CN101565162B - 利用阶梯形电极实现纳米梁驱动与压阻检测结构及其制作方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用阶梯形电极实现纳米梁驱动与压阻检测结构及方法。其特征在于纳米梁上部的金属电极为阶梯形,电极两端与纳米梁间的间隙小于100纳米,而中间部分的电极间隙在1-2微米。所述的阶梯形电极两端与纳米梁形成MIS电容结构。当阶梯形电极与纳米梁间的电压超过MIS电容的阈值电压时,MIS电容下的空间电荷区达到最大值,空间电荷区下的电阻仅为应力的函数,可以用于纳米梁的压阻检测。阶梯形电极的中心部分由于间隙大,对纳米梁的电阻值影响小,中心部分对纳米梁的驱动效率高,用于对纳米梁实现静电驱动。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电驱动压阻检测的纳米梁与阶梯形驱动电极原理与结构,更确切地说涉及一种纳米梁与阶梯形驱动电极结构,该结构中利用阶梯形驱动电极在实现对纳米梁静电驱动的同时在纳米梁表面感应形成空间电荷区,利用纳米梁空间电荷区下的部分作为力敏电阻实现压阻检测。属于微米/纳米制作领域。
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.)。
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。本发明所涉及的纳米梁是指弯曲方向的尺度小于100纳米的梁。
由于纳机电器件的特征尺度小,造成位移检测的难度高。传统的压阻检测技术面临一系列的问题。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。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上下表面。对于矩形截面的均质梁,中性面位于梁厚度一半处,相对于中性面上下对称的任何 两点应力大小相等符号相反。(M.H.Bao,Micro Mechanical Transducers,ELSEVIER,2000)。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。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。
杨恒等人在2007年提出了一种MOS电容衬底压阻结构,在纳米梁上制造MOS电容结构,在MOS电容下感应形成反形层与空间电荷区,利用空间电荷区下的部分作为力敏电阻,实现对纳米梁的压阻检测(杨恒,吴燕红,成海涛,王跃林,纳米梁上MOS电容衬底压阻检测原理与结构,200710173683.0)。该结构避免了制备浅结的难题。但是该结构的缺点是MOS电容的栅氧化层与金属栅极会降低纳米梁的品质因素;同时由于MOS电容处的厚度大于纳米梁上其他部分的厚度,MOS电容处的应力会受到影响;另外必须对栅氧化层作特别保护才能避免释放过程中氢氟酸对它的腐蚀,保护栅氧化层增加了工艺复杂性。
发明内容
本发明目的在于提供利用阶梯形电极实现实现纳米梁驱动与压阻检测结构及其制作方法与应用,也即本发明提供一种利用阶梯形电极与硅纳米梁共同组成MIS电容衬底压阻结构,利用MIS电容衬底压阻实现硅纳米梁的位移检测,同时阶梯形电极也可用于对硅纳米梁的静电驱动。
