具有懸浮結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體傳感器及其制造方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體氣體傳感器器件包括襯底、由所述襯底支撐的導(dǎo)電層、非適合種晶層、以及多孔氣體感測層部分。所述非適合種晶層由第一材料形成，并包括由所述導(dǎo)電層支撐的第一支撐部分、由所述導(dǎo)電層支撐的第二支撐部分、以及從所述第一支撐部分延伸到所述第二支撐部分且懸浮在所述導(dǎo)電層之上的懸浮種晶部分。所述多孔氣體感測層部分由第二材料形成，并直接由所述非適合種晶層與所述導(dǎo)電層電連通地支撐。所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對。
【專利說明】具有懸浮結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體傳感器及其制造方法
[0001 ]本申請要求于2013年12月6日提交的序列號為61 /913，064的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該美國臨時申請的公開以其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開總體涉及傳感器器件且具體涉及具有懸浮結(jié)構(gòu)的薄膜氣體傳感器器件。
【背景技術(shù)】
[0003]—種類型的半導(dǎo)體傳感器是氣體傳感器器件。半導(dǎo)體氣體傳感器被用于檢測在傳感器被暴露于的環(huán)境中一個或多個特定氣體的存在。公共類型的氣體傳感器是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)氣體傳感器。也稱作“薄膜”氣體傳感器的MOS氣體傳感器典型地包括位于兩個電極之間的氣體敏感部分和加熱元件。加熱元件被激活以將氣體敏感部分加熱到適合于檢測目標(biāo)氣體的溫度。氣體敏感部分是被配置成經(jīng)歷目標(biāo)氣體的存在中的電氣改變的薄膜。氣體敏感部分的電氣改變由電連接到氣體傳感器的外部電路檢測。
[0004]圖24和25示出了現(xiàn)有技術(shù)MOS氣體傳感器的氣體敏感部分10的一部分。氣體敏感部分10典型地由包括許多晶粒20的多晶材料形成。晶粒20之間的接觸區(qū)在本文中稱作晶粒邊界22。晶粒邊界22是目標(biāo)氣體的分子通過稱作吸收的工藝而結(jié)合到的目標(biāo)部位。當(dāng)目標(biāo)氣體的吸收發(fā)生時，氣體敏感部分10經(jīng)歷由外部電路檢測到的上述電氣改變。
[0005]化學(xué)吸收是可在存在目標(biāo)氣體的情況下在晶粒邊界22處發(fā)生的一種類型的吸收。為了說明化學(xué)吸收的效果，圖24包括示出在存在包含氧氣分子的空氣的情況下晶粒邊界22處的電勢皇的曲線圖。為了使電子30移動通過晶粒邊界22，其需要足夠的能量以克服勢皇，這定義了以電子伏(eV)測量的參考量值。氣體敏感部分10中的所有/大多數(shù)晶粒邊界22的勢皇的組合對氣體敏感部分的電阻有貢獻。
[0006]在圖25中，在存在還原氣體的分子的情況下示出了示例性晶粒邊界22。還原氣體的化學(xué)吸收已經(jīng)導(dǎo)致由于來自還原氣體的施主電子而引起的勢皇的量值的減小。當(dāng)勢皇被組合時，氣體敏感部分10的總體電阻由于在其處已經(jīng)發(fā)生還原的晶粒邊界22處的勢皇中的至少一些的量值的減小而減小。氣體敏感部分10的電阻的示例性減小可由連接到氣體傳感器的外部電路檢測為指示目標(biāo)氣體的存在。盡管未示出，在存在氧化氣體時，勢皇的量值增大，從而導(dǎo)致氣體敏感部分1的電阻的增大，其也可由連接到氣體傳感器的外部電路檢測為指示目標(biāo)氣體的存在。
[0007]取決于氣體敏感部分10附近的類型氣體，異相催化是可在晶粒邊界22處發(fā)生的另一工藝。稱作一氧化碳(CO)氧化的異相催化的一個示例由于位于氣體敏感部分10的晶粒邊界22之一附近的一氧化碳分子和氧氣分子的存在而導(dǎo)致二氧化碳(CO2)分子的氧化。在至少一些實例中，異相催化導(dǎo)致氣體敏感部分10的電氣改變，其可由連接到氣體傳感器的外部電路檢測為指示目標(biāo)氣體的存在。
[0008]除了通過吸收來使氣體敏感部分準(zhǔn)備檢測和/或暴露于目標(biāo)氣體外，還激活加熱元件以通過稱作解吸的工藝來“復(fù)位”氣體傳感器。在解吸期間，從氣體敏感部分排空分子，以便使傳感器準(zhǔn)備感測附加量的目標(biāo)氣體或感測不同的類型/種類的目標(biāo)氣體。
[0009]當(dāng)?shù)湫蚆OS氣體傳感器的加熱元件被激活時，除氣體敏感部分外還加熱氣體傳感器的其他部分。例如，如果中間層位于加熱元件與氣體敏感部分之間，則加熱元件除了加熱氣體敏感部分外還加熱中間層。此外，如果加熱元件是與基礎(chǔ)層、襯底層或把手層相接觸或鄰近定位的，則來自加熱元件的熱能可能不期望地/不必要地被傳送到那里。另外，由于MOS氣體傳感器的氣體敏感部分是“薄膜”，因此氣體敏感部分的加熱具有可比期望有更長持續(xù)時間的關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)。相應(yīng)地，在典型的MOS氣體傳感器中，加熱元件所消耗的能量被用于加熱氣體傳感器的不期望被加熱的部分，并且，加熱氣體敏感部分可能比期望消耗更多的時間。
