FR2955973A1

FR2955973A1 - Composant electronique pour hautes temperatures

Info

Publication number: FR2955973A1
Application number: FR1150844A
Authority: FR
Inventors: Richard Fix; Markus Widenmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2011-08-05
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: US20110193140A1; CN102148243A; US9080967B2; DE102010001568A1; CN102148243B; FR2955973B1

Abstract

L'invention concerne un composant électronique en particulier un transistor à effet de champ chimio-sensible qui comporte un substrat (1), une structure de piste conductive (2) disposée sur ce substrat et une couche fonctionnelle (3) mise en contact sur la structure de piste conductive (2). Pour pouvoir réaliser un structure de piste conductive (2) mince, stable à l'oxydation et stable à la température, la structure de piste conductive (2) est réalisée en un mélange de métaux qui renferme du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un composant électronique pour des hautes températures, en particulier un composant semi-conducteur chimio-sensible.

Etat de la technique Des composants électroniques peuvent comporter un substrat, une structure de piste conductive disposée sur le substrat et une couche fonctionnelle mise en contact sur la structure de piste conductive ; la structure de piste conductive peut être partiellement recouverte de la couche fonctionnelle pour permettre la mise en contact de cette couche. A titre d'exemple, un tel composant électronique peut être un transistor à effet de champ chimio-sensible, par exemple sensible aux gaz. La couche fonctionnelle peut être électrode de grille du transistor à effet de chant. La structure de piste conductive est classiquement constituée de platine pur. Lors de la mise en oeuvre d'un capteur à transistor à effet de champ chimio-sensible pour la détection de composants gazeux dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, par exemple un moteur de véhicule, le transistor à effet de champ chimio-sensible est toutefois exposé à une atmosphère chimiquement agressive, en particulier oxydante et à des températures supérieures à 500°C. Dans de telles conditions, du platine pur peut se dégrader, en particulier se contracter et la structure de piste conductrice peut se fissurer. Par suite, les structures de piste conductive en platine présentent en règle générale une épaisseur notablement supérieure à celle de la couche fonctionnelle. Ceci peut toutefois entraîner une fissuration de la couche fonctionnelle au niveau des surfaces verticales de la structure de piste conductrice.

Exposé de l'invention L'invention a pour objet un composant électronique, en particulier un composant semi-conducteur comportant un substrat, une structure de piste conductive disposée sur le substrat et une couche fonctionnelle mise en contact sur la structure de piste conductive. Selon l'invention, la structure de piste conductive est

2 réalisée en un mélange de métaux renfermant du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium. Le réalisation d'une structure de piste conductive en un tel mélange de métaux présente l'avantage d'améliorer sa résistance vis-à-vis d'une atmosphère chimiquement agressive en particulier oxydante, en présence de températures élevées par exemple de 400°C à 1000°C, notamment de 500°C à 800°C. La structure de piste conductive peut ainsi être plus mince que les structures de piste conductive classiques en platine pur. En particulier, la structure de piste 15 conductive peut ainsi être réalisée plus mince que la couche fonctionnelle, ce qui permet d'éviter une fissuration de la couche fonctionnelle recouvrant partiellement la piste conductive. Dans le cadre de la présente invention, les semi-métaux tels que par exemple le bore, le silicium, le germanium sont considérés 20 comme des métaux. Au sens de la présente invention, par le terme « lanthanides » on doit en particulier entendre les éléments cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium et 25 lutétium. Le platine est de préférence le composant principal du mélange de métaux. Par « composant principal du mélange de métaux » on doit en particulier entendre le métal du mélange de métaux qui présente le pourcentage molaire le plus élevé parmi les métaux de ce 30 mélange. Le mélange de métaux peut en particulier être constitué du platine et d'au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or ou le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, 35 le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium,

3 le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium. Le mélange de métaux peut par exemple renfermer du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium et l'or, ou être ainsi constitué. En variante, le mélange de métaux peut renfermer du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium ou être ainsi constitué. Dans le cadre d'un mode de réalisation le mélange de métaux renferme du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le titane, le zirconium, le hafnium, le chrome, le rhénium et l'aluminium et/ ou au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium et le ruthénium. Le mélange de métaux renferme de préférence du platine et du rhodium et est ainsi constitué.

