一种低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法

专利名称：：一种低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法，属于信息领域的传感器技术中的热敏元件。(二)
背景技术：
低阻/高B值(即高温度系数)和高互换精度一直是困搅NTCR元件制造的两大难题。在金属氧化物中B值在400K以上材料电阻率大于l.OKQcm。为此低阻值/高B值的NTCR不得不采用多层结构。多层结构的内电极问题，端电极问题致使元件一致性差，机械强度低，而且工艺复杂，制造成本高。近年来，为获得低阻/高B值元件，人们做了种种努力，有人曾在氧化物配方中加入Li、Ca等低价杂质，虽然能降低电阻率，然B值亦随之下降；有人也用金属如Au、Pt粉体掺入氧化物中亦能降低低阻值，同时也大幅度降低B值。金属离子在硅形成深能级，产生俘获中心，形成高B值热敏材料。中科院新疆物理所在硅中掺Au做成的单晶硅热敏电阻B值高达6000K。但是这种材料与氧化物半导体一样，B值越大电阻率越高，如果采用单片结构元件的阻值仍不可能做到很低。(三)
发明内容本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种工艺简单、制造成本低的低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法。本发明是通过如下技术方案实现的一种低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特殊之处在于采用如下方法制成以N型或P型硅单晶为基片，利用磷或硼扩散在硅片两面形成N+或P+低阻层；采用重金属离子的扩散在硅片中形成N+BN+或P+BP+结构的高B值层，用半导工艺做成具有低阻/高温度系数的NTCR元件。本发明的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，所述硅单晶为直接单晶，晶面为(111)面，电阻率为5-10Qcm，电阻率的径向分布《±5%。当Si片为N型时，用P205作扩散源，Si片为P型时，用B(N03)2为扩散源。金属离子扩散为用Au、Ni、Fe、Pt、Mn、Cr、Co的金属盐作扩散源。所述金属盐扩散源，对于N型硅片采用AuC12、PtC12、Ni(N03)2的一种或几种配成5-8%浓度的溶液作为涂敷扩散的扩散源；对P型硅单晶用AuC12、PtC12、FeC13和Mn(N03)2的任意一种或几种作扩散剂配成浓度为5-8%的扩散源。本发明的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻的制造方法，其特殊之处在于以N型或P型硅单晶为基片，利用磷或硼扩散在硅片两面形成N+或P+低阻层；采用重金属离子的扩散在硅片的中心部份形成高B值层，用半导工艺做成具有低阻/高温度系数的NTCR元件；扩散为涂层扩散，扩散源涂敷在硅片的表面，在N2保护下进行高温扩散；P和B的扩散温度为1200-1250°C，时间为20-25小时；金属离子扩散的扩散温度为1000-110(TC，时间为4-6小时。本发明的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻的制造方法，半导体工艺包括扩散片经表面处理、表面电极制作、划片、引线焊接和包封工艺几个步骤，其中表面电极制作采用化学镀镍工艺，镀液的重量配比为氧化镍16.5g次亚磷酸钠7.5g柠檬酸钠2.5g硫酸亚锡0.0005g水醋酸2.5g水471g;镀液PH值8-9、温度保持在90-95°C，镀层的厚度为2-3um。本发明的原理和具体内容如下1、N+NN+或P+PP+硅片的制备是在N-型或P-型硅片的两面采用涂层扩散形成N+NN+或P+PP+结构。扩散的深度和浓度由扩散温度和扩散时决定。以N型硅为例，采用P205饱和溶液作扩散源硅片厚度为250Um，扩散20小时，杂质分布如图1，电阻率分布如图2，即在硅片的两面的电阻率远远低于原始材料的电阻率，中心部分仍为原始电阻率。控制扩散时间可以调整中部的宽度，将中心部份的宽度做到5-10um。这对形成极薄的高B值热敏层提供了方便。2、N+BN+结构的制备Au在Si中既不是余误差分布，也不是高斯分布，只有Au浓度接近Si的浅杂质浓度时材料的电阻才迅速升高，热敏特性才呈现(如图3)。