金属一氧化物一半导体结构电容式湿敏器件及其制作方法技术

高性能无机薄膜型湿敏器件及其制作方法，是在硅片上用电子束蒸发或射频溅射或直流反应溅射这类物理气相沉积工艺沉积一层厚度为１００－５００ｍｎ的Ｔ↓［ａ２］Ｏ↓［５］温敏介质薄膜，并在其上的Ａ↓［ｕ］－Ｃ↓［ｒ］透湿电极膜上用电镀工艺制作一个厚度为０．５～２ｍｍ的电极引出环，从而降低了Ｔ↓［ａ２］Ｏ↓［５］薄膜温敏器件的制造成本，提高了湿敏器件特性的一致性和可靠性。本发明专利技术的湿敏器件测温范围宽、响应速度快、稳定性好、能够长期在高温高湿环境下工作。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属——氧化物——半导体(简称MOS)结构电容式氧化钽薄膜湿敏器件及其制作方法，属于湿度传感器
湿度的检测和监控在工业、农业、气象、科学研究和家用电器等各个方面有着普遍的应用和重要的作用。在各种湿度敏感器件中，薄膜湿敏器件由于具有体积小、响应快、灵敏度高、功耗低而受到人们的广泛重视。薄膜湿敏器件按其感湿薄膜材料的类型分为有机高分子薄膜湿敏器件和无机薄膜湿敏器件两大类；后者与前者相比，由于可以在较高的环境温度(例如超过80℃)和长期在较高的相对湿度(例如高于90％RH)下工作，因而寿命长，可靠性高。无机薄膜湿敏器件中使用得比较多的湿敏介质是氧化铝(Al2O3)薄膜(中国专利CN86102535A，美国专利US4143177，US4277742，日本专利昭58—30101)，但是Al2O3膜会与吸附的水汽作用最终生成Al(OH)3，造成这类湿敏器件的湿敏特性不稳定，出现长期漂移。Ta2O5薄膜与Al2O3薄膜相比，在高温高湿环境下的稳定性要优良得多。但是目前Ta2O3湿敏薄膜通常采用阳极氧化工艺制作(日本专利昭57—17103)，因而这类Ta2O3薄膜湿敏器件的结构与制造工艺不适合于大规模生产，与集成电路的制造工艺也不相兼容。本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属——氧化物——半导体(MOS)结构电容式薄膜湿敏器件及其制作方法。由于采用了物理气相沉积工艺制备Ta2O5湿敏介质薄膜和MOS型器件结构，因而与已有的Ta2O5薄膜湿敏器件相比，有助于批量生产时持性的一致性，并可降低生产成本，还有可能进一步与测试电路一起同时集成制造在一个芯片上。本专利技术的无机薄膜型湿敏器件，采用金属——氧化物——半导体(简称MOS)结构电容式薄膜湿敏器件，其中金属采用Au—Cr构成的双层透湿电极，半导体采用单晶硅片作为衬底芯片，氧化物采用物理气相沉积工艺制备的氧化钽薄膜作为湿敏介质层，三者组成一个对湿度敏感的MOS型电容。本专利技术的结构特征之一，在于氧化钽感湿薄膜层的厚度为100～500nm。本专利技术的结构特征之二在于由Au—Cr构成的双层透湿电极膜上有一个金的电极引出环，引出环金层的厚度为0.5～2μm，环的宽度为0.15～0.3mm，引出环的作用是保证了电极引出线连接的可靠性和避免了在制作电极引出线的过程中损坏厚度仅为20～30nm的透湿电极膜。本专利技术的高性能无机薄膜型湿敏器件的制作方法，采用在SiO2膜的硅片上制作一层Ta2O5感湿介质膜，再在介质膜上制作透湿电极膜，其特征在于制作Ta2O5介质膜采用物物理气相沉积工艺。本专利技术制作Ta2O5介质膜的物理气相沉积工艺可以为下式三种方法中的任意一种方法(1)电子束蒸发工艺以纯度99.9％以上的Ta2O5粉末压制成的小块作为源材料，用电子束蒸发工艺在硅片上蒸发沉积Ta2O5膜。蒸发过程中，向真空室内通入纯度为99.99％的氧气，并控制真空室内的总压强在(2×10-3～1×10-2)Pa之间。沉积速率为2～10nm/min。蒸发沉积过程中，硅片不另外用加热器加热。(2)射频溅射工艺纯度为99.9％以上的Ta2O5烧结平板为靶材料，采用射频溅射工艺，在硅片上沉积Ta2O5膜。溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氧和氩的比例为1∶20～1∶4。溅射气压为0.1——1Pa。靶面射频功率密度为1——5W/cm2，沉积过程中硅片不另外用加热器加热。(3)直流反应磁控溅射工艺以纯度为99.9％以上的金属Ta板为靶材料，采用直流反应磁控溅射工艺，在硅片上沉积Ta2O5膜。溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氩和氧的比例为0∶1(纯氧)～3∶1。溅射气压为0.5～3Pa。靶面直流功率密度为2—6W/cm2。沉积过程中硅片不另外用加热器加热。本专利技术与现有技术相比，具有以下特点本专利技术由于采用了化学稳定性高、高温高湿下特性稳定的Ta2O5膜作为湿敏介质膜，因而这种金属——氧化钽——硅(MOS)结构的电容式薄膜湿敏器件可以长期在100～150℃的高温环境下，用于湿度的监控与测量。