CN101303240A - 一种灵敏大信号输出微型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供了一种灵敏大信号输出微型压力传感器，具体是将传感器电容部分的导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，形成MOSFET器件的浮栅，从而将传感器的电容部分与下面的MOSFET器件分离，使传感器电容部分的结构尺寸对MOSFET器件没有任何影响，这样MOSFET器件就能制作成较小的尺寸，适合在微/纳级系统中使用；同时还能够有效克服器件的短沟道效应，改善电路的模拟属性，使其具有较大的放大倍数，可以直接完成信号的放大，并且避免使用高介质的材料，降低了传感器开发应用的成本。

Description

一种灵敏大信号输出微型压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种灵敏大信号输出微型压力传感器。

背景技术

随着科技的发展，在传感器领域中，需要采集处理的信号越来越微弱，已经达了纳米级，这些信号容易被噪声淹没且不易检测。同时传感器的尺寸也随之不断减小，目前微弱信号传感器的尺寸已突破100nm向40nm尺寸进军，如果继续减小，传感器的尺寸将接近电子的德布罗意波长，量子效应将变得更加显著，尺寸小于10nm就会出现一些如库仑阻塞等新的特点；另一方面处理电路也越来越复杂，一般传感器输出信号为电容信号、温度信号或化学量等非电学信号，在对这些微弱信号处理时，要保证一定的精度和分辨率，一般信号处理电路包括信号采集部分、信号放大部分、校准部分和信号转换部分等，而传感器和后端处理电路之间的接口部分一直是阻碍传感器系统实用化发展的“瓶颈”。

现在主要采用的方法是利用微电子机械系统MEMS技术把传感器加工成微型悬臂梁、微型桥结构，其结构如图1所示。在微型桥和衬底间形成一个电容，当负载沿垂直方向作用时，极板间距减小，电容量增加，其变化就可以通过适当电路进行检测并转换成电压信号输出。这种传感器可以较为准确的测量微弱信号，但后继电路设计相当复杂，而且后端读出电路难以标准化，这是因为各种传感器输出的信号截然不同，对后端读出电路不可能统一，这样每一种传感器都需要一套信号处理专用电路。这样对系统来说，既需要传感器的设计又需要后继电路的设计，同时由于微型传感器的集成度高，输出信号非常小，容易受到系统中寄生电容、分布电容等的影响。所以，目前在微型传感器领域研究的核心问题，就是通过对微米及纳米尺度范围内传感信号处理结构的改进，使其具有以下几方面的功能：一是直接把传感信号转化为电信号；二是完成信号的放大；三是可以对放大信号进行处理。

目前较为先进的是CAP-FET(电容-场效应晶体管)的新型MEMS传感器结构，其结构示意图如图2所示，其设计方法是将传感器电容设计到MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件栅极的电介质中，使MOSFET器件栅极作为传感器电容的上极板，这样当上极板移动时，MOSFET器件栅极的电介质电容就会改变，从而使得MOSFET器件源-漏极间的输出电流直接改变，创建出了电容-电流传感器。图2中传感器上极板是密封真空谐振腔上的多晶硅薄膜，这种结构可以作为压力传感器来使用。

