具有悬浮结构的半导体传感器及其制造方法
【专利摘要】一种半导体气体传感器器件包括衬底、由所述衬底支撑的导电层、非适合种晶层、以及多孔气体感测层部分。所述非适合种晶层由第一材料形成，并包括由所述导电层支撑的第一支撑部分、由所述导电层支撑的第二支撑部分、以及从所述第一支撑部分延伸到所述第二支撑部分且悬浮在所述导电层之上的悬浮种晶部分。所述多孔气体感测层部分由第二材料形成，并直接由所述非适合种晶层与所述导电层电连通地支撑。所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对。
【专利说明】具有悬浮结构的半导体传感器及其制造方法
[0001 ]本申请要求于2013年12月6日提交的序列号为61 /913，064的美国临时申请的优先权的权益，该美国临时申请的公开以其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本公开总体涉及传感器器件且具体涉及具有悬浮结构的薄膜气体传感器器件。
【背景技术】
[0003]—种类型的半导体传感器是气体传感器器件。半导体气体传感器被用于检测在传感器被暴露于的环境中一个或多个特定气体的存在。公共类型的气体传感器是金属氧化物半导体(MOS)气体传感器。也称作“薄膜”气体传感器的MOS气体传感器典型地包括位于两个电极之间的气体敏感部分和加热元件。加热元件被激活以将气体敏感部分加热到适合于检测目标气体的温度。气体敏感部分是被配置成经历目标气体的存在中的电气改变的薄膜。气体敏感部分的电气改变由电连接到气体传感器的外部电路检测。
[0004]图24和25示出了现有技术MOS气体传感器的气体敏感部分10的一部分。气体敏感部分10典型地由包括许多晶粒20的多晶材料形成。晶粒20之间的接触区在本文中称作晶粒边界22。晶粒边界22是目标气体的分子通过称作吸收的工艺而结合到的目标部位。当目标气体的吸收发生时，气体敏感部分10经历由外部电路检测到的上述电气改变。
[0005]化学吸收是可在存在目标气体的情况下在晶粒边界22处发生的一种类型的吸收。为了说明化学吸收的效果，图24包括示出在存在包含氧气分子的空气的情况下晶粒边界22处的电势皇的曲线图。为了使电子30移动通过晶粒边界22，其需要足够的能量以克服势皇，这定义了以电子伏(eV)测量的参考量值。气体敏感部分10中的所有/大多数晶粒边界22的势皇的组合对气体敏感部分的电阻有贡献。
[0006]在图25中，在存在还原气体的分子的情况下示出了示例性晶粒边界22。还原气体的化学吸收已经导致由于来自还原气体的施主电子而引起的势皇的量值的减小。当势皇被组合时，气体敏感部分10的总体电阻由于在其处已经发生还原的晶粒边界22处的势皇中的至少一些的量值的减小而减小。气体敏感部分10的电阻的示例性减小可由连接到气体传感器的外部电路检测为指示目标气体的存在。尽管未示出，在存在氧化气体时，势皇的量值增大，从而导致气体敏感部分1的电阻的增大，其也可由连接到气体传感器的外部电路检测为指示目标气体的存在。
[0007]取决于气体敏感部分10附近的类型气体，异相催化是可在晶粒边界22处发生的另一工艺。称作一氧化碳(CO)氧化的异相催化的一个示例由于位于气体敏感部分10的晶粒边界22之一附近的一氧化碳分子和氧气分子的存在而导致二氧化碳(CO2)分子的氧化。在至少一些实例中，异相催化导致气体敏感部分10的电气改变，其可由连接到气体传感器的外部电路检测为指示目标气体的存在。
[0008]除了通过吸收来使气体敏感部分准备检测和/或暴露于目标气体外，还激活加热元件以通过称作解吸的工艺来“复位”气体传感器。在解吸期间，从气体敏感部分排空分子，以便使传感器准备感测附加量的目标气体或感测不同的类型/种类的目标气体。
[0009]当典型MOS气体传感器的加热元件被激活时，除气体敏感部分外还加热气体传感器的其他部分。例如，如果中间层位于加热元件与气体敏感部分之间，则加热元件除了加热气体敏感部分外还加热中间层。此外，如果加热元件是与基础层、衬底层或把手层相接触或邻近定位的，则来自加热元件的热能可能不期望地/不必要地被传送到那里。另外，由于MOS气体传感器的气体敏感部分是“薄膜”，因此气体敏感部分的加热具有可比期望有更长持续时间的关联的时间常数。相应地，在典型的MOS气体传感器中，加热元件所消耗的能量被用于加热气体传感器的不期望被加热的部分，并且，加热气体敏感部分可能比期望消耗更多的时间。
[0010]因此，出于上述原因中的至少一些，期望将气体传感器结构化成使得加热元件所生成的热能快速地且在不显著加热气体传感器的其他部分的情况下加热气体传感器的气体敏感部分。相应地，气体传感器的领域中的进一步发展是期望的。
【发明内容】
