CN107003278A - 用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于探测气体的基于半导体的气体传感器组件（H1），该气体传感器组件具有气体敏感结构（S1），该气体敏感结构包括气体电极（E1）、电极（E2）和布置在所述气体电极和所述电极（E1、E2）之间的至少部分地能极化的电介质层（D1），其中，通过所述气体敏感结构（S1）所形成的电容与读取晶体管（A1）的栅极（G1）耦接，并且，所述读取晶体管（A1）被布置在基底（T1）中或者基底处。

Description

用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制 造方法
本发明涉及一种用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制造方法。
背景技术
气体传感器具有多种用途，其中，不同的物理和化学测量原理被使用。在许多使用领域，在此越来越重要的是低成本、小的结构尺寸和低功率消耗，其中，对气体传感器的鲁棒性提出高要求。在这种背景下，基于半导体的构造元件、尤其是气体传感器是例如电化学元件的重要替代。
从文献中已知具有化学敏感的栅极区域的场效应晶体管（FET）。
从DE 19849932 A1、DE 19814857 A1、WO 2005/075969 A1、DE 4239319 C2和DE19849932 A1中已知所谓的悬浮栅FET（SG-FET）。这涉及下述传感器概念，所述传感器概念基于气体吸收以及与之相关的在FET的栅极区域中的电位变化或者功函变化。然而，严重的信号漂移能够由于暴露在气体中的电极与相对敏感的场效应晶体管的直接空间接近产生。对此的原因能够是所使用材料的结构变化或者污染物的引入。就悬浮栅-FET或者电荷耦合-FET而言，人们部分地绕开这个问题，通过将用于读取信号的FET埋在钝化物下，并且这样与气体分离。然而，通过所使用的、在感应层和相应电极之间的空气间隙，相应栅极堆的、构成的电容变得相对小，由此，气体信号尤其强地被减弱。
发明内容
本发明创造一种根据权利要求1所述的、用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件，以及一种根据权利要求11所述的相应的制造方法。
通过这里所描述的基于半导体的气体传感器组件尤其能够实现在气体探测方面非常高的灵敏度。为此，下述气体敏感结构被使用，该气体敏感结构包括气体电极、电极和布置在所述气体电极和所述电极之间的至少部分地能极化的电介质层，其中，通过所述气体敏感结构所形成的电容与读取晶体管的栅极耦接，并且，所述读取晶体管被布置在基底中或者基底处。在此，能够尤其涉及换能器，该换能器能够被设计用于通过使用合适的电极材料探测不同的气体，尤其是浓度非常低的气体。
优选的改型方案是各个从属权利要求的主题。
本发明的优点
本发明实现的是，人们能够利用具有高灵敏度的基于半导体的气体传感器组件在低的浓度范围中探测在恶劣环境中的气体，所述气体传感器组件能够被大量生产。这尤其通过“掩埋”敏感的读取晶体管来实现，使得污染和与之相关的信号漂移被避免。特别高的灵敏度通过在所述气体敏感结构中使用至少部分地能极化的电介质层、尤其是薄层实现。这些层能够具有下述介电常数，所述介电常数比来自半导体技术的常见栅极材料如SiO2或者Al2O3大约高两个数量级，使得栅极电容恰好以这个因数为程度增大并且分辨率升高。此外，在合适的运行方式中，所述气体敏感结构的电容的气体依赖性本身能够被利用。也就是说，栅极电介质、例如所述能极化的电介质层不仅作为被动的绝缘层（通过所述绝缘层所施加的场朝向通道区域穿透）而且介电常数附加地作用在通道电流上，所述介电常数依赖于场或者气体强烈地变化。
与在现有技术中所描述的悬浮栅概念相反，这尤其具有下述优点：空气间隙不是必需的。空气间隙导致：通过所述气体敏感结构所形成的、也被称为栅极电容的电容变小，并且，所吸收的气体种类的信号的传递变差。此外，在处理期间昂贵的倒装芯片装配不是必需的，使得传感器的高的能集成性/能小型化性得到保证，由于所述倒装芯片装配以相应大的“能够操作的”芯片几何形状为前提，使得所述基于半导体的气体传感器的小型化仅仅是受限地可能的。
此外，本发明实现尤其在非常低的浓度范围（兆分之一（ppt）至百万分之一（ppm））内的不同气体的稳定测量。所述稳定测量能够尤其在恶劣的环境条件（-50℃至800℃）下被执行。
