專利名稱：金屬-絕緣層-碳化硅MISiC高溫氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電子器件領(lǐng)域，涉及一種高溫氣體傳感器。
背景技術(shù)：
金屬-絕緣層-碳化硅MISiC高溫氣體傳感器是氣體傳感器的一種，能直接探測氫(H2)、碳?xì)?CxHy)等含氫化合物以及間接探測氮氧(NOx)等多種化合物氣體；響應(yīng)速度快，高溫下(＞300℃)的響應(yīng)時間為毫秒級；工作溫度從室溫到800℃高溫，高溫下無需冷卻系統(tǒng)。在航空航天、核能儀器、人造衛(wèi)星、太空探測和地?zé)峥碧?，以及汽車電子學(xué)、自動化、雷達(dá)與通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前已有的MISiC高溫氣體傳感器的絕緣層采用臭氧工藝制備，結(jié)構(gòu)見圖1碳化硅(SiC)基片上生長一層SiO2絕緣層，其上制備緩沖層氧化硅鉭，緩沖層上制備鉑電極(柵電極)，SiC基片下方制備硅鉭緩沖層，緩沖層外制備背電極；其界面質(zhì)量不是十分理想，導(dǎo)致器件高溫可靠性較差，即傳感器在高溫下工作一段時間后，響應(yīng)特性退化，甚至完全失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決絕緣層及其界面質(zhì)量問題，從而提高M(jìn)ISiC氣體傳感器的高溫可靠性，使其符合高溫下長期穩(wěn)定工作之要求。
本發(fā)明金屬-絕緣層-碳化硅MISiC高溫氣體傳感器，在碳化硅(SiC)基片上一面生長一層絕緣層，其上制備緩沖層，緩沖層上制備柵電極，SiC基片另一面制備硅鉭緩沖層，硅鉭緩沖層外制備背電極，其特征在于所述絕緣層為SiOxNy，所述緩沖層為TakSilOmNn；其中X＝0.6~0.8、Y＝0.2~0.4、K＝0.65~0.85、L＝0.1~0.15、M＝0.02~0.15、N＝0.02~0.15。
所述的金屬-絕緣層-碳化硅MISiC高溫氣體傳感器，所述SiOxNy絕緣層厚度可以為1~4nm；所述TakSilOmNn緩沖層厚度可以為2~10nm。
本發(fā)明MISiC高溫氣體傳感器的工作原理是含氫的分子在催化金屬Pt(或Pd)表面分解產(chǎn)生氫原子，一部分氫原子擴(kuò)散通過金屬膜，到達(dá)金屬與絕緣層界面處。由于界面電荷的吸引，氫原子在金屬-絕緣層(~1nm)界面處形成一偶極層。這個偶極層將改變催化金屬的功函數(shù)，從而使肖特基二極管SBD的勢壘高度降低，I-V特性沿電壓軸負(fù)向漂移。在恒定電流下，通過檢測電壓的漂移(ΔV)，進(jìn)行相應(yīng)換算即可得到氣體中的氫濃度，如圖2所示。圖3所示為典型的MISiC肖特基氣體傳感器在空氣和800ppm濃度氫氣中的電流電壓(I-V)特性。
本發(fā)明采用一氧化氮(NO)低溫快速熱氧化技術(shù)制備MISiC高溫氣體傳感器的SiOxNy超薄絕緣層，同時采用新型TakSilOmNn緩沖層結(jié)構(gòu)，由于絕緣層-SiC界面處以及緩沖層中氮的結(jié)合，增加了界面擴(kuò)散勢壘高度，可有效阻止層間互擴(kuò)散效應(yīng)，從而減小失效幾率，提高器件的高溫可靠性。此外，緩沖層的使用可大大增強(qiáng)金屬與絕緣層的粘附性。
本發(fā)明高溫可靠性好，靈敏度高，響應(yīng)快，制備工藝簡單，一致性好，易于批量生產(chǎn)。


圖1現(xiàn)有MISiC高溫氣體傳感器剖面2本發(fā)明MISiC高溫氣體傳感器剖面3典型的MISiC肖特基氣體傳感器I-V特性溫度為500℃，氫氣用N2稀釋攜帶，濃度為800ppm。
圖4響應(yīng)靈敏度隨氫氣濃度變化曲線(S=IH2-IairIair)]]>圖5高溫可靠性實(shí)驗(yàn)曲線——ΔI隨時間的變化具體實(shí)施方式
