CN1059962C - 一种可集成多功能湿光敏元件及其制造方法 - Google Patents

一种可集成多功能湿光敏元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种可集成的多功能湿光敏元件及其制造方法。其方法是在硅外延片或硅单晶片上采用氩离子镀膜技术与硅平面工艺的兼容性制成含有MIOS电容器与薄膜平面电阻器构成的复合结构，其敏感膜是在SiO2/Si衬底上用氩离子镀膜技术镀上钛酸镧锶或钛酸镧钡。本湿光敏元件由铝电极、管座电极、敏感膜、二氧化硅层、硅外延层、硅衬底、金膜层、管座封装在一起构成。本方法为元件集成微型化提供可能；本元件结构独特、多功能，便于工业化生产，产品质量高。

Description

一种可集成多功能湿光敏元件及其制造方法
本发明是一种可集成多功能湿、光敏元件及其制造方法，属微电子技术领域，特别涉及敏感元件的制备技术。
敏感元件及传感器是一个国家的工业基础之一，发展敏感元件及传感器，能加速工业现代化的进程，促进国民经济的发展。世界各国对敏感元件及传感器的研究非常重视，湿、光敏元件及传感器乃属重要的发展内容。目前湿、光敏元件及传感器应用比较普遍，但现有的敏感元件为分立式结构，体积较大，不利于微型化和集成化。
本发明的目的就是为了克服现有敏感元件为分立式结构、体积较大、不利于微型化和集成化，研究设计及制造一种有较稳定的化学物理特性、体积小、便于工业化生产、能够微型化的可集成多功能湿光敏元件及其制造方法。
本发明是通过下述的制造方法方案和可集成多功能湿光敏元件的结构技术方案来实现的：本湿光敏元件制造方法是在硅外延片或硅单晶片上热生长二氧化硅层，采用离子束镀膜技术与硅平面工艺的兼容性，在一定的工艺条件下，制成一个含有MIOS电容器与薄膜型平面电阻器组成的复合结构，其敏感膜是在SiO2/Si衬底上用离子束镀膜技术镀上钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧钡Ba1-xLaxTiO3；这里的一定工艺条件，即是：(1)氧化条件，温度为850℃～950℃，氧气流量为800～1000ml/min，时间为25～30min；(2)镀膜条件，采用LD-1型离子束镀膜机镀膜，时间为5～20min，膜厚为0.5～2μm；(3)敏感膜热处理条件，是在氮气或氧气或空气气氛下，温度为400～500℃，热处理5～30min；(4)铝膜厚度为0.4～0.8μm。本可集成多功能湿、光敏元件的结构剖视图如图1所示，其结构俯视图如图2所示。它由铝电极1、2，管座电极3、钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧钡Ba1-xLaxTiO3敏感膜4、二氧化硅(SiO2)层5、n-Si硅外延层6、n+-Si硅衬底7、Au金膜层8、管座9构成，其相互位置及连接关系为：在硅n/n+外延片(层)6、7上通过热生长生长成二氧化硅(SiO2)层5，接着用离子束镀膜技术镀上钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧锶Ba1-xLaxTiO3敏感膜4，再用硅平面工艺制作上部铝电极1、2和背面欧姆接触层(金膜层)8，管座电极3烧焊在管座9底部，最后安装在管座9上并压焊内引线。这样由铝电极1与管座电极3之间构成的MIOS电容器对湿度敏感，而由铝电极1与铝电极2之间构成的薄膜型平面电阻器对可见光敏感，因此本元件成为可集成多功能湿、光敏元件。
本可集成多功能湿、光敏元件的具体制造实例的工艺如下：(一)原材料(1)：硅片，采用晶向为<111>的n/n+型硅外延片，外延层电阻率为0.3～0.6Ω.cm，外延层厚度为10um，衬底厚度约为400um；(2)钛酸镧锶靶，采用高温(1200℃)烧结方法制备的钛酸镧锶靶，经俄歇电子能谱分析，纯度为90％；(二)工艺流程及条件；(1)SiO2膜生长，将硅片按顺序用I、II号清洗液煮沸10min，每次煮沸后均用去离子水冲洗，最后烘干待用；在900℃的氧化炉中用干氧热氧化25min，氧气流量为800ml/min，用椭偏测厚仪测知SiO2膜厚度约25nm；其中：I号液配方：H2O∶NH4OH∶H2O2＝5∶1∶2；II号液配方：H2O∶HCL∶H2O2＝8∶1∶2；(2)SrLaTiO3薄膜的淀积，在镀膜前，将SiO2/Si衬底用去离子水反复冲洗、烘干，用去离子水冲洗SrLaTiO3靶，然后用无水乙醇浸泡10min，除去表面油污，烘干；采用LD-1型离子束镀膜机镀膜，镀膜时间为10min，SrLaTiO3膜厚度约为0.8um；镀膜条件如表1所示；(3)退火，用大量去离子水冲洗样品，接着用无水乙醇浸泡20min，烘干；退火用氮气保护，流量为500ml/min，纯度为99.99％；(4)蒸铝，样品用去离子水清洗后，在无