本发明所基于的构思是，通过气体敏感结构和读取晶体管的组合得到非常高的灵敏度。这尤其是通过下述气体敏感结构实现：所述气体敏感结构被耦接在所“掩埋”的读取晶体管的栅极处、尤其是场效应晶体管的栅极处。所述气体敏感结构的特点是，所述至少部分地能极化的电介质层在其中被使用。即：层，它的阻抗或者介电常数根据所施加的电场变化。示例性地，这样的材料例如是铁电体，所述铁电体一般具有非常高的介电常数。对于在高温（优选高于250℃）时的使用，然而也考虑其它电介质，如SiO2、Si3N4或者Al2O3。在这种情况下，极化机制于是通过在所述层内的运动的离子被确定。电极材料被如此选择，使得电位的或者功函的变化根据待探测的气体调节。为此考虑金属（例如：铂（Pt）、金（Au）、银（Ag）或者铜（Cu））、导电聚合物或者有机物质以及导电陶瓷。如果敏感材料本身是不导电的，则它能够与多孔的或者其他结构化的电极组合。
通过所述气体敏感结构所形成的电容直接与所述读取晶体管的所述栅极耦接。这与其它读取方法相比具有下述优点：由于直接增强导致的、非常高的并且低噪声的灵敏度，该增强通过所述读取晶体管和在所述电容和增强的读取晶体管之间的极短的导致实现。在此，具有在下游的评估电路的不同运行模式能够被使用。例如，在恒定的栅极电压时，所述读取晶体管的源极-漏极-电流能够根据所施加的大气被评估。反之，所述栅极电压能够被如此调整，使得所述源极-漏极-电流保持恒定。在两种情况中，所施加的电压也能够仅脉冲地被施加。
根据一种优选的改型方案，所述读取晶体管被埋在钝化层下或者被布置在所述基底背离所述气体敏感结构的侧上。换言之，在这里所描述的基于半导体的气体传感器组件中，所述读取晶体管与待探测的气体不直接接触，或者说，所描述的结构的电容被耦接至读取晶体管的栅极处，所述读取晶体管本身不暴露在待检查的气体中。也就是说，所述读取晶体管与所述待探测的气体隔离。由此，所述读取晶体管尤其被保护免受污染。
根据另一种优选的改型方案，通过所述气体敏感结构所形成的所述电容直接被耦接在所述读取晶体管的栅极处。在此，读取晶体管的灵敏度能够直接取决于在所述栅极处的电容，并且，高的电容或者取决于气体的电容变化能够被探测。
根据另一种优选的改型方案，所述读取晶体管是场效应晶体管。这具有下述优点：特别小的基于半导体的气体传感器组件是能够被实现的。
根据另一种优选的改型方案，所述至少部分地能极化的电介质层包括二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铪（HfO2）、氧化钽（Ta2O5）、二氧化锆（ZrO2）、氮化物（例如尤其是氮化硅（Si3N4）、氮化硼（BN））、碳化物（例如尤其是碳化硅（SiC））和硅化物（例如尤其是二硅化钨（WSi2）、二硅化钽（TaSi2））以及铁电材料（例如尤其是钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb(ZrxTi1-x)O3）或者钡钛酸锶（BaxSr1-xTiO3））。尤其在这种改型方案中，有效电绝缘的或者能极化的电介质层能够被构造或者已被构造，该电介质层还适用于至少局部限制地能极化。上述物质尤其是足够惰性的，使得能极化的种类能够被引入这些物质中，并且，另外还能够在所述气体敏感结构的运行条件下相邻地存在，而不产生显著的相互作用。因此，所述气体电极，所述电极和所述布置在所述气体电极和所述电极之间的至少部分地能极化的电介质层构造电容结构，该电容结构能够用作用于根据本发明的基于半导体的气体传感器组件的基础。
此外，所述至少部分地能极化的电介质层能够是局部地能极化的。这能够在本发明的意义上尤其意味着，整个能极化的电介质层是能极化的，或者，能极化的电介质层也只是局部受限地是能极化的.并且能够具有大致平行地取向的或者能够取向的偶极子，或者，在所述层中至少空间受限地一定程度的极性能够是能产生的。能极化性在此能够被原则上理解为在原子或者分子水平上电荷或者用于能极化性的偶极子的定向。这导致所述至少部分地能极化的电介质层的、取决于电压的介电常数。
根据一种优选的改型方案，所述气体电极和所述电极包括铂（Pt）、钯（Pd）、金（Au）、银（Ag）、铑（Rh）、铼（Re）、钌（Ru）、铱（Ir）、钛（Ti）、氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）、铜（Cu）或者合金，所述合金具有上述成分中的一种或者多种或者导电聚合物和/或有机物质以及导电陶瓷。在此，所述气体电极或者所述电极能够完全由上述物质中的一种或者多种制造，或者能够仅仅部分地具有这样的物质，大约以被布置在电极结构中的颗粒的形式。
