在运行时保持稳定。由此即使在尤其苛刻的条件的影响下、例如腐蚀性环境、湿气和/或高温，也能够实现特别长时间稳定的并且可靠的测量性能。
[0016]此外，通过设置如上所述通过结构变化改性的绝缘部能够实现相对于不期望的物质、如例如来自待测量的流体流或者栅电极的物质而言特别好的扩散阻挡。
[0017]因此尤其有利的是用于改善电方面和/或机械方面稳定性的尤其电绝缘部的改性，因为所述绝缘部承担了多个功能。这类功能的例子例如是根本上的电绝缘、相对于栅极或者栅电极的电绝缘材料以及相对于来自待测量的流体流、如例如废气或者废气冷凝物的污染物的扩散阻挡的形成。为此电绝缘部能够具有尤其多种特性、如例如良好的电稳定性、更小的杂质密度(SWrstellendichte )和与衬底材料以及与栅电极的材料的良好的相容性。此外可能有利的是高的电压稳定性、在高温时、如例如尤其在500°C或者以上的温度时的高击穿强度以及良好的化学惰性。为了使这些特性统一在电绝缘部中，能够有利的是如上所述的多层结构，其中能够以有利的方式对单个层或者所有层改性。
[0018]由此呈现的优点是，即使在温度升高时栅极绝缘层也有稳定的击穿场强。此外即使在温度升高时漏电也保持得很小。
[0019]上述电荷存储的证明能够或者直接通过测量方法、例如开尔文探针-力显微镜(Kelvinsonden-Kraftmikroskopie)或者间接通过在考虑到层厚并且与仿真对比的情况下对电测量的分析实现。
[0020]在设计方案的范围内，所述层系统的至少一层能够具有规定的结晶度(KristalHnitat )。尤其通过规定的结晶度能够特别有利的实现结构稳定化。这尤其能够在下述情况下实现，即通过规定的预时效步骤引入规定的结晶度而形成在使用条件下时效之后得到的状态。具体而言，例如对于纯的非晶形地沉积的氧化铝而言能够在类似于内燃机的废气的具有湿气的环境中在500°C下放置IOOOh之后观察到部分结晶。这符合这种装置在实际使用时的时效性能，因此这与在使用条件下原则上非期望的结构变化一致，这还能够影响电特性。根据本发明能够例如通过在制造过程中已经实现结晶来禁用这种时效步骤。具体而言，即使具有以结晶形式存在的材料的传感器也能够以合适的方式工作，然而能够在制造时已经产生结晶度的高稳定性，从而通过此前进行的结晶作为时效结果能够避免电特性的功能变化并且由此还能够避免必要时需要的传感器后续校准。由此能够实现特别稳定的测量性能。
[0021]在此特别有利的是，获得的结晶度能够在从大于或者等于20%直至小于或者等于60%的范围内，因为这种结晶度大部分符合实际的时效性能。
[0022]在此尤其将电荷引入到其中的这种层能够被晶化，或者层系统的其他层也能够被晶化。所述层的结晶度在此能够直接在现有的层上借助结构成象的方法、例如透射电子显微镜(TEM)或者X射线衍射仪(XRD)证明。
[0023]在另一设计方案的范围内，电绝缘部的层系统包括三层或者由三层组成。尤其在所述方案中，能够实现与应用特别相关的对电绝缘部或者其特性的匹配。具体而言，能够特别有利地匹配特性、例如吸附性能、相对于确定的物质的惰性以及稳定性或者上述特性中的其他特性。在此电绝缘部还能够紧凑地构造并且还能够低成本地制造。在此恰好三层的优点在于最简单地可能的和对称的结构。向外能够有尽可能好的电绝缘材料。电荷存储和/或结晶能够恰好存在于材料或者层、例如尤其中间层中。在此能够省掉多种其他额外的材料,这能够减少复杂性和必要时需要的匹配。
[0024]在另一设计方案的范围内，能够将规定的并且稳定的电荷引入到层系统的中间层中，并且必要时层系统的中间层能够具有规定的结晶度。因此在所述方案中，能够针对性地对尤其中间层改性，以改善电绝缘部的电方面和机械方面的特性。在存在三层的情况下，能够因此对中间层进行改性，而在存在多于三层的层的情况下能够对内层中的一个或者多个层、即非外层进行改性。在所述方案中能够尤其有利的是，不需要对电绝缘部的指向外的平面、即非中间层进行改性，也就是在此能够选择标准材料、例如氧化硅，这尤其能够形成朝向半导体或者朝向栅电极的非常好地电绝缘的并且尽可能好的界面，其中这也尤其能够包含到其他层、例如栅电极或者到半导体材料的附着性能。所述层系统的中间层在此尤其能够是没有直接邻接在衬底材料上或者栅电极上而是被所述层系统的其他两层包围的层。例如在设置三层的情况下，在所述层系统中所述中间层能够是唯一的中间层。在设置多于三层的情况下，在所述层系统中每层都能够指中间层，所述层没有直接邻接在衬底材料上或者栅电极上，并且由此指中间层的一层或者多层。