[0010]因此，出于上述原因中的至少一些，期望將氣體傳感器結(jié)構(gòu)化成使得加熱元件所生成的熱能快速地且在不顯著加熱氣體傳感器的其他部分的情況下加熱氣體傳感器的氣體敏感部分。相應(yīng)地，氣體傳感器的領(lǐng)域中的進一步發(fā)展是期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本公開的示例性實施例，一種半導(dǎo)體氣體傳感器器件包括襯底、由所述襯底支撐的導(dǎo)電層、非適合種晶層、以及多孔氣體感測層部分。所述非適合種晶層由第一材料形成，并包括由所述導(dǎo)電層支撐的第一支撐部分、由所述導(dǎo)電層支撐的第二支撐部分、以及從所述第一支撐部分延伸到所述第二支撐部分且懸浮在所述導(dǎo)電層之上的懸浮種晶部分。所述多孔氣體感測層部分由第二材料形成，并直接由所述非適合種晶層與所述導(dǎo)電層電連通地支撐。所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對。
[0012]根據(jù)本公開的另一示例性實施例，一種制作半導(dǎo)體傳感器器件的方法包括:在襯底之上形成導(dǎo)電層；以及對所述導(dǎo)電層進行圖案化以限定所述導(dǎo)電層的第一隔離部分，所述第一隔離部分與所述導(dǎo)電層的第二隔離部分電隔離；以及在所述導(dǎo)電層之上形成犧牲層。所述方法進一步包括:對所述犧牲層進行圖案化以限定第一溝槽部分、第二溝槽部分和懸浮溝槽部分，所述第一溝槽部分暴露所述第一隔離部分的上表面，所述第二溝槽部分暴露所述第二隔離部分的上表面，所述懸浮溝槽部分不暴露所述導(dǎo)電層且從所述第一溝槽部分延伸到所述第二溝槽部分。另外，所述方法包括:在所述第一溝槽部分、所述第二溝槽部分和所述懸浮溝槽部分中由第一材料形成非適合種晶層；以及在所述非適合種晶層上由第二材料且與所述導(dǎo)電層電連通地形成多孔氣體感測層部分。所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對。所述方法還包括:移除所述犧牲層以將所述多孔氣體感測層部分和所述種晶層的懸浮部分懸浮在所述導(dǎo)電層之上。
[0013]根據(jù)本公開的又一示例性實施例，一種操作半導(dǎo)體氣體傳感器器件的方法包括:直接對由第一材料形成的多孔氣體感測層部分施加電流。所述多孔氣體感測層部分懸浮在導(dǎo)電層之上并直接由非適合種晶層部分支撐，所述非適合種晶層部分由第二材料形成且懸浮在所述導(dǎo)電層之上。所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對。所述方法進一步包括:將所述多孔氣體感測層部分加熱到預(yù)定溫度;將經(jīng)加熱的多孔氣體感測層部分暴露于至少一個氣體；以及在將經(jīng)加熱的多孔氣體感測層部分暴露于所述至少一個氣體之后感測所述多孔氣體感測層部分的電氣屬性。
【附圖說明】
[0014]參照以下【具體實施方式】和附圖，上述特征和優(yōu)點以及其他特征和優(yōu)點應(yīng)當(dāng)變得對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說更加顯而易見，在附圖中:
圖1是如本文描述的氣體傳感器器件的透視圖，傳感器器件包括懸浮在傳感器器件的襯底之上的薄膜加熱器和氣體敏感部分，使得加熱器所生成的熱能快速地且在不顯著加熱傳感器器件的其他部分的情況下加熱氣體敏感部分；
圖2A是示出了懸浮在襯底之上的薄膜加熱器和氣體敏感部分的沿圖1的線I1-1I取得的橫截面視圖，種晶層也被示出懸浮在襯底之上；
圖2B是示出了與傳感器器件一起包括的犧牲多晶硅層的沿與圖1的線I1-1I類似的線取得的橫截面視圖；
圖3是如本文描述的沿圖4的線II1-1II取得的薄膜氣體傳感器器件的另一實施例的橫截面視圖，傳感器器件包括懸浮在傳感器器件的襯底之上的加熱器和兩個氣體敏感部分，使得加熱器所生成的熱能在不顯著加熱傳感器器件的其他部分的情況下加熱氣體敏感部分；
圖4是示出了懸浮部分的蛇形形狀的圖3的傳感器器件的頂部平面圖；
圖5是示出了襯底、在襯底上形成的部分絕緣體層和在絕緣體層上形成的兩個接合焊盤的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖6是在已經(jīng)在接合焊盤之上形成絕緣體層的剩余部分后圖5的器件的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖7是具有穿過絕緣體層形成以暴露接合焊盤的開口的圖6的器件的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖8是在已經(jīng)在襯底之上形成犧牲層的第一部分后圖7的器件的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖9是在已經(jīng)形成穿過犧牲層的第一部分到接合焊盤的開口后圖8的器件的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖10是具有在犧牲層的第一部分中的開口內(nèi)形成的支撐部的圖9的器件的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖11是在已經(jīng)在支撐部之上形成犧牲層的第二部分后圖10的器件的沿與圖4的線II1-1II類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖12是在已經(jīng)在犧牲層的第二部分中形成蛇形溝槽后圖11的器件的沿圖13的線XII1-XIII取得的側(cè)橫截面視圖；
圖13是示出了支撐部中的每一個的上表面和蛇形溝槽的圖12的器件的頂部平面圖；
