CN104614401B - 气体传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器及其形成方法，其中气体传感器的形成方法包括：提供基底；在所述基底上形成绝缘层；在所述绝缘层上形成Au层，在所述Au层上形成导电层；对所述导电层进行图形化形成正极、负极；去除所述正极和负极之间的Au层；在含硅气体环境中，使用汽‑液‑固单晶硅生长工艺，在所述正极和负极之间的绝缘层上生长硅纳米线，所述正极和所述负极通过硅纳米线电连接。本技术方案的硅纳米线沿平行于绝缘层上表面方向生长，硅纳米线具有很大的表面积，可以吸附更多的带电离子，更有助于正极和负极之间的导通，提升气体传感器的灵敏性，气体传感器的性能较佳。

Description

气体传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及气体传感器及其形成方法。

背景技术

气体传感器是一种将外界气体的成分、浓度转化成对应电信号的转换器。现有技术提出了一种将IC电路应用到气体传感器的制造工艺，得到一种兼容IC电路的气体传感器。

现有技术的气体传感器的形成方法包括：

参照图1，提供基底1，在基底1上形成有SiO₂层2，SiO₂层2起到绝缘隔离作用；在SiO₂层2上形成有正极3和负极4，正极3和负极4相互隔开，正极3和负极4为高掺杂多晶硅，正极3和负极4呈梳状，正极3具有朝向负极4延伸的第一梳尺件5，负极4具有朝向正极3延伸的第二梳尺件6，第一梳尺件5和第二梳尺件6相互隔开。

参照图2，在所述第一梳尺件5和第二梳尺件6上形成Au层7；

参照图3，使用汽-液-固单晶硅生长（vapor-liquor-solid of single crystalgrowth）工艺，设置反应腔内的最低温度为温度363℃，向反应腔内通入硅烷（Silane）气体。在该反应腔环境中，Au层7（参照图2）缩成Au颗粒，起到催化剂作用，硅烷分子中的硅原子与氢原子之间的化学键断开，氢原子结合成氢气被排出，硅原子穿过Au颗粒状至SiO₂层2表面，并结合为单晶硅。在该过程中，硅原子主要是沿垂直于SiO₂层2上表面方向生长形成硅纳米线8，同时还沿硅纳米线8的表面向外生长形成丝9。这样相邻的第一梳状件5和第二梳状件6通过硅纳米线表面的丝9相互连接，实现硅纳米线8将正极3和负极4相互连接。

当外界气体为中性气体，在正极3和负极4之间通电，由于硅纳米线8不导电，正极3和负极4不导通；当外界气体为带正电离子态或带负电离子态，带电气体离子附着在硅纳米线8表面，使得硅纳米线8导电，正极3和负极4导通。在实践中，该气体传感器可应用到生产、生活中，用于监控生产、生活环境中的有害气体含量；还可与控制电路连接，当气体传感器导通，控制电路接收电信号并转化成气体成分、浓度等参数。

但是，现有技术的气体传感器形成工艺，单晶硅主要沿垂直于SiO₂层上表面方向生长，而硅纳米线8表面的丝9的生长有限，丝9的数量有限且相邻第一梳状件5和第二梳状件6之间的丝9的表面积不大，可吸附的带电气体离子有限，影响第一梳状件5和第二梳状件6之间的导通，严重的话，丝9上的带电气体离子不足以使第一梳状件5和第二梳状件6导通，这会降低气体传感器的灵敏性，造成气体传感器的性能不佳。