[0025]在另一设计方案的范围内，至少一层能够包括氧化物、如尤其氧化铝(Al2O3)、氧化娃(SiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化错(ZrO2)、氧化锡(SnO2)、氧化礼(Gd2O3)、氧化铺(CeO2)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铟(In2O3)、氧化鹤(WO3);并且/或者至少一层能够包括混合氧化物、如尤其上述具有形式为硅酸盐的硅的材料以及此外具有分别小于0.5的X和大于0.5的y的锆铈氧化物(ZrxCeyO2)、钆铈氧化物(GdxCeyO2)、乾锆氧化物(YxZry_x02)、乾铪氧化物(YxHfy_x02)之间的混合氧化物；并且/或者至少一层能够包括具有钙钛矿结构的氧化物、如尤其钛酸钙(CaTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锶(SrTiO3);并且/或者至少一层能够包括非氧化物陶瓷、尤其氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化钛(TiN)、碳化硅(SiC)、硅化钽(TaSi)、硅化钨(WSi)，和/或相应的硼化物，即硼化钛、硼化钽、硼化镧、硼化钨。此外至少一层能够由所述材料中的一种或者多种组成。对于本领域技术人员可理解的是，也能够存在由所述材料组成的混合物。
[0026]用于层系统的外侧层和在此尤其用于层系统的与衬底相邻的层的优选的材料尤其能够具有适用于衬底的所使用的半导体材料的带间距或者带偏移，如例如适用于衬底中存在的碳化硅的氧化硅或者氧化铝。用于内层或者中间层的优选的材料包括特别优选适合于电荷引入和电荷存储的材料。为此例如下述材料能够是合适的，所述材料具有比在外侧的材料更小的带隙，并且此外能够有利地提供电荷引入的条件或者附着位置分布的可调整性。在此尤其适合作为实施例的能够是氮化硅或者混合氧化物、如例如硅化铪。
[0027]有关于存有氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化钛和/或非氧化物陶瓷、尤其氮化硅、氮化硼、氧化钛、碳化硅、硅化钽、硅化钨和/或相应的硼化物，即硼化硅、硼化钛、硼化镧、硼化钽、硼化钨，所述设计方案尤其能够用于产生特别高的热稳定性和特别好的电绝缘性能。也能够非常好地考虑作为对抗来自大气或者废气的污物的扩散保护层以及对抗起催化作用的活性的金属电极的扩散保护层的功能。
[0028]有关于存有氧化锆、氧化锡、氧化钆、氧化铈、氧化镧和/或氧化镨和/或存在的混合氧化物、例如尤其锆铈氧化物、钆铈氧化物、钇锆氧化物和/或钇铪氧化物，这种实施方式能够呈现的优点是，尤其对于探测氧气或者其他气体而言，对于所述气体的探测而言在栅极堆的表面上必须存在氧气，基于良好的氧气吸附特性能够存在良好的敏感性和/或选择性。
[0029]有关于存有氧化铟、氧化锡、氧化钨、氧化钆、氧化铈、氧化镧、氧化镨、氧化铝和具有钙钛矿结构的氧化物、尤其是钛酸钙、钛酸钡和钛酸锶，这种实施方式尤其能够呈现的优点是，包括或者由这些材料中的一种或者多种组成的绝缘层能够实现针对氮氧化物的特别好的选择性和敏感性。
[0030]在此上述材料能够掺杂合适的掺杂剂材料。通过掺杂剂例如能够在层的表面上或者内部产生晶格缺陷。这种实施方式能够呈现的优点是，用于确定种类的气体的传感器的敏感性还能够被进一步加强，所述气体能够取决于所使用的掺杂剂材料。合适的掺杂剂材料包括例如铟(In)、钨(W)、贵金属例如金(Au)、钯(Pd)和钼(Pt)以及其他的金属、如例如铁(Fe)、钥(Mb)、钙(Ca)和 / 或钡(Ba)。
