DE102012211460A1 - Gas sensor and method for producing such - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor (10) zum Detektieren von in einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen, umfassend einen Feldeffekttransistor mit einem Substrat (12), auf dem eine gasexponierbare Gate-Elektrode (22), eine Source-Elektrode (18) und eine Drain-Elektrode (20) angeordnet sind, wobei zwischen dem Substrat (12) und der Gate-Elektrode (22) eine elektrische Isolierung (24) angeordnet ist, wobei die elektrische Isolierung (24) als Schichtsystem ausgestaltet ist, und wobei in wenigstens eine Schicht (26, 28, 30) des Schichtsystems definierte und stabilisierte Ladungen eingebracht sind. Ein derartiger Gassensor (10) liefert auch bei hohen Temperaturen ein besonders stabiles Messverhalten durch eine mechanisch und elektrisch stabile elektrische Isolierung (24). Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Gassensors (10).The invention relates to a gas sensor (10) for detecting substances contained in a fluid stream, comprising a field effect transistor with a substrate (12) on which a gas-exposable gate electrode (22), a source electrode (18) and a drain Electrode (20) are arranged, electrical insulation (24) being arranged between the substrate (12) and the gate electrode (22), the electrical insulation (24) being designed as a layer system, and wherein at least one layer ( 26, 28, 30) of the layer system defined and stabilized charges are introduced. Such a gas sensor (10) delivers a particularly stable measurement behavior even at high temperatures due to mechanically and electrically stable electrical insulation (24). The present invention further relates to a method for producing such a gas sensor (10).
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor umfassend einen Feldeffekttransistor. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Gassensors.The subject matter of the present invention is a gas sensor comprising a field-effect transistor. The invention further relates to a method for producing such a gas sensor.
Stand der TechnikState of the art
Sensoren, wie beispielsweise chemische Gassensoren, die auf einem Feldeffekttransistor mit einem Substrat basieren, welches beispielsweise ein Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke aufweist, werden oftmals bei hohen Temperaturen betrieben, die in einem Bereich von 300 °C oder mehr liegen können. Derartige Temperaturen herrschen beispielsweise bei einem Sensor, der in oder an einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann. Um eine konstante Temperatur des Sensors zu ermöglichen, kann es oftmals erforderlich sein, den Sensor noch über diese Umgebungstemperatur hinaus zu heizen.Sensors such as chemical gas sensors based on a field effect transistor having a substrate, for example, having a wide bandgap semiconductor material are often operated at high temperatures, which may be in a range of 300 ° C or more. Such temperatures prevail, for example, in a sensor which can be arranged in or on an exhaust line of an internal combustion engine. In order to allow a constant temperature of the sensor, it may often be necessary to heat the sensor beyond this ambient temperature.
Neben einer mechanischen wie auch elektrischen Beständigkeit derartiger Sensoren gegenüber derartigen Temperaturen kann ferner eine chemische Beständigkeit gegen diverse Materialien, wie beispielsweise Sauerstoff, Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit, säurebildende Gase, wie beispielsweise Stickoxide oder Schwefeloxide, und gegen gelöste Stoffe, wie beispielsweise Metall-Ionen, vorteilhaft sein.In addition to a mechanical and electrical resistance of such sensors to such temperatures may also be a chemical resistance to various materials, such as oxygen, water or moisture, acid-forming gases, such as nitrogen oxides or sulfur oxides, and against dissolved substances, such as metal ions, advantageous be.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor, umfassend einen Feldeffekttransistor mit einem Substrat, auf dem eine gasexponierbare Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode angeordnet sind, wobei zwischen dem Substrat und der Gate-Elektrode eine elektrische Isolierung angeordnet ist, wobei die elektrische Isolierung als Schichtsystem ausgestaltet ist, und wobei in wenigstens eine Schicht des Schichtsystems definierte, stabilisierte Ladungen eingebracht sind.The present invention relates to a gas sensor comprising a field-effect transistor with a substrate, on which a gas-exposed gate electrode, a source electrode and a drain electrode are arranged, wherein an electrical insulation is arranged between the substrate and the gate electrode, wherein the electrical insulation is designed as a layer system, and wherein in at least one layer of the layer system defined, stabilized charges are introduced.
Ein derartiger Gassensor umfasst dabei einen Feldeffekttransistor, der in an sich bekannter Weise ein Substrat umfasst. Das Substrat kann beispielsweise aus Siliziumcarbid ausgestaltet sein und beispielsweise durch entsprechende Dotierungen einen Source-Bereich, auf dem eine Source-Elektrode angeordnet ist und einen Drain-Bereich, auf dem eine Drain-Elektrode angeordnet ist, aufweisen. Zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich kann ein Kanal beziehungsweise eine Raumladungszone des Halbleitersubstrats angeordnet sein beziehungsweise sich während eines Betriebs ausbilden. Oberhalb der Raumladungszone des Substrats kann ein Isolator beziehungsweise eine elektrische Isolierung angeordnet sein, die das Substrat beziehungsweise den Raumladungsbereich von einer Gate-Elektrode trennt.Such a gas sensor in this case comprises a field effect transistor which comprises a substrate in a manner known per se. The substrate may, for example, be made of silicon carbide and have, for example, by appropriate doping, a source region on which a source electrode is arranged and a drain region, on which a drain electrode is arranged. Between the source region and the drain region, a channel or a space charge zone of the semiconductor substrate may be arranged or form during operation. Above the space charge zone of the substrate, an insulator or an electrical insulation can be arranged, which separates the substrate or the space charge region from a gate electrode.
Unter einem Feldeffekttransistor beziehungsweise einem Feldeffekt-Gassensor kann somit in an sich bekannter Weise insbesondere eine Struktur verstanden werden, bei der sich bei der Adsorption von einem bestimmten Gas oder bestimmten Gas-Ionen eine elektrische und physikalisch messbare Größe durch die Wirkung eines elektrischen Feldes verändern kann. Diese physikalisch messbare Größe kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand zwischen zwei Anschlusskontakten oder ein Strom zwischen Source- und Drain-Kontakt oder eine Kapazität sein, die zwischen der Elektrodenlage und einer Rückelektrode messbar sein kann. A field effect transistor or a field effect gas sensor can thus be understood in a manner known per se, in particular a structure in which an electrically and physically measurable variable can change during the adsorption of a specific gas or gas ions by the action of an electric field , This physically measurable variable may be, for example, an electrical resistance between two terminal contacts or a current between source and drain contact or a capacitance that may be measurable between the electrode layer and a return electrode.
Insbesondere kann die Rückelektrode durch das Halbleitersubstrat gebildet sein, in dem der Source-Bereich, der Drain-Bereich und der zwischen Source-Bereich und Drain-Bereich angeordnete Kanalbereich des gassensitiven Feldeffekttransistors ausgebildet ist, wobei zumindest eine Oberfläche des Kanalbereichs beziehungsweise des Raumladungsbereichs an die Isolierungsschicht angrenzt.In particular, the back electrode may be formed by the semiconductor substrate, in which the source region, the drain region and the channel region of the gas-sensitive field effect transistor arranged between source region and drain region is formed, wherein at least one surface of the channel region or the space charge region adjoins the Insulation layer adjacent.
Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Gassensor in unterschiedlichsten Varianten für die Gasdetektion einsetzbar sein kann und somit an jeweils verwendete Technologien für die Auswerteeinheit anpassbar sein kann. Dies kann wiederum den Vorteil bieten, dass die Gasdetektoren auf Basis eines Halbleitersubstrats fertigbar sind, wobei bei unterschiedlichen Ausführungen der Auswertung auch unterschiedliche Ausführung der Gassensoren implementiert werden können. Auch können die unterschiedlichen Ausführungsformen der Gassensoren unterschiedliche Sensitivitäten bezüglich unterschiedlicher Arten von Gasen aufweisen, so dass durch den Freiheitsgrad der unterschiedlichen Auslegung eines Gassensors die vorbeschriebene Vorrichtung für eine hoch präzise Gasdetektion einsetzbar sein kann.Such an embodiment offers the advantage that a gas sensor in a wide variety of variants can be used for gas detection and thus can be adapted to the respective technologies used for the evaluation unit. This in turn can offer the advantage that the gas detectors can be manufactured on the basis of a semiconductor substrate, wherein different embodiments of the evaluation can also implement different designs of the gas sensors. Also, the different embodiments of the gas sensors may have different sensitivities with respect to different types of gases, so that the degree of freedom of the different design of a gas sensor, the device described above for high-precision gas detection can be used.
