一种FET阵列气敏传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及气敏传感器技术领域，尤其涉及一种FET阵列气敏传感器及其加工方法。

背景技术

现有的阵列式气敏传感器在相同的加热电流下使气敏层达到不同的温度需要复杂的调理电路控制，而由于不同的敏感气体对温度区域的要求不同，导致现有的阵列式气敏传感器检测得到的敏感气体的浓度与实际值差距较大。此外，现有的阵列式气敏传感器均通过加热电极利用其电阻进行加热，存在加热不均匀、容易出现膜裂纹的现象，使得现有的阵列式气敏传感器的性能较差。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种FET阵列气敏传感器及其加工方法，一个FET阵列气敏传感器能够将不同的气敏层均匀加热至不同的温度，利于将气敏层的温度加热至最佳温度范围，减小了敏感气体的浓度检测偏差，与现有的阵列式气敏传感器相比，减小了FET阵列气敏传感器出现裂纹的概率，延长了FET阵列气敏传感器的使用寿命。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种FET阵列气敏传感器，包括：衬底，其上设有隔热腔室；绝缘层，位于所述隔热腔室的一端且固定在所述衬底上；硅岛，位于所述绝缘层的第一侧面上且位于所述隔热腔室内；FET加热阵列，包括若干个FET加热单元，每个所述FET加热单元均包括感应电极组和若干个掺杂极，所述掺杂极分为源极和漏极，所述源极和所述漏极间隔排布在所述硅岛内且与所述第一侧面接触，所述感应电极组设置在所述绝缘层的第二侧面上或者所述绝缘层内，所述第二侧面与所述第一侧面正对设置，所述源极和所述漏极导通时能够产生热量；若干个气敏层，每个所述气敏层均覆盖在一个所述感应电极组上或者覆盖在正对所述感应电极组的所述绝缘层上，至少两个所述FET加热单元通入相同的电流时能够在相同时长内分别将对应的所述气敏层加热至不同的温度。

作为一种FET阵列气敏传感器的优选方案，沿每个所述FET加热单元的边缘至中心的方向，所述掺杂极的横截面积逐渐减小。

作为一种FET阵列气敏传感器的优选方案，所述掺杂极沿所述硅岛的周向呈多边形或者环形设置。

作为一种FET阵列气敏传感器的优选方案，每个所述FET加热单元的所述掺杂极的深度均相同，沿每个所述FET加热单元的边缘至中心的方向，所述掺杂极的宽度逐渐减小。

作为一种FET阵列气敏传感器的优选方案，所述感应电极组包括正电极和负电极，所述正电极和所述负电极间隔形成在所述绝缘层上。

作为一种FET阵列气敏传感器的优选方案，所述正电极和所述负电极均为多晶硅电极，所述正电极和所述负电极均沿所述绝缘层的周向呈多边形或者环形设置。

一种适用于以上任一方案所述的FET阵列气敏传感器的加工方法，包括：

提供衬底，在所述衬底的局部区域渗入离子，形成硅岛；

形成绝缘层以及每个所述FET加热单元的所述源极、所述漏极、所述感应电极组，所述源极和所述漏极间隔设置在所述硅岛内，所述感应电极组设置在所述绝缘层背离所述硅岛的一侧或者设置在所述绝缘层内；