[0031]在另一设计方案的范围内，层系统的与衬底相邻布置的层能够包括氧化硅，和/或层系统的中间层能够包括氮化硅，和/或层系统的外侧层能够包括氧化铝或者氧化硅。
[0032]关于在与衬底相邻布置的层中设置氧化硅，这尤其能够具有的优点是，能够特别简单地制造。具体而言特别对碳化硅作为半导体材料而言，所述半导体材料尤其作为适用于高温、具有大带隙的半导体材料能够是有利的，通过衬底表面的氧化物产生氧化硅层用于制造电绝缘部的层系统的第一栅极绝缘层或者第一层。由此尤其能够实现衬底或者半导体材料与电绝缘部或者氧化硅之间的界面的微小的杂质密度和其他优选的界面特性、例如微小的界面粗糙度。此外能够以简单的方式通过选择能够以简单的方式相互协调的氧化参数、如尤其温度曲线、氧化持续时间以及工艺气体环境影响界面的质量。此外氧化硅具有例如相对于碳化硅特别大的带偏移。
[0033]关于在层系统的中间层中设置氮化硅，尤其能够产生特别高的热电稳定性和特别好的电绝缘性。对抗来自大气或者待测量的流体流的污物、如例如废气的扩散保护层以及对抗起催化作用的活性的金属电极的扩散保护层也非常的稳定。
[0034]关于在层堆的外侧层中设置氧化铝或者氧化硅，能够尤其实现氮氧化物的特别好的选择性和敏感性。这以对于本领域技术人员可理解的方式尤其对于氮氧化物传感器、例如废气传感器而言是有利的。此外还能够实现热别高的热稳定和特别好的电绝缘性能。作为对抗来自待测量的流体流的污物以及对抗起催化作用的活性的金属电极的扩散保护层的层也非常稳定。层系统的外侧层在此尤其能够是处于与衬底间隔开的侧面上或者与栅电极相邻、尤其是直接与栅电极相邻的层。
[0035]在另一设计方案的范围内，电绝缘部能够具有厚度，所述厚度处于小于或者等于500nm、优选小于或者等于IOOnm的范围内。通过电绝缘部的整个层系统的这种厚度能够在所述设计方案中引起传感器的特别可靠并且敏感的测量性能，因为在测量过程中存在于与半导体衬底间隔开的侧面上的电场的影响，能够在沟道或者空间电荷区域上以合适的方式存在或者不以过强的方式减弱。
[0036]在另一设计方案的范围内，层系统的与衬底相邻布置的层能够包括衬底材料的氧化物并且尤其具有厚度，所述厚度处于小于或者等于lOOnm、优选小于或者等于50nm的范围。在所述设计方案中能够产生半导体材料、如尤其碳化硅和电绝缘部的第一层、例如尤其氧化硅之间的界面的特别高的质量。尤其当通过半导体材料的氧化实现或者产生第一绝缘层时，界面的质量能够随着氧化层厚度的增加而减少。将氧化层、例如尤其氧化硅层的厚度减少到小于或者等于lOOnm、优选小于或者等于50nm的范围内，在此能够提供足够的绝缘特性，可是在此也实现了尤其具有微小的杂质密度的高质量的界面。
[0037]关于根据本发明的气体传感器的其他优点和技术特征，对此详细参见结合根据本发明的方法的阐述、附图以及【专利附图】

【附图说明】。
[0038]此外本发明的主题是用于制造用于探测包含在流体流中的物质的气体传感器、尤其是如上所述的气体传感器的方法，所述方法包括下列方法步骤:
[0039]a)提供衬底；
[0040]b)将电绝缘部施加到所述衬底的至少一个部分区域上，其中所述电绝缘部具有由多层构成的层系统；[0041]c)将额外的、稳定的电荷引入到所述层系统的层中的至少一层中；并且
[0042]d)将导电层施加到所述电绝缘部上。
[0043]通过这种方法能够以特别简单的方式提供用于探测包含在流体流中的物质的气体传感器。
[0044]在此在第一方法步骤a)中提供了衬底。所述衬底能够以已知的方式由半导体材料、如尤其由碳化硅构成。在此所述衬底能够具有源极区域和与所述源极区域间隔开的并且存在于同样的表面上的漏极区域，在所述漏极区域上通过已知的方法布置有导电层作为源电极或者作为漏电极。所述源极区域或者漏极区域在此能够例如对于硅或者碳化硅作为半导体材料而言用局部溶解的注入方法或者对于硅而言通过热扩散方法利用相应的掺杂剂构造。源极区域和漏极区域尤其能够通过n+掺杂剂产生。与此相对地，所述衬底能够具有P掺杂剂、如尤其对于场效应晶体管已知的P掺杂剂。
[0045]在进一步的方法步骤b)中此外能够在衬底上施加电绝缘部。尤其能够至少在源极区域和漏极区域重叠的部分区域上施加电绝缘部。在此所述电绝缘部能够具有由多层组成的层系统。
