CN108918599B - 一种气敏传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种气敏传感器，包括：半导体衬底、位于所述半导体衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层上的氧化锌，所述氧化锌作为气敏层，并且所述氧化锌的类型与半导体衬底不同。本发明制成氧化锌/绝缘层/半导体衬底结构的气敏传感器，结构更简单，其中氧化锌作为气敏层，可以用半导体工艺制作，从而气敏传感器的制作方法与半导体工艺兼容。进一步的，氧化锌包含两层，其中顶层的第二氧化锌膜中形成有阵列排布的凹槽，这样可以增加氧化锌气敏层的比表面积，从而可以提高气敏传感器的灵敏度。

Description

一种气敏传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造工艺领域，更具体地，涉及一种气敏传感器及其形成方法。
背景技术
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器，其中应用最多最广泛的是半导体气敏传感器。
气敏传感器的工作原理是在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用时，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化，从而引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化即可获得准确的反应气体浓度的变化值。
ZnO是一种表面控制型气敏材料，其对CO、C2H5OH、H2、NO2等气体比较敏感，并且其具有物理化学性能稳定，价格低廉等优点，在制备气敏传感器方面得到了广泛应用。但是，市场上ZnO气体传感器应用并不广泛，还有很大的开发空间，值得深入研究。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种气敏传感器及其形成方法，该气敏传感器采用集成电路工艺制备，为ZnO基MOS二极管结构的气敏传感器，以简单的结构实现了较好的灵敏度。
根据本发明的一方面，提出一种气敏传感器，包括：半导体衬底、位于所述半导体衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层上的氧化锌，所述氧化锌作为气敏层，并且所述氧化锌的类型与半导体衬底不同。
优选地，所述氧化锌中具有多个凹槽。
优选地，所述氧化锌包括：第一氧化锌膜、位于所述第一氧化锌薄膜上的第二氧化锌膜，所述凹槽位于所述第二氧化锌膜中；
所述凹槽的深度小于或等于所述第二氧化锌膜的厚度。
优选地，所述凹槽呈阵列排布。
优选地，所述凹槽为圆形凹槽，或，所述凹槽为条形凹槽；
所述条形凹槽两端贯穿所述氧化锌层，或者两端封闭。
优选地，所述气敏传感器还包括第一电极，位于所述氧化锌中；
还包括第一电极窗口，贯穿所述氧化锌以暴露出部分所述第一电极。
优选地，所述氧化锌中掺杂有稀土金属。
优选地，所述氧化锌为轻掺杂氧化锌；
所述气敏传感器还包括第二电极，位于所述衬底和所述绝缘层之间；
还包括第二电极窗口，贯穿所述衬底以暴露出部分所述第二电极。
优选地，所述氧化锌为重掺杂氧化锌；
所述气敏传感器还包括第二电极，位于所述衬底背面。
优选地，所述绝缘层为氧化硅层。
根据本发明的另一方面，提出一种气敏传感器的形成方法，所述方法包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成绝缘层；
在所述绝缘层上沉积形成氧化锌，所述氧化锌的类型与半导体衬底不同。
优选地，在所述绝缘层上形成氧化锌的步骤包括：
在所述绝缘层上沉积形成第一氧化锌膜；
在所述第一氧化锌膜上沉积形成第二氧化锌膜，对所述第二氧化锌膜进行刻蚀形成凹槽，所述凹槽呈阵列排布，所述凹槽为圆形凹槽，或，所述凹槽为条形凹槽；所述条形凹槽两端贯穿所述氧化锌层，或者两端封闭；
在形成第二氧化锌膜之前，还包括，在所述第一氧化锌膜上形成第一电极；
形成第二氧化锌膜之后，还包括：刻蚀所述第二氧化锌膜，形成第一电极窗口，以暴露所述第一电极。
