CN106093138B - 通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法及传感器 - Google Patents

通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法及传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法及传感器，包括如下步骤：包括如下步骤：在硅片衬底上用等离子体增强化学气相沉积法淀积第一氧化硅薄膜层；对第一金属薄膜层进行干法刻蚀，在第一金属薄膜层上刻出加热电阻层图形；在第二金属薄膜层上面用物理气相沉积法淀积第三金属薄膜层，并对第三金属薄膜层进行光刻和干法刻蚀；利用干法或湿法刻蚀位于第二接触孔下方与第二接触孔对应的第二氧化硅薄膜层；在光刻胶上及第二接触孔内用物理气相沉积法淀积金属氧化物薄膜层。本发明的有益效果如下：可以精确检测环境气体的成分和浓度。因此可以降低制造成本，减少产品的体积和功耗，增加可靠性和一致性，提高产品的灵敏度和精度。

Description

通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法及传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器的制造方法，特别是一种通过脉冲加热金属氧化物检测气体的传感器的制造方法及使用该方法制造的传感器。
背景技术
环境的质量与人们的生活和工作舒适度，健康息息相关。近几年来，随着人们对环境的要求越来越高，人们希望能有简单可靠，价格便宜的方法和产品检测环境空气的质量，比如一氧化碳，可燃性气体，乙醇，NO2等的不适或有毒气体在空气中的含量。但是，传统的气体传感器，体积较大，功耗较高，成本较高，可靠性和一致性较差，难于在大众化市场如手机，家用设备和可穿戴设备上推广。用金属氧化物检测气体的传感器已经被研究多时，相关的专利也有申请和授予。但是，可以被大众接受和广泛应用的产品很少，如在手机，家用设备和可穿戴设备上推广难于实现。其原因有两个：一个是有些传感器是用厚膜工艺制造的金属氧化物气体传感器，工艺复杂，一致性差，体积较大，成本较高。另一个原因是有些传感器用非传统的半导体制造工艺如MEMS工艺制造，工艺复杂，成本高，一致性和可靠性较差。
比如申请号200710054450.9的专利申请，是关于一个用厚膜工艺把金属氧化物做在陶瓷片上的传感器的制造方法，其缺点是体积大，功耗高，难于大批量生产，成本高，一致性和重复性差。
又比如申请号CN201410397034.9的专利申请，是关于一个用MEMS的工艺制造金属氧化物传感器的制造方法。其缺点是其使用的MEMS工艺为非标准半导体工艺，工艺难度大，一致性和可靠性差，成本较高，难于用于大批量生产。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种减少产品的体积和功耗，增加可靠性和一致性，提高产品的测量灵敏度和精度的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法及传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1，在硅片衬底上用等离子体增强化学气相沉积法淀积第一氧化硅薄膜层；
步骤2，在第一氧化硅薄膜层上利用物理气相沉积法淀积第一金属薄膜层；
步骤3，对第一金属薄膜层进行干法刻蚀，在第一金属薄膜层上刻出加热电阻层图形；
步骤4，利用等离子体增强化学气相沉积法在第一金属薄膜层上淀积氮化硅薄膜层，并在氮化硅薄膜层上开出贯穿氮化硅薄膜的第一接触孔；
步骤5，在氮化硅薄膜层上用物理气相沉积法淀积第二金属薄膜层，在第一接触孔内填充接触体，接触体连接第一金属薄膜层与第二金属薄膜层，并对第二金属薄膜层进行光刻和干法刻蚀；
步骤6，在第二金属薄膜层上面用物理气相沉积法淀积第三金属薄膜层，并对第三金属薄膜层进行光刻和干法刻蚀；
步骤7，用等离子体增强化学气相沉积法在第三金属薄膜层上淀积第二氧化硅薄膜层；
步骤8，在第二氧化硅薄膜层上涂布光刻胶，并在光刻胶上开出贯穿光刻胶的第二接触孔；
步骤9，利用干法或湿法刻蚀位于第二接触孔下方与第二接触孔对应的第二氧化硅薄膜层；
步骤10，在光刻胶上及第二接触孔内用物理气相沉积法淀积金属氧化物薄膜层；
步骤11，去除光刻胶；
步骤12，对整个器件进行真空烘烤；
步骤13，对第二氧化硅薄膜层进行光刻，在二氧化硅薄膜层上开出贯穿第二氧化硅薄膜层的第三接触孔；
步骤14，连接线的一端伸入第三接触孔内，连接线的一端与第三金属薄膜层连接。