[0046]电绝缘部的第一层例如能够通过衬底的半导体材料的氧化产生。尤其是能够把碳化娃氧化成氧化娃，其中以有利的方式产生了具有小于或者等于50nm厚度的氧化娃层。
[0047]其他层例如能够通过在半导体工艺过程中常见的方法产生或者沉积。合适的方法包括例如物理方面的沉淀作用方法、如例如物理气相沉积(PVD)方法、磁喷镀或者还包括化学方面的沉淀作用方法、例如化学气相沉淀(CVD)或者原子层沉积(ALD)。
[0048]用于电绝缘部的层系统的绝缘层的合适的材料在此包括氧化物、例如尤其氧化铝、氧化硅、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化钆、氧化铈、氧化镧、氧化镨、氧化铟、氧化钨；包括混合氧化物、例如尤其锆铈氧化物、钆铈氧化物、钇锆氧化物和钇铪氧化物；包括具有钙钛矿结构的氧化物、尤其钛酸钙、钛酸钡和钛酸锶；包括非氧化物陶瓷、尤其氮化硅、氮化硼、氮化钛、碳化硅、硅化钽、硅化钨，和/或相应的硼化物、即硼化硅、硼化钛、硼化钽、硼化镧和硼化钨。
[0049]在进一步的方法步骤中，根据本发明将额外的稳定的电荷引入到层系统的至少一层中。所述方法步骤能够整合在施加相应层的工艺过程中。例如这能够通过适当地选择相应的沉积方法或者适当地选择适当的沉积参数实现，尤其是通过在所述工艺过程中或者之后的热处理，或者通过在适当条件下在所述工艺过程之后施加电压实现。对于Si3N4的沉积而言，例如能够选择例如等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，所述气相沉积法能够在300°C到400°C之间的温度下进行，或者选择在600°C到800°C之间的温度范围内的低压化学气相沉积(LPCVD)(低压方法)。作为调和步骤能够考虑例如所谓的快速热退火方法(RTA)，所述方法例如对于Si3N4而言以例如1000°C /min的斜坡和1000°C下的2分钟的保持时间起作用。理想的是，在此能够使用工艺过程期间为其他目的所需的调和步骤、例如场氧化物(Feldoxid)或者钝化物的调和(退火)或者对SiC半导体材料而言使用注入物的活性化或者用于改变栅极堆材料的触头的合金化。在室温时或者在温度升高直至约600°C时能够实现将电子电荷电冲压到多层的层系统的一层中。在此必须如此选择电压，从而利用相应的电场、如约5MV/cm的场，通过将电荷引入到栅极堆并且尤其引入到栅极堆的接收电荷的(部分)层中能够产生穿过栅极堆的隧道电流。在此典型的电流处于10E-6A/cm2以下的范围内。
[0050]总之,通过例如在相应的材料层的氧化或者沉淀作用(Deposition)时参数的选择并且首先通过热方面的后续处理步骤能够在规定的气体环境中调整单层的电绝缘性能、结构稳定性、防扩散性和由此绝缘层类似的相应的特性。
[0051]在最后一个方法步骤d)中，能够在电绝缘部上施加导电层。所述导电层随后尤其用于栅电极。栅电极、也如漏电极或者源电极尤其能够包括从由钼、钯、铑、钌、金、银和/或铬组成的组合中选出的材料。此外所述导电层、也如漏电极或者源电极的相应的导电层尤其能够通过物理学的方法、例如汽化渗镀或者喷镀方法或者通过来自悬浮物的颗粒的沉积施加。
[0052]在设计方案范围内，在层系统的层中至少一层内至少实现了部分结晶。在此尤其有利的是，在处理相应的材料、例如氧化铝层时不进行完全的结晶。由此能够避免在相应层中产生连续晶界并且由此避免例如碱离子沿着所述晶界的快速扩散。有利的是，能够进行直至约20%至60%的结晶度的结晶，所述结晶具有一般具有大于或者等于层厚度的10%直至小于或者等于层厚度的50%的单个结晶区域的直径。这例如对于来自原子层沉积方法(ALD)的非结晶形氧化铝而言当层厚在例如大于或者等于IOnm直至小于或者等于50nm的范围内时能够通过调和步骤实现，在所述调和步骤中例如在2min至5min内能够实现温度从900°C到达1200°C。在更高的温度中能够相应地选择更短的时间。反应气体、例如氧气或者湿气的存在能够明显地加快高温时的结晶，或者在明显的低温下实现结晶。因此对于非结晶形沉积的氧化铝而言即使暴露于潮湿的空气中在低于700°C的温度下经过几百个小时也能够实现部分结晶。