Selon un autre mode de réalisation le mélange de métaux renferme : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes en particulier de à 75% d'atomes à à 90% d'atomes de platine, et - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes en particulier de à 10% d'atomes à à 25% d'atomes d'au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium, étant précisé que la somme des atomes de platine, rhodium, iridium, ruthénium, palladium, osmium, or, scandium, yttrium, lanthane, lanthanides, titane, zirconium, hafnium, niobium, tantale, chrome, tungstène, rhénium, fer, cobalt, nickel, cuivre, bore, aluminium, gallium, indium, silicium et germanium s'élève globalement à 100% d'atomes. En particulier, le mélange de métaux peut renfermer : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes, en particulier de à 75% d'atomes à à 90% d'atomes de platine, et - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes en particulier de à 10% d'atomes à à 25% d'atomes d'au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le titane, le zirconium, le hafnium, le chrome, le rhénium, et l'aluminium, étant précisé que la somme des atomes de platine, rhodium, iridium, ruthénium, titane, zirconium, hafnium, chrome, rhénium et aluminium s'élève globalement à 100% d'atomes. A titre d'exemple le mélange de métaux peut renfermer : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes, en particulier de à 75% d'atomes à à 90% d'atomes de platine, et - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes en particulier de à 10% d'atomes à à 25% d'atomes d'au moins un métal choisi dans le groupe formé par le titane, le zirconium, le hafnium, le chrome, le rhénium, et l'aluminium, étant précisé que la somme des atomes de platine, titane, zirconium, hafnium, chrome, rhénium et aluminium s'élève globalement à 100% d'atomes. En variante, le mélange de métaux peut renfermer : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes, en particulier de à 75% d'atomes à à 90% d'atomes de platine, et - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes, en particulier de à 10% d'atomes à à 25% d'atomes d'au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium et le ruthénium, étant précisé que la somme des atomes de platine, rhodium, iridium et ruthénium s'élève globalement à 100% d'atomes. Selon un autre mode de réalisation, le mélange de métaux renferme : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes, en particulier de à 75% d'atomes à à 90% d'atomes de platine, et - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes, en particulier de à 10% d'atomes à à 25% d'atomes de rhodium, étant précisé que la somme des atomes de platine et de rhodium s'élève globalement à 100% d'atomes. 5 Selon un autre mode de réalisation, le mélange de métaux est un alliage métallique. Selon un autre mode de réalisation, le mélange de métaux renferme des noyaux de platine qui sont respectivement entourés partiellement et en particulier essentiellement en totalité d'une couche métallique en au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium. Le revêtement des noyaux de platine avec une telle couche métallique peut le cas échéant empêcher ou au moins réduire la vaporisation ou l'agglomération du platine. Par l'expression « entourés essentiellement en totalité » on doit en particulier entendre que sont inclus des écarts selon lesquels au moins deux noyaux sont en contact l'un avec l'autre et/ou au moins un noyau est en contact avec la surface du substrat. Les noyaux de platine peuvent à titre d'exemple présenter une granulométrie moyenne de à 0,1 nm à à 90 nm, en particulier de à 3 nm à à 50 nm, par exemple de à 5 nm à à 20 nm, mesurée par microscopie électronique à balayage.

Pour permettre la mise en contact de la couche fonctionnelle, la structure de piste conductive peut être partiellement recouverte par cette couche fonctionnelle. Selon un autre mode de réalisation, la couche fonctionnelle recouvre partiellement la structure de piste conductive et partiellement le substrat. La couche fonctionnelle peut être une couche poreuse et/ou électriquement conductrice. Par l'expression « électriquement conductrice », on doit en particulier entendre que la couche présente une conductivité spécifique d'au moins 10 Sm-'. La couche fonctionnelle peut ainsi présenter des pores ayant une dimension moyenne de à 0,2 nm à à 20 nm, en particulier de à 0,3 nm à <_ à 10 nm, par exemple de à 0,5 nm à à 5 nm, mesurée par microscopie électronique à balayage. La couche fonctionnelle peut par exemple être réalisée en un matériau choisi dans le groupe formé par le platine, le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium, des mélanges de ces métaux, en particulier des alliages de ces métaux, des composés d'au moins un de ces métaux avec de l'oxygène, de l'azote ou du carbone ainsi que des mélanges d'au moins un de ces métaux avec au moins un composé de ces métaux avec de l'oxygène, de l'azote et/ou du carbone. La couche fonctionnelle peut en particulier être réalisée dans le même mélange de métaux que la structure de piste conductive. Selon un autre mode de réalisation, la structure de piste conductive présente une épaisseur (dL) inférieure à l'épaisseur (dF) de la couche fonctionnelle. On peut ainsi diminuer le risque de fissuration d'une couche fonctionnelle recouvrant la structure de piste conductive.

