[发明专利]半导体气体传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用了半导体材料的气体传感器(半导体气体传感器)及其制造技术，特别涉及在适于氢气的检测、可靠性高且灵敏度高、并且即使在高温环境工作也能够适用的半导体气体传感器及其制造中适用且有效的技术。

背景技术

关于在氢气的检测中使用的气体传感器，存在Pd(钯)栅极构造的Si-MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应型晶体管)型气体传感器(例如I.Lundstrom et al.，Applied Physics Letters，Vol.26，No.2，15 January，55-57(1975)(非专利文献1))、以及将Pt(铂)或其他的Pt族金属用作栅极金属的Si-MOSFET型气体传感器。但是，这些气体传感器，存在可靠性欠佳的问题(例如T.Usagawa et al.，Journal of Applied Physics，Vol.108，074909(2010)(非专利文献2)的绪论)。因此，在Pt栅极构造的情况下，为了防止由于膜剥落造成的可靠性欠佳以及工艺生产线的装置的污染，需要将Ti(钛)或Mo(钼)等的金属膜作为粘接膜插入Pt膜与栅极绝缘膜(例如SiO₂(氧化硅)膜)之间。但是，若插入上述粘接膜，则会出现气体传感器对氢没有响应的问题。

于是，为了解决该问题，开发了Pt-Ti-O(铂-钛-氧)栅极构造的MISFET(金属-绝缘体-半导体场效应型晶体管)型气体传感器。关于该Pt-Ti-O栅极构造的MISFET型气体传感器，记载在例如日本特开2009-300297号公报(专利文献1)、T.Usagawa et al.，Sensors and Actuators，B160，105-114(2011)(非专利文献3)以及上述非专利文献2中。

Pt-Ti-O栅极构造，在栅极绝缘膜(例如SiO₂膜)上具有掺氧的非晶Ti与非晶TiOx(氧化钛)或TiOx微晶混合而形成的掺氧Ti膜(以下，有时也称为改性Ti膜)，在该掺氧Ti膜上具有Pt膜。并且，Pt膜由多个Pt晶粒构成，在多个Pt晶粒问的晶粒边界区域存在Ti和氧(O)(以下，有时也称为改性Pt膜)。

专利文献1：日本特开2009-300297号公报

非专利文献1：I.Lundstrom et al.，Applied Physics Letters，Vol.26，No.2，15 January，55-57(1975)

非专利文献2：T.Usagawa et al.，JournAl of Applied Physics，Vol.108，074909(2010)

非专利文献3：T.Usagawa et al.，Sensors and Actuators，B160，105-114(2011)

非专利文献4：R.Loloee et al.，Sensors and Actuators，B129，200-210(2008)

非专利文献5：A.Branzahi et al.，Sensors and Actuators，B26/27，165(1995)

发明内容

然而，对上述以往的Pt-Ti-0栅极构造的MISFET型气体传感器而言，在其氢响应特性中，存在上升响应时间为数十秒～数百秒的情形，需要对策。

另一方面，对在严酷的外部环境中使用的气体传感器而言，例如在柴油汽车或核电厂的存储容器内，需要检测排气(例如氨)和/或氢气。在该情况下，要求在核电厂等因某种理由遭受较大损坏的严重灾害下、或者在涡轮或柴油内燃机等的高温(例如300℃～900℃)气体环境下使用气体传感器。

但是，对上述以往的Pt-Ti-O栅极构造的MISFET型气体传感器而言，若在300℃～400℃左右的温度下工作数十天，则会发生上升响应时间慢至数百秒的现象。

作为以高温(例如800℃)下的工作为目的的氢气传感器，例如研究了使用SiC(碳化硅(Silicon Carbide))的SiC-MOSFET型气体传感器(例如R.Loloee et al.，Sensors and Actuators，B129，200-210(2008)(非专利文献4))。

但是，即使在传感器信号的漂移或低浓度(52.2ppm)时也检测到了0.6V左右真相不明的信号，在高温下长时间稳定工作的栅电极、钝化膜、源漏电极以及加热器等的基本技术尚未确定。特别是，除因结晶性引起的可靠性的问题以外，还没有发现可靠性高的栅电极，这成为实用化的最大障碍。