CN105900236B - 金属氧化物半导体传感器和使用原子层沉积形成金属氧化物半导体传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体传感器设备包括：衬底；非适合晶种层，位于衬底上方；至少一个电极，位于非适合晶种层上方；以及多孔感测层，直接由非适合晶种层支持并且与至少一个电极电通信，多孔感测层定义使用原子层沉积通过在非适合晶种层上的间隔开的成核而形成的多个晶界。
Description
本申请要求于2013年10月30日提交的美国临时申请序列号61/897,269的优先权的权益，其公开内容通过引用在其整体上合并在本文中。
技术领域
本公开大体上涉及传感器设备，并且特别地涉及使用用于形成传感器设备的气体敏感部分的原子层沉积技术制造气体传感器设备的方法。
背景技术
金属氧化物半导体(MOS)气体传感器被用来检测传感器被暴露到的环境中的特定一种或多种气体的存在。典型的MOS气体传感器包括位于两个电极之间的气体敏感部分和加热元件。加热元件被激活以加热气体敏感部分到适合于检测目标气体的温度。气体敏感部分在目标气体存在的情况下经历电变化。由电连接到气体传感器的外部电路检测气体敏感部分的电变化。
图11和12示出现有技术MOS气体传感器的气体敏感部分10的部分。气体敏感部分10通常由包括众多晶粒20的多晶材料形成。晶粒20之间的接触区域被称为晶界22。晶界22是目标气体的分子通过被称为吸附的过程结合到的目标部位。当目标气体的吸附发生时，气体敏感部分10经历由外部电路检测的上文所述的电变化。
化学吸附是吸附的一种类型，其可能在目标气体存在的情况下发生在晶界22处。为了图示化学吸附的效果，图11包括示出在包含氧分子的空气存在的情况下在晶界22处的电势垒的图。对于移动通过晶界22的电子30而言，电子30需要足够能量来克服势垒，该势垒定义以电子伏特(eV)测量的参考量值。气体敏感部分10中的所有/大部分的晶界22的势垒的组合对气体敏感部分的电阻有贡献。
在图12中，在还原气体的分子存在的情况下示出示范性晶界22。还原气体的化学吸附由于来自还原气体的施主电子而已经引起势垒的量值的减小。当组合势垒时，气体敏感部分10的总体电阻由于还原已经发生在其处的晶界22处的至少一些势垒的量值的减小而被减小。气体敏感部分10的电阻的示范性减小可由连接到气体传感器的外部电路检测，作为目标气体存在的指示。尽管未示出，在氧化气体存在的情况下，势垒的量值增加，从而导致气体敏感部分10的电阻的增加，其也可由连接到气体传感器的外部电路检测，作为目标气体存在的指示。
取决于气体敏感部分10附近的类型气体，非均相催化是可能发生在晶界22处的另一过程。非均相催化的一个示例（被称为一氧化碳(CO)氧化）由于位于气体敏感部分10的晶界22之一附近的一氧化碳分子和氧分子的存在而导致二氧化碳(CO2)分子的氧化。非均相催化在至少一些实例中导致气体敏感部分10的电变化，其可由连接到气体传感器的外部电路检测，作为目标气体存在的指示。
在上面的示例中，导致气体敏感部分10的电变化的反应被描述为发生在形成气体敏感部分的材料的晶界22处或晶界22附近。期望增加MOS气体传感器的气体敏感部分的晶界数目，以便增加在目标气体存在的情况下气体敏感部分经历的电变化的程度。因此，MOS气体传感器的面积的进一步发展是合乎期望的。
发明内容
根据本公开的示范性实施例，一种半导体传感器设备包括：衬底；位于衬底上方的非适合晶种层；至少一个电极，位于非适合晶种层上方；以及多孔感测层，直接由非适合晶种层支持并且与至少一个电极电通信。多孔感测层定义使用原子层沉积通过在非适合晶种层上的间隔开的成核而形成的多个晶界。
根据本公开的另一示范性实施例，一种制造半导体传感器设备的方法包括：在衬底上方形成非适合晶种层；在非适合晶种层上方形成至少一个电极；形成在非适合晶种层上并且与至少一个电极电通信的多孔感测层；以及在非适合晶种层上的间隔开的部位处使感测材料成核，从而形成导致多孔感测层的多个晶界。
附图说明
通过参考下面的详细描述和附图，上文所述特征和优势以及其他特征和优势对本领域普通技术人员应该变得更容易清楚，在附图中：
图1是根据本公开的被示出为MOS气体传感器设备的示范性半导体传感器设备的框图；
图2是示出已经使用原子层沉积形成的气体感测层的图1的MOS气体传感器设备的横截面视图；
图3是示出气体感测层的部分的晶粒和晶界的图1的MOS气体传感器设备的部分的描绘；
图4是图示形成图1的MOS气体传感器设备的示范性方法的流程图；
图5是示出衬底层、氧化物层、加热器层、“非适合”晶种层和牺牲材料的图1的MOS气体传感器设备的部分的横截面视图；
