利用多感应像素检测多种气体的传感器的制造方法与流程

本发明涉及半导体制造，具体地，涉及一种利用多感应像素检测多种气体的传感器的制造方法。

背景技术：

用金属氧化物检测气体的传感器已经被研究多时，相关的专利也有申请和授予。但是，相关的技术只能在同一个时段内检测某一类气体。如果要检测某种特定气体，或多种气体，必须使用多个不同的气体传感器，或者在不同的时段对同一传感器施加不同的加热信号来检测不同的气体。这些方法由于不同气体的响应信号重叠，使得测量精度和气体分辨率差，检测时间长，成本高，功耗和体积大，可以检测的气体数量有限。

环境的质量与人们的生活和工作舒适度，健康息息相关。近几年来，随着人们对环境的要求越来越高，人们希望能有简单可靠，价格便宜的方法和产品检测环境空气的质量，比如一氧化碳，可燃性气体，乙醇，NO₂等的不适或有毒气体在空气中的含量。但是，相关的技术只能在同一个时段内检测某一类气体。如果要检测多种气体，必须使用不同的传感器，或者在同一传感器在不同时段来检测不同的气体。前一种方法显然成本高，功耗体积大。后一种方法测试时间长，选择性或气体分辨率差，可以检测的气体数量有限。

比如申请号200710054450.9的专利申请，是关于一个用厚膜工艺把金属氧化物做在陶瓷片上的传感器的制造方法，其缺点是体积大，功耗高，成本高，重复性差等，而且只能检测某一类气体，比如有机挥发气体，不能分辨到更具体的气体成分，气体分辨率较差。。

又比如申请号CN201410397034.9的专利申请，是关于一个用MEMS的工艺制造金属氧化物传感器的制造方法。其中一个缺点是其只能检测某一类气体，比如有机挥发气体，不能分辨到更具体的气体成分，气体分辨率较差。另外MEMS工艺为非传统半导体工艺，成本高，工艺的稳定性，可靠性较差。

又比如申请号CN20060000915.6的专利申请，是用厚膜工艺把几个金属氧化物制作在陶瓷片上的传感器的制造方法，虽然此方法也使用多个感应单元，但因为是用厚膜工艺在陶瓷片上制作，体积大，功耗高，成本高，重复性差，精度较差。

本发明的方法使用传统的半导体工艺技术把纳米量级的薄膜加热电阻,薄膜金属散热片以及多种不同的薄膜金属氧化物气敏电阻做在同一硅片上，同时制作出多个对不同气体敏感程度不同的感应单元，或感应像素。利用不同气体在各个感应像素的不同特性，或“指纹”，可以同时精确检测气体的种类和浓度，提高产品的测量灵敏度和气体分辨率，增加可靠性和一致性。本发明的方法使用脉冲快速加热，使用散热片快速降温，避免使用MEMS工艺，可以减少产品的成本，体积和功耗。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用多感应像素检测多种气体的传感器的制造方法。

根据本发明提供的利用多感应像素检测多种气体的传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤S1：在硅片制造出多个加热电阻层；