[0053]对结晶的实施例而言，由此能够通过在升高的温度下相应层的处理实现所述结晶。尤其能够通过在大于或者等于600°C直至小于或者等于1200°C的温度范围内的层处理实现所述步骤。例如此处能够使用多个小时的工艺过程时间、例如在2h直至IOOh的范围内。此外所述步骤能够在氧气和/或湿气的影响下进行。在此应该如此选择所述条件，从而使得在其他材料例如栅极绝缘材料上仅进行一次结晶或者结构稳定化而没有进行非期望的氧化过程。
[0054]在另一设计方案的范围中，通过施加电压到至少一层上实现了将电荷引入到或者形成到至少一层中、或者尤其将电子引入到至少一层中。在所述设计方案中，电荷由于隧道电流的产生被稳定地引入到相应的层中。在所述设计方案中，能够特别规定地并且在此低成本地实现电荷的引入。此外，如果随后在预先给定的运行条件下运行时工作并且此外不存在过电压，则所述电荷在所有运行条件下都得以持久地保持。
[0055]关于根据本发明的方法的其他优点和技术特征，详细参见结合根据本发明的气体传感器的阐述、附图以及【专利附图】

【附图说明】。
【专利附图】

【附图说明】
[0056]通过附图阐明并且在随后的说明中阐述了根据本发明的主题的其他优点和有利的设计方案。在此要注意的是，附图仅具有所描述的特征而并未考虑以任何形式局限本发明。附图中:
[0057]图1示出用于探测包含在流体流中的物质的根据本发明的气体传感器的一种实施方式的示意图；
[0058]图2示出描述了用于根据现有技术的具有电绝缘部的氧化物-氮化物-氧化物堆的传感器的带图的示意图；
[0059]图3示出描述了用于根据本发明的具有绝缘部的氧化物-氮化物-氧化物堆的传感器的带图的示意图；并且
[0060]图4示出描述了流过根据现有技术和根据本发明的电绝缘部的电流密度的对比情况的示意图。
【具体实施方式】
[0061]在图1中示意地示出用于探测包含在气体流中的物质的根据本发明的气体传感器10的设计方案。所述装置10尤其能够用作气体传感器、例如在内燃机的排气系统中的气体传感器。具体的用途是，所述装置10能够用作机动车的排气系统中的氮氧化物传感器。
[0062]在此，气体传感器10尤其包括化学方面敏感的场效应晶体管。具体而言设置有衬底12，所述衬底尤其由半导体材料构成。优选的是，所述衬底12能够由碳化硅构成。其他不具有局限性的实施例包括例如硅、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)，其中尤其在使用基于GaN的晶体管的情况下的结构原则上也可以是其他结构，也就是说尤其通过以下方式，即以已知的方式在栅极之下空间上较小的层中通过栅电极能够控制“二维电子气体”。
[0063]通过添加相应的掺杂剂，衬底12具有源极区域14和漏极区域16，在所述这些区域上布置相应的接头或者相应的电极、尤其是源电极18和漏电极20。
[0064]此外，在衬底12上布置尤其多孔并且能够暴露于气体的栅电极22。在此，在衬底12和栅电极22之间布置电绝缘部24。在此，由于栅电极22的多孔性，与电极发生接触的气体种类能够具有通往电绝缘部的表面的直接通道并且与所述通道发生相互作用。
[0065]在此，电绝缘部24构造为层系统。所述层系统例如能够包括三层。用于所述层的合适的材料包括例如氧化物，如尤其是氧化铝、氧化硅、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化钆、氧化铈、氧化镧、氧化镨、氧化铟、氧化钨；包括例如混合氧化物，如尤其是锆铈氧化物、钆铈氧化物、钇锆氧化物、钇铪氧化物；包括例如具有钙钛矿结构的氧化物，尤其是钛酸钙、钛酸钡、钛酸锶；包括例如非氧化物陶瓷，尤其是氮化硅、氮化硼、氮化钛、碳化硅、硅化钽、硅化钨，和/或相应的硼化物，即硼化钛、硼化钽、硼化镧、硼化钨。
[0066]在一种设计方案中，电绝缘部24的层系统的与衬底12相邻、如例如与碳化硅衬底相邻布置的层26能够包括氧化硅，层厚约为IOnm并且通过碳化硅的氧化产生。中间层28在此能够包括氮化硅，层厚约为30nm。此外，外侧的并且与栅电极22相邻的层30能够包括氧化铝，层厚同样约为30nm。
