[发明专利]一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法，所述气敏传感器具有至少一个场效应晶体管，其包括：半导体衬底；形成在半导体衬底上的源区、漏区；形成在源区与漏区之间的衬底表面上的沟道区；形成在沟道区上的绝缘层；以及形成在绝缘层上的敏感层，其作为栅极。以及将相同和/或不同栅区氧化层面积、形状、沟道宽长比和/或栅氧化层厚度的多个场效应晶体管组成传感器阵列。与普通MOSFET化学场效应管相比，本发明中的化学场效应管将金属或多晶硅栅极去掉，通过器件的开关状态变化分辨气体种类并测量气体浓度，具有灵敏度高、制造成本低等优点。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法。

背景技术

气敏传感器(也称为气体传感器)是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气敏传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气敏传感器、电化学型气敏传感器、固体电解质气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器等。

半导体气敏传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率、伏安特性或表面电位变化。自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器问世以来，半导体气敏传感器已经成为当前应用最普遍、最具实用价值的一类气敏传感器，根据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。非电阻式半导体气敏传感器包括MOS二极管式、结型二极管式以及场效应晶体管式(MOSFET)气敏传感器，其电流或电压随着气体含量变化而变化。其中，MOSFET气敏传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。

目前市售的MOSFET气敏传感器主要用来检测氢气(H₂)等有爆炸危险气体和CO、NO₂等有毒性气体。一种典型的MOSFET化学传感器，器件源、漏区制作于硅晶圆衬底之上，然后再在硅晶圆表面生长一层SiO₂，并在沟道区之上的SiO₂层上面覆盖多晶硅或者铝金属层形成各种形状的栅极，最后在栅极之上通过溅射、沉积、自组装等物理、化学方法制作敏感层。其工作原理是目标敏感物(例如氢气)与传感器敏感层(例如催化金属铂)接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别目标敏感物。改变传感器敏感层的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变器件的最佳工作温度。

传统的MOSFET化学场效应晶体管传感器一般是利用气体分子对金属/金属氧化物栅极的穿透或者吸附改变栅区敏感金属/金属氧化物功函数，从而影响栅极电压对沟道电流的调制作用，通过器件的导通阻抗变化或者跨导变化检测气体浓度。用场效应晶体管作为传感器的信号检出元件，不仅使用方便，而且可以输出较强的电流信号，灵敏度高。但是传统的MOSFET化学场效应晶体管结构上一般均为悬浮栅结构，在栅极与绝缘层之间存在一个空气隙(airgap)，导致制造成本高昂。另一方面，由于器件的导通阻抗和跨导与工艺、器件版图密切相关，因此利用器件的导通阻抗变化或者跨导变化检测气体浓度必须内置或者外加校准电路。而校准源的精度以及检测器件与校准源的匹配精度即决定了传感器的最高检测精度及准确度。