步骤S2：在所述加热电阻层上形成多个不同性质的气敏电阻；

步骤S3：进行真空烘烤；

步骤S4：为加热电阻层和气敏电阻加工出气敏电极接触孔和电阻层接触孔，在气敏电极接触孔和电阻层接触孔上焊接电极引线。

优选地，所述步骤S1包括如下步骤：

步骤S101：在硅片上淀积第一层氧化硅SiO₂薄膜；

步骤S102：在第一层氧化硅SiO₂薄膜上淀积第一层金属薄膜；

步骤S103：在第一层金属薄膜刻出多个加热电阻层。

优选地，所述步骤S2包括如下步骤

步骤S201：在第一层金属薄膜上淀积一层氮化硅薄膜；

步骤S202：刻蚀氮化硅薄膜，开出第一接触孔，第一接触孔暴露出第一层金属薄膜；

步骤S203：在氮化硅薄膜上淀积第二层金属薄膜，第二层金属薄膜通过第一接触孔与第一层金属薄膜连接；

步骤S204：在第二层金属薄膜上淀积第三层金属薄膜；

步骤S205：在第三金属薄膜刻蚀出第一凹槽，第一凹槽的槽底为第二层金属薄膜；

步骤S206：在第一凹槽中把第二层金属薄膜刻蚀出第二凹槽，第二凹槽的槽底为氮化硅薄膜上；

步骤S207：在第二层金属薄膜和第三层金属薄膜上淀积第二层氧化硅SiO₂薄膜；

步骤S208：在第二层氧化硅SiO₂薄膜上涂布光刻胶，在第二凹槽中光刻出第二接触孔，并刻蚀掉第二接触孔下的第二层氧化硅SiO₂薄膜；

步骤S209：在光刻胶上和第二接触孔上淀积金属氧化物薄膜；

步骤S210：去除光刻胶以剥离光刻胶上面的金属氧化物薄膜，所述第二接触孔上的气敏金属氧化物薄膜形成一气敏电阻，所述气敏电阻的两端分别通过第二层金属薄膜连接到第三层金属薄膜。

优选地，重复步骤S208至步骤S210形成多个不同的气敏电阻。

优选地，在所述步骤S3中烘烤温度在300℃至500℃之间，烘烤时间为10分钟至4小时之间。

优选地，所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S401：刻蚀第二层氧化硅SiO₂薄膜在气敏电阻两侧分别形成气敏电极接触孔和电阻层接触孔，气敏电极接触孔和电阻层接触孔暴露出第三层金属薄膜；

步骤S402：在气敏电极接触孔和电阻层接触孔上焊接电极引线。

优选地，第一层氧化硅SiO₂薄膜的厚度为200纳米至2微米；

第一层金属薄膜的厚度为200纳米至1微米；

氮化硅薄膜的厚度为10纳米至200纳米；

第二层金属薄膜的厚度为100纳米至1微米；

第三层金属薄膜的厚度为200纳米至3微米；

第二层氧化硅SiO₂薄膜的厚度为50纳米至500纳米；

光刻胶的厚度为500纳米至2微米；

金属氧化物薄膜的厚度在100纳米至800纳米。

优选地，所述加热电阻层包括加热区域和散热区域；所述散热区域通过第二金属薄膜连接第三层金属薄膜

优选地，所述加热区域呈长条形；所述散热区域呈叉指形。

优选地，所述第一层金属薄膜和第二层金属薄膜采用为金属钨或钨钛合金制成；第三层金属薄膜采用金属铝或铝铜合金制成；

所述金属氧化物薄膜采用SnO₂、ZnO、TiO₂制成，或采用经过Fe、Zn、Pt或Pd掺杂的气敏物质制成。

优选地，还包括步骤S5，所述步骤S5具体为：

利用不同气体在不同的气敏电阻的唯一特性或“指纹”，检测气体的种类和浓度。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用传统的低成本的半导体工艺技术在标准的硅片上制造出气敏电阻，气敏电阻的结构包括金属加热薄膜，金属散热片，多种纳米金属氧化物薄膜等；通过对加热薄膜电阻施加脉冲快速加热附近的金属氧化物气敏电阻，激励该氧化物的电阻发生变化，然后又通过散热薄膜快速冷却该电阻，形成电阻值脉冲响应信号，该电阻值脉冲响应信号的形状，幅度，响应特性受其环境气体的影响。通过分析该电阻值脉冲，对比清洁空气的脉冲信号，从而精确检测环境气体的成分和浓度；

2、制造成本较低：本发明的方法使用通常在集成电路制造中使用的标准工艺，避免使用非传统的MEMS工艺，因此可以降低制造成本，增强可生产性；

3、本发明能够提高产品性能的一致性和可靠性；

4、本发明的制作出多个气体感应“像素”单元，通过用软件的方法分析每个像素的电阻值脉冲响应信号的变化，可以提高产品的测量灵敏度和气体的分辨度；

5、本发明因为使用多个不同的气敏电阻来检测，可以提高气体的分辨率和测量精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1至图13为本发明的制造过程示意图；