Die Gate-Elektrode kann dabei insbesondere porös sein, um so eine Wechselwirkung der darunter liegenden Schichten mit dem zu vermessenden Gasstrom beziehungsweise den in dem Gasstrom vorhandenen Substanzen zu bewirken. Weiterhin ist die Gate-Elektrode insbesondere gasexponierbar, also einem zu vermessenden Gasstrom direkt und unmittelbar aussetzbar beziehungsweise kann mit diesem in Kontakt gebracht werden. Die Elektrode beziehungsweise der Sensor ist zumindest kurzfristig auch gegenüber einem Flüssigkeitsstrom oder Flüssigkeiten exponierbar, was beispielsweise bei kondensierenden Bedingungen in einem Gasstrom notwendig sein kann. In this case, the gate electrode may in particular be porous so as to bring about an interaction of the underlying layers with the gas stream to be measured or the substances present in the gas stream. Furthermore, the gate electrode is particularly gas-exposed, ie a gas flow to be measured directly and directly suspended or can be brought into contact with this. The electrode or the sensor can be exposed at least in the short term to a liquid flow or liquids, which may be necessary, for example, in condensing conditions in a gas stream.
Insbesondere kann die elektrische Isolierung zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat beziehungsweise dem Raumladungsbereich als Schichtsystem ausgestaltet sein. Ein Schichtsystem kann dabei insbesondere eine Mehrzahl an einzelnen Schichten gleicher oder unterschiedlicher Materialien bedeuten, die insbesondere unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Dieses Schichtsystem wird im Folgenden auch als Gatestapel bezeichnet. Beispielsweise kann eine Kombination mehrerer Schichten mit gegebenenfalls unterschiedlichen Funktionalitäten zu einem Schichtsystem führen, welches die elektrische Isolierung bilden kann. Als elektrischer Isolator kann dabei mindestens eine Schicht des Schichtsystems verwendet werden, welche einen spezifischen Widerstand von größer als 1 × 10E7 Ohm·cm hat oder eine Bandlücke von größer als 4eV aufweist. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform einer derartigen Schichtstruktur kann beispielsweise die Kombination einer guten Diffusionsbarriere mit einem guten Isolator und einer Schicht mit guter Korrosionsbeständigkeit in einer möglichst geeigneten Reihenfolge bewirken. In particular, the electrical insulation between the gate electrode and the substrate or the space charge region can be configured as a layer system. In this case, a layer system may in particular mean a plurality of individual layers of the same or different materials, which are in particular arranged directly adjacent to one another. This layer system is also referred to below as the gate stack. For example, a combination of several layers with possibly different functionalities can lead to a layer system which can form the electrical insulation. At least one layer of the layer system which has a specific resistance of greater than 1 × 10E7 ohm.cm or has a bandgap of greater than 4 eV can be used as the electrical insulator. Another advantageous embodiment of such a layer structure may, for example, effect the combination of a good diffusion barrier with a good insulator and a layer with good corrosion resistance in the most suitable order possible.
In wenigstens eine Schicht des Schichtsystems können dabei definierte stabilisierte Ladungen eingebracht sein.In this case, defined stabilized charges can be introduced into at least one layer of the layer system.
Die vorbeschriebene Vorrichtung beziehungsweise ein derart ausgestalteter Gassensor kann insbesondere eine Verbesserung der strukturellen und der elektrischen Stabilität der elektrischen Isolierung, wie insbesondere der über dem aktiven Kanalbereich des Feldeffekt-Transistors aufgebrachten Gate-Isolierung bereitstellen. Weiterhin können Leckströme, insbesondere bei hohen Temperaturen, reduziert werden. Dies kann, wie oben beschrieben, insbesondere erfolgen durch eine gezielte und dauerhafte Modifizierung einzelner Schichten der elektrischen Isolierung beziehungsweise der Gate-Isolierung innerhalb des Schichtsystems während der Herstellung etwa durch das gezielte Einbringen von Ladungen, beziehungsweise Ausbilden von Ladungen, in das entsprechende Schichtmaterial beziehungsweise in einzelne oder sämtliche Schichten der elektrischen Isolierung.The above-described device or a gas sensor designed in this way can in particular provide an improvement in the structural and electrical stability of the electrical insulation, in particular the gate insulation applied over the active channel region of the field effect transistor. Furthermore, leakage currents, especially at high temperatures, can be reduced. This can, as described above, in particular by a targeted and permanent modification of individual layers of the electrical insulation or the gate insulation within the layer system during manufacture, for example, by the targeted introduction of charges, or forming charges in the corresponding layer material or in single or all layers of electrical insulation.
Im Detail kann beispielsweise bei einem Einbau von insbesondere festen beziehungsweise stabilen Ladungen in eine der Isolierungsschichten beziehungsweise in ein Material einer Schicht des Schichtsystems erfolgen. Dieses Schichtsystem ermöglicht bei gleicher angelegter Spannung und bei einem Betrieb des Bauteils bei erhöhter Temperatur eine deutliche Reduzierung des Leckstroms auch bei hohen Temperaturen, insbesondere verglichen mit entsprechenden Vorrichtungen aus dem Stand der Technik. Denn beispielsweise durch die eingebauten Ladungen ergibt sich eine deutlich erhöhte Barriere für einen Tunnelstrom, was zu der Reduzierung des Leckstroms führen kann.In detail, for example, in the case of an incorporation of, in particular, solid or stable charges into one of the insulation layers or into a material of a layer of the layer system. This layer system allows for the same applied voltage and in an operation of the component at elevated temperature, a significant reduction of the leakage current even at high temperatures, especially compared to corresponding devices of the prior art. For example, by the built-in charges results in a significantly increased barrier for a tunnel current, which can lead to the reduction of leakage current.
Dabei sind insbesondere stabile beziehungsweise stabilisierte zusätzliche Ladungen von Vorteil, da diese auch bei einem langen Betrieb des Gassensors und unter den bei einer Messung auftretenden harschen Bedingungen, wie etwa korrosive Umgebung, Feuchtigkeit und/oder hohe Temperaturen, nicht aus der Schicht entfernt werden, was ein besonders verlässliches und langzeitstabiles Messen ermöglicht. Das Vorliegen von stabilisierten Ladungen kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere durch ein dauerhaftes Einbringen der Ladungen in die entsprechende Schicht beziehungsweise in das Material der entsprechenden Schicht erreicht werden. Sie werden somit etwa während eines Messverfahrens oder bei Betrieb durch angelegte Spannungen in zulässiger Höhe nicht aus dem Material entfernt. In anderen Worten verbleiben die Ladungen unter allen Betriebsbedingungen stabil in der entsprechenden Schicht.In particular, stable or stabilized additional charges are advantageous since they are not removed from the layer even during long operation of the gas sensor and under the harsh conditions encountered during a measurement, such as corrosive environment, humidity and / or high temperatures a particularly reliable and long-term stable measurement allows. The presence of stabilized charges can be achieved in the context of the present invention, in particular by a permanent introduction of the charges in the corresponding layer or in the material of the corresponding layer. They are thus not removed from the material during a measuring process or during operation by applied voltages at the permitted level. In other words, the charges remain stably in the corresponding layer under all operating conditions.
Neben einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften wie oben beschrieben kann eine Vorrichtung mit einem wie vorbeschrieben ausgestalteten Isolierungsschichtsystem auch Veränderungen in der Struktur zeigen. So kann ein Einbringen von Ladungen über eine Strukturveränderung dazu führen, dass die Struktur bei einem Betrieb stabil bleibt. Dadurch kann auch bei dem Einfluss von insbesondere harschen Bedingungen, wie etwa korrosiver Umgebung, Feuchtigkeit und/oder hohen Temperaturen ein besonders langzeitstabiles und verlässliches Messverhalten ermöglicht werden. In addition to improving the electrical properties as described above, a device having an insulation layer system configured as described above can also exhibit changes in structure. Thus, introduction of charges via a structural change may result in the structure remaining stable during operation. As a result, a particularly long-term stable and reliable measurement behavior can be made possible even under the influence of particularly harsh conditions, such as corrosive environment, humidity and / or high temperatures.
Darüber hinaus kann durch das Vorsehen einer wie vorstehend beschriebenen durch Strukturveränderungen modifizierten Isolierung eine besonders gute Diffusionsbarriere gegen ungewollte Substanzen, wie etwa Substanzen aus dem zu vermessenden Fluidstrom oder der Gate-Elektrode, geschaffen werden.In addition, by providing an insulation modified as described above by structural changes, a particularly good diffusion barrier against unwanted substances, such as substances from the fluid flow to be measured or the gate electrode, can be created.
