CN1037041C - 金属－氧化物－半导体结构电容式湿敏器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
金属-氧化物-半导体结构电容式湿敏器件及其制作方法，其器件由硅材料为基片、二氧化硅和五氧化二钽为湿敏介质膜，由铬和金构成双层透湿电极，可采用电子束蒸发、射频溅射或直流反应溅射工艺中任意一种物理气相沉积工艺，在二氧化硅膜上制作五氧化二钽膜，再在其上制作铬-金双层电极，金膜上有一个金电极引出环，制作的器件测温范围宽、响应速度快、稳定性好，能长期在高温高湿环境下工作。
Description
本发明涉及一种金属—氧化物—半导体(简称MOS)结构电容式氧化钽薄膜湿敏器件及其制造方法。
湿度的检测和监控在工业、农业、气象、科学研究和家用电器等各个方面有着普遍的应用和重要的作用。
在各种湿度敏感器件中，薄膜湿敏器件由于具有体积小、响应快、灵敏度高、功耗低而受到人们的广泛重视。薄膜湿敏器件按其感湿薄膜材料的类型分为有机高分子薄膜湿敏器件和无机薄膜湿敏器件两大类；后者与前者相比，由于可以在较高的环境温度(例如超过80℃)和长期在较高的相对湿度(例如高于90％RH)下工作，因而寿命长，可靠性高。
无机薄膜湿敏器件中使用得比较多的湿敏介质是氧化铝(Al2O3)薄膜(中国专利CN86102535A，美国US4143177，US4277742，日本专利昭58-30101)，但是Al2O3膜会与吸附的水汽作用最终生成Al(OH)3，造成这类湿敏器件的湿敏特性不稳定，出现长期漂移。五氧化二钽(Ta2O5)薄膜与Al2O3薄膜相比，在高温高湿环境下的稳定性要优良得多。但是目前Ta2O5湿敏薄膜通常采用阳极氧化工艺制作(日本专利昭57-17103)，因而这类Ta2O5薄膜湿敏器件的结构与制造工艺不适合于大规模生产，与集成电路的制造工艺也不相兼容。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属——氧化物——半导体(MOS)结构电容式湿敏器件及其制造方法。由于采用了物理气相沉积工艺制备Ta2O5湿敏介质薄膜和MOS型器件结构，因而与已有的Ta2O5薄膜湿敏器件相比，有助于批量生产时特性的一致性，并降低生产成本，还有可能进一步与测试电路一起同时集成制造在一个芯片上。
本发明的湿敏器件，由基片、介质膜和金属电极组成，其特征在于基片采用硅材料，介质膜为硅片表面上的二氧化硅薄膜和在二氧化硅上形成的五氧化二钽湿敏介质膜，金属电极为由铬和金构成的双层透湿电极，铬膜在湿敏介质膜上形成，金膜在铬膜上形成，金膜上有一个金电极引出环。五氧化二钽膜的厚度为100～500nm，铬膜的厚度为5～10nm，金膜的厚度为10～20nm，金电极引出环的厚度为0.5～2μm，环的宽度为0.15～0.3mm。
本发明的湿敏器件的制造方法，采用半导体硅片为基片，经过清洗、氧化，在表面形成厚度为10～30nm的二氧化硅膜；采用物理气相沉积工艺在二氧化硅膜上沉积一层厚度为100～500nm的五氧化二钽膜；在五氧化二钽膜上采用真空蒸发或直流溅射工艺先沉积一层厚度为5～10nm的铬膜，再沉积一层厚度为10～20nm的金膜；在用光刻方法刻出的铬—金圆形电极的外围，通过光刻胶掩蔽，并用电镀金工艺形成厚度为0.5～2μm的环形金镀层，环的宽度为0.15～0.3mm。
本发明的湿敏器件的制造方法，制作五氧化二钽膜的物理气相沉积工艺为下列三种方法中的任意一种：
(1)电子束蒸发工艺：以纯度99.9％以上的五氧化二钽粉末压制成的小块作为源材料，蒸发过程中向真空室内通入纯度为99.99％以上的氧气，并控制真空室的总压强在2×10-3～1×10-2Pa之间，沉积速率为2～10nm/min；
(2)射频溅射工艺：采用纯度为99.9％以上的五氧化二钽烧结平板为靶材料，溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氧和氩的比例为1∶4～20，溅射气压为0.1～1Pa，靶面射频功率密度为1～5W/cm2；
(3)直流反应磁控溅射工艺：以纯度为99.9％以上的金属钽板为靶材料，溅射气氛为纯度在99.99％以上的氧和氩的混合气，氧和氩的比例为1∶0～3，溅射气压为0.5～3Pa，靶面直流功率密度为2～6W/cm2。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
本发明由于采用了化学稳定性高、高温高湿下特性稳定的Ta2O5膜作为湿敏介质膜，因而这种金属——氧化钽——硅(MOS)结构的电容式湿敏器件可以长期在100～150℃的高温环境下，用于湿度的监控与测量。而且由于使用了物理气相沉积工艺制造Ta2O5膜和集成电路工艺制造本发明的湿敏器件芯片，因而适于大批量生产，从而有助于降低器件的制造成本、提高器件特性的一致性。