水乙醇中浸泡10min，然后在红外灯下烘干，蒸铝时的真空度为6.67×10-3Pa，时间为50s，铝膜的厚度约为0.5um(5)光刻：①涂胶，光刻胶为负性胶；②前烘，时间为10min，温度为90℃；③曝光，时间为60s；④显影，显影液是丁酮，时间为80s；⑤坚膜，温度为180℃，时间为20min；⑥腐蚀，腐蚀液为磷酸；⑦去胶，在发烟硝酸中浸泡5min，用丙酮棉球擦掉胶膜；(6)硅片背面去掉SiO2层，用棉花球沾上氢氟酸，涂在硅片背面的SiO2层上，2min后用大量的去离子水冲洗样品；(7)衬底背面蒸金、合金，样品经去离子水清洗后，在无水乙醇中浸泡10min，烘干；蒸金的真空度为6.5×10-3Pa，时间为80s，金层厚度为0.8um将蒸金后的样品放到合金炉内进行微合金。炉温为400℃，高纯氮流量为400ml/min，合金20min；(8)划片，用自动划片机，按划片定位线，将大片样品划为一个一个的芯片；(9)装架、烧结。划片后的芯片，分别用甲苯、丙酮、无水乙醇浸泡10min，然后烘干。用银浆把芯片装在金属管座上，在350℃的炉中通N2气进行烧结，时间为20min；(10)热压、封装，在热压机上，将台座加热至220℃，用硅铝丝压焊，连接管芯电极和管脚引出线，用502万能胶把开口的管帽与管座粘接。
本发明与现有技术相比有如下的优点和有益效果：(1)用本发明方法制造的元件，一个元件具有湿敏和光敏两个功能，元件结构独特；(2)本发明方法采用的制造工艺方法与硅平面工艺兼容，为实现集成化微型化提供了可能；(3)钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3膜属于陶瓷，有较稳定的化学物理特性；(4)本发明便于工业化生产，能提高产品质量和经济效益。
下面对说明书附图进一步说明如下：图1为本可集成多功能湿、光敏元件的结构剖视示意图；图2为本可集成多功能湿、光敏元件结构的俯视图。各图中：1、2为铝电极，3为管座电极，4为钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧钡Ba1-xLaxTiO3敏感膜，5为二氧化硅SiO2层，6为n-Si硅外延层，7为n+-Si硅衬底，8为Au金属膜层，9为管座。
本发明的实施方式只要按上面说明书所述的方法方案以及包括原材料、工艺流程、工艺条件等的制造本多功能湿光敏元件的制造实例工艺进行制造，就能较好地实现本发明。发明人曾按此实施方式制造出了一批可集成多功能湿光敏元件并进行了湿敏特性的测试和光敏特性的测试，其测试过程和测试结果如下：
(一)湿敏特性的测试：(1)测试线路设备：XFD-6型低频信号发生器；DA-16型晶体管毫伏表；取样(限流)电阻5.1Ω；(2)测试环境：采用美国国家标准局(NBS)公布的饱和盐溶液蒸汽的相对湿度(见表2)作测试环境；(3)测试条件：f＝0.3～0.5KHz，U＝5±2V；(4)测试结果(T＝27℃，f＝0.3KHz，U＝5V)在表3列出。
(二)光敏特性的测试：(1)测试设备：钨丝灯泡，调压器，LX-101型照度计，WYJJ-30V-3A型直流稳压电源，DT9103A型万用电表，限流电阻5.6Ω；(2)测试条件：白光，V＝5～10V；(3)薄膜电阻光敏特性的测试结果(T＝27℃，RH＝50％，U＝5V)在表4中列出。
表1
    屏栅电压     600V
    屏栅电流     10mA
    加速栅     70V
    阳极电压     50V
    灯丝电压     12.5V
    灯丝电流     15A
表2：
  温度(℃)            NBS饱和盐溶液的相对湿度(％)
  LiCl.H2O  MgCl2.6H2O  Mg(NO3)2.6H2O     NaCl     KNO3
   12     12.8     33.9     56.3     75.3     94.4
   20     12.4     33.6     54.9     75.5     93.2
   25     12     33.2     53.4     75.8     92
   30     11.8     32.8     52     75.6     90.7
   35     11.7     32.5     50.6     75.5     89.3
表3
Figure C9810913400061
表3中响应时间为电流上升至63.7％和下降至36.3％时所需的时间。测试结果表明，本元件的电流相对变化率为78％～296％，响应时间较短，有较好的湿敏特性，已达到或超过现有大体积的分立元件指标。
表4：
表4中响应时间为电流上升或下降至50％时所需的时间。测试结果表明本元件的电流相对变化率为178％～1150％，对可见光有良好的敏感特性。