发明内容

本发明解决的问题是，现有技术形成气体传感器的工艺，会降低气体传感器的灵敏性，造成气体传感器的性能不佳。

为解决上述问题，本发明提供一种气体传感器的形成方法，该气体传感器的形成方法包括：

提供基底；

在所述基底上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成Au层，在所述Au层上形成导电层；

对所述导电层进行图形化形成正极、负极；

去除所述正极和负极之间的Au层；

在含硅气体环境中，使用汽-液-固单晶硅生长工艺，在所述正极和负极之间的绝缘层上生长硅纳米线，所述正极和所述负极通过硅纳米线电连接。

可选地，所述正极与负极之间的距离范围为1μm～50μm。

可选地，所述基底为掺杂硅基底。

可选地，所述导电层的材料为金属或掺杂多晶硅。

可选地，所述金属为Ti或Ta。

可选地，对所述导电层进行图形化形成正极、负极的方法包括：

在所述导电层上形成图形化的掩模层，所述图形化的掩模层定义正极或负极的位置；

以所述图形化的掩模层为掩模，干法刻蚀导电层形成正极、负极；

去除图形化的掩模层。

可选地，去除所述正极和负极之间的Au层的方法为湿法刻蚀法。

可选地，所述湿法刻蚀法过程，使用的刻蚀剂为碘-碘化钾溶液，在所述碘-碘化钾溶液中，碘-碘化钾溶液中，KI的质量浓度范围为2%～20%，I₂的质量浓度范围为1%-10%。

可选地，所述Au层的厚度范围为小于10nm。

可选地，所述含硅气体为SiH₄、SiCl₄或Si₂H₆中的一种或多种。

可选地，在所述汽-液-固单晶硅生长过程，温度范围大于等于363℃小于Au的熔点。

本发明还提供一种气体传感器，该气体传感器包括：

基底；

位于所述基底上的绝缘层；

位于所述基底上的正极和负极；

位于所述正极与绝缘层之间、位于所述负极与绝缘层之间的Au层；

位于所述正极与负极之间的绝缘层上的硅纳米线，所述正极和负极通过硅纳米线电连接。

可选地，所述正极与负极之间的距离范围为1μm～50μm。

可选地，所述基底为掺杂硅基底。

可选地，所述导电层的材料为金属或掺杂多晶硅。

可选地，所述金属为Ti或Ta。

可选地，所述Au层的厚度范围为小于10nm。

可选地，上述任一所述的气体传感器作为晶体管；

所述基底作为背栅，所述正极作为源极，所述负极作为漏极。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

Au层位于正极与绝缘层之间、负极与绝缘层之间，Au层朝向正极、朝向负极的两侧面暴露。在汽-液-固单晶硅生长过程中，暴露的Au层侧面熔融形成颗粒状，含硅气体中的硅原子穿过Au颗粒结合并生长，且生长方向是平行于绝缘层上表面方向，这样Au层两侧面生长的硅纳米线在生长过程中结合连接，正极和负极通过该硅纳米线电连接。与现有技术的丝表面积较小相比，本技术方案的硅纳米线具有很大的表面积，可以吸附更多的带电离子，更有助于正极和负极之间的导通，提升气体传感器的灵敏性，气体传感器的性能较佳。

附图说明

图1～图3是现有技术的气体传感器在形成过程中的立体结构示意图；

图4～图9是本发明具体实施例的气体传感器在形成过程中的剖面结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术存在的问题，本发明技术方案提出一种新的气体传感器及其形成方法。使用该气体传感器的形成方法，在正极与绝缘层之间、在负极和绝缘层之间具有Au层，Au层朝向正极和朝向负极的表面暴露。使用汽-液-固单晶硅生长工艺，硅纳米线主要沿平行于绝缘层上表面方向生长，电连接所述正极和负极。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图4，提供基底100。

在本实施例中，所述基底100为掺杂硅基底。在其他实施例中，还可为锗基底或者绝缘体上硅基底等；或者基底100的材料还可以包括其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。对基底100形成掺杂，可使其导电。

参照图5，在基底100上形成绝缘层101，绝缘层101覆盖基底100，所述绝缘层101起到绝缘隔离作用。

在具体实施例中，绝缘层101的材料为氧化硅，形成绝缘层101的方法为化学气相沉积或热氧化生长工艺。

参照图6，在绝缘层101上形成Au层102，在Au层102上形成导电层103。

在具体实施例中，在绝缘层101上形成Au层102的工艺为溅射工艺，Au层102的厚度范围小于10nm。

在具体实施例中，导电层103的材料为金属或掺杂多晶硅，该金属的熔点使它不会在汽-液-固工艺中发生形态变化，而且该金属不允许含硅原子穿过。其中，金属可以是Ti或Ta。当导电层103的材料为金属时，可使用化学气相沉积或物理气相沉积形成。

