一种FET加热的插指气敏传感器及其加工方法与流程

一种fet加热的插指气敏传感器及其加工方法
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种fet加热的插指气敏传感器及其加工方法。


背景技术：

2.现有的气敏传感器需要单独设计加热线圈和敏感电极，这种结构的气敏传感器存在加热不均匀、金属原子迁移及出现膜裂纹的问题，降低了气敏传感器的稳定性，此外，还需要考虑多层金属的加工工艺，增加了气敏传感器的加工难度，不利于气敏传感器的批量化生产。


技术实现要素：

3.基于以上所述，本发明的目的在于提供一种fet加热的插指气敏传感器及其加工方法，解决了现有技术存在的加热不均匀、金属原子迁移及出现膜裂纹的问题，降低了fet加热的插指气敏传感器的加工难度，利于fet加热的插指气敏传感器的批量化生产。
4.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种fet加热的插指气敏传感器，包括：衬底，其上设有隔热腔室，所述隔热腔室内设有硅岛，所述硅岛与所述衬底间隔设置；绝缘层，设置在所述硅岛和所述衬底的同一侧；fet加热组件，包括源极、栅极及漏极，所述源极和所述漏极间隔形成在所述硅岛内，所述栅极位于所述绝缘层内且位于所述源极和所述漏极之间，所述源极和所述漏极导通时能够产生热量；插指敏感电极，形成在所述绝缘层上；气敏层，覆盖在所述插指敏感电极上，所述气敏层的电阻率变化能够通过所述插指敏感电极输出。
6.作为一种fet加热的插指气敏传感器的优选方案，所述插指敏感电极为铂电极、金电极或者氮化钛电极。
7.作为一种fet加热的插指气敏传感器的优选方案，所述隔热腔室的侧壁沿所述衬底的轴线方向延伸，或者所述隔热腔室的侧壁与所述衬底的轴线方向呈夹角设置。
8.作为一种fet加热的插指气敏传感器的优选方案，所述绝缘层包括绝缘层本体和连接层，所述连接层沿所述绝缘层本体的一端向外延伸，所述连接层的延长线经过所述绝缘层本体的中心。
9.作为一种fet加热的插指气敏传感器的优选方案，所述栅极形成在所述硅岛和所述绝缘层之间且为多晶硅电极。
10.一种适用于以上任一技术方案所述的fet加热的插指气敏传感器的加工方法，包括：
11.提供衬底，在所述衬底的局部区域渗入离子，形成硅岛；
12.在所述硅岛上形成绝缘层、源极、漏极及栅极，所述源极和所述漏极间隔排布在所述硅岛内，所述栅极位于所述绝缘层内且位于所述源极和所述漏极之间；
13.在所述衬底上加工出隔热腔室，所述硅岛与所述衬底间隔设置；
14.在所述绝缘层上形成插指敏感电极；
15.在所述插指敏感电极上形成用于检测敏感气体含量的气敏层，形成半成品；
16.将所述半成品进行退火并冷却，形成fet加热的插指气敏传感器。
17.作为一种fet加热的插指气敏传感器的加工方法的优选方案，所述栅极为多晶硅电极，形成所述多晶硅电极时，包括：
18.在所述硅岛和所述衬底上形成第一子绝缘层；
19.在所述第一子绝缘层上形成多晶硅层；
20.在所述多晶硅层上形成第一止挡层；
21.图形化所述第一止挡层，形成刻蚀开口；
22.刻蚀正对所述刻蚀开口的所述多晶硅层；
23.去除图形化后的所述第一止挡层，剩余的所述多晶硅层形成所述多晶硅电极。
24.作为一种fet加热的插指气敏传感器的加工方法的优选方案，在所述绝缘层内形成所述插指敏感电极时，包括：
25.在所述衬底、所述硅岛、所述第一子绝缘层及所述栅极上形成第二子绝缘层，所述第一子绝缘层和所述第二子绝缘层组成绝缘层；
26.在所述绝缘层上形成第二止挡层；
27.图形化所述第二止挡层，形成填充开口；
28.刻蚀正对所述填充开口的所述绝缘层，形成电极槽；
29.向所述电极槽内溅射或者化学气相淀积导电材料；
30.去除图形化后的所述第二止挡层，填充在所述电极槽内的所述导电材料形成所述插指敏感电极。
31.作为一种fet加热的插指气敏传感器的加工方法的优选方案，采用丝网印刷方法将气敏材料滴涂在所述插指敏感电极上，或者采用蒸镀方法使气敏材料成型在所述插指敏感电极上，形成所述气敏层。