图6是示出牺牲材料中刻蚀的沟槽的图1的MOS气体传感器设备的部分的横截面视图；
图7是示出牺牲材料的沟槽中形成电极的图1的MOS气体传感器设备的部分的横截面视图；
图8是在去除牺牲材料之后的图1的MOS气体传感器设备的部分的横截面视图；
图9是使用适合于形成图2的气体感测层的过程诸如原子层沉积形成的铂层的透射电子显微镜视图；
图10是使用适合于形成图2的气体感测层的过程形成的铂层的另一透射电子显微镜视图；
图11是在空气存在的情况下的现有技术MOS气体传感器的气体敏感层的晶界的横截面视图和示出晶界的对应势垒的图；以及
图12是在空气和还原气体存在的情况下的图11的晶界的横截面视图和示出晶界的对应势垒的图。
具体实施方式
出于促进理解本公开原理的目的，现在将参照附图中示出并且在以下书面描述中描述的实施例。应理解，并不由此意图限制本公开的范围。还应理解，本公开包括对于所示实施例的任何改变和修改并且包括如对于本公开所属领域的普通技术人员将正常想到的本公开原理的进一步应用。
如图1中示出的，如本文中描述的，MOS传感器系统100的示范性实施例包括MOS气体传感器设备102（示出为电连接到传感器电压源104）、加热器电压源108和阻抗112。电压源104、108是直流（DC）电压源，其配置为维持所期望的电压量值。阻抗112提供已知电阻的量值，并且由任何电阻设备形成，如本领域普通技术人员期望的那样。
除了参考图2以外，气体传感器设备102（其也在本文中被称为微电机系统(MEMS)气体传感器设备和半导体传感器设备）包括处理层116、掩埋氧化物层118、加热器层120、晶种层124、两个电极128、132和感测层136。处理层116通常由如在典型的绝缘体上硅(SOI)晶片中提供的硅层形成。处理层116在本文中也被称为衬底。
氧化物层118位于处理层116和加热器层120之间，并且配置为隔离处理层与加热器层。氧化物层118由二氧化硅(SiO2)、蓝宝石或另一适合绝缘材料形成。
加热器层120形成在氧化物层118上并且电连接到电压源108。加热器层120是当暴露到电流时或其他形式的能量时生成热的材料。加热器层120配置为加热感测层136到所期望的温度。加热器层120在本文中也被称为加热器、加热层、阻抗加热器、加热器结构和加热结构。在图示的实施例中，处理层116、氧化物层118和加热器层120由典型的SOI晶片形成，其中加热器层120是SOI晶片的“设备层”。因此，加热器层120在至少一个实施例中由硅形成。用于形成加热器层120的其他适合材料包括掺杂的硅、复合材料等。此外，在一些实施例中，单独的加热器材料被用来形成加热器层120。适合于形成单独的加热器的示范性材料包括二氧化硅和铂或其他金属。
如图2中示出的，晶种层124形成在加热器层120上并且位于衬底116上方。在一个实施例中，晶种层124是由下述材料形成的大体上平面层：该材料被选择成以“不适合”或“非适合”的方式与感测层交互，该方式鼓励在晶种层上感测层136在间隔开的、隔离的和/或零星的成核部位182（图3）（在本文中被统称为“间隔开”）的成核。在一个实施例中，非适合晶种层124是热氧化硅。
在另一实施例中，用开槽（或任何其他所期望的过程）结构化非适合晶种层124，以进一步鼓励感测层136的间隔开的成核。在一个特定实施例中，“结构化”包括图案化晶种层124和/或化学激活某些间隔开的成核部位182，以便鼓励感测层136的间隔开的成核。在又一实施例中，“结构化”包括用惰性气体诸如氩气离子研磨晶种层124，使晶种层在间隔开的成核部位182处更致密或较不致密，从而导致选择性鼓励感测层136的间隔开的成核。一般情况下，由任何（多种）材料和通过鼓励在晶种层上感测层136的间隔开的成核的任何（多个）过程形成和/或结构化晶种层124。
使用如本领域普通技术人员期望的任何工艺由导电材料在非适合晶种层124上方形成电极128、132。在一个实施例中，电极128、132由铂形成并且彼此电隔离。电极128、132彼此间隔开距离140，并且定义高度144。距离140和高度144是基于以下来选择的：除了其他考虑之外，要感测/检测的气体（本文中被称为目标气体）、感测层136的材料、感测层的结构和传感器设备102的应用。虽然传感器设备102被示出为包括两个电极128、132，但是在其他实施例中，传感器设备包括任何数目的电极，如本领域普通技术人员期望的那样。
