RU2196981C2

RU2196981C2 - Gas-sensitive pickup

Info

Publication number: RU2196981C2
Application number: RU2000128807/28A
Authority: RU
Inventors: Саито ТАКЕШИ (JP); Саито Такеши; В.Н. Мурашев (RU); В.Н. Мурашев; А.И. Манюшин (RU); А.И. Манюшин; Е.Ф. Карпов (RU); Е.Ф. Карпов; В.Н. Мордкович (RU); В.Н. Мордкович; Е.С. Горнев (RU); Е.С. Горнев; Г.Я. Красников (RU); Г.Я. Красников
Original assignee: Саито Такеши; Мурашев Виктор Николаевич
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2003-01-20

Abstract

FIELD: registration of hydrogen and gases of methane group in gas, coal and other branches of industry. SUBSTANCE: field-effect transistor in gas-sensitive pickup is placed on dielectric layer formed on surface of monocrystalline silicon. Gate of field-effect transistor is fitted with two contacts to ensure its electric heating to temperature of decomposition of gases of methane group. Gate is fabricated from catalytically active material, regions of drain and source are made of platinum silicide, region of channel is produced form iron silicide. Pickup can contain additional heaters made of material which is catalyst for decomposition of gases of methane group. EFFECT: decreased energy consumption, increased reproducibility of parameters and improved adaptability to manufacture of pickup. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области производства полупроводниковых датчиков, а более конкретно датчиков водорода и газов метановой группы, и может найти применение в электронной промышленности. The invention relates to the field of production of semiconductor sensors, and more particularly to sensors of hydrogen and gases of the methane group, and may find application in the electronics industry.

Известны датчики водорода и газов метановой группы, в которых чувствительным элементом является полевой транзистор, изготовленный на основе кремния или карбида кремния (см., например, V. Filipov, A. Terentjev, S. Yakimov. Sens. And Act. В, 1997, 153-158 и A. Arbab, A. Spetz and I. Lundstrom. Sens. and Act. B, 15-16, 1993, 19-23). Sensors of hydrogen and gases of the methane group are known, in which the field-effect transistor made on the basis of silicon or silicon carbide is a sensitive element (see, for example, V. Filipov, A. Terentjev, S. Yakimov. Sens. And Act. B, 1997, 153-158 and A. Arbab, A. Spetz and I. Lundstrom. Sens. And Act. B, 15-16, 1993, 19-23).

Наиболее близким к заявляемому датчику по технической сущности является датчик, содержащий полевой транзистор и нагреватель, расположенный по периметру его затвора (см. патент 2061233, бюл. изобр. 15 от 27.05.96 г., "Газочувствительный датчик на основе полевого транзистора"). Closest to the claimed sensor in technical essence is a sensor containing a field-effect transistor and a heater located around the perimeter of its shutter (see patent 2061233, bull. Image 15 dated 05/27/96, "Gas-sensitive sensor based on field-effect transistor").

Известные конструкции-аналоги и прототип обладают следующими недостатками:
1. Неспособностью датчиков на кремнии обнаруживать газы метановой группы без внешнего деструктора, поскольку температура разложения газов метановой группы значительно превышает предельную рабочую температуру датчиков на кремнии (порядка 200^oС).Known structures-analogues and prototype have the following disadvantages:
1. The inability of sensors on silicon to detect gases of the methane group without an external destructor, since the decomposition temperature of gases of the methane group significantly exceeds the maximum operating temperature of the sensors on silicon (about 200 ^o C).

2. Плохой воспроизводимостью, низкой технологичностью датчиков на карбиде кремния по сравнению с технологичностью кремниевых приборов. 2. Poor reproducibility, low adaptability of sensors on silicon carbide in comparison with adaptability of silicon devices.

3. Высоким энергопотреблением, поскольку для обеспечения режимов измерения необходимо проводить нагрев всего объема датчика, как в случае с карбидом кремния, или проволочного деструктора и области датчика, как в случае с кремнием. 3. High energy consumption, since to ensure measurement modes it is necessary to conduct heating of the entire sensor volume, as in the case of silicon carbide, or of a wire destructor and the sensor region, as in the case of silicon.

В изобретении ставятся задачи уменьшения энергопогребления, повышения воспроизводимости параметров и улучшения технологичности на основе полевых кремниевых транзисторов. The invention aims to reduce energy consumption, increase reproducibility of parameters and improve manufacturability based on silicon field-effect transistors.

Эти задачи решаются в датчике, представляющим собой кремниевый полевой транзистор и деструктор. Причем тело транзистора полностью тепло- и электроизолировано от остальной части кристалла, а деструктор, во-первых, конструктивно совмещен с затвором транзистора, а во-вторых, может нагреваться электрическим током до температур разложения газов метановой группы. These problems are solved in the sensor, which is a silicon field-effect transistor and a destructor. Moreover, the body of the transistor is completely thermally and electrically insulated from the rest of the crystal, and the destructor, firstly, is structurally combined with the gate of the transistor, and secondly, it can be heated by electric current to the decomposition temperatures of methane gas groups.