Eine Modifizierung insbesondere der elektrischen Isolierung zur Verbesserung der elektrischen und/oder mechanischen Stabilität kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da die Isolierung eine Mehrzahl an Funktionen übernimmt. Beispiele für derartige Funktionen sind etwa das eigentliche elektrische Isolieren, das Ausbilden einer Diffusionsbarriere gegenüber dem elektrisch isolierenden Material des Gates beziehungsweise der Gate-Elektrode sowie gegenüber einer Kontamination aus dem zu vermessenden Fluidstrom, wie etwa einem Abgas oder einem Abgaskondensat. Hierzu kann die elektrische Isolierung insbesondere eine Mehrzahl an Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise eine gute elektrische Stabilität, eine geringere Störstellendichte und eine gute Kompatibilität mit dem Substratmaterial sowie mit dem Material der Gate-Elektrode. Weiterhin können eine hohe Spannungsstabilität, eine hohe Durchbruchfestigkeit bei hohen Temperaturen, wie insbesondere bei 500 °C oder mehr, sowie eine gute chemische Inertheit von Vorteil sein. Um diese Eigenschaften in der elektrischen Isolierung zu vereinen, kann ein Mehrschichtaufbau wie oben beschrieben von Vorteil sein, wobei einzelne oder sämtliche Schichten in vorteilhafter Weise modifiziert sein können.A modification in particular of the electrical insulation to improve the electrical and / or mechanical stability may be particularly advantageous because the insulation takes on a plurality of functions. Examples of such functions are, for example, the actual electrical insulation, the formation of a diffusion barrier with respect to the electrically insulating material of the gate or the gate electrode as well as against contamination from the fluid flow to be measured, such as an exhaust gas or an exhaust gas condensate. For this purpose, the electrical insulation may in particular have a plurality of properties, such as a good electrical stability, a lower impurity density and a good compatibility with the Substrate material and with the material of the gate electrode. Furthermore, a high voltage stability, high breakdown strength at high temperatures, in particular at 500 ° C. or more, and good chemical inertness can be advantageous. In order to combine these properties in the electrical insulation, a multi-layer structure as described above may be advantageous, wherein individual or all layers may be modified in an advantageous manner.
Dadurch kann sich beispielsweise der Vorteil einer stabilen Durchbruchfeldstärke der Gate-Isolierungsschicht selbst bei steigender Temperatur bieten. Ferner können Leckströme auch bei steigender Temperatur gering gehalten werden.This may provide, for example, the advantage of a stable breakdown field strength of the gate insulation layer even with increasing temperature. Furthermore, leakage currents can be kept low even with increasing temperature.
Ein Nachweis einer vorbeschriebenen Ladungsspeicherung kann entweder direkt durch Messverfahren wie Kelvinsonden-Kraftmikroskopie oder indirekt über die Auswertung elektrischer Messungen unter Berücksichtigung der Schichtdicken und im Vergleich zu Simulationen erfolgen.Proof of a previously described charge storage can be carried out either directly by measuring methods such as Kelvin probe force microscopy or indirectly via the evaluation of electrical measurements taking into account the layer thicknesses and in comparison to simulations.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann wenigstens eine Schicht des Schichtsystems eine definierte Kristallinität aufweisen. Insbesondere durch eine definierte Kristallinität kann eine Strukturstabilisierung besonders vorteilhaft ermöglicht werden. Dies ist insbesondere dann erreichbar, wenn durch das Einbringen einer definierten Kristallinität durch einen definierten Voralterungsschritt ein Zustand hergestellt wird, der sich nach einer Alterung unter Einsatzbedingungen ergibt. Im Detail konnte zum Beispiel bei rein amorph abgeschiedenem Aluminiumoxid nach Auslagerung über 1000h bei 500°C in einer, einem Abgas einer Brennkraftmaschine ähnlichen, Umgebung mit Feuchtigkeit eine Teilkristallisation beobachtet werden. Dies entspricht einem Alterungsverhalten in einem realen Einsatz einer derartigen Vorrichtung, was somit mit einer unter Einsatzbedingungen grundsätzlich unerwünschten strukturellen Veränderung einhergeht, was sich auch auf die elektrischen Eigenschaften auswirken kann. Erfindungsgemäß kann beispielsweise dadurch, dass bereits bei dem Herstellungsprozess eine Kristallisation erfolgt, ein derartiger Alterungsschritt unterbunden werden. Im Detail kann ein Sensor auch mit in kristalliner Form vorliegendem Material in geeigneter Weise arbeiten, jedoch kann bereits bei der Herstellung eine hohe Stabilität der Kristallinität erzeugt werden, so dass ein Drift der elektrischen Eigenschaften, und damit auch ein gegebenenfalls notwendiges Nachkalibrieren des Sensors durch fortschreitende Kristallisation als Alterungseffekt vermieden werden kann. Dadurch kann ein besonders stabiles Messverhalten ermöglicht werden.Within the scope of an embodiment, at least one layer of the layer system can have a defined crystallinity. In particular, by a defined crystallinity, a structure stabilization can be made particularly advantageous. This is achievable in particular if a state is produced by introducing a defined crystallinity through a defined pre-aging step which results after aging under conditions of use. In detail, for example, in the case of pure amorphously deposited aluminum oxide after partial storage for more than 1000 hours at 500 ° C., partial crystallization could be observed in an environment with moisture similar to an exhaust gas of an internal combustion engine. This corresponds to an aging behavior in a real use of such a device, which is thus accompanied by a fundamentally undesirable structural change under conditions of use, which can also have an effect on the electrical properties. According to the invention, for example, by virtue of the fact that crystallization already takes place during the production process, such an aging step can be prevented. In detail, a sensor can also work with material present in crystalline form in a suitable manner, however, a high stability of the crystallinity can already be produced during the production, so that a drift of the electrical properties, and thus also a possibly necessary recalibration of the sensor by progressive Crystallization can be avoided as an aging effect. As a result, a particularly stable measurement behavior can be made possible.
Dabei kann ein erzielter Kristallisationsgrad in einem Bereich von größer oder gleich 20% bis kleiner oder gleich 60% besonders vorteilhaft sein, da derartige Kristallisationsgrade meist einem realen Alterungsverhalten entsprechen.In this case, a degree of crystallization achieved in a range from greater than or equal to 20% to less than or equal to 60% may be particularly advantageous since such degrees of crystallization usually correspond to a real aging behavior.
Dabei kann insbesondere die gleiche Schicht, in welche Ladungen eingebracht sind, kristallisiert werden, oder aber eine weitere Schicht des Schichtsystems. Die Kristallinität der Schicht ist dabei unmittelbar an der vorhandenen Schicht mittels strukturabbildenden Verfahren wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder Röntgenbeugung (XRD) nachweisbar.In this case, in particular the same layer in which charges are introduced, be crystallized, or a further layer of the layer system. The crystallinity of the layer is detectable directly on the existing layer by means of structure-imaging methods such as transmission electron microscopy (TEM) or X-ray diffraction (XRD).