32.作为一种fet加热的插指气敏传感器的加工方法的优选方案，所述衬底为p型硅，所述硅岛为在所述p型硅上掺杂有磷离子的n阱硅岛，所述源极和所述漏极通过在所述n阱硅岛上掺杂硼离子形成。
33.本发明的有益效果为：
34.本发明公开的fet加热的插指气敏传感器，集成了fet加热组件和插指敏感电极，结构简单，利于气敏传感器的批量化生产，利用fet加热组件的场效应晶体管的焦耳热对气敏层进行加热，加热更加均匀，能够降低系统功耗，由于不含有金属原子，加热过程中不会金属原子迁移的问题，增加了fet加热的插指气敏传感器的稳定性，降低fet加热的插指气敏传感器出现膜裂纹的概率，促进了fet加热的插指气敏传感器的小型化和集成。
35.本发明公开的fet加热的插指气敏传感器的加工方法，工艺简单，利于气敏传感器的批量化生产，加工而成的fet加热的插指气敏传感器具有加热均匀、功耗低及寿命长的特点，利于fet加热的插指气敏传感器的小型化和集成化设计。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所
需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明具体实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的剖视图；
38.图2是本发明具体实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的fet加热组件的俯视图；
39.图3是本发明具体实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的插指敏感电极的俯视图；
40.图4是本发明具体实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的绝缘层的俯视图；
41.图5是本发明第一个其他实施例的fet加热的插指气敏传感器的剖视图；
42.图6是本发明第二个其他实施例的fet加热的插指气敏传感器的剖视图；
43.图7是本发明具体实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的加工方法的流程图；
44.图8至图24是本发明具体实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的加工方法的过程图。
45.图中：
46.1、衬底；10、隔热腔室；11、硅岛；
47.2、绝缘层；20、电极槽；201、第一子绝缘层；202、第二子绝缘层；21、绝缘层本体；22、连接层；
48.3、fet加热组件；31、源极；32、漏极；33、栅极；330、多晶硅层；
49.4、插指敏感电极；
50.5、气敏层；
51.61、第一止挡层；610、刻蚀开口；62、第二止挡层；620、填充开口；
52.71、第一光刻胶层；710、第一开口区域；72、第二光刻胶层；720、第二开口区域；73、保护层；74、硬掩膜；740、隔热孔；75、第三光刻胶层；750、第三开口区域。
具体实施方式
53.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
55.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的
连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.本实施例提供一种fet加热的插指气敏传感器，如图1和图2所示，包括衬底1、绝缘层2、fet加热组件3、插指敏感电极4及气敏层5，衬底1上设有隔热腔室10，隔热腔室10内设有硅岛11，硅岛11与衬底1间隔设置，绝缘层2设置在硅岛11和衬底1的同一侧，fet加热组件3包括源极31、栅极33及漏极32，源极31和漏极32间隔形成在硅岛11内，栅极33位于绝缘层2内，栅极33位于源极31和漏极32之间，源极31和漏极32导通时能够产生热量，插指敏感电极4形成在绝缘层2上，气敏层5覆盖在插指敏感电极4上，气敏层5的电阻率变化能够通过插指敏感电极4输出。