所述的纳米梁是指厚度小于100纳米的梁结构,纳米梁由硅材料制作,可以为单晶硅或多晶硅,纳米梁的支承方式可以有多种,包括悬臂梁、双端固支梁等。图1所示为阶梯形电极与双端固支纳米梁结构的剖面图。纳米梁在两端处分别有一淡硼区,纳米梁的其他部分为浓硼掺杂区。在纳米梁上方为阶梯形电极。阶梯形电极为一体结构,由于各部分作用不同造成电极间隙不同,所以电极不是在一个平面内而是成阶梯形。淡硼掺杂区与其上方的阶梯形电极间隙小于100纳米,浓硼掺杂区与其上方的阶梯形电极间隙在1-2微米范围内。浓硼掺杂区的主要作用为导电以及与金属压焊块形成欧姆接触, 浓硼掺杂区的掺杂浓度为1019/cm3到1021/cm3的范围内。淡硼区用作为力敏电阻,掺杂浓度为1015/cm3到1019/cm3的范围内。
淡硼掺杂区与其上方的阶梯形电极构成一个MIS(Metal InsulatorSemiconductor)电容结构。MIS电容与MOS(Metal Oxide Semiconductor)电容的原理是一致的,不同之处仅仅在于金属与半导体间不是氧化层而是一层空气膜。该MIS电容结构的阈值电压为Vth。由于淡硼区为P形半导体,所述的MIS电容为NMIS电容。当阶梯形电极上有相对于淡硼区为正的电压时,淡硼区表面形成反形层,在反形层下为空间电荷区。当阶梯形电极上电压大于阈值电压时,空间电荷区深度达到最大值,此时继续增大阶梯形电极上的电压不会增加空间电荷区深度,而仅仅增加了反形层内载流子浓度。此时空间电荷区下的淡硼区可以用作为力敏电阻。该MIS电容衬底压阻结构的工作原理与MOS电容衬底压阻相同。当器件工作时,在阶梯形电极上施加相对于淡硼区为VD+VA0sinωt的电压,其中VD为直流偏置电压,VA0sinωt为圆频率为ω的交流电压。使VD-VA0大于Vth,则空间电荷区始终保持在最大值,MIS电容衬底压阻的阻值保持恒定,不随阶梯形电极上的电压变化。
显然,浓硼区与阶梯形电极也是一个MIS电容结构。但是由于电极间隙大,该MIS电容的阈值电压远大于淡硼区MIS电容的阈值电压。只要使阶梯形电极上的驱动电压远小于该阈值电压,该MIS电容结构对浓硼区阻值的影响可以忽略不计。
浓硼区上的电极用于对纳米梁实现静电驱动,驱动电压即为VD+VA0sinωt。电极与纳米梁间的静电力使梁作上下运动。根据双端固支梁驱动原理,在梁中心附近的驱动效率最高。
阶梯形电极与纳米梁结构的特点是一个电极同时实现静电驱动与MIS电容衬底压阻结构。阶梯形电极并不仅限于用于双端固支纳米梁结构,而可以用于各种厚度在纳米量级的纳米梁结构。MIS电容衬底压阻结构必须制作在纳米梁弯曲时应力极大值处。一般在应力极大值处电极间隙小,用于实现MIS电容衬底压阻,其余部分的电极间隙大,用于静电驱动。
纳米梁与阶梯形电极结构可以用常用的微/纳机电加工技术制作(详见实施例1),但是本发明提供的结构并不仅限于用该方法制作。
综上所述,本发明特征在于纳米梁上部的金属电极为阶梯形,电极两端与纳米梁间的间隙小于100纳米,而中间部分的电极间隙在1-2微米。所述的阶梯形电极两端与纳米梁形成MIS电容结构。当阶梯形电极与纳米梁间的电压超过MIS电容的阈值电压时,MIS电容下的空间电荷区达到最大值,空间电荷区下的电阻仅为应力的函数,可以用于纳米梁的压阻检测。阶梯形电极的中心部分由于间隙大,对纳米梁的电阻值影响小,中心部分对纳米梁的驱动效率高,用于对纳米梁实现静电驱动。