根据一种优选的改型方案，所述气体电极和所述电极与多孔的和/或结构化的其它电极是能够组合的。此外，导电聚合物和/或有机物质以及导电陶瓷被考虑。在此，所述组合具有下述优点：如果所述敏感的或者导电的材料本身是不导电的，则尤其材料成本能够被节约。也就是说，并非整个气体电极和/或电极必须具有高成本的材料。
根据一种优选的改型方案，所述气体敏感结构被布置在具有或者不具有集成加热器的膜上。由此，快速的响应时间和/或低的功率消耗能够有利地被保证。
根据一种优选的改型方案，第二电极具有内数字结构。所述内数字结构能够简化所述处理并且实现将不导电的、气体敏感的气体电极施加到电介质的、即所述至少部分地能极化的电介质层的、朝向气体的自由侧上。
根据另一种优选的改型方案，所述基于半导体的气体传感器组件在栅极电压范围中能够被如此运行，使得偶极子在所述至少部分地能极化的电介质层中是能运动的，也就是说，介电常数能够通过所吸收的气体改变。为了随后能够读取这个变化，除了偏置电压（DC-Bias）之外，例如正弦形调制的电压分量必须也被施加在所述栅极处。这个电压分量能够具有恒定的或者变化的频率。为了实现这里所描述的能运动的偶极子的情况，尤其静电场在所述至少部分地能极化的电介质层中能够消失，也就是说，人们在某些情况下利用非常低的栅极电压工作。在这种情况下，于是所谓的常开晶体管架构的使用是有利的，以便即使在这些栅极电压时充分大的通道电流还能够被实现。
附图说明
下面，根据参照附图的实施方式阐释本发明的其它特征和优点。
附图示出：
图1 用于阐释根据本发明第一实施方式的、用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制造方法的示意性垂直剖视图；
图2 用于阐释根据本发明第二实施方式的、用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制造方法的示意性垂直剖视图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的或者相同功能的元件。
图1示出用于阐释根据本发明第一实施方式的、用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制造方法的示意性垂直剖视图。
在图1中，附图标记H1表示用于探测气体的基于半导体的气体传感器组件。基于半导体的气体传感器组件H1具有气体敏感结构S1，该气体敏感结构包括气体电极E1、电极E2和布置在所述气体电极E1和所述电极E2之间的至少部分地能极化的电介质层D1。气体敏感结构S1适用于在运行中构造电容。气体敏感结构S1的这个电容与读取晶体管A1的栅极G1耦接，并且，读取晶体管A1被布置在基底T1中。
如在图1中所示出的，与悬浮栅-概念相反，空气间隙不是必需的，该空气间隙降低栅极电容并且使来自所述气体敏感结构的信号的传递恶化。如在图1中所示的，气体敏感结构S1与基底T1直接接触，其中，电极E2与基底T1直接接触。可替代地，读取晶体管A1也能够被埋在钝化层P1中。
在图1中，所述通过气体敏感结构S1所形成的的电容被直接耦接在读取晶体管A1的栅极G1处。
图2示出用于阐释根据本发明第二实施方式的、用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件和相应的制造方法的示意性垂直剖视图。
图2示出具有下述区别的、图1的基于半导体的气体传感器组件H1：图1的气体敏感结构S1被布置在具有集成加热器M2的膜M1上。此外，如在图2中所示出的，凹部被构造在所述气体敏感结构的区域中的基底T1或者钝化层P1中。所述凹部在此位于气体敏感结构S1下方，并且被构造在基底P1或者钝化层P1中。所述凹部以有利的方式用于：使得所述膜的加热通过集成加热元件基于尽可能小的热质量特别快速地完成，因为通过所述加热元件产生的热量不是必须附加地被释放至所述基底中或者所述基地处。此外，所述凹部被如此构造，使得在运行中通过膜M1的集成加热器M2所产生的热量能够被快速向外导出，并且在运行结束后的快速冷却也是可能的。
