Mos型氣體傳感器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體傳感器及制備方法，尤其是一種MOS型氣體傳感器及制備方法，屬于氣體傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和科技的突飛猛進(jìn)，人們的生活呈現(xiàn)出與以往孑然不同的變化，這種變化一方面極大地提高了人們的生活水平和質(zhì)量；但另一方面也給自己的生活空間和環(huán)境造成了不可估量的影響，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)品種類不斷增多，尤其是石油、化工、煤礦、汽車等工業(yè)的飛速發(fā)展導(dǎo)致火災(zāi)事故的不斷發(fā)生，大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。例如，化工生產(chǎn)中經(jīng)常使用和產(chǎn)生一些易燃易爆、有毒有害氣體，這些氣體一旦超標(biāo)、泄漏，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)人員及周圍生活居民的身體健康，如果引起爆炸，將造成人員傷亡、生產(chǎn)停產(chǎn)和財(cái)產(chǎn)損失，其中煤礦瓦斯爆炸就是最熟悉的例子。再如，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展雖然給人們生活帶來(lái)極大的便利，但其產(chǎn)生尾氣造成的大氣污染問(wèn)題不容忽視，尾氣中的
NOX、SOX等有毒氣體可引起酸雨，CO2等更是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?；另外，近年?lái)，隨著人們生活水平的提高以及人們對(duì)家居環(huán)境裝飾要求的轉(zhuǎn)變，大量新型裝修和裝飾材料悄然走進(jìn)住宅和公共建筑物，走近人們的生活，加之現(xiàn)代建筑密閉化的特點(diǎn)，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題日益突出；而由于裝修后甲醛超標(biāo)造成的惡性病例更是時(shí)有報(bào)道。這些氣體污染不僅危害人體健康，而且某種意義上阻礙了社會(huì)發(fā)展，更嚴(yán)重的將關(guān)系到生命的存亡。人類對(duì)這些氣體的感知和承受能力是有限的，為了確保安全，防患于未然，人們研制了各種檢測(cè)方法和測(cè)試儀器，以便及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)并控制環(huán)境中的各種有毒有害氣體。氣體傳感器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的生產(chǎn)、國(guó)防、醫(yī)療、生活和監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。而研究和開發(fā)這些用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的氣體傳感器，更成為人們?nèi)找骊P(guān)心的問(wèn)題。
[0003]在眾多氣體傳感器之中，應(yīng)用最為廣泛，結(jié)構(gòu)和制作工藝簡(jiǎn)單、綜合性能優(yōu)良，成本低廉的應(yīng)數(shù)電阻型金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。鑒于作為氣體敏感材料的氧化物半導(dǎo)體材料如Sn02、ZnO、Fe2O3, 1102等需要加熱到較高溫度(如300°C左右)時(shí)才顯現(xiàn)較好的敏感特性。由于近年來(lái)的Si微機(jī)械加工技術(shù)迅速發(fā)展，它們被引進(jìn)氣體傳感器的制作工藝，為氣體傳感器擺脫傳感工藝的限制，向小型化、低功耗、進(jìn)而向集成化、智能化方向發(fā)展開辟一條新途徑。以Si材料為主的各種先進(jìn)微結(jié)構(gòu)低功耗氣體傳感器的研制成為當(dāng)前半導(dǎo)體氣體傳感器的研究熱點(diǎn)。
[0004]分析上述研究背景可知，微熱板是采用微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)在硅襯底上制成的一種微型平板式加熱器。對(duì)于設(shè)計(jì)熱損耗小、熱電響應(yīng)快、與集成電路工藝兼容性好的微熱板熱是金屬氧化物氣體傳感器的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種MOS型氣體傳感器及制備方法，其功耗低，響應(yīng)快速，MEMS微加熱結(jié)構(gòu)與CMOS工藝兼容，減小了工藝難度，安全可靠。
[0006]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述MOS型氣體傳感器，包括用于確定是否存在待檢測(cè)氣體的氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)，在所述氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)的下方設(shè)置用于對(duì)氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)加熱的MEMS微加熱結(jié)構(gòu)，所述MEMS微加熱結(jié)構(gòu)通過(guò)電隔離層與氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)絕緣隔離；