Отличия предложенного газочувствительного датчика заключаются в том, что полевой транзистор расположен на слое из диэлектрического материала, сформированном на поверхности монокристаллического кремния, при этом затвор транзистора - в виде двухвыводного элемента, нагреваемого пропускаемым по нему электрическим током до температуры разложения газов метановой группы. The differences of the proposed gas-sensitive sensor are that the field-effect transistor is located on a layer of dielectric material formed on the surface of single-crystal silicon, while the gate of the transistor is in the form of a two-output element heated by the electric current passed through it to the decomposition temperature of the gases of the methane group.

При этом для уменьшения размеров и энергии потребления датчика его затвор выполняется из каталитически активного материала. Moreover, to reduce the size and energy consumption of the sensor, its shutter is made of catalytically active material.

С целью увеличения рабочей температуры до 600^oС области стока и истока выполняются из силицида платины.In order to increase the operating temperature to 600 ^o With areas of runoff and source are made of platinum silicide.

Для увеличения чувствительности датчика (т.е. уменьшения уровня шумов в канале МОП транзистора) целесообразно выполнение области канала из силицида железа. To increase the sensitivity of the sensor (i.e., reduce the noise level in the channel of the MOS transistor), it is advisable to perform the channel area of iron silicide.

С целью повышения точности измерения и упрощения технологии изготовления датчика при его использовании в приборах, существенно не ограниченных по энергопотреблению, газовый датчик может содержать дополнительные нагреватели из материала, являющегося катализатором разложения газов метановой группы. In order to improve the measurement accuracy and simplify the manufacturing technology of the sensor when it is used in devices that are not significantly limited in energy consumption, the gas sensor may contain additional heaters made of a material that is a catalyst for the decomposition of methane group gases.

Изобретение поясняется приведенными чертежами. The invention is illustrated by the drawings.

На фиг. 1 приведено схематичное изображение разреза вертикальной структуры датчика. In FIG. 1 is a schematic sectional view of a vertical sensor structure.

На фиг.2 приведено схематичное изображение топологии датчика согласно п. 1 и п.4 формулы изобретения. Figure 2 shows a schematic illustration of the topology of the sensor according to paragraph 1 and paragraph 4 of the claims.

Газочувствительный датчик содержит диэлектрическую подложку (1), на которой сформирован полевой транзистор с областями истока (2), стока (3), контактов к этим областям (4) и (5), областью канала (6), областью подзатворного диэлектрика (7), затвором-деструктором (8) и контактами (9) и (10) для подключения к нему источника тока или напряжения (не показано). В конструкцию датчика входят и области оксида кремния (11), обеспечивающие вместе с областью (1) полную тепло- и электроизоляцию транзистора от основной части кристалла (12), дополнительные деструкторы (13) и (14). The gas-sensitive sensor contains a dielectric substrate (1) on which a field-effect transistor is formed with areas of a source (2), drain (3), contacts to these areas (4) and (5), a channel area (6), a gate dielectric region (7) , a shutter-destructor (8) and contacts (9) and (10) for connecting a current or voltage source to it (not shown). The sensor also includes silicon oxide regions (11), which, together with region (1), provide complete thermal and electrical insulation of the transistor from the main part of the crystal (12), additional destructors (13) and (14).

Газочувствительный датчик на основе полевого транзистора работает следующим образом. Через затвор-деструктор (8) пропускается импульс тока от внешнего источника, который обеспечивает нагрев каталитически активного материала затвора до рабочей температуры, при этом непосредственно на поверхности затвора-деструктора происходит разложение водородосодержащих молекул газов метановой группы. Образовавшийся при разложении водород с поверхности затвора-деструктора диффундирует в его объем и далее к границе раздела затвор-подзатворный диэлектрик (7), что, приводит к изменению электрических характеристик полевого транзистора и регистрируется в виде изменения дифференциальной емкости или порогового напряжения. В наступившей после нагрева и измерения стадии охлаждения происходит удаление водорода сначала из внутренний областей полевого транзистора, а затем с его поверхности. Этим заканчивается подготовка датчика к новому циклу измерения концентраций газов метановой группы. При измерении концентрации водорода для подготовки датчика к новому измерительному циклу необходимо обеспечить на стадии охлаждения его обдув газом, не содержащим водород. A gas sensor based on a field effect transistor operates as follows. A current pulse from an external source is passed through the shutter-destructor (8), which provides heating of the catalytically active shutter material to the operating temperature, while the decomposition of hydrogen-containing gas molecules of the methane group occurs directly on the surface of the shutter-destructor. Hydrogen formed during decomposition from the surface of the gate-destructor diffuses into its volume and further to the gate-gate dielectric interface (7), which leads to a change in the electrical characteristics of the field-effect transistor and is recorded as a change in the differential capacitance or threshold voltage. In the stage of cooling that has occurred after heating and measurement, hydrogen is removed first from the internal regions of the field-effect transistor, and then from its surface. This completes the preparation of the sensor for a new cycle of measuring gas concentrations of the methane group. When measuring the concentration of hydrogen, in order to prepare the sensor for a new measuring cycle, it is necessary to provide it with a gas containing no hydrogen at the cooling stage.

