CN100573071C

CN100573071C - 纳米梁上mos电容衬底的压阻结构及检测方法

Info

Publication number: CN100573071C
Application number: CN 200710173683
Authority: CN
Inventors: 杨恒; 吴燕红; 成海涛; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: CN101251426A

Abstract

本发明提出了一种MOS电容衬底的压阻结构及检测方法，以实现对纳米厚度梁的弯曲的压阻检测。本发明是在半导体纳米厚度梁上制作MOS电容结构。检测时在MOS电容上施加电压使MOS电容下纳米梁中形成强反型层与空间电荷区。不导电的空间电荷区使其下方的衬底电阻相对于梁中性面不对称，可以作为力敏电阻用于纳米梁的弯曲的测量。由于形成强反型层后，空间电荷区达到最大深度，MOS电容衬底力敏电阻的阻值不随栅极电压变化而变化，避免了现有的MOS沟道压阻结构中因负反馈引起的灵敏度下降，并且抗干扰能力强。提供的MOS电容衬底压阻结构也避免了纳米梁上制作力敏电阻所必需解决的重掺杂浅结制作难题。

Description

纳米梁上MOS电容衬底的压阻结构及检测方法

技术领域

本发明涉及一种在厚度为纳米量级的梁上利用金属-氧化物-半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)电容衬底的压阻结构以及利用压阻效应实现对纳米梁弯曲的检测的方法。属于传感器领域。

背景技术

纳机电系统技术(Nano Electro Mechanical System，NEMS)是微机电技术(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的发展，是纳米技术的重要组成部分。由于利用了纳米尺度结构的表面效应、尺度效应等纳米效应可以实现新型器件，实现现有器件性能的显著提升(K.L.Ekinci，M.L.Roukes.Nanoelectromechanical systems.Review of Scientific Instruments，Vol.76，061101，2005.)(Miles Blencowe.Quantum electromechanical systems.PhysicsReports，Volume 395，Issue 3，May 2004，pp.159-222)。

本申请所述的纳米尺度范围为≤200nm，该特征尺度在纳米量级的梁结构是纳机电系统技术中的基本结构。微/纳机电系统结构的位移、振动等一般均会引起梁的弯曲。因此弯曲是微/纳机电系统中梁运动的重要方式。本文中将梁弯曲的方向定义为厚度方向。本文中所指的纳米梁是指弯曲方向的尺度在纳米量级的梁。

由于纳机电器件的特征尺度小，造成位移检测的难度高。传统的电容检测、压阻检测等技术面临一系列的问题。例如，电极尺寸为40μm×10μm、间隙为1μm的结构，其电容仅为3.5fF，纳米结构的电容一般在10^-18F量级，远小于寄生电容(K.L.Ekinci，M.L.Roukes.Nanoelectromechanical systems.Review of Scientific Instruments，Vol.76，061101，2005.)，电容检测的难度极高。现有的检测方法主要有电磁检测(X.M.H.Huang，C.A.Zorman，M.Mehregany，M.L.Roukes.Nanodevice motion in microwave frequencies.Nature，Vol.421，30 Jan.2003，p.496.)、光学测量法(B.Ilic，Y.Yang，K.Aubin，R.Reichenbach，S.Krylov，H.G.Craighead.Enumeration of DNA Molecules Boundto a Nanomechanical Oscillator.Nano Lett.Vol.5，2005，pp.925-9.)等。电磁检测技术可以实现对高频信号的测量，测量精度也较高，应用较为广泛。但是由于纳米结构的位移小，需要有很强的磁场才能实现测量(X.M.H.Huang，C.A.Zorman，M.Mehregany，M.L.Roukes.Nanodevice motion in microwavefrequencies.Nature，Vol.421，30 Jan.2003，p.496.)。而采用强磁场的电磁检测一般难以集成。光干涉测量法在微米下是种较为常用的方法。但是激光光斑一般在微米量级，随着梁的尺度减小到纳米量级，纳米梁上的光的反射强度越来越小，使得检测系统需要复杂的设备才能完成，且光学检测通常也无法实现单片集成。