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Schichtsystem der elektrischen Isolierung drei Schichten umfassen oder aus drei Schichten bestehen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders anwendungsbezogene Anpassung der elektrischen Isolierung beziehungsweise ihrer Eigenschaften erreicht werden. Im Detail können Eigenschaften wie Absorptionsverhalten, Inertheit gegenüber bestimmten Substanzen, sowie Stabilität oder weitere der obengenannten Eigenschaften besonders vorteilhaft angepasst werden. Dabei kann die elektrische Isolierung weiterhin kompakt ausgebildet werden, und ferner kostengünstig herstellbar sein. Ein Vorteil von genau drei Schichten ist daher ein einfachst möglicher und symmetrischer Aufbau. Nach außen hin kann ein möglichst gut elektrisch isolierendes Material vorliegen. Die Ladungsspeicherung und/oder die Kristallisierung kann in genau einem Material beziehungsweise einer Schicht, wie insbesondere in einer mittleren Schicht, vorliegen. Dabei kann auf eine Mehrzahl weiterer zusätzlicher Materialien verzichtet werden, was die Komplexität und gegebenenfalls erforderliche Anpassungen reduzieren kann.Within the scope of a further embodiment, the layer system of the electrical insulation may comprise three layers or consist of three layers. In particular, in this embodiment, a particularly application-specific adaptation of the electrical insulation or its properties can be achieved. In detail, properties such as absorption behavior, inertness to certain substances, as well as stability or further of the abovementioned properties can be adapted particularly advantageously. In this case, the electrical insulation can continue to be made compact, and also be inexpensive to produce. An advantage of exactly three layers is therefore a simplest possible and symmetrical structure. To the outside, the best possible electrically insulating material can be present. The charge storage and / or the crystallization can be present in exactly one material or one layer, in particular in a middle layer. It can be dispensed with a plurality of additional additional materials, which can reduce the complexity and any necessary adjustments.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können in eine mittlere Schicht des Schichtsystems definierte und stabilisierte Ladungen eingebracht sein und kann gegebenenfalls eine mittlere Schicht des Schichtsystems eine definierte Kristallinität aufweisen. Somit kann in dieser Ausgestaltung insbesondere eine mittlere Schicht gezielt modifiziert sein, um die elektrischen wie auch mechanischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung zu verbessern. Bei dem Vorliegen von drei Schichten ist somit die mittlere Schicht modifiziert, wohingegen bei dem Vorliegen von mehr als drei Schichten eine oder mehrere der inneren, also nicht äußeren Schichten modifiziert sein können. In dieser Ausgestaltung kann insbesondere der Vorteil erzielt werden, dass die nach außen gerichteten Flächen, also die nicht mittleren Flächen der elektrischen Isolierung nicht modifiziert zu sein brauchen, also hier ein Standardmaterial, wie etwa Siliziumoxid gewählt werden kann, was insbesondere sehr gut elektrisch isolierende und eine möglichst gute Grenzfläche zum Halbleiter hin oder zu einer Gate-Elektrode bilden kann, wobei dies insbesondere auch gute Haftungseigenschaften zu weiteren Schichten, etwa der Gateelektrode oder zum Halbleitermaterial mit einschließen kann. Eine mittlere Schicht des Schichtsystems kann dabei insbesondere eine Schicht sein, welche nicht unmittelbar an das Substratmaterial beziehungsweise an die Gate-Elektrode angrenzt sondern vielmehr von zwei weiteren Schichten des Schichtsystems umgeben ist. Beispielsweise bei dem Vorsehen von drei Schichten in dem Schichtsystem kann die mittlere Schicht die einzige Mittelschicht sein. Bei dem Vorsehen von mehr als drei Schichten in dem Schichtsystem kann jede Schicht als mittlere Schicht gemeint sein, welche nicht unmittelbar an das Substratmaterial beziehungsweise an die Gate-Elektrode grenzt, und somit eine oder mehrere der mittleren Schichten. Within the scope of a further embodiment, defined and stabilized charges can be introduced into a middle layer of the layer system and optionally a middle layer of the layer system can have a defined crystallinity. Thus, in this embodiment, in particular a middle layer can be selectively modified in order to improve the electrical as well as mechanical properties of the electrical insulation. In the presence of three layers, the middle layer is thus modified, whereas in the presence of more than three layers, one or more of the inner, ie non-outer, layers can be modified. In this embodiment, in particular, the advantage can be achieved that the outwardly facing surfaces, so the non-average areas of electrical insulation need not be modified, so here a standard material, such as silicon oxide can be selected, which in particular very well electrically insulating and can form the best possible interface with the semiconductor or to a gate electrode, this being in particular also good adhesion properties to other layers, such as the gate electrode or the semiconductor material may include. A middle layer of the layer system may in particular be a layer which is not directly adjacent to the substrate material or to the gate electrode but rather is surrounded by two further layers of the layer system. For example, in providing three layers in the layer system, the middle layer may be the only middle layer. When providing more than three layers in the layer system, each layer may be referred to as a middle layer which does not directly adjoin the substrate material or to the gate electrode, and thus one or more of the middle layers.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens eine Schicht ein Oxid umfassen, wie insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumoxid (SiO2), Hafniumoxid (HfO2), Tantaloxid (Ta2O5), Titanoxid (TiO2), Zirkoniumoxid (ZrO2), Zinnoxid (SnO2), Gadoliniumoxid (Gd2O3), Ceroxid (CeO2), Lanthanoxid (La2O3), Praseodymoxid (Pr2O3), Indiumoxid (In2O3), Wolframoxid (Wo3); und/oder kann wenigstens eine Schicht ein Mischoxid umfassen, wie insbesondere Mischoxide zwischen den oben erwähnten Materialien mit Silizium in Form von Silikat und ferner Zirkonium-Cer-Oxid (ZrxCeyO2), Gadolinium-Cer-Oxid (GdxCeyO2), Yttrium-Zirkonium-Oxid (YxZry-xO2), Yttrium-Hafnium-Oxid (YxHfy-xO2) mit jeweils x kleiner 0.5 und y größer 0.5; und/oder kann wenigstens eine Schicht ein Oxid mit Perowskit-Struktur umfassen, wie insbesondere Calciumtitanat (CaTiO3), Bariumtitanat (BaTiO3), Strontiumtitanat (SrTiO3); und/oder kann wenigstens eine Schicht eine nicht oxidische Keramik umfassen, insbesondere Siliziumnitrid (Si3N4), Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Siliciumcarbid (SiC), Tantalsilizid (TaSi), Wolframsilizid (WSi), und/oder die entsprechenden Boride, also Titanborid, Tantalborid, Lanthanborid, Wolframborid. Ferner kann wenigstens eine Schicht aus einem oder mehreren der vorgenannten Materialien bestehen. Es ist für den Fachmann verständlich, dass auch Mischungen aus den vorgenannten Materialien vorliegen können.In a further embodiment, at least one layer may comprise an oxide, in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ), indium oxide (In 2 O 3 ), tungsten oxide (Where 3 ); and / or at least one layer may comprise a mixed oxide, in particular mixed oxides between the above-mentioned materials with silicon in the form of silicate and also zirconium-cerium oxide (Zr x Ce y O 2 ), gadolinium-cerium oxide (Gd x Ce y O 2 ), yttrium zirconium oxide (Y x Zr y x O 2 ), yttrium hafnium oxide (Y x Hf y x O 2 ) each having x less than 0.5 and y greater than 0.5; and / or at least one layer may comprise a perovskite oxide such as in particular calcium titanate (CaTiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ); and / or at least one layer may comprise a non-oxide ceramic, in particular silicon nitride (Si 3 N 4 ), boron nitride (BN), titanium nitride (TiN), silicon carbide (SiC), tantalum silicide (TaSi), tungsten silicide (WSi), and / or the corresponding borides, ie titanium boride, tantalum boride, lanthanum boride, tungsten boride. Furthermore, at least one layer may consist of one or more of the aforementioned materials. It will be understood by those skilled in the art that mixtures of the aforementioned materials may also be present.
Bevorzugte Materialien für die äußeren Schichten und hier insbesondere für die zu dem Substrat benachbarte Schicht des Schichtsystems können insbesondere einen für das verwendete Halbleitermaterial des Substrats geeigneten Bandabstand beziehungsweise Bandoffset aufweisen, wie beispielsweise Siliziumoxid oder Aluminiumoxid für das Vorliegen von Siliciumcarbid in dem Substrat. Bevorzugte Materialien für die Innenlage(n) beziehungsweise die mittlere(n) Schicht(en) umfassen Materialien, die sich besonders bevorzugt für eine Ladungseinbringung und -speicherung eignen. Dazu können etwa Materialien geeignet sein, die kleinere Bandlücken aufweisen als bei den äußeren Materialien, und ferner den Bedingungen der Ladungseinbringung beziehungsweise Einstellbarkeit der Haftstellenverteilung vorteilhaft prozessierbar sind. Insbesondere können hier als Beispiele Siliziumnitrid oder Mischoxide wie etwa Hafnium-Silikat geeignet sein.In particular, preferred materials for the outer layers and in particular for the layer of the layer system adjacent to the substrate may have a band gap suitable for the semiconductor material of the substrate used, such as silicon oxide or aluminum oxide for the presence of silicon carbide in the substrate. Preferred materials for the inner layer (s) and the middle layer (s), respectively, include materials that are particularly preferred for charge injection and storage. For this purpose, materials may be suitable, for example, which have smaller band gaps than in the case of the outer materials and, furthermore, can advantageously be processed under the conditions of charge introduction or adjustability of the adhesion-point distribution. In particular, examples of silicon nitride or mixed oxides, such as hafnium silicate, may be suitable here.
Mit Bezug auf das Vorliegen von Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Titanoxid und/oder nicht oxidische Keramik, insbesondere Siliziumnitrid, Bornitrid, Titannitrid, Siliciumcarbid, Tantalsilizid, Wolframsilizid, und/oder die entsprechenden Boride, also Siliziumborid, Titanborid, Lanthanborid, Tantalborid, Wolframborid kann diese Ausgestaltung insbesondere dazu dienen, eine besonders hohe thermische Stabilität und eine besonders gute elektrische Isolationsfähigkeit zu erzeugen. Auch ist die Funktion als Diffusionsschutzschicht gegenüber Verunreinigungen aus der Atmosphäre oder aus Abgas sowie eine Diffusionsschutzschicht gegenüber einer katalytisch wirkenden aktiven Metallelektrode als sehr gut zu betrachten.With respect to the presence of alumina, hafnium oxide, tantalum oxide, titanium oxide and / or non-oxide ceramics, in particular silicon nitride, boron nitride, titanium nitride, silicon carbide, tantalum silicide, tungsten silicide, and / or the corresponding borides, ie silicon boride, titanium boride, lanthanum boride, tantalum boride, tungsten boride This embodiment can serve in particular to produce a particularly high thermal stability and a particularly good electrical insulation capability. Also, the function as a diffusion protection layer against impurities from the atmosphere or from exhaust gas and a diffusion protection layer compared to a catalytically active metal active electrode is to be regarded as very good.