Selon un autre mode de réalisation, la structure de piste conductive présente une épaisseur (dL) de à 0,5 nm à à 100 nm, en particulier de à 5 nm à à 50 nm, par exemple d'environ 20 nm. Une telle structure de piste conductive ayant une telle minceur peut d'une part réduire les tensions. D'autre part, de telles structures de piste conductive peuvent être réalisées plus minces que la couche fonctionnelle, permettant ainsi de diminuer le risque de fissuration d'une couche fonctionnelle recouvrant la structure de piste conductive. Selon un autre mode de réalisation, la couche fonctionnelle présente une épaisseur (dF) de à 1 nm à à 200 nm, en particulier de à 10 nm à <_ à 100 nm, par exemple d'environ 50 nm. L'épaisseur (dL) de la structure de piste conductive peut par exemple présenter un rapport de 1:5 à 1:2 par rapport à l'épaisseur (dF) de la couche fonctionnelle. Selon un autre mode de réalisation, l'épaisseur (dL) de la 35 structure de piste conductive s'élève à moins de 50% de l'épaisseur (dF)

7 de la couche fonctionnelle. Ceci présente l'avantage de permettre d'éviter une fissuration d'une couche fonctionnelle recouvrant la structure de piste conductive. La structure de piste conductive peut par exemple être appliquée sur le substrat par un procédé de métallisation sous vide et/ou de pulvérisation ou être structurée sur le substrat. De tels procédés sont par exemple décrits dans la publication « A study of platinum electrode pattering in a reactive ion etcher », J. Vac. Sci. Technol. A 16(3), mai/juin 1998, pages 1489 à 1496.

Le substrat peut par exemple être réalisé en saphir ou en dioxyde de silicium. Selon autre mode de réalisation le composant électronique est un composant semi-conducteur chimio-sensible, par exemple sensible aux gaz, par exemple un transistor à effet de champ chimio-sensible, par exemple un capteur à transistor à effet de champ chimio-sensible. Le composant semi-conducteur peut en particulier être réalisé pour mesurer au moins un composé gazeux, par exemple des hydrocarbures, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, de l'eau, de l'ammoniac et/ou des oxydes d'azote tels que le monoxyde d'azote et/ ou le dioxyde d'azote, par exemple dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne tel que le moteur à combustion interne d'un véhicule. Selon un autre mode de réalisation, la couche fonctionnelle est une électrode de grille ou un composant d'une électrode de grille d'un transistor à effet de champ. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un mélange de métaux renfermant du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium en tant que matériaux de piste conductive d'un composant semi-conducteur chimio-sensible, en particulier sensible aux gaz, par exemple d'un transistor à effet de champ chimio-sensible, par exemple

8 d'un capteur à transistor à effet de champ chimio-sensible. Le composant semi-conducteur peut en particulier être réalisé pour permettre de mesurer au moins un composé gazeux, par exemple des hydrocarbures, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, de l'eau, de l'ammoniac et/ou des oxydes d'azote tels que le monoxyde d'azote et/ ou le dioxyde d'azote, par exemple dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne tel que le moteur d'un véhicule automobile. Le mélange de métaux renferme de préférence : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes, en particulier de à 75% d'atomes à à 90% d'atomes de platine, et - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes, en particulier de à 10% d'atomes à à 25% d'atomes de rhodium, étant précisé que la somme des atomes de platine et de rhodium s'élève globalement à 100% d'atomes. En ce qui concerne des autres variantes possibles de composition et de mode de réalisation du mélange de métaux, il convient de se reporter au descriptif susmentionné du composant électronique.

