氨敏半導體器件及其製造方法
2023-06-10 05:22:01
專利名稱：氨敏半導體器件及其製造方法
氨敏半導體器件主要用於氨氣報警、探漏、監測及定量測量等場合。
通常檢測氨氣的常規方法是採用化學分析法或分光光度法，但這些測量方法效率低，不能實行連續測量。目前已研究出一種氨氣敏感半導體器件，採用Po一Ir(鈀與銥的合金膜)作為MOS電晶體的柵極，利用IR的催化作用使氨氣分解產生H氫原子可穿過合金膜達到合金膜與MOS管的絕緣柵SiO2的界面，影響MOS電晶體的閾值電壓VT。測量VT的變化量就可以知道氨氣的濃度。為了使電晶體更好地工作也可採用一隻擴散電阻作為加熱器，同時利用一隻二極體測溫，但目前通常採用的是一般的製造工藝，使高穩定性、高可靠性的氨敏半導體器件的成批生產受到一定的局限。
本發明的特點就在於提供一種用於氨氣定量分析的高穩定性，高可靠性，引線結構簡單，易於批量生產的新型氨敏半導體器件。
本發明的氨敏半導體器件俯視圖見圖1，結構剖面圖見圖2。該器件是由集成在一個矽片上的氨氣測量管，加熱電阻和溫控二極體組成。其特徵在於，該器件共有四根電極引線，氨氣測量管中的漏極D和柵極G共用一根引出線；氨氣測量管中的源極S、加熱電阻其中的一個引線端R2極和溫控二極體的P極相聯結在一起，共用一根引出線；加熱電阻的另一個引線電極R1極及溫控二極體的N極均單獨使用一根引出線。
該器件的製造方法採用常規的MOS工藝，進行氧化、擴散、光刻、真空蒸發鋁金屬電極等步驟，直至製成增強型場效應電晶體。本發明的特徵在於，在採用常規的MOS工藝過程中，增加了下述三個工藝步驟1、用直流高壓濺射氧化鋁，製成二氧化矽和氧化鋁的雙層柵介質層。其中氧化鋁層厚20～60埃，二氧化矽層厚200～1000埃。
2、用電子束蒸發工藝蒸發氧化鋯薄膜層，製成敏感層，氧化鋯薄膜層，厚度為1000～2500埃。
3、用直流高壓濺射鉑金屬層，作成催化層，鉑金屬層厚度為20～60埃。
採用前述的器件結構及相應的製造方法製成的氨敏半導體器件具有高穩定生，高可靠性。其原因在於它是採用集成電路的方法，將敏感元件，加熱元件，測溫元件集成在一起，減少了壓點和接點；另則由於加熱元件，測溫元件可通過外加電路，使敏感元件工作在恆溫狀態；再則，由於採用氧化鋁作為鈍化膜，形成氧化鋁和二氧化矽雙層絕緣介質柵，減少了金屬離子間的相互影響。
同時該器件由於採用集成電路製造工藝方法，在一片晶片上可作幾百個器件，而一個流水便可作φ40mm的10～20片。一次作成，既達到了批量生產的目的，又保證了器件性能的一致性。
再則，為保證該器件在一定溫度下工作，在器件的兩邊集成一電阻R作為力熱器，其輸出端分別為R1、R2。若接通電源並輸入100～150mA電流後，可使本器件在100～140℃的環境下能夠保證足夠的靈敏度和響應時間。
圖1氨敏半導體器件的俯視圖；S源極(N型半導體，鋁引線)；G柵極(氧化鋁層，鉑金屬層，鋁引線)；D漏極(N型半導體)；P、N構成測溫二極體，(均為鋁引線)；R1、R2加熱電阻的兩端，用鋁引線引出。
圖2氨敏半導體器件的剖面圖；1摻P型雜質的半導體；2氧化鋯層；3柵氧化層；4鉑金屬層；5場氧化層；6P型S1襯底；7金屬鋁引線；8三氧化鋁介質層或三氧化二鋁；實施例本發明採用P型矽單晶片，電阻率0.3～0.5Ω·cm，晶向(100)；氨敏器件採用N溝道增強型MOS電晶體，柵區長度為25微米，柵區寬度100微米；柵極氧化層厚度200～1000埃；氧化鋁層厚20～60埃；氧化鋯1000～2500埃；鉑金屬層厚20～40埃。
工藝方法如下1、熱氧化生長4000埃優質氧化層(常規溼氧化法)。
2、一次光刻出溝阻區，(常規光刻法)。
3、擴硼形成溝阻區。
4、二次光刻出漏區、源區、測溫二極體N區及加熱電阻區。
5、擴磷形成漏、源區，測溫二極體及加熱電阻。
6、三次光刻刻出柵氧區。