在所述感应电极组上或者正对所述感应电极组的所述绝缘层上，形成用于检测敏感气体含量且包括贵金属的气敏层；

在所述衬底背离所述绝缘层的一端加工出隔热腔室，形成半成品；

将所述半成品进行退火并冷却，形成FET气敏传感器。

作为一种FET阵列气敏传感器的加工方法的优选方案，所述感应电极组包括正电极和负电极，所述正电极和所述负电极均为多晶硅电极，形成所述多晶硅电极时包括：

在所述绝缘层上化学气相淀积多晶硅，形成多晶硅层；

在所述多晶硅层上涂覆第一阻挡层；

图形化所述第一阻挡层，形成第一刻蚀口；

刻蚀正对所述第一刻蚀口的所述多晶硅层，形成所述正电极和所述负电极；

去除图形化后的所述第一阻挡层。

作为一种FET阵列气敏传感器的加工方法的优选方案，在加工所述感应电极组之后、形成所述气敏层之前，还包括：

在所述感应电极组和所述绝缘层上涂覆第二阻挡层；

图形化所述第二阻挡层，形成第二刻蚀口；

刻蚀正对所述第二刻蚀口的所述绝缘层和所述硅岛，使得若干个所述FET加热单元的所述掺杂极互相隔离；

去除图形化后的所述第二阻挡层。

作为一种FET阵列气敏传感器的加工方法的优选方案，加工所述隔热腔室时，包括：

在所述气敏层上涂胶形成保护层；

在所述衬底上化学淀积绝缘材料，形成硬掩膜；

在所述硬掩膜上涂覆第三阻挡层；

图形化所述第三阻挡层，形成第三刻蚀口；

刻蚀正对所述第三刻蚀口的所述硬掩膜，形成隔热孔；

深硅刻蚀正对所述隔热孔的所述衬底，形成所述隔热腔室；

去掉图形化的所述第三阻挡层和所述硬掩膜，并去除所述保护层。

本发明的有益效果为：本发明公开的FET阵列气敏传感器，由于FET加热阵列的至少两个FET加热单元通入相同的电流时能够在相同时长内产生不同的热量，而每个FET加热单元均与一个气敏层对应，使得至少两个气敏层能够达到不同的温度，利于将气敏层的温度加热至检测敏感气体所需要的最佳温度范围，减小了敏感气体的浓度检测偏差，FET加热阵列加热气敏层与现有的电阻式加热相比，提升了气敏层的温度的均匀性，减小了FET阵列气敏传感器出现裂纹的概率，延长了FET阵列气敏传感器的使用寿命，若是气敏层的气敏材料不同，该FET阵列气敏传感器还能够实现多种气体的识别，提升了FET阵列气敏传感器的应用空间。

本发明公开的FET阵列气敏传感器的加工方法，有利于FET阵列气敏传感器的批量化生产，加工而成的FET阵列气敏传感器，在相同的时间内，能够在相同的电流下将至少两个气敏层均匀地加热至不同的温度，增加了敏感气体浓度检测的准确性，提升了FET阵列气敏传感器的性能，降低了气敏层出现裂纹的概率，延长了FET阵列气敏传感器的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例提供的FET阵列气敏传感器的剖视图；

图2是本发明具体实施例提供的FET阵列气敏传感器的一个FET加热单元掺杂极的俯视图；

图3是本发明具体实施例提供的FET阵列气敏传感器的另一个FET加热单元掺杂极的俯视图；

图4是本发明第一个其他实施例的FET阵列气敏传感器的剖视图；

图5是本发明其他实施例的FET阵列气敏传感器的源极的俯视图；

图6是本发明第二个其他实施例的FET阵列气敏传感器的剖视图；

图7是本发明具体实施例提供的FET阵列气敏传感器的加工方法的流程图；

图8至图24是本发明具体实施例提供的FET阵列气敏传感器的加工方法的过程图；

图25和图26是本发明第三个其他实施例提供的FET阵列气敏传感器的加工方法的部分过程图。

图中：

1、衬底；10、隔热腔室；11、硅岛；

2、绝缘层；201、第一子绝缘层；202、第二子绝缘层；

3、FET加热单元；30、多晶硅层；31、源极；32、漏极；33、感应电极组；331、正电极；332、负电极；

4、气敏层；

100、第一阻挡层；1001、第一刻蚀口；200、第二阻挡层；2001、第二刻蚀口；300、第三阻挡层；3001、第三刻蚀口；400、第一光刻胶层；4001、第一开口区域；500、硬掩膜；5001、隔热孔；600、第二光刻胶层；6001、第二开口区域；700、保护层；800、第三光刻胶层；8001、第三开口区域。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种FET阵列气敏传感器，如图1所示，包括衬底1、绝缘层2、硅岛11、FET加热阵列及两个气敏层4，衬底1上设有隔热腔室10，绝缘层2位于隔热腔室10的一端且固定在衬底1上，硅岛11位于绝缘层2的第一侧面上且位于隔热腔室10内，FET加热阵列包括两个FET加热单元3，每个FET加热单元3均包括感应电极组33和若干个掺杂极，掺杂极分为源极31和漏极32，源极31和漏极32间隔排布在硅岛11内且与第一侧面接触，感应电极组33设置在绝缘层2的第二侧面上且位于源极31和漏极32之间，第二侧面与第一侧面正对设置，源极31和漏极32导通时能够产生热量，每个气敏层4均覆盖在一个FET加热单元3的感应电极组33上，两个FET加热单元3通入相同的电流时能够在相同时长内分别将对应的气敏层4加热至不同的温度。