圖14是在已經(jīng)在蛇形溝槽中形成下氣體敏感部分后圖12的器件的沿與圖13的線XII1-XIII類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖15是在已經(jīng)在下氣體敏感部分之上形成犧牲層的第三部分、已經(jīng)在犧牲層的第三部分中形成蛇形溝槽并且已經(jīng)在其中形成加熱器后圖14的器件的沿與圖13的線XII1-XIII類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖16是在已經(jīng)在加熱器之上形成犧牲層的第四部分、已經(jīng)在犧牲層的第四部分中形成蛇形溝槽并且已經(jīng)在其中形成上氣體敏感部分后圖15的器件的沿與圖13的線XII1-XIII類似的線取得的側(cè)橫截面視圖；
圖17是包括非適合種晶層和在種晶層的底側(cè)和頂側(cè)上形成的氣體敏感部分的薄膜氣體傳感器器件的另一實施例的橫截面視圖，氣體敏感部分的晶粒邊界也被示出；
圖18是使用適合于形成至少圖2A和17的傳感器器件的氣體敏感部分的工藝形成的鉑層的透射電子顯微鏡視圖；
圖19是使用適合于形成至少圖2A和17的傳感器器件的氣體敏感部分的工藝形成的鉑層的另一透射電子顯微鏡視圖；
圖20是具有蛇形形狀的加熱器和氣體敏感部分的氣體傳感器器件的另一實施例的頂部平面圖；
圖21是具有蛇形形狀的加熱器和氣體敏感部分的氣體傳感器器件的又一實施例的頂部平面圖；
圖22是具有蛇形形狀的加熱器和氣體敏感部分的氣體傳感器器件的再一實施例的頂部平面圖；
圖23是具有矩形形狀的加熱器和氣體敏感部分的氣體傳感器器件的另一實施例的頂部平面圖；
圖24是在存在空氣的情況下現(xiàn)有技術(shù)氣體傳感器的氣體敏感層的晶粒邊界的橫截面視圖和示出了晶粒邊界的對應(yīng)勢皇的曲線圖；以及
圖25是在存在空氣和還原氣體的情況下圖24的晶粒邊界的橫截面視圖和示出了晶粒邊界的對應(yīng)勢皇的曲線圖。
【具體實施方式】
[0015]出于促進對本公開的原理的理解的目的，現(xiàn)在將參照在附圖中圖示且在以下撰寫的說明書中描述的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，從而不意圖對本公開的范圍進行限制。應(yīng)當(dāng)進一步理解，本公開包括對所說明的實施例的任何更改和修改且包括如本公開所屬領(lǐng)域技術(shù)人員通常將想到的本公開的原理的進一步應(yīng)用。
[0016]在圖1和2A中示出了半導(dǎo)體傳感器組件，在該實施例中，半導(dǎo)體傳感器組件是氣體傳感器器件100。傳感器器件100的示例性實施例包括襯底108(圖2A)、絕緣體層116、導(dǎo)電層120、種晶層124(圖2A)和氣體敏感層128。襯底108由硅或另一期望類型的襯底形成。
[0017]在一個實施例中，絕緣體層116是沉積電介質(zhì)，諸如二氧化硅(Si02)。絕緣體層116被沉積在襯底108之上。在另一實施例中，絕緣體層116由任何適合的電絕緣材料形成。
[0018]導(dǎo)電層120被形成在絕緣體層116之上。在一個實施例中，導(dǎo)電層120由鉑(Pt)形成。導(dǎo)電層120中的開口 130將導(dǎo)電層的左隔離部分134與右隔離部分138電隔離。
[0019]種晶層124是限定兩個支撐部分142和懸浮蛇形部分146(本文中也稱作懸浮種晶部分)的薄膜。支撐部分142被形成在導(dǎo)電層120之上且由導(dǎo)電層120支撐并從隔離部分134、138向上延伸。蛇形部分146從一個支撐部分142延伸到另一支撐部分142并懸浮在導(dǎo)電層120之上。蛇形部分146與導(dǎo)電層120間隔開，使得在蛇形部分與導(dǎo)電層之間存在空間150。蛇形部分146限定了給蛇形部分提供機械穩(wěn)定性的橫截面中的基本上U形的溝槽。在一個實施例中，種晶層124由氧化鋁(Al2O3)形成。在另一實施例中，種晶層124由提供機械穩(wěn)定性的另一適合材料形成。
[0020]氣體敏感層128(本文中也稱作多孔氣體感測層部分)是在種晶層124上形成且直接由種晶層支撐的薄膜。氣體敏感層128限定直接由懸浮種晶部分146支撐的懸浮感測部分152。在一個實施例中，氣體敏感層128由鉑形成。氣體敏感層128與導(dǎo)電層120電連通。具體地，氣體敏感層128電連接到導(dǎo)電層120的左部分134和右部分138。氣體敏感層128的形狀對應(yīng)于種晶層124的形狀;相應(yīng)地，在一個實施例中，氣體敏感層的至少部分限定了橫截面中的基本上U形的溝槽。除對目標(biāo)氣體敏感外，氣體敏感層128還可以被配置為加熱器。
[0021]參照圖2B，傳感器器件100是根據(jù)以下工藝來制作/制造的。首先，提供襯底108。其次，在襯底108之上形成絕緣體層116。在所說明的實施例中，使用任何期望的化學(xué)或物理沉積工藝來形成絕緣體層116。
[0022]接著，在襯底108之上的絕緣體層116上形成導(dǎo)電層120。在一個實施例中，使用原子層沉積(ALD)來形成導(dǎo)電層120;然而，可以使用任何適合的化學(xué)或物理沉積工藝。然后，通過挖溝槽例如以限定開口 130和隔離部分134、138，來對導(dǎo)電層120進行圖案化。
[0023]此后，在導(dǎo)電層120上沉積犧牲層154。然后，通過挖溝槽出例如兩個柱溝槽以及從第一柱溝槽(例如，左)延伸到第二柱溝槽(例如，右)的懸浮蛇形溝槽162來對犧牲層154進行圖案化。柱溝槽158暴露隔離部分134、138的上表面;而懸浮蛇形溝槽162不暴露導(dǎo)電層120的任何部分。在一個實施例中，犧牲層154由多晶硅形成;然而，犧牲層可以由任何適合材料形成。
[0024]接著，使用ALD將種晶層124沉積到犧牲層154上。特別地，將種晶層124的材料沉積到柱溝槽158和懸浮蛇形溝槽162上。由于使用了ALD，因此種晶層124被形成為符合柱溝槽158和蛇形溝槽162的表面的薄膜。