优选地，在所述衬底背面形成第二电极，所述氧化锌为重掺杂氧化锌或者，
在所述衬底和所述绝缘层之间形成第二电极，刻蚀所述衬底形成第二电极窗口，以暴露所述第二电极；所述氧化锌为轻掺杂氧化锌。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：本技术方案制成氧化锌/绝缘层/半导体衬底结构的气敏传感器，结构更简单，其中氧化锌作为气敏层，可以用半导体工艺制作，从而气敏传感器的制作方法与半导体工艺兼容。
进一步的，氧化锌包含两层，其中顶层的第二氧化锌膜中形成有阵列排布的凹槽，这样可以增加氧化锌气敏层的比表面积，从而可以提高气敏传感器的灵敏度。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为根据本发明实施例一的气敏传感器的形成方法的流程图；
图2为第一电极的示意图；
图3为第一电极窗口与第二电极窗口的位置关系图；
图4a为圆形凹槽的俯视图，图4b为条形凹槽的俯视图；
图5为包含圆柱阵列或长条阵列凹槽的气敏传感器的截面图；
图6为根据本发明实施例三的气敏传感器的形成方法的流程图。
附图标记说明：
10-氧化锌
11-半导体衬底
12-第二电极
13-绝缘层
14-第一氧化锌膜
15-第二氧化锌膜
16-第一电极
17-第一电极窗口
18-第二电极窗口
20-凹槽。
具体实施方式
为了提高气敏传感器的灵敏度，半导体衬底、位于所述半导体衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层上的氧化锌，所述氧化锌作为气敏层，并且所述氧化锌的类型与半导体衬底不同。
相应地，本发明还提出了一种气敏传感器的形成方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成绝缘层；
在所述绝缘层上沉积形成氧化锌，所述氧化锌的类型与半导体衬底不同。
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例一
本实施例的气敏传感器的形成方法包括：
参考图1a，提供半导体衬底11。
在本实施例中，半导体衬底11可以为P型衬底，也可以是N型衬底。所述半导体衬底可以但不限于是传统集成电路工艺中的单晶硅衬底、热导率良好的绝缘衬底氮化铝、蓝宝石、金刚石等。
优选在该步骤之前对半导体衬底11进行化学清洗。
参考图1b，在半导体衬底11上形成第二电极12，优选为金属电极，刻蚀半导体衬底11形成第二电极窗口18，以暴露第二电极12。
在本实施例中，通过在半导体衬底11上沉积集成电路中的金属材料，以形成第二电极12。也可以通过在半导体衬底11上沉积与半导体衬底11 类型相反的多晶硅来形成第二电极12。第二电极12厚度优选为
Figure GDA0003220482310000051
参考图1c，在第二电极12上形成绝缘层13。
在本实施例中，通过CVD法获得氧化硅绝缘层。如果前层是掺杂多晶硅，则可以通过氧化获得氧化硅绝缘层13。绝缘层13厚度优选为
Figure GDA0003220482310000061
参考图1d，在绝缘层13上形成第一氧化锌膜14。
在本实施例中，通过共溅射法沉积氧化锌。
所述氧化锌优选掺杂有稀土金属，所述稀土金属为镧La、铈Ce、镨 Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu、钇Y中的一种或多种。
所述氧化锌为轻掺杂氧化锌，其类型与半导体衬底11不同。例如，当半导体衬底11为P衬底，则第一氧化锌膜14由氧化锌形成；当半导体衬底11为N衬底，则第一氧化锌膜14由P型氧化锌形成。第一氧化锌膜14 优选由氧化锌形成，因为本征氧化锌为N型。对于轻掺杂和重掺杂，这里没有严格的定义，对掺杂浓度很高，电阻率很小的半导体定义为重掺杂，例如这里的电阻率为10-3Ω.cm时，肯定是重掺杂的；对于非本征半导体，掺杂电阻率很大，例如几十Ω.cm，为轻掺杂。重掺杂氧化锌的电阻率一般在1Ω.cm以下；轻掺杂氧化锌一般在10Ω.cm以上。电阻率在界限上下波动一点也是可以的。
第一氧化锌膜14厚度优选为
Figure GDA0003220482310000062
