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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere ein chemosensitives Halbleiterbauelement.
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Stand der Technik
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Elektronische Bauteile können ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete Leiterbahnstruktur und eine über die Leiterbahnstruktur kontaktierte Funktionsschicht aufweisen, wobei die Leiterbahnstruktur zum Kontaktieren der Funktionsschicht teilweise von der Funktionsschicht überdeckt sein kann.
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Beispielsweise kann ein derartiges elektronisches Bauteil ein chemosensitiver, beispielsweise gassensitiver, Feldeffekttransistorsensor sein. Die Funktionsschicht kann dabei die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors sein. Die Leiterbahnstruktur ist dabei üblicherweise aus reinem Platin ausgebildet.
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Beim Einsatz eines chemosensitiven Feldeffekttransistorsensors zur Detektion von Gaskomponenten in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, beispielsweise einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, ist der chemosensitive Feldeffekttransistor jedoch einer chemisch aggressiven, insbesondere oxidativen, Atmosphäre und Temperaturen von über 500°C ausgesetzt.
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Unter diesen Bedingungen kann reines Patin degradieren, insbesondere schwinden, und die Leiterbahnstruktur kann reißen. Daher weisen Leiterbahnstrukturen aus Platin üblicherweise eine deutlich höhere Dicke als die Funktionsschicht auf. Dies kann jedoch dazu führen, dass die Funktionsschicht an den vertikalen Flächen der Leiterbahnstruktur abreißt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement, welches ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete, Leiterbahnstruktur und eine über die Leiterbahnstruktur kontaktierte Funktionsschicht umfasst. Erfindungsgemäß ist die Leiterbahnstruktur dabei aus einer Metallmischung ausgebildet, welche Platin und eines oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold, Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium, umfasst.
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Die Leiterbahnstruktur aus einer solchen Metallmischung auszubilden, hat den Vorteil, dass die Beständigkeit der Leiterbahnstruktur gegenüber einer chemisch aggressiven, insbesondere oxidativen, Atmosphäre bei hohen Temperaturen, beispielsweise von 400°C bis 1000°C, zum Beispiel von 500°C bis 800°C, verbessert werden kann. Dadurch kann die Leiterbahnstruktur dünner ausgestaltet werden als herkömmliche Leiterbahnstrukturen aus reinem Platin. Insbesondere kann die Leiterbahnstruktur auf diese Weise dünner als die Funktionsschicht ausgebildet werden. Hierdurch kann wiederum ein Abreißen einer die Leiterbahn teilweise überdeckenden Funktionsschicht vermieden werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Halbmetalle, beispielsweise Bor, Silicium, Germanium, zu den Metallen gezählt.
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Im Sinn der vorliegenden Erfindung werden unter den „Lanthaniden” insbesondere die Elemente: Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium verstanden.
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Vorzugsweise ist Platin der Hauptbestandteil der Metallmischung. Dabei kann unter „dem Hauptbestandteil der Metallmischung” insbesondere das Metall der Metallmischung verstanden, welches den höchsten Molprozentanteil von den Metallen der Metallmischung aufweist.
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Die Metallmischung kann insbesondere aus Platin und einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold oder Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium, bestehen.
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Die Metallmischung kann beispielsweise Platin und eines oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium und Gold, umfassen oder daraus besteht.
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Alternativ dazu kann die Metallmischung Platin und eines oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium, umfassen oder daraus bestehen.
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Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst die Metallmischung Platin und eines oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Rhenium und Aluminium, und/oder eines oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium und Ruthenium, umfasst.
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Vorzugsweise umfasst die Metallmischung Platin und Rhodium, oder besteht daraus.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Metallmischung
- – von ≥ 60 Atomprozent bis ≤ 99 Atomprozent, insbesondere von ≥ 75 Atomprozent bis ≤ 90 Atomprozent, an Platin und
- – von ≥ 1 Atomprozent bis ≤ 40 Atomprozent, insbesondere von ≥ 10 Atomprozent bis ≤ 25 Atomprozent, an einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold, Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium,
wobei die Summe der Atome von Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold, Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium zusammen 100 Atomprozent ergibt.
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Insbesondere kann die Metallmischung
- – von ≥ 60 Atomprozent bis ≤ 99 Atomprozent, insbesondere von ≥ 75 Atomprozent bis ≤ 90 Atomprozent, an Platin und
- – von ≥ 1 Atomprozent bis ≤ 40 Atomprozent, insbesondere von ≥ 10 Atomprozent bis ≤ 25 Atomprozent, an einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Rhenium und Aluminium,
umfassen, wobei die Summe der Atome von Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Rhenium und Aluminium zusammen 100 Atomprozent ergibt.