重金属离子是快扩散杂质，一般经2-4小时扩散后在材料有均匀分布，对于高浅杂质浓度层(N+)，重金属离子对其电阻率影响很小，基本保持N+的低电阻率。对N层(中间层)由于金属离子补偿，电阻率升高，形成很高的B值(如图4)。本发明正是利用了这一性质设计和和制造了的低阻/高B值的热敏元件。用5Qcm的N型硅单，做Ni扩散，可实现标称电阻为100Q，B值为4000K的NTCR，其电阻分散性《士L2%，如果用Au作扩散源可以得制成B=5000K的NTCR元件。3、低阻/高温度系数元件(以玻封NTCR为例)制造工艺流程如图5:①扩散片处理用M20金刚砂打毛(5-8um)，用HF+H(N03)漂洗2min(HF:H(N03)=1:3)。②镀镍镀Ni液配方<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>镀Ni时间为15-20min，镀层厚度2-3um,镀Ni的温度90-95°C。③蒸银1.5-2.Oum真空度O.1-0.3Pa衬底温度56CTC④划片对于玻封元件，划片尺寸为0.5X0.5mm，对于环氧封装的元件，划片尺寸为1.2X1.2。⑤玻封在玻封机中进行，封结温度以玻璃管的软化温度为准，通常为605-620。C，时间为15min。⑥老化125t:/1000小时⑦测试在温度油槽中进行。恒温精度0.0rC，测量R25、B25/50、H、t。本发明采用硅片两面扩高浓度的浅能级杂质，硅片的中心部份用金属离形成高B值的热敏层，实现了低阻/高B值的NTCR元件，对于0.5X0.5X0.3(ran)芯片的元件其标称是IU为10-100Q，B值可达到3600-4200K(相当温度系数a=4.0-4.5V°C)。元件的阻值误差47^±1.15%，B值误差"/B^:^。本发明工艺简单，生产周期短，制造成本低，产品的一致性高并适合大批量生产。(四)下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1为本发明N型硅采用P205饱和溶液作扩散源的杂质分布图；图2为本发明N型硅采用P205饱和溶液作扩散源的电阻率分布图；图3为本发明WBN'结构中材料电阻率与金浓度的关系；图4为本发明N+BN+结构中扩金后的电阻率分布；图5为本发明的制造工艺流程图。具体实施方式实施例1:以玻封元件和环氧树脂包封元件为例采用阻率为5Qcm的N型直拉单晶，直径为040，晶面为(lll)面，电阻率的径向分布为±3%，表面平整度为士3um。1.磷(P)扩散扩散源为P205饱和溶液，将Si片浸入溶液中，然后取出，用红外灯烘干。将浸源的硅片送入石英管中，通入N2(5ml/min)，在1200'C下扩散20小时。2.Ni扩散将P扩散后的硅片，用M20金刚砂双面打毛，清洗烘干。扩散源为Ni(N03)2:水=90:10(重量)。将Si片浸入溶液中3分钟取出红外灯烘干，然后放入干净的石英管中，通入N2(5ml/min)，在1IO(TC扩散240min。3.电极制作Ni扩散后，Si片用M20金刚砂双面打毛，清洗干净，浸泡在PaC12溶液中(浓度为5。/。)10min，取出后放入镀Ni液中(镀Ni液配方如前所述)，镀Ni温度保持在90-95。C，PH值保持为8-9，镀Ni时间为15-20min。镀Ni后的硅用清水洗干、烘干，进行蒸银，蒸银的真空度为0.1Pa，衬底温为560'C，Ag层厚度为1.5-2.Oum。4.划片尺寸及包封将做好电极的硅片粘在兰膜上，在精密划片机上划成0.5X0.5(mm)的芯片，并装入模具中，在玻封机上封结。5.封结完成的元件置于125。C烘箱内，存放IOO小时进行老练处理。6、测试结果(以100支元件统计)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>±1%的元件的合格率为80.4%，结果表明用此法可以制成低阻值/高B值元件，而且有较好的一致性。实施例2:选用电阻率为5Qcm的N型直拉硅单晶，(111)晶面，直径040，片厚0.25mm，P扩散按实施例1的方法进行。深能级杂质采用AuCl2溶于乙醇中，配成5%浓度的扩散。按实施例1的Ni扩散同样的方法做Au扩散。扩散温1100。C，时间240min。元件制作按实施例1的方法进行。其结果(以IOO支元件统计)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>结果表明扩Au可获得更高的B值，阻值亦有相应增加。