优选地，第一氧化硅薄膜层的厚度为200纳米～2微米。
优选地，第一金属薄膜层的厚度为200纳米～1微米，第一金属薄膜层的材质为金属钨或钨钛合金。
优选地，氮化硅薄膜层的厚度为10纳米～200纳米。
优选地，第二金属薄膜层的厚度为100纳米～1微米，第二金属薄膜层的材质为金属钨或钨钛合金。
优选地，第三金属薄膜层的厚度为200纳米～3微米，第三金属薄膜层的材质为金属钨或钨钛合金。
优选地，第二氧化硅薄膜层的厚度为100纳米～500纳米。
优选地，金属氧化物薄膜层的厚度为100纳米～800纳米。
优选地，烘烤的温度为300℃～500℃，烘烤的时间为10分钟～4小时。
一种传感器，所述传感器采用通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：可以把纳米量级的薄膜加热电阻，薄膜散热板和薄膜金属氧化物气敏电阻同时做在硅片上，通过施加在加热薄膜电阻的脉冲快速加热附近的金属氧化物气敏电阻，激励该氧化物的电阻发生变化，然后又通过散热薄膜迅速冷却该电阻，使电阻值恢复原值，形成电阻值脉冲信号。该电阻值脉冲信号的形状，幅度，响应特性受其环境气体的影响。可以精确检测环境气体的成分和浓度。此方法使用集成电路制造中的标准工艺，避免使用非传统的MEMS工艺，因此可以降低制造成本，减少产品的体积和功耗，增加可靠性和一致性，提高产品的灵敏度和精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图一；
图2为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图二；
图3为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图三；
图4为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图四；
图5为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图五；
图6为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图六；
图7为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图七；
图8为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图八；
图9为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图九；
图10为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图十；
图11为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图十一；
图12为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法示意图十二；
图13为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的结构示意图一；
图14为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的结构示意图二；
图15为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的结构示意图三；
图16为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的原理图；
图17为本发明通过金属氧化物检测气体的传感器的信号图。
图中：
1-硅片 2-第一氧化硅薄膜层 3-第一金属薄膜层
4-氮化硅薄膜层 5-第二金属薄膜层 6-第三金属薄膜层
7-第一接触孔 8-第三层金属图形 9-第二层金属图形
10-第二氧化硅薄膜层 11-光刻胶 12-第二接触孔
13-金属氧化物薄膜层 14-第三接触孔 15-连接线
16-接触体
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
步骤1：使用标准半导体工业用硅片1，可以是6英寸，8英寸或12英寸硅片1，可以是P形，也可以是N形。
步骤2：用标准的半导体工艺PECVD的方法淀积第一氧化硅薄膜层2，厚度在200纳米至2微米之间。
步骤3：在第一氧化硅薄膜层2上用标准半导体工艺PVD的方法淀积第一金属薄膜层3，厚度在200纳米至1微米之间，材料可以为金属钨，或钨钛合金，或其它耐高温金属。
步骤4：做第一次光刻。