Mit Bezug auf das Vorliegen von Zirkoniumoxid, Zinnoxid, Gadoliniumoxid, Ceroxid, Lanthanoxid und/oder Praseodymoxid und oder von Mischoxiden, wie insbesondere Zirkonium-Cer-Oxid, Gadolinium-Cer-Oxid, Yttrium-Zirkonium-Oxid und/oder Yttrium-Haffnium-Oxid kann eine derartige Ausführungsform den Vorteil bieten, dass insbesondere für eine Detektion von Sauerstoff oder von anderen Gasen, für deren Detektion Sauerstoff an der Oberfläche des Gatestapels vorliegen muss aufgrund der Eigenschaft einer guten Sauerstoffadsorption eine gute Sensitivität und/oder Selektivität vorliegen kann.With regard to the presence of zirconium oxide, tin oxide, gadolinium oxide, cerium oxide, lanthanum oxide and / or praseodymium oxide and / or mixed oxides, in particular zirconium cerium oxide, gadolinium cerium oxide, yttrium zirconium oxide and / or yttrium haffnium oxide. Oxide can offer such an embodiment the advantage that good sensitivity and / or selectivity can be present in particular for the detection of oxygen or other gases for whose detection oxygen must be present on the surface of the gate stack due to the property of good oxygen adsorption.
Mit Bezug auf das Vorliegen von Indiumoxid, Zinnoxid, Wolframoxid, Gadoliniumoxid, Ceroxid, Lanthanoxid, Praseodymoxid, Aluminiumoxid und Oxiden mit Perowskit-Struktur, insbesondere Calciumtitanat, Bariumtitanat, Strontiumtitanat kann eine derartige Ausgestaltung insbesondere den Vorteil bieten, dass eine Isolierungsschicht umfassend oder bestehend aus einem oder mehrerer dieser Materialien eine besonders gute Selektivität und Sensitivität für Stickoxide ermöglichen kann.With regard to the presence of indium oxide, tin oxide, tungsten oxide, gadolinium oxide, cerium oxide, lanthanum oxide, praseodymium oxide, aluminum oxide and oxides having perovskite structure, in particular calcium titanate, barium titanate, strontium titanate, such an embodiment can offer the particular advantage that an insulating layer comprising or consisting of one or more of these materials may allow a particularly good selectivity and sensitivity for nitrogen oxides.
Dabei können die vorgenannten Materialien mit einem geeigneten Dotierungsmaterial dotiert sein. Durch eine Dotierung können beispielsweise Fehlstellen an der Oberfläche oder innerhalb der Schicht entstehen. Eine derartige Ausführungsform kann den Vorteil bieten, dass die Sensitivität des Sensors für bestimmte Arten von Gasen, die abhängig sein können von dem verwendeten Dotierungsmaterial, noch weiter verstärkt werden kann. Geeignete Dotierungsmaterialien umfassen beispielsweise Indium (In), Wolfram (W), Edelmetalle wie Gold (Au), Palladium (Pd) und Platin (Pt) sowie weitere Metalle wie etwa Eisen (Fe), Molybdaen (Mb), Calcium (Ca) und/oder Barium (Ba).The aforementioned materials may be doped with a suitable doping material. By doping, for example, defects on the surface or within the layer may occur. Such an embodiment may provide the advantage that the sensitivity of the sensor for certain types of gases, which may be dependent on the doping material used, can be further enhanced. Suitable doping materials include, for example, indium (In), tungsten (W), noble metals such as gold (Au), palladium (Pd) and platinum (Pt), as well as other metals such as such as iron (Fe), molybdenum (Mb), calcium (Ca) and / or barium (Ba).
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die benachbart zu dem Substrat angeordnete Schicht des Schichtsystems Siliziumoxid umfassen und/oder kann eine mittlere Schicht des Schichtsystems Siliziumnitrid umfassen, und/oder kann die äußere Schicht des Schichtsystems Aluminiumoxid oder Siliziumoxid umfassen.In a further embodiment, the layer of the layer system arranged adjacent to the substrate can comprise silicon oxide and / or a middle layer of the layer system can comprise silicon nitride, and / or the outer layer of the layer system can comprise aluminum oxide or silicon oxide.
Bezüglich des Vorsehens von Siliziumoxid in der benachbart zu dem Substrat angeordneten Schicht kann dies insbesondere den Vorteil aufweisen, dass eine Herstellung besonders einfach möglich ist. Im Detail kann insbesondere bei Siliziumcarbid als Halbleitermaterial, welches insbesondere als für hohe Temperaturen geeignetes Halbleitermaterialien mit einer großen Bandlücke vorteilhaft sein kann, die Siliziumoxidschicht durch eine Oxidation der Oberfläche des Substrats zur Herstellung einer ersten Gate-Isolierungsschicht beziehungsweise einer ersten Schicht des Schichtsystems der elektrischen Isolierung erzeugt werden. Dadurch kann insbesondere eine geringe Störstellendichte der Grenzfläche zwischen Substrat beziehungsweise Halbleitermaterial und der elektrischen Isolierung beziehungsweise dem Siliziumoxid und weitere bevorzugte Grenzflächeneigenschaften, wie etwa eine geringe Grenzflächenrauigkeit, ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Qualität der Grenzfläche auf einfache Weise beeinflusst werden durch die Wahl der Parameter der Oxidation, wie insbesondere Temperaturprofil, Oxidationsdauer sowie Prozessgasatmosphäre, welche in einfacher Weise aufeinander abgestimmt werden können. Ferner weist Siliziumdioxid einen besonders großen Bandoffset etwa zu Siliciumcarbid auf.With regard to the provision of silicon oxide in the layer arranged adjacent to the substrate, this may in particular have the advantage that a production is particularly simple. In particular, with silicon carbide as the semiconductor material, which may be advantageous in particular as a high band gap semiconductor material, the silicon oxide layer may be oxidized by oxidation of the surface of the substrate to produce a first gate insulation layer or a first layer of the electrical insulation layer system be generated. As a result, in particular a low impurity density of the interface between substrate or semiconductor material and the electrical insulation or the silicon oxide and further preferred interface properties, such as a low surface roughness, can be made possible. In addition, the quality of the interface can be influenced in a simple manner by the choice of the parameters of the oxidation, such as in particular temperature profile, oxidation time and process gas atmosphere, which can be easily matched. Furthermore, silicon dioxide has a particularly large band offset, for example to silicon carbide.
Mit Bezug auf das Vorsehen von Siliziumnitrid in einer mittleren Schicht des Schichtsystems können insbesondere eine besonders hohe thermische elektrische Stabilität und eine besonders gute elektrische Isolierungsfähigkeit erzeugbar sein. Auch ist eine Diffusionsschutzschicht gegenüber Verunreinigungen aus der Atmosphäre beziehungsweise des zu vermessenden Fluidstroms, wie etwa einem Abgas, sowie eine Diffusionsschutzschicht gegenüber einer katalytisch wirkenden aktiven metallischen Gate-Elektrode äußerst stabil. With regard to the provision of silicon nitride in a middle layer of the layer system, especially a particularly high thermal electrical stability and a particularly good electrical insulation capability can be produced. Also, a diffusion protection layer against impurities from the atmosphere or the fluid stream to be measured, such as an exhaust gas, as well as a diffusion protection layer against a catalytically active active metallic gate electrode is extremely stable.