[0011]根据本公开的示例性实施例，一种半导体气体传感器器件包括衬底、由所述衬底支撑的导电层、非适合种晶层、以及多孔气体感测层部分。所述非适合种晶层由第一材料形成，并包括由所述导电层支撑的第一支撑部分、由所述导电层支撑的第二支撑部分、以及从所述第一支撑部分延伸到所述第二支撑部分且悬浮在所述导电层之上的悬浮种晶部分。所述多孔气体感测层部分由第二材料形成，并直接由所述非适合种晶层与所述导电层电连通地支撑。所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对。
[0012]根据本公开的另一示例性实施例，一种制作半导体传感器器件的方法包括:在衬底之上形成导电层；以及对所述导电层进行图案化以限定所述导电层的第一隔离部分，所述第一隔离部分与所述导电层的第二隔离部分电隔离；以及在所述导电层之上形成牺牲层。所述方法进一步包括:对所述牺牲层进行图案化以限定第一沟槽部分、第二沟槽部分和悬浮沟槽部分，所述第一沟槽部分暴露所述第一隔离部分的上表面，所述第二沟槽部分暴露所述第二隔离部分的上表面，所述悬浮沟槽部分不暴露所述导电层且从所述第一沟槽部分延伸到所述第二沟槽部分。另外，所述方法包括:在所述第一沟槽部分、所述第二沟槽部分和所述悬浮沟槽部分中由第一材料形成非适合种晶层；以及在所述非适合种晶层上由第二材料且与所述导电层电连通地形成多孔气体感测层部分。所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对。所述方法还包括:移除所述牺牲层以将所述多孔气体感测层部分和所述种晶层的悬浮部分悬浮在所述导电层之上。
[0013]根据本公开的又一示例性实施例，一种操作半导体气体传感器器件的方法包括:直接对由第一材料形成的多孔气体感测层部分施加电流。所述多孔气体感测层部分悬浮在导电层之上并直接由非适合种晶层部分支撑，所述非适合种晶层部分由第二材料形成且悬浮在所述导电层之上。所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对。所述方法进一步包括:将所述多孔气体感测层部分加热到预定温度;将经加热的多孔气体感测层部分暴露于至少一个气体；以及在将经加热的多孔气体感测层部分暴露于所述至少一个气体之后感测所述多孔气体感测层部分的电气属性。
【附图说明】
[0014]参照以下【具体实施方式】和附图，上述特征和优点以及其他特征和优点应当变得对本领域普通技术人员来说更加显而易见，在附图中:
图1是如本文描述的气体传感器器件的透视图，传感器器件包括悬浮在传感器器件的衬底之上的薄膜加热器和气体敏感部分，使得加热器所生成的热能快速地且在不显著加热传感器器件的其他部分的情况下加热气体敏感部分；
图2A是示出了悬浮在衬底之上的薄膜加热器和气体敏感部分的沿图1的线I1-1I取得的横截面视图，种晶层也被示出悬浮在衬底之上；
图2B是示出了与传感器器件一起包括的牺牲多晶硅层的沿与图1的线I1-1I类似的线取得的横截面视图；
图3是如本文描述的沿图4的线II1-1II取得的薄膜气体传感器器件的另一实施例的横截面视图，传感器器件包括悬浮在传感器器件的衬底之上的加热器和两个气体敏感部分，使得加热器所生成的热能在不显著加热传感器器件的其他部分的情况下加热气体敏感部分；
图4是示出了悬浮部分的蛇形形状的图3的传感器器件的顶部平面图；
图5是示出了衬底、在衬底上形成的部分绝缘体层和在绝缘体层上形成的两个接合焊盘的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图6是在已经在接合焊盘之上形成绝缘体层的剩余部分后图5的器件的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图7是具有穿过绝缘体层形成以暴露接合焊盘的开口的图6的器件的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图8是在已经在衬底之上形成牺牲层的第一部分后图7的器件的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图9是在已经形成穿过牺牲层的第一部分到接合焊盘的开口后图8的器件的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图10是具有在牺牲层的第一部分中的开口内形成的支撑部的图9的器件的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图11是在已经在支撑部之上形成牺牲层的第二部分后图10的器件的沿与图4的线II1-1II类似的线取得的侧横截面视图；
图12是在已经在牺牲层的第二部分中形成蛇形沟槽后图11的器件的沿图13的线XII1-XIII取得的侧横截面视图；
图13是示出了支撑部中的每一个的上表面和蛇形沟槽的图12的器件的顶部平面图；
图14是在已经在蛇形沟槽中形成下气体敏感部分后图12的器件的沿与图13的线XII1-XIII类似的线取得的侧横截面视图；
图15是在已经在下气体敏感部分之上形成牺牲层的第三部分、已经在牺牲层的第三部分中形成蛇形沟槽并且已经在其中形成加热器后图14的器件的沿与图13的线XII1-XIII类似的线取得的侧横截面视图；