在图2中，通过所述气体敏感结构S1所形成的的电容与读取晶体管A1的栅极G1耦接，其中，读取晶体管A1完全处于所述基底中并且侧向于所述凹部被布置在基底T1或者说钝化层P1中。
如同在图1中那样，在图2的实施例中，如上文已经描述过的那样，无空气间隙被构造。
虽然本发明借助优选的实施例已被描述，但是它不限于此。尤其地，所述材料和拓扑只是示例性的并且不限于所阐释的例子。

Claims (11)

1.用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件（H1），该气体传感器组件具有：
气体敏感结构（S1），该气体敏感结构包括气体电极（E1）、电极（E2）和布置在所述气体电极和所述电极（E1、E2）之间的、至少部分地能极化的电介质层（D1）；
其中，通过所述气体敏感结构（S1）所形成的电容与读取晶体管（A1）的栅极（G1）耦接；以及
其中，所述读取晶体管（A1）被布置在基底（T1）中或者基底处。
2.根据权利要求1所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述读取晶体管（A1）被埋在钝化层（P1）下或者被布置在所述基底（T1）背离所述气体敏感结构（S1）的侧上。
3.根据权利要求1所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，通过所述气体敏感结构（S1）所形成的电容被直接耦接在所述读取晶体管（A1）的所述栅极（G1）处。
4.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述读取晶体管（A1）是场效应晶体管。
5.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述至少部分地能极化的电介质层（D1）包括二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铪（HfO2）、氧化钽（Ta2O5）、二氧化锆（ZrO2）、氮化物、例如尤其是氮化硅（Si3N4）、氮化硼（BN）、碳化物、例如尤其是碳化硅（SiC）和硅化物、例如尤其是二硅化钨（WSi2）、二硅化钽（TaSi2）以及铁电材料、例如尤其是钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb(ZrxTi1-x)O3）或者钡钛酸锶（BaxSr1-xTiO3））。
6.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述气体电极和所述电极（E1、E2）包括铂（Pt）、钯（Pd）、金（Au）、银（Ag）、铑（Rh）、铼（Re）、钌（Ru）、铱（Ir）、钛（Ti）、氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）、铜（Cu）或者合金，所述合金具有上述成分中的一种或者多种，或者导电聚合物和/或有机物质以及导电陶瓷。
7.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述气体电极和所述电极（E1、E2）与多孔的和/或结构化的其它电极是能够组合的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述气体敏感结构（S1）被布置在具有或者不具有集成加热器（M2）的膜（M1）上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，第二电极（E2）具有内数字结构。
10.根据前述权利要求中任一项所述的基于半导体的气体传感器组件（H1），其中，所述基于半导体的气体传感器组件（H1）在栅极电压范围中能够被如此运行，使得偶极子在所述至少部分地能极化的电介质层（D1）中是能运动的。
11.用于根据权利要求1的、用于探测气体的、基于半导体的气体传感器组件（H1）的制造方法，该方法具有下述步骤：
提供具有气体电极（E1）、电极（E2）和布置在所述气体电极和所述电极（E1、E2）之间的、至少部分地能极化的电介质层（D1）的气体敏感结构（S1）；
将通过所述气体敏感结构（S1）所形成的电容与读取晶体管（A1）的栅极（G1）耦接；以及
将所述读取晶体管（A1）布置在基底（T1）中或者基底处。
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