集成纳米结构的薄膜型mos气体传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，所述集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，从底部向顶部依次包括：承载硅基底，传感器释放后空腔、MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构，图形化多晶硅薄膜层，纳米尺度硅结构，梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad层结构，金属氧化物敏感膜层。
【专利说明】
集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器
技术领域
[0001]本实用新型涉及MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器。
【背景技术】
[0002]随着社会的飞速发展和科技的突飞猛进，人们的生活呈现出与以往截然不同的变化，这种变化一方面极大地提高了人们的生活水平和质量;但另一方面也给自己的生活空间和环境造成了不可估量的影响，以VOC(voIatiIe organic compounds，挥发性有机化合物)、氮氧化物、硫化物等有毒有害气体为代表的环境污染日趋严重，极大影响人们的生活质量甚至寿命。工业生产规模逐渐扩大，产品种类不断增多，尤其是石油、化工、煤矿、汽车等工业的飞速发展导致火灾事故的不断发生，大气环境遭到严重破坏。另外，随着现代工业、国防工业的快速发展，运输过程中可能产生的液化石油气、H2以及液态燃料等危险品泄露，危险品的燃烧，运输车的倾倒等危险情况，也需要相应传感器实时的检测。此外，天然气管道泄露、家用煤气泄露导致的爆炸等重大事故频发，造成惨重的经济损失和人员伤亡。
[0003]人类对以上这些气体的感知和承受能力是有限的，为了确保安全，防患于未然，人们研制了各种测试仪器和检测方法，以便准确地检测并控制环境中的各种有毒有害气体。同时，随着近年以短距离通讯为技术核心的物联网技术快速发展以及以智能家居为代表的对气体泄漏和室内气体浓度的实时检测需求的日益迫切，基于各种类型气体传感器的实时监测系统逐渐进入市场。而其中最为核心和关键的就是气体传感器。气体传感器经过多年的发展，已广泛应用于各行业的生产、国防、医疗、生活和监测机构等领域，而研究和开发这些用于环境监测的气体传感器，更成为人们日益关心的问题。
[0004]目前市面上的商用气体传感器以敏感机理来分类主要有:电化学气体传感器、半导体气体传感器、催化反应气体传感器、热传导式气体传感器、光学原理气体传感器等。在众多气体传感器之中，应用最为广泛、传感器结构和制作工艺简单、灵敏度等综合性能优良、成本低廉的应数半导体气体传感器。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，借助于微电子工艺，半导体气体传感器更是向着集成化、智能化方向发展。半导体气体传感器是利用在一定的工作温度下，某些金属氧化物半导体材料(例如Zn0、Sn02、Ti02等)因为环境气体的成分、浓度等发生变化导致电导率随之发生变化的特性来检测气体。利用表面电导的变化检测气体的种类和浓度。因而，其具有制作工艺简单、生产成本低、灵敏度高、响应恢复特性好。作为气体敏感材料的金属氧化物半导体需要加热到较高温度时才显现出较好的敏感特性。专利CN103675028A介绍了一种半导体气体传感器，在制备半导体气敏传感器时必须先制备气敏材料的加热电极，然后再制备信号感测电极，工艺复杂，也没有集成提高灵敏度的纳米结构。目前，在市场上的产品主要为厚膜型气体传感器，其气敏薄膜的制作主要通过手工点胶、滴涂、喷涂等方法制备，其厚度及面积难于控制，可靠性重复性不佳，无法通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺批量制造，同时，由于气体接触面积有限，信号强度和检测浓度极限受限。
[0005]此外，半导体气体传感器中通常利用金属氧化物作为敏感材料，通过在其表面吸附气体及表面反应而引起自身电阻的变化，进而监测到待检测气体。金属氧化物的吸附能力越强，则气敏元件的选择性和灵敏度越高，为了达到上述效果，通常需要气敏材料之间有能让待测气体通过的空隙;或为了提高信号强度，提高检测浓度极限，需要在一定的器件尺寸限制下增大敏感材料与气体的接触面积或敏感材料的比表面积。当今纳米技术的发展，不仅为传感器提供了良好的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且一个显著的事实是在纳米尺度下，材料的比表面积显著增加。