压阻检测技术是微机电系统中常用的检测方法，得到了广泛应用，如AFM(M.Tortonese，R.C.Barrett，and C.F.Quate，Atomic resolution with anatomic force microscope using piezoresistive detection，Appl.Phys.Lett.，Vol.62，No.8，22 February 1993，pp.834-836)、数据存储器(H.J.Mamin，R.P.Ried，B.D.Terris，and D.Rugar，High-Density Data Storage Based on the Atomic ForceMicroscope，Proc.IEEE 87，1014(1999))。压阻检测技术是利用半导体电阻的电阻率随应力变化的特性，通过测量梁上制作的半导体电阻阻值随电阻所处位置的应力变化来测量梁的弯曲。用于压阻检测的半导体电阻通常称为力敏电阻。

由于压阻检测是直接测量力敏电阻处的应力，其灵敏度与梁上应力分布以及力敏电阻的尺寸直接相关。因此有必要回顾一下梁弯曲时梁上应力分布。当一根双端固支梁或悬臂梁弯曲且弯曲相比于梁厚度不大时，可以认为梁内存在一中性面，中性面内应力为0，中性面上下两部分的应力的积分大小相等符号相反。距离中性面越远则应力的绝对值越大。应力绝对值的最大值出现在梁的上、下两个表面上。对于矩形截面的均质梁，中性面位于梁的厚度一半处，相对于中性面上、下对称的任何两点应力大小相等但符号相反。(M.H.Bao，Micro Mechanical Transducers，ELSEVIER，2000)。当在梁上制作长度为L_R、宽度为W_R、厚度为h_R的力敏电阻时，电阻值的变化反映的是L_R×W_R×h_R区域内的应力平均值。为了获得较高的灵敏度，力敏电阻应制作在中性面的一侧。当力敏电阻跨越中性面时，由于中性面两侧应力符号相反而出现部分抵消，使灵敏度降低。当力敏电阻厚度等于梁厚度时，对梁弯曲的灵敏度为0。因为应力绝对值的最大值出现在梁的表面，随深度增加而减小，至中性面减小为0，所以力敏电阻厚度相对于梁的厚度越薄则灵敏度越高。另一方面，电阻厚度变薄会引起阻值增加，从而引起热噪声的增加，减小电阻厚度的同时必须增加掺杂浓度。

对于纳米梁，由于梁的厚度在纳米量级，力敏电阻的结深必须远小于纳米梁的厚度才能获得较高的灵敏度。制备结深浅、浓度高的电阻的难度高。近年来为增加纳米结构压阻效应发展了很多方法，但是工艺都很复杂(Y.Su，A.G.R Evans，A.Brunnschweiler，G.Ensell，M.Koch，“Fabrication of improvedpiezoresistive silicon cantilever probes for the atomic force microscope”Sensorsand Actuators A，vol.60，pp.163-167，1997.)(M.Despont，H.Takahashi，S.Ichihara，Y.Shirakawabe，N.Shimizu，A.Inoue，W.Haberle，G.K.Binnig，P.Vettiger，“Dual-cantilever AFM probe for combining fast and coarse imagingwith high resolution imaging”Proceedings of MEMSconference，2000，pp.126-131.)。

然而，利用MOS沟道的压阻效应可以实现对应力的检测，目前已研制成多种采用MOS沟道压阻检测的传感器(Vitor Garcia，Fabiano Fruett.Amechanical-stress sensitive differential amplifier.Sensors and Actuators，A132，2006，pp.8-13.)(D.Lange，C.Hagleitner，C.Herzog，O.Brand，H.Baltes.Electromagnetic actuation and MOS-transistor sensing for CMOS-integratedmicromechanical resonators.Sensors and Actuators，A103，2003，pp.150-155)。由于MOS沟道的厚度很薄，载流子浓度取决于栅极电压而不是由掺杂形成的，可以避免高浓度浅结力敏电阻的制作难题，是解决纳米厚度梁压阻检测的一个重要途径。