Примененная в данном случае конструкция полевого транзистора изготавливается с использованием КНИ технологии. Во-первых, это позволяет существенно снизить теплоотдачу за счет окружения нагреваемых областей теплоизолирующими слоями оксида кремния (1) и (11). Во-вторых, совмещение в одном элементе (8) функций затвора и нагретого деструктора обеспечивает оптимальное распределение теплового поля и снижение теплоемкости всей конструкции. Последние особенно важны для снижения потребляемой мощности при импульсных режимах работы. The design of the field effect transistor used in this case is manufactured using SOI technology. Firstly, this allows one to significantly reduce heat transfer due to the environment of the heated regions with insulating layers of silicon oxide (1) and (11). Secondly, the combination of the shutter and heated destructor functions in one element (8) ensures an optimal distribution of the thermal field and a decrease in the heat capacity of the entire structure. The latter are especially important for reducing power consumption in pulsed operation modes.

Заявляемая конструкция в совокупности с выбранной технологией позволяет добавлять к затвору-деструктору (8) дополнительные деструкторы (13) и (14), изготавливать элементы транзистора из разных материалов, а также пропускать ток для дополнительного нагрева через другие элементы транзистора, например сток-исток. The inventive design in conjunction with the selected technology allows you to add additional destructors (13) and (14) to the gate-destructor (8), produce transistor elements from different materials, and also pass current for additional heating through other elements of the transistor, for example, drain-source.

Заявляемый датчик на основе кремниевого полевого транзистора способен непосредственно регистрировать газы метановой группы. Указанный эффект достигается тем, что затвор транзистора одновременно выполняет функцию теплового деструктора газов, а рабочая температура кремниевого МОП транзистора с КНИ структурой повышается до температуры, близкой к температуре разложения газов метановой группы. The inventive sensor based on a silicon field-effect transistor is capable of directly detecting methane group gases. This effect is achieved by the fact that the gate of the transistor simultaneously performs the function of a thermal gas destructor, and the operating temperature of a silicon MOS transistor with a SOI structure rises to a temperature close to the temperature of decomposition of gases of the methane group.

Технология изготовления КНИ структур в настоящее время отработана и используется для изготовления микроэлектронных приборов. Технологию изготовления заявляемого датчика кратко можно описать следующим образом. В кремнии кристаллографической ориентации {100} и удельным электрическим сопротивлением 4,5 ом^xсм на глубине 0,2 мкм при помощи ионной имплантации кислорода и технологии SIMOCX формируется диэлектрический слой оксида кремния толщиной 0,2 мкм. Далее формируется МОП транзистор с p-n-переходами, подзатворным диэлектриком толщиной порядка

и затвором из каталитически активного материала, например платины, толщиной порядка

.The manufacturing technology of SOI structures has now been developed and is used for the manufacture of microelectronic devices. The manufacturing technology of the inventive sensor can be briefly described as follows. In silicon with a crystallographic orientation of {100} and a specific electric resistance of 4.5 ohm ^x cm at a depth of 0.2 μm, a dielectric layer of silicon oxide 0.2 μm thick is formed using oxygen ion implantation and SIMOCX technology. Next, a MOS transistor is formed with pn junctions, a gate insulator with a thickness of the order of

and a shutter made of catalytically active material, for example platinum, with a thickness of the order of

.

Оценка экспериментальных образцов показала, что воздействие 2% смеси метана с синтетическим воздухом приводит к изменению порогового напряжения МОП транзистора датчика на величину порядка 0,1 В. Evaluation of experimental samples showed that exposure to a 2% mixture of methane with synthetic air leads to a change in the threshold voltage of the MOS sensor transistor by a value of about 0.1 V.

Заявляемый датчик может найти широкое применение в газовой, угольной и других областях промышленности. The inventive sensor can be widely used in gas, coal and other industries.

Claims

1. A gas sensor containing a field-effect transistor with drain, source, channel and gate regions, a gate insulator and a substrate, characterized in that the field-effect transistor is located on a dielectric layer formed on the surface of single-crystal silicon, the gate of the field-effect transistor is equipped with two contacts to ensure its electrical heating to the temperature of decomposition of gases of the methane group.

2. The gas sensor according to claim 1, characterized in that the shutter is made of catalytically active material.

3. The gas sensor according to claim 1, characterized in that the drain and source areas are made of platinum silicide.

4. The gas sensor according to claim 1, characterized in that the region of the channel is made of iron silicide.

5. The gas sensor according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that it contains additional heaters from a material that is a catalyst for the decomposition of gases of the methane group.