氢敏半导体器件及其制造方法技术

一种应用于氢冷发电机漏氢监测装置中的新型氢敏半导体器件，是由集成在一个硅片上的氢气测量管、加热电阻和控温二极管组成。该器件共四根引线，漏极与栅极共用一根，源极、加热电阻Ｒ－［２］端、控制二极管Ｐ极共用一根，其它为单独引出。该器件制造方法的特征在于，它是在磷蒸气保持下进行栅极氧化，用直流高压溅射氧化铝层和钯金属层，并对制好硅片进行高温退火处理。用该方法制得的器件，灵敏度高，氢气测量范围宽，器件稳定可靠。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
氢敏半导体器件主要应用于氢冷发电机漏氢监测装置中，还可以用于氢气报警、探漏、监测及定量分析的场合。当前随着电力工业的发展，电力系统中十万千瓦以上的大型氢冷汽轮发电机逐年增多。氢冷发电机组运行中时有大量漏氢、氢气着火及氢气爆炸事故发生，造成频繁停机及重大经济损失。为了防止此类事件发生，该系统中需要装备大量的漏氢监测装置。装置中的氢敏器件作为传感器则是发电机漏氢监测的核心，它的性能将直接影响漏氢监测装置的工作性能。现有的氢敏半导体器件，其俯视图见图一，器件剖面见图二。它是由集成在一个硅片上的氢气测量管、加热电阻和控温二极管组成。该器件共九根电极引线，除测量管和参比管的漏极共用一根电极引线外其它各电极均为单独引线。制作工艺方法为常规器件制作工艺，其中栅极氧化是在875～1000℃的干氧气氛中进行;光刻出漏、源极及加热电阻、二极管引线后，用真空蒸发铬层和金层;光刻出钯栅电极区位置后用电子枪真空蒸发钯金属层;用剥离技术去除无用金属层后，便直接蒸发形成金属氧化层，切割成单个管芯封装压焊到晶体管座上，形成氢敏半导体器件。这种器件的主要问题是，长期稳定性差，零点漂移严重，测氢浓度范围小，引线结构复杂，可靠性差。而发电机漏氢监测对氢敏器件的要求则是稳定可靠，重现性好，使用寿命长及对氢有较高的择择性。本专利技术的目的就在于提供一种适用于漏氢监测的高稳定性、高选择性，引线结构简单的新型氢敏半导体器件。本专利技术的氢敏半导体器件俯视图见图三，结构剖面见图四。该器件的特征在于，它去掉了温度补偿用的参比管，将氢气测量管、加热电阻和控温二极管集成在一个硅片上，并将九根引线改为四根引线。即将测量管的漏极与栅极共用一根引线引出，源极、加热电阻和控温二极管的P极连在一起，共用一根引线，加热电阻R1极及控温二极管N极均为单独引出。这种器件的主要制造工艺同原氢敏器件，为常规器件制作工艺。其不同之处在于，1、在磷蒸气保护下进行栅极氧化，2、使用直流高压溅射氧化铝层及钯金属层，3、对制好硅片进行高温退火处理。本专利技术的磷蒸气保护下的栅极氧化是按下述步骤进行，将高纯氧气通入温度在1000～980℃之间的炉中，把磷片状源放入炉内15～25分钟，取出后通入高纯氧气，再把硅片放入炉内若干分钟，改通高纯氮气10～20分钟后取出硅片。并在栅氧化层和钯金属之间用直流高压溅射20～40埃厚的氧化铝层。其高温退火处理工序是在整个硅片制好后进行。其特征是炉温控制为320～370℃，硅片在通有氮气的炉内保持20～40分钟。用本专利技术的工艺方法制造氢敏半导体器件，氢气测量范围宽，重现性好，灵敏度高，器件稳定可靠，满足了氢冷发电机漏氢监测装置的要求。 附图说明图一原氢敏半导体器件俯视二原氢敏半导体器件剖面图S1、S2、源极(N型半导体、铝引线); G1、G2、栅极(铂金属层、铝引线); D1、D2、漏极(N型半导体)，D1、D2连在一起用铝引线引出，标号为D; P、N构成控温二极管，均用铝引线引出; R1、R2为加热电阻，用铝引线引出; 1、掺P型杂质半导体; 2、钯金属层;3、铜+银金属层; 4、(Si3N4)介质层;5、二氧化硅(SlO2)介质层; 6、P-Si衬底;7、铝引线; 其中S1、G1、D1构成氢气测量管，S2、G2、D2构成温度补偿用的参比管。图三本专利技术氢敏半导体器件俯视四本专利技术氢敏半导体器件剖面图漏极D1、栅极G1和源极S1构成氢气测量管;D1和G1连在一起共用N型半导体，用铝引线引出; 8、Al2O3介质层。实施例本专利技术采用P型硅单晶片，电阻率0.3～0.5Ω-Cm，晶向(100);栅区长度为25微米，栅区宽度290微米，栅极氧化层厚600～800埃;氧化铝层厚20～40埃;钯金属栅厚200～400埃。工艺方法为1、热氧化生长4000埃优质氧化层;2、一次光刻出沟阻区;3、扩硼;4、二次光刻出漏极、源极、控温二极管及加热电阻区;5、扩磷形成漏、源区，控温二极管及加热电阻;6、三次光刻出栅电极区;7、在磷蒸气保护下氧化栅极区，生长600～800埃二氧化硅。其过程为，将500毫升/分钟的高纯氮气通入炉温为1000℃的炉中，将磷片状源放入炉内25分钟后取出，再通入500毫升/分钟高纯氧气，把硅片放入炉内17～20分钟后，再改通高纯氮气15分钟后取出片子;8、四次光刻出漏极，源极、控温二极管、加热电阻引线孔;9、蒸发铝;10五次光刻;刻出金属化电极，形成内引线;11、常规等离子法去胶;12、直流高压溅射氧化铝层。其过程为a、将硅片放入真空室内的负高压极板的零电位极板上，铝金属作为负高压极板，距硅片7厘米。b、将氧气通入真空达5×102毫米水银柱的真空室内，同时加负高压900～1000伏，调正两极间辉光电流30～60毫安。c、3～10分钟后，可沉积20～40埃;13、六次光刻出钯栅电极区;14、直流高压溅射钯金属栅极，方法同12，仅将氧气改为高纯氩气，铝电极板改换为钯金属电极板。溅射金属20～25分钟，厚度200～400埃;15、用剥离技术形成钯金属栅电极;16、进行高温退火处理，控制炉温为340℃，通入500毫升/分钟的氮气，将硅片放入炉内保持25分钟取出;17、测试、划片、压焊、封装制成合格器件。用上述工艺方法制成的管子，经测试主要性能参数如下一、从氢气浓度与开启电压变化量的关系中可看出该器件对氢气的敏感性能。测试条件管子加热功率350毫瓦，VTN(控温二极管正向压降)＝0.567伏，VT(开启电压，即漏源之间的起始电压值)＝2.231伏，每2分钟注射一次氢气。数据见表一，其中VDS为注入氢气后漏源之间电压的变化值。 二、管子的稳定性测试1、氢气浓度重复测量的重观性，测量条件管子加热300毫瓦，氢气浓度0.1%，控温二极管正向压降VTN＝0.599V。在氢气浓度保持0.1%气室中，管子每10分钟放入一次，得出数据见表二 从上表可得出平均复测误差值二(△VTmax- △VTmix)/(△Vt平均值) ＝ 18/270 ≈6.6%2、氢敏管初始值稳定性测试测试条件管子加热功率300毫瓦，工作条件不变，每天上班后开机测试，下班关机，第二天重复。从而得出VDs平均值为2.698伏，VDsmax-VDsmix＝43毫伏正偏差17毫伏，负偏差27毫伏。(其中高于VDs平均值的偏差为正偏差，低于VDs平均值的偏差为负偏差。)3、温度对开启电压初始值的影响测量方法管子不加热，测稳定初始值和控温二极管电压。待加热稳定后再测以上值，控温二极管电压按2mV/℃求出管子温度，即可得出每变化一次温度所引起VT电压的变化值。其测试数据见表三 参考文献〔1〕刘家泰张秋江等人《半导体学报》VO15336(1984) 〔2〕AhydrOgen-SensitivePd-gateMostransistorK.1.LundstromM.SshivaramenandC.MSvensoonjournalofAPPliedPhySicsvo146NO9September(1975)〔3〕STABILIZATIONOFMISFETHyDRGENSENSORsS.y.CHOISensorsandActuactors9(1986)353～36本文档来自技高网...