图14为本发明制造完成后的表面图形示意图；

图15为本发明图2的表面图形示意图；

图16为本发明图5的表面图形示意图；

图17为本发明的等效电路示意图；

图18、图19为本发明的检测理论示意图。

图中：

1 为硅片；

2 为第一层氧化硅SiO₂薄膜；

3 为第一层金属薄膜；

4 为氮化硅薄膜；

5 为第二层金属薄膜；

6 为第三层金属薄膜；

7 为第一接触孔；

8 为第一凹槽；

9 为第二凹槽；

10 为第二层氧化硅SiO₂薄膜；

111、112、113 均为光刻胶

121 为第二接触孔；

122 为第三接触孔；

123 为第四接触孔；

131、132、133 均为不同的金属氧化物薄膜；

14 为电阻层接触孔；

151、152、153、154 为单一感应单元的电极引线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的利用多感应像素检测多种气体的传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤S1：在硅片1制造出加热电阻层；所述硅片1采用标准半导体工业用硅片，可以是4英寸、6英寸、8英寸或12英寸硅片，可以是P形硅片，也可以是N形硅片；

步骤S2：在所述加热电阻层上形成气敏电阻；

步骤S3：进行真空烘烤；

步骤S4：为加热电阻层和气敏电阻加工出气敏电极接触孔和电阻层接触孔14，在气敏电极接触孔和电阻层接触孔14上焊接电极引线。

所述步骤S1包括如下步骤：

步骤S101：在硅片1上淀积第一层氧化硅SiO₂薄膜2；具体为采用标准的半导体工艺PECVD的方法淀积第一层氧化硅SiO₂薄膜；

步骤S102：在第一层氧化硅SiO₂薄膜2上采用标准半导体工艺PVD淀积第一层金属薄膜3；

步骤S103：在第一层金属薄膜3刻出多个加热电阻层。如图2所示，加热电阻层的图形在电阻区域或加热区域可以是长条形，在非电阻区域或非加热区域，或散热区域制作成叉指形，如图14所示，长条形的金属电阻值在20欧姆至200欧姆之间；第一层金属薄膜在非加热区域面积较大，并与顶层第二层金属薄膜、第三层层金属薄膜连接，起到散热功能。当加热激励脉冲施加时，电阻区域电阻较大迅速升温。当加热激励脉冲消失后，热量通过外围非电阻区域的金属迅速散发，使温度尽快恢复常温。

所述步骤S2包括如下步骤

步骤S201：采用标准PECVD工艺在第一层金属薄膜3上淀积一层氮化硅薄膜4；氮化硅薄膜4的厚度要足够薄，增强加热效果，但也要足够厚，使得第一层金属薄膜，第二层金属薄膜之间有足够的电隔离。

步骤S202：用标准半导体干法刻蚀刻蚀氮化硅薄膜4，开出第一接触孔7，第一接触孔7暴露出第一层金属薄膜3；

步骤S203：在氮化硅薄膜4上淀积第二层金属薄膜5，第二层金属薄膜5通过第一接触孔7与第一层金属薄膜3连接；

步骤S204：在第二层金属薄膜5上淀积第三层金属薄膜6；该第三层金属薄膜6完全覆盖下面的第二层金属薄膜5，并在电学意义上连接第二层金属薄膜5。当施加加热激励信号时，第二层金属薄膜5、第三层金属薄膜6起到低阻连线的作用，使得加热电阻得到大部分能量，并得以快速升温。

步骤S205：采用标准半导体干法刻蚀在第三金属薄膜6刻蚀出第一凹槽8，第一凹槽8的槽底为第二层金属薄膜5；故此刻蚀需要对第二金属层薄膜5有较好的选择性。

步骤S206：采用标准半导体干法刻蚀在第一凹槽8中把第二层金属薄膜5刻蚀出第二凹槽9，第二凹槽9的槽底为氮化硅薄膜4上；去除光刻胶后，部分第二层金属薄膜5和全部第三层金属薄膜6裸露出来，如图4所示；第二层金属薄膜5的图形可以是叉指形，如图16所示，左右边图形不连接，其将分别作为后续金属氧化物电阻的两端电极。