实施例3:采用5Qcm电阻率的P型直拉单晶，直径为040硅片厚度为0.3mm。低电阻层扩散源为B(N03)2的饱和溶液，扩散方法与实施例1相同。深能级杂质Au，扩散源Aucl2:乙醇=90:10(重量比)溶液扩散方法与实施例1相同。元件制作亦与实施例1的方法相同。测试结果(以IOO支元件统计)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根据上面实施例表明，此发明技术能很好的地实现低阻/高B值NTCR，且有很高的互换性，且制作工艺简单，制造成本低，适合批量生产。权利要求1、一种低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特征在于采用如下方法制成以N型或P型硅单晶为基片，利用磷或硼扩散在硅片两面形成N+或P+低阻层；采用重金属离子的扩散在硅片中形成N+BN+或P+BP+结构的高B值层，用半导工艺做成具有低阻/高温度系数的NTCR元件。2、根据权利要求1所述的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特征在于所述硅单晶为直拉单晶，晶面为(111)面，电阻率为5-10Qcm，电阻率的径向分布《±5%。3、根据权利要求1所述的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特征在于当Si片为N型时，用P205作扩散源，Si片为P型时，用B(N03)2为扩散源。4、根据权利要求1所述的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特征在于金属离子扩散为用Au、Ni、Fe、Pt、Mn、Cr、Co的金属盐作扩散源。5、根据权利要求4所述的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特征在于所述金属盐扩散源，对于N型硅片采用AuC12、PtC12、Ni(N03)2的一种或几种配成5-8%浓度的溶液作为涂敷扩散的扩散源；对P型硅单晶用AuC12、PtC12、FeC13和Mn(N03)2的任意一种或几种作扩散剂配成浓度为5_8%的扩散源。6、根据权利要求1所述的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻的制备方法，其特征在于以N型或P型硅单晶为基片，利用磷或硼扩散在硅片两面形成N+或P+低阻层；采用重金属离子的扩散在硅片的中心部份形成N+BN+或P+BP+结构的高B值层，用半导工艺做成具有低阻/高温度系数的NTCR元件；扩散为涂层扩散，扩散源涂敷在硅片的表面，在N2保护下进行高温扩散；P和B的扩散温度为1200-1250°C，时间为20-25小时；金属离子扩散的扩散温度为1000-110(TC，时间为4-6小时。7、根据权利要求6所述的低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻的制备方法，其特征在于半导工艺包括扩散片经表面处理、表面电极制作、划片、引线焊接和包封工艺几个步骤，其中表面电极制作采用化学镀镍工艺，镀液的重量配比为氧化镍16.5g次亚磷酸钠7.5g柠檬酸钠2.5g硫酸亚锡0.0005g水醋酸2.5g水471g;镀液PH值8-9、温度保持在90-95°C，镀层的厚度为2-3um。全文摘要本发明公开了一种低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法，属于信息领域的传感器技术中的热敏元件。该低阻/高温度系数的硅单晶热敏电阻，其特殊之处在于采用如下方法制成以N型或P型硅单晶为基片，利用磷或硼扩散在硅片两面形成N⁺或P⁺低阻层；采用重金属离子的扩散在硅片的中心部份形成N⁺BN⁺或P⁺BP⁺结构的高B值层，用半导工艺做成具有低阻/高温度系数的NTCR元件。本发明采用硅片两面扩高浓度的浅能级杂质，硅片的中心部份用金属离形成高B值的热敏层，实现了低阻/高B值的NTCR元件。本发明工艺简单，生产周期短，制造成本低，产品的一致性高并适合大批量生产。文档编号H01C7/04GK101123133SQ20071011377公开日2008年2月13日申请日期2007年9月12日优先权日2007年9月12日发明者倩刘,陶明德申请人:山东中厦电子科技有限公司