CN105116023A - Mos型气体传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MOS型气体传感器及制备方法，其包括用于确定是否存在待检测气体的气体感应结构，在所述气体感应结构的下方设置用于对气体感应结构加热的MEMS微加热结构，所述MEMS微加热结构通过电隔离层与气体感应结构绝缘隔离；所述MEMS微加热结构包括承载衬底，在所述承载衬底内的上部设有隔热空腔，所述隔热空腔位于承载衬底的中心区；在承载衬底的上方设置用于支撑加热层的绝热层，加热层位于隔热空腔的正上方，电隔离层支撑在加热层上，气体感应结构支撑在电隔离层上，电隔离层以及气体感应结构均位于隔热空腔的正上方。本发明功耗低，响应快速，MEMS微加热结构与CMOS工艺兼容，减小了工艺难度，安全可靠。

Description

MOS型气体传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种气体传感器及制备方法，尤其是一种MOS型气体传感器及制备方法，属于气体传感器的技术领域。

背景技术

随着社会的飞速发展和科技的突飞猛进，人们的生活呈现出与以往孑然不同的变化，这种变化一方面极大地提高了人们的生活水平和质量；但另一方面也给自己的生活空间和环境造成了不可估量的影响，环境污染日趋严重。工业生产规模逐渐扩大，产品种类不断增多，尤其是石油、化工、煤矿、汽车等工业的飞速发展导致火灾事故的不断发生，大气环境遭到严重破坏。例如，化工生产中经常使用和产生一些易燃易爆、有毒有害气体，这些气体一旦超标、泄漏，将严重影响生产人员及周围生活居民的身体健康，如果引起爆炸，将造成人员伤亡、生产停产和财产损失，其中煤矿瓦斯爆炸就是最熟悉的例子。再如，汽车产业的发展虽然给人们生活带来极大的便利，但其产生尾气造成的大气污染问题不容忽视，尾气中的

NOX、SOX等有毒气体可引起酸雨，CO₂等更是造成温室效应的罪魁祸首；另外，近年来，随着人们生活水平的提高以及人们对家居环境装饰要求的转变，大量新型装修和装饰材料悄然走进住宅和公共建筑物，走近人们的生活，加之现代建筑密闭化的特点，使得室内空气质量问题日益突出；而由于装修后甲醛超标造成的恶性病例更是时有报道。这些气体污染不仅危害人体健康，而且某种意义上阻碍了社会发展，更严重的将关系到生命的存亡。人类对这些气体的感知和承受能力是有限的，为了确保安全，防患于未然，人们研制了各种检测方法和测试仪器，以便及时准确地检测并控制环境中的各种有毒有害气体。气体传感器经过多年的发展，已广泛应用于各行业的生产、国防、医疗、生活和监测机构等领域。而研究和开发这些用于环境监测的气体传感器，更成为人们日益关心的问题。

在众多气体传感器之中，应用最为广泛，结构和制作工艺简单、综合性能优良，成本低廉的应数电阻型金属氧化物半导体气体传感器。鉴于作为气体敏感材料的氧化物半导体材料如SnO₂、ZnO、Fe₂O₃、TiO₂等需要加热到较高温度（如300℃左右）时才显现较好的敏感特性。由于近年来的Si微机械加工技术迅速发展，它们被引进气体传感器的制作工艺，为气体传感器摆脱传感工艺的限制，向小型化、低功耗、进而向集成化、智能化方向发展开辟一条新途径。以Si材料为主的各种先进微结构低功耗气体传感器的研制成为当前半导体气体传感器的研究热点。

分析上述研究背景可知，微热板是采用微电子技术和微机械加工技术在硅衬底上制成的一种微型平板式加热器。对于设计热损耗小、热电响应快、与集成电路工艺兼容性好的微热板热是金属氧化物气体传感器的重点和难点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种MOS型气体传感器及制备方法，其功耗低，响应快速，MEMS微加热结构与CMOS工艺兼容，减小了工艺难度，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述MOS型气体传感器，包括用于确定是否存在待检测气体的气体感应结构，在所述气体感应结构的下方设置用于对气体感应结构加热的MEMS微加热结构，所述MEMS微加热结构通过电隔离层与气体感应结构绝缘隔离；

所述MEMS微加热结构包括承载衬底，在所述承载衬底内的上部设有隔热空腔，所述隔热空腔位于承载衬底的中心区；在承载衬底的上方设置用于支撑加热层的绝热层，加热层位于隔热空腔的正上方，电隔离层支撑在加热层上，气体感应结构支撑在电隔离层上，电隔离层以及气体感应结构均位于隔热空腔的正上方。

