專利名稱：氨敏半導(dǎo)體器件及其制造方法
氨敏半導(dǎo)體器件主要用于氨氣報(bào)警、探漏、監(jiān)測(cè)及定量測(cè)量等場(chǎng)合。
通常檢測(cè)氨氣的常規(guī)方法是采用化學(xué)分析法或分光光度法，但這些測(cè)量方法效率低，不能實(shí)行連續(xù)測(cè)量。目前已研究出一種氨氣敏感半導(dǎo)體器件，采用Po一Ir(鈀與銥的合金膜)作為MOS晶體管的柵極，利用IR的催化作用使氨氣分解產(chǎn)生H氫原子可穿過合金膜達(dá)到合金膜與MOS管的絕緣柵SiO2的界面，影響MOS晶體管的閾值電壓VT。測(cè)量VT的變化量就可以知道氨氣的濃度。為了使晶體管更好地工作也可采用一只擴(kuò)散電阻作為加熱器，同時(shí)利用一只二極管測(cè)溫，但目前通常采用的是一般的制造工藝，使高穩(wěn)定性、高可靠性的氨敏半導(dǎo)體器件的成批生產(chǎn)受到一定的局限。
本發(fā)明的特點(diǎn)就在于提供一種用于氨氣定量分析的高穩(wěn)定性，高可靠性，引線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)的新型氨敏半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的氨敏半導(dǎo)體器件俯視圖見圖1，結(jié)構(gòu)剖面圖見圖2。該器件是由集成在一個(gè)硅片上的氨氣測(cè)量管，加熱電阻和溫控二極管組成。其特征在于，該器件共有四根電極引線，氨氣測(cè)量管中的漏極D和柵極G共用一根引出線；氨氣測(cè)量管中的源極S、加熱電阻其中的一個(gè)引線端R2極和溫控二極管的P極相聯(lián)結(jié)在一起，共用一根引出線；加熱電阻的另一個(gè)引線電極R1極及溫控二極管的N極均單獨(dú)使用一根引出線。
該器件的制造方法采用常規(guī)的MOS工藝，進(jìn)行氧化、擴(kuò)散、光刻、真空蒸發(fā)鋁金屬電極等步驟，直至制成增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的特征在于，在采用常規(guī)的MOS工藝過程中，增加了下述三個(gè)工藝步驟1、用直流高壓濺射氧化鋁，制成二氧化硅和氧化鋁的雙層?xùn)沤橘|(zhì)層。其中氧化鋁層厚20～60埃，二氧化硅層厚200～1000埃。
2、用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)氧化鋯薄膜層，制成敏感層，氧化鋯薄膜層，厚度為1000～2500埃。
3、用直流高壓濺射鉑金屬層，作成催化層，鉑金屬層厚度為20～60埃。
采用前述的器件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的制造方法制成的氨敏半導(dǎo)體器件具有高穩(wěn)定生，高可靠性。其原因在于它是采用集成電路的方法，將敏感元件，加熱元件，測(cè)溫元件集成在一起，減少了壓點(diǎn)和接點(diǎn)；另則由于加熱元件，測(cè)溫元件可通過外加電路，使敏感元件工作在恒溫狀態(tài)；再則，由于采用氧化鋁作為鈍化膜，形成氧化鋁和二氧化硅雙層絕緣介質(zhì)柵，減少了金屬離子間的相互影響。
同時(shí)該器件由于采用集成電路制造工藝方法，在一片芯片上可作幾百個(gè)器件，而一個(gè)流水便可作φ40mm的10～20片。一次作成，既達(dá)到了批量生產(chǎn)的目的，又保證了器件性能的一致性。
再則，為保證該器件在一定溫度下工作，在器件的兩邊集成一電阻R作為力熱器，其輸出端分別為R1、R2。若接通電源并輸入100～150mA電流后，可使本器件在100～140℃的環(huán)境下能夠保證足夠的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。