Mit Bezug auf das Vorsehen von Aluminiumoxid oder Siliziumoxid in der äußeren Schicht des Schichtstapels kann insbesondere eine besonders gute Selektivität und Sensitivität für Stickoxide ermöglicht werden. Dies kann in für den Fachmann verständlicher Weise insbesondere für Stickoxidsensoren, etwa als Abgassensoren, vorteilhaft sein. Ferner können eine besonders hohe thermische Stabilität und eine besonders gute elektrische Isolationsfähigkeit ermöglicht werden. Auch ist diese Schicht als Diffusionsschutzschicht gegenüber Verunreinigungen aus dem zu vermessenden Fluidstrom sowie eine Diffusionsschutzschicht gegenüber einer katalytisch wirkenden aktiven Gate-Elektrode sehr stabil. Die äußere Schicht des Schichtsystems kann dabei insbesondere die Schicht sein, welche auf der dem Substrat beabstandeten Seite liegt, beziehungsweise welche benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart, zu der Gate-Elektrode liegt.With regard to the provision of aluminum oxide or silicon oxide in the outer layer of the layer stack, in particular a particularly good selectivity and sensitivity for nitrogen oxides can be made possible. This can be advantageous in a manner understandable to a person skilled in the art, in particular for nitrogen oxide sensors, for example as exhaust gas sensors. Furthermore, a particularly high thermal stability and a particularly good electrical insulation capability can be made possible. Also, this layer is very stable as a diffusion protection layer against impurities from the fluid flow to be measured as well as a diffusion protection layer against a catalytically active active gate electrode. In this case, the outer layer of the layer system may in particular be the layer which lies on the side spaced from the substrate, or which lies adjacent, in particular immediately adjacent, to the gate electrode.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrische Isolierung eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von kleiner oder gleich 500nm, bevorzugt von kleiner oder gleich 100nm liegen. Durch eine derartige Dicke des gesamten Schichtsystems der elektrischen Isolierung kann ein besonders sicheres und sensitives Messverhalten eines Sensors in dieser Ausgestaltung bewirkt werden, da der Einfluss eines elektrischen Feldes, welches bei einem Messvorgang an der vom Halbleitersubstrat beabstandeten Seite vorliegen kann, auf den Kanal beziehungsweise den Raumladungsbereich in geeigneter Weise vorliegen kann beziehungsweise nicht in zu starker Weise abgeschwächt wird.In a further embodiment, the electrical insulation may have a thickness which is in a range of less than or equal to 500 nm, preferably of less than or equal to 100 nm. By such a thickness of the entire layer system of the electrical insulation, a particularly secure and sensitive measurement behavior of a sensor can be effected in this embodiment, since the influence of an electric field, which may be present in a measuring operation on the side spaced from the semiconductor substrate, on the channel or the Space charge may be present in a suitable manner or is not attenuated too much.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die zu dem Substrat benachbart angeordnete Schicht des Schichtsystems ein Oxid des Substratmaterials umfassen und insbesondere eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von kleiner oder gleich 100nm liegt, bevorzugt in einem Bereich von kleiner oder gleich 50nm liegt. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders hohe Qualität der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial, wie insbesondere Siliziumcarbid, und der ersten Schicht der elektrischen Isolierung, wie insbesondere Siliziumdioxid, erzeugt werden. Insbesondere, wenn die erste Isolierungsschicht durch eine Oxidation des Halbleitermaterials erfolgt beziehungsweise erzeugt wird, kann die Qualität der Grenzfläche mit zunehmender Dicke der Oxidschicht abnehmen. Eine Reduzierung der Dicke der Oxidschicht, wie insbesondere der Siliziumoxidschicht, auf einen Bereich von kleiner oder gleich 100nm, bevorzugt kleiner oder gleich 50nm, kann dabei ausreichende Isolierungseigenschaften bereitstellen, dabei jedoch eine qualitativ hochwertige Grenzfläche insbesondere mit einer geringen Störstellendichte ermöglichen.In the context of a further embodiment, the layer of the layer system arranged adjacent to the substrate may comprise an oxide of the substrate material and in particular have a thickness which lies in a range of less than or equal to 100 nm, preferably in a range of less than or equal to 50 nm. In this embodiment, a particularly high quality of the interface between the semiconductor material, in particular silicon carbide, and the first layer of the electrical insulation, such as, in particular, silicon dioxide, can be produced. In particular, if the first insulation layer is formed or generated by an oxidation of the semiconductor material, the quality of the interface may decrease with increasing thickness of the oxide layer. A reduction of the thickness of the oxide layer, in particular of the silicon oxide layer, to a range of less than or equal to 100 nm, preferably less than or equal to 50 nm, can thereby provide sufficient insulating properties, but at the same time enable a high-quality interface, in particular with a low impurity density.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Gassensors wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, den Figuren, sowie auf die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the gas sensor according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the figures and to the description of the figures.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors zum Detektieren von in einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen, insbesondere eines wie vorstehend beschriebenen Gassensors, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen eines Substrats;
- b) Aufbringen einer elektrischen Isolierung auf zumindest einen Teilbereich des Substrats, wobei die elektrische Isolierung ein Schichtsystem aus einer Mehrzahl an Schichten aufweist;
- c) Einbringen von zusätzlichen Ladungen in wenigstens eine der Schichten des Schichtsystems; und
- d) Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf die elektrische Isolierung.
- a) providing a substrate;
- b) applying an electrical insulation on at least a portion of the substrate, wherein the electrical insulation comprises a layer system of a plurality of layers;
- c) introducing additional charges into at least one of the layers of the layer system; and
- d) applying an electrically conductive layer to the electrical insulation.
Durch ein derartiges Verfahren lässt sich in besonders einfache Weise ein Gassensor zum Detektieren von in einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen bereitstellen.By such a method, a gas sensor for detecting substances contained in a fluid flow can be provided in a particularly simple manner.
Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat kann in einer an sich bekannten Weise aus einem Halbleitermaterial, wie insbesondere aus Siliziumcarbid, ausgestaltet sein. Dabei kann es einen Source-Bereich und einen von dem Source-Bereich beabstandeten und an der gleichen Oberfläche vorliegenden Drain-Bereich aufweisen, auf denen durch an sich bekannte Verfahren eine elektrisch leitfähige Schicht als Source-Elektrode beziehungsweise als Drain-Elektrode angeordnet sind. Der Source-Bereich beziehungsweise der Drain-Bereich kann dabei beispielsweise bei Silizium oder Siliziumcarbid als Substratmaterial mit einem ortsaufgelösten Implantationsverfahren oder bei Silizium durch ein thermisches Diffusionsverfahren mit einer entsprechenden Dotierung ausgestaltet werden. Insbesondere kann der Source-Bereich und der Drain-Bereich durch eine n+-Dotierung erzeugt werden. Dagegen kann das Substrat eine p-Dotierung aufweisen, wie es insbesondere für einen Feldeffekttransistor bekannt ist.In this case, a substrate is provided in a first method step a). The substrate can be configured in a manner known per se from a semiconductor material, in particular from silicon carbide. In this case, it may have a source region and a drain region which is at a distance from the source region and is present on the same surface, on which an electrically conductive layer as the source electrode or as the drain electrode is arranged by methods known per se. In the case of silicon or silicon carbide, for example, the source region or the drain region can be designed as a substrate material with a spatially resolved implantation process or, in the case of silicon, by a thermal diffusion process with a corresponding doping. In particular, the source region and the drain region can be generated by an n + doping. In contrast, the substrate may have a p-doping, as is known in particular for a field effect transistor.
In einem weiteren Verfahrensschritt b) kann ferner eine elektrische Isolierung auf das Substrat aufgebracht werden. Insbesondere kann die elektrische Isolierung zumindest auf einen den Source-Bereich und den Drain-Bereich überlappenden Teilbereich aufgebracht werden. Dabei kann die elektrische Isolierung ein Schichtsystem aus einer Mehrzahl an Schichten aufweisen.In a further method step b), an electrical insulation can furthermore be applied to the substrate. In particular, the electrical insulation can be applied at least to a partial region overlapping the source region and the drain region. In this case, the electrical insulation may comprise a layer system of a plurality of layers.
Beispielsweise kann eine erste Schicht der elektrischen Isolierung durch eine Oxidation des Halbleitermaterials des Substrats erzeugt werden. Insbesondere kann Siliziumcarbid zu Siliziumoxid oxidiert werden, wobei in vorteilhafter Weise eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von kleiner oder gleich 50nm erzeugt wird.For example, a first layer of electrical insulation may be created by oxidation of the semiconductor material of the substrate. In particular, silicon carbide can be oxidized to silicon oxide, advantageously producing a silicon oxide layer having a thickness of less than or equal to 50 nm.
Weitere Schichten können beispielsweise durch in Halbleiterprozessen übliche Verfahren erzeugt beziehungsweise abgeschieden werden. Geeignete Verfahren umfassen beispielsweise physikalische Depositionsverfahren, wie etwa PVD-Verfahren, Magnetosputtern oder auch chemische Depositionsverfahren, wie etwa chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD).Further layers can be produced or deposited, for example, by methods customary in semiconductor processes. Suitable methods include, for example, physical deposition methods such as PVD methods, magneto-sputtering or chemical deposition methods such as chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD).