Claims (3)

1、一种可集成多功能湿光敏元件，其特征在于：它由铝电极(1)、(2)，管座电极(3)、钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧钡Ba1-xLaxTiO3敏感膜(4)、二氧化硅SiO2层(5)、n-Si硅外延层(6)、n+-Si硅衬底(7)、Au金膜层(8)、管座(9)构成，其相互位置及连接关系为：在硅n/n+外延片(层)(6)、(7)上通过热生长生长成二氧化硅SiO2层(5)，接着用离子束镀膜技术镀上钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧钡Ba1-xLaxTiO3敏感膜(4)，再用硅平面工艺制作上部铝电极(1)、(2)和背面欧姆接触金膜层(8)，管座电极(3)烧焊在管座(9)底部，最后安装在管座(9)上并压焊内引线。
2、一种可集成多功能湿光敏元件的制造方法，其特征在于：它是在硅外延片或硅单晶片上热生长二氧化硅层，采用离子束镀膜技术与硅平面工艺的兼容性，在一定的工艺条件下制成一个含有MIOS电容器和薄膜型平面电阻器组成的复合结构，其敏感膜是在SiO2/Si衬底上用氩离子镀膜束技术镀上钛酸镧锶Sr1-xLaxTiO3或钛酸镧钡。
3、按权利要求2所述的一种可集成多功能湿光敏元件的制造方法，其特征在于：所述的一定工艺条件，即是：(1)氧化条件，温度为850℃～950℃，氧气流量为800～1000ml/min，时间为25～30min；(2)镀膜条件，采用LD-1型离子束镀膜机镀膜，时间为5～20min，膜厚为0.5～2μm；(3)敏感膜热处理条件，是在氮气或氧气或空气气氛下，温度为400～500℃，热处理5～30min；(4)铝膜厚度为0.4～0.8μm。
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