采用这样的结构可以把MOSFET器件浮栅的机械位移直接转化为电流，通过浮栅来控制传感器的电流输出，并在制造传感器时可以与CMOS制造工艺兼容，使用一种工艺模块。

这种CAP-FET结构的传感器，主要优点是可以直接把传感器信号转换为电信号输出，但是输出的信号非常微弱，如图3的曲线图所示，所以对输出信号必须加上复杂的处理电路，而一般放大电路仍然是以晶体管为核心构成的，另外还需加上各种外围电路，这样依然会使电路结构非常的复杂，不能突出显现CAP-FET结构的优越性，甚至会使输出结果产生严重的误差，这也正是CAP-FET结构没有广泛使用的原因；另外，从CAP-FET的结构方面来讲，它是直接将传感器电容部分设计到MOSFET器件的栅电介质中，把MOSFET器件的浮栅作为传感器的上极板，但同时却使得MOSFET器件的面积容易受传感器电容面积的影响，使MOSFET的栅长度过大，导致信号传输困难；另外，由于栅上电容的影响，使MOSFET器件有很高的阈值电压，不适合在CMOS电路中工作；而从CAP-FET的尺寸方面来讲，它的尺寸已经达到深亚微米级和纳米尺度范围内，MOSFET器件的短沟道效应非常明显，这样为了保持对短沟道效应的栅控，栅电介质的厚度必须减小，就需要开发使用高介电常数的材料，提高了传感器的开发应用成本。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式提供一种灵敏大信号输出微型压力传感器。

本发明实施方式所述灵敏大信号输出微型压力传感器，包括传感器电容部分和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET器件，其中所述传感器电容部分的导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，形成MOSFET器件的浮栅。

所述导电浮动层在一个电介质层上形成传感器电容部分的底板。

所述MOSFET器件的栅绝缘层包括氧化膜或氮氧化介质。

所述MOSFET器件的源极和漏极采用不同的掺杂类型，在MOSFET器件沟道的源极内侧形成隧道结。

所述MOSFET器件的源极为N型掺杂、漏极为P型掺杂。

所述MOSFET器件的源极和漏极的掺杂浓度为1×10¹⁹～2×10²⁰/cm^-3范围内。

所述传感器电容部分的导电浮动层注入有电荷，通过电荷数来调整传感器阈值电压。

另外的，所述导电浮动层中的电荷是离子注入的。

由上述所提供的技术方案可以看出，本发明实施方式可以让传感器电容部分与下面的MOSFET器件分离，使传感器电容部分的结构尺寸对MOSFET器件没有任何影响，这样MOSFET器件就能制作成较小的尺寸，使其适合在微/纳级系统中使用；同时，还能够有效克服器件的短沟道效应，改善电路的模拟属性，使其具有较大的放大倍数，可以直接完成信号的放大，并且避免使用高介电常数的材料，降低了传感器开发应用的成本。

附图说明

图1为现有技术中微型桥形结构传感器示意图；

图2为现有技术中CAP-FET压力传感器的结构示意图；

图3为现有技术中CAP-FET传感器压力和输出电流的曲线图；

图4(a)为本发明实施方式传感器结构的俯视图；

图4(b)为本发明实施方式传感器结构的截面图；

图5为本发明实施方式中形成隧道结的传感器结构的截面图；

图6(a)和(b)为本发明实施方式两种状态下传感器的能带示意图；

图7为本发明实施方式中建立MOSFET器件等效电路模型的电路图；

图8(a)和(b)为本发明实施方式中MOSFET器件等效电路的SPICE仿真结果图；

图9为本发明实施方式中对阈值进行调整的结果比较示意图；

图10(a)和(b)为本发明实施方式中传统CAP-FET传感器和本发明所述传感器在输出结果方面的比较曲线图；

图11(a)和(b)为本发明实施方式中传统CAP-FET传感器和本发明所述传感器在阈值电压方面的比较曲线图；

图12(a)和(b)为本发明实施方式中传统CAP-FET传感器和本发明所述传感器在系统稳定性方面的比较曲线图。

具体实施方式

本发明实施方式提供了一种灵敏大信号输出微型压力传感器，具体是将传感器电容部分的导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，形成MOSFET器件的浮栅，从而将传感器的电容部分与下面的MOSFET器件分离，使传感器电容部分的结构尺寸对MOSFET器件没有任何影响。

为更好的描述本发明，现结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

如图4(a)和(b)所示，为本发明实施方式下传感器结构的俯视图和截面图。图中，本发明所述传感器包括传感器电容部分和MOSFET器件，其中的传感器电容部分包括起信号传递作用的传感器多晶硅薄膜、形成电容结构的密封真空腔和用来形成传感器电容底板的导电浮动层；本发明实施方式是通过将传感器电容部分与下面的MOSFET器件相分离来实现的，具体来说就是将所述的导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，以此来形成MOSFET器件的浮栅，使用这种布局结构能够使传感器电容部分与下面的MOSFET器件分离开来，使MOSFET器件的尺寸不依赖于传感器电容部分的尺寸，这样MOSFET器件就能制作成较小的尺寸，使其适合在微/纳级系统中使用。

