СЕНСОРНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 1997 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при разработке и изготовлении сенсорных микроэлектронных устройств, в системах автоматизации технологических процессов и контроля состояния жидких и газообразных сред.

Известна сенсорная структура (Г.Виглеб. Датчики. Глава 5. "Газовые датчики". Пер. с нем. М. Мир, 1989, с. 91), состоящая из непроводящей подложки, нанесенного на нее газочувствительного слоя и двух контактов к этому слою. Принцип работы такой структуры состоит в том, что при изменении в газовой смеси концентрации определенного газа, например водорода, в результате изменения поверхностной проводимости газочувствительного слоя происходит изменение электрического сопротивления между двумя контактами. Величина этого сопротивления служит, таким образом, параметром, из которого может быть определена концентрация контролируемого газа.

Недостатком такой структуры является то, что абсолютная величина сопротивления составляет достаточно большую величину, порядка МОм, неудобную для дальнейшего усиления и преобразования сигнала.

Известна сенсорная структура со встречно-штыревыми электродами (ВШЭ) (N. Yamazoe, Humidity sensors prinsiples and application, Sensors and Actuators, 10(1986) 379-398), состоящая из металлических ВШЭ, нанесенных на изолирующую подложку, специального пористого полимера, нанесенного на ВШЭ, и контактов к ВШЭ. Благодаря тому, что общая длина межэлектродной области может составлять величину порядка нескольких сантиметров сопротивление структуры с ВШЭ может быть значительно уменьшено. Тем не менее оно не может быть уменьшено в достаточной степени, т. к. расстояние между электродами, которые формируются фотолитографическим способом, нельзя сделать менее единиц микрон.

Известен чувствительный элемент датчика водорода (авт. св. СССР N 1807370, кл. G 01 N 27/12, опублик. 07.04.93), включающий сформированную на полупроводниковой подложке, снабженной нагревателем, структуру металл-диэлектрик-полупроводник, электрод затвора которой выполнен из сплава, состоящего из палладия, серебра и рутения, и выполнены контакты к подложке и электроду.

Недостатки этого устройства следующие.

В устройстве измеряется изменение работы выхода материала затвора. При этом на величину выходного сигнала (проводимость канала транзистора) существенное влияние имеет целый ряд сопутствующих факторов, в частности распределение заряда по толщине диэлектрика вблизи электрода, его подвижность и стабильность при приложении напряжения к затвору, накопление заряда в процессе работы прибора. Все эти процессы чрезвычайно сложны и до конца не изучены. Это означает, что при практической реализации такого способа возникнут сложные вопросы стабильности и долговечности прибора и отработки технологии подзатворного диэлектрика.

Совершенно очевидно, что десорбция молекул газа с открытой поверхности и из чувствительного слоя толщиной 0,03-0,05 мкм должны существенно различаться не в пользу последнего.

Наконец, сенсорная структура прототипа принципиально работоспособна в основном только при измерении содержания водорода, а для других газов, в частности, для измерения влажности ее использование весьма сомнительно.

Техническим результатом изобретения является снижение сопротивления сенсорной структуры при одновременном увеличении ее быстродействия.

Указанный результат достигается тем, что в сенсорной структуре, содержащей полупроводниковую проводящую подложку, изолирующий слой с расположенным на нем металлическим электродом, газочувствительный слой и контакты к полупроводниковой подложке и электроду, газочувствительный слой, имеющий открытую поверхность, расположен на торцевой области изолирующего слоя и контактирует с электродом и подложкой.

В предлагаемой конструкции верхний электрод является сплошным, что облегчает его изготовление. Проводимость же между металлическим электродом и проводящей подложкой осуществляется по газочувствительному слою, нанесенному на торцевую поверхность изолирующего слоя.

На чертеже представлена сенсорная структура, вертикального типа, где 1 - проводящая подложка 2 изолирующий слой, расположенный в области между верхним металлическим электродом и подложкой, 3 верхний металлический электрод, нанесенный на изолирующий слой, 4 контакт к металлическому электроду, 5 контакт к проводящей подложке, 6 газочувствительный слой, нанесенный на торцевую поверхность изолирующего слоя.