[0025]然后，使用ALD在種晶層124上沉積氣體敏感層128。由于使用了ALD，因此氣體敏感層128被形成為符合種晶層124的表面的薄膜。氣體敏感層128被沉積成與導(dǎo)電層120電連通。具體地，層128的第一端(圖2B中的左側(cè))與隔離部分134電連通，并且第二端(圖2B中的右側(cè))與隔離部分138電連通。
[0026]在形成氣體敏感層128和種晶層124之后，可以對層124、128進行圖案化以最后定下其形狀。然后，使用二氟化氙(XeF2)或任何其他適合的脫模劑來釋放/移除犧牲層154。犧牲層154的移除將蛇形部分146和懸浮感測部分152懸浮在導(dǎo)電層120之上。
[0027]傳感器器件100的所說明的實施例包括兩層懸浮部分164(圖2A)，兩層懸浮部分164包括種晶層124的蛇形部分146和氣體敏感層128的懸浮感測部分152。然而，在其他實施例中，任何數(shù)目的薄膜層可以被包括在懸浮部分164中。例如，懸浮部分164可以包括僅一個層，且因此將僅由氣體敏感層128(其也起加熱器作用)組成。在另一實施例中，氣體敏感層128的多個實例被一個或多個種晶層124分離。具體示例將是懸浮部分164，其包括與三個氣體敏感層交錯的兩個種晶層，以形成包括五個薄膜層的懸浮部分164。
[0028]即使傳感器器件100被描述為薄膜傳感器器件，但傳感器器件100也可以是使用包括薄膜層的MOS結(jié)構(gòu)來形成的。
[0029]在操作中，傳感器器件100被配置成感測在傳感器器件被定位于其中的空間中一個或多個目標(biāo)氣體的存在。示例性目標(biāo)氣體包括一氧化碳、二氧化氮(NO2)、氨氣(NH3)、甲烷(CH4)、揮發(fā)性有機化合物(VOC)等。至少由于傳感器器件100的小尺寸，與現(xiàn)有技術(shù)MOS氣體傳感器相比，傳感器器件100可用以檢測多種應(yīng)用中的氣體，該多種應(yīng)用諸如是汽車排氣系統(tǒng)、家用器具、膝上型電腦、手持或便攜式計算機、移動電話、智能電話、無線設(shè)備、平板電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式音樂播放器、膠片相機、數(shù)碼相機、GPS接收器和其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、電子閱讀顯示器、投影儀、座艙控制器、游戲控制臺、耳機、頭戴式耳機、助聽器、可穿戴顯示設(shè)備、安全系統(tǒng)、以及如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所期望的其他應(yīng)用。
[0030]傳感器器件100的使用包括:利用電能源(未示出)直接對氣體敏感層128施加電流。響應(yīng)于該電流，將氣體敏感層128快速加熱到至少基于懸浮部分164的電阻和電能源的量值的期望感測溫度(即，預(yù)定溫度)。由于層128是懸浮的并且由于層128是非常薄的(SP，厚度170，圖2A)，使用非常低的加熱功率來將氣體敏感層128加熱到期望感測溫度。而且，懸浮結(jié)構(gòu)使氣體敏感層128能夠被加熱到第一溫度，同時使襯底108、絕緣體層116和導(dǎo)電層120能夠保持在與第一溫度不同(S卩，比第一溫度低)的第二溫度處。由于氣體敏感層128與絕緣體層116和襯底108間隔開，因此基本上不使用熱能來在氣體敏感層128的加熱期間加熱絕緣體層和襯底。盡管由層128逐漸形成的熱能中的一些被用于加熱層128周圍的空氣(包括空間150中的空氣)，但基本上所有熱能被用于加熱層128。此外，懸浮部分164的蛇形形狀導(dǎo)致氣體敏感層128高效地將電能轉(zhuǎn)換成熱能。
[0031]氣體敏感層128的感測溫度基于目標(biāo)氣體的屬性和組件100被定位于其中的環(huán)境/空間。示例性感測溫度的范圍從一百五十?dāng)z氏度變化到五百攝氏度;然而，傳感器器件100可配置成在任何期望感測溫度處操作。
[0032]氣體敏感層128在加熱時間段內(nèi)被加熱到感測溫度，該加熱時間段在本文中稱作熱時間常數(shù)和預(yù)定時間段。熱時間常數(shù)在電能被施加到層128時開始并在層128被加熱到感測溫度時結(jié)束。至少由于氣體敏感層128的厚度和結(jié)構(gòu)，傳感器器件100具有大約0.1毫秒到十毫秒的極低的熱時間常數(shù)。此外，針對快速溫度改變而配置氣體敏感層128，最終導(dǎo)致目標(biāo)氣體的快速檢測。
[0033]在被加熱之后，傳感器器件100被暴露于至少一個氣體存在于其中的空間。目標(biāo)氣體可以或可以不被包括在該至少一個氣體中。此后，氣體敏感層128的電氣屬性由外部電路(未示出)感測。在一個實施例中，跨與氣體敏感層128串聯(lián)連接的電阻器(未示出)的電壓降由外部電路檢測/監(jiān)視以確定目標(biāo)氣體的存在、不存在和/或濃度。典型地，如果目標(biāo)氣體存在且為氧化氣體，則隨著目標(biāo)氣體經(jīng)由吸收和/或化學(xué)吸收而結(jié)合到氣體敏感層128，層128的電阻增大并且跨電阻器下降的電壓的量值的減小由外部電路檢測。如果目標(biāo)氣體存在且為還原氣體，則隨著目標(biāo)氣體經(jīng)由吸收和/或化學(xué)吸收而結(jié)合到氣體敏感層128，層128的電阻減小并且跨電阻器下降的電壓的量值的增大由外部電路檢測。
[0034]在其他實施例中，傳感器器件100可操作成使用包括但不限于電阻性、電容性和諧振頻率的任何其他期望換能原理來感測目標(biāo)氣體。
[0035]除了使氣體敏感層128準(zhǔn)備檢測和/或暴露于目標(biāo)氣體外，還可以加熱層128以通過解吸來“復(fù)位”氣體傳感器100。在解吸期間，從氣體敏感層128排空分子，以便使傳感器100準(zhǔn)備感測附加量的目標(biāo)氣體或感測不同的類型/種類的目標(biāo)氣體。