继续参考图2，感测层136被直接支持在电极128、132之间的非适合晶种层124上。感测层136与电极128、132电通信，使得电流能够通过感测层在电极之间流动。感测层136定义宽度140和厚度146。感测层136的厚度146小于电极128、132的厚度144。在一个实施例中，感测层136的厚度146介于近似十纳米至近似一百纳米之间。取决于传感器设备102的所期望应用，厚度146可以在示范性范围以外。用于形成感测层136的示范性材料包括二氧化锡(SnO2)、三氧化钨(WO3)和氧化锌(ZnO)。感测层136和电极128、132串联连接到阻抗112和电压源104。
如图3中示出的，感测层136是由多个晶粒148（其在本文中也被称为微晶）形成的多孔结构。一般情况下，每个晶粒148在被称为晶界152的结（junction）处接触至少一个其他晶粒（其中一些在图3中被标识）。在示范性实施例中，晶粒148具有近似二十纳米的平均宽度，但可以具有如本领域普通技术人员所期望的任何宽度。晶粒148在一个实施例中被成形/配置为形成尽可能多的晶界152，使得感测层136与现有技术感测层相比每单位长度提供更多晶界152。因此，感测层136的晶粒148使感测层能够在一般情况下比现有技术感测层/感测部分更薄及更小，但是具有至少一样多或者更多的晶界152。
在操作中，传感器设备102配置为感测在空间中的一种或多种目标气体的存在。示范性目标气体包括一氧化碳、二氧化氮(NO2)、氨(NH3)、甲烷(CH4)、挥发性有机化合物(VOC)等。归因于传感器设备102的小尺寸，与现有技术MOS气体传感器相比，它可用来在诸如以下各种应用中检测气体：汽车排气系统、家用电器、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、个人数据助理(PDA)、便携式音乐播放器、胶片相机、数码相机、GPS接收机和其他卫星导航系统、电子阅读显示器、投影仪、驾驶舱控制、游戏控制台、听筒、头带式耳机、助听器、可穿戴显示设备、安全系统和如本领域普通技术人员期望的其他应用。在一个实施例中，传感器设备102近似测量两毫米乘三毫米乘一毫米，但取决于所期望的应用可以更小或更大。
使用传感器设备102包括用电压源108施加电压到加热器120。响应于电压，加热器120被加热到至少基于电压源108的量值和加热器120的电阻的温度。来自加热器120的热能被传递到感测层136。
感测层136在加热时间段内由加热器120加热到感测温度。感测温度至少基于目标气体和其中定位传感器设备102的环境/空间的性质。示范性感测温度范围从一百五十摄氏度至五百摄氏度；然而，传感器设备102可配置来操作在本领域普通技术人员所期望的任何感测温度下。因为感测层136仅约十纳米到一百纳米厚（即，厚度146，图2），所以它由加热器120基本上即刻地加热到感测温度。特别地，在一个实施例中，加热时间段（在本文中也被称为热时间常数）当来自电压源108的电压被施加到加热器120时开始并且当达到感测温度时结束，以及加热时间段的持续时间少于近似10微秒。
在传感器设备102已被加热到感测温度之后，来自电压源104的电压被施加到电极128、感测层136、电极132和阻抗112。来自电压源104的电压建立通过电极128、132、感测层136和阻抗112的电流（被称为传感器电流）。传感器电流的量值至少基于电极128、132，感测层136和阻抗112的组合阻抗，并且通过电极128、132、感测层136和阻抗112的传感器电流的量值是相同的。
接下来，传感器设备102被暴露到其中目标气体可能或可能不存在的空间。传感器设备102和阻抗112形成分压电路，并且外部电路（未示出）监测跨阻抗112的电压降来确定目标气体是否存在于空间中。特别地，如果目标气体存在并且是氧化气体，则随着目标气体经由吸附结合到晶界152，感测层136的电阻增加且传感器电流降低。由外部电路监测传感器电流的降低作为跨阻抗112下降的电压的降低。如果目标气体存在并且是还原气体，则随着目标气体结合到晶界152，感测层136的电阻降低且传感器电流增加。由外部电路监测传感器电流的增加作为跨阻抗112下降的电压的增加。
参考图4，流程图图示了形成传感器设备102的示范性方法400。在其他实施例中，传感器设备102通过本领域普通技术人员所期望的任何工艺形成。如图5中示出并且参考块404，提供SOI晶片194，其包括处理层116、氧化物层118和配置为加热器120的设备层。
在块408中，晶种层124被施加到加热器120。晶种层124的材料被选择为“非适合”材料。术语“非适合材料”在本文中被定义为下述材料：该材料当用作针对特定传感器层材料的晶种层时在沉积/形成感测层136期间引起晶粒148的间隔开的成核。晶种层124使用如本领域普通技术人员所期望的任何工艺被施加到加热器120。