图16是在已经在加热器之上形成牺牲层的第四部分、已经在牺牲层的第四部分中形成蛇形沟槽并且已经在其中形成上气体敏感部分后图15的器件的沿与图13的线XII1-XIII类似的线取得的侧横截面视图；
图17是包括非适合种晶层和在种晶层的底侧和顶侧上形成的气体敏感部分的薄膜气体传感器器件的另一实施例的横截面视图，气体敏感部分的晶粒边界也被示出；
图18是使用适合于形成至少图2A和17的传感器器件的气体敏感部分的工艺形成的铂层的透射电子显微镜视图；
图19是使用适合于形成至少图2A和17的传感器器件的气体敏感部分的工艺形成的铂层的另一透射电子显微镜视图；
图20是具有蛇形形状的加热器和气体敏感部分的气体传感器器件的另一实施例的顶部平面图；
图21是具有蛇形形状的加热器和气体敏感部分的气体传感器器件的又一实施例的顶部平面图；
图22是具有蛇形形状的加热器和气体敏感部分的气体传感器器件的再一实施例的顶部平面图；
图23是具有矩形形状的加热器和气体敏感部分的气体传感器器件的另一实施例的顶部平面图；
图24是在存在空气的情况下现有技术气体传感器的气体敏感层的晶粒边界的横截面视图和示出了晶粒边界的对应势皇的曲线图；以及
图25是在存在空气和还原气体的情况下图24的晶粒边界的横截面视图和示出了晶粒边界的对应势皇的曲线图。
【具体实施方式】
[0015]出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参照在附图中图示且在以下撰写的说明书中描述的实施例。应当理解，从而不意图对本公开的范围进行限制。应当进一步理解，本公开包括对所说明的实施例的任何更改和修改且包括如本公开所属领域技术人员通常将想到的本公开的原理的进一步应用。
[0016]在图1和2A中示出了半导体传感器组件，在该实施例中，半导体传感器组件是气体传感器器件100。传感器器件100的示例性实施例包括衬底108(图2A)、绝缘体层116、导电层120、种晶层124(图2A)和气体敏感层128。衬底108由硅或另一期望类型的衬底形成。
[0017]在一个实施例中，绝缘体层116是沉积电介质，诸如二氧化硅(Si02)。绝缘体层116被沉积在衬底108之上。在另一实施例中，绝缘体层116由任何适合的电绝缘材料形成。
[0018]导电层120被形成在绝缘体层116之上。在一个实施例中，导电层120由铂(Pt)形成。导电层120中的开口 130将导电层的左隔离部分134与右隔离部分138电隔离。
[0019]种晶层124是限定两个支撑部分142和悬浮蛇形部分146(本文中也称作悬浮种晶部分)的薄膜。支撑部分142被形成在导电层120之上且由导电层120支撑并从隔离部分134、138向上延伸。蛇形部分146从一个支撑部分142延伸到另一支撑部分142并悬浮在导电层120之上。蛇形部分146与导电层120间隔开，使得在蛇形部分与导电层之间存在空间150。蛇形部分146限定了给蛇形部分提供机械稳定性的横截面中的基本上U形的沟槽。在一个实施例中，种晶层124由氧化铝(Al2O3)形成。在另一实施例中，种晶层124由提供机械稳定性的另一适合材料形成。
[0020]气体敏感层128(本文中也称作多孔气体感测层部分)是在种晶层124上形成且直接由种晶层支撑的薄膜。气体敏感层128限定直接由悬浮种晶部分146支撑的悬浮感测部分152。在一个实施例中，气体敏感层128由铂形成。气体敏感层128与导电层120电连通。具体地，气体敏感层128电连接到导电层120的左部分134和右部分138。气体敏感层128的形状对应于种晶层124的形状;相应地，在一个实施例中，气体敏感层的至少部分限定了横截面中的基本上U形的沟槽。除对目标气体敏感外，气体敏感层128还可以被配置为加热器。
[0021]参照图2B，传感器器件100是根据以下工艺来制作/制造的。首先，提供衬底108。其次，在衬底108之上形成绝缘体层116。在所说明的实施例中，使用任何期望的化学或物理沉积工艺来形成绝缘体层116。
[0022]接着，在衬底108之上的绝缘体层116上形成导电层120。在一个实施例中，使用原子层沉积(ALD)来形成导电层120;然而，可以使用任何适合的化学或物理沉积工艺。然后，通过挖沟槽例如以限定开口 130和隔离部分134、138，来对导电层120进行图案化。
[0023]此后，在导电层120上沉积牺牲层154。然后，通过挖沟槽出例如两个柱沟槽以及从第一柱沟槽(例如，左)延伸到第二柱沟槽(例如，右)的悬浮蛇形沟槽162来对牺牲层154进行图案化。柱沟槽158暴露隔离部分134、138的上表面;而悬浮蛇形沟槽162不暴露导电层120的任何部分。在一个实施例中，牺牲层154由多晶硅形成;然而，牺牲层可以由任何适合材料形成。
[0024]接着，使用ALD将种晶层124沉积到牺牲层154上。特别地，将种晶层124的材料沉积到柱沟槽158和悬浮蛇形沟槽162上。由于使用了ALD，因此种晶层124被形成为符合柱沟槽158和蛇形沟槽162的表面的薄膜。