圖1氨敏半導(dǎo)體器件的俯視圖；S源極(N型半導(dǎo)體，鋁引線)；G柵極(氧化鋁層，鉑金屬層，鋁引線)；D漏極(N型半導(dǎo)體)；P、N構(gòu)成測(cè)溫二極管，(均為鋁引線)；R1、R2加熱電阻的兩端，用鋁引線引出。
圖2氨敏半導(dǎo)體器件的剖面圖；1摻P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體；2氧化鋯層；3柵氧化層；4鉑金屬層；5場(chǎng)氧化層；6P型S1襯底；7金屬鋁引線；8三氧化鋁介質(zhì)層或三氧化二鋁；實(shí)施例本發(fā)明采用P型硅單晶片，電阻率0.3～0.5Ω·cm，晶向(100)；氨敏器件采用N溝道增強(qiáng)型MOS晶體管，柵區(qū)長(zhǎng)度為25微米，柵區(qū)寬度100微米；柵極氧化層厚度200～1000埃；氧化鋁層厚20～60埃；氧化鋯1000～2500埃；鉑金屬層厚20～40埃。
工藝方法如下1、熱氧化生長(zhǎng)4000埃優(yōu)質(zhì)氧化層(常規(guī)濕氧化法)。
2、一次光刻出溝阻區(qū)，(常規(guī)光刻法)。
3、擴(kuò)硼形成溝阻區(qū)。
4、二次光刻出漏區(qū)、源區(qū)、測(cè)溫二極管N區(qū)及加熱電阻區(qū)。
5、擴(kuò)磷形成漏、源區(qū)，測(cè)溫二極管及加熱電阻。
6、三次光刻刻出柵氧區(qū)。
7、二步柵氧化生長(zhǎng)200～1000埃高質(zhì)量二氧化硅，其過程為①爐子升溫到650℃，通氮?dú)?00ml/min，片子緩慢入爐；②升爐溫，在30分鐘內(nèi)從650℃上升為900℃，通氮?dú)?00ml/min，通氧氣200ml/min；③到達(dá)900℃后通氧氣500ml/min，恒定20分鐘；④再通入鹽酸氣體，用氧氣鼓泡帶入，每分鐘40個(gè)泡為宜。穩(wěn)定通入50分鐘；⑤停止通鹽酸氣，繼續(xù)通氧500ml/min，溫度穩(wěn)定在900℃；⑥升溫到1097℃，升溫時(shí)間30分鐘，此過程通氮?dú)?00ml/min；⑦關(guān)爐自然退火210分鐘，通氮?dú)?00ml/min；⑧爐溫降至650℃時(shí)，片子緩慢出爐完成柵氧化。
8、四次光刻，常規(guī)工藝刻出漏極、源極、測(cè)溫二極管以及加熱電阻的引線孔。
9、蒸發(fā)鋁，常規(guī)蒸發(fā)工藝。
10、五次光刻，刻出金屬化電極。
11、常規(guī)等離子法去膠。
12、直流高壓濺射氧化鋁層，其過程為①將硅片放入真空室內(nèi)零電位極板上，鋁金屬作為負(fù)高壓極板，距硅片5～7cm；②抽真空達(dá)2×10-2mm汞柱后，通入氧氣，同時(shí)加負(fù)高壓900～1000伏，調(diào)正兩極間電流為30～60毫安；③2～10分鐘后，可淀積氧化鋁20～60埃；④放氣取出硅片結(jié)束。
13、六次光刻出氧化鋯氨敏薄膜區(qū)。
14、電子束蒸發(fā)氧化鋯敏感層，工藝如下①把氧化鋯粉末加入石墨坩堝中，把硅片放在片架上；②抽真空至5×10-5mm汞柱，同時(shí)把硅片加熱到150～200℃；③加高壓3000伏，燈絲電流45～50A，此時(shí)電子束流0.1～0.2A；④打開檔板蒸發(fā)20～30秒，蒸發(fā)氧化鋯層1000～2500埃厚。
⑤關(guān)機(jī)取出硅片；15、直流高壓濺射鉑金屬催化層，工藝過程如下①將硅片放入真空室零電位極板上，鉑片作為負(fù)高壓極板，距離5～7厘米；②將氬氣通入真空室，調(diào)負(fù)高壓900～1000伏，調(diào)正兩極間輝光電流20～40mA；③3～8分鐘后沉積鉑層20～60埃；④放氣取出硅片。