57.本实施例提供的fet加热的插指气敏传感器，集成了fet加热组件3和插指敏感电极4，结构简单，利于气敏传感器的批量化生产，利用fet加热组件3的场效应晶体管的焦耳热对气敏层5进行加热，加热更加均匀，能够降低系统功耗，由于不含有金属原子，加热过程中不会金属原子迁移的问题，增加了fet加热的插指气敏传感器的稳定性，降低fet加热的插指气敏传感器出现膜裂纹的概率，促进了fet加热的插指气敏传感器的小型化和集成。
58.如图2所示，本实施例的源极31和漏极32的形状均为环状正八边形，源极31和漏极32的个数均为一个，源极31和漏极32间隔分布在硅岛11上。在其他实施例中，源极31和漏极32的形状还可以为圆形或者其他环状多边形，源极31和漏极32的个数可以均为两个或者均多于两个，或者源极31的个数比漏极32多一个，具体根据实际需要设置。
59.如图3所示，本实施例的插指敏感电极4为铂电极、金电极或者氮化钛电极。插指敏感电极4作为气敏层5的感应电极，能够感应气敏层5的电阻率的变化，从而检测出敏感气体的气体浓度。其中，插指敏感电极4的电极宽度和电极间隙本实施例不做限定。在其他实施例中，插指敏感电极4还可以由其他材料制成，具体根据实际需要进行选定。本实施例的插指敏感电极4的每根齿状电极的横截面积远小于源极31的横截面积，这种结构的插指敏感电极4的单位面积更多，能够更有效的敏感气敏层5。在其他实施例中，插指敏感电极4的每根齿状电极的横截面积还可以设计为与源极31的横截面积相近或者相同，具体根据实际需要设置。
60.如图1所示，本实施例的隔热腔室10的侧壁沿衬底1的轴线方向延伸，这种隔热腔室10采用干法深硅刻蚀工艺加工而成。在本发明的其他实施例中，隔热腔室10的侧壁还可以与衬底1的轴线方向呈夹角设置，如图5所示，此时的隔热腔室10采用湿法腐蚀工艺加工而成。
61.如图4所示，本实施例的绝缘层2包括绝缘层本体21和连接层22，连接层22沿绝缘层本体21的一端向外延伸，连接层22的延长线经过绝缘层本体21的中心。本实施例的绝缘层本体21为正方形，连接层22的个数为四个，每个连接层22均位于绝缘层本体21的拐角处，每个连接层22与绝缘层本体21的长边和宽边的角度均为135
°
，这种结构与连接层22沿绝缘层本体21的一条边的方向延伸相比，增加了绝缘层2的有效面积，提升了fet加热的插指气敏传感器的鲁棒性能，延长了fet加热的插指气敏传感器的使用寿命，源极31和漏极32包裹在绝缘层2和硅岛11之间，且硅岛11不与衬底1接触，避免了源极31和漏极32导通时漏电的现象发生。在其他实施例中，绝缘层本体21的形状还可以为与硅岛11形状相同的其他形状，具体根据实际需要进行设置。
62.本实施例的栅极33形成在硅岛11和绝缘层2之间且为多晶硅电极。现有技术采用铂材料制备的加热线圈在使用的过程中，铂原子在高温时会出现迁移，不利于加热，加热线圈还会出现裂纹，影响气敏传感器的正常使用，本实施例采用多晶硅材料制备的栅极33则不会出现上述问题。
63.本实施例的fet加热的插指气敏传感器的fet加热组件3在不同的加热电压下能够将气敏层5加热至不同的温度，经实验知，fet加热组件3能够将气敏层5加热至达到甚至高于350℃，气敏层5的温度与加热电压基本呈线性相关。
64.需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以是隔热腔室10形成在衬底1设有绝缘层2的一侧，隔热腔室10通过湿法腐蚀形成，如图6所示。
65.本实施例还提供一种适用于上述fet加热的插指气敏传感器的加工方法，如图7所示，包括：
66.s1、提供衬底1，在衬底1的局部区域渗入离子，形成硅岛11。
67.具体地，本实施例的衬底1为p型硅，s1包括以下步骤：
68.s11、在衬底1的上表面涂覆光刻胶，形成第一光刻胶层71；
69.s12、图形化第一光刻胶层71，在第一光刻胶层71上形成第一开口区域710；