[0036]在圖3和4中示出了氣體傳感器器件200的另一實施例。傳感器器件200的示例性實施例包括襯底208、絕緣體層216、接合焊盤224、230、支撐結(jié)構(gòu)238、246、以及懸浮在絕緣體層216之上且與絕緣體層216間隔開的懸浮部分252，使得空氣空間260位于懸浮部分與絕緣體層之間。在一個實施例中襯底208由硅或另一期望類型的襯底形成。
[0037]在一個實施例中，絕緣體層216是沉積電介質(zhì)，諸如二氧化硅(S12)。絕緣體層216限定了訪問開口 264、268，其被配置成在絕緣體層216內(nèi)提供分別對接合焊盤224、230的訪問。
[0038]接合焊盤224、230(本文中也稱作接合的焊盤)導(dǎo)電連接到相應(yīng)埋入饋通270，埋入饋通270在絕緣體層216內(nèi)延伸到支撐結(jié)構(gòu)238、246。接合焊盤224、230和饋通270由金屬或另一導(dǎo)電材料形成并被配置成電連接到被配置成操作傳感器器件200的(一個或多個)外部電路(未示出)。
[0039]繼續(xù)參照圖3和4，本文中也稱作支撐柱或支撐部的支撐結(jié)構(gòu)238、246從埋入饋通270向上延伸并被配置成在絕緣體層216的上表面272(圖3)之上的位置處支撐懸浮部分252。所說明的實施例的支撐結(jié)構(gòu)238、246如從頂部看去基本上是正方形或矩形的(參見圖13)，且電連接到接合焊盤224、230和饋通270。
[0040]懸浮部分252(本文中也稱作懸浮結(jié)構(gòu))是薄膜堆疊，該薄膜堆疊被配置成限定電連接到支撐結(jié)構(gòu)238的第一端288和電連接到另一支撐結(jié)構(gòu)246的第二端292。懸浮部分252是自立式的且與絕緣體層216熱隔離。懸浮部分252限定包括六個彎曲部296(圖4)的蛇形形狀(其他實施例具有不同數(shù)目的彎曲部)。在所說明的實施例中，懸浮部分252的延伸方向在彎曲部296中的每一個處改變近似一百八十度。懸浮部分252懸浮在絕緣體層216的上表面272之上的高度300(圖3)處，并且空氣空間260是在絕緣體層與懸浮部分之間限定的空隙。
[0041]如圖3中所示，在一個實施例中，懸浮部分252包括下(第一)薄膜氣體敏感部分304、上(第二)薄膜氣體敏感部分308和位于其間的薄膜加熱器312。氣體敏感部分304、308(本文中也稱作感測層和/或催化金屬感測層)電連接到加熱器312和支撐結(jié)構(gòu)238、246。相應(yīng)地，懸浮部分252被配置成使電流能夠在支撐結(jié)構(gòu)238、246之間流經(jīng)懸浮部分252的每一個層304、308、312。感測層304、308限定厚度316，在一個實施例中，厚度316從近似半納米到近似一百納米并且優(yōu)選地從近似一納米到近似五十納米。在一個實施例中，感測層304、308是利用ALD形成的，并且用于形成感測層的示例性材料包括二氧化錫(SnO2)、三氧化鎢(W03)、氧化鋅(ZnO)和鉑。與在種晶層的僅一側(cè)上包括感測層的傳感器器件相比，傳感器器件100的活性氣體感測區(qū)域加倍。在一些實施例中，懸浮部分252包括:(i)僅加熱器312;
(ii)僅加熱器312和感測層304;或者(iii)僅加熱器312和感測層308。在其中懸浮部分252包括僅加熱器312的實施例中，加熱器312被配置為加熱器和氣體敏感層兩者。
[0042]加熱器312由在被暴露于電流或其他形式的能量時生成熱量的材料形成。加熱器312被配置成將感測層304、308加熱到期望感測溫度。加熱器312在本文中也稱作加熱層、加熱器層、電阻性加熱器、加熱器結(jié)構(gòu)和加熱結(jié)構(gòu)。加熱器312由鉑、熱硅、摻雜硅、復(fù)合材料等形成。在一個實施例中，加熱器312由適合于ALD的(一個或多個)材料形成。
[0043]加熱器312位于兩個感測層304、308之間并給感測層供應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐。與在加熱器的僅一側(cè)上具有感測層的傳感器器件相比，對在頂部和底部上具有感測層的加熱器312進行結(jié)構(gòu)化提高了傳感器器件200的能量效率，這是由于由加熱器逐漸形成的熱能中更多被用于加熱氣體敏感材料(即，感測層304、308)而不是周圍的結(jié)構(gòu)和空氣空間。
[0044]在另一實施例中，在感測層304與加熱器312之間或者在感測308與加熱器之間形成附加結(jié)構(gòu)層(未示出)，以進一步加強懸浮部分252。在又一實施例中，在感測層304與加熱器312之間形成下附加結(jié)構(gòu)層(未示出)，并且在感測308與加熱器之間形成上附加結(jié)構(gòu)層，以進一步加強懸浮部分252。(一個或多個)附加結(jié)構(gòu)層由氧化鋁(Al2O3)或任何其他期望材料且優(yōu)選是適合于ALD的材料形成。氧化鋁很好地起附加結(jié)構(gòu)層作用，這是由于氧化鋁是具有相對較高熱導(dǎo)率的電絕緣體。
[0045]如圖5中所示，圖3的傳感器器件200的制作開始于提供襯底208。襯底208可以是較大襯底的用于形成多個傳感器和/或傳感器器件200的部分。在襯底208的上表面上形成初始絕緣體層350 ο接著，在初始絕緣體層350上形成接合焊盤224、230。接合焊盤224、230通過諸如并入有光刻和等離子體蝕刻的一種工藝之類的任何可接受工藝而由導(dǎo)電金屬形成。
[0046]在圖6中，然后形成絕緣體層354的剩余部分，從而封裝接合焊盤224、230。如果期望的話，對絕緣體層354進行平坦化。
[0047]參照圖7，然后通過挖溝槽穿過絕緣體層216以形成開口 264、268、358，來暴露接合焊盤224、230的部分。
[0048]如圖8中所示，然后在開口 264、268、358和絕緣體層216的頂部之上形成初始犧牲層370(第一部分)。
