CN100583316C - 一种低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种低电阻/高温度系数硅单晶热敏电阻及其制备方法

(一)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1.0KΩcm。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5-10Ωcm，电阻率的径向分布≤±5％。当Si片为N型时，用P2O5作扩散源，Si片为P型时，用B(NO₃)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AuCl2、PtCl2、Ni(NO3)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AuCl2、PtCl2、FeCl3和Mn(NO3)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℃，时间为20-25小时；金属离子扩散的扩散温度为1000-1100℃，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℃，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P2O5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5Ωcm的N型硅单，做Ni扩散，可实现标称电阻为100Ω，B值为4000K的NTCR，其电阻分散性≤±1.2％，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M2O金刚砂打毛(5-8um)，用HF+H(NO3)漂洗2min(HF∶H(NO3)＝1∶3)。

②镀镍：镀Ni液配方：

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
PH	8-9

镀Ni时间为15-20min，镀层厚度2-3um，镀Ni的温度90-95℃。

③蒸银：1.5-2.0um

真空度：0.1-0.3Pa

衬底温度560℃

④划片：对于玻封元件，划片尺寸为0.5×0.5mm，对于环氧封装的元件，划片尺寸为1.2×1.2。

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℃，时间为15min。

⑥老化：125℃/1000小时

⑦测试：在温度油槽中进行。恒温精度0.01℃，测量R25、B25/50、H、τ。

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0.5×0.5×0.3(mm)芯片的元件其标称是R₂₅为10-100Ω，B值可达到3600-4200K(相当温度系数α＝4.0-4.5％/℃)。元件的阻值误差ΔR/R＝±1.15％，B值误差ΔB/B≤1％。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)附图说明

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P2O5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P2O5饱和溶液作扩散源的电阻率分布图；

图3为本发明N⁺BN⁺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。

(五)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5Ωcm的N型直拉单晶，直径为Φ40，晶面为(111)面，电阻率的径向分布为±3％，表面平整度为±3um。

1.磷(P)扩散

扩散源为P2O5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℃下扩散20小时。

2.Ni扩散

将P扩散后的硅片，用M₂O金刚砂双面打毛，清洗烘干。扩散源为Ni(NO3)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1100℃扩散240min。

3.电极制作

Ni扩散后，Si片用M₂O金刚砂双面打毛，清洗干净，浸泡在PaCl2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℃，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℃，Ag层厚度为1.5-2.0um。

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0.5×0.5(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℃烘箱内，存放100小时进行老练处理。

6、测试结果(以100支元件统计)

元件结构	R25/Ω	R25/50/	H/mw/℃	τ/sec	ΔR/R/％
						玻封元件	85.5	3930	2.5	11	±1.02％
环氧封元件	70.2	3920	3.0	10	±0.87％

±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5Ωcm的N型直拉硅单晶，(111)晶面，直径Φ40，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℃，时间240min。

元件制作按实施例1的方法进行。

其结果(以100支元件统计)

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5Ωcm电阻率的P型直拉单晶，直径为Φ40硅片厚度为0.3mm。低电阻层扩散源为B(NO3)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100支元件统计)

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。

Claims (2)

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；所述硅单晶为直拉单晶，晶面为(111)面，电阻率为5-10Ωcm，电阻率的径向分布≤±5％；当Si片为N型时，用P2O5作扩散源，Si片为P型时，用B(NO₃)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AuCl2、PtCl2、Ni(NO3)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AuCl2、PtCl2、FeCl3和Mn(NO3)2的任意一种或几种作扩散剂配成浓度为5-8％的扩散源。

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℃，时间为20-25小时；金属离子扩散的扩散温度为1000-1100℃，时间为4-6小时；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℃，镀层的厚度为2-3um。

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