所述气体感应结构包括设置在电隔离层上的叉指敏感电极以及位于所述叉指敏感电极上的金属氧化物敏感层。

所述承载衬底上设置保护层，所述保护层位于绝热层与承载衬底间，且绝热层支撑在保护层上，在所述绝热层上设置导热层，所述加热层支撑在导热层上。

所述保护层包括氧化硅层，绝热层包括氧化硅层；所述导热层包括氮化硅层，加热层为多晶硅层。

一种MOS型气体传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

a、提供承载衬底，并在所述承载衬底的上表面上设置保护层；

b、选择性地掩蔽和刻蚀所述保护层，以得到贯通所述保护层的干法刻蚀释放阵列口；

c、利用上述的干法刻蚀释放阵列口对承载衬底进行干法刻蚀，以在承载衬底内的上部得到隔热空腔，所述隔热空腔位于承载衬底的中心区；

d、在上述承载衬底上设置覆盖在保护层的绝热层，并在所述绝热层上设置覆盖绝热层的导热层；

e、在上述导热层上淀积加热材料层，并对所述加热材料层进行图形化，以得到位于隔热空腔正上方的加热层；

f、在上述加热层上生长电隔离层，并在所述电隔离层上设置气体感应结构，所述电隔离层、气体感应结构均位于隔热空腔的正上方。

所述保护层为氧化硅层，干法刻蚀释放阵列口在承载衬底上方呈圆形，干法刻蚀释放阵列口包括若干贯通保护层的通孔，所述通孔的直径为0.5μm~2μm，通孔轴心之间的间距为5μm~20μm。

通过XeF₂气体对承载衬底进行干法刻蚀，绝热层为通过化学气相沉积设置在保护层上的氧化硅层，导热层为通过化学气象沉积覆盖在绝热层上的氮化硅层。

所述气体感应结构包括设置在电隔离层上的叉指敏感电极以及位于所述叉指敏感电极上的金属氧化物敏感层。

所述叉指敏感电极的厚度为30nm~60nm，叉指敏感电极内叉指条的间距为5μm~50μm。

所述金属氧化物敏感层包括TiO₂敏感膜层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、在保护层上设置干法刻蚀释放阵列口，在得到干法刻蚀释放阵列口后使用XeF₂干法刻蚀承载衬底，再用化学气相沉积法（PECVD）制备绝热层、导热层填充干法刻蚀释放阵列口，以形成表面平整且呈悬浮状的MEMS维加热结构。与现有在气体传感器的顶层干法释放口，最后使用XeF₂干法刻蚀承载衬底的方法，本发明能增加金属氧化物敏感层的敏感区域面积，保持表面结构的完整性；避免了XeF₂气体对金属氧化物敏感层的影响；增加了器件的结构稳定性；保持了器件的完整性，避免XeF₂气体对导热层、绝热层的破坏；避免由于器件尺寸过大，无法形成悬浮结构的后果；操作简便，对后续的实验步骤没有影响。

2、与现有技术中采用KOH湿法腐蚀相比，本发明采用XeF₂对承载衬底进行干法刻蚀，增加了稳定性；避免湿法腐蚀对金属氧化物敏感层带来的影响，没有刻蚀污染；刻蚀设备相对简单，对环境容忍度较高，成本低，制备与CMOS工艺兼容的气体传感器。

3、与现有技术中采用TMAH湿法腐蚀相比，本发明采用XeF₂对承载衬底进行干法刻蚀，增加了稳定性；对承载衬底刻蚀速率快，提高刻蚀效率；避免湿法腐蚀对金属氧化物敏感层带来的影响；操作简便，制备与CMOS工艺兼容的气体传感器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2~图12为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中

图2为本发明在承载衬底上设置保护层后的剖视图。

图3为本发明得到干法刻蚀释放阵列口后的剖视图。

图4为本发明利用XeF₂气体进行干法刻蚀在承载基板内得到沟槽后的剖视图。

图5为本发明在承载基板内得到隔热空腔后的剖视图。

图6为本发明得到绝热层后的剖视图。

图7为本发明得到导热层后的剖视图。

图8为本发明得到加热材料层后的剖视图。

图9为本发明得到加热层后的剖视图。

图10为本发明得到电隔离层后的剖视图。

图11为本发明得到叉指敏感电极后的剖视图。

图12为本发明得到金属氧化物敏感层后的剖视图。

附图标记说明：1-承载衬底、2-保护层、3-干法刻蚀释放阵列口、4-沟槽、5-绝热层、6-导热层、7-加热材料层、8-加热层、9-电隔离层、10-叉指敏感电极、11-金属氧化物敏感层、12-隔热空腔以及13-弧形底。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图12所示：为了达到低功耗、响应快速，与CMOS工艺兼容的目的，本发明包括用于确定是否存在待检测气体的气体感应结构，在所述气体感应结构的下方设置用于对气体感应结构加热的MEMS微加热结构，所述MEMS微加热结构通过电隔离层9与气体感应结构绝缘隔离；