MOS沟道压阻检测的主要问题有三点。(1)MOS管是一种具有放大作用的晶体管，栅极电压的微小变化会引起沟道阻抗的显著变化，因此抗干扰能力差。(2)为实现压阻检测需要将MOS管连接成电桥，而MOS电桥存在负反馈，会造成压阻灵敏度的显著下降。理论计算表明增强型MOS管电桥的灵敏度小于力敏电阻电桥的一半。(3)纳米梁弯曲时，最大应力出现在表面，随着深度的增加应力迅速下降。而MOS管结构特点决定了沟道无法制作在表面，造成灵敏度下降。

利用结型场效应管(JFET)沟道的压阻效应也可以实现纳米梁的压阻检测。但是JFET沟道压阻结构也存在MOS沟道压阻结构类似的问题，即对栅极电压敏感抗干扰能力差、存在负反馈会降低灵敏度等。

发明内容

本发明提出一种新型MOS电容衬底压阻结构及利用压阻效应实现对纳米梁检测的方法。本发明不需要制作MOS管而只需要制作MOS电容，在MOS电容上施加电压使MOS电容下纳米梁中形成强反型层与空间电荷区，利用MOS栅氧化层下形成的空间电荷区改变衬底电阻相对于中性面的对称性，采用空间电荷区下的衬底电阻作为力敏电阻实现纳米梁的压阻检测。利用MOS栅氧化层下形成的沟道实现对MOS栅极电压的屏蔽，从而避免现有的MOS管沟道压阻结构中存在的抗干扰能力差、负反馈引起灵敏度下降等缺点。通过适当设计掺杂浓度和梁厚度，可以将MOS电容衬底力敏电阻制作在纳米梁下表面，且电阻厚度可以远小于纳米梁厚度。

纳米梁上MOS电容衬底压阻结构如图1所示。图1(a)为侧视图，图1(b)为俯视图。纳米梁1的两端与锚点2连接，可以自由地在y方向和z方向振动。由于所述的纳米梁的厚度在纳米量级，宽度大于厚度，因此纳米梁的基频振动方向沿z方向。纳米梁为半导体材料，最常用的硅材料。但本发明的方法不仅限于硅材料，对于锗等具有压阻特性的半导体材料均适用。在纳米梁和压焊块下制作均匀的掺杂区3。掺杂区可以是P型或N型的，由设计需要决定。栅极5、栅氧化层4与栅氧化层下掺杂区形成MOS电容。栅极通过栅极金属引线6实现电学引出。栅极金属引线下的场氧化层7厚度较大以降低金属引线与纳米梁间的寄生电容。纳米梁两端掺杂区上分别制作电阻电极A和电阻电极B实现纳米梁的电学引出。当栅极与掺杂区间的电压为0即MOS电容上的电压为0时，电极A和B间的电阻就等于纳米梁电阻与两端电阻之和。此时该电阻阻值不随梁弯曲而变化，因为中性面上下两部分应力产生的压阻效应相互抵消。因此当MOS电容上电压为0时，电极A和B间的电阻不随梁弯曲而变化。

本发明所提供的纳米梁上MOS电容称底电阻结构还可以进一步简化，如采用浮栅替代栅极、或在栅氧化层中引入氧化层固定电荷和氧化层陷阱电荷形成强反型层省略栅极，以及用悬臂梁、或V型梁取代上述双端固支梁等(详见实施例)。利用上述压阻结构进行检测时，在MOS电容上施加电压。施加电压的极性与MOS电容的阈值电压V_T相同，与纳米梁掺杂类型有关。对于P型掺杂的纳米梁，栅极电压相对纳米梁为正。对于N型掺杂的纳米梁，栅极电压相对纳米梁为负。施加电压的绝对值大于阈值电压的绝对值，|V|＞|V_T|。施加的电压在纳米梁表面感应形成强反型层10，对于P型掺杂的纳米梁强反型层为N型，对于N型掺杂的纳米梁强反型层为P型(施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002年)。强反型层下为空间电荷区11，如图2所示。空间电荷区是不导电的。不导电的空间电荷区下的电阻相对于中性面上下不对称，其电阻值会随应力而变化，可以用于测量纳米梁的弯曲，该部分电阻就是本发明所述的MOS电容衬底力敏电阻。该力敏电阻的压阻效应就是MOS电容衬底的压阻效应。该结构就是MOS电容衬底压阻结构。