70.s13、通过第一开口区域710向衬底1上渗入磷离子，掺杂有磷离子的部分衬底1即为n阱硅岛，如图8所示；
71.s14、去除图形化后的第一光刻胶层71，如图9所示。
72.具体地，本实施例的n阱硅岛的形状为正方形。在其他实施例中，n阱硅岛的形状还可以为长方形、圆形或者其他多边形，具体根据实际需要选定。
73.s2、在硅岛11上形成源极31和漏极32，源极31和漏极32间隔排布在硅岛11内。
74.具体地，形成源极31和漏极32时，s2包括以下步骤：
75.s21、在衬底1和硅岛11的上表面涂覆光刻胶，形成第二光刻胶层72；
76.s22、图形化第二光刻胶层72，在第二光刻胶层72上形成第二开口区域720，如图10所示；
77.s23、通过第二开口区域720向硅岛11上渗入硼离子，掺杂有硼离子的部分硅岛11即为源极31和漏极32，如图11所示；
78.s24、去除图形化后的第二光刻胶层72，如图12所示。
79.具体地，加工而成的源极31和漏极32的形状均为环状正八边形，源极31和漏极32的个数均为一个，源极31和漏极32间隔分布在硅岛11上。在其他实施例中，源极31和漏极32的形状还可以为圆形或者其他环状多边形，源极31和漏极32的个数可以均为两个或者均多于两个，或者源极31的个数比漏极32多一个，具体根据实际需要设置。
80.s3、在硅岛11上形成绝缘层2和栅极33，栅极33位于绝缘层2内且位于源极31和漏极32之间。
81.本实施例的栅极33为多晶硅电极，s3包括以下步骤：
82.s31、在硅岛11、衬底1、源极31和漏极32上形成第一子绝缘层201，在第一子绝缘层201上形成多晶硅层330，如图13所示；
83.s32、在多晶硅层330上形成第一止挡层61；
84.s33、图形化第一止挡层61，形成刻蚀开口610，如图14所示；
85.s34、刻蚀正对刻蚀开口610的多晶硅层330，如图15所示；
86.s35、去除图形化后的第一止挡层61，剩余的多晶硅层330形成多晶硅电极，如图16所示；
87.s36、在衬底1、硅岛11、第一子绝缘层201及栅极33上形成第二子绝缘层202，第一子绝缘层201和第二子绝缘层202组成绝缘层2，如图17所示。
88.本实施例的第一止挡层61为光刻胶层，多晶硅电极的形状为环状正八边形，多晶硅电极位于源极31和漏极32之间。在其他实施例中，多晶硅电极的形状还可以为直线状、圆形或者其他环状多边形，具体根据实际需要设置。
89.具体地，通过化学气相淀积工艺形成绝缘层2，本实施例的绝缘层2为氧化硅层。在其他实施例中，绝缘层2还可以为氮化硅或者氧化铝等绝缘材料形成的单层结构，或者为氧化硅、氮化硅或者氧化铝等绝缘材料形成的至少两层结构，具体根据实际需要选定。
90.s4、在绝缘层2上形成插指敏感电极4。
91.在绝缘层2上形成插指敏感电极4时，s4包括以下步骤：
92.s41、在绝缘层2上形成第二止挡层62；
93.s42、图形化第二止挡层62，形成填充开口620；
94.s43、刻蚀正对填充开口620的绝缘层2，形成电极槽20，如图18所示；
95.s44、向电极槽20内溅射或者化学气相淀积导电材料；
96.s45、去除图形化后的第二止挡层62，填充在电极槽20内的导电材料形成插指敏感电极4，如图19所示。
97.本实施例的第二止挡层62为光刻胶层，步骤s45中插指敏感电极4的结构如图3所示，这种结构的插指敏感电极4能够对气敏层5电阻率的变化进行敏感，从而检测出敏感气体的浓度。该插指敏感电极4为铂电极、金电极或者氮化钛电极，或者由其他导电材料制成，本实施例不做具体限定。
98.s5、在插指敏感电极4上形成用于检测敏感气体含量的气敏层5，如图20所示。
99.采用丝网印刷方法将气敏材料滴涂在插指敏感电极4上，或者采用蒸镀方法使气敏材料成型在插指敏感电极4上，形成气敏层5，气敏层5呈水滴状。
100.具体地，本实施例的气敏层5的气敏材料为二氧化锡、三氧化钨或氧化锌，气敏层5含有的贵金属可为具有催化作用的铂、金、钯、铑或铱等，贵金属能够降低二氧化锡、三氧化钨或氧化锌的半导体势垒，促进fet加热的插指气敏传感器的选择性。