所述MEMS微加热结构包括承载衬底1，在所述承载衬底1内的上部设有隔热空腔12，所述隔热空腔12位于承载衬底1的中心区；在承载衬底1的上方设置用于支撑加热层8的绝热层5，加热层8位于隔热空腔12的正上方，电隔离层9支撑在加热层8上，气体感应结构支撑在电隔离层9上，电隔离层9以及气体感应结构均位于隔热空腔12的正上方。

具体地，MEMS微加热结构能实现对气体感应结构的加热，当通过MEMS微加热结构对气体感应结构到设定温度时，通过气体感应结构与气体接触后能实现对气体的检测，以确定是否存在待检测的气体类型。承载衬底1内上部的中心区设置隔热空腔12，通过隔热空腔12使得承载衬底1呈开口状，隔热空腔12上部的开口能通过绝热层5进行遮挡，加热层8、电隔离层9以及气体感应结构均位于隔热空腔12的区域范围内，即通过隔热空腔12能使得加热层8、电隔离层9以及气体感应结构能与承载衬底1隔离，能减少在浓度检测过程中的功耗损耗，提高气体传感器的响应速度。

所述气体感应结构包括设置在电隔离层9上的叉指敏感电极10以及位于所述叉指敏感电极10上的金属氧化物敏感层11。在具体实施时，根据检测气体的类型不同，金属氧化物敏感层11的材料不同，如对氢气以及甲醛检测时，金属氧化物敏感层11可以采用TiO₂敏感层；此外，金属氧化物敏感层11的材料不同时，MEMS微加热结构需要对气体感应结构的加热温度也有所不同，金属氧化物敏感层11的材料以及MEMS微加热结构对气体感应结构的加热温度选择为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。当选定金属氧化物敏感层11后，金属氧化物敏感层11与叉指敏感电极10间形成电容结构，通过叉指敏感电极10的焊盘能将相应的气体类型输出，具体检测过程为本技术领域人员所熟知，具体过程不再赘述。

所述承载衬底1上设置保护层2，所述保护层2位于绝热层5与承载衬底1间，且绝热层5支撑在保护层2上，在所述绝热层5上设置导热层6，所述加热层8支撑在导热层6上。

所述保护层2包括氧化硅层，绝热层5包括氧化硅层；所述导热层6包括氮化硅层，加热层8为多晶硅层。

本发明实施例中，通过保护层2能对承载衬底1的上表面进行保护，以在承载衬底1的中心区域形成隔热空腔12；保护层2覆盖承载衬底1整个上表面，绝热层5覆盖在保护层2上，导热层6覆盖在绝热层5上，通过导热层6能提高加热层8在加热过程中的温度均匀。

如图2~图12所示，上述结构的MOS型气体传感器，可以通过下述工艺步骤制备得到，具体地，所述制备方法包括如下步骤：

a、提供承载衬底1，并在所述承载衬底1的上表面上设置保护层2；

如图2所示，承载衬底1的材料可以选择硅等，保护层2可以为氧化硅层，保护层2生长在承载衬底1的上表面上；

b、选择性地掩蔽和刻蚀所述保护层2，以得到贯通所述保护层2的干法刻蚀释放阵列口3；

如图3所示，通过对保护层2进行掩蔽和刻蚀，得到贯通保护层2的干法刻蚀释放阵列口3，所述干法刻蚀释放阵列口3位于承载衬底1的上方，且与承载衬底1的中心区域相对应。干法刻蚀释放阵列口3在承载衬底1上方呈圆形，干法刻蚀释放阵列口3包括若干贯通保护层2的通孔，所述通孔的直径为0.5μm~2μm，通孔轴心之间的间距为5μm~20μm。