[0006]与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器的主要应用领域包括医疗保健、军事、工业控制和机器人、网络和通信以及环境监测等。随着相关技术的成熟，纳米传感器在国防安检方面的强大优势逐渐显现。相信在不久的将来，纳米传感器将用于新一代的军服和设备，并将用来检测炭疽、有毒有害危险气体等。此外，众多研究和应用表明，将纳米技术和纳米结构与已有传统传感器相结合可以显著提升传感器的性能指标，从而拓宽其应用领域。
[0007]综上背景可知，无论是已有的厚膜式气敏传感器还是薄膜式半导体气敏传感器，虽然市场占有率和性能满足了部分需求，但性能仍有提升空间。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，能够提高工艺兼容性和可重复性。
[0009]为达到上述目的，本实用新型提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，从底部向顶部依次包括:承载硅基底，传感器释放后空腔、MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构，图形化多晶硅薄膜层，纳米尺度硅结构，梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad层结构，金属氧化物敏感膜层。
[0010]可选的，所述MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构自下而上包括厚度为0.1?2微米的绝热氧化硅薄膜层、厚度为0.1?I微米的匀热氮化硅薄膜层。
[0011]可选的，所述多晶硅薄膜层的厚度为0.1?2微米。
[0012]可选的，电极的厚度为0.05?I微米，电极的长、宽为10?200微米，梳齿敏感电极间距为I?50微米;所述电极材料包括金属和合金薄膜或重掺杂的多晶硅，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、N1、W中的一种，所述合金薄膜选自附/0、]\10/]\111、(]11/211、厶8/?(1、？1:/^11、卩6/(]0中的一种，所述重掺杂的多晶硅包括N型或P型重掺杂多晶硅，用于传感器电信号的引出。
[0013]可选的，所述金属氧化物敏感膜层为Zn0、Sn02、Ti02、Fe203中的一种，晶粒直径为10?500]1111，膜层的厚度为30?500111]1。
[0014]本实用新型提供的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，通过巧妙的版图布局，实现了加热电极和信号提取梳齿敏感电极的同步工艺制作，在同一结构层上实现了两种功能电极结构，简化了工艺流程和器件结构;采用等离子浸没注入(PIII)干法刻蚀工艺、反应离子刻蚀等其它微电子加工工艺刻蚀制备所述的纳米尺度娃结构，形成娃表面刻蚀的纳米粗糙表面，以提高后续金属氧化物敏感膜层与目标气体的接触面积，从而提高灵敏度。使用磁控溅射制作金属氧化物敏感薄膜或者采用滴涂、旋转硅基底的方式形成金属氧化物前躯体薄膜层并陶瓷化生成金属氧化物敏感膜层的工艺在所述纳米尺度硅结构之上实现敏感膜层的制作，物理的增加表面敏感膜的多孔性，提高气体传感器的灵敏度和响应时间，结构巧妙，工艺简单。所采用的纳米尺度黑硅材料以及其加工制作工艺完全与微电子工艺兼容，工艺兼容性好，可批量制作。相比于直接使用滴涂的方式制备的厚膜型气体传感器，提高了结构的可重复性;并且与MEMS工艺相结合，使其制作气体传感器的制作方式简便，可进行批量性生产。另外，相比于使用P25Ti02等商用金属氧化物粉末与有机溶剂混合，通过丝网印刷的方法制备敏感膜层，减小了工艺的复杂性，增加操作的可行性;避免了表面敏感膜晶粒的团聚，并且有效的增加的接触被测气体的有效面积。提高了工艺兼容性，避免了厚膜工艺制作敏感薄膜的复杂性和后续其它工艺对敏感膜层的破坏，同时增加了薄膜型气体传感器的灵敏度，与MEMS工艺结合并且可批量制造，提高工艺可重复性。
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0016]图1为在承载硅基底I上制作氧化硅薄膜层2得到的结构的剖视图；
[0017]图2为在图1所示的结构上制作氮化硅薄膜层3得到的结构的剖视图；
[0018]图3为在图2所示的结构上制作多晶硅薄膜层4得到的结构的剖视图；
[0019]图4为在图3所示的结构上对多晶硅薄膜层4进行图形化处理形成图形化多晶硅薄膜层5得到的结构的剖视图；
[0020]图5为在图4所示的结构上在非敏感区域光刻干法释放口6得到的结构的剖视图；
[0021]图6为在图5所示的结构上制作梳齿敏感电极7a、加热电极7b以及引线键合pad7c得到的结构的剖视图；
[0022]图7为在图6所示的结构上制作纳米尺度硅结构8得到的结构的剖视图；