需要说明的是，两个FET加热单元3的总电阻不相同，对每个FET加热单元3施加相同的电压或者通入相同的电流时，在相同时长内产生的热量不同，从而使得两个气敏层4的温度存在差异。

在本发明的其他实施例中，FET加热阵列所包括的FET加热单元3的个数并不限于本实施例的两个，还可以为三个、四个或者多于四个，这些FET加热单元3能够将气敏层4加热至不同的温度，即在相同的时间内，能够在相同的电流下将所有气敏层4均匀地加热至不同的温度；或者，其中两个或者至少两个FET加热单元3能够将气敏层4加热至相同的温度，但是必须有至少两个FET加热单元3能够将气敏层4加热至不同的温度，提升了FET阵列气敏传感器的应用空间，具体根据实际需要设置。

具体地，本实施例的气敏层4的气敏材料相同，气敏材料为二氧化锡、三氧化钨或氧化锌，气敏层4含有的贵金属可为具有催化作用的铂、金、钯、铑或铱等，贵金属能够降低二氧化锡、三氧化钨或氧化锌的半导体势垒，促进FET阵列气敏传感器的选择性。在其他实施例中，同一个FET阵列气敏传感器的不同气敏层4的气敏材料可以相同以检测相同的敏感气体，也可以不同以检测不同的敏感气体，具体根据实际需要进行选定，本实施例不做具体限定。

本实施例提供的FET阵列气敏传感器，由于FET加热阵列的两个FET加热单元3通入相同的电流时能够在相同时长内产生不同的热量，而每个FET加热单元3均与一个气敏层4对应，使得两个气敏层4能够达到不同的温度，利于将气敏层4的温度加热至检测敏感气体所需要的最佳温度范围，减小了敏感气体的浓度检测偏差，FET加热阵列加热气敏层4与现有的电阻式加热相比，提升了气敏层4的温度的均匀性，减小了FET阵列气敏传感器出现裂纹的概率，延长了FET阵列气敏传感器的使用寿命。

如图1所示，本实施例的隔热腔室10采用干法刻蚀工艺加工而成，干法刻蚀兼有各向异性和选择性好的优点，与湿法刻蚀相比，成本低但刻蚀速率慢。当然，在本发明的其他实施例中，还可以采用湿法自停止腐蚀工艺形成隔热腔室10，如图4所示。具体根据实际需要选择加工工艺。

如图2和图3所示，沿每个FET加热单元3的边缘至中心的方向，掺杂极的横截面积逐渐减小。其中每个FET加热单元3的掺杂极的深度均相同，沿每个FET加热单元3的边缘至中心的方向，掺杂极的宽度逐渐减小，定义掺杂极的深度方向为硅岛11的厚度方向，掺杂极的宽度方向为FET加热单元3的径向。

现有的每个FET加热单元3的所有掺杂极的宽度均相同，导致气敏层4的中心区域的温度高于气敏层4的外圈的温度。对同一个FET加热单元3，本实施例的掺杂极的宽度按照上述结构设置，能够提高气敏层4外圈的温度，增加气敏层4温度分布的均匀性，从而使气敏层4能够更好地检测敏感气体的浓度。

具体地，本实施例的一个FET加热单元3所包括的源极31和漏极32的个数均为两个，源极31和漏极32均为环形且依次间隔排布在硅岛11上，沿源极31自身的径向由外至内，源极31、漏极32、源极31及漏极32的宽度逐渐减小。另一个FET加热单元3所包括的源极31和漏极32的个数均为一个，源极31和漏极32间隔排布在硅岛11上，源极31的宽度大于漏极32的宽度。本实施例的源极31和漏极32的形状均为圆环，这种设置使得FET加热单元3能够更均匀的加热气敏层4，从而使每个气敏层4的受热更加均匀。在其他实施例中，源极31和漏极32的形状还可以为环状多边形，例如源极31的形状为环状正八边形，如图5所示，具体根据实际需要进行设置。

在其他实施例中，FET加热单元3所包括的源极31和漏极32的个数均为一个时，分布方式并不限于本实施例的这种限定，还可以是源极31沿气敏层4的边缘分布，漏极32与源极31间隔设置，或者FET加热单元3所包括的源极31和漏极32的个数均为两个以上，源极31和漏极32依次间隔分布，具体根据实际需要设置。

