一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制 造方法。
【背景技术】
[0002] 气敏传感器（也称为气体传感器）是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号 的转换器。探测头通过气敏传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干 燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。 以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气敏传感器、电化学型气敏传感器、固体电解质 气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器等。
[0003] 半导体气敏传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气 体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率、伏安特性或表面 电位变化。自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器问世以来，半导体气敏传感器 已经成为当前应用最普遍、最具实用价值的一类气敏传感器，根据其气敏机制可以分为电 阻式和非电阻式两种。非电阻式半导体气敏传感器包括M0S二极管式、结型二极管式以及 场效应晶体管式（M0SFET)气敏传感器，其电流或电压随着气体含量变化而变化。其中， M0SFET气敏传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。
[0004] 目前市售的M0SFET气敏传感器主要用来检测氢气（?)等有爆炸危险气体和C0、 N0 2等有毒性气体。一种典型的M0SFET化学传感器，器件源、漏区制作于硅晶圆衬底之上， 然后再在硅晶圆表面生长一层Si0 2，并在沟道区之上的SiOjl上面覆盖多晶硅或者铝金属 层形成各种形状的栅极，最后在栅极之上通过溅射、沉积、自组装等物理、化学方法制作敏 感层。其工作原理是目标敏感物（例如氢气）与传感器敏感层（例如催化金属铂）接触发 生反应，反应产物扩散到M0SFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而 识别目标敏感物。改变传感器敏感层的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变器件 的最佳工作温度。
[0005] 传统的M0SFET化学场效应晶体管传感器一般是利用气体分子对金属/金属氧化 物栅极的穿透或者吸附改变栅区敏感金属/金属氧化物功函数，从而影响栅极电压对沟道 电流的调制作用，通过器件的导通阻抗变化或者跨导变化检测气体浓度。用场效应晶体管 作为传感器的信号检出元件，不仅使用方便，而且可以输出较强的电流信号，灵敏度高。但 是传统的M0SFET化学场效应晶体管结构上一般均为悬浮栅结构，在栅极与绝缘层之间存 在一个空气隙（airgap)，导致制造成本高昂。另一方面，由于器件的导通阻抗和跨导与工 艺、器件版图密切相关，因此利用器件的导通阻抗变化或者跨导变化检测气体浓度必须内 置或者外加校准电路。而校准源的精度以及检测器件与校准源的匹配精度即决定了传感器 的最高检测精度及准确度。
[0006] 气敏传感器的种类很多，各类传感器性能差异较大，检测对象也不一样，但是它们 都不同程度的存在着诸如选择性、稳定性、一致性等问题，因此，单个的气敏传感器虽然能 有效的用于特定的场合，但是在检测成分复杂的混合气体或挥发性化学物质时，在灵敏性、 对复杂混合物的分辨能力（交叉敏感）和对不断变化的环境的适应性上远逊于利用不同传 感器的交叉选择性提高气体识别能力（气体的选择性和准确性）的阵列传感器。近年来， 随着检测要求的提高，阵列传感及其识别技术已成为国际上的研究热点。现有技术主要以 微电极阵列为主，而对基于化学场效应晶体管的阵列气敏传感器则研究较少。从1994年 Bright等开始研究ChemFET应用于气体检测的可能性以来[1]，Burgmair M.等于2002年 研究了气敏场效应晶体管栅绝缘层表面对功函数测量的影响[2]，Vamsi Krishna T等利用 多联硫酸苯化学场效应晶体管传感器检测环境污染[3]，Facci P.等报道了利用化学场效 应晶体管跨导特性的研究成果[4]。Hodge-Miller A[5]等研究了耗尽型场效应晶体管应 用于生物大分子检测中的模型参数。蒋亚东等于2003年申请了一件有关槽栅电子聚合物 传感器阵列的中国专利申请[6]。该器件响应精度较高，但是由于槽栅器件在实际工作中并 不能保证栅极边缘两条金属线电压完全相等，导致栅内敏感膜与栅边缘金属形成平面介质 电容，影响了器件性能，主要表现在器件的响应重复性较差。
[0007] 引证文件：
[0008] 1. Bright V. M. , Kolesar E. S. , Hauschild N. T. Investigation of the sensitivity, selectivity, and reversibility of the chemically-sensitive field-effect transistor (CHEMFET) to detect N02，C3H9P03，and BF3. Aerospace and Electronics Conference,1994. NAEC0N 1994., Proceedings of the IEEE 1994 National，1 :342-349
[0009] 2. Burgmair M.，Eisels I. Contribution of the gate insulator surface to work function measurements with a gas sensitive FET. Sensors,2002. Proceedings of IEEE, 1 :439-442
[0010] 3. Vamsi Krishna T，Jessing J. R.，Russell D. D. , et al. Modeling and design of polythiophene gate electrode ChemFETs for environmental pollutant sensing. University/Government/Industry Microelectronics Symposium,2003. Proceedings of the 15th Biennial :271-274
[0011] 4. Facci P.，Erokhin V. , Nicolini C. Formation and characterization of an ultrathin semiconductor polycrystal layer for transducer applications. Biosensors & Bioelectronics,1997,12(7) :607-611
[0012] 5. Hodge-Miller A, Perkins F. K. , Peckerar M. , et al.Gateless Depletion Mode Field Effect Transistor For Macromolecule Sensing. Circuits and Systems, 2003.ISCAS ' 03.Proceedings of the 2003 International Symposium on,2003,3： III-918-III-921
[0013] 6.蒋亚东，谢光忠，电子聚合物气体传感器阵列及其制备方法，专利公开号 CN1635372A，公开日为2005年7月6日
【发明内容】
[0014] 本发明要解决的技术问题是传统的M0SFET化学场效应晶体管结构一般均为悬浮 栅结构，在栅极与绝缘层之间存在一个空气隙（airgap)，导致制造成本高昂。另一方