图1为发明的MOS结构电容式湿敏器件的一个实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例的感湿特性曲线图。
本发明可按照附图所示的方案实现。图1中的引脚(1)与管座(3)直接焊接，引脚(2)则通过绝缘垫固定在管座上；(4)为有孔网罩，用于保护器件的管芯不受外界机械性的侵害。(5)是器件管芯芯片的下电极；(6)是硅芯片；(7)是SiO2膜；(8)是Ta2O5感湿介质膜；(9)是Au/Cr双层圆形透湿电极(上电极)；(10)是透湿电极的引出环；(5)、(6)、(7)、(8)、(9)和(10)组成本发明湿敏器件的管芯。(11)是连接透湿电极引出环与引脚(2)的金丝引线。
本发明金属——氧化钽——硅结构电容式薄膜湿敏器件的制造工艺流程如下：
1.电阻率为10-4-10-1Ω·cm的低阻或中阻的单面(或双面)抛光的硅单晶片(n型或p型)，经过清洗、氧化，在表面形成厚度为10-30nm的SiO2膜，以提高本发明湿敏器件的绝缘性能和击穿电压。
2.用以下三种物理气相沉积工艺中的任意一种，在带有SiO2膜的硅片抛光一面的SiO2膜层上沉积一层100～500nm的Ta2O5膜。
(1)以纯度99.9％以上的Ta2O5粉末压制成的小块作为源材料，用电子束蒸发工艺在硅片上蒸发沉积Ta2O5膜。蒸发过程中，向真空室内通入纯度99.99％的氧气，并控制真空室内的总压强在(2×10-3～1×10-1)Pa之间。沉积速率为2～10nm/min。蒸发沉积中硅片不另外用加热器加热。
(2)以纯度为99.9％以上的Ta2O5烧结平板为靶材料，采用射频溅射工艺，在硅片上沉积Ta2O5膜。溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氧和氩的比例为1∶20～1∶4；溅射气压为0.1～1Pa。靶面射频功率密度为1～5W/cm2，沉积过程中硅片不另外用加热器加热。
(3)以纯度为99.9％以上的金属Ta板为靶材料，采用直流反应磁控溅射工艺，在硅片上沉积Ta2O5。溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氩和氧的比例为0∶1(纯氧)～3∶1。溅射气压为0.5～3Pa。靶面直流功率密度为2—6W/cm2。沉积过程中硅片不另外用加热器加热。
3.在Ta2O5膜表面用真空蒸发或直流溅射工艺沉积一层Au/Cr双层透湿膜，即先沉积一层5～10nm的Cr膜再沉积一层10～20nm的Au膜。
4.光刻出Au/Cr圆形上电极。
5.腐蚀去除硅片背面的SiO2膜，并在硅片背面真空蒸发或溅射沉积一层20～50nm的Au膜。
6.通过光刻胶掩蔽，并用电镀Au工艺，在圆形上电极最外围形成一个厚度为0.5～2μm的环形Au镀层，环的宽度为0.15～0.3mm；与此同时，硅片背面Au沉积膜也被电镀加厚到相应的厚度，成为下电极。
7.划片。管芯初测后，用导电银浆或Au…Sn合金与管壳底座相连接。
8.热压焊上电极金丝引线。
9.有孔网罩与管座焊或胶合连接。
本发明可采取以下一个实施例的方案实现：
1.选用电阻率为1×10-2Ω·cm的低阻P型抛光的单晶硅片，晶向为[111]，硅片厚度为0.3mm。，清洗后用热氧化工艺在硅片表面生长一层20nm厚的SiO2。
2.用直流反应磁控溅射工艺在SiO2膜上沉积上一层Ta2O5膜。Ta靶材的纯为99.9％。溅射前真空室内的本底真空度为3×10-3Pa；溅射气氛中氩和氧之比为1∶1，溅射气压为2Pa。靶面直流功率密度为4W/cm2，沉积时间为60min。沉积过程中硅片不另外用加热器加热。沉积结束后用台阶仪法测得Ta2O5膜的沉积速率相当于4.5nm/min。X射线衍射测试表明Ta2O5膜基本上呈非晶态。
3.在Ta2O5膜上用真空蒸发工艺先沉积一层10nm的Cr膜，再沉积一层15nm的Au膜。
4.光刻出Au/Cr圆形上电极，圆形电极的直径为1.6mm。
5.用正性光刻胶遮蔽Au/Cr电极层膜。用化学腐蚀去除硅片背面的SiO2膜，并在硅片背面真空蒸发沉积一层30nm的Au膜。
6.通过光刻胶遮蔽，并用电镀工艺在Φ1.6mm的圆形上电极上电镀上一个厚度为1μm，外径为Φ1.6mm，宽度为0.2mm的环形Au镀层，做成一个引出环。同时硅片背面也相应同时电镀到1μm。
7.整片硅片划片成一个个管芯，每个管芯的面积为2×2mm，圆形上电极处于这方形芯片的中央。