然后，在块412中，牺牲材料170被施加到晶种层124。使用如本领域普通技术人员所期望的任何工艺将牺牲材料170沉积/形成在晶种层124上。
参考图6和块416，掩模（未示出）以配置为定义对应于电极128、132的开口（未示出）的图案被施加到牺牲材料170。此后，通过湿法或干法刻蚀工艺或如本领域普通技术人员所期望的任何其他工艺将牺牲材料成形/开槽。在成形以后，去除掩模，并且牺牲材料170定义用于每个电极128、132的井178。
接下来，如图7所示并且在块420中，使用如本领域普通技术人员所期望的任何工艺将电极128、132的材料施加到井178。电极128、132的材料至少部分地填充井178并采取井的形状。在一些过程中，可进行化学机械抛光(CMP)，从而导致电极128、132的所期望高度。
接下来，参考图8和块424，从晶种层124去除牺牲材料170，从而留下在晶种层上形成的电极128、132。此外，牺牲层170的去除形成电极128、132之间的井186用于接收感测层136的材料。
再次参考图2和块428，接下来，将感测层136形成在定义在电极128、132之间的井186中的晶种124层上。在一个实施例中，原子层沉积(ALD)被用来形成感测层136，即使晶种层由非适合材料形成。
ALD被用来通过顺序地暴露衬底到几种不同前体而沉积材料。典型的沉积循环从暴露衬底到前体“A”开始，前体“A”与衬底表面反应直到饱和。这被称为“自终止反应”。接下来，将衬底暴露到与表面反应的前体“B”直到饱和。第二自终止反应重新激活表面。重新激活允许前体“A”与表面反应。通常，使用在ALD中的前体包括有机金属的前体和氧化剂诸如水汽或臭氧。
理想地，沉积循环导致一个原子层被形成在衬底上。此后，另一层可以通过重复该过程形成。因此，层的最后厚度受将衬底暴露的循环数目控制。而且，使用ALD过程的沉积基本上不受材料要被沉积在其上的特定表面的定向影响。因此，可以即在上和下水平表面上又在垂直表面上实现材料的极其均匀厚度。
通常，ALD被用来沉积总体连续（非多孔）薄膜的材料到由“适合材料”形成的晶种层上。当在预定数目的ALD循环之后沉积的材料形成多晶薄膜时，晶种层材料被称为“适合”于沉积的材料，所述多晶薄膜跨晶种层材料的至少一部分连续（即非多孔）。即，通过ALD在“适合”晶种层上形成的沉积的材料的晶粒被定位成紧紧地彼此抵靠，使得在其间基本上没有空气空间。材料因此形成适合材料对，因为产生的沉积的材料的层总体连续。因此，由使用ALD在“适合”晶种层上沉积的材料形成的气体感测层包括很少的可用来与气体交互的晶界，因为大多数的晶界未暴露到沉积的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的材料与形成晶种层的材料的交互。
当形成感测层136时，ALD被用来沉积感测层136的材料到“非适合”晶种层材料上。晶种层124被称为是“非适合的”，因为沉积的材料形成多孔的一致多晶硅层（薄膜）。感测层136的材料和晶种层124的非适合材料在本文中被称为非适合材料对。通常，沉积的材料的多孔层是不合乎期望的；然而，当作为感测层136被使用时，沉积的材料的多孔膜起着格外好的作用。特别地，晶种层124的非适合材料在间隔开的成核部位182（图3）处引起沉积的感测材料的晶粒148的成核。因此，晶粒148在其间具有众多空气空间184（图3）的极孤立（far-isolated）“岛”中生长。此外，晶粒148在许多晶界152处彼此接触，这促进目标气体的吸附（包括化学吸附和非均相催化）。即使在ALD的几个循环之后，感测层136的沉积的材料保持多孔，并且晶粒148在许多晶界152处彼此接触。感测层136、晶种层124的材料和执行的ALD的循环数目的选择至少基于晶粒148的所期望尺寸、晶粒的密度、感测层136的厚度和晶界152的所期望数目。
大量的晶界152和感测层136的近似即时加热鼓励在感测层上目标气体的更快速和更完全吸附，以及感测层的响应于被暴露到目标气体而更明显的电变化。简言之，使用ALD将材料沉积到非适合晶种层124上导致具有带有非常快的响应速率的增强气体感测性能的感测层136。
再次参考图7，在另一示范性过程中，去除牺牲层170的部分210，并且牺牲材料170的部分214在牺牲材料的首次去除之后保持。接下来，使用上文所述的ALD过程将传感器层136的材料施加到井186（图8）。此后，蚀刻掉牺牲材料170的部分214。该过程防止井186的外部的传感器层136的材料的沉积。
