CN107462609A - 纳米气敏传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种纳米气敏传感器及其形成方法,其中纳米气敏传感器包括:衬底;依次悬空于衬底表面的第一气敏单元和第二气敏单元;位于所述第一气敏单元和第二气敏单元的两侧的工作电极。本发明实施例的纳米气敏传感器灵敏度高,本发明实施例的纳米气敏传感器形成方法步骤简单。
Description
技术领域
本发明涉及纳米气敏领域,特别涉及一种纳米气敏传感器及其形成方法。
背景技术
由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性,因此其在电子材料、光学材料、催化、传感、陶瓷增韧等方面都有着广阔的应用前景。
但是,随着社会进步和科技发展,用户对传感器的要求也越来越高,现有的纳米气敏传感器的灵敏度已经无法满足需求,且现有的纳米传感器制造较落后,因此,亟待一种新型的纳米气敏传感器和形成方法。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种纳米气敏传感器及其形成方法。
本发明提供一种纳米传感器的形成方法,包括:提供衬底;在所述衬底表面形成第一介质层;在所述第一介质层表面形成第一气敏层;在所述第一气敏层表面形成隔热层;在所述隔热层表面形成第二气敏层;在所述第二气敏层表面形成硬掩膜层;对所述衬底进行退火,使得第一气敏层和第二气敏层具有的纳米晶面不相同;在硬掩膜层上形成图案,沿所述图案依次刻蚀硬掩膜层、第二气敏层、隔热层、第一气敏层和第一介质层,直至暴露出衬底,形成第一气敏单元和第二气敏单元;去除硬掩膜层;形成覆盖所述衬底和第一敏单元和第二气敏单元的第二介质层;在所述第二介质层表面形成掩膜图形,以所述掩膜图形为掩膜,去除第二介质层直至暴露出衬底,且暴露出第二气敏单元表面以及隔热层和第一介质层的侧面;侧向选择性去除第二气敏单元下方的隔热层以及第一气敏单元下方的第一介质层,使得第一气敏单元和第二气敏单元悬空,从而使得第一气敏单元暴露出的纳米晶面与第二气敏单元暴露出的纳米晶面不相同;在第一气敏单元和第二气敏单元的两侧形成工作电极。
可选的,所述第一气敏层与第二气敏层材料相同。
可选的,所述第一气敏层和第二气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
可选的,所述第一气敏层或第二气敏层的暴露出的纳米晶面为{001}、{110}或{111}。
可选的,所述第一气敏层和第二气敏层厚度相同。
可选的,所述第一气敏层和第二气敏层厚度不同。
可选的,所述第二气敏层的厚度大于所述第一气敏层厚度。
可选的,所述第一介质层为氧化硅。
可选的,所述隔热层为氮化硅。
本发明还提供一种采用上述任一实施例形成的纳米传感器,包括:衬底;依次悬空于衬底表面的第一气敏单元和第二气敏单元;位于所述第一气敏单元和第二气敏单元的两侧的工作电极。
与现有技术相比,本发明的纳米传感器灵敏度高,本发明的纳米传感器的形成方法工艺简单。更进一步地,本发明形成暴露晶面不同的第一气敏单元和第二气敏单元,从而能对气体具有选择性。
附图说明
图1至图20为本发明一实施例的纳米传感器的形成方法过程示意图。
具体实施方式
现有的气敏传感器的灵敏度较低,无法满足日益增长的需求。另外现有的纳米传感器制造步骤繁杂,制造成本高。
为此,本发明的发明人提出一种优化的纳米气敏传感器的形成方法,能够采用一步退火,同时形成露出的纳米晶面不相同的第一气敏单元和第二气敏单元,节约了工艺步骤,且形成的纳米气敏传感器悬空于衬底表面上,具有较多暴露的表面积,灵敏度高。
下面结合具体实施例对纳米气敏传感器的形成方法进行详细描述。
请参考图1,提供衬底100。
所述衬底100为后续工艺的工作平台。所述衬底100的材料选自单晶硅、多晶硅、非晶硅、或玻璃衬底;所述衬底100也可以选择硅、锗、砷化镓或者硅锗化合物;所述衬底100还可以选择具有外延层或外延层上硅结构;所述衬底100还可以是其他半导体材料,本领域的技术人员可以根据工艺需要合理选择衬底的类型、材料和种类,在此特意申明,不应过分限制本发明的保护范围。
在一些实施例中,所述衬底100的厚度为500纳米至5微米。
请参考图2,在所述衬底100表面形成第一介质层110。
所述第一介质层110为氧化硅。所述第一介质层110作为牺牲层,后续选择性去除以使得第一气敏单元悬空。所述第一介质层110的厚度可以为100纳米至500纳米。所述第一介质层110的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图3,在所述第一介质层110的表面形成第一气敏层120。