步骤S207：在第二层金属薄膜5和第三层金属薄膜6上淀积第二层氧化硅SiO₂薄膜10；第二层氧化硅SiO₂薄膜10完全覆盖第三层金属薄膜6，作为钝化保护层防止金属在以后的应用中被环境侵蚀，提高器件的可靠性。

步骤S208：在第二层氧化硅SiO₂薄膜10上涂布光刻胶111，在第二凹槽9中光刻出第二接触孔121，并利用标准半导体干法或湿法工艺刻蚀掉第二接触孔121下的第二层氧化硅SiO₂薄膜10；为后续的金属氧化物淀积131和剥离工艺做准备。光刻胶厚度在500纳米至2微米之间。刻蚀停止在氮化硅SiN层上。

步骤S209：在光刻胶111上和第二接触孔121上淀积第一种金属氧化物薄膜131；

步骤S210：使用溶剂去除光刻胶111以剥离光刻胶111上面的第一种金属氧化物薄膜131，所述第二接触孔121上的气敏金属氧化物薄膜131形成第一个气敏电阻，所述第一个气敏电阻的两端分别通过第二层金属薄膜5连接到第三层金属薄膜6。此为第一个气敏电阻“像素”，如图8所示。

重复步骤S208至步骤S210形成多个不同的气敏电阻。具体为：

步骤A1：涂布光刻胶112，做第六次光刻，做出第三接触孔122。

步骤A2：利用标准半导体干法或湿法工艺，刻蚀第三接触孔122下的第二层氧化硅SiO₂薄膜10，为后续的金属氧化物薄膜132淀积和剥离工艺做准备。光刻胶厚度在500纳米至2微米之间。刻蚀停止在氮化硅SiN层上。

步骤A3：在光刻胶112上面用PVD的方法淀积第二种金属氧化物薄膜132，厚度在100纳米至800纳米之间，材料可以是SnO₂，ZnO，TiO₂等气敏物质，或经过Fe,Zn,Pt,Pd等元素参杂的此类气敏物质。如图9所示。

步骤A4：使用溶剂把光刻胶112去除，同时剥离光刻胶上面的第二种金属氧化物薄膜，留下来的气敏金属氧化物薄膜覆盖第三接触孔122，形成第二个气敏电阻，电阻的两端连接第二金属层薄膜5两极，然后再连接到第三层金属薄膜6。此为第二个气敏电阻“像素”，如图10所示。

步骤B1：涂布光刻胶113，做第七次光刻，做出第四接触孔123。

步骤B2：利用标准半导体干法或湿法工艺，刻蚀第四接触123下的第二层氧化硅SiO₂薄膜10，为后续的金属氧化物薄膜133淀积和剥离工艺做准备。光刻胶厚度在500纳米至2微米之间。刻蚀停止在氮化硅SiN层上。

步骤B3：在光刻胶113上面用PVD的方法淀积第三种金属氧化物薄膜133，厚度在100纳米至800纳米之间，材料可以是SnO₂，ZnO，TiO₂等气敏物质，或经过Fe,Zn,Pt,Pd 等元素参杂的此类气敏物质，如图11所示。

步骤B4：使用溶剂把光刻胶113去除，同时剥离光刻胶上面的第三种金属氧化物薄膜，留下来的气敏金属氧化物薄膜覆盖第四接触孔123，形成一个气敏电阻，电阻的两端连接第二金属层薄膜5两极，然后再连接到第三层金属薄膜6。此为第三个气敏电阻“像素”。

在所述步骤S3中烘烤温度在300℃至500℃之间，烘烤时间为10分钟至4小时之间，使金属氧化物薄膜结晶形成所需稳定特性的气敏电阻。烘烤期间，第三金属层薄膜6受第二层氧化硅SiO₂薄膜10的保护。

所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S401：刻蚀第二层氧化硅SiO₂薄膜10在气敏电阻两侧分别形成气敏电极接触孔和电阻层接触孔14，气敏电极接触孔和电阻层接触孔14暴露出第三层金属薄膜6；