[0049]參照圖9，然后蝕刻初始犧牲層370以形成溝槽374，溝槽374對應(yīng)于支撐部238、246(圖3)的期望尺寸。
[0050]在圖10中，支撐部238、246是通過將材料沉積在溝槽358、374中來形成的。支撐部238、246的一些材料可以被沉積在初始絕緣體部分370頂上且如果期望的話可以使用例如化學(xué)機械拋光(CMP)工藝而被拋光掉?？梢允褂肁LD或任何其他工藝/技術(shù)來沉積支撐部238、246的材料。
[0051 ]如圖11中所示，對初始犧牲層370施加犧牲層的第二部分380。第二部分380由與初始犧牲層370相同的材料形成且通過參考邊界線382與其區(qū)分。
[0052]接著，在圖12和13中，挖溝槽出第二部分380以在其中限定蛇形形狀溝槽384。支撐部238、246的頂表面在溝槽384的開始和結(jié)束處可見。蛇形形狀溝槽384延伸穿過僅第二部分380，且在一個實施例中未被形成在初始犧牲層370中。通過挖溝槽工藝的定時來控制溝槽384的深度。特別地，實施挖溝槽工藝達預(yù)定時間段，其中該預(yù)定時間段的較長持續(xù)時間對應(yīng)于較多地挖溝槽(較深的溝槽384)并且該預(yù)定時間段的較短持續(xù)時間對應(yīng)于較少地挖溝槽(較淺的溝槽384)。溝槽384的深度對應(yīng)于感測層304的厚度316。
[0053]圖14示出了被沉積在溝槽384中的感測層304。感測層304的材料被置于與支撐部238、246相接觸，使得支撐部通過感測層而電連接。如果期望的話，對犧牲層的第二部分380和感測層304進行平坦化。
[0054]如上所述，在一個實施例中，使用ALD來形成傳感器層304(和傳感器層308)。使用原子層沉積以通過順序地將襯底暴露于若干個不同前體來沉積材料。典型的沉積周期通過將襯底暴露于與襯底表面起反應(yīng)的前體“A”直到飽和而開始。這稱作“自終止反應(yīng)”。接著，將襯底暴露于與表面起反應(yīng)的前體“B”直到飽和。第二自終止反應(yīng)再激活表面。再激活允許前體“A”再次與表面起反應(yīng)。典型地，在ALD中使用的前體包括有機金屬前體和諸如水蒸氣或臭氧之類的氧化劑。
[0055]沉積周期理想地導(dǎo)致一個原子層被形成在襯底上。此后，可以通過重復(fù)該工藝來形成另一層。相應(yīng)地，層的最終厚度由襯底被暴露于的周期的數(shù)目控制。此外，使用ALD工藝的沉積基本上不受材料要被沉積在其上的特定表面的取向影響。相應(yīng)地，可以在上和下水平表面兩者上以及在垂直表面上實現(xiàn)材料的極其均勻的厚度。
[0056]接著，圖15示出了已經(jīng)使用如上所述且在圖11-14中示出的相同工藝在另一蛇形形狀溝槽286中沉積加熱器312。特別地，在感測層304的材料和犧牲層的第二部分380之上形成犧牲層的第三部分390(通過參考邊界線394而區(qū)分)。接著，在與蛇形溝槽384的定位相對應(yīng)的位置中，將蛇形溝槽386蝕刻在犧牲層的第三部分390中。此后，在感測層304頂上溝槽386中沉積加熱器312的材料。如果期望的話，在加熱器312的沉積之后對犧牲層的第三部分390和加熱器312進行平坦化。
[0057]在圖16中，再一次重復(fù)圖11-14中圖示的工藝以形成感測層308。特別地，在加熱器312的材料和犧牲層的第三部分390之上形成犧牲層的第四部分396(通過參考邊界線398而區(qū)分)。接著，在與蛇形溝槽384、386的位置相對應(yīng)的位置中，將蛇形溝槽403蝕刻在犧牲層的第四部分396中。此后，在加熱器312頂上溝槽403中沉積感測層308的材料。如果期望的話，在感測層308的沉積之后對犧牲層的第四部分396和感測層308進行平坦化，并且然后，根據(jù)任何期望的工藝來移除犧牲層370、380、390、396以將懸浮部分252懸浮在絕緣體層216之上。
[0058]如圖17中所示，在氣體傳感器器件400的另一實施例中，全部在相同沉積步驟期間在種晶層412的懸浮部分418的上表面414、下表面416和側(cè)表面(未示出)上形成感測層402。特別地，為了制作氣體傳感器器件400，在絕緣體層(未示出，參見絕緣體層116)和襯底(未示出，參見襯底108)之上形成導(dǎo)電層(未示出，參見導(dǎo)電層120)。然后，在導(dǎo)電層之上形成犧牲層(未示出，參見犧牲層154)。對犧牲層進行圖案化以限定包括懸浮溝槽部分的溝槽。然后，在犧牲層的溝槽內(nèi)沉積種晶層412。接著，對種晶層412進行圖案化以最后定下懸浮部分418的形狀。在對種晶層412進行圖案化之后，移除犧牲層，這留下懸浮在導(dǎo)電層之上的懸浮部分418并暴露種晶層412的下表面416。在懸浮部分418的上表面414、下表面416和側(cè)表面被暴露的情況下，使用ALD來在種晶層412的表面上且與導(dǎo)電層電連通地沉積感測層402。相應(yīng)地，感測層402限定至少各自被配置成檢測目標(biāo)氣體的上感測層404和下感測層408。
[0059]如圖17中所示，感測層402是由多個晶粒420形成的多孔結(jié)構(gòu)。晶粒420在本文中也稱作微晶。一般地，每一個晶粒420在稱作晶粒邊界424的接點處接觸至少一個其他晶粒(其中一些晶粒在圖17中標(biāo)識)。在示例性實施例中，晶粒420具有小于一納米的平均寬度，但可以具有如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所期望的任何寬度。在一個實施例中，晶粒420被成形/配置成形成盡可能多的晶粒邊界424，使得與現(xiàn)有技術(shù)感測層相比，感測層402提供每單位長度更多的晶粒邊界424。相應(yīng)地，晶粒420使感測層402能夠一般比現(xiàn)有技術(shù)感測層更薄且更小，但具有至少一樣多或更多的晶粒邊界424。此外，在一些實施例中，感測層402可以給懸浮部分418供應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐。