MOS电容衬底力敏电阻的阻值为

R_{s} = ρ \frac{L}{W (h - h_{C} - h_{D})}

式中ρ为掺杂区的电阻率，L和W为空间电荷区的长度和宽度，h为纳米梁的厚度，h_C为强反型层厚度，h_D为空间电荷区的厚度。h_C相对于h与h_D一般可忽略。根据半导体器件原理(施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002年)，当MOS电容上的电压等于阈值电压时，空间电荷区厚度达到最大值，h_DM。继续增加电压绝对值不会改变h_DM而仅仅是增加反型层中载流子浓度。也就是说，当栅极上的电压与V_T符号相同且绝对值大于|V_T|时，反型层屏蔽了绝对值大于|V_T|部分的电压的作用，使栅极电压的变化不会影响空间电荷区的厚度。因此，当栅极上的工作电压与阈值电压符号相同，且绝对值大于阈值电压绝对值时，MOS电容衬底力敏电阻的阻值不随栅极电压变化，即

R_s＝ρχ

其中

χ = \frac{L}{W (h - h_{C} - h_{DM})} \approx \frac{L}{W (h - h_{DM})}

MOS电容衬底力敏电阻的压阻效应主要来源于电阻率ρ的变化，χ可近似认为是常数。由于越靠近梁表面，应力值越大，适当设计纳米梁与空间电荷区的厚度使h-h_DM尽可能小可以提高压阻检测的灵敏度。

空间电荷区的最大厚度由纳米梁掺杂浓度决定(施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002年)

h_{DM} = 2 \sqrt{\frac{ϵ_{s} ϵ_{0} kT \ln (N / n_{i})}{q^{2} N}}

式中ε_s为硅或锗的相对介电常数，ε₀为真空介电常数，k为波尔兹曼常数，T为温度，N为多数载流子浓度，n_i为本征电子浓度，q为电子电荷量。除N和T外其他参数均为常数。也就是说当温度固定时空间电荷区的最大厚度仅由纳米梁掺杂浓度决定。通过设计纳米梁的厚度与纳米梁掺杂浓度可以设定衬底电阻的尺寸，也就设定了无应力时该电阻的阻值。

MOS电容衬底电阻可以通过测量电阻电极A与B间的电阻得到。为了降低串联的寄生电阻，可以在栅极两端制作重掺杂区，如图3所示。重掺杂区13的掺杂类型与MOS栅极下掺杂区相同。由于载流子浓度高且电阻宽度与厚度大，可以近似认为电极1与2间的电阻就等于MOS电容衬底电阻。

R_t≈R_s

测量电路与一般的压阻测量电路相同，可以采用惠斯顿电桥等(M.H.Bao，Micro Mechanical Transducers，ELSEVIER，2000)。

MOS电容衬底力敏电阻与应力间的关系与一般的半导体力敏电阻规律相同，在此不再赘述。对于压阻特性的计算包括掺杂类型、晶向、压阻系数、灵敏度等可以参见《Micro Mechanical Transducers》(M.H.Bao，ELSEVIER，2000)。

本发明的优点为：

(1)避免了高浓度浅掺杂的困难

(2)相比于MOS沟道压阻，MOS电容衬底力敏电阻在工作时阻值不随栅极电压而变化，也就是说不存在栅极电压的调制作用，避免了因负反馈引起的低灵敏度，并且抗干扰能力强。另外MOS电容衬底压阻结构也比MOS沟道压阻结构简单。MOS沟道压阻结构与MOS管相同，基本的MOS管包括源极、漏极、栅极和衬底四部分，源极和漏极的掺杂类型与栅极下区域的掺杂类型是相反的，也就是说如果源极和漏极为P型时，栅极下为N型。而本专利提出的结构中，纳米梁上的掺杂类型是相同的。