另外，本发明实施方式所述MOSFET器件的栅绝缘层可以为氧化膜或氮氧化介质，这两种介质的实施工艺不同，且介电常数有所差别。

对于MOSFET器件来说，当沟道长度与源、漏结耗尽层宽度相比拟时，所对应的沟道称为短沟道，此时沟道中电场的分布是非一维的，缓变沟道近似失效，出现较大的沟道长度调制效应和阈值电压的变化，迁移率减小，速度饱和，跨导下降等，导致器件特性变差，这就是通常所述的短沟道效应。在利用上述传感器结构后，由于MOSFET器件的尺寸不再依赖于传感器电容部分的大小，所以MOSFET器件能够被制作成很小的尺寸。这样，MOSFET器件源极和漏极的间距就可以很小，为了克服MOSFET器件的短沟道效应，避免使用高介电常数的材料，本发明实施方式在所述MOSFET器件的源极和漏极上，采用不同的掺杂类型，从而在MOSFET器件沟道的源极内侧形成一个隧道结，其传感器截面图如图5所示。通过这样的结构布局，使得MOSFET器件沟道的一边是高度简并的半导体，一边是是弱简并的半导体(即Fermi能级接近能带底，但未进入能带)，使得器件沟道在有正向电压时不出现隧道电流，即其正向特性与普通的p-n结相似；但在反向时，沟道就会出现隧道电流，即隧道击穿，构成了所谓的二极管。

图6(a)和(b)显示了两种状态下传感器结构的能带图，在不导通状态下的传感器结构中，由于源极和漏极之间有反向pn结，使得器件处于截止状态，在静态时具有极低的漏电流；当栅极加正偏压形成沟道时，沟道和漏区处形成反偏pn结，当电压达到一定幅度时，此反偏结处发生齐纳击穿，产生隧道电流，此过程具备陡然接通特性。这样就使器件在45nm-350nm的尺度范围内，具有很好的放大特性，在45nm尺度下，电路放大倍数可达110。

以上所述MOSFET器件的源极可以为N型掺杂，漏极可以为P型掺杂。这样选择掺杂类型是因为栅极为正电压时为有效工作状态，所以衬底选择P型掺杂，沟道建立时为N型，所以源极选N型掺杂，但为了在漏极实现反向隧穿结，所以漏极选P型掺杂。

但是，并不是简单的改变掺杂类型就可以使MOSFET器件达到理想的效果，所选择的N、P掺杂浓度也直接关系到传感器部分、信号放大部分和信号转换接口部分相适应的问题，本发明实施方式所选择的MOSFET器件的源极和漏极的掺杂浓度在1×10¹⁹～2×10²⁰/cm^-3范围内。这一结果是通过建立MOSFET器件等效电路模型来得到的，其等效电路模型的电路图如图7所示，图中的等效电路图包含一个齐纳二极管的等效电路和一个并联电阻，该并联电阻相当于源漏结之间的漏电流。

图8(a)和(b)为上述MOSFET器件等效电路的SPICE仿真结果图，图中，V_GS为栅源电压，V_DS为漏源电压，图8(a)所示为在不同源漏结电压下(分别为0.01V，1V，3V)栅源电压与漏极电流的关系；图8(b)所示为在不同栅源电压下(在2V到3V内，每次增加0.2V)，漏源电压与漏极电流的关系。从图中可以看出：通过软件模拟，高掺杂n、p区，硅表面磷、硼的掺杂浓度在1·10¹⁹～2·10²⁰cm^-3范围内，可以有效克服短沟道效应，有较大的放大倍数。