图9和10示出了沉积到非适合晶种层224、324上的感测层236、336的两个显微镜视图。晶种层224、324由二氧化硅形成，并且感测层236、336的沉积的材料是铂(Pt)。在图9中，ALD的近似一百五十个循环在近似两百七十摄氏度下执行。在图10中，ALD的近似一百二十五个循环在近似两百七十摄氏度下执行。循环的减少导致更小晶粒348和在每个晶粒之间的更大空间。
使用ALD（如上文所述）导致感测层136、236、336，其包括气体、金属/金属氧化物和晶种层之间的大量三界面区域。此外，ALD过程导致形成在感测层136、236、336和晶种层124、224、324的界面处的气体感测区域190、290、390。
在另一实施例中，在适合材料对之间鼓励/发展感测材料的多个晶粒的成核。例如，晶种层124由第一材料形成，并且感测层136由“适合”于使用ALD沉积在晶种层上的第二材料形成。为了防止沉积的感测材料的连续层的形成，晶种层124的材料被处理成非适合晶种层，以鼓励沉积的感测材料到形成多孔感测层136的多个晶粒中的间隔开的成核。
处理晶种层124的材料的一种方式是通过选择性地去除晶种层的材料以形成非适合晶种层。例如，在一个实施例中，适合材料被开槽，以形成非适合晶种层124。晶种层124可以开槽有任何适合数目和布置的沟槽，其导致感测层136的沉积的感测材料的间隔开的成核。
处理晶种层124的材料的另一种方式是通过定义晶种层的材料中的间隔开的成核部位182。在一个实施例中，所期望的成核部位182通过用惰性气体在所期望的成核部位处离子研磨晶种层124的材料来定义。在另一实施例中，所期望的成核部位182通过在所期望的成核部位处化学激活晶种层124的材料来定义。
在又一个实施例中，在通过感测层136、236、336吸附目标气体时，目标气体的存在由外部电路响应于感测层经历谐振频率的变化和/或电极128、132之间的电容的变化来检测。
虽然已经在附图和前述描述中图示和详细描述本公开，但是其在特性上应该被视为说明性的而非限制性的。要理解的是，仅给出了优选的实施例，并且期望保护落在本公开的精神内的所有变化、修改和进一步应用。
Claims (16)
1.一种半导体传感器设备，包括：
衬底；
非适合晶种层，位于衬底上方；
至少一个电极，位于非适合晶种层上方；以及
多孔感测层，直接由非适合晶种层支持并且与至少一个电极电通信，多孔感测层定义使用原子层沉积通过在非适合晶种层上的间隔开的成核而形成的多个晶界，其中适合材料从适合材料层被选择性地去除，以形成非适合晶种层，并且其中适合材料层被开槽，以形成非适合层。
2.权利要求1的半导体传感器设备，其中：
非适合晶种层由非适合材料形成；
多孔感测层由感测材料形成；以及
非适合材料配置为在感测材料被沉积到非适合材料上时引起感测材料的间隔开的成核。
3.权利要求2的半导体传感器设备，其中：
非适合材料包括二氧化硅；以及
感测材料包括二氧化锡、三氧化钨和氧化锌中的至少一个。
4.权利要求1的半导体传感器设备，其中适合材料用惰性气体在间隔开的成核部位处被离子研磨，以形成非适合晶种层。
5.权利要求1的半导体传感器设备，其中适合材料在间隔开的成核部位处被化学激活，以形成非适合晶种层。
6.权利要求1的半导体传感器设备，进一步包括：
位于非适合晶种层与衬底之间的加热器层。
7.权利要求1的半导体传感器设备，其中多个晶界配置为吸附目标气体的分子。
8.一种制造半导体传感器设备的方法，包括：
在衬底上方形成非适合晶种层；
在非适合晶种层上方形成至少一个电极；以及
使用原子层沉积(ALD)形成在非适合晶种层上并且与至少一个电极电通信的多孔感测层；以及
在非适合晶种层上的间隔开的部位处使感测材料成核，从而形成导致多孔感测层的多个晶界，
其中形成非适合晶种层包括：
标识所期望的感测材料；
标识所期望的适合晶种层材料；
形成适合晶种层材料的层；以及
选择性地去除沉积的适合晶种层材料的部分，并且其中选择性地去除沉积的适合晶种层材料的部分包括：使沉积的适合晶种层材料开槽。
9.权利要求8的方法，其中形成非适合晶种层包括：
标识所期望的感测材料；以及
标识所期望的非适合材料，所期望的非适合材料当与所期望的感测材料组合时形成非适合材料对。
10.权利要求8的方法，其中形成非适合晶种层包括：
标识所期望的感测材料；
标识所期望的适合晶种层材料；
形成适合晶种层材料的层；以及
在间隔开的成核部位处离子研磨沉积的适合晶种层。
11.权利要求8的方法，其中形成非适合晶种层包括：
标识所期望的感测材料；
标识所期望的适合晶种层材料；
形成适合晶种层材料的层；以及
化学激活沉积的适合晶种层上的间隔开的成核部位。
12.权利要求8的方法，其中多孔感测层包括多个晶粒并且形成多孔感测层包括：
确定多个晶粒的所期望的晶粒尺寸；
基于所确定的所期望的晶粒尺寸来确定所期望的ALD循环数目；以及