c、利用上述的干法刻蚀释放阵列口3对承载衬底1进行干法刻蚀，以在承载衬底1内的上部得到隔热空腔12，所述隔热空腔12位于承载衬底1的中心区；

如图4和图5所示，通过XeF₂气体对承载衬底1进行干法刻蚀，在对承载衬底1进行干法刻蚀时，在与干法刻蚀释放阵列口3内通孔对应的区域形成沟槽4，所述沟槽4从承载衬底1的上表面向下延伸；随着对承载衬底1的不断刻蚀，最终在承载衬底1内形成隔热空腔12，所述隔热空腔12的底部形成若干弧形底13。隔热空腔12在承载衬底1内的纵向深度为30μm，隔热空腔12的上方具有保护层2，位于隔热空腔12上方的保护层2能形成悬浮结构，同时，隔热空腔12通过干法刻蚀释放阵列口3能与外部相连通。在对承载衬底1进行干法刻蚀时，通过保护层2能对承载衬底1中心区域外的表面进行保护，本发明实施例中，承载衬底1的中心区域即为用于形成气体传感器的敏感区域。

d、在上述承载衬底1上设置覆盖在保护层2的绝热层5，并在所述绝热层5上设置覆盖绝热层5的导热层6；

如图6和图7所示，在上述形成隔热空腔12的承载衬底1上利用化学气相沉积（PECVD）设置绝热层5，在绝热层5上利用化学气相沉积（PECVD）设置导热层6，通过绝热层5能实现承载衬底1与上方的绝热，通过导热层6以及绝热层5能对保护层2上的干法刻蚀释放阵列口3进行封堵，以使得隔热空腔12形成密闭的空腔。在形成绝热层5以及导热层6的过程中，也会在隔热空腔12内的弧形底13上聚积绝热层材料以及导热层材料，但在隔热空腔12内聚积的绝热层材料以及导热层材料不会影响整个气体传感器的检测性能。

e、在上述导热层6上淀积加热材料层7，并对所述加热材料层7进行图形化，以得到位于隔热空腔12正上方的加热层8；

如图8和图9所示，加热材料层7为多晶硅层，加热材料层7可以通过低压化学气相沉积法（LPCVD）设置在导热层6上。具体实施时，得到加热材料层7后可以进行掺杂以及快速退火的常规步骤，通过掺杂调节形成加热层8的导电能力，快速退火的温度一般为1050℃，退火时间为30秒。对加热材料层7进行图形化的目的为保证得到的加热层8位于隔热空腔12的正上方，加热层8采用多晶硅层，能保证整个制备过程与CMOS工艺相兼容。

f、在上述加热层8上生长电隔离层9，并在所述电隔离层9上设置气体感应结构，所述电隔离层9、气体感应结构均位于隔热空腔12的正上方。

如图10、图11以及图12所示，电隔离层9为氧化硅层，通过电隔离层9能保证加热层8与气体感应结构的绝缘隔离。具体实施时，所述气体感应结构包括设置在电隔离层9上的叉指敏感电极10以及位于所述叉指敏感电极10上的金属氧化物敏感层11。所述叉指敏感电极10的厚度为30nm~60nm，宽度为5μm~10μm，叉指敏感电极10内叉指条的间距为5μm~50μm。叉指敏感电极10的材料一般为Pt。

所述金属氧化物敏感层11包括TiO₂敏感膜层，采用TiO₂敏感膜层的金属氧化物敏感层11能实现H2以及甲醛浓度检测。制备TiO₂敏感膜层时，使用磁控溅射的方法，使用纯净的Ti靶作为轰击材料，制备的晶粒直径在30纳米，膜层的厚度在100纳米左右，之后进行400℃~600℃退火处理，Ti原子逐渐向Tio2晶体的锐钛矿晶相转变。金属氧化物敏感层11的材料以及制备过程均为本技术领域人员所熟知，只要能实现所需气体的浓度检测即可，此处不再赘述。

本发明在保护层2上设置干法刻蚀释放阵列口3，在得到干法刻蚀释放阵列口3后使用XeF₂干法刻蚀承载衬底1，再用化学气相沉积法（PECVD）制备绝热层5、导热层6填充干法刻蚀释放阵列口3，以形成表面平整且呈悬浮状的MEMS维加热结构。与现有在气体传感器的顶层干法释放口，最后使用XeF₂干法刻蚀承载衬底1的方法，本发明能增加金属氧化物敏感层11的敏感区域面积，保持表面结构的完整性；避免了XeF₂气体对金属氧化物敏感层11的影响；增加了器件的结构稳定性；保持了器件的完整性，避免XeF₂气体对导热层5、绝热层6的破坏；避免由于器件尺寸过大，无法形成悬浮结构的后果；操作简便，对后续的实验步骤没有影响。

与现有技术中采用KOH湿法腐蚀相比，本发明采用XeF₂对承载衬底1进行干法刻蚀，增加了稳定性；避免湿法腐蚀对金属氧化物敏感层11带来的影响，没有刻蚀污染；刻蚀设备相对简单，对环境容忍度较高，成本低，制备与CMOS工艺兼容的气体传感器。