步骤5：做第一次干法刻蚀，把第一金属薄膜层3刻出加热电阻层图形。此图形在电阻区域或加热区域可以是长条形，也可以是简单的单条形。第一金属薄膜层3在非电阻区域或非加热区域面积较大，并与顶层第二金属薄膜层5，第三金属薄膜层6连接，起到散热功能。当加热激励脉冲施加时，电阻区域电阻较大迅速升温。当加热激励脉冲消失后，热量通过***非电阻区域的金属迅速散发，使温度尽快恢复常温。
步骤6：用标准PECVD工艺在第一金属薄膜层3上淀积一层氮化硅薄膜层4，厚度在10纳米至200纳米之间。此薄膜的厚度要足够薄，增强加热效果。
步骤7：做第二次光刻。
步骤8：用标准半导体干法刻蚀氮化硅薄膜层4，开出第一接触孔7。第一接触孔7把下面的。第一金属薄膜层3暴露出来。
步骤9：在氮化硅薄膜层4上用PVD的方法淀积第二金属薄膜层5，厚度在100纳米至1微米之间，在有第一接触孔7的地方，接触体16填充第一接触孔7，并与其底部的第一金属薄膜层3连接，第二金属薄膜层5和接触体16的材料可以为金属钨，或钨钛合金，或其它耐高温金属。
步骤10：在第二金属薄膜层5上面用标准半导体PVD工艺淀积第三金属薄膜层6，厚度在200纳米至3微米之间，材料可以为金属铝，或铝铜合金。该第三金属薄膜层6完全覆盖下面的第二金属薄膜层5，并在电学意义上连接第二金属薄膜层5。当施加加热激励信号时，第二金属薄膜层5，第三金属薄膜层6起到低阻连线的作用，使得加热电阻得到大部分能量，并得以快速升温。
步骤11：做第三次光刻。
步骤12：用标准半导体干法刻蚀，把第三金属薄膜层6刻蚀出第三层金属图形8，刻蚀停止在第二金属薄膜层5上。故此刻蚀需要对第二金属薄膜层5有较好的选择性。
步骤13：做第四次光刻。
步骤14：用标准半导体干法刻蚀，把第二金属薄膜层5刻蚀出第二层金属图形9，刻蚀停止在氮化硅薄膜层4上。部分第二层金属5和全部第三层金属6裸露出来。第二层金属图形9可以是叉指形，也可以是简单的图形。左右边图形不连接，将分别作为后续金属氧化物电阻的两端电极。
步骤15：用标准半导体PECVD方法在第二金属薄膜层5和第三金属薄膜层6上淀积第二氧化硅薄膜层10，厚度在50纳米至500纳米之间。此第二氧化硅薄膜层10完全覆盖第三金属薄膜层6，作为钝化保护层防止金属在以后的应用中被环境侵蚀，提高器件的可靠性。
步骤16：涂布光刻胶11，做第五次光刻，做出第二接触孔12。
步骤17：利用标准半导体干法或湿法工艺，刻蚀第二接触孔12下的第二氧化硅薄膜层10，为后续的金属氧化物淀积和剥离工艺做准备。光刻胶11厚度在500纳米至2微米之间。刻蚀停止在氮化硅薄膜层4上。
步骤18：在光刻胶11上面用PVD的方法淀积金属氧化物薄膜层13，厚度在100纳米至800纳米之间，材料可以是SnO2，ZnO，TiO2等气敏物质，或经过Fe，Zn，Pt，Pd等元素参杂的此类气敏物质。
步骤19使用溶剂把光刻胶11去除，留下来的气敏金属氧化物薄膜层13覆盖第二接触孔12，形成一个气敏电阻，气敏电阻的两端连接第二金属薄膜层5的两极，然后再连接到第三金属薄膜层6。
步骤20：在一定的温度下做真空烘烤，使金属氧化物薄膜层13结晶形成所需稳定特性的气敏电阻。烘烤温度在300℃至500℃之间，时间为10分钟至4小时之间。烘烤期间，第三金属薄膜层6受第二氧化硅薄膜层10的保护。
步骤21：做第六次光刻。
步骤22：用标准半导体干法刻蚀第二氧化硅薄膜层10，得第三接触孔14，把第三金属薄膜层6暴露出来。第三接触孔14对应气敏电阻的两个电极和金属加热薄膜的两个电极。
步骤23：用半导体封装用的标准金属铜或金焊的连接线15把气敏电阻的两端电极，以及微型金属加热电阻的两端电极连接到封装上，整个四端传感器器件完成。
Rh为等效的加热电阻，Rg为等效气敏电阻。此结构当连接上适当的外接电阻R和适当的电源电压Vdd以后，输出电压Vg反映气敏电阻的阻值。Vh是施加给加热电阻的脉冲电压信号。Vh作为一个激励信号，当施加一个短脉冲时，加热电阻迅速发热。因气敏电阻在其上面，中间只相隔非常薄的氮化硅薄膜层4，故气敏电阻也跟随升温。随着温度升高，吸附在气敏金属氧化物电阻表面的负氧离子迅速增加，并在氧化物表面形成耗尽层，使其电阻率随温度上升而上升。当加热金属电阻的激励电压脉冲消失后，温度下降，吸附的负氧离子减少，气敏金属氧化物的电阻率恢复原值。因此，Vh可以认为是激励源，Vg(Rg)作为响应脉冲。当激励信号的幅度和时间固定时，如果空气是纯洁无其他有害气体，这个响应脉冲的幅度和形状是固定的。如图17中的A所指代的图形。
但是，当空气中含有一定量的还原性气体时，如CO，H2和其他的挥发性有机物气体如乙醇等，负氧离子在气敏金属氧化物的吸附能力减低，耗尽层减少，使得气敏电阻随温度上升的幅度减少，响应信号Vg(Rg)的峰值变小，信号的形状发生变化。如图17中的B所指代的图形。