Действие предлагаемой структуры основано на полученных экспериментальных данных по поверхностной проводимости таких материалов как SiO₂, Al₂O₃ и других, показывающих, что указанная проводимость на много порядков превышает проводимость изолирующих пленок, например таких как термическая двуокись кремния или нитрид кремния. Таким образом при приложении электрического напряжения между проводящей подложкой и металлическим электродом ток течет по поверхности газочувствительного слоя, нанесенного на торцевую поверхность изолирующего слоя, но при этом одновременно структура имеет большое быстродействие, т.к. газочувствительная поверхность является открытой.

Как показали измерения, поверхностная проводимость зависит от толщины газочувствительного слоя по степенному закону, близкому к линейному или квадратичному при малых толщинах (10-100 нм), а затем резко спадает. Это связано с тем, что силовые линии электрического поля сконцентрированы в основном в области между металлическим электродом и проводящей подложкой и только частично выступают за края этой области, проникая в газочувствительный слой на глубину порядка 1/3d. Поскольку быстродействие структуры определяется поверхностной проводимостью, то внешняя поверхность газочувствительного слоя должна быть максимально приближена к границе изолирующего слоя, т. е. толщина газочувствительного слоя должна быть минимальной. Современная технология нанесения различных пленок позволяет получать сплошные слои толщиной около 10-100 нм. Хорошие изолирующие слои, например термической двуокиси кремния, получаются при их толщине порядка 100-300 нм. Таким образом предлагаемая структура приобретает дополнительные положительные качества (высокое быстродействие при малом сопротивлении) при определенном соотношении между толщинами изолирующего и газочувствительного слоев, например 1^oC30, при использовании в качестве изолирующего слоя термической двуокиси кремния, и низкотемпературного SiO₂ в качестве газочувствительного слоя.

Предложенная сенсорная структура работает следующим образом.

При адсорбции молекул газа на газочувствительный слой происходит изменение его сопротивления.

Таким образом, измеряя сопротивление между контактами 4, 5 структуры, помещенной в какую-либо атмосферу, можно судить о состоянии газовой среды, например наличию в ней определенного количества газа, к которому чувствительна проводимость слоя 6. Например, слои Al₂O₃ чувствительны к наличию молекул воды в атмосфере, слои SnO₂ к различным соединениям углеводородов, например метану и т.д.

В предложенной структуре расстояние между слоями 1, 3 может составлять десятки, сотни нм, но при этом газочувствительная поверхность является открытой, в результате чего быстродействие структуры резко возрастает, но одновременно и снижается сопротивление между контактами 4, 5 за счет малого расстояния между ними и быстродействие может достигать десятых долей секунд.

Сопротивление структуры определяется свойствами газочувствительного слоя. Но при использовании одного и того же материала газочувствительного слоя оно обратно пропорционально расстоянию между электродами. Таким образом если для ВШЭ-структур это расстояние составляет например 10 мкм, то при толщине изолирующего слоя 100 нм сопротивление структуры предлагаемого типа может быть снижено в 100 раз.

Использование: в системах контроля состояния жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: сенсорная структура содержит полупроводниковую проводящую подложку, изолирующий слой с расположенным на нем металлическим электродом, газочувствительный слой и контакты к полупроводниковой подложке и электроду. Газочувствительный слой имеет открытую поверхность, расположен на торцевой области изолирующего слоя и контактирует с электродами и подложкой. 1 ил.

Сенсорная структура, содержащая полупроводниковую проводящую подложку, изолирующий слой с расположенным на нем металлическим электродом, газочувствительный слой и контакты к полупроводниковой подложке и электроду, отличающийся тем, что газочувствительный слой, имеющий открытую поверхность, расположен на торцевой области изолирующего слоя и контактирует с электродом и подложкой.