同时，为了能够更加有效的调整传感器的阈值电压，使之适合在CMOS电路中工作，本发明实施方式是通过如下的结构来实现的：在所述的导电浮动层中，通过离子注入的方式向该层注入电荷，改变导电浮动层上的电荷密度，由于MOSFET晶体管的阈值电压与栅区的电荷数有关，而导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，形成了MOSFET器件的浮栅，所以可通过这种方式来调整MOSFET器件阈值电压，其中传感器的阈值电压V_tsens和MOSFET器件阈值电压V_t的关系如下所示：

$V_{\mathrm{tsens}}=V_t\left(\frac{C_{\mathrm{total}}}{C_{\mathrm{sens}}}\right)$

其中C_total是MOSFET器件浮栅的总电容，C_sens是传感器多晶硅薄膜和导电浮动层之间的电容。由上式可知：通过改变MOSFET器件的阈值电压，可直接调整传感器的阈值电压，从而使之适合在CMOS电路中工作。

如图9所示，为传感器3次紫外线擦除编程后循环结果比较示意图，在图中：每次离子注入后传感器阈值电压都相应减少，在紫外线擦除后阈值电压又恢复为原来的值，图中横坐标表示的是阈值电压，纵坐标表示的是漏电流，图中还可以看出，随着每次注入的调整，阈值电压的变化量非常明显。

通过应用以上所述的结构，既可以把传感器信号直接转换为微电学信号，又可以减少MOSFET器件的设计尺寸，克服深亚微米级器件中的短沟道效应，并通过对传感器阈值电压的调整，有效改善了电路的模拟属性，使此传感器结构具有较大的放大倍数，能够直接完成信号的放大处理。

图10(a)和(b)为本发明实施方式中传统CAP-FET传感器和本发明所述传感器在输出结果方面的比较曲线图，从图中可以看出，对应于相同的压力下，传统传感器的电压输出范围在10^-5数量级，而本发明传感器电压输出范围在10^-3数量级，输出幅度提高了100倍左右。

图11(a)和(b)为本发明实施方式中传统CAP-FET传感器和本发明所述传感器在阈值电压方面的比较曲线图，从图中可以看出，传感器通过浮栅结构，能够灵敏地调整传感器的阈值电压。

图12(a)和(b)为本发明实施方式中传统CAP-FET传感器和本发明所述传感器在系统稳定性方面的比较曲线图，图12(a)中为传统传感器结构对应的曲线，受外界电压影响很大，表现出不稳定特性；而图12(b)中本发明传感器结构其特性基本不随外界电压变化，表现出高的稳定性。

综上所述，本发明实施方式可以将传感器电容部分与下面的MOSFET器件分离，使传感器电容部分的结构尺寸对MOSFET器件没有任何影响，这样MOSFET器件就能制作成较小的尺寸，适合在微/纳级系统中使用；同时，还能够有效克服器件的短沟道效应，改善电路的模拟属性，使其具有较大的放大倍数，可以直接完成信号的放大，并且避免使用高钾介质的材料，降低了传感器开发应用的成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1、一种灵敏大信号输出微型压力传感器，包括传感器电容部分和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET器件，其特征在于：所述传感器电容部分的导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，形成MOSFET器件的浮栅。

2、如权利要求1所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述导电浮动层在一个电介质层上形成传感器电容部分的底板。

3、如权利要求1所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述MOSFET器件的栅绝缘层包括氧化膜或氮氧化介质。

4、如权利要求1所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述MOSFET器件的源极和漏极采用不同的掺杂类型，在MOSFET器件沟道的源极内侧形成隧道结。

5、如权利要求4所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述MOSFET器件的源极为N型掺杂、漏极为P型掺杂。

6、如权利要求4或5所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述MOSFET器件的源极和漏极的掺杂浓度为1×10¹⁹～2×10²⁰/cm^-3范围内。

7、如权利要求1所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述传感器电容部分的导电浮动层注入有电荷，通过电荷数来调整传感器阈值电压。

8、如权利要求7所述的灵敏大信号输出微型压力传感器，其特征在于：所述导电浮动层中的电荷是离子注入的。

Images