参考图1e，在第一氧化锌膜14上形成第一电极16，优选为欧姆接触电极。
利用光刻定义第一电极16的形状，通过PVD或电子束蒸发法沉积欧姆接触金属材料形成第一电极16。欧姆接触金属材料可以是Al,Al/Pt,Al/Au, Ti/Al,Ti/Au,Ti/Al/Pt/Au,Re/Ti/Au等材料。
第一电极16的形状例如为叉指电极，如图2所示。
参考图1f，在第一氧化锌膜14上形成第二氧化锌膜15，并刻蚀第二氧化锌膜15，形成第一电极窗口17，以暴露所述第一电极16。第一电极窗口 17与第二电极窗口18的位置关系如图3所示。
在本实施例中，通过与形成第一氧化锌膜14同样的方式沉积氧化锌，并且氧化锌的掺杂优选与第一氧化锌膜14的相同。
第二氧化锌膜15厚度优选为
Figure GDA0003220482310000071
以上。
参考图1g，对第二氧化锌膜15进行刻蚀形成凹槽20。
在本实施例中，通过对第二氧化锌膜15进行光刻和刻蚀获得凹槽20。凹槽20的设置，可以增加氧化锌气敏层的比表面积，从而可以提高气敏传感器的灵敏度。
通过使氧化锌具有多个凹槽，使得气敏层的比表面积增加，增大了与气体的接触面积，从而为吸附反应提供更多的空间，有效地提高了气敏传感器的灵敏度。
多个凹槽20优选呈阵列排布，以使凹槽20广泛且均匀地分布在整个第二氧化锌膜15中。
凹槽20可以是圆形凹槽，如图4a所示，该图也示出了与圆形凹槽与第一电极窗口16的关系；凹槽20也可以是条形凹槽，如图4b所示的两端贯穿第二氧化锌膜15的条形凹槽，也可以是两端封闭，未贯穿第二氧化锌膜15的条形凹槽，该图也示出条形凹槽与第一电极窗口16的关系。
凹槽20的深度小于或等于第二氧化锌膜15的厚度。
本领域技术人员应当理解，也可以采用其他的方式来增加氧化锌的比表面积。如图5所示，通过将图4b所示的凹槽阵列以外的部分刻蚀掉而在气敏层中形成了圆柱阵列或长条阵列。
实施例二
本发明还提供一种气敏传感器，参考图1g，气敏传感器包括半导体衬底11、绝缘层13以及氧化锌10，其中，氧化锌10作为气敏层，其为轻掺杂氧化锌，并且类型与半导体衬底11不同。
半导体衬底11、绝缘层12、与半导体衬底11不同类型的氧化锌10构成了氧化锌基MOS二极管结构的气敏传感器，其中，氧化锌10作为气敏层，其可以用半导体工艺制作，从而使得该气敏传感器的制作方法与半导体工艺兼容。
当周围环境稳定时，P半导体衬底11、绝缘层12、氧化锌10形成的 MOS二极管的CV曲线也稳定不变。此时若出现还原性气体，例如氢气，还原性气体将电子传递给氧化锌，使得该CV曲线向正方向偏移。通过测定偏移量与还原性气体浓度的关系，可以得出传感器气敏关系曲线。
所述氧化锌优选掺杂有稀土金属，所述稀土金属为镧La、铈Ce、镨 Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu、钇Y中的一种或多种。
在本实施例中，氧化锌10包括第一氧化锌膜14和第二氧化锌膜15，在第二氧化锌膜15中具有多个凹槽20，凹槽20的深度小于或等于第二氧化锌膜15的厚度
多个凹槽20优选呈阵列排布，以使凹槽20广泛且均匀地分布在整个第二氧化锌膜15中。
凹槽20可以是圆形凹槽，如图4 a所示，也可以是条形凹槽，如图4 b 所示的两端贯穿第二氧化锌膜15的条形凹槽，也可以是两端封闭，未贯穿第二氧化锌膜15的条形凹槽。
在氧化锌10中，还包括第一电极16以及第一电极窗口17，第一电极窗口17贯穿第一电极16以上的氧化锌10，以暴露出部分第一电极16。优选地，第一电极16设置在第一氧化锌膜14和第二氧化锌膜15之间。
在本实施例中，该气敏传感器还包括第二电极12和第二电极窗口18，第二电极12设置在半导体衬底11和绝缘层13之间，第二电极窗口18贯穿半导体衬底11以暴露出部分第二电极12。
实施例三
图6a-图6g为根据本发明的第三实施例的气敏传感器的形成方法的流程图，该形成方法与第一实施例的形成方法的区别在于：在半导体衬底11 上直接形成绝缘层13，并且在半导体衬底11背面形成第二电极12；氧化锌10重掺杂氧化锌。
在本实施例中，可以通过在半导体衬底11上热氧化生长氧化层，从而形成绝缘层13。优选采用干氧工艺，绝缘层13厚度在
