專利名稱：高性能無機薄膜型濕敏器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬——氧化物——半導體(簡稱MOS)結(jié)構(gòu)電容式氧化鉭薄膜濕敏器件及其制作方法，屬于濕度傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
濕度的檢測和監(jiān)控在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、科學研究和家用電器等各個方面有著普遍的應用和重要的作用。
在各種濕度敏感器件中，薄膜濕敏器件由于具有體積小、響應快、靈敏度高、功耗低而受到人們的廣泛重視。薄膜濕敏器件按其感濕薄膜材料的類型分為有機高分子薄膜濕敏器件和無機薄膜濕敏器件兩大類；后者與前者相比，由于可以在較高的環(huán)境溫度(例如超過80℃)和長期在較高的相對濕度(例如高于90％RH)下工作，因而壽命長，可靠性高。
無機薄膜濕敏器件中使用得比較多的濕敏介質(zhì)是氧化鋁(Al2O3)薄膜(中國專利CN86102535A，美國專利US4143177，US4277742，日本專利昭58—30101)，但是Al2O3膜會與吸附的水汽作用最終生成Al(OH)3，造成這類濕敏器件的濕敏特性不穩(wěn)定，出現(xiàn)長期漂移。Ta2O5薄膜與Al2O3薄膜相比，在高溫高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性要優(yōu)良得多。但是目前Ta2O3濕敏薄膜通常采用陽極氧化工藝制作(日本專利昭57—17103)，因而這類Ta2O3薄膜濕敏器件的結(jié)構(gòu)與制造工藝不適合于大規(guī)模生產(chǎn)，與集成電路的制造工藝也不相兼容。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬——氧化物——半導體(MOS)結(jié)構(gòu)電容式薄膜濕敏器件及其制作方法。由于采用了物理氣相沉積工藝制備Ta2O5濕敏介質(zhì)薄膜和MOS型器件結(jié)構(gòu)，因而與已有的Ta2O5薄膜濕敏器件相比，有助于批量生產(chǎn)時持性的一致性，并可降低生產(chǎn)成本，還有可能進一步與測試電路一起同時集成制造在一個芯片上。
本發(fā)明的無機薄膜型濕敏器件，采用金屬——氧化物——半導體(簡稱MOS)結(jié)構(gòu)電容式薄膜濕敏器件，其中金屬采用Au—Cr構(gòu)成的雙層透濕電極，半導體采用單晶硅片作為襯底芯片，氧化物采用物理氣相沉積工藝制備的氧化鉭薄膜作為濕敏介質(zhì)層，三者組成一個對濕度敏感的MOS型電容。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征之一，在于氧化鉭感濕薄膜層的厚度為100～500nm。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征之二在于由Au—Cr構(gòu)成的雙層透濕電極膜上有一個金的電極引出環(huán)，引出環(huán)金層的厚度為0.5～2μm，環(huán)的寬度為0.15～0.3mm，引出環(huán)的作用是保證了電極引出線連接的可靠性和避免了在制作電極引出線的過程中損壞厚度僅為20～30nm的透濕電極膜。
本發(fā)明的高性能無機薄膜型濕敏器件的制作方法，采用在SiO2膜的硅片上制作一層Ta2O5感濕介質(zhì)膜，再在介質(zhì)膜上制作透濕電極膜，其特征在于制作Ta2O5介質(zhì)膜采用物物理氣相沉積工藝。
本發(fā)明制作Ta2O5介質(zhì)膜的物理氣相沉積工藝可以為下式三種方法中的任意一種方法(1)電子束蒸發(fā)工藝以純度99.9％以上的Ta2O5粉末壓制成的小塊作為源材料，用電子束蒸發(fā)工藝在硅片上蒸發(fā)沉積Ta2O5膜。蒸發(fā)過程中，向真空室內(nèi)通入純度為99.99％的氧氣，并控制真空室內(nèi)的總壓強在(2×10-3～1×10-2)Pa之間。沉積速率為2～10nm/min。蒸發(fā)沉積過程中，硅片不另外用加熱器加熱。
(2)射頻濺射工藝純度為99.9％以上的Ta2O5燒結(jié)平板為靶材料，采用射頻濺射工藝，在硅片上沉積Ta2O5膜。濺射氣氛為純度均在99.99％以上的氬和氧的混合氣，氧和氬的比例為1∶20～1∶4。濺射氣壓為0.1——1Pa。靶面射頻功率密度為1——5W/cm2，沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