相比于已报道的纳米梁上MOS电容衬底压阻检测结构(中国申请号为200710173683.0),本发明的优点是:
(1)纳米梁为厚度均匀的单晶硅梁,避免了栅氧化层与栅金属电极对应力分布与品质因子的影响。
(2)避免了栅氧化层保护的难题,简化了工艺。
附图说明
图1(a)为本发明的纳米梁与阶梯形电极结构的俯视图,图1(b)为本发明的纳米梁与阶梯形电极结构的剖面图。
图2为制作淡硼区与浓硼区后的结构剖面图。
图3.光刻/刻蚀形成纳米梁图形后的俯视图。
图4.两次淀积/光刻/刻蚀二氧化硅牺牲层后的结构剖面图。图中12为两层二氧化硅牺牲层。
图5.制作金属电极与引线/压焊块后结构剖面图。
图6.牺牲层腐蚀后的结构剖面图。
图7(a)为采用阶梯形电极的纳米悬臂梁结构的俯视图。(b)为去除阶梯形电极后的纳米梁结构的俯视图。(c)为图7(a)的A-A’剖面的剖面图。(d)为图7(a)的B-B’剖面的剖面图。图中1为纳米悬臂梁,2为锚点,3为纳米梁上淡硼扩散区,4为纳米梁上浓硼扩散区,5为阶梯形电极,6为淡硼扩散区上的纳米厚度电极间隙,7为1-2微米厚度的电极间隙,8为压焊块。
具体实施方式
实施例1本发明所提供的利用阶梯形电极实现双端固支纳米梁驱动与压阻检测结构的制作工艺步骤为:
(1)在SOI硅片的顶层硅上利用离子注入的方法制作淡硼掺杂区和浓硼掺杂区。如图2所示,图中在SOI硅片的顶层硅9上制作淡硼区3和浓硼区4。顶层硅9下为埋层二氧化硅10和衬底硅11。
(2)热氧化SOI硅片,在顶层硅上热生长氧化硅层,热氧化会使顶层硅厚度减少。控制热氧化时间,使顶层硅厚度减小到纳米梁的目标厚度。去除表面的热氧化层。
(3)用光刻/刻蚀的方法在顶层硅上制作出纳米梁图形。如图3所示。
(4)利用薄膜淀积/光刻/刻蚀等工艺在纳米梁浓硼区表面制作二氧化硅层,二氧化硅层的厚度为浓硼区上电极间隙的目标厚度减去淡硼区上电极间隙的目标厚度。薄膜淀积的方法可以是LPCVD或PECVD等。
(5)再次利用薄膜淀积/光刻/刻蚀等工艺在纳米梁淡硼区与浓硼区表面制作二氧化硅层,该层二氧化硅层的厚度等于淡硼区上电极间隙的目标厚度。此时浓硼区上淀积了两层二氧化硅层,厚度等于电极间隙的目标厚度。如图4所示。
(6)在二氧化硅层上制作金属电极,同时在锚点处制作金属压焊块/引线,形成欧姆接触,如图5所示。
(7)利用氢氟酸腐蚀去除纳米梁下的埋层二氧化硅与上面淀积的二氧化硅层,即可得到所需的结构。如图6所示。
所制作的纳米梁与阶梯形电极的结构如图1(a)、(b)和图2所示,图中纳米梁1通过两端与锚点2固支。纳米梁1上制作有淡硼掺杂区3和浓硼掺杂区4。锚点为浓硼掺杂。纳米梁1上方制作有金属的阶梯形电极5。在淡硼区3上方电极间隙6小于100纳米。在浓硼区上方电极间隙7在1-2微米范围内。另外,在纳米梁两端锚点上制作了金属压焊块/引线8实现纳米梁的电学连接。且在SOI硅片的顶层硅9上制作淡硼区3和浓硼区4。顶层硅9下为埋层二氧化硅10和衬底硅11。显然,本发明提供的结构并不仅限于上述方法。且不限于双端固支梁。
实施例2
图7所示为利用阶梯形电极实现纳米厚度悬臂梁的静电驱动与MIS电容衬底压阻检测的结构示意图。图7(a)为俯视图,图7(b)为去除阶梯形电极后纳米梁结构的俯视图。纳米梁制作在N型硅片上,即纳米梁初始的掺杂类型为N型。悬臂纳米梁上下运动时,应力极大值点出现在端点处,因此将力敏电阻制作在端点处。由于悬臂梁结构的特点,力敏电阻布置成与纳米梁垂直的状态,力敏电阻处采用淡硼掺杂。阶梯形电极与纳米梁上淡硼掺杂区形成MIS电容结构,纳米梁上浓硼掺杂区用于静电驱动。阶梯形电极与淡硼区的间隙在纳米量级,在其余部分的电极间隙在1-2微米范围内。