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Zum Beispiel kann die Metallmischung
- – von ≤ 60 Atomprozent bis ≤ 99 Atomprozent, insbesondere von ≥ 75 Atomprozent bis ≤ 90 Atomprozent, an Platin und
- – von ≥ 1 Atomprozent bis ≤ 40 Atomprozent, insbesondere von ≥ 10 Atomprozent bis ≤ 25 Atomprozent, an einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Rhenium und Aluminium,
umfassen, wobei die Summe der Atome von Platin, Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom, Rhenium und Aluminium zusammen 100 Atomprozent ergibt.
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Alternativ dazu kann die Metallmischung
- – von ≥ 60 Atomprozent bis ≤ 99 Atomprozent, insbesondere von ≥ 75 Atomprozent bis ≤ 90 Atomprozent, an Platin und
- – von ≥ 1 Atomprozent bis ≤ 40 Atomprozent, insbesondere von ≥ 10 Atomprozent bis ≤ 25 Atomprozent, an einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium und Ruthenium,
umfassen, wobei die Summe der Atome von Platin, Rhodium, Iridium und Ruthenium zusammen 100 Atomprozent ergibt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Metallmischung
- – von ≥ 60 Atomprozent bis ≤ 99 Atomprozent, insbesondere von ≥ 75 Atomprozent bis ≤ 90 Atomprozent, an Platin und
- – von ≥ 1 Atomprozent bis ≤ 40 Atomprozent, insbesondere von ≥ 10 Atomprozent bis ≤ 25 Atomprozent, an Rhodium,
wobei die Summe der Atome von Platin und Rhodium zusammen 100 Atomprozent ergibt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Metallmischung eine Metalllegierung.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Metallmischung Platinkerne, die jeweils zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig, von einer Metallschicht aus einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold, Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium, insbesondere mit Rhodium, umgeben sind. Durch das Umgeben der Platinkerne mit einer derartigen Metallschicht kann gegebenenfalls das Verdampfen oder das Agglomerieren von Platin verhindert oder zumindest reduziert werden. Dabei wird unter „im Wesentlichen vollständig umgeben” insbesondere verstanden, dass Abweichungen, die darauf beruhen, dass zwei oder mehr Kerne einander kontaktieren, und/oder dass ein Kern oder mehrere Kerne die Oberfläche des Substrats kontaktieren, umfasst sind. Die Platinkerne können beispielsweise eine durchschnittliche Größe von ≥ 0,1 nm bis ≤ 90 nm, insbesondere von ≥ 3 nm bis ≤ 50 nm, beispielsweise von ≥ 5 nm bis ≤ 20 nm, gemessen durch Rasterelektronenmikroskopie, aufweisen. Die Metallschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von ≥ 0,1 nm bis ≤ 90 nm, insbesondere von ≥ 3 nm bis ≤ 50 nm, beispielsweise von ≥ 5 nm bis ≤ 20 nm, gemessen durch Rasterelektronenmikroskopie, aufweisen.
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Zum Kontaktieren der Funktionsschicht kann die Leiterbahnstruktur teilweise von der Funktionsschicht überdeckt sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform überdeckt die Funktionsschicht teilweise die Leiterbahnstruktur und teilweise das Substrat.
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Die Funktionsschicht kann eine poröse und/oder elektrisch leitfähige Schicht sein. Dabei wird unter „elektrisch leitfähig” insbesondere verstanden, dass die Schicht eine spezifische Leitfähigkeit von mindestens 10 Sm–1 aufweist. Dabei kann die Funktionsschicht Poren mit einer durchschnittlichen Porengröße von ≥ 0,2 nm bis ≤ 20 nm, insbesondere von ≥ 0,3 nm bis ≤ 10 nm, beispielsweise ≥ 0,5 nm bis ≤ 5 nm, gemessen durch Rasterelektronenmikroskopie, aufweisen. Beispielsweise kann die Funktionsschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold, Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium, Metallmischungen dieser Metalle, insbesondere Legierungen dieser Metalle, Verbindungen von einem oder mehreren dieser Metalle mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff, sowie Mischungen von einem oder mehreren dieser Metalle mit einer oder mehreren Verbindungen dieser Metalle mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff, ausgebildet sein. Insbesondere kann die Funktionsschicht aus dem gleichen Metallgemisch wie die Leiterbahnstruktur ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterbahnstruktur eine Dicke (dL) auf, die geringer als die Dicke (dF) der Funktionsschicht ist. Auf diese Weise kann die Gefahr des Abreißens einer, die Leiterbahnstruktur überdeckenden Funktionsschicht verringert werden
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterbahnstruktur eine Dicke (dL) von ≥ 0,5 nm bis ≤ 100 nm, insbesondere von ≥ 5 nm bis ≤ 50 nm, beispielsweise von etwa 20 nm, auf. Durch eine derartig dünne Leiterbahnstruktur können einerseits Verspannungen reduziert werden. Andererseits können derartig Leiterbahnstrukturen dünner als die Funktionsschicht ausgebildet werden, wodurch die Gefahr des Abreißens einer, die Leiterbahnstruktur überdeckenden Funktionsschicht verringert werden kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Funktionsschicht eine Dicke (dF) von ≥ 1 nm bis ≤ 200 nm, insbesondere von ≥ 10 nm bis ≤ 100 nm, beispielsweise von etwa 50 nm, auf.