如图1所示，本实施例的感应电极组33包括正电极331和负电极332，正电极331和负电极332间隔形成在绝缘层2上。本实施例的两个FET加热单元3的正电极331和负电极332均为多晶硅电极，其中一个FET加热单元3的感应电极组33的正电极331和负电极332均呈直线状设置，另一个FET加热单元3的感应电极组33的正电极331和负电极332均沿绝缘层2的周向呈圆环设置。在其他实施例中，正电极331和负电极332的形状并不限于本实施例的这种限定，还可以为圆环多边，具体根据实际需要设置。

如图6所示，感应电极组33设置在绝缘层2内，气敏层4覆盖在正对感应电极组33的绝缘层2上，使得感应电极组33能够感应气敏层4的电阻率的变化。

本实施例还提供一种适用于上述FET阵列气敏传感器的加工方法，如图7所示，包括：

S1、提供衬底1，在衬底1的局部区域渗入离子，形成硅岛11。

具体地，S1包括以下步骤：

S11、在衬底1的上表面涂覆第一光刻胶层400；

S12、图形化第一光刻胶层400，形成第一开口区域4001；

S13、通过第一开口区域4001向衬底1上注入浓磷离子，形成正方形的硅岛11，如图8所示；

S14、去掉已经图形化的第一光刻胶层400，如图9所示。

具体地，本实施例的衬底1为P型硅，在P型硅上渗入浓磷离子形成N阱硅岛，N阱硅岛的形状呈正方形。

S2、在硅岛11上渗入离子形成每个FET加热单元3的源极31和漏极32，源极31和漏极32间隔排布在硅岛11内。

具体地，S2包括以下步骤：

S21、在衬底1的上表面和硅岛11的上表面涂覆第二光刻胶层600；

S22、图形化第二光刻胶层600，形成第二开口区域6001，如图10所示；

S23、通过第二开口区域6001向硅岛11上注入浓硼离子，形成源极31和漏极32，如图11所示；

S24、去掉已经图形化的第二光刻胶层600，如图12所示。

具体地，加工而成的源极31和漏极32的形状均为圆环，源极31和漏极32的个数均为两个，源极31和漏极32依次间隔分布。在其他实施例中，源极31和漏极32的形状还可以为环状多边形，源极31和漏极32的个数可以均为一个或者均多于两个，或者源极31的个数比漏极32多一个，具体根据实际需要设置。

S3、在衬底1上淀积绝缘材料形成绝缘层2，如图13所示。

具体地，本实施例的绝缘层2为氧化硅层。在其他实施例中，绝缘层2还可以为氮化硅或者氧化铝等绝缘材料形成的单层结构，或者为氧化硅、氮化硅或者氧化铝等绝缘材料形成的至少两层结构，具体根据实际需要选定。

S4、在绝缘层2上形成每个FET加热单元3的感应电极组33，感应电极组33设置在绝缘层2的第二侧面上且位于源极31和漏极32之间。

本实施例的每个FET加热单元3的感应电极组33均包括正电极331和负电极332，正电极331和负电极332均为多晶硅电极，形成多晶硅电极时S4包括：

S41、在绝缘层2上化学气相淀积多晶硅，形成多晶硅层30，如图14所示；

S42、在多晶硅层30上涂覆第一阻挡层100；

S43、图形化第一阻挡层100，形成第一刻蚀口1001，如图15所示；

S44、刻蚀正对第一刻蚀口1001的多晶硅层30，形成正电极331和负电极332，如图16所示；

S45、去除图形化后的第一阻挡层100，如图17所示。

上述第一阻挡层100为光刻胶层，其中一个FET加热单元3的正电极331和负电极332均呈直线形状，另一个FET加热单元3的正电极331和负电极332均呈圆环状。

在步骤S45之后、步骤S5之前，还包括：

S46、在感应电极组33和绝缘层2上涂覆第二阻挡层200，如图18所示；

S47、图形化第二阻挡层200，形成第二刻蚀口2001；

S48、刻蚀正对第二刻蚀口2001的绝缘层2和硅岛11，使得两个FET加热单元3的掺杂极互相隔离，如图19所示；

S49、去除图形化后的第二阻挡层200。

上述第二阻挡层200为光刻胶层，两个FET加热单元3互相隔离，使得每个FET加热单元3均能够独立加热对应的气敏层4，避免了两个FET加热单元3因电连接而导致互相加热气敏层4的现象发生，保证每个FET加热单元3只能加热与之对应的气敏层4。