[0025]然后，使用ALD在种晶层124上沉积气体敏感层128。由于使用了ALD，因此气体敏感层128被形成为符合种晶层124的表面的薄膜。气体敏感层128被沉积成与导电层120电连通。具体地，层128的第一端(图2B中的左侧)与隔离部分134电连通，并且第二端(图2B中的右侧)与隔离部分138电连通。
[0026]在形成气体敏感层128和种晶层124之后，可以对层124、128进行图案化以最后定下其形状。然后，使用二氟化氙(XeF2)或任何其他适合的脱模剂来释放/移除牺牲层154。牺牲层154的移除将蛇形部分146和悬浮感测部分152悬浮在导电层120之上。
[0027]传感器器件100的所说明的实施例包括两层悬浮部分164(图2A)，两层悬浮部分164包括种晶层124的蛇形部分146和气体敏感层128的悬浮感测部分152。然而，在其他实施例中，任何数目的薄膜层可以被包括在悬浮部分164中。例如，悬浮部分164可以包括仅一个层，且因此将仅由气体敏感层128(其也起加热器作用)组成。在另一实施例中，气体敏感层128的多个实例被一个或多个种晶层124分离。具体示例将是悬浮部分164，其包括与三个气体敏感层交错的两个种晶层，以形成包括五个薄膜层的悬浮部分164。
[0028]即使传感器器件100被描述为薄膜传感器器件，但传感器器件100也可以是使用包括薄膜层的MOS结构来形成的。
[0029]在操作中，传感器器件100被配置成感测在传感器器件被定位于其中的空间中一个或多个目标气体的存在。示例性目标气体包括一氧化碳、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)、甲烷(CH4)、挥发性有机化合物(VOC)等。至少由于传感器器件100的小尺寸，与现有技术MOS气体传感器相比，传感器器件100可用以检测多种应用中的气体，该多种应用诸如是汽车排气系统、家用器具、膝上型电脑、手持或便携式计算机、移动电话、智能电话、无线设备、平板电脑、个人数字助理(PDA)、便携式音乐播放器、胶片相机、数码相机、GPS接收器和其他卫星导航系统、电子阅读显示器、投影仪、座舱控制器、游戏控制台、耳机、头戴式耳机、助听器、可穿戴显示设备、安全系统、以及如本领域普通技术人员所期望的其他应用。
[0030]传感器器件100的使用包括:利用电能源(未示出)直接对气体敏感层128施加电流。响应于该电流，将气体敏感层128快速加热到至少基于悬浮部分164的电阻和电能源的量值的期望感测温度(即，预定温度)。由于层128是悬浮的并且由于层128是非常薄的(SP，厚度170，图2A)，使用非常低的加热功率来将气体敏感层128加热到期望感测温度。而且，悬浮结构使气体敏感层128能够被加热到第一温度，同时使衬底108、绝缘体层116和导电层120能够保持在与第一温度不同(S卩，比第一温度低)的第二温度处。由于气体敏感层128与绝缘体层116和衬底108间隔开，因此基本上不使用热能来在气体敏感层128的加热期间加热绝缘体层和衬底。尽管由层128逐渐形成的热能中的一些被用于加热层128周围的空气(包括空间150中的空气)，但基本上所有热能被用于加热层128。此外，悬浮部分164的蛇形形状导致气体敏感层128高效地将电能转换成热能。
[0031]气体敏感层128的感测温度基于目标气体的属性和组件100被定位于其中的环境/空间。示例性感测温度的范围从一百五十摄氏度变化到五百摄氏度;然而，传感器器件100可配置成在任何期望感测温度处操作。
[0032]气体敏感层128在加热时间段内被加热到感测温度，该加热时间段在本文中称作热时间常数和预定时间段。热时间常数在电能被施加到层128时开始并在层128被加热到感测温度时结束。至少由于气体敏感层128的厚度和结构，传感器器件100具有大约0.1毫秒到十毫秒的极低的热时间常数。此外，针对快速温度改变而配置气体敏感层128，最终导致目标气体的快速检测。
[0033]在被加热之后，传感器器件100被暴露于至少一个气体存在于其中的空间。目标气体可以或可以不被包括在该至少一个气体中。此后，气体敏感层128的电气属性由外部电路(未示出)感测。在一个实施例中，跨与气体敏感层128串联连接的电阻器(未示出)的电压降由外部电路检测/监视以确定目标气体的存在、不存在和/或浓度。典型地，如果目标气体存在且为氧化气体，则随着目标气体经由吸收和/或化学吸收而结合到气体敏感层128，层128的电阻增大并且跨电阻器下降的电压的量值的减小由外部电路检测。如果目标气体存在且为还原气体，则随着目标气体经由吸收和/或化学吸收而结合到气体敏感层128，层128的电阻减小并且跨电阻器下降的电压的量值的增大由外部电路检测。
[0034]在其他实施例中，传感器器件100可操作成使用包括但不限于电阻性、电容性和谐振频率的任何其他期望换能原理来感测目标气体。