相反，当空气中含有一定量的氧化性气体时，如NO2，负氧离子在气敏金属氧化物的吸附能力增强，耗尽层增加，使得气敏电阻随温度上升的幅度也增加，响应信号Vg(Rg)的峰值变大，信号形状发生变化。如图17中的C所指代的图形。
通过用软件的方法分析响应信号Vg(Rg)的变化，对比纯净空气的信号，可以精确检测环境气体的成分和浓度。
另外，加热电阻在非加热区域面积较大，可以起到散热作用。当加热脉冲消失以后，加热电阻的热量通过非加热区域的金属迅速散发，使得气敏电阻的温度较快恢复常温，然后可以进行第二次脉冲激励。通过多次激励-响应的测试，所得信息可以消除噪声，提高测量的精度和一致性。
本发明还提供了一种采用通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法制造的传感器。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1，在硅片衬底上用等离子体增强化学气相沉积法淀积第一氧化硅薄膜层；
其特征在于，还包括：
步骤2，在第一氧化硅薄膜层上利用物理气相沉积法淀积第一金属薄膜层；
步骤3，对第一金属薄膜层进行干法刻蚀，在第一金属薄膜层上刻出加热电阻层图形；
步骤4，利用等离子体增强化学气相沉积法在第一金属薄膜层上淀积氮化硅薄膜层，并在氮化硅薄膜层上开出贯穿氮化硅薄膜的第一接触孔；
步骤5，在氮化硅薄膜层上用物理气相沉积法淀积第二金属薄膜层，在第一接触孔内填充接触体，接触体连接第一金属薄膜层与第二金属薄膜层，并对第二金属薄膜层进行光刻和干法刻蚀；
步骤6，在第二金属薄膜层上面用物理气相沉积法淀积第三金属薄膜层，并对第三金属薄膜层进行光刻和干法刻蚀；
步骤7，用等离子体增强化学气相沉积法在第三金属薄膜层上淀积第二氧化硅薄膜层；
步骤8，在第二氧化硅薄膜层上涂布光刻胶，并在光刻胶上开出贯穿光刻胶的第二接触孔；
步骤9，利用干法或湿法刻蚀位于第二接触孔下方与第二接触孔对应的第二氧化硅薄膜层；
步骤10，在光刻胶上及第二接触孔内用物理气相沉积法淀积金属氧化物薄膜层；
步骤11，去除光刻胶；
步骤12，对整个器件进行真空烘烤；
步骤13，对第二氧化硅薄膜层进行光刻，在二氧化硅薄膜层上开出贯穿第二氧化硅薄膜层的第三接触孔；
步骤14，连接线的一端伸入第三接触孔内，连接线的一端与第三金属薄膜层连接。
2.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，第一氧化硅薄膜层的厚度为200纳米～2微米。
3.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，第一金属薄膜层的厚度为200纳米～1微米，第一金属薄膜层的材质为金属钨或钨钛合金。
4.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，氮化硅薄膜层的厚度为10纳米～200纳米。
5.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，第二金属薄膜层的厚度为100纳米～1微米，第二金属薄膜层的材质为金属钨或钨钛合金。
6.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，第三金属薄膜层的厚度为200纳米～3微米，第三金属薄膜层的材质为金属钨或钨钛合金。
7.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，第二氧化硅薄膜层的厚度为100纳米～500纳米。
8.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，金属氧化物薄膜层的厚度为100纳米～800纳米。
9.根据权利要求1所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法，其特征在于，烘烤的温度为300℃～500℃，烘烤的时间为10分钟～4小时。
10.一种传感器，其特征在于，所述传感器采用权利要求1至9任意一项所述的通过金属氧化物检测气体的传感器的制造方法制造。
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"金属氧化物直热式气体传感器的制作工艺研究";刘宏 等;《山西电子技术》;20121231(第3期);第80-81页 *

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