当导电层103的材料为掺杂多晶硅，形成导电层103的方法为：使用化学气相沉积，在沉积过程中进行原位离子掺杂。所述掺杂可以是N型离子掺杂或P型离子掺杂。

参照图7，对导电层103（参照图6）进行图形化形成正极131、负极132，正极131和负极132相互隔开，正极131和负极132之间的Au层暴露。

在具体实施例中，对导电层进行图形化形成正极131、负极132的方法包括：

在导电层上形成图形化的掩模层，图形化的掩模层的材料可以是光刻胶或其他硬掩模材料，图形化的掩模层定义正极和负极的位置；

以图形化的掩模层为掩模，干法刻蚀导电层形成正极131和负极132；

去除图形化的掩模层。当图形化的掩模层的材料层为光刻胶，使用灰化工艺去除图形化的掩模层。

在具体实施例中，正极131和负极132之间的距离L范围为1μm～50μm。如果L大于50μm，正极131和负极132之间的硅纳米线需要吸附更多的带电离子，才能使正极131和负极132之间导通，这降低气体传感器的灵敏性；如果L小于1μm，则正极131和负极132之间容易出现信号串扰。

参照图8，去除正极131和负极132之间的Au层部分，剩余Au层102位于正极131与绝缘层101之间、位于负极132与绝缘层101之间。

在具体实施例中，去除正极131和负极132之间的Au层的方法为湿法刻蚀法。在湿法刻蚀过程中，在室温条件下，使用的刻蚀剂为碘-碘化钾溶液，在所述碘-碘化钾溶液中，KI的质量浓度范围为2%～20%，I₂的质量浓度范围为1%-10%。

参照图9，在含硅气体环境中，使用汽-液-固单晶硅生长工艺，在所述正极131和负极132之间的绝缘层102上生长硅纳米线104，所述正极131和所述负极132通过硅纳米线104电连接。

在具体实施例中，含硅气体为SiH₄、SiCl₄、Si₂H₆中的一种或多种。在本实施例中，含硅气体为SiH₄气体。

在具体实施例中，Au的熔点为1064.4℃。但当Au处于硅烷气体环境中，硅烷气体的流量范围为：并设置最低温度为363℃，但不大于等于Au的熔点，暴露的Au层表面与硅烷接触会熔化呈颗粒状，而正极131下和负极132下的Au层受保护而不会与硅烷气体接触。这时，硅烷分子中的硅原子与氢原子之间的化学键断开，氢原子结合成氢气被排出，硅原子就可以穿过Au颗粒表面聚集结合生单晶硅，单晶硅持续生长形成硅纳米线104。

需要说明的是，在硅纳米线104生长过程中，正极131和负极132不会发生形态改变，也就是汽-液-固单晶硅生长过程的温度不能大于等于导电层材料的温度，这可以通过选择合适的导电层材料或设置合适的汽-液-固单晶硅生长过程的温度来实现。

在本实施例中，在汽-液-固单晶硅生长工艺中，正极131下的Au层朝向负极132的侧面处于熔融状态，硅烷气体中的硅原子会穿过该侧面后结合，并主要朝向负极方向生长；同理，负极132下的Au层朝向正极131的侧面处于熔融状态，硅烷气体中的硅原子穿过该侧面后结合，并主要朝向正极131方向生长形成，之后两相对生长的单晶硅接触并结合在一起。也就是，硅纳米线104主要沿平行于绝缘层101上表面方向生长（简称横向生长），并将正极131和负极132电连接。在现有技术中，硅原子主要沿垂直于SiO₂层上表面方向（简称纵向）生长，相邻两第一梳状件和第二梳状件之间通过硅纳米线表面的丝结合，丝的表面积较小。与现有技术相比，本实施例中的硅纳米线104为横向生长，正极131与负极132通过硅纳米线104表面紧密连接，而且硅纳米线104的表面积很大，可以吸附更多的带电离子，更有助于正极131和负极132之间的导通，提升气体传感器的灵敏性，气体传感器的性能较佳。