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Die Dicke (dL) der Leiterbahnstruktur kann zum Beispiel zur Dicke (dF) der Funktionsschicht in einem Verhältnis von 1:5 bis 1:2 stehen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke (dL) der Leiterbahnstruktur weniger als 50% der Dicke (dF) der Funktionsschicht. Dies hat den Vorteil, dass ein Abriss einer, die Leiterbahnstruktur bedeckenden Funktionsschicht vermieden werden kann.
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Die Leiterbahnstruktur kann beispielsweise mittels Aufdampf- und/oder Sputter-Verfahren auf das Substrat aufgebracht beziehungsweise auf dem Substrat strukturiert werden. Derartige Verfahren werden beispielsweise in der Veröffentlichung: „A study of platinum electrode pattering in a reactive ion etcher", J. Vac. Sci. Technol. A 16(3), May/June 1998, auf den Seiten 1489 bis 1496, beschreiben.
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Das Substrat kann beispielsweise aus Saphir oder Siliziumdioxid ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das elektronische Bauteil ein chemosensitives, insbesondere gassensitives, Halbleiterbauelement, beispielsweise ein chemosensitiver Feldeffekttransistor, zum Beispiel ein chemosensitiver Feldeffekttransistorsensor. Insbesondere kann das Halbleiterbauelement dabei zur Messung von einer oder mehreren Gaskomponenten, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak und/oder Stickoxiden, wie Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid, zum Beispiel in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, wie einem Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Funktionsschicht eine Gate-Elektrode oder ein Bestandteil einer Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Metallmischung, welche Platin und eines oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Gold, Scandium, Yttrium, Lanthan, den Lanthaniden, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Wolfram, Rhenium, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium und Germanium, umfasst, als Leiterbahnmaterial für einen chemosensitiven, insbesondere gassensitives, Halbleiterbauelement, beispielsweise einen chemosensitiven Feldeffekttransistor, zum Beispiel einen chemosensitiven Feldeffekttransistorsensor. Insbesondere kann das Halbleiterbauelement dabei zur Messung von einer oder mehreren Gaskomponenten, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak und/oder Stickoxiden, wie Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid, zum Beispiel in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, wie einem Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet sein.
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Vorzugsweise umfasst die Metallmischung
- – von ≥ 60 Atomprozent bis ≤ 99 Atomprozent, insbesondere von ≥ 75 Atomprozent bis ≤ 90 Atomprozent, an Platin und
- – von ≥ 1 Atomprozent bis ≤ 40 Atomprozent, insbesondere von ≥ 10 Atomprozent bis ≤ 25 Atomprozent, an Rhodium,
wobei die Summe der Atome von Platin und Rhodium zusammen 100 Atomprozent ergibt.
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Hinsichtlich weiterer Zusammensetzungsvarianten und Ausgestaltungsformen der Metallmischung wird hiermit explizit auf die vorherige Offenbarung im Zusammenhang mit dem elektronischen Bauteil verwiesen.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, elektronischen Bauelements.
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1 zeigt, dass das elektronische Bauelement ein Substrat 1, eine auf dem Substrat 1 angeordnete Leiterbahnstruktur 2 und eine über die Leiterbahnstruktur 2 kontaktierte Funktionsschicht 3 umfasst. Zum Kontaktieren der Funktionsschicht 3 ist die Leiterbahnstruktur 2 von der Funktionsschicht 3 überdeckt. Die Funktionsschicht 3 überdeckt dabei teilweise die Leiterbahnstruktur 2 und teilweise das Substrat 1.
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1 zeigt weiterhin, dass die Leiterbahnstruktur 2 eine Dicke dL aufweist, die geringer als die Dicke dF der Funktionsschicht 3 ist. Insbesondere beträgt dabei die Dicke dL der Leiterbahnstruktur 2 weniger als 50% der Dicke dF der Funktionsschicht 3. 1 veranschaulicht, dass dadurch ein Abriss der Funktionsschicht am Übergang von der Leiterbahnstruktur 2 auf das Substrat 1 verhindert werden kann. 1 illustriert insbesondere, dass auf diese Weise sowohl die Deckfläche 4 als auch die Seitenflächen 5 der Leiterbahnstruktur 2 von der Funktionsschicht 3 bedeckt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „A study of platinum electrode pattering in a reactive ion etcher”, J. Vac. Sci. Technol. A 16(3), May/June 1998, auf den Seiten 1489 bis 1496 [0031]