Dessins D'autres avantages et modes de réalisation avantageux de l'invention seront illustrés par la figure non limitative et décrits dans la description ci-dessous, cette figure est une coupe schématique d'un mode de réalisation d'un composant électronique conforme à l'invention. Selon la figure, le composant électronique comporte un substrat 1, une structure de piste conductive 2 disposée sur ce substrat et une couche fonctionnelle 3 mise en contact sur la structure de piste conductive 2. Pour permettre la mise en contact de la couche fonctionnelle 3, la structure de piste conductive 2 est recouverte par la couche fonctionnelle 3. La couche fonctionnelle 3 recouvre partiellement la structure de piste conductive 2 et partiellement le substrat 1. En outre et selon la figure, la structure de piste conductive 2 présente une épaisseur (dL) qui est plus faible que l'épaisseur (dF) de la couche fonctionnelle 3. L'épaisseur (dL) de la

9 structure conductrice 2 est en particulier inférieure à 50% de l'épaisseur (dF) de la couche fonctionnelle 3. Selon la figure on peut ainsi éviter une fissuration de la couche fonctionnelle au niveau de la transition entre la structure de piste conductive 2 et le substrat 1, la figure illustre en particulier que de cette manière, la surface supérieure 4 et également les surfaces latérales 5 de la structure de piste conductive 2 sont recouvertes par la couche fonctionnelle 3. lo

Claims

REVENDICATIONS1 °) Composant électronique comprenant : - un substrat (1), - une structure de piste conductive (2) disposée sur le substrat (1), et - une couche fonctionnelle (3) mise en contact sur la structure de piste conductive (2), caractérisé en ce que la structure de piste conductive (2) est réalisée en un mélange de métaux qui renferme : - du platine, et - au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium. 2°) Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le mélange de métaux renferme du platine, et - au moins un métal choisi dans le groupe formé par le titane, le zirconium, le hafnium, le chrome, le rhénium, et l'aluminium et/ ou - au moins métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium et le ruthénium. 3°) Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de métaux renferme : - de à 60% d'atomes à à 99% d'atomes de platine, et 30 - de à 1% d'atomes à à 40% d'atomes d'au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le 12 nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium, étant précisé que la somme des atomes de platine, rhodium, iridium, ruthénium palladium, osmium, or, scandium, yttrium, lanthane, lanthanides, titane, zirconium, hafnium, niobium, tantale, chrome, tungstène, rhénium, fer, cobalt, nickel, cuivre, bore, aluminium, gallium, indium, silicium et germanium s'élève globalement à 100% d'atomes. 4°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange de métaux renferme : - de à 60% à à 99% d'atomes de platine, et - de à 1% à à 40% d'atomes de rhodium, étant précisé que la somme des atomes de platine et de rhodium s'élève globalement à 100% d'atomes. 5°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange métallique - est un alliage métallique et/ ou - renferme des noyaux de platine qui sont respectivement entourés au moins partiellement, en particulier essentiellement en totalité d'une couche métallique en au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium et le germanium, et sont en particulier entourés de rhodium. 6°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche fonctionnelle (3) recouvre partiellement la structure de piste 35 conductive (2) et partiellement le substrat (1). 13 7°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la structure de piste conductive (2) présente une épaisseur (dL) qui est plus faible que l'épaisseur (dF) de la couche fonctionnelle (3). 8°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que - la structure de piste conductive (2) présente une épaisseur (dL) de à 0,5 nm à à 100 nm, et/ou - la couche fonctionnelle (3) présente une épaisseur (dF) de à 1 nm à à 200 nm. 9°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur (dL) de la structure de piste conductive (2) a une valeur inférieure à 50% de l'épaisseur (dF) de la couche fonctionnelle. 10°) Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le composant électronique est un composant semi-conducteur chimiosensible par exemple un capteur à transistor à effet de champ chimiosensible. 11 °) Composant électronique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche fonctionnelle (3) est une électrode de grille ou un élément d'une électrode de grille de transistor à effet de champ. 12°) Utilisation d'un mélange de métaux qui renferme du platine et au moins un métal choisi dans le groupe formé par le rhodium, l'iridium, le ruthénium, le palladium, l'osmium, l'or, le scandium, l'yttrium, le lanthane, les lanthanides, le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le tungstène, le rhénium, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le silicium 14 et le germanium en tant que matière de piste conductive pour un composant semi-conducteur chimio-sensible.5