[0060]形成感測層402的晶粒420的示例性方法包括:將(一個或多個)感測層的材料沉積到種晶層412的“非適合”材料上。典型地，使用ALD來將材料的一般鄰接(無孔)薄膜沉積到由“適合材料”形成的種晶層上。當(dāng)在預(yù)定數(shù)目的ALD周期之后沉積材料形成跨種晶層材料的至少部分鄰接(即，無孔)的多晶薄膜時，種晶層材料稱作“適合”于沉積材料。也就是說，緊密地抵靠彼此而形成在“適合”種晶層上通過ALD形成的沉積材料的晶粒，使得在其間基本上不存在空氣空間。因此，這些材料形成適合的材料對，這是由于沉積材料的所得層一般是鄰接且無孔的。相應(yīng)地，由使用ALD在“適合”種晶層上沉積的材料形成的氣體感測層包括可用于與氣體相互作用的非常少的晶粒邊界，這是因為大多數(shù)晶粒邊界不暴露于沉積材料周圍的空氣空間。然而，結(jié)果是，使用ALD沉積的材料的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重取決于沉積材料與形成種晶層的材料的相互作用。
[0061]在該示例性實施例中，當(dāng)形成感測層402時，使用ALD來將感測層的材料沉積到種晶層412的“非適合”材料上。種晶層412稱作“非適合”，這是由于沉積材料形成多孔的符合的多晶層(薄膜)。感測層402的材料和種晶層412的非適合材料在本文中稱作非適合的材料對。典型地，沉積材料的多孔層是不期望的；然而，當(dāng)被用作感測層402時，沉積材料的多孔膜格外好地起作用。特別地，種晶層412的非適合材料導(dǎo)致在間隔開的成核部位428(其中一些在圖17中示出)處沉積感測材料的晶粒420的成核。相應(yīng)地，晶粒420在較遠(yuǎn)隔離的“島”中生長，這些“島”之間有許多空氣空間432(圖17)。另外，晶粒420在許多晶粒邊界424處彼此接觸，這些晶粒邊界424促進了目標(biāo)氣體的吸收(包括化學(xué)吸收和異相催化)。甚至在ALD的若干周期之后，感測層402的沉積材料也保持多孔，并且晶粒420在許多晶粒邊界424處彼此接觸。感測層402、種晶層412的材料和所執(zhí)行的ALD的周期的數(shù)目的選擇至少基于晶粒420的期望尺寸、晶粒的密度、感測層402部分的厚度和晶粒邊界424的期望數(shù)目。
[0062]當(dāng)被用于形成感測層402時，被形成的晶粒邊界424的大數(shù)目和感測層402的近即時加熱激勵了在感測層上目標(biāo)氣體的更快速且更完整的吸收以及感測層響應(yīng)于被暴露于目標(biāo)氣體的更明顯的電氣改變。簡言之，感測層402已經(jīng)利用非?？斓捻憫?yīng)率增強了氣體感測性能。
[0063]圖18和19示出了由非適合的材料對形成的示例性感測層450和種晶層454的兩個顯微鏡視圖。種晶層454由二氧化硅形成，并且感測層450的沉積材料是鉑。相應(yīng)地，二氧化硅和鉑形成非適合示例性的材料對。在圖18中，在近似二百七十?dāng)z氏度處執(zhí)行了ALD的近似一百五十個周期。在圖19中，在近似二百七十?dāng)z氏度處執(zhí)行了ALD的近似一百二十五個周期。周期的減小導(dǎo)致更小的晶粒458和每一個晶粒458之間的更多空間。
[0064]如圖20-23中所示，示出了傳感器器件470、474、478、482的四個實施例。每一個傳感器器件470、474、478、482 包括懸浮部分486、490、494、498。傳感器器件470、474、478、482與傳感器器件100相同，除了懸浮部分486、490、494、498的形狀不同于懸浮部分164的形狀。具體地，圖20-22的懸浮部分486、490、494圖示了經(jīng)修改的蛇形圖案。圖23的懸浮部分498是非蛇形的并限定矩形/正方形幾何形狀。
[0065]在傳感器器件100的另一實施例中，在由感測層128吸收目標(biāo)氣體時，目標(biāo)氣體的存在由外部電路響應(yīng)于感測層中的至少一個經(jīng)歷諧振頻率的改變和/或電容的改變而檢測。
[0066]盡管已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)說明和描述了本公開，但本公開應(yīng)當(dāng)被視為說明性的而非在性質(zhì)上限制性的。應(yīng)當(dāng)理解，已經(jīng)呈現(xiàn)了僅優(yōu)選實施例，并且期望保護落在本公開的精神內(nèi)的所有改變、修改和進一步應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1.一種半導(dǎo)體氣體傳感器器件，包括: 襯底； 由所述襯底支撐的導(dǎo)電層； 非適合種晶層，由第一材料形成，并包括由所述導(dǎo)電層支撐的第一支撐部分、由所述導(dǎo)電層支撐的第二支撐部分、以及從所述第一支撐部分延伸到所述第二支撐部分且懸浮在所述導(dǎo)電層之上的懸浮種晶部分；以及 多孔氣體感測層部分，由第二材料形成并直接由所述非適合種晶層且與所述導(dǎo)電層電連通地支撐，所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對。2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器器件，其中: 所述懸浮種晶部分限定與所述導(dǎo)電層鄰近的下表面以及相對的上表面； 所述多孔氣體感測層部分的第一部分直接由所述下表面支撐;并且 所述多孔氣體感測層部分的第二部分直接由所述上表面支撐。