7、二步柵氧化生長200～1000埃高質量二氧化矽，其過程為①爐子升溫到650℃，通氮氣500ml/min，片子緩慢入爐；②升爐溫，在30分鐘內從650℃上升為900℃，通氮氣500ml/min，通氧氣200ml/min；③到達900℃後通氧氣500ml/min，恆定20分鐘；④再通入鹽酸氣體，用氧氣鼓泡帶入，每分鐘40個泡為宜。穩定通入50分鐘；⑤停止通鹽酸氣，繼續通氧500ml/min，溫度穩定在900℃；⑥升溫到1097℃，升溫時間30分鐘，此過程通氮氣500ml/min；⑦關爐自然退火210分鐘，通氮氣500ml/min；⑧爐溫降至650℃時，片子緩慢出爐完成柵氧化。
8、四次光刻，常規工藝刻出漏極、源極、測溫二極體以及加熱電阻的引線孔。
9、蒸發鋁，常規蒸發工藝。
10、五次光刻，刻出金屬化電極。
11、常規等離子法去膠。
12、直流高壓濺射氧化鋁層，其過程為①將矽片放入真空室內零電位極板上，鋁金屬作為負高壓極板，距矽片5～7cm；②抽真空達2×10-2mm汞柱後，通入氧氣，同時加負高壓900～1000伏，調正兩極間電流為30～60毫安；③2～10分鐘後，可澱積氧化鋁20～60埃；④放氣取出矽片結束。
13、六次光刻出氧化鋯氨敏薄膜區。
14、電子束蒸發氧化鋯敏感層，工藝如下①把氧化鋯粉末加入石墨坩堝中，把矽片放在片架上；②抽真空至5×10-5mm汞柱，同時把矽片加熱到150～200℃；③加高壓3000伏，燈絲電流45～50A，此時電子束流0.1～0.2A；④打開檔板蒸發20～30秒，蒸發氧化鋯層1000～2500埃厚。
⑤關機取出矽片；15、直流高壓濺射鉑金屬催化層，工藝過程如下①將矽片放入真空室零電位極板上，鉑片作為負高壓極板，距離5～7釐米；②將氬氣通入真空室，調負高壓900～1000伏，調正兩極間輝光電流20～40mA；③3～8分鐘後沉積鉑層20～60埃；④放氣取出矽片。
16、用剝離技術形成氧化鋯，鉑金屬層複合金屬柵電極。
17、進行高溫退火處理，控制爐溫300～400℃，通入510ml/min氮汽，將矽片推進爐內保持25分鐘取出。
18、測試、劃片、壓焊、封裝、製成合格器件。用上述方法製成的器件，主要技術性能參數如下一、氨氣濃度與開啟電壓變化量的關係測試條件器件加熱607.5毫瓦，測溫二極體的正向壓降為。48伏，氨敏MOSFET的起始開啟電壓(即純淨空氣中的開電壓)為1.867伏。
二、開啟電壓起始值的穩定性
最大漂移量17mV。測試條件加熱電流150mA，電壓5.5伏，即加熱功率為825毫瓦，源漏電流85μA。三、響應時間1、上升時間氨敏半導體器件接觸氨氣後開啟電壓的變化量ΔVT，達到最大變化值90％所需時間tr0.5分鐘。
2、下降時間器件脫離氨氣後，在純淨空氣中恢復到開啟電壓最大變化量的1/τ所用時間tf1分鐘。
權利要求
1.一種用於氨氣濃度測量、探漏的新型氨敏半導體器件，是由集成在一個矽片上的氨氣測量管，加熱電阻和溫控二極體組成，本發明的特徵在於，該器件共有四根電極引線，氨氣測量管中的漏極D和柵極G共用一根引出線，氨氣測量管中的源極S、加熱電阻其中的一個引線端R2和溫控二極體正極P相聯結在一起，共用一根引出線，加熱電阻的另一個引線電極R1極及溫控二極體的N極均單獨使用一根引出線。
2.一種用於製作權利要求1所述器件的製造方法，採用常規的MOS工藝，進行氧化、擴散、光刻、真空蒸發鋁金屬電極等工藝步驟，直至製成增強型場效應電晶體，本發明的特徵在於，在前述工藝過程中，用直流高壓濺射氧化鋁，作成二氧化矽和氧化鋁的雙層柵介質層，用電子束蒸發工藝蒸發氧化鋯薄膜層，作成敏感層，用直流高壓濺射鉑金屬層，作成催化層。
3.根據權利要求2所述氨敏半導體器件的製造方法，所述的雙層柵介質層中，氧化鋁層厚20～60埃，二氧化矽層厚200～1000埃。
4.根據權利要求2所述的氨敏半導體器件的製造方法，所述的氧化鋯薄膜層，厚度為1000～2500埃，所述的鉑金屬層，厚度為20～60埃。
全文摘要
一種主要用於氨氣報警、探漏、監測及定量測量等場合的新型氨敏半導體器件，是由集成在一個矽片上的氨氣測量管，加熱電阻和溫控二極體組成。該器件共四根電極引線，漏極和柵極共用一根；源極，加熱電阻R
文檔編號G01N27/12GK1129854SQ94116558
公開日1996年8月28日 申請日期1994年9月21日 優先權日1994年9月21日
發明者鄒德恕, 王東鳳, 高國, 陳建新 申請人:北京工業大學