S5、在感应电极组33上形成用于检测敏感气体含量且包括贵金属的气敏层4，具体来讲，本实施例采用丝网印刷方法将气敏材料滴涂在感应电极组33上，形成的气敏层4呈水滴状，如图20所示。

在本发明的其他实施例中，还可以采用蒸镀方法使气敏材料成型在感应电极组33上，形成气敏层4，此时S5包括以下步骤：

S51、在绝缘层2和感应电极组33上涂覆第三光刻胶层800；

S52、图形化第三光刻胶层800，形成第三开口区域8001，如图25所示；

S53、向第三开口区域8001内采用蒸镀方法使气敏材料成型在感应电极组33上，形成气敏层4；

S54、去掉已经图形化的第三光刻胶层800，如图26所示。

在其他实施例中，还可以采用喷墨打印的方法形成气敏层4。

具体地，本实施例的气敏层4的气敏材料相同，气敏材料为二氧化锡、三氧化钨或氧化锌，气敏层4含有的贵金属可为具有催化作用的铂、金、钯、铑或铱等，贵金属能够降低二氧化锡、三氧化钨或氧化锌的半导体势垒，促进FET阵列气敏传感器的选择性。在其他实施例中，同一个FET阵列气敏传感器的不同气敏层4的气敏材料可以相同，也可以不同，具体根据实际需要进行选定，本实施例不做具体限定。

S6、在衬底1背离绝缘层2的一端加工出隔热腔室10，形成半成品。

具体地，加工隔热腔室10时，S6包括：

S61、在气敏层4上涂胶形成保护层700，如图21所示；

S62、在衬底1上化学淀积绝缘材料，形成硬掩膜500；

S63、在硬掩膜500上涂覆第三阻挡层300；

S64、图形化第三阻挡层300，形成第三刻蚀口3001；

S65、刻蚀正对第三刻蚀口3001的硬掩膜500，形成隔热孔5001，如图22所示；

S66、深硅刻蚀正对隔热孔5001的衬底1，形成隔热腔室10，如图23所示；

S67、去掉图形化的第三阻挡层300和硬掩膜500，并去除保护层700，如图24所示。

本实施例的第三阻挡层300为光刻胶层，保护层700能够保护气敏层4，避免了加工过程中对气敏层4的损伤。步骤S66中的干法刻蚀工艺兼有各向异性和选择性好的优点，与湿法刻蚀相比，成本低但刻蚀速率慢。当然，在本发明的其他实施例中，还可以采用湿法自停止腐蚀工艺形成隔热腔室10，例如，采用氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵溶液等腐蚀液对衬底1进行湿法腐蚀，由于硅岛11中磷离子的浓度高于衬底1中自带的硼离子的浓度，而腐蚀液对低离子浓度的衬底1腐蚀速率远高于硅岛11的腐蚀速率，从而表现为自停止的效果，刻蚀速率快、设备简单，具有较高的机械灵敏度，实际加工时根据实际需要选择加工工艺。

S7、将半成品进行退火并冷却，形成FET气敏传感器。

此步骤中的半成品指的是单个FET阵列气敏传感器的半成品，退火后的FET阵列气敏传感器的两个气敏层4均呈孔状，与不采用退火并冷却的工艺相比，具有较高的线性度和灵敏度。退火温度和退火时长属于本领域常用的技术手段，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本实施例不做具体限定。

本实施例提供的FET阵列气敏传感器的加工方法，有利于FET阵列气敏传感器的批量化生产，加工而成的FET阵列气敏传感器，在相同的时间内，能够在相同的电流下将至少两个气敏层4均匀地加热至不同的温度，增加了敏感气体浓度检测的准确性，提升了FET阵列气敏传感器的性能，降低了气敏层4出现裂纹的概率，延长了FET阵列气敏传感器的使用寿命。

形成如图6所示的源极31、漏极32、感应电极组33及绝缘层2时包括：

在衬底1上淀积绝缘材料形成第一子绝缘层201；

在第一子绝缘层201上形成感应电极组33，感应电极组33的加工方法与S4相同；

刻蚀部分第一子绝缘层201，在硅岛11上形成间隔排布的源极31和漏极32；

在源极31、漏极32、感应电极组33及第一子绝缘层201上形成第二子绝缘层202，第一子绝缘层201和第二子绝缘层202形成绝缘层2。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。