Claims (7)
1.一种利用阶梯形电极实现实现纳米梁驱动与压阻检测结构,其特征在于纳米梁上有一阶梯形电极,所述的阶梯形电极为一体结构,不是在一个平面内而是成阶梯形,纳米梁在两端处分别有一淡硼掺杂区,纳米梁的其他部分为浓硼掺杂区;
所述的淡硼掺杂区与其上方的阶梯形电极的间隙小于100纳米,浓硼掺杂区与其上方的阶梯形电极的间隙在1-2微米范围内;
所述的淡硼掺杂区和浓硼掺杂区与其上方的阶梯形电极形成一个MIS电容结构,金属与半导体间是一层空气膜;MIS金属Metal InsulatorSemiconductor的缩写。
2.按权利要求1所述的结构,其特征在于:
a)淡硼掺杂区为p型半导体,所述的MIS电容结构为NMIS电容;
b)所述淡硼区的MIS电容结构的阈值电压为Uth,当阶梯形电极上的电压大于阈值电压时,空间电荷区深度达最大值;淡硼区MIS电容衬底压阻结构的压阻值不随阶梯形电极上的电压变化;
c)所述淡硼区的MIS电容衬底压阻结构制作在纳米梁弯曲时应力的极大值处。
3.按权利要求1所述的结构,其特征在于浓硼掺杂区的掺杂浓度为1019/cm3到1021/cm3范围内;淡硼掺杂区的掺杂浓度为1015/cm3到1019/cm3范围内。
4.按权利要求1所述的结构,其特征在于所述的纳米梁的支承方式为双端固支梁。
5.制作如权利要求1-4中任一项所述的结构的方法,其特征在于用于双端固支纳米梁结构的步骤为:
(a)在SOI硅片的顶层硅上利用离子注入的方法制作淡硼掺杂区和浓硼掺杂区;
(b)热氧化SOI硅片,在顶层硅上热生长氧化硅层,控制热氧化时间,使顶层硅厚度减小到纳米梁的目标厚度;再去除表面的热氧化层;
(c)用光刻/刻蚀的方法在顶层硅上制作出纳米梁图形;
(d)利用薄膜淀积、光刻和刻蚀工艺在纳米梁浓硼掺杂区表面制作二氧化硅层,二氧化硅层的厚度为浓硼掺杂区上电极间隙的目标厚度减去淡硼区上电极间隙的目标厚度;薄膜淀积采用LPCVD或PECVD方法;
(e)再次利用薄膜淀积、光刻和刻蚀工艺在纳米梁的淡硼掺杂区与浓硼掺杂区表面制作二氧化硅层,该层二氧化硅层的厚度等于淡硼区上电极间隙的目标厚度;浓硼掺杂区上淀积了两层二氧化硅层,厚度等于电极间隙的目标厚度;
(f)在二氧化硅层上制作金属电极,同时在锚点处制作金属压焊块/引线,形成欧姆接触;
(g)利用氢氟酸腐蚀去除纳米梁下的埋层二氧化硅与上面淀积的二氧化硅层,即可得到所述的结构。
6.按权利要求1所述的结构的应用,其特征在于利用MIS电容衬底电阻实现硅纳米梁的位移检测或用于对纳米梁的静电驱动。
7.按权利要求6所述的结构的应用,其特征在于:
利用阶梯形电极实现纳米双端固支梁时,阶梯形电极两端与纳米梁形成MIS电容结构;当阶梯形电极与纳米梁间的电压超过MIS电容的阈值电压时,MIS电容下的空间电荷区达到最大值,空间电荷区下的电阻仅为应力的函数,用于纳米梁的压阻检测;而阶梯形电极的中心部分间隙大,对纳米梁的电阻值影响小,中心部分对纳米梁的驱动,用于对纳米梁实现静电驱动。
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