[0035]除了使气体敏感层128准备检测和/或暴露于目标气体外，还可以加热层128以通过解吸来“复位”气体传感器100。在解吸期间，从气体敏感层128排空分子，以便使传感器100准备感测附加量的目标气体或感测不同的类型/种类的目标气体。
[0036]在图3和4中示出了气体传感器器件200的另一实施例。传感器器件200的示例性实施例包括衬底208、绝缘体层216、接合焊盘224、230、支撑结构238、246、以及悬浮在绝缘体层216之上且与绝缘体层216间隔开的悬浮部分252，使得空气空间260位于悬浮部分与绝缘体层之间。在一个实施例中衬底208由硅或另一期望类型的衬底形成。
[0037]在一个实施例中，绝缘体层216是沉积电介质，诸如二氧化硅(S12)。绝缘体层216限定了访问开口 264、268，其被配置成在绝缘体层216内提供分别对接合焊盘224、230的访问。
[0038]接合焊盘224、230(本文中也称作接合的焊盘)导电连接到相应埋入馈通270，埋入馈通270在绝缘体层216内延伸到支撑结构238、246。接合焊盘224、230和馈通270由金属或另一导电材料形成并被配置成电连接到被配置成操作传感器器件200的(一个或多个)外部电路(未示出)。
[0039]继续参照图3和4，本文中也称作支撑柱或支撑部的支撑结构238、246从埋入馈通270向上延伸并被配置成在绝缘体层216的上表面272(图3)之上的位置处支撑悬浮部分252。所说明的实施例的支撑结构238、246如从顶部看去基本上是正方形或矩形的(参见图13)，且电连接到接合焊盘224、230和馈通270。
[0040]悬浮部分252(本文中也称作悬浮结构)是薄膜堆叠，该薄膜堆叠被配置成限定电连接到支撑结构238的第一端288和电连接到另一支撑结构246的第二端292。悬浮部分252是自立式的且与绝缘体层216热隔离。悬浮部分252限定包括六个弯曲部296(图4)的蛇形形状(其他实施例具有不同数目的弯曲部)。在所说明的实施例中，悬浮部分252的延伸方向在弯曲部296中的每一个处改变近似一百八十度。悬浮部分252悬浮在绝缘体层216的上表面272之上的高度300(图3)处，并且空气空间260是在绝缘体层与悬浮部分之间限定的空隙。
[0041]如图3中所示，在一个实施例中，悬浮部分252包括下(第一)薄膜气体敏感部分304、上(第二)薄膜气体敏感部分308和位于其间的薄膜加热器312。气体敏感部分304、308(本文中也称作感测层和/或催化金属感测层)电连接到加热器312和支撑结构238、246。相应地，悬浮部分252被配置成使电流能够在支撑结构238、246之间流经悬浮部分252的每一个层304、308、312。感测层304、308限定厚度316，在一个实施例中，厚度316从近似半纳米到近似一百纳米并且优选地从近似一纳米到近似五十纳米。在一个实施例中，感测层304、308是利用ALD形成的，并且用于形成感测层的示例性材料包括二氧化锡(SnO2)、三氧化钨(W03)、氧化锌(ZnO)和铂。与在种晶层的仅一侧上包括感测层的传感器器件相比，传感器器件100的活性气体感测区域加倍。在一些实施例中，悬浮部分252包括:(i)仅加热器312;
(ii)仅加热器312和感测层304;或者(iii)仅加热器312和感测层308。在其中悬浮部分252包括仅加热器312的实施例中，加热器312被配置为加热器和气体敏感层两者。
[0042]加热器312由在被暴露于电流或其他形式的能量时生成热量的材料形成。加热器312被配置成将感测层304、308加热到期望感测温度。加热器312在本文中也称作加热层、加热器层、电阻性加热器、加热器结构和加热结构。加热器312由铂、热硅、掺杂硅、复合材料等形成。在一个实施例中，加热器312由适合于ALD的(一个或多个)材料形成。
[0043]加热器312位于两个感测层304、308之间并给感测层供应结构支撑。与在加热器的仅一侧上具有感测层的传感器器件相比，对在顶部和底部上具有感测层的加热器312进行结构化提高了传感器器件200的能量效率，这是由于由加热器逐渐形成的热能中更多被用于加热气体敏感材料(即，感测层304、308)而不是周围的结构和空气空间。
[0044]在另一实施例中，在感测层304与加热器312之间或者在感测308与加热器之间形成附加结构层(未示出)，以进一步加强悬浮部分252。在又一实施例中，在感测层304与加热器312之间形成下附加结构层(未示出)，并且在感测308与加热器之间形成上附加结构层，以进一步加强悬浮部分252。(一个或多个)附加结构层由氧化铝(Al2O3)或任何其他期望材料且优选是适合于ALD的材料形成。氧化铝很好地起附加结构层作用，这是由于氧化铝是具有相对较高热导率的电绝缘体。
[0045]如图5中所示，图3的传感器器件200的制作开始于提供衬底208。衬底208可以是较大衬底的用于形成多个传感器和/或传感器器件200的部分。在衬底208的上表面上形成初始绝缘体层350 ο接着，在初始绝缘体层350上形成接合焊盘224、230。接合焊盘224、230通过诸如并入有光刻和等离子体蚀刻的一种工艺之类的任何可接受工艺而由导电金属形成。