(3)直流反應磁控濺射工藝以純度為99.9％以上的金屬Ta板為靶材料，采用直流反應磁控濺射工藝，在硅片上沉積Ta2O5膜。濺射氣氛為純度均在99.99％以上的氬和氧的混合氣，氬和氧的比例為0∶1(純氧)～3∶1。濺射氣壓為0.5～3Pa。靶面直流功率密度為2—6W/cm2。沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點本發(fā)明由于采用了化學穩(wěn)定性高、高溫高濕下特性穩(wěn)定的Ta2O5膜作為濕敏介質(zhì)膜，因而這種金屬——氧化鉭——硅(MOS)結(jié)構(gòu)的電容式薄膜濕敏器件可以長期在100～150℃的高溫環(huán)境下，用于濕度的監(jiān)控與測量。而且由于使用了物理氣相沉積工藝制造Ta2O5膜和集成電路工藝制造本發(fā)明的濕敏器件的芯片，因而適于大批量生產(chǎn)，從而有助于降低器件的制造成本、提高器件特性的一致性。


圖1為本發(fā)明實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例測得的感濕特性曲線圖。
本發(fā)明可按照附圖所示的方案實現(xiàn)。圖1中的引腳(1)與管座(3)直接焊接，引腳(2)則通過絕緣墊固定在管座上；(4)為有孔網(wǎng)罩，用于保護器件的管芯不受外界機構(gòu)性的侵害。(5)是器件管芯芯片的下電極；(6)是硅芯片；(7)是SiO2膜；(8)是Ta2O5感濕介質(zhì)膜；(9)是Au/Cr雙層圓形透濕電極(上電極)；(10)是透濕電極的引出環(huán)；(5)、(6)、(7、(8)、(9)和(10)組成本發(fā)明濕敏器件的管芯。(11)是連接透濕電極引出環(huán)與引腳(2)的金絲引線。
本發(fā)明金屬——氧化鉭——硅結(jié)構(gòu)電容式薄膜濕敏器件的制造工藝流程如下；1.電阻率為10-4——10-1·cm的低阻或中阻的單面(或雙面)拋光的硅單晶片(n型或p型)，經(jīng)過清洗、氧化，在表面形成厚度為10～30nm的SiO2膜，以提高本發(fā)明濕敏器件的絕緣性能和擊空電壓。
2.用以下三種物理氣相沉積工藝中的任意一種，在帶有SiO2膜的硅片拋光一面的SiO2膜層上沉積一層100～500nm的TaO5膜。
(1)以純度99.9％以上的Ta2O5粉末壓制成的小塊作為源材料，用電子束蒸發(fā)工藝在硅片上蒸發(fā)沉積Ta2O5膜。蒸發(fā)過程中，向真空室內(nèi)通入純度99.99％的氧氣，并控制真空室內(nèi)的總壓強在(2×10-3～1×10-1)Pa之間。沉積速率為2～10nm/min。蒸發(fā)沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
(2)以純度為99.9％以上的Ta2O5燒結(jié)平板為靶材料，來用射頻濺射工藝，在硅片上沉積Ta2O5膜。濺射氣氛為純度均在99.99％以上的氬和氧的混合氣，氧和氬的比例為1∶20～1∶4。濺射氣壓為0.1～Pa。靶面射頻功率密度為1～5W/cm2，沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
(3)以純度為99.9％以上的金屬Ta板為靶材料，采用直流反應磁控濺射工藝，在硅片上沉積Ta2O5膜。濺射氣氛為純度均在99.99％以上的氬和氧的混合氣，氬和氧的比例為0∶1(純氧)～3∶1。濺射氣壓為0.5～3Pa。靶面直流功率密度為2—6W/cm2。沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
3.在Ta2O5膜表面用真空蒸發(fā)或直流濺射工藝沉積一層Au/Cr雙層透濕膜，即先沉積一層5～10nm的Cr膜再沉積一層10～20nm的Au膜。
4.光刻出Au/Cr圓形上電極。
5.腐蝕去除硅片背面的SiO2膜，并在硅片背面真空蒸發(fā)或濺射沉積一層20～50nm的Au膜。
6.通過光刻膠掩蔽，并用電鍍Au工藝，在圓形上電極最外圍形成一個厚度為0.5～2μm的環(huán)形Au鍍層，環(huán)的寬度為0.15～0.3mm；與此同時，硅片背面Au沉積膜也被電鍍加厚到相應的厚度，成為下電極。
7.劃片。管芯初測后，用導電銀漿或Au—Sn合金與管殼底座相連接。
8.熱壓焊上電極金絲引線。
9.有孔網(wǎng)罩與管座壓焊或膠合連接。
本發(fā)明可采取以下一個實施例的方案實現(xiàn)1.選用電阻率為1×10-2·cm的低阻P型拋光的單晶硅片，晶向為〔111〕，硅片厚度為0.3mm。清洗后用熱氧化工藝在硅片表面生長一層20nm厚的SiO2。
2.用直流反應磁控濺射工藝在SiO2膜上沉積上一層Ta2O5膜。Ta靶材的純度為99.9％。濺射前真空室內(nèi)的本底真空度為3×10-3Pa；濺射氣氛中氬和氧之比為1∶1，濺射氣壓為2Pa。靶面直流功率密度為4W/cm2，沉積時間為60mm。沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。沉積結(jié)束后用臺階儀法測得Ta2O5膜的沉積速率相當于4.5nm/min。X射線衍射測試表明Ta2O5膜基本上呈非晶態(tài)。