所述第一气敏层120的材料可以为氧化钛、氧化锡或氧化锌。所述第一气敏层120的厚度为50纳米至1000纳米。所述第一气敏层120后续用于形成气敏单元。所述第一气敏层120的形成工艺可以为化学气相沉积或者水热反应工艺。
请参考图4,在所述第一气敏层120表面形成隔热层130。
所述隔热层130具有如下作用:第一,在后续退火工艺中使得第一气敏层和第二气敏层的温度不同;第二,作为后续悬空第二气敏单元的牺牲层。
所述隔热层130的材料为氮化硅。所述隔热层130的厚度为200纳米至1微米。需要说明的是,本领域的技术人员可以根据实际需要,合理的选择所述隔离层的厚度,在此特意声明,不应过分限制本发明的保护范围。
请参考图5,在所述隔热层130表面形成第二气敏层140。
所述第二气敏层140的材料可以为氧化钛、氧化锡或氧化锌。所述第二气敏层140的厚度为50纳米至1000纳米。所述第二气敏层140后续用于形成气敏单元。所述第二气敏层140的形成工艺可以为化学气相沉积或者水热反应工艺。
需要说明的是,所述第二气敏层140的厚度可以与第一气敏层120的厚度相同或者不同。
在一些实施例中,所述第二气敏层140的厚度与第一气敏层120的厚度不同,从而能够更大窗口的实现一步退火而形成的第一气敏层120的纳米晶面与第二气敏层140不相同。
请参考图6,在所述第二气敏层140表面形成硬掩膜层150。
所述硬掩膜层150用于保护所述第二气敏层140并在后续图形化中作为刻蚀掩膜层。所述硬掩膜层150的厚度为200纳米至500纳米。所述硬掩膜层150的材料为氮化硅、氮氧化硅。所述硬掩膜层150的形成工艺为化学气相沉积工艺。
请参考图7,对所述衬底100进行退火,使得第一气敏层120和第二气敏层140具有的纳米晶面不相同。
需要说明的是,本发明的发明人发现,氧化钛、氧化锡或氧化锌退火工艺的温度不同,退火后形成的纳米晶面也不同。所述纳米晶面可以为{001}、{110}或{111}。
为此,本发明的发明人通过在第一气敏层120和第二气敏层140之间形成隔热层130,从而在同时退火时,第一气敏层120和第二气敏层140的退火温度不同,使得第一气敏层120和第二气敏层140具有的纳米晶面不相同。
在一些实施例中,第一气敏层120和第二气敏层140的厚度相同。
在另一些实施例中,为了使得退火的窗口优化,可以使得第二气敏层140的厚度大于第一气敏层120的厚度,使得在同时退火工艺中,能够更佳地实现第一气敏层120和第二气敏层140的退火温度不同。
在一些实施例中,所述退火可以采用快速热退火。作为一些实施例,退火温度为500摄氏度至800摄氏度,退火载气为Ar或N2,退火载气的流量为0.5升/分钟-10升/分钟,退火时间为2分钟至30分钟。
在一些实施例中,所述退火可以为激光退火,激光波长为308nm,能量为20J/cm2-50J/cm2,重复率为220Hz至280Hz;需要说明的是,由于激光退火时,入射时会受沉积在所述衬底100上的各层之间的界面的反射,因此,可以通过调整激光退火的多项参数,使得第一气敏层120和第二气敏层140的退火温度不同。
在一些实施例中,对所述衬底100进行退火还可以为多次退火工艺,例如,对所述衬底100进行退火包括第一退火和第二退火,其中第一退火具有第一退火时间和第一退火温度,其中第二退火具有第二退火时间和第二退火温度,作为一些实施例中,第一退火温度为300摄氏度至600摄氏度,退火载气为Ar,退火载气的流量为0.3升/分钟-5升/分钟,退火时间为0.5分钟至10分钟;第二退火温度为600摄氏度至800摄氏度,退火载气为N2,退火载气的流量为1升/分钟-20升/分钟,退火时间为10分钟至15分钟。需要说明的是,采用多次退火工艺,能够更佳地使得第一气敏层120和第二气敏层140具有的纳米晶面不相同。
在一些实施例中,为了更优地形成第一气敏层120和第二气敏层140具有的纳米晶面不相同,可以采用辅助试剂,所述辅助试剂可以为氢氟酸,氟化铵,氟化氢按,四氟化钛或盐酸;作为一些实施例,采用快速热退火工艺,退火温度为600摄氏度至800摄氏度,退火载气为Ar或N2,辅助试剂氟化氢按与四氟化钛的混合气体,其中,退火载气的流量为1升/分钟-20升/分钟,辅助试剂的流量为5升/分钟-40升/分钟;由于隔热层的存在,使得第一气敏层120和第二气敏层140的温度存在差异,例如,第二气敏层140的温度为低于600摄氏度,从而形成锐钛矿相,而第一气敏层120的温度高于700摄氏度,从而形成金红石相,且在辅助试剂的存在环境中,第一气敏层120暴露出{001}面,而第二气敏层140暴露出{111}面。