[0067]在另一设计方案中，电绝缘部24的层系统的与衬底12相邻、如与碳化硅衬底相邻布置的层26能够包括氧化硅，层厚约为20nm并且通过碳化硅的氧化产生。中间层28在此能够包括氮化硅，层厚约为30nm。此外，外侧的并且与栅电极22相邻的层30能够包括氧化娃，层厚约为30nm。
[0068]原则上，电绝缘部24包括的所有层26、28、30都能够具有处于小于或者等于IOOnm的范围内的厚度。在此，层系统的与衬底12相邻布置的层26、即尤其包括氧化硅的层能够具有处于小于或者等于50nm的范围内的厚度。此外，其他层28、30能够处于大于或者等于IOnm的范围内。
[0069]此外，在源极区域14和漏极区域16之间设置有空间电荷区32或者沟道，或者其通过将电压施加到栅电极22上形成。具体而言衬底12的材料的存在于源极区域14和漏极区域16之间的空间电荷区32形成或者改变。类似情况可以是，带电的离子贴靠在栅电极22上并且由此引起栅电极22上电压升高。
[0070]为了形成机械方面特别稳定的电绝缘部24，并且同时为了实现特别好的电绝缘功能、尤其为了避免漏电，将规定的电荷引入到所述层系统的至少一层26、28、30中。这例如通过施加电压并且通过形成隧道电流(Tunnelstrom)能够实现。附加的是，电绝缘部24的层系统的至少一层26、28、30能够具有规定的增大了的结晶度或者规定的结晶度程度。
[0071]由于这种稳定，能够以特别有利的方式测量或者传感器能够在直至500°C或者甚至500°C以上的温度范围内运行，而在温度升高时不必担心漏电增多或者机械稳定性受限。由此例如即使在高温时也能够防止由于时效效应而出现的测量信号的漂移，这实现了特别可靠且长时间稳定的测量。
[0072]层26、28、30中的一层或者多层、如例如中间层28和/或外侧层30的稳定能够例如通过人工时效过程实现。这能够例如通过层26、28、30中的一层或者多层的有针对性的结晶实现。
[0073]在此，结晶例如在从大于或者等于600°C直至小于或者等于1200°C的温度中利用一般多个小时的过程时间在含氧的环境中实现并且受湿度影响。这种处理导致了例如氧化铝层的结晶。相应的环境在此能够简单地可形成，这例如相应于湿气氧化步骤中的环境，以制造氧化硅。在此，在设有多层绝缘层的碳化硅的情况下，虽然没有发生碳化硅的氧化，但是发生了栅极堆的结构稳定化。
[0074]结晶或者人工时效过程例如能够通过调和过程(Tempervorgang)、如例如所谓的快速热退火(Rapid Thermal Annealing)例如在惰性气体、如例如IS气中实现。在此能够使用例如加热灯或者冷却灯，所述灯能够处于每秒20°C的范围内并且在此还能够具有2分钟的保持时间并且还能够具有从大于或者等于900°C直至小于或者等于1200°C的温度范围内的温度。如果在制造场效应晶体管时能够共同实现氧化层的热处理与触头的合金化，那么会尤其显现这种工艺的优点。在此，从这点上看优点例如能够是，能够省去额外的步骤，因为每个调和步骤也会成为半导体衬底的负荷。
[0075]支持上述方法的是，单个层26、28、30或者尤其是通过加入电荷进行改性的层26、28,30的层厚能够如此选择，使得在典型的运行条件下储存在所述层中的电荷载体不发生变化。在三层结构中选择的外侧层30的层厚尤其应该如此选择，使得在所有后期的运行条件下都不到达在中间层28中引入的电荷的遂道，其中所述隧道尤其涉及温度和电压或者其由此涉及在外侧的绝缘层30中产生的电场。对此合适的层厚包括例如从大于或者等于约IOnm直至小于或者等于约IOOnm的范围。
[0076]在上述装置中或者在这种构造为场效应晶体管的气体传感器10中，通过气体种类的相互作用、例如尤其借助栅电极22与电绝缘部24的相互作用并且根据探测到的种类能够改变空间电荷区32中的电荷载体浓度，从而借助遂道电流的变化能够识别气体的存在。