【技术保护点】
氢敏半导体器件主要应用于氢冷发电机漏氢监测装置中。现有器件是由集成在一个硅片上的氢气测量管、温度补偿用的参比管、加热电阻和控温二极管组成，该器件共九根电极引线，除测量管和参比管的共用一根电极引线外，其它各电极均为单独引线。本专利技术的特征在于，它是由集成在一个硅片上的氢气测量管、加热电阻和控温二极管组成，电极引线为四根，漏极与栅极共用一根引线，源极、加热电阻Ｒ↓［２］极和控温二极管的Ｐ极连在一起，共用一根引线，加热电阻Ｒ↓［１］极及控温二极管Ｎ极均为单独引出。

【技术特征摘要】
1.氢敏半导体器件主要应用于氢冷发电机漏氢监测装置中。现有器件是由集成在一个硅片上的氢气测量管、温度补偿用的参比管、加热电阻和控温二极管组成，该器件共九根电极引线，除测量管和参比管的共用一根电极引线外，其它各电极均为单独引线。本发明的特征在于，它是由集成在一个硅片上的氢气测量管、加热电阻和控温二极管组成，电极引线为四根，漏极与栅极共用一根引线，源极、加热电阻R2极和控温二极管的P极连在一起，共用一根引线，加热电阻R1极及控温二极管N极均为单独引出。2.一种用于氢敏半导体器件制造方法，目前所采用的常规工艺中是在干氧气氛中进行栅极氧化，用真空蒸发铝层和钯金属层，本发明...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹德恕，王东凤，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]