Geeignete Materialien für die Isolierungsschichten des Schichtsystems der elektrischen Isolierung umfassen dabei Oxide, wie insbesondere Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Zinnoxid, Gadoliniumoxid, Ceroxid, Lanthanoxid, Praseodymoxid, Indiumoxid, Wolframoxid; Mischoxide, wie insbesondere Zirkonium-Cer-Oxid, Gadolinium-Cer-Oxid, Yttrium-Zirkonium-Oxid, Yttrium-Haffnium-Oxid; Oxide mit Perowskit-Struktur, insbesondere Calciumtitanat, Bariumtitanat, Strontiumtitanat; nicht oxidische Keramiken, insbesondere Siliziumnitrid, Bornitrid, Titannitrid, Siliciumcarbid, Tantalsilizid, Wolframsilizid, und/oder die entsprechenden Boride, also Siliziumborid, Titanborid, Tantalborid, Lanthanborid, Wolframborid.Suitable materials for the insulating layers of the electrical insulation layer system include oxides, in particular aluminum oxide, silicon oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, tin oxide, gadolinium oxide, cerium oxide, lanthanum oxide, praseodymium oxide, indium oxide, tungsten oxide; Mixed oxides, in particular zirconium-cerium oxide, gadolinium-cerium oxide, yttrium-zirconium oxide, yttrium-haffnium oxide; Oxides with perovskite structure, in particular calcium titanate, barium titanate, strontium titanate; non-oxide ceramics, in particular silicon nitride, boron nitride, titanium nitride, silicon carbide, tantalum silicide, tungsten silicide, and / or the corresponding borides, ie silicon boride, titanium boride, tantalum boride, lanthanum boride, tungsten boride.
In einem weiteren Verfahrensschritt können gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzliche stabilisierte Ladungen in wenigstens eine der Schichten des Schichtsystems eingebracht werden. Dieser Verfahrensschritt kann in die Prozessierung des Aufbringens der entsprechenden Schicht integriert sein. Beispielsweise kann dies erfolgen durch eine geeignete Wahl eines entsprechenden Abscheideverfahrens beziehungsweise geeigneter Abscheideparameter, insbesondere durch eine Temperaturbehandlung bei oder nach der Prozessierung, oder durch das Anlegen einer Spannung nach der Prozessierung unter geeigneten Bedingungen. Bei der Abscheidung von Si3N4, beispielsweise kann beispielsweise eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) gewählt werden, welche bei Temperaturen zwischen 300°C und 400°C ablaufen kann oder ein LPCVD (Niedrig-Druck-Verfahren) in einem Temperaturbereich von zwischen 600°C und 800°C. Als Temperschritt kommt beispielsweise ein sogenanntes Rapid Thermal Anneal Verfahren (RTA) in Frage, das beispielsweise bei Si3N4 mit Rampen von beispielsweise 1000°C/min und einer Haltezeit von 2min bei 1000°C arbeitet. Idealerweise kann dabei ein während der Prozessierung für andere Zwecke notwendiger Temperschritt, beispielsweise ein Tempern (Anneal) von Feldoxid oder von Passivierungen oder bei SiC-Halbleitern eine Aktivierung von Implantationen oder ein Einlegieren von Kontakten für die Veränderung des Gatestapelmaterial genutzt werden. Das elektrische Einprägen von elektrischen Ladungen in eine Schicht eines mehrlagigen Schichtsystems kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen bis etwa 600°C erfolgen. Die Spannung muss dabei so gewählt werden, dass mit dem entsprechenden elektrischen Feld, wie etwa einem Feld von 5 MV/cm, Tunnelströme durch den Gatestapel entstehen, über die Ladungen in den Gatestapel und insbesondere in eine ladungsaufnehmende (Teil-)Schicht des Gatestapels eingebracht werden können. Typische Ströme liegen dabei in Bereichen von unter 10E-6 A/cm2.In a further method step, according to the present invention, additional stabilized charges can be introduced into at least one of the layers of the layer system. This process step can be integrated into the processing of the application of the corresponding layer. For example, this can be done by a suitable choice of a corresponding deposition method or suitable deposition parameters, in particular by a temperature treatment during or after the processing, or by the application of a voltage after processing under suitable conditions. In the deposition of Si 3 N 4 , for example, for example, a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) can be selected, which can run at temperatures between 300 ° C and 400 ° C or a LPCVD (low-pressure method) in a temperature range of between 600 ° C and 800 ° C. As annealing step, for example, a so-called rapid thermal annealing (RTA) is in question, which works for example with Si 3 N 4 with ramps of, for example, 1000 ° C / min and a holding time of 2min at 1000 ° C. Ideally, an annealing step necessary for other purposes during processing, for example annealing of field oxide or passivations or, in the case of SiC semiconductors, an activation of implantations or alloying of contacts for changing the gate stack material may be used. The electrical impressing of electrical charges in a layer of a multilayer coating system can be carried out at room temperature or at elevated temperatures up to about 600 ° C. The voltage must be chosen so that with the appropriate electric field, such as about a field of 5 MV / cm, tunneling currents are generated by the gate stack can be introduced via the charges in the gate stack and in particular in a charge-receiving (partial) layer of the gate stack. Typical currents are in the range of less than 10E-6 A / cm 2 .
Insgesamt kann durch die Wahl der Parameter beispielsweise bei einer Oxidation beziehungsweise Deposition der entsprechenden Materialschichten und vor allem durch thermische Nachbehandlungsschritte in definierter Gasatmosphäre die elektrischen Isolierungseigenschaften, die strukturelle Stabilität, die Diffusionsbeständigkeit der einzelnen Schichten und damit die entsprechenden Eigenschaften der Isolierungsschicht als solches eingestellt werden.Overall, the electrical insulation properties, the structural stability, the diffusion resistance of the individual layers and thus the corresponding properties of the insulating layer can be adjusted as such by the choice of parameters, for example in an oxidation or deposition of the corresponding material layers and especially by thermal treatment steps in a defined gas atmosphere.
In einem letzten Verfahrensschritt d) kann auf die elektrische Isolierung eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht werden. Die elektrisch leitfähige Schicht kann im Folgenden insbesondere als Gate-Elektrode dienen. Sie kann, wie auch die Drain-Elektrode beziehungsweise die Source-Elektrode, insbesondere ein Material umfassen, das ausgewählte ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Palladium, Rhodium, Rhenium, Ruthenium, Gold, Silber und/oder Chrom. Weiterhin kann die elektrisch leitfähige Schicht, wie auch die entsprechende elektrisch leitfähige Schicht der Drain-Elektrode beziehungsweise der Source-Elektrode insbesondere durch ein physikalisches Verfahren, beispielsweise ein Aufdampfen oder ein Sputterverfahren oder durch ein Abscheiden von Partikeln aus einer Suspension aufgebracht werden.In a last method step d), an electrically conductive layer can be applied to the electrical insulation. In the following, the electrically conductive layer can serve in particular as a gate electrode. It may, as well as the drain electrode or the source electrode, in particular comprise a material which is selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, rhenium, ruthenium, gold, silver and / or chromium. Furthermore, the electrically conductive layer, as well as the corresponding electrically conductive layer of the drain electrode or the source electrode can be applied in particular by a physical method, for example a vapor deposition or a sputtering method or by depositing particles from a suspension.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann zumindest ein teilweises Kristallisieren wenigstens einer der Schichten des Schichtsystems erfolgen. Dabei kann insbesondere von Vorteil sein, wenn bei der Behandlung eines entsprechenden Materials, wie beispielsweise einer Aluminiumoxidschicht, keine vollständige Kristallisation durchgeführt wird. Dadurch kann das Entstehen durchgehender Korngrenzen in der entsprechenden Schicht und damit ein schnelles Diffundieren beispielsweise von Alkali-Ionen entlang dieser verhindert werden. Vorteilhaft kann eine Kristallisation bis zu einem Kristallisationsgrad von etwa 20% bis 60% mit Durchmessern der einzelnen kristallinen Bereiche von typischerweise größer oder gleich 10% bis kleiner oder gleich 50 % der Schichtdicke durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise bei amorphem Aluminiumoxid aus einem ALD Verfahren bei Schichtdicken von beispielsweise größer oder gleich 10nm bis kleiner oder gleich 50nm durch einen Temperschritt erreicht werden, bei dem für beispielsweise 2min bis 5min eine Temperatur von 900°C bis 1200°C erreicht werden kann. Bei höheren Temperaturen ist die Zeit entsprechend kürzer zu wählen. Die Anwesenheit von reaktiven Gasen wie Sauerstoff oder Feuchtigkeit können die Kristallisation bei den hohen Temperaturen deutlich beschleunigen, bzw. eine Kristallisation bei deutlich niedrigeren Temperaturen ermöglichen. So kann eine teilweise Kristallisation bei amorph abgeschiedenem Aluminiumoxid auch bei Auslagerung in feuchter Luft über mehrere hundert Stunden bei Temperaturen von unter 700°C erfolgen. Within the scope of an embodiment, at least one partial crystallization of at least one of the layers of the layer system can take place. It may be particularly advantageous if in the treatment of a corresponding material, such as an aluminum oxide layer, no complete crystallization is carried out. Thereby, the emergence of continuous grain boundaries in the corresponding layer and thus a rapid diffusion of, for example, alkali ions along this can be prevented. Advantageously, crystallization to a degree of crystallinity of about 20% to 60% with diameters of the individual crystalline regions of typically greater than or equal to 10% to less than or equal to 50% of the layer thickness can be performed. This can be achieved, for example, in the case of amorphous aluminum oxide from an ALD process with layer thicknesses of, for example, greater than or equal to 10 nm to less than or equal to 50 nm by an annealing step in which a temperature of 900 ° C. to 1200 ° C. can be achieved, for example, for 2 minutes to 5 minutes. At higher temperatures the time should be shorter. The presence of reactive gases such as oxygen or moisture can significantly accelerate the crystallization at high temperatures, or allow crystallization at much lower temperatures. Thus, a partial crystallization in amorphous deposited aluminum oxide even when stored in moist air for several hundred hours at temperatures below 700 ° C take place.