[0077]尤其针对这种情况，即在上述装置的制造过程中将额外的电荷载体引入到电绝缘部24的层26、28、30中的一层或多层中，能够以合适的方式改变测量方法，由此注入的电荷随着时间没有变化或没有显著变化。因此，这在气体传感器10的长期运行中能够尤其有帮助。在这种方法中限定栅电极22处的电压并且能够尽可能短地保持高温时在栅极区域上施加电压的时间。这例如能够通过传感器的间歇性的运行实现。在此尤其能够多个传感器10或者多个场效应晶体管如上述那样并联。在此能够在相应的工作点中相应地将栅极电压施加到一场效应晶体管上，反之，将反向电压施加到另一场效应晶体管上。因此每次仅一个单个场效应晶体管运行，从而使得所述场效应晶体管能够提供测量信号。对相应的场效应晶体管的信号的选择在此能够通过施加相应的栅极势能(Gate-Potenzial)例如借助集成电路有针对性地压缩沟道实现。
[0078]在图2中示出了根据现有技术以氧化物-氮化物-氧化物堆作为电绝缘部24的层系统的示例性的气体传感器10的带图仿真(Simulation)的示意实施例。详细地示出了作为线C的费米能级(Ferm1-Energie),关于此示出作为线B的价带和作为线A的导带。在此，X轴示出从衬底12起单个层以纳米(nm)为单位的深度或者厚度D，所述衬底由碳化硅(n-4H-SiC)构成。与衬底12邻接布置由氧化硅构成的第一绝缘层34，随后跟有由氮化硅构成的其他绝缘层36，并且跟有在所述仿真中由氧化硅构造的其他绝缘层38。与外侧的绝缘层38邻接设置有栅电极40，所述栅电极在所述情况下由钛构成。此外Y轴示出了以电子伏特(eV)为单位的带能E。这种层系统相应于现有技术，因为在电绝缘部24中没有根据本发明改性的层。
[0079]用于根据图2的传感器的带图仿真在此描述了场效应晶体管运行中的状态，其中在栅电极40与布置在所述绝缘部之下的沟道之间施加了 5V的示例电压，这导致了势能差和横向于电绝缘部的层系统的电场。由图2可看出，从衬底12或者从半导体材料到栅电极40的金属的势鱼高度(Barrierenh6he )处于小于5eV的范围内。
[0080]作为比较在图3中示出了根据本发明的气体传感器10的仿真的示意实施例。原则上根据图3的X轴同样示出了从衬底12起单个层以纳米(nm)为单位的深度或者厚度D，所述衬底由碳化硅(n-4H-SiC)构成。与衬底12邻接布置由氧化硅构成的第一绝缘层26，随后跟有由氮化硅构成的其他绝缘层28，并且跟有在所述仿真中由氧化硅构造的其他绝缘层30。与外侧的绝缘层30邻接设置有栅电极22，所述栅电极在所述情况下由钛构成。此外Y轴示出了以电子伏特(eV)为单位的带能E。
[0081]在这种装置中，在中间层28、即氮化硅层中均匀地引入额外的、稳定的电荷。具体而言，在所述层中储存了数量为5X IO18CnT3的电荷。
[0082]用于根据图3的这种根据本发明的传感器的带图仿真在此描述了场效应晶体管运行中的状态，其中在栅电极22与布置在所述绝缘部之下的沟道之间施加了 5V的电压，这导致了势能差和横向于电绝缘部的层系统的电场。由图3可看出，从衬底12或者从半导体材料到栅电极22的金属的势垒高度处于大于SeV的范围内。通过移动所述带引起的势垒的提高由箭头42表明。原则上有利的是，在具有大带隙的半导体中实现尽可能高的势垒。通过合适的、由所选择的绝缘材料确定的带偏移在绝缘体和半导体之间能够调整到良好的绝缘特性。
[0083]在图4中示出了流过绝缘层或者流过电绝缘部24的相应仿真的电流密度，所述电流密度能够尤其通过电子穿过绝缘堆的福勒-诺得海姆隧道(Fowler Nordheim-Tunnel)产生。根据本发明的气体传感器10的仿真相应于线D，线E示出了相应于现有技术的结构元件的仿真。线F示出了在根据本发明改性的结构元件处的实际测量值。在此X轴示出了以MV/cm为单位的有效电场强度，而Y轴则示出了以A/cm2为单位的电流密度J。
[0084] 从图4中显而易见的是，流动的电流或者电流密度J由于注入到层堆中或者注入到电绝缘部24的层中的电荷，即在根据本发明的栅极堆中，在电流量相同时朝向明显更高的场移动。由此显而易见的是，没有根据本发明的改性、即通过在相应的材料中引入电荷的情况下，相同的层结构在更高的温度下已经被穿通、也就是不再有合适的绝缘部供使用。
【权利要求】