执行所确定的所期望的数目的ALD循环。
13.权利要求8的方法，其中多孔感测层包括多个晶粒并且形成多孔感测层包括：
确定多个晶粒的所期望的晶粒密度；
基于所确定的所期望的晶粒密度来确定所期望的ALD循环数目；以及
执行所确定的所期望的数目的ALD循环。
14.权利要求8的方法，其中多孔感测层包括多个晶粒并且形成多孔感测层包括：
确定所期望的多孔感测层厚度；
基于所确定的所期望的厚度来确定所期望的ALD循环数目；以及
执行所确定的所期望的数目的ALD循环。
15.权利要求8的方法，其中多孔感测层包括多个晶粒并且形成多孔感测层包括：
确定多个晶粒中的晶粒之间的所期望的晶界数目；
基于所确定的所期望的晶界数目来确定所期望的ALD循环数目；以及
执行所确定的所期望的数目的ALD循环。
16.权利要求8的方法，进一步包括：
在衬底上方形成加热器层；以及
在加热器层上方形成非适合晶种层。
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| EP3714772A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-09-30 | Picosun Oy | Sensor and its manufacturing method |
| US11821081B2 (en) * | 2020-10-09 | 2023-11-21 | The Regents Of The University Of California | Thin free-standing oxide membranes |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005017182A (ja) * | 2003-06-27 | 2005-01-20 | Osaka Gas Co Ltd | 薄膜ガスセンサおよびその製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7309621B2 (en) * | 2005-04-26 | 2007-12-18 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Method to fabricate a nanowire CHEMFET sensor device using selective nanowire deposition |
| WO2007098774A1 (de) * | 2006-02-22 | 2007-09-07 | Testo Ag | Gassensor und verfahren zu dessen herstellung |
| FI20060389L (fi) * | 2006-04-21 | 2007-10-22 | Environics Oy | Sensori |
| JP2009236827A (ja) * | 2008-03-28 | 2009-10-15 | Citizen Finetech Miyota Co Ltd | 多孔質カバー及びその製造方法 |
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| DE102009000820A1 (de) * | 2009-02-12 | 2010-08-19 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement eines Gassensors und Verfahren zum Betrieb desselben |
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Non-Patent Citations (1)
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| Atomic layer deposition of tin dioxide sensing film in microhotplate gas sensors;Antti J .Niskanen el.;《Sensors and Actuator B:chemical》;20100519;第148卷(第1期);正文第228页第1栏第1段-第230页第2栏倒数第1段，附图1-7 * |
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