[0046]在图6中，然后形成绝缘体层354的剩余部分，从而封装接合焊盘224、230。如果期望的话，对绝缘体层354进行平坦化。
[0047]参照图7，然后通过挖沟槽穿过绝缘体层216以形成开口 264、268、358，来暴露接合焊盘224、230的部分。
[0048]如图8中所示，然后在开口 264、268、358和绝缘体层216的顶部之上形成初始牺牲层370(第一部分)。
[0049]参照图9，然后蚀刻初始牺牲层370以形成沟槽374，沟槽374对应于支撑部238、246(图3)的期望尺寸。
[0050]在图10中，支撑部238、246是通过将材料沉积在沟槽358、374中来形成的。支撑部238、246的一些材料可以被沉积在初始绝缘体部分370顶上且如果期望的话可以使用例如化学机械抛光(CMP)工艺而被抛光掉。可以使用ALD或任何其他工艺/技术来沉积支撑部238、246的材料。
[0051 ]如图11中所示，对初始牺牲层370施加牺牲层的第二部分380。第二部分380由与初始牺牲层370相同的材料形成且通过参考边界线382与其区分。
[0052]接着，在图12和13中，挖沟槽出第二部分380以在其中限定蛇形形状沟槽384。支撑部238、246的顶表面在沟槽384的开始和结束处可见。蛇形形状沟槽384延伸穿过仅第二部分380，且在一个实施例中未被形成在初始牺牲层370中。通过挖沟槽工艺的定时来控制沟槽384的深度。特别地，实施挖沟槽工艺达预定时间段，其中该预定时间段的较长持续时间对应于较多地挖沟槽(较深的沟槽384)并且该预定时间段的较短持续时间对应于较少地挖沟槽(较浅的沟槽384)。沟槽384的深度对应于感测层304的厚度316。
[0053]图14示出了被沉积在沟槽384中的感测层304。感测层304的材料被置于与支撑部238、246相接触，使得支撑部通过感测层而电连接。如果期望的话，对牺牲层的第二部分380和感测层304进行平坦化。
[0054]如上所述，在一个实施例中，使用ALD来形成传感器层304(和传感器层308)。使用原子层沉积以通过顺序地将衬底暴露于若干个不同前体来沉积材料。典型的沉积周期通过将衬底暴露于与衬底表面起反应的前体“A”直到饱和而开始。这称作“自终止反应”。接着，将衬底暴露于与表面起反应的前体“B”直到饱和。第二自终止反应再激活表面。再激活允许前体“A”再次与表面起反应。典型地，在ALD中使用的前体包括有机金属前体和诸如水蒸气或臭氧之类的氧化剂。
[0055]沉积周期理想地导致一个原子层被形成在衬底上。此后，可以通过重复该工艺来形成另一层。相应地，层的最终厚度由衬底被暴露于的周期的数目控制。此外，使用ALD工艺的沉积基本上不受材料要被沉积在其上的特定表面的取向影响。相应地，可以在上和下水平表面两者上以及在垂直表面上实现材料的极其均匀的厚度。
[0056]接着，图15示出了已经使用如上所述且在图11-14中示出的相同工艺在另一蛇形形状沟槽286中沉积加热器312。特别地，在感测层304的材料和牺牲层的第二部分380之上形成牺牲层的第三部分390(通过参考边界线394而区分)。接着，在与蛇形沟槽384的定位相对应的位置中，将蛇形沟槽386蚀刻在牺牲层的第三部分390中。此后，在感测层304顶上沟槽386中沉积加热器312的材料。如果期望的话，在加热器312的沉积之后对牺牲层的第三部分390和加热器312进行平坦化。
[0057]在图16中，再一次重复图11-14中图示的工艺以形成感测层308。特别地，在加热器312的材料和牺牲层的第三部分390之上形成牺牲层的第四部分396(通过参考边界线398而区分)。接着，在与蛇形沟槽384、386的位置相对应的位置中，将蛇形沟槽403蚀刻在牺牲层的第四部分396中。此后，在加热器312顶上沟槽403中沉积感测层308的材料。如果期望的话，在感测层308的沉积之后对牺牲层的第四部分396和感测层308进行平坦化，并且然后，根据任何期望的工艺来移除牺牲层370、380、390、396以将悬浮部分252悬浮在绝缘体层216之上。
[0058]如图17中所示，在气体传感器器件400的另一实施例中，全部在相同沉积步骤期间在种晶层412的悬浮部分418的上表面414、下表面416和侧表面(未示出)上形成感测层402。特别地，为了制作气体传感器器件400，在绝缘体层(未示出，参见绝缘体层116)和衬底(未示出，参见衬底108)之上形成导电层(未示出，参见导电层120)。然后，在导电层之上形成牺牲层(未示出，参见牺牲层154)。对牺牲层进行图案化以限定包括悬浮沟槽部分的沟槽。然后，在牺牲层的沟槽内沉积种晶层412。接着，对种晶层412进行图案化以最后定下悬浮部分418的形状。在对种晶层412进行图案化之后，移除牺牲层，这留下悬浮在导电层之上的悬浮部分418并暴露种晶层412的下表面416。在悬浮部分418的上表面414、下表面416和侧表面被暴露的情况下，使用ALD来在种晶层412的表面上且与导电层电连通地沉积感测层402。相应地，感测层402限定至少各自被配置成检测目标气体的上感测层404和下感测层408。