8.用Au—Sn合金将此芯片的背面焊接在镀Au的管座底部。一根Φ0.15mm的金丝一端热压焊在上电极的引出环上，一端与管座上的一根与管座绝缘的引出线相连接。
9.用环氧树脂类粘合剂胶合不锈钢网罩与镀Au管座。
图2给出了从上述实施例测得的感湿特性曲线，即MOS电容的电容值C(pf)与环境相对湿度(％RH)的对应关系曲线。测试结果表明，本发明的金属——氧化钽——硅(MOS)结构电容式薄膜湿敏器件的测湿范围为30-100％RH；测湿精度可达±3％RH；吸湿响应时间为1秒，脱湿响应时间小于10秒。
Claims (4)
1.一种金属—氧化物—半导体结构电容式湿敏器件，由基片、介质膜和金属电极组成，其特征在于，基片采用硅材料，介质膜为硅片表面上的二氧化硅薄膜和在二氧化硅上形成的五氧化二钽湿敏介质膜，金属电极为由铬和金构成的双层透湿电极，铬膜在湿敏介质膜上形成，金膜在铬膜上形成，金膜上有一个金电极引出环。
2.根据权利要求1所述的金属—氧化物—半导体结构电容式湿敏器件，其特征在于，五氧化二钽膜的厚度为100～500nm，铬膜的厚度为5～10nm，金膜的厚度为10～20nm，金电极引出环的厚度为0.5～2μm，环的宽度为0.15～0.3mm。
3.一种金属一氧化物—半导体结构电容式湿敏器件的制造方法，其特征在于基片采用半导体硅片，经过清洗、氧化，在表面形成厚度为10～30nm的二氧化硅膜；采用物理气相沉积工艺在二氧化硅膜上沉积一层厚度为100～500nm的五氧化二钽膜；在五氧化二钽膜上采用真空蒸发或直流溅射工艺先沉积一层厚度为5～10nm的铬膜，再沉积一层厚度为10～20nm的金膜；在用光刻方法刻出的铬—金圆形电极的外围，通过光刻胶掩蔽，并用电镀金工艺形成厚度为0.5～2μm的环形金镀层，环的宽度为0.15～0.3mm。
4.根据权利要求3所述的金属—氧化物—半导体结构电容式湿敏器件的制造方法，其特征在于制作五氧化二钽膜的物理气相沉积工艺为下列三种方法中的任意一种：
(1)电子束蒸发工艺：以纯度99.9％以上的五氧化二钽粉末压制成的小块作为源材料，蒸发过程中向真空室内通入纯度为99.99％的氧气，并控制真空室的总压强在2×10-3～1×10-2pa之间，沉积速率为2～10nm/min；
(2)射频溅射工艺：采用纯度为99.9％以上的五氧化二钽烧结平板为靶材料，溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氧和氩的比例为1∶4～20，溅射气压为0.1～1Pa，靶面射频功率密度为1～5W/cm2；
(3)直流反应磁控溅射工艺：以纯度为99.9％以上的金属钽板为靶材料，溅射气氛为纯度在99.99％以上的氧和氩的混合气，氧和氩的比例为1∶0～3，溅射气压为0.5～3Pa，靶面直流功率密度为2～6W/cm2。
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| CN115220141B (zh) * | 2022-08-15 | 2024-05-17 | 安徽信息工程学院 | 波分复用滤光片及其生产方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4143177A (en) * | 1977-01-31 | 1979-03-06 | Panametrics, Inc. | Absolute humidity sensors and methods of manufacturing humidity sensors |
| JPH02212744A (ja) * | 1989-02-13 | 1990-08-23 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体湿度センサ |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4143177A (en) * | 1977-01-31 | 1979-03-06 | Panametrics, Inc. | Absolute humidity sensors and methods of manufacturing humidity sensors |
| JPH02212744A (ja) * | 1989-02-13 | 1990-08-23 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体湿度センサ |
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