[0023]图8为在图7所示的结构上制作金属氧化物敏感膜层9得到的结构的剖视图；
[0024]图9为在图8所示的结构上制作传感器释放后空腔10得到的结构的剖视图；
[0025]图10为本实用新型实施例提供的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器的平面结构俯视图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0027]本实用新型实施例提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，如图9所示，所述集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器从底部向顶部依次包括:承载硅基底I，传感器释放后空腔10、MEMS氧化硅2、氮化硅3复合膜支撑结构，图形化多晶硅薄膜层5，纳米尺度硅结构8，梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad层结构，金属氧化物敏感膜层9。
[0028]可选的，所述MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构自下而上包括厚度为0.1?2微米的绝热氧化硅薄膜层、厚度为0.1?I微米的匀热氮化硅薄膜层。
[0029]可选的，所述多晶硅薄膜层的厚度为0.1?2微米。
[0030]可选的，电极的厚度为0.05?I微米，电极的长、宽为10?200微米，梳齿敏感电极间距为I?50微米;所述电极材料包括金属和合金薄膜或重掺杂的多晶硅，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、N1、W中的一种，所述合金薄膜选自附/0、]\10/]\111、(]11/211、厶8/?(1、？1:/^11、卩6/(]0中的一种，所述重掺杂的多晶硅包括N型或P型重掺杂多晶硅，用于传感器电信号的引出。
[0031]可选的，所述金属氧化物敏感膜层为Zn0、Sn02、Ti02、Fe203中的一种，晶粒直径为10?500]1111，膜层的厚度为30?500111]1。
[0032]本实用新型实施例提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器的制造方法，所述方法包括:
[0033]Sll、在用来承载MEMS结构的承载硅基底I上，采用低压力化学气相沉积法(LPCVD)制备厚度为0.1?2微米的绝热氧化硅薄膜层2，得到如图1所示的结构。
[0034]S12、在图1所示的结构上，采用低压力化学气相沉积法(LPCVD)制备厚度为0.1?I微米的匀热氮化硅薄膜层3，得到如图2所示的结构。
[0035]S13、在图2所示的结构上，采用压力化学气相沉积法(LPCVD)制备厚度为0.1?2微米的多晶硅薄膜层4，得到如图3所示的结构。
[0036]S14、在图3所示的结构上，对多晶硅薄膜层4进行图形化处理，形成图形化多晶硅薄膜层5，得到如图4所示的结构。
[0037]S15、在图4所示的结构上，在非敏感区域光刻干法释放口6，为后期干法释放形成悬浮结构做准备，得到如图5所示的结构。
[0038]S16、在图5所示的结构上，在多晶硅表面制备梳齿敏感电极7a、加热电极7b以及引线键合pad 7c，得到如图6所示的结构。
[0039]所述两种电极采用电子束蒸发、溅射、原子层沉积的工艺制备。电极的厚度为0.05?I微米，电极的长、宽在1?200微米左右，梳齿敏感电极间距为I?50微米，所述电极材料包括金属和合金薄膜或重掺杂的多晶娃，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、N1、胃中的一种，所述合金薄膜选自附/0、10/^11、01/211)8/?(1、？^^11、？6/(:0中的一种，所述重掺杂的多晶硅包括N型或P型重掺杂多晶硅，用于传感器电信号的引出。
[0040]S17、在图6所示的结构上，采用等离子浸没注入(PIII)干法刻蚀纳米尺度硅、反应离子刻蚀纳米尺度硅或其它微电子加工工艺，刻蚀多晶硅表面，形成直径在10?lOOOnm、高度在10?100nm的纳米尺度娃结构8粗糙起伏，所述的纳米尺度娃结构包括山峰状结构、蜂窝网结构、锥形结构、树状结构以及凹坑状不规则结构，得到如图7所示的结构。
[0041]S18、在图7所示的结构上，使用磁控溅射的方法在纳米尺度硅结构8、梳齿敏感电极7a、加热电极7b以及引线键合pad 7c区域沉积金属氧化物敏感膜层9，所述的金属氧化物敏感膜层9为Zn0、Sn02、Ti02、Fe203中的一种，制备的晶粒直径在10?500nm，膜层的厚度在30?500nm左右，沉积在刻蚀的纳米尺度硅结构之上。之后进行400°C?600°C的退火处理，得到如图8所示的结构。