3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器器件，其中: 所述導(dǎo)電層的第一隔離部分與所述導(dǎo)電層的第二隔離部分電隔離； 所述第一支撐部分從所述第一隔離部分延伸;并且 所述第二支撐部分從所述第二隔離部分延伸。4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器器件，其中: 所述多孔氣體感測層部分限定直接由所述懸浮種晶部分支撐的懸浮感測部分;并且 所述懸浮感測部分限定基本上“U”形的橫截面。5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器器件，其中: 所述多孔氣體感測層部分限定直接由所述懸浮種晶部分支撐的懸浮感測部分;并且 所述懸浮感測部分限定基本上蛇形的配置。6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器器件，其中: 所述多孔氣體感測層部分限定直接由所述懸浮種晶部分支撐的懸浮感測部分;并且 所述懸浮感測部分限定基本上矩形的配置。7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器器件，其中所述多孔氣體感測層部分被配置成展現(xiàn)在存在目標(biāo)氣體的情況下電阻、電容和諧振頻率中的至少一個的改變。8.一種制作半導(dǎo)體氣體傳感器器件的方法，包括: 在襯底之上形成導(dǎo)電層； 對所述導(dǎo)電層進行圖案化以限定所述導(dǎo)電層的第一隔離部分，所述第一隔離部分與所述導(dǎo)電層的第二隔離部分電隔離； 在所述導(dǎo)電層之上形成犧牲層； 對所述犧牲層進行圖案化以限定第一溝槽部分、第二溝槽部分和懸浮溝槽部分，所述第一溝槽部分暴露所述第一隔離部分的上表面，所述第二溝槽部分暴露所述第二隔離部分的上表面，所述懸浮溝槽部分不暴露所述導(dǎo)電層且從所述第一溝槽部分延伸到所述第二溝槽部分； 在所述第一溝槽部分、所述第二溝槽部分和所述懸浮溝槽部分中由第一材料形成非適合種晶層； 在所述非適合種晶層上由第二材料且與所述導(dǎo)電層電連通地形成多孔氣體感測層部分，所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對;以及 移除所述犧牲層以將所述多孔氣體感測層部分和所述種晶層的懸浮部分懸浮在所述導(dǎo)電層之上。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中形成非適合種晶層包括: 使用原子層沉積將所述第一材料沉積到所述犧牲層上。10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中形成多孔氣體感測層部分包括: 使用原子層沉積將所述第二材料沉積到所述非適合種晶層上。11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中形成多孔氣體感測層部分包括: 將所述第二材料沉積到所述第一溝槽部分、所述第二溝槽部分和所述懸浮溝槽部分中。12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中對所述犧牲層進行圖案化包括: 挖溝槽出所述懸浮溝槽部分到基本上蛇形的配置中。13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中對所述犧牲層進行圖案化包括: 挖溝槽出所述懸浮溝槽部分到基本上矩形的配置中。14.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括: 在所述襯底之上形成絕緣體層；以及 在絕緣層之上形成所述導(dǎo)電層。15.—種操作半導(dǎo)體氣體傳感器器件的方法，包括: 直接對由第一材料形成的多孔氣體感測層部分施加電流，所述多孔氣體感測層部分懸浮在導(dǎo)電層之上且直接由非適合種晶層部分支撐，所述非適合種晶層部分由第二材料形成且懸浮在所述導(dǎo)電層之上，所述第一材料和所述第二材料形成非適合的材料對； 將所述多孔氣體感測層部分加熱到預(yù)定溫度； 將經(jīng)加熱的多孔氣體感測層部分暴露于至少一個氣體；以及 在將經(jīng)加熱的多孔氣體感測層部分暴露于所述至少一個氣體之后感測所述多孔氣體感測層部分的電氣屬性。16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中加熱所述多孔氣體感測層部分包括: 加熱所述多孔氣體感測層部分達預(yù)定時間段。17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述預(yù)定時間段從0.1毫秒到十毫秒。18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中加熱所述多孔氣體感測層部分包括: 復(fù)位所述半導(dǎo)體氣體傳感器器件以使所述多孔氣體感測層部分準(zhǔn)備暴露于所述至少一個氣體。19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中加熱所述多孔氣體感測層部分包括: 基于目標(biāo)氣體的屬性來選擇所述預(yù)定溫度。20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中感測經(jīng)加熱的多孔氣體感測層部分的電氣屬性包括: 感測電阻、電容和諧振頻率中的至少一個的改變。
【文檔編號】G01N27/12GK105940295SQ201480075003
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年12月2日
【發(fā)明人】A.薩馬勞, A.法伊, G.奧布賴恩, G.亞馬, F.普爾克爾
【申請人】羅伯特·博世有限公司