3.在Ta2O5膜上用真空蒸發(fā)工藝先沉積一層10nm的Cr膜，再沉積一層15nm的Au膜。
4.光刻出Au/Cr圓形上電極，圓形電極的直徑為1.6mm。
5.用正性光刻膠遮蔽Au/Cr電極膜。用化學腐蝕去除硅片背面的SiO2膜，并在硅片背面真空蒸發(fā)沉積一層30nm的An膜。
6.通過光刻膠遮蔽，并用電鍍工藝在φ1.6mm的圓形上電極上電鍍上一個厚度為1μm，外徑為φ1.6mm，寬度為0.2mm的環(huán)形Au鍍層，做成一個引出環(huán)。同時硅片背面也相應同時電鍍到1μm。
7.整片硅片劃片成一個個管芯，每個管芯的面積為2×2mm，圓形上電極處于這方形芯片的中央。
8.用Au—Sn合金將此芯片的背面焊接在鍍Au的管座底部。一根φ0.15mm的金絲一端熱壓焊在上電極的引出環(huán)上，一端與管座上的一根與管座絕緣的引出線相連接。
9.用環(huán)氧樹脂類粘合劑膠合不銹鋼網(wǎng)罩與鍍Au管座。
圖2給出了從上述實施例測得的感濕特性曲線，即MOS電容的電容值C(pf)與環(huán)境相對濕度(％RH)的對應關(guān)系曲線。測試結(jié)果表明，本發(fā)明的金屬——氧化鉭——硅(MOS)結(jié)構(gòu)電容式薄膜濕敏器件的測濕范圍為30——100％RH；測濕精度可達士3％RH；吸濕響應時間為1秒，脫濕響應時間小于10秒。
權(quán)利要求
1.一種高性能無機薄膜型濕敏器件，采用金屬——氧化鉭——半導體(簡稱MOS)結(jié)構(gòu)電容式薄膜濕敏器件，其特征在于金屬采用Au—Cr構(gòu)成的雙層透濕電極，半導體采用單晶硅片作為芯片，氧化物采用物理氣相沉積工藝制備的氧化鉭薄膜作為濕敏介質(zhì)層，三者組成一個對濕度敏感的MOS型電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能無機薄膜型濕敏器件，其特征在于氧化鉭薄膜的厚度為100～500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能無機薄膜型濕敏器件，其特征在于由Au—Cr構(gòu)成的雙層透濕電極膜的上有一個金的電極引出環(huán)，引出環(huán)金屬的厚度為0.5～2μm，環(huán)的寬度為0.15～0.3mm。
4.一種高性能無機薄膜型濕敏器件的制作方法，采用在有SiO2膜的硅片上制作一層Ta2O5感濕介質(zhì)膜，再在介質(zhì)膜上制作透濕電極的方法，其特征在于制作Ta2O5介質(zhì)膜采用物理氣相沉積工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能無機薄膜型濕敏器件的制作方法，其特征在于Ta2O5介質(zhì)膜的物理氣相沉積工藝為電子束蒸發(fā)工藝，蒸發(fā)源材料為純度99.9％以上的Ta2O5粉末壓成的小塊。蒸發(fā)過程中向真空室內(nèi)通入純度為99.99％的氧氣，并控制真空室內(nèi)的總壓強在(2×10-3～1×10-2)Pa，沉積速率為2～10nm/min。蒸發(fā)沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能無機薄膜型濕敏器件的制作方法，其特征在于Ta2O5介質(zhì)膜的物理氣相沉積工藝為射頻濺射工藝，靶材為純度99.9％以上的Ta2O5燒結(jié)平板，濺射氣氛為純度99.99％以上的氬和氧的混合氣，氧和氬的比例為1∶20～1∶4；濺射氣壓為0.1～1Pa。靶面射頻功率密度為1～5W/cm2。沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能無機薄膜型濕敏器件的制作方法，其特征在于Ta2O5介質(zhì)膜的物理氣相沉積工藝為直流反應磁控濺射工藝，靶材為純度99.9％以上的金屬鉭板。濺射氣氛為純度均在99.99％以上的氬和氧的混合氣，氬和氧的比例為0∶1(純氧)～3∶1，濺射氣壓為0.5～3Pa。靶面直流功率密度為2—6W/cm2。沉積過程中硅片不另外用加熱器加熱。
全文摘要
高性能無機薄膜型濕敏器件及其制作方法，是在硅片上用電子束蒸發(fā)或射頻濺射或直流反應濺射這類物理氣相沉積工藝沉積一層厚度為100-500mn的T
文檔編號G01N19/00GK1117196SQ94111388
公開日1996年2月21日 申請日期1994年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月16日
發(fā)明者陳國平, 張隨新 申請人:東南大學