101.当然，在本发明的其他实施例中，还可以采用蒸镀方法或者喷墨打印的方法使气敏材料成型在插指敏感电极4上，形成气敏层5，此时s5包括以下步骤：
102.s51、在绝缘层2和插指敏感电极4上涂覆第四光刻胶层；
103.s52、图形化第四光刻胶层，形成第四开口区域；
104.s53、向第四开口区域内采用蒸镀方法使气敏材料成型在插指敏感电极4上，形成气敏层5；
105.s54、去掉已经图形化的第四光刻胶层。
106.在s5之后、s6之前，还需要在气敏层5和绝缘层2上形成用于保护气敏层5的保护层73，如图21所示，避免加工隔热腔室10时损坏气敏层5。
107.s6、在衬底1背离绝缘层2的一端加工出隔热腔室10，形成半成品。
108.具体地，加工隔热腔室10时，s6包括以下步骤：
109.s61、在衬底1上化学淀积绝缘材料，形成硬掩膜74；
110.s62、在硬掩膜74上涂覆第三光刻胶层75；
111.s63、图形化第三光刻胶层75，形成第三开口区域750；
112.s64、刻蚀正对第三开口区域750的硬掩膜74，形成隔热孔740，如图22所示；
113.s65、深硅刻蚀正对隔热孔740的衬底1，形成隔热腔室10，如图23所示；
114.s66、去掉图形化的第三光刻胶层75和硬掩膜74，并去除保护层73，如图24所示。
115.步骤s65中的干法刻蚀工艺兼有各向异性和选择性好的优点，与湿法刻蚀相比，成本低但刻蚀速率慢。当然，在本发明的其他实施例中，还可以采用湿法自停止腐蚀工艺形成隔热腔室10，例如，采用氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵溶液等腐蚀液对衬底1进行湿法腐蚀，由于硅岛11中磷离子的浓度高于衬底1中自带的硼离子的浓度，而腐蚀液对低离子浓度的衬底1腐蚀速率远高于硅岛11的腐蚀速率，从而表现为自停止的效果，刻蚀速率快、设备简单，具有较高的机械灵敏度，实际加工时根据实际需要选择加工工艺。
116.s7、将半成品进行退火并冷却，形成fet加热的插指气敏传感器。
117.此步骤中的半成品指的是单个fet加热的插指气敏传感器的半成品，退火后的fet加热的插指气敏传感器的气敏层5呈孔状，与不采用退火并冷却的工艺相比，具有较高的线性度和灵敏度。退火温度和退火时长属于本领域常用的技术手段，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本实施例不做具体限定。
118.本实施例提供的fet加热的插指气敏传感器的加工方法，工艺简单，利于气敏传感器的批量化生产，加工而成的fet加热的插指气敏传感器具有加热均匀、功耗低及寿命长的特点，利于fet加热的插指气敏传感器的小型化和集成化设计。
119.为了将绝缘层2加工成如图4所示的形状，需要对绝缘层2进行刻蚀，具体地，在绝缘层2形成之后、气敏层5形成之前，在绝缘层2上形成第五光刻胶层，图形化第五光刻胶层，形成第五开口区域，刻蚀正对第五开口区域的绝缘层2，使得绝缘层2形成如图4所示的形状，最后去除第五光刻胶层。在其他实施例中，绝缘层2的加工步骤还可以是隔热腔室10形成之后，保护层73去除之前，在衬底1、绝缘层2及硅岛11上形成第六光刻胶层，图形化第六光刻胶层，形成第六开口区域，刻蚀正对第六开口区域的绝缘层2，使得绝缘层2形成如图4所示的形状，最后去除第六光刻胶层。
120.加工如图6所示的fet加热的插指气敏传感器时，隔热腔室10在绝缘层2形成之后通过湿法腐蚀形成，为了减小对气敏层5的影响，这一步骤在气敏层5形成之前进行实施，本实施例不做具体限定。
121.需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以是先加工栅极33，然后再加工出源极31和漏极32，具体根据实际需要选定。
122.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。