1.气体传感器，包括具有衬底(12)的场效应晶体管，在所述衬底上布置有能够暴露于气体的栅电极(22)、源电极(18)和漏电极(20)，其中在所述衬底(12)和所述栅电极(22)之间布置有电绝缘部(24)，其中所述电绝缘部(24)构造为层系统，并且其中将规定的、稳定的电荷引入到所述层系统的至少一层(26、28、30)中。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述层系统的至少一层(26、28、30)具有规定的结晶度。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其中所述结晶度存在于从大于或者等于20%直至小于或者等于60%的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其中所述电绝缘部(24)的层系统包括三层(26、28、30)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其中将规定的、稳定的电荷引入到所述层系统的中间层(28)中并且必要时所述层系统的中间层(28)具有规定的结晶度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体传感器，其中至少一层(26、28、30)包括氧化物，如尤其是氧化铝、氧化硅、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化钆、氧化铈、氧化镧、氧化镨、氧化铟、氧化钨；并且/或者其中至少一层(26、28、30)包括混合氧化物，如尤其是锆铈氧化物、钆铈氧化物、钇锆氧化物、钇铪氧化物；并且/或者其中至少一层(26、28,30)包括具有钙钛矿结构的氧化物，尤其是钛酸钙、钛酸钡、钛酸锶；并且/或者其中至少一层(26、28、30)包括非氧化物陶瓷，尤其是氮化硅、氮化硼、氮化钛、碳化硅、硅化钽、硅化钨，和/或相应的硼化物，即硼化钛、硼化钽、硼化镧、硼化钨。
7.根据权利要求6所述的气体传感器，其中所述层系统的与所述衬底(12)相邻布置的层(26)包括氧化硅，并且/或者其中所述层系统的中间层(28)包括氮化硅，并且/或者其中所述层系统的外侧层(30)包`括氧化铝或者氧化硅。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体传感器，其中所述电绝缘部(24)具有厚度，所述厚度处于小于或者等于500nm、优选小于或者等于IOOnm的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体传感器，其中所述层系统的与所述衬底(12)相邻布置的层(26)包括衬底材料的氧化物并且尤其具有厚度，所述厚度处于小于或者等于lOOnm、优选小于或者等于50nm的范围内。
10.用于制造用来探测包含在流体流中的物质的气体传感器(10)、尤其是根据权利要求I至9中任一项所述的气体传感器(10)的方法，所述方法包括下列方法步骤: a)提供衬底(12)； b)将电绝缘部(24)施加到所述衬底(12)的至少一个部分区域上，其中所述电绝缘部(24)具有由多层(26,28,30)构成的层系统； c)将额外的、稳定的电荷引入到所述层系统的层(26、28、30)中的至少一层中；并且 d)将导电层施加到所述电绝缘部(24)上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中实现了所述层系统的层(26、28、30)中的至少一层的至少部分的结晶。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过温度升高的情况下对相应层(26、28、30)的处理实现了至少部分的结晶。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中通过将电压施加到至少一层（26、28、30）上引入电荷
【文档编号】H01L29/772GK103529108SQ201310306951
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】A·克劳斯, W·达夫斯 申请人:罗伯特·博世有限公司