所述MEMS微加熱結(jié)構(gòu)包括承載襯底，在所述承載襯底內(nèi)的上部設(shè)有隔熱空腔，所述隔熱空腔位于承載襯底的中心區(qū)；在承載襯底的上方設(shè)置用于支撐加熱層的絕熱層，加熱層位于隔熱空腔的正上方，電隔離層支撐在加熱層上，氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐在電隔離層上，電隔離層以及氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)均位于隔熱空腔的正上方。
[0007]所述氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在電隔離層上的叉指敏感電極以及位于所述叉指敏感電極上的金屬氧化物敏感層。
[0008]所述承載襯底上設(shè)置保護(hù)層，所述保護(hù)層位于絕熱層與承載襯底間，且絕熱層支撐在保護(hù)層上，在所述絕熱層上設(shè)置導(dǎo)熱層，所述加熱層支撐在導(dǎo)熱層上。
[0009]所述保護(hù)層包括氧化硅層，絕熱層包括氧化硅層；所述導(dǎo)熱層包括氮化硅層，加熱層為多晶娃層。
[0010]一種MOS型氣體傳感器的制備方法，所述制備方法包括如下步驟:
a、提供承載襯底，并在所述承載襯底的上表面上設(shè)置保護(hù)層；
b、選擇性地掩蔽和刻蝕所述保護(hù)層，以得到貫通所述保護(hù)層的干法刻蝕釋放陣列口；
C、利用上述的干法刻蝕釋放陣列口對(duì)承載襯底進(jìn)行干法刻蝕，以在承載襯底內(nèi)的上部得到隔熱空腔，所述隔熱空腔位于承載襯底的中心區(qū)；
d、在上述承載襯底上設(shè)置覆蓋在保護(hù)層的絕熱層，并在所述絕熱層上設(shè)置覆蓋絕熱層的導(dǎo)熱層；
e、在上述導(dǎo)熱層上淀積加熱材料層，并對(duì)所述加熱材料層進(jìn)行圖形化，以得到位于隔熱空腔正上方的加熱層；
f、在上述加熱層上生長(zhǎng)電隔離層，并在所述電隔離層上設(shè)置氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)，所述電隔離層、氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)均位于隔熱空腔的正上方。
[0011]所述保護(hù)層為氧化硅層，干法刻蝕釋放陣列口在承載襯底上方呈圓形，干法刻蝕釋放陣列口包括若干貫通保護(hù)層的通孔，所述通孔的直徑為0.5 μ m~2 μ m，通孔軸心之間的間距為 5 μηι~20 μ??ο
[0012]通過(guò)XeF2氣體對(duì)承載襯底進(jìn)行干法刻蝕，絕熱層為通過(guò)化學(xué)氣相沉積設(shè)置在保護(hù)層上的氧化硅層，導(dǎo)熱層為通過(guò)化學(xué)氣象沉積覆蓋在絕熱層上的氮化硅層。
[0013]所述氣體感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在電隔離層上的叉指敏感電極以及位于所述叉指敏感電極上的金屬氧化物敏感層。
[0014]所述叉指敏感電極的厚度為30nm~60nm，叉指敏感電極內(nèi)叉指條的間距為5 μ m?50 μ m。
[0015]所述金屬氧化物敏感層包括T12敏感膜層。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、在保護(hù)層上設(shè)置干法刻蝕釋放陣列口，在得到干法刻蝕釋放陣列口后使用1亦2干法刻蝕承載襯底，再用化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備絕熱層、導(dǎo)熱層填充干法刻蝕釋放陣列口，以形成表面平整且呈懸浮狀的MEMS維加熱結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有在氣體傳感器的頂層干法釋放口，最后使用XeF2干法刻蝕承載襯底的方法，本發(fā)明能增加金屬氧化物敏感層的敏感區(qū)域面積，保持表面結(jié)構(gòu)的完整性；避免了 XeF2氣體對(duì)金屬氧化物敏感層的影響；增加了器件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；保持了器件的完整性，避免XeF2氣體對(duì)導(dǎo)熱層、絕熱層的破壞；避免由于器件尺寸過(guò)大，無(wú)法形成懸浮結(jié)構(gòu)的后果；操作簡(jiǎn)便，對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)步驟沒(méi)有影響。
[0017]2、與現(xiàn)有技術(shù)中采用KOH濕法腐蝕相比，本發(fā)明采用XeFJt承載襯底進(jìn)行干法刻蝕，增加了穩(wěn)定性；避免濕法腐蝕對(duì)金屬氧化物敏感層帶來(lái)的影響，沒(méi)有刻蝕污染；刻蝕設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境容忍度較高，成本低，制備與CMOS工藝兼容的氣體傳感器。
[0018]3、與現(xiàn)有技術(shù)中采用TMAH濕法腐蝕相比，本發(fā)明采用XeF2對(duì)承載襯底進(jìn)行干法刻蝕，增加了穩(wěn)定性；對(duì)承載襯底刻蝕速率快，提高刻蝕效率；避免濕法腐蝕對(duì)金屬氧化物敏感層帶來(lái)的影響；操作簡(jiǎn)便，制備與CMOS工藝兼容的氣體傳感器。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2~圖12為本發(fā)明具體實(shí)施工藝步驟剖視圖，其中圖2為本發(fā)明在承載襯底上設(shè)置保護(hù)層后的剖視圖。
[0021]圖3為本發(fā)明得到干法刻蝕釋放陣