步骤S402：在气敏电极接触孔和电阻层接触孔14上焊接电极引线。

第一层氧化硅SiO₂薄膜2的厚度为200纳米至2微米；

第一层金属薄膜3的厚度为200纳米至1微米；

氮化硅薄膜4的厚度为10纳米至200纳米；

第二层金属薄膜5的厚度为100纳米至1微米；

第三层金属薄膜6的厚度为200纳米至3微米；

第二层氧化硅SiO₂薄膜10的厚度为50纳米至500纳米；

光刻胶111的厚度为500纳米至2微米；

金属氧化物薄膜131的厚度在100纳米至800纳米。

所述加热电阻层包括加热区域和散热区域；所述散热区域通过第二金属薄膜5连接第三层金属薄膜6

所述加热区域呈长条形；所述散热区域呈叉指形。

所述第一层金属薄膜3和第二层金属薄膜5采用为金属钨或钨钛合金制成；第三层金属薄膜6采用金属铝或铝铜合金制成；

所述金属氧化物薄膜131采用SnO₂、ZnO、TiO₂制成，或采用经过Fe、Zn、Pt或Pd掺杂的气敏物质制成。

用半导体封装用的标准金属铜或金焊线把每个气敏电阻的两端电极以及加热电阻层的两端电极连接到封装上，共三个四端气敏感应单元或“像素”完成。如图13所述。如果需要制作三个以上的气敏感应单元或“像素”，可以重复上面的工艺。

从表面看单个气敏感应单元或“像素”的图形如图14所述，

单个气敏电阻结构的等效电路图如图17所示。其中Rh为等效的加热电阻，Rg为等效气敏电阻。此结构当连接上适当的外接电阻R和适当的电源电压Vdd以后，输出电压Vg反映气敏电阻的阻值。Vh是施加给加热电阻的脉冲电压信号。

本发明中气敏电阻的工作原理如图17,18,19所示。Vh作为一个激励信号，当施加一个短脉冲时,如图19，加热电阻迅速发热。因气敏电阻在其上面，中间只相隔非常薄的氮化硅薄膜4，故气敏电阻也跟随升温,如图18。随着温度升高，吸附在金属氧化物薄膜表面的负氧离子迅速增加，并在金属氧化物薄膜表面形成耗尽层，使其电阻率随温度上升而上升。当加热金属电阻的激励电压脉冲消失后，温度下降，吸附的负氧离子减少，金属氧化物薄膜的电阻率恢复原值。因此，Vh可以认为是激励源，Vg(Rg)作为响应脉冲。当激励信号的幅度和时间固定时，如果空气是纯洁无其他有害气体，这个响应脉冲的幅度和形状是固定的。如图18中的A图形。但是，当空气中含有一定量的还原性气体时，如CO，H₂和其他的挥发性有机物气体如乙醇等，负氧离子在气敏金属氧化物表面的吸附能力减低，耗尽层减少，使得气敏电阻随温度上升的幅度减少，响应信号Vg(Rg)的峰值变小，信号的形状发生变化。如图18中的B图形。相反，当空气中含有一定量的氧化性气体时，如NO₂，负氧离子在气敏金属氧化物表面的吸附能力增强，耗尽层增加，使得气敏电阻随温度上升的幅度也增加，响应信号Vg(Rg)的峰值变大，信号形状发生变化。如图18中的C图形。因此通过检测响应信号的变化幅度,可以检测空气中是否有还原性气体,还是氧化性气体,以及它们的浓度。

但是，如果空气中同时存在着还原性气体和氧化性气体，其对气敏电阻的影响可能相互抵消，产生测试误差。或者如果空气中同时存在多种还原性气体或多种氧化性气体，它们的信号互相重叠，难以判断气体的种类。

本发明在同一个硅片上同时做出多个气敏电阻传感“像素”，不同气体在各个像素的特性形成的自己唯一的规律，或“指纹”。通过用软件的方法分析每个像素单元的电阻值脉冲信号，比较原来的经过校准的已知气体的响应数据，可以同时精确检测多个气体的成分和浓度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。