参考图8和图9,其中,图8为俯视图,图9为沿图8中AA线的剖面图。
在硬掩膜层150上形成图案,沿所述图案依次刻蚀硬掩膜层150、第二气敏层140、隔热层130、第一气敏层120和第一介质层110,直至暴露出衬底100,形成第一气敏单元121和第二气敏单元141。
作为一些实施例,在所述硬掩膜层150上形成光刻胶图形(未示出),所述光刻胶图形与第一气敏单元121和第二气敏单元141对应。沿所述光刻胶图形刻蚀所硬掩膜层150,所述刻蚀工艺为等离子体刻蚀工艺,将光刻胶图形转移至所述硬掩膜层150。
然后去除所述光刻胶图形,以所述硬掩膜层为掩膜,采用各向异性刻蚀工艺,刻蚀第二气敏层140、隔热层130、第一气敏层120和第一介质层110。其中,刻蚀第二气敏层140、隔热层130、第一气敏层120和第一介质层110可以采用一步刻蚀,也可以采用多步刻蚀。
作为一些实施例,采用一步刻蚀工艺可以为采用CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8或者C5F8中的一种或者几种作为反应气体刻蚀。
作为一实施例,刻蚀工艺参数可以为:选用等离子体型刻蚀设备,刻蚀设备腔体压力为5毫托至35毫托,顶部射频功率为150瓦至700瓦,底部射频功率为50瓦至150瓦,C4F8流量为每分钟5标准立方厘米(5SCCM)至每分钟70标准立方厘米,CO流量为每分钟50标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米,Ar流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟500标准立方厘米,O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米。
作为一些实施例,刻蚀图形可以为长条型。
请参考图10和图11,去除硬掩膜层150。
作为一些实施例,去除硬掩膜层150可以采用湿法去除。将所述衬底100放置于磷酸溶液中,去除所述硬掩膜层。
在另一些实施例中,可以采用等离子体刻蚀,去除所述硬掩膜层150。
请参考图12和图13,形成覆盖所述衬底100和第一气敏单元121和第二气敏单元141的第二介质层160。
所述第二介质层160为氧化硅。第二介质层160的厚度可以为500纳米至1500纳米。所述第二介质层160的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图14、15和16,其中,图14为俯视图,图15为沿图14中AA线的剖面图,图16为沿图14中BB线的剖面图。
在所述第二介质层160表面形成掩膜图形,以所述掩膜图形为掩膜,去除第二介质层160直至暴露出衬底100,且暴露出第二气敏单元表面121以及隔热层130和第一介质层110的侧面。
所述掩膜图形可以采用对光刻胶曝光显影后形成。
所述去除工艺可以为采用CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8或者C5F8中的一种或者几种作为反应气体刻蚀。
作为一实施例,刻蚀工艺参数可以为:选用等离子体型刻蚀设备,刻蚀设备腔体压力为5毫托至35毫托,顶部射频功率为150瓦至700瓦,底部射频功率为50瓦至150瓦,C4F8流量为每分钟5标准立方厘米(5SCCM)至每分钟70标准立方厘米,CO流量为每分钟50标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米,Ar流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟500标准立方厘米,O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米。
请参考图17、18和19,侧向选择性去除第二气敏单元141下方的隔热层130以及第一气敏单元121下方的第一介质层110,使得第一气敏单元121和第二气敏单元141悬空,从而使得第一气敏单元121暴露出的纳米晶面与第二气敏单元141暴露出的纳米晶面不相同。
所述侧向选择性去除工艺可以为湿法去除工艺或者各向同性去除工艺,选择第一气敏单元121与第一介质层110和隔热层130选择刻蚀比大于10的刻蚀工艺,去除隔热层130和第一介质层110。