而且，硅纳米线104在横向生长的同时，也在硅纳米线104表面沿背向硅纳米线表面方向生长形成丝。这样，该硅纳米线104上表面并不是平坦的。该丝进一步增大了硅纳米线104表面积，硅纳米线104可吸附更多带电离子。

在具体实施例中，基底100可以具有高掺杂，使其具有导电性，该基底100作为背栅。在实践中，将背栅与电源连接，背栅与绝缘层接触的表面会聚集第一电荷，该第一电荷形成的电场会吸引外界气体中与第一电荷极性相反的第二电荷在硅纳米线104上吸附，这更显著地增强硅纳米线104吸附电荷的能力，极大提升了气体传感器的灵敏性。

本发明还提供一种气体传感器。

参照图9，本实施例的气体传感器包括：

基底100；

位于所述基底100上的绝缘层101；

位于所述基底100上的正极131和负极132；

位于所述正极131与绝缘层101之间、位于所述负极132与绝缘层101之间的Au层102；

位于所述正极131与负极132之间的绝缘层101上的硅纳米线104，所述正极131和负极132通过硅纳米线104电连接。

在具体实施例中，正极131和负极132之间的距离L为1μm～50μm。

在具体实施例中，基底100为掺杂硅基底，掺杂硅导电。

在具体实施例中，导电层的材料为金属或掺杂多晶硅。其中金属可以是Ti或Ta。

在具体实施例中，所述Au层102的厚度范围为小于10nm。

在具体实施例中，本实施例的气体传感器可作为晶体管使用。其中基底100作为背栅，正极131作为源极，负极132作为漏极，在硅纳米线104中形成掺杂作为沟道。当在源极与漏极之间施加电压，源极与漏极之间通过掺杂的硅纳米线104导通，该晶体管即时导通；在背栅与源极之间施加栅电压，栅电压控制背栅吸引电荷在硅纳米线104中聚集，电荷在硅纳米线104中聚集，起到调节源极、漏极之间电流的作用。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种气体传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供基底；

在所述基底上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成Au层，在所述Au层上形成导电层；

对所述导电层进行图形化形成正极、负极；

去除所述正极和负极之间的Au层；

在含硅气体环境中，使用汽-液-固单晶硅生长工艺，在所述正极和负极之间的绝缘层上生长硅纳米线，所述正极和所述负极通过硅纳米线电连接。

2.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述正极与负极之间的距离范围为1μm～50μm。

3.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述基底为掺杂硅基底。

4.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述导电层的材料为金属或掺杂多晶硅。

5.如权利要求4所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述金属为Ti或Ta。

6.如权利要求5所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，对所述导电层进行图形化形成正极、负极的方法包括：

在所述导电层上形成图形化的掩模层，所述图形化的掩模层定义正极或负极的位置；

以所述图形化的掩模层为掩模，干法刻蚀导电层形成正极、负极；

去除图形化的掩模层。

7.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，去除所述正极和负极之间的Au层的方法为湿法刻蚀法。

8.如权利要求7所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀法过程，使用的刻蚀剂为碘-碘化钾溶液，在所述碘-碘化钾溶液中，碘-碘化钾溶液中，KI的质量浓度范围为2％～20％，I₂的质量浓度范围为1％～10％。

9.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述Au层的厚度范围小于10nm。

10.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述含硅气体为SiH₄、SiCl₄、Si₂H₆中的一种或多种。

11.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，在所述汽-液-固单晶硅生长过程，温度范围大于等于363℃小于Au的熔点。