[0059]如图17中所示，感测层402是由多个晶粒420形成的多孔结构。晶粒420在本文中也称作微晶。一般地，每一个晶粒420在称作晶粒边界424的接点处接触至少一个其他晶粒(其中一些晶粒在图17中标识)。在示例性实施例中，晶粒420具有小于一纳米的平均宽度，但可以具有如本领域普通技术人员所期望的任何宽度。在一个实施例中，晶粒420被成形/配置成形成尽可能多的晶粒边界424，使得与现有技术感测层相比，感测层402提供每单位长度更多的晶粒边界424。相应地，晶粒420使感测层402能够一般比现有技术感测层更薄且更小，但具有至少一样多或更多的晶粒边界424。此外，在一些实施例中，感测层402可以给悬浮部分418供应结构支撑。
[0060]形成感测层402的晶粒420的示例性方法包括:将(一个或多个)感测层的材料沉积到种晶层412的“非适合”材料上。典型地，使用ALD来将材料的一般邻接(无孔)薄膜沉积到由“适合材料”形成的种晶层上。当在预定数目的ALD周期之后沉积材料形成跨种晶层材料的至少部分邻接(即，无孔)的多晶薄膜时，种晶层材料称作“适合”于沉积材料。也就是说，紧密地抵靠彼此而形成在“适合”种晶层上通过ALD形成的沉积材料的晶粒，使得在其间基本上不存在空气空间。因此，这些材料形成适合的材料对，这是由于沉积材料的所得层一般是邻接且无孔的。相应地，由使用ALD在“适合”种晶层上沉积的材料形成的气体感测层包括可用于与气体相互作用的非常少的晶粒边界，这是因为大多数晶粒边界不暴露于沉积材料周围的空气空间。然而，结果是，使用ALD沉积的材料的结构严重取决于沉积材料与形成种晶层的材料的相互作用。
[0061]在该示例性实施例中，当形成感测层402时，使用ALD来将感测层的材料沉积到种晶层412的“非适合”材料上。种晶层412称作“非适合”，这是由于沉积材料形成多孔的符合的多晶层(薄膜)。感测层402的材料和种晶层412的非适合材料在本文中称作非适合的材料对。典型地，沉积材料的多孔层是不期望的；然而，当被用作感测层402时，沉积材料的多孔膜格外好地起作用。特别地，种晶层412的非适合材料导致在间隔开的成核部位428(其中一些在图17中示出)处沉积感测材料的晶粒420的成核。相应地，晶粒420在较远隔离的“岛”中生长，这些“岛”之间有许多空气空间432(图17)。另外，晶粒420在许多晶粒边界424处彼此接触，这些晶粒边界424促进了目标气体的吸收(包括化学吸收和异相催化)。甚至在ALD的若干周期之后，感测层402的沉积材料也保持多孔，并且晶粒420在许多晶粒边界424处彼此接触。感测层402、种晶层412的材料和所执行的ALD的周期的数目的选择至少基于晶粒420的期望尺寸、晶粒的密度、感测层402部分的厚度和晶粒边界424的期望数目。
[0062]当被用于形成感测层402时，被形成的晶粒边界424的大数目和感测层402的近即时加热激励了在感测层上目标气体的更快速且更完整的吸收以及感测层响应于被暴露于目标气体的更明显的电气改变。简言之，感测层402已经利用非常快的响应率增强了气体感测性能。
[0063]图18和19示出了由非适合的材料对形成的示例性感测层450和种晶层454的两个显微镜视图。种晶层454由二氧化硅形成，并且感测层450的沉积材料是铂。相应地，二氧化硅和铂形成非适合示例性的材料对。在图18中，在近似二百七十摄氏度处执行了ALD的近似一百五十个周期。在图19中，在近似二百七十摄氏度处执行了ALD的近似一百二十五个周期。周期的减小导致更小的晶粒458和每一个晶粒458之间的更多空间。
[0064]如图20-23中所示，示出了传感器器件470、474、478、482的四个实施例。每一个传感器器件470、474、478、482 包括悬浮部分486、490、494、498。传感器器件470、474、478、482与传感器器件100相同，除了悬浮部分486、490、494、498的形状不同于悬浮部分164的形状。具体地，图20-22的悬浮部分486、490、494图示了经修改的蛇形图案。图23的悬浮部分498是非蛇形的并限定矩形/正方形几何形状。
[0065]在传感器器件100的另一实施例中，在由感测层128吸收目标气体时，目标气体的存在由外部电路响应于感测层中的至少一个经历谐振频率的改变和/或电容的改变而检测。
[0066]尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本公开，但本公开应当被视为说明性的而非在性质上限制性的。应当理解，已经呈现了仅优选实施例，并且期望保护落在本公开的精神内的所有改变、修改和进一步应用。
【主权项】