(3)本发明提供了在半导体纳米厚度梁上制作MOS电容结构，检测时在MOS电容上施加电压使MOS电容下纳米梁中形成强反型层与空间电荷区。不导电的空间电荷区使其下方的衬底电阻相对于梁中性面不对称，可以作为力敏电阻用于纳米梁的弯曲的测量。由于形成强反型层后，空间电荷区达到最大深度，MOS电容衬底力敏电阻的阻值不随栅极电压变化而变化，避免了现有的MOS沟道压阻结构中因负反馈引起的灵敏度下降，并且抗干扰能力强。提供的MOS电容衬底压阻结构也避免了纳米梁上制作力敏电阻所必需解决的重掺杂浅结制作难题。

附图说明

图1纳米梁上MOS电容衬底压阻结构。图1(a)为侧视图，图1(b)为俯视图。

图2形成强反型层后结构示意图。

图3栅极两端制作重掺杂区以降低寄生的串联电阻。(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图4采用浮栅的MOS电容衬底压阻结构。(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图5省略了栅极的MOS电容衬底压阻结构。(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图6利用界面电荷的MOS电容衬底压阻结构。(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图7轻掺杂区与重掺杂区宽度小于纳米梁宽度的MOS电容衬底压阻结构。(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图8纳米厚度悬臂梁上MOS电容衬底压阻结构。

图中1.纳米梁，2.锚点，3.轻掺杂区，5.栅极，6.栅极金属引线，7.场氧化层，8.电阻电极A，9.电阻电极B，10.强反型层，11.空间电荷区，12.MOS电容称底电阻，13.重掺杂区，14.浮栅，15.栅氧化层上的绝缘层，16.界面。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

图1为纳米梁上MOS电容称底的压阻结构

纳米梁1的两端分别与锚点2连接，且在y方向或z方向自由振动；在纳米梁1和压焊块下制作有掺杂区3，掺杂区为P型或N型；栅极5、栅氧化层4以及栅氧化层下的掺杂区3形成MOS电容，栅极5通过金属引线6实现电学引出；纳米梁两端的掺杂区分别制作电阻电极8和9实现纳米梁的电学引出。

图2为形成强反型层后结构示意图。图中10为强反型层11为空间电荷区。由于形成强反型层后使空间电荷区达到最大深度，作为力敏电阻用于纳米梁的弯曲测量。

然而，图1所示的MOS电容衬底压阻结构可以进一步简化。由于栅极的作用仅仅是使栅氧化层下形成反型层和空间电荷区，可以简化栅极的设计。例如，采用可擦写非挥发性存储器中使用的浮栅结构可以产生同样的效果。采用浮栅结构的MOS电容衬底压阻结构如图4所示。图4中MOS电容的栅极没有引线与外界连接，称为浮栅。通过注入或电改写等方法在浮栅上引入足量的电荷，使栅极电压与阈值电压符号相同且绝对值大于阈值电压绝对值，就可以获得与图1功能相同的MOS电容衬底力敏电阻。相比于图1，图4结构仅有2根引线，是2端器件，与一般电阻相同。

图4结构可以进一步简化。通过在栅氧化层中引入氧化层固定电荷与氧化层陷阱电荷，可以省略栅极层1，如图5所示。只要栅氧化层内的电荷量足以使栅氧化层下感应形成强反型，图5所示结构即可实现MOS电容衬底压阻功能。栅氧化层内的固定电荷可以是氧化层陷阱电荷、氧化层固定电荷等(施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002年)。引入固定电荷的方法有多种，下面列举几种方法但显然不仅限于下列方法。第一，可以采用注入的方法。通过选择性的电子或离子注入，将电荷注入到氧化层中。由于氧化层是绝缘材料，电荷注入后即成为固定电荷。第二，可以利用工艺本身的特点在氧化层中引入固定电荷和陷阱电荷。X光辐照与高能电子轰击也会在氧化层中引入固定电荷和陷阱电荷(施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002年)。

