专利名称：金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明属电子器件领域，涉及一种高温气体传感器。
背景技术：
金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器是气体传感器的一种，能直接探测氢(H2)、碳氢(CxHy)等含氢化合物以及间接探测氮氧(NOx)等多种化合物气体；响应速度快，高温下(＞300℃)的响应时间为毫秒级；工作温度从室温到800℃高温，高温下无需冷却系统。在航空航天、核能仪器、人造卫星、太空探测和地热勘探，以及汽车电子学、自动化、雷达与通讯等领域有着广泛的应用前景。然而，目前已有的MISiC高温气体传感器的绝缘层采用臭氧工艺制备，结构见图1碳化硅(SiC)基片上生长一层SiO2绝缘层，其上制备缓冲层氧化硅钽，缓冲层上制备铂电极(栅电极)，SiC基片下方制备硅钽缓冲层，缓冲层外制备背电极；其界面质量不是十分理想，导致器件高温可靠性较差，即传感器在高温下工作一段时间后，响应特性退化，甚至完全失效。

发明内容
本发明旨在解决绝缘层及其界面质量问题，从而提高MISiC气体传感器的高温可靠性，使其符合高温下长期稳定工作之要求。
本发明金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器，在碳化硅(SiC)基片上一面生长一层绝缘层，其上制备缓冲层，缓冲层上制备栅电极，SiC基片另一面制备硅钽缓冲层，硅钽缓冲层外制备背电极，其特征在于所述绝缘层为SiOxNy，所述缓冲层为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。
所述的金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器，所述SiOxNy绝缘层厚度可以为1~4nm；所述TakSilOmNn缓冲层厚度可以为2~10nm。
本发明MISiC高温气体传感器的工作原理是含氢的分子在催化金属Pt(或Pd)表面分解产生氢原子，一部分氢原子扩散通过金属膜，到达金属与绝缘层界面处。由于界面电荷的吸引，氢原子在金属-绝缘层(~1nm)界面处形成一偶极层。这个偶极层将改变催化金属的功函数，从而使肖特基二极管SBD的势垒高度降低，I-V特性沿电压轴负向漂移。在恒定电流下，通过检测电压的漂移(ΔV)，进行相应换算即可得到气体中的氢浓度，如图2所示。图3所示为典型的MISiC肖特基气体传感器在空气和800ppm浓度氢气中的电流电压(I-V)特性。
本发明采用一氧化氮(NO)低温快速热氧化技术制备MISiC高温气体传感器的SiOxNy超薄绝缘层，同时采用新型TakSilOmNn缓冲层结构，由于绝缘层-SiC界面处以及缓冲层中氮的结合，增加了界面扩散势垒高度，可有效阻止层间互扩散效应，从而减小失效几率，提高器件的高温可靠性。此外，缓冲层的使用可大大增强金属与绝缘层的粘附性。
本发明高温可靠性好，灵敏度高，响应快，制备工艺简单，一致性好，易于批量生产。


图1现有MISiC高温气体传感器剖面2本发明MISiC高温气体传感器剖面3典型的MISiC肖特基气体传感器I-V特性温度为500℃，氢气用N2稀释携带，浓度为800ppm。
图4响应灵敏度随氢气浓度变化曲线(S=IH2-IairIair)]]>图5高温可靠性实验曲线——ΔI随时间的变化具体实施方式
本发明采用美国Cree公司生产的n型6H-SiC外延片，其衬底掺杂浓度为1~9×1018cm-3，外延层厚度为5μm，掺杂浓度为4×1015cm-3。具体工艺步骤如下(1)SiC基片采用标准的RCA工艺清洗，接着基片放入5％的HF溶液中浸蚀以去除自然氧化层。SiC基片于800-900℃氮气氛中推入氧化炉恒温区，并立即通入高纯NO气体(流量0.25-0.5 l/min)氧化5-10分钟；接着在氩气氛中原位退火10分钟，消除应力和缺陷，并使薄膜致密。最后在氮保护气氛中分3步拉出基片(每步间隔2-3分钟)，由此形成厚为1～4nm的SiO0.6N0.4或SiO0.8N0.2。
(2)采用直流磁控溅射法，利用不锈钢掩膜板于绝缘层上制备TakSilOmNn缓冲层和Pt栅电极(直径0.3-0.5mm)。TakSilOmNn层可以是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，厚为10nm，Pt层厚为150nm。溅射过程中，靶电极通过水冷，基片温度为350℃。
(3)用与(2)相同的方法和条件，在SiC衬底面制备TaoSip缓冲层和Pt背接触电极(无需掩膜板)，TaoSipO＝0.8~0.9，P＝0.1~0.2厚度100-200nm，Pt200-400nm。
(4)激活处理，在550~650℃，氮稀释H2/氧交替脉冲环境里退火上述晶片30-60分钟，以活化电极，提高探测灵敏度，同时稳定界面，增强高温可靠性。
(5)极焊接和引线将SiC晶片切割成单个管芯，芯片背电极用耐高温的陶瓷导电胶粘于铜基座上，由相应管腿引出；栅电极采用超声热压焊或高温键合方法用Pt丝焊接引出。
附图4所示为本发明MISiC高温气体传感器在300℃和2V恒压下响应灵敏度随氢气浓度变化曲线；附图5所示为本发明传感器在600℃高温和2V恒压下连续工作60小时记录的电流漂移ΔI随时间的变化。传感器特性曲线显示，引入超薄氮化氧化绝缘层后，MISiC高温气体传感器的响应灵敏度和高温可靠性得到了明显改善。同时本发明为肖特基二极管结构，其正向压降低，功耗小，开关速度快。
权利要求
1.一种金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器，在碳化硅(SiC)基片上一面生长一层绝缘层，其上制备缓冲层，缓冲层上制备栅电极，SiC基片另一面制备硅钽缓冲层，硅钽缓冲层外制备背电极，其特征在于所述绝缘层为SiOxNy，所述缓冲层为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.如权利要求1所述的金属-绝缘层-碳化硅MISiC高温气体传感器，所述SiOxNy绝缘层厚度可以为1～4nm；所述TakSilOmNn缓冲层厚度可以为2～10nm。
全文摘要
金属－绝缘层－碳化硅MISiC高温气体传感器，属电子器件领域，涉及一种高温气体传感器，旨在解决绝缘层及其界面质量问题，从而提高MISiC气体传感器的高温可靠性，使其符合高温下长期稳定工作之要求。本发明在碳化硅(SiC)基片上一面生长一层SiO
文档编号G01N27/407GK1547006SQ20031011157
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者徐静平, 钟德刚, 韩弼 申请人:华中科技大学