1.一种半导体气体传感器器件，包括: 衬底； 由所述衬底支撑的导电层； 非适合种晶层，由第一材料形成，并包括由所述导电层支撑的第一支撑部分、由所述导电层支撑的第二支撑部分、以及从所述第一支撑部分延伸到所述第二支撑部分且悬浮在所述导电层之上的悬浮种晶部分；以及 多孔气体感测层部分，由第二材料形成并直接由所述非适合种晶层且与所述导电层电连通地支撑，所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对。2.如权利要求1所述的半导体气体传感器器件，其中: 所述悬浮种晶部分限定与所述导电层邻近的下表面以及相对的上表面； 所述多孔气体感测层部分的第一部分直接由所述下表面支撑;并且 所述多孔气体感测层部分的第二部分直接由所述上表面支撑。3.如权利要求1所述的半导体气体传感器器件，其中: 所述导电层的第一隔离部分与所述导电层的第二隔离部分电隔离； 所述第一支撑部分从所述第一隔离部分延伸;并且 所述第二支撑部分从所述第二隔离部分延伸。4.如权利要求1所述的半导体气体传感器器件，其中: 所述多孔气体感测层部分限定直接由所述悬浮种晶部分支撑的悬浮感测部分;并且 所述悬浮感测部分限定基本上“U”形的横截面。5.如权利要求1所述的半导体气体传感器器件，其中: 所述多孔气体感测层部分限定直接由所述悬浮种晶部分支撑的悬浮感测部分;并且 所述悬浮感测部分限定基本上蛇形的配置。6.如权利要求1所述的半导体气体传感器器件，其中: 所述多孔气体感测层部分限定直接由所述悬浮种晶部分支撑的悬浮感测部分;并且 所述悬浮感测部分限定基本上矩形的配置。7.如权利要求1所述的半导体气体传感器器件，其中所述多孔气体感测层部分被配置成展现在存在目标气体的情况下电阻、电容和谐振频率中的至少一个的改变。8.一种制作半导体气体传感器器件的方法，包括: 在衬底之上形成导电层； 对所述导电层进行图案化以限定所述导电层的第一隔离部分，所述第一隔离部分与所述导电层的第二隔离部分电隔离； 在所述导电层之上形成牺牲层； 对所述牺牲层进行图案化以限定第一沟槽部分、第二沟槽部分和悬浮沟槽部分，所述第一沟槽部分暴露所述第一隔离部分的上表面，所述第二沟槽部分暴露所述第二隔离部分的上表面，所述悬浮沟槽部分不暴露所述导电层且从所述第一沟槽部分延伸到所述第二沟槽部分； 在所述第一沟槽部分、所述第二沟槽部分和所述悬浮沟槽部分中由第一材料形成非适合种晶层； 在所述非适合种晶层上由第二材料且与所述导电层电连通地形成多孔气体感测层部分，所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对;以及 移除所述牺牲层以将所述多孔气体感测层部分和所述种晶层的悬浮部分悬浮在所述导电层之上。9.如权利要求8所述的方法，其中形成非适合种晶层包括: 使用原子层沉积将所述第一材料沉积到所述牺牲层上。10.如权利要求8所述的方法，其中形成多孔气体感测层部分包括: 使用原子层沉积将所述第二材料沉积到所述非适合种晶层上。11.如权利要求8所述的方法，其中形成多孔气体感测层部分包括: 将所述第二材料沉积到所述第一沟槽部分、所述第二沟槽部分和所述悬浮沟槽部分中。12.如权利要求8所述的方法，其中对所述牺牲层进行图案化包括: 挖沟槽出所述悬浮沟槽部分到基本上蛇形的配置中。13.如权利要求8所述的方法，其中对所述牺牲层进行图案化包括: 挖沟槽出所述悬浮沟槽部分到基本上矩形的配置中。14.如权利要求8所述的方法，进一步包括: 在所述衬底之上形成绝缘体层；以及 在绝缘层之上形成所述导电层。15.—种操作半导体气体传感器器件的方法，包括: 直接对由第一材料形成的多孔气体感测层部分施加电流，所述多孔气体感测层部分悬浮在导电层之上且直接由非适合种晶层部分支撑，所述非适合种晶层部分由第二材料形成且悬浮在所述导电层之上，所述第一材料和所述第二材料形成非适合的材料对； 将所述多孔气体感测层部分加热到预定温度； 将经加热的多孔气体感测层部分暴露于至少一个气体；以及 在将经加热的多孔气体感测层部分暴露于所述至少一个气体之后感测所述多孔气体感测层部分的电气属性。16.如权利要求15所述的方法，其中加热所述多孔气体感测层部分包括: 加热所述多孔气体感测层部分达预定时间段。17.如权利要求15所述的方法，其中所述预定时间段从0.1毫秒到十毫秒。18.如权利要求15所述的方法，其中加热所述多孔气体感测层部分包括: 复位所述半导体气体传感器器件以使所述多孔气体感测层部分准备暴露于所述至少一个气体。19.如权利要求15所述的方法，其中加热所述多孔气体感测层部分包括: 基于目标气体的属性来选择所述预定温度。20.如权利要求15所述的方法，其中感测经加热的多孔气体感测层部分的电气属性包括: 感测电阻、电容和谐振频率中的至少一个的改变。
【文档编号】G01N27/12GK105940295SQ201480075003
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2014年12月2日
【发明人】A.萨马劳, A.法伊, G.奥布赖恩, G.亚马, F.普尔克尔
【申请人】罗伯特·博世有限公司