可以在栅氧化层上再制作一层薄的绝缘层15，如图6所示。绝缘层15与栅氧化层4间的界面16存在界面电荷。通过工艺优化使界面电荷量足以在氧化层下感应出强反型层即可实现MOS电容衬底压阻功能。绝缘层15为与栅氧化层不同的绝缘材料，可以是氮化硅但不仅限于氮化硅。

图1、3、4、5、6中栅氧化层、栅极与纳米梁的宽度相同，这不是必须的。栅氧化层与栅极的宽度只需要大于栅氧化层下轻掺杂区宽度小于纳米梁的宽度即可。图7所示即为图3所示器件的另一种设计。图中轻掺杂区宽度小于梁宽度，栅氧化层和栅极宽度大于轻掺杂区宽度但小于梁宽度，掺杂区以外的区域可以是与掺杂区异质的掺杂也可以是同质掺杂，但必须保证寄生并联电阻远大于MOS电容下压阻阻值。显然图4、5、6中的器件也可以采用图7相同或相似的纳米梁掺杂设计。显然重掺杂区的宽度也可以不等于纳米梁的宽度。

图1-7中纳米梁均为双端固支梁，这不是必须的。MOS电容衬底压阻结构也可以制作在其他的纳米厚度梁上，例如悬臂梁、V型梁等等。图8所示为悬臂梁上MOS电容衬底压阻结构的设计例。

Claims

1、纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构，其特征在于纳米梁两端分别与锚点连接，且在y方向或z方向自由振动；在纳米梁和压焊块下制作有掺杂区，掺杂区为P型或N型；栅极、栅氧化层以及栅氧化层下的掺杂区形成MOS电容，栅极通过金属引线实现电学引出；纳米梁两端掺杂区分别制作电极实现纳米梁的电学引出。

2、按权利要求1所述的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构，其特征在于所述的栅极采用浮栅结构，MOS电容的栅极没有引线与外界连接，所述的压阻结构仅有2根引线，为2端器件。

3、按权利要求1所述的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构，其特征在于在栅氧化层中引入氧化层固定电荷和氧化层陷阱电荷，省略栅极，足够电荷量在栅氧化层下感应形成强反型层。

4、按权利要去1所述的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构，其特征在于所述的纳米梁为双端固支梁、悬臂梁或V型梁。

5、按权利要求1所述的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构，其特征在于所述的纳米梁的宽度大于厚度，纳米梁的基频振动方向沿z方向；所述的纳米梁的材料为具有压阻特性的硅或锗。

6、按权利要求1所述的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构，其特征在于栅氧化层、栅极与纳米梁的宽度相同，或栅氧化层与栅极的宽度大于栅氧化层下的掺杂区的宽度，小于梁的宽度。

7、使用如权利要求1-3中的任一项所述的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构对纳米梁弯曲的检测方法，其特征在于在MOS电容上施加电压，使MOS电容下纳米梁中形成强反型层与空间电荷区，利用MOS电容栅氧化层下的空间电荷区改变衬底电阻相对于中性面的对称性，利用空间电荷区下的衬底电阻作为力敏电阻，实现纳米梁的弯曲测定。

8、按权利要求7的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构对纳米梁弯曲的检测方法，其特征在于MOS电容衬底力敏电阻的阻值为：

R_{s} = ρ \frac{L}{W (h - h_{C} - h_{D})}

式中ρ为掺杂区的电阻率，L和W为空间电荷区的长度和宽度，h为纳米梁的厚度，h_C为强反型层厚度，h_D为空间电荷区的厚度。

9、按权利要求7的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构对纳米梁弯曲的检测方法，其特征在于所述的空间电荷区的最大厚度由纳米梁的掺杂浓度决定。

10、按权利要求9的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构对纳米梁弯曲的检测方法，其特征在于纳米梁上的掺杂类型是相同的。

11、按权利要求7的纳米梁上的MOS电容衬底的压阻结构对纳米梁弯曲的检测方法，其特征在于对P型掺杂的纳米梁强反型层为N型；对N型掺杂的纳米梁强反型层为P型。