16、用剝離技術(shù)形成氧化鋯，鉑金屬層復(fù)合金屬柵電極。
17、進(jìn)行高溫退火處理，控制爐溫300～400℃，通入510ml/min氮汽，將硅片推進(jìn)爐內(nèi)保持25分鐘取出。
18、測(cè)試、劃片、壓焊、封裝、制成合格器件。用上述方法制成的器件，主要技術(shù)性能參數(shù)如下一、氨氣濃度與開啟電壓變化量的關(guān)系測(cè)試條件器件加熱607.5毫瓦，測(cè)溫二極管的正向壓降為。48伏，氨敏MOSFET的起始開啟電壓(即純凈空氣中的開電壓)為1.867伏。

二、開啟電壓起始值的穩(wěn)定性

最大漂移量17mV。測(cè)試條件加熱電流150mA，電壓5.5伏，即加熱功率為825毫瓦，源漏電流85μA。三、響應(yīng)時(shí)間1、上升時(shí)間氨敏半導(dǎo)體器件接觸氨氣后開啟電壓的變化量ΔVT，達(dá)到最大變化值90％所需時(shí)間tr<0.5分鐘。
2、下降時(shí)間器件脫離氨氣后，在純凈空氣中恢復(fù)到開啟電壓最大變化量的1/τ所用時(shí)間tf<1分鐘。
權(quán)利要求
1.一種用于氨氣濃度測(cè)量、探漏的新型氨敏半導(dǎo)體器件，是由集成在一個(gè)硅片上的氨氣測(cè)量管，加熱電阻和溫控二極管組成，本發(fā)明的特征在于，該器件共有四根電極引線，氨氣測(cè)量管中的漏極D和柵極G共用一根引出線，氨氣測(cè)量管中的源極S、加熱電阻其中的一個(gè)引線端R2和溫控二極管正極P相聯(lián)結(jié)在一起，共用一根引出線，加熱電阻的另一個(gè)引線電極R1極及溫控二極管的N極均單獨(dú)使用一根引出線。
2.一種用于制作權(quán)利要求1所述器件的制造方法，采用常規(guī)的MOS工藝，進(jìn)行氧化、擴(kuò)散、光刻、真空蒸發(fā)鋁金屬電極等工藝步驟，直至制成增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，本發(fā)明的特征在于，在前述工藝過程中，用直流高壓濺射氧化鋁，作成二氧化硅和氧化鋁的雙層?xùn)沤橘|(zhì)層，用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)氧化鋯薄膜層，作成敏感層，用直流高壓濺射鉑金屬層，作成催化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述氨敏半導(dǎo)體器件的制造方法，所述的雙層?xùn)沤橘|(zhì)層中，氧化鋁層厚20～60埃，二氧化硅層厚200～1000埃。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氨敏半導(dǎo)體器件的制造方法，所述的氧化鋯薄膜層，厚度為1000～2500埃，所述的鉑金屬層，厚度為20～60埃。
全文摘要
一種主要用于氨氣報(bào)警、探漏、監(jiān)測(cè)及定量測(cè)量等場(chǎng)合的新型氨敏半導(dǎo)體器件，是由集成在一個(gè)硅片上的氨氣測(cè)量管，加熱電阻和溫控二極管組成。該器件共四根電極引線，漏極和柵極共用一根；源極，加熱電阻R
文檔編號(hào)G01N27/12GK1129854SQ94116558
公開日1996年8月28日 申請(qǐng)日期1994年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月21日
發(fā)明者鄒德恕, 王東鳳, 高國(guó), 陳建新 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)