Für das Beispiel einer Kristallisation kann dieses somit erfolgen durch eine Behandlung der entsprechenden Schicht unter erhöhter Temperatur. Insbesondere kann dieser Schritt erfolgen durch ein Behandeln der Schicht in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 600°C bis kleiner oder gleich 1200°C. Beispielsweise können hier Prozesszeiten von mehreren Stunden, wie beispielsweise in einem Bereich von 2h bis 100h verwendet werden. Weiterhin kann dieser Schritt durchgeführt werden unter Einwirkung von Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit. Diese Bedingungen sollten dabei so gewählt werden, dass nur eine Kristallisation beziehungsweise Strukturstabilisierung, jedoch keine unerwünschten Oxidationsprozesse an anderen Materialien als am Gateisolationsmaterial ablaufen.For the example of a crystallization, this can thus be done by treating the corresponding layer under elevated temperature. In particular, this step can be carried out by treating the layer in a temperature range of greater than or equal to 600 ° C to less than or equal to 1200 ° C. For example, here process times of several hours, such as in a range of 2h to 100h can be used. Furthermore, this step can be carried out under the action of oxygen and / or moisture. These conditions should be chosen so that only a crystallization or structure stabilization, but do not run any unwanted oxidation processes on other materials than the gate insulation material.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Einbringen beziehungsweise Ausbilden von Ladungen, beziehungsweise insbesondere das Einbringen von Elektronen, in wenigstens eine Schicht erfolgen durch das Anlegen einer Spannung an die wenigstens eine Schicht. In dieser Ausgestaltung können Ladungen durch das Auftreten von Tunnelströmen stabilisiert in die entsprechende Schicht eingebracht werden. In dieser Ausgestaltung kann ein Einbringen von Ladungen besonders definiert und dabei kostengünstig erfolgen. Darüber hinaus bleiben, wenn bei einem nachfolgenden Betreiben bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen gearbeitet wird und ferner keine Überspannungen vorliegen, diese Ladungen unter allen Betriebsbedingungen dauerhaft erhalten.In the context of a further embodiment, the introduction or formation of charges, or in particular the introduction of electrons, can be carried out in at least one layer by the application of a voltage to the at least one layer. In this embodiment, charges can be stabilized by the occurrence of tunnel currents are introduced into the corresponding layer. In this embodiment, an introduction of charges can be particularly defined and carried out inexpensively. In addition, when working in a given operation at the specified operating conditions and also no overvoltages, these charges remain permanently under all operating conditions.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gassensor, den Figuren, sowie auf die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the gas sensor according to the invention, the figures, and to the description of the figures.
Zeichnungen und BeispieleDrawings and examples
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
In
Der Gassensor
Durch das Einfügen entsprechender Dotierungen umfasst das Substrat
Auf dem Substrat
Die elektrische Isolierung
In einer Ausgestaltung kann die benachbart zu dem Substrat
In einer weiteren Ausgestaltung kann die benachbart zu dem Substrat
Grundsätzlich kann die elektrische Isolierung
Weiterhin ist zwischen dem Source-Bereich
Um eine mechanisch besonders stabile elektrische Isolierung
Durch eine derartige Stabilisierung können in besonders vorteilhafter Weise Messungen beziehungsweise kann ein Betreiben des Sensors in einem Temperaturbereich bis 500°C oder sogar darüber möglich werden, ohne bei steigender Temperatur eine Zunahme an Leckströmen oder eine Einschränkung der mechanischen Stabilität befürchten zu müssen. Dadurch kann beispielsweise auch bei hohen Temperaturen ein Drift des auftretenden Messignals durch Alterungseffekte verhindert werden, was besonders verlässliche und langzeitstabile Messungen ermöglicht.By means of such stabilization, measurements or operation of the sensor in a temperature range of up to 500 ° C. or even above can be achieved in a particularly advantageous manner, without having to fear an increase in leakage currents or a limitation of the mechanical stability with increasing temperature. As a result, for example, even at high temperatures, a drift of the occurring measurement signal can be prevented by aging effects, which enables particularly reliable and long-term stable measurements.
Eine Stabilisierung einer oder mehrerer der Schichten
Dabei kann eine Kristallisation etwa bei Temperaturen von größer oder gleich 600°C bis kleiner oder gleich 1200 °C mit Prozesszeiten von typischerweise mehreren Stunden in sauerstoffhaltiger Atmosphäre und unter Einfluss von Feuchtigkeit erfolgen. Eine derartige Behandlung führt zu einer Kristallisation beispielsweise von Aluminiumoxidschichten. Eine entsprechende Atmosphäre kann dabei einfach herstellbar sein, beispielsweise entspricht dies der Atmosphäre bei einem Feuchtoxidationsschritt, um Siliziumoxid herzustellen. Dabei findet im Fall von mit mehrlagigen Isolierungsschichten versehenem Siliziumcarbid zwar keine Oxidation des Siliziumcarbids statt, aber eine Strukturstabilisierung des Gatestapels.Crystallization may take place at temperatures of greater than or equal to 600 ° C. to less than or equal to 1200 ° C. with process times of typically several hours in an oxygen-containing atmosphere and under the influence of moisture. Such a treatment leads to crystallization of, for example, aluminum oxide layers. A corresponding atmosphere can be easily produced, for example, this corresponds to the atmosphere in a wet oxidation step to produce silica. Although, in the case of silicon carbide provided with multilayer insulation layers, no oxidation of the silicon carbide takes place, but structural stabilization of the gate stack occurs.
Beispielsweise kann eine Kristallisation beziehungsweise ein künstlicher Alterungsvorgang, durch einen Tempervorgang, wie beispielsweise das sogenannte Rapid Thermal Annealing, etwa in einem Inertgas, wie etwa Argon, erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine Heizrampe beziehungsweise Abkühlrampe verwendet werden, die in einem Bereich von 20°C pro Sekunde liegen kann und dabei ferner eine Haltezeit von 2min und ferner Temperaturen in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 900°C bis kleiner oder gleich 1200°C aufweisen kann. Ein Vorteil einer derartigen Prozession kann sich insbesondere dann einstellen, wenn die thermische Behandlung der Oxidschicht zusammen mit einem Einlegieren von Kontakten bei der Herstellung des Feldeffekttransistors erfolgen kann. Ein Vorteil kann dabei etwa darin gesehen werden, dass auf zusätzliche Schritte verzichtet werden kann, da, jeder Temperschritt auch eine Belastung für das Halbleitersubstrat darstellen kann.For example, a crystallization or an artificial aging process, by an annealing process, such as the so-called rapid thermal annealing, for example in an inert gas, such as argon, take place. In this case, for example, a heating ramp or cooling ramp can be used, which can be in a range of 20 ° C per second and also have a hold time of 2min and further temperatures in a temperature range of greater than or equal to 900 ° C to less than or equal to 1200 ° C. can. An advantage of such a procession can be obtained in particular if the thermal treatment of the oxide layer can take place together with an alloying of contacts during the production of the field-effect transistor. An advantage can be seen, for example, in that it is possible to dispense with additional steps since each annealing step can also represent a load on the semiconductor substrate.
Unterstützend zu dem vorgenannten Verfahren können die Schichtdicken der einzelnen Schichten
Bei einer vorbeschriebenen Vorrichtung beziehungsweise bei einem derartigen als Feldeffekttransistor ausgestalteten Gassensor
Insbesondere für den Fall, dass bei dem Herstellungsprozess einer vorbeschriebenen Vorrichtung zusätzliche Ladungsträger in eine oder mehrere der Schichten
In der
Eine Simulation der Banddiagramme für einen Sensor gemäß
Als Vergleich ist in
Bei einer derartigen Vorrichtung ist in der mittleren Schicht
Eine Simulation der Banddiagramme für einen derartigen erfindungsgemäßen Sensor gemäß
Eine entsprechend simulierte Stromdichte durch die Isolierungsschicht beziehungsweise durch die elektrische Isolierung
Aus
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