而且由于使用了物理气相沉积工艺制造Ta2O5膜和集成电路工艺制造本专利技术的湿敏器件的芯片，因而适于大批量生产，从而有助于降低器件的制造成本、提高器件特性的一致性。附图说明图1为本专利技术实施方案的结构示意图；图2为本专利技术实施例测得的感湿特性曲线图。本专利技术可按照附图所示的方案实现。图1中的引脚(1)与管座(3)直接焊接，引脚(2)则通过绝缘垫固定在管座上；(4)为有孔网罩，用于保护器件的管芯不受外界机构性的侵害。(5)是器件管芯芯片的下电极；(6)是硅芯片；(7)是SiO2膜；(8)是Ta2O5感湿介质膜；(9)是Au/Cr双层圆形透湿电极(上电极)；(10)是透湿电极的引出环；(5)、(6)、(7、(8)、(9)和(10)组成本专利技术湿敏器件的管芯。(11)是连接透湿电极引出环与引脚(2)的金丝引线。本专利技术金属——氧化钽——硅结构电容式薄膜湿敏器件的制造工艺流程如下；1.电阻率为10-4——10-1·cm的低阻或中阻的单面(或双面)抛光的硅单晶片(n型或p型)，经过清洗、氧化，在表面形成厚度为10～30nm的SiO2膜，以提高本专利技术湿敏器件的绝缘性能和击空电压。2.用以下三种物理气相沉积工艺中的任意一种，在带有SiO2膜的硅片抛光一面的SiO2膜层上沉积一层100～500nm的TaO5膜。(1)以纯度99.9％以上的Ta2O5粉末压制成的小块作为源材料，用电子束蒸发工艺在硅片上蒸发沉积Ta2O5膜。蒸发过程中，向真空室内通入纯度99.99％的氧气，并控制真空室内的总压强在(2×10-3～1×10-1)Pa之间。沉积速率为2～10nm/min。蒸发沉积过程中硅片不另外用加热器加热。(2)以纯度为99.9％以上的Ta2O5烧结平板为靶材料，来用射频溅射工艺，在硅片上沉积Ta2O5膜。溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氧和氩的比例为1∶20～1∶4。溅射气压为0.1～Pa。靶面射频功率密度为1～5W/cm2，沉积过程中硅片不另外用加热器加热。(3)以纯度为99.9％以上的金属Ta板为靶材料，采用直流反应磁控溅射工艺，在硅片上沉积Ta2O5膜。溅射气氛为纯度均在99.99％以上的氩和氧的混合气，氩和氧的比例为0∶1(纯氧)～3∶1。溅射气压为0.5～3Pa。靶面直流功率密度为2—6W/cm2。沉积过程中硅片不另外用加热器加热。3.在Ta2O5膜表面用真空蒸发或直流溅射工艺沉积一层Au/Cr双层透湿膜，即先沉积一层5～10nm的Cr膜再沉积一层10～20nm的Au膜。4.光刻出Au/Cr圆形上电极。5.腐蚀去除硅片背面的SiO2膜，并在硅片背面真空蒸发或溅射沉积一层20～50nm的Au膜。6.通过光刻胶掩蔽，并用电镀Au工艺，在圆形上电极最外围形成一个厚度为0.5～2μm的环形Au镀层，环的宽度为0.15～0.3mm；与此同时，硅片背面Au沉积膜也被电镀加厚到相应的厚度，成为下电极。7.划片。管芯初测后，用导电银浆或Au—Sn合金与管壳底座相连接。8.热压焊上电极金丝引线。9.有孔网罩与管座压焊或胶合连接。本专利技术可采取以下一个实施例的方案实现1.选用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能无机薄膜型湿敏器件，采用金属－氧化钽－半导体（简称ＭＯＳ）结构电容式薄膜湿敏器件，其特征在于金属采用Ａ↓［ｕ］－Ｃ↓［ｒ］构成的双层透湿电极，半导体采用单晶硅片作为芯片，氧化物采用物理气相沉积工艺制备的氧化钽薄膜作为湿敏介质层，三者组成一个对湿度敏感的ＭＯＳ型电容。

【技术特征摘要】
1.一种高性能无机薄膜型湿敏器件，采用金属——氧化钽——半导体(简称MOS)结构电容式薄膜湿敏器件，其特征在于金属采用Au—Cr构成的双层透湿电极，半导体采用单晶硅片作为芯片，氧化物采用物理气相沉积工艺制备的氧化钽薄膜作为湿敏介质层，三者组成一个对湿度敏感的MOS型电容。2.根据权利要求1所述的高性能无机薄膜型湿敏器件，其特征在于氧化钽薄膜的厚度为100～500nm。3.根据权利要求1所述的高性能无机薄膜型湿敏器件，其特征在于由Au—Cr构成的双层透湿电极膜的上有一个金的电极引出环，引出环金属的厚度为0.5～2μm，环的宽度为0.15～0.3mm。4.一种高性能无机薄膜型湿敏器件的制作方法，采用在有SiO2膜的硅片上制作一层Ta2O5感湿介质膜，再在介质膜上制作透湿电极的方法，其特征在于制作Ta2O5介质膜采用物理气相沉积工艺。5.根据权利要求4所述的高性能无机薄膜型湿敏器件的制作方法，其特征在于Ta2O5介质膜的物理气相沉积工艺为电子束蒸发工艺，蒸发源材料为纯度99.9％以上的T...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国平，张随新，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]