[0042]可选的，可以在图7所示的结构上，采用滴涂金属氧化物前躯体、旋转硅基底形成金属氧化物前躯体薄膜层并陶瓷化生成金属氧化物敏感膜层的工艺，在纳米尺度硅结构8、梳齿敏感电极7a、加热电极7b以及引线键合pad 7c区域实现金属氧化物敏感膜层9的制作，之后进行400°C?600°C的陶瓷化处理，得到如图8所示的结构。
[0043]S19、在图8所示的结构上，使用XeF2、RIE等微电子刻蚀工艺对承载硅基底I进行各项同性干法刻蚀，形成纵向深度在I?100微米左右、横向刻蚀穿透的热隔离的悬浮器件结构。悬浮膜层下方为传感器释放后空腔10，传感器敏感薄膜悬空区域与硅基底之间通过支撑臂11相连接，得到如图9所示的结构。
[0044]如图10所示，为采用上述制作方法得到的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器的平面结构俯视图，图10中虚线所示为图1至图9所示剖视图的截面位置。
[0045 ]至此，使用创新的工艺方法制成的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器完成。
[0046]本实用新型实施例提供的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器的制造方法，通过优化工艺流程，实现了所提出的集成纳米结构的传感器。在增加比表面积核心功能结构区域即纳米尺度硅结构制备的同时，完成了加热电极、梳齿敏感电极及弓I线键合pad层结构的制作集成。具体来讲，先通过低压化学气相沉积法(LPECVD)、等离子增强气相沉积法(PECVD)等微电子薄膜生长工艺生长平整的多晶硅层，之后再所述的平整多晶硅层上使用电子束蒸发、溅射、原子层沉积工艺等金属生长微电子制备工艺制备电极层。之后采用开发的等离子浸没注入(PI11)的方法、反应离子刻蚀(RIE)等微电子干法刻蚀工艺制备纳米尺度硅结构，图6所示的梳齿敏感电极7a，加热电极7b覆盖之外的区域8被刻蚀形成所述的纳米尺度硅结构，而被电极7a、7b覆盖的区域不受影响。从而完成纳米尺度硅结构的同时，顺利实现了核心电极结构的制备。
[0047]此外，通过采用溅射或其它微电子薄膜制备工艺制备晶粒直径纳米尺度的金属氧化物敏感膜层，所述的金属氧化物敏感膜层位于纳米尺度的硅结构和加热电极及梳齿敏感电极上方，通过梳齿敏感电极实现传感器电信号的引出。所述的此种结构，一方面易于与纳米尺度的硅结构集成，可连续的覆盖在纳米尺度硅结构之上；同时，由于采用了微电子常规工艺制备气体敏感膜层材料，易于实现批量化制备，降低成本。
[0048]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，其特征在于，从底部向顶部依次包括:承载硅基底，传感器释放后空腔、MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构，图形化多晶硅薄膜层，纳米尺度硅结构，梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad层结构，金属氧化物敏感膜层。2.根据权利要求1所述的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，其特征在于，所述MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构自下而上包括厚度为0.1?2微米的绝热氧化硅薄膜层、厚度为0.1?I微米的匀热氮化硅薄膜层。3.根据权利要求1所述的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，其特征在于，所述多晶硅薄膜层的厚度为0.1?2微米。4.根据权利要求1所述的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，其特征在于，所述梳齿敏感电极和加热电极的厚度为0.0 5?I微米，所述梳齿敏感电极和加热电极的长、宽为1?200微米，梳齿敏感电极间距为I?50微米。5.根据权利要求1所述的集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，其特征在于，所述金属氧化物敏感膜层为Zn0、Sn02、Ti02、Fe203中的一种，晶粒直径为10?500nm，膜层的厚度为30?500nmo
【文档编号】B82Y40/00GK205643233SQ201620179891
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】明安杰, 郑轩, 陈大鹏
【申请人】中国科学院微电子研究所