作为一些实施例,所述侧向选择性去除具体参数包括:刻蚀设备腔体压力为15毫托至50毫托,顶部射频功率为0瓦,底部射频功率为200瓦至400瓦,C4F8流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米,CO流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米,Ar流量为每分钟300标准立方厘米至每分钟600标准立方厘米,O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米。
请参考图20,在第一气敏单元121和第二气敏单元141的两侧形成工作电极(未标示)。
所述工作电极可以采用通孔刻蚀工艺,在第一气敏单元121和第二气敏单元141的两侧刻蚀暴露出第一气敏单元121和第二气敏单元141的通孔,并在通孔内填充金属,形成导电电极。
还需要说明的是,可以通过互连金属线电学连通导电电极,从而将第一气敏单元121和第二气敏单元141并联或者串联,以形成电路。
还需要指出的是,在其他的实施例中,可以形成依次横向或者纵向排列的多个第一气敏单元121和第二气敏单元141,从而构成气敏传感器阵列。
本发明还提供一种采用上述任一实施例形成的纳米气敏传感器,包括:衬底100;依次悬空于衬底100表面的第一气敏单元121和第二气敏单元141;位于所述第一气敏单元121和第二气敏单元141的两侧的工作电极。
本发明采用一步退火,能够形成暴露出的纳米晶面不同的第一气敏单元121和第二气敏单元141,节约了工艺步骤。且本发明的第一气敏单元121和第二气敏单元141悬空,比表面积大,灵敏度高。
进一步地,本发明形成暴露出的纳米晶面不同的第一气敏单元121和第二气敏单元141,从而能对不同的气体具有选择性。
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 (10)
1.一种纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,包括:
提供衬底;
在所述衬底表面形成第一介质层;
在所述第一介质层表面形成第一气敏层;
在所述第一气敏层表面形成隔热层;
在所述隔热层表面形成第二气敏层;
在所述第二气敏层表面形成硬掩膜层;
对所述衬底进行退火,使得第一气敏层和第二气敏层具有的纳米晶面不相同;
在硬掩膜层上形成图案,沿所述图案依次刻蚀硬掩膜层、第二气敏层、隔热层、第一气敏层和第一介质层,直至暴露出衬底,形成第一气敏单元和第二气敏单元;
去除硬掩膜层;
形成覆盖所述衬底和第一敏单元和第二气敏单元的第二介质层;
在所述第二介质层表面形成掩膜图形,以所述掩膜图形为掩膜,去除第二介质层直至暴露出衬底,且暴露出第二气敏单元表面以及隔热层和第一介质层的侧面;
侧向选择性去除第二气敏单元下方的隔热层以及第一气敏单元下方的第一介质层,使得第一气敏单元和第二气敏单元悬空,从而使得第一气敏单元暴露出的纳米晶面与第二气敏单元暴露出的纳米晶面不相同;
在第一气敏单元和第二气敏单元的两侧形成工作电极。
2.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一气敏层与第二气敏层材料相同。
3.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一气敏层和第二气敏层的材料为氧化钛、氧化锡或氧化锌。
4.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一气敏层或第二气敏层的暴露出的纳米晶面为{001}、{110}或{111}。
5.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一气敏层和第二气敏层厚度相同。
6.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一气敏层和第二气敏层厚度不同。
7.如权利要求6所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第二气敏层的厚度大于所述第一气敏层厚度。
8.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述第一介质层为氧化硅。
9.如权利要求1所述的纳米气敏传感器的形成方法,其特征在于,所述隔热层为氮化硅。
10.一种如权利要求1至9任一项形成方法形成的纳米气敏传感器,其特征在于,包括:
衬底;
依次悬空于衬底表面的第一气敏单元和第二气敏单元;
位于所述第一气敏单元和第二气敏单元的两侧的工作电极。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171212 |