Figure GDA0003220482310000091
以下。
实施例四
本发明还提供一种气敏传感器，参考图6g，该气敏传感器与第二实施例的气敏传感器的区别在于：绝缘层13直接位于半导体衬底11上，并且第二电极12位于半导体衬底11的背面。
在本实施例中，由于第二电极12位于半导体11背面，因此无需第二电极窗口即可暴露出第二电极12。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果，并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。

Claims (12)

1.一种气敏传感器，其特征在于，包括：半导体衬底、位于所述半导体衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层表面的氧化锌，所述氧化锌作为气敏层，并且所述氧化锌的类型与半导体衬底不同，所述氧化锌中具有多个通过刻蚀工艺形成的凹槽；
所述氧化锌包括：第一氧化锌膜、位于所述第一氧化锌膜上的第二氧化锌膜，所述凹槽位于所述第二氧化锌膜中；
位于所述第一氧化锌膜和所述第二氧化锌膜之间的第一电极。
2.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，
所述凹槽的深度小于或等于所述第二氧化锌膜的厚度。
3.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述凹槽呈阵列排布。
4.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述凹槽为圆形凹槽，或，所述凹槽为条形凹槽；
所述条形凹槽两端贯穿所述第二氧化锌膜，或者两端封闭。
5.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，还包括第一电极窗口，贯穿所述第二氧化锌膜以暴露出部分所述第一电极。
6.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述氧化锌中掺杂有稀土金属。
7.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述氧化锌为轻掺杂氧化锌；
所述气敏传感器还包括第二电极，位于所述衬底和所述绝缘层之间；
还包括第二电极窗口，贯穿所述衬底以暴露出部分所述第二电极。
8.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述氧化锌为重掺杂氧化锌；
所述气敏传感器还包括第二电极，位于所述衬底背面。
9.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述绝缘层为氧化硅层。
10.一种气敏传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成绝缘层；
在所述绝缘层表面沉积形成氧化锌，所述氧化锌的类型与半导体衬底不同；
在所述绝缘层表面形成氧化锌的步骤包括：
在所述绝缘层表面沉积形成第一氧化锌膜；
在所述第一氧化锌膜上沉积形成第二氧化锌膜，对所述第二氧化锌膜进行刻蚀形成凹槽；
在形成第二氧化锌膜之前，还包括，在所述第一氧化锌膜上形成第一电极。
11.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，在所述绝缘层上形成氧化锌的步骤包括：
所述凹槽呈阵列排布，所述凹槽为圆形凹槽，或，所述凹槽为条形凹槽；所述条形凹槽两端贯穿所述第二氧化锌膜，或者两端封闭；
形成第二氧化锌膜之后，还包括：刻蚀所述第二氧化锌膜，形成第一电极窗口，以暴露所述第一电极。
12.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，还包括：在所述衬底背面形成第二电极，所述氧化锌为重掺杂氧化锌；
或者，
在所述衬底和所述绝缘层之间形成第二电极，刻蚀所述衬底形成第二电极窗口，以暴露所述第二电极；所述氧化锌为轻掺杂氧化锌。
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