与现有技术中采用TMAH湿法腐蚀相比，本发明采用XeF₂对承载衬底1进行干法刻蚀，增加了稳定性；对承载衬底1刻蚀速率快，提高刻蚀效率；避免湿法腐蚀对金属氧化物敏感层11带来的影响；操作简便，制备与CMOS工艺兼容的气体传感器。

此实施例可以用来说明本发明的结构和制造过程，但本发明的实施绝不仅限于此实施例。在不脱离本发明及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明的保护范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种MOS型气体传感器，其特征是：包括用于确定是否存在待检测气体的气体感应结构，在所述气体感应结构的下方设置用于对气体感应结构加热的MEMS微加热结构，所述MEMS微加热结构通过电隔离层（9）与气体感应结构绝缘隔离；

所述MEMS微加热结构包括承载衬底（1），在所述承载衬底（1）内的上部设有隔热空腔（12），所述隔热空腔（12）位于承载衬底（1）的中心区；在承载衬底（1）的上方设置用于支撑加热层（8）的绝热层（5），加热层（8）位于隔热空腔（12）的正上方，电隔离层（9）支撑在加热层（8）上，气体感应结构支撑在电隔离层（9）上，电隔离层（9）以及气体感应结构均位于隔热空腔（12）的正上方。

2.根据权利要求1所述的MOS型气体传感器，其特征是：所述气体感应结构包括设置在电隔离层（9）上的叉指敏感电极（10）以及位于所述叉指敏感电极（10）上的金属氧化物敏感层（11）。

3.根据权利要求1所述的MOS型气体传感器，其特征是：所述承载衬底（1）上设置保护层（2），所述保护层（2）位于绝热层（5）与承载衬底（1）间，且绝热层（5）支撑在保护层（2）上，在所述绝热层（5）上设置导热层（6），所述加热层（8）支撑在导热层（6）上。

4.根据权利要求3所述的MOS型气体传感器，其特征是：所述保护层（2）包括氧化硅层，绝热层（5）包括氧化硅层；所述导热层（6）包括氮化硅层，加热层（8）为多晶硅层。

5.一种MOS型气体传感器的制备方法，其特征是，所述制备方法包括如下步骤：

（a）、提供承载衬底（1），并在所述承载衬底（1）的上表面上设置保护层（2）；

（b）、选择性地掩蔽和刻蚀所述保护层（2），以得到贯通所述保护层（2）的干法刻蚀释放阵列口（3）；

（c）、利用上述的干法刻蚀释放阵列口（3）对承载衬底（1）进行干法刻蚀，以在承载衬底（1）内的上部得到隔热空腔（12），所述隔热空腔（12）位于承载衬底（1）的中心区；

（d）、在上述承载衬底（1）上设置覆盖在保护层（2）的绝热层（5），并在所述绝热层（5）上设置覆盖绝热层（5）的导热层（6）；

（e）、在上述导热层（6）上淀积加热材料层（7），并对所述加热材料层（7）进行图形化，以得到位于隔热空腔（12）正上方的加热层（8）；

（f）、在上述加热层（8）上生长电隔离层（9），并在所述电隔离层（9）上设置气体感应结构，所述电隔离层（9）、气体感应结构均位于隔热空腔（12）的正上方。

6.根据权利要求5所述MOS型气体传感器的制备方法，其特征是：所述保护层（2）为氧化硅层，干法刻蚀释放阵列口（3）在承载衬底（1）上方呈圆形，干法刻蚀释放阵列口（3）包括若干贯通保护层（2）的通孔，所述通孔的直径为0.5μm~2μm，通孔轴心之间的间距为5μm~20μm。

7.根据权利要求5所述MOS型气体传感器的制备方法，其特征是：通过XeF₂气体对承载衬底（1）进行干法刻蚀，绝热层（5）为通过化学气相沉积设置在保护层（2）上的氧化硅层，导热层（6）为通过化学气象沉积覆盖在绝热层（5）上的氮化硅层。

8.根据权利要求5所述MOS型气体传感器的制备方法，其特征是：所述气体感应结构包括设置在电隔离层（9）上的叉指敏感电极（10）以及位于所述叉指敏感电极（10）上的金属氧化物敏感层（11）。

9.根据权利要求8所述MOS型气体传感器的制备方法，其特征是：所述叉指敏感电极（10）的厚度为30nm~60nm，叉指敏感电极（10）内叉指条的间距为5μm~50μm。

10.根据权利要求8所述MOS型气体传感器的制备方法，其特征是：所述金属氧化物敏感层（11）包括TiO₂敏感膜层。