本發(fā)明采用美國Cree公司生產(chǎn)的n型6H-SiC外延片，其襯底摻雜濃度為1~9×1018cm-3，外延層厚度為5μm，摻雜濃度為4×1015cm-3。具體工藝步驟如下(1)SiC基片采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA工藝清洗，接著基片放入5％的HF溶液中浸蝕以去除自然氧化層。SiC基片于800-900℃氮?dú)夥罩型迫胙趸癄t恒溫區(qū)，并立即通入高純NO氣體(流量0.25-0.5 l/min)氧化5-10分鐘；接著在氬氣氛中原位退火10分鐘，消除應(yīng)力和缺陷，并使薄膜致密。最后在氮保護(hù)氣氛中分3步拉出基片(每步間隔2-3分鐘)，由此形成厚為1～4nm的SiO0.6N0.4或SiO0.8N0.2。
(2)采用直流磁控濺射法，利用不銹鋼掩膜板于絕緣層上制備TakSilOmNn緩沖層和Pt柵電極(直徑0.3-0.5mm)。TakSilOmNn層可以是Ta0.8Si0.1O0.05N0.05、Ta0.85Si0.1O0.03N0.02、Ta0.7Si0.15O0.1N0.05、Ta0.7Si0.1O0.1N0.1、Ta0.65Si0.15O0.1N0.1中之一，厚為10nm，Pt層厚為150nm。濺射過程中，靶電極通過水冷，基片溫度為350℃。
(3)用與(2)相同的方法和條件，在SiC襯底面制備TaoSip緩沖層和Pt背接觸電極(無需掩膜板)，TaoSipO＝0.8~0.9，P＝0.1~0.2厚度100-200nm，Pt200-400nm。
(4)激活處理，在550~650℃，氮稀釋H2/氧交替脈沖環(huán)境里退火上述晶片30-60分鐘，以活化電極，提高探測靈敏度，同時穩(wěn)定界面，增強(qiáng)高溫可靠性。
(5)極焊接和引線將SiC晶片切割成單個管芯，芯片背電極用耐高溫的陶瓷導(dǎo)電膠粘于銅基座上，由相應(yīng)管腿引出；柵電極采用超聲熱壓焊或高溫鍵合方法用Pt絲焊接引出。
附圖4所示為本發(fā)明MISiC高溫氣體傳感器在300℃和2V恒壓下響應(yīng)靈敏度隨氫氣濃度變化曲線；附圖5所示為本發(fā)明傳感器在600℃高溫和2V恒壓下連續(xù)工作60小時記錄的電流漂移ΔI隨時間的變化。傳感器特性曲線顯示，引入超薄氮化氧化絕緣層后，MISiC高溫氣體傳感器的響應(yīng)靈敏度和高溫可靠性得到了明顯改善。同時本發(fā)明為肖特基二極管結(jié)構(gòu)，其正向壓降低，功耗小，開關(guān)速度快。
權(quán)利要求
1.一種金屬-絕緣層-碳化硅MISiC高溫氣體傳感器，在碳化硅(SiC)基片上一面生長一層絕緣層，其上制備緩沖層，緩沖層上制備柵電極，SiC基片另一面制備硅鉭緩沖層，硅鉭緩沖層外制備背電極，其特征在于所述絕緣層為SiOxNy，所述緩沖層為TakSilOmNn；其中X＝0.6~0.8、Y＝0.2~0.4、K＝0.65~0.85、L＝0.1~0.15、M＝0.02~0.15、N＝0.02~0.15。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬-絕緣層-碳化硅MISiC高溫氣體傳感器，所述SiOxNy絕緣層厚度可以為1～4nm；所述TakSilOmNn緩沖層厚度可以為2～10nm。
全文摘要
金屬－絕緣層－碳化硅MISiC高溫氣體傳感器，屬電子器件領(lǐng)域，涉及一種高溫氣體傳感器，旨在解決絕緣層及其界面質(zhì)量問題，從而提高M(jìn)ISiC氣體傳感器的高溫可靠性，使其符合高溫下長期穩(wěn)定工作之要求。本發(fā)明在碳化硅(SiC)基片上一面生長一層SiO
文檔編號G01N27/407GK1547006SQ20031011157
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者徐靜平, 鐘德剛, 韓弼 申請人:華中科技大學(xué)