[发明专利]金属－氧化物－半导体结构电容式湿敏器件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种金属—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造方法。

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。五氧化二钽(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Ta₂O₅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Ta₂O₅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。

本发明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)结构电容式湿敏器件及其制造方法。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，有助于批量生产时特性的一致性，并降低生产成本，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。

本发明的湿敏器件，由基片、介质膜和金属电极组成，其特征在于基片采用硅材料，介质膜为硅片表面上的二氧化硅薄膜和在二氧化硅上形成的五氧化二钽湿敏介质膜，金属电极为由铬和金构成的双层透湿电极，铬膜在湿敏介质膜上形成，金膜在铬膜上形成，金膜上有一个金电极引出环。五氧化二钽膜的厚度为100～500nm，铬膜的厚度为5～10nm，金膜的厚度为10～20nm，金电极引出环的厚度为0.5～2μm，环的宽度为0.15～0.3mm。

本发明的湿敏器件的制造方法，采用半导体硅片为基片，经过清洗、氧化，在表面形成厚度为10～30nm的二氧化硅膜；采用物理气相沉积工艺在二氧化硅膜上沉积一层厚度为100～500nm的五氧化二钽膜；在五氧化二钽膜上采用真空蒸发或直流溅射工艺先沉积一层厚度为5～10nm的铬膜，再沉积一层厚度为10～20nm的金膜；在用光刻方法刻出的铬—金圆形电极的外围，通过光刻胶掩蔽，并用电镀金工艺形成厚度为0.5～2μm的环形金镀层，环的宽度为0.15～0.3mm。

本发明的湿敏器件的制造方法，制作五氧化二钽膜的物理气相沉积工艺为下列三种方法中的任意一种：

(1)电子束蒸发工艺：以纯度99.9％以上的五氧化二钽粉末压制成的小块作为源材料，蒸发过程中向真空室内通入纯度为99.99％以上的氧气，并控制真空室的总压强在2×10^-3～1×10^-2Pa之间，沉积速率为2～10nm/min；

(2)射频溅射工艺：采用纯度为99.9％以上的五氧化二钽烧结平板为靶材料，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∶4～20，溅射气压为0.1～1Pa，靶面射频功率密度为1～5W/cm²；

(3)直流反应磁控溅射工艺：以纯度为99.9％以上的金属钽板为靶材料，溅射气氛为纯度在99.99％以上的氧和氩的混合气，氧和氩的比例为1∶0～3，溅射气压为0.5～3Pa，靶面直流功率密度为2～6W/cm²。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：