CN102243126A - 纳米硅薄膜晶体管压力传感器 - Google Patents

纳米硅薄膜晶体管压力传感器 Download PDF

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Abstract

纳米硅薄膜晶体管压力传感器，属于传感器技术领域。它解决了现有压力传感器存在零点漂移的问题。它由第一纳米硅薄膜晶体管、第二纳米硅薄膜晶体管、第三纳米硅薄膜晶体管、第四纳米硅薄膜晶体管和单晶硅衬底组成，第一纳米硅薄膜晶体管的漏极连接电源VDD，第四纳米硅薄膜晶体管的源极接地GND；第二纳米硅薄膜晶体管的源极引出端作为第一输出电压端VOUT1，第一纳米硅薄膜晶体管的源极引出端作为第二输出电压端VOUT2；四个纳米硅薄膜晶体管均设置在单晶硅衬底上，单晶硅衬底的背面为C型硅杯结构，四个纳米硅薄膜晶体管沟道电阻构成惠斯通电桥结构。本发明用于压力检测。

Description

纳米硅薄膜晶体管压力传感器
技术领域
本发明涉及一种纳米硅薄膜晶体管压力传感器，属于传感器技术领域。
背景技术
目前，通过设计新型硅膜结构或新型压敏材料，实现超微压压力传感器制作，因传感器结构和工艺限制，器件尺寸难以微型化并存在零点漂移。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有压力传感器存在零点漂移的问题，提供一种纳米硅薄膜晶体管压力传感器。
本发明由第一纳米硅薄膜晶体管、第二纳米硅薄膜晶体管、第三纳米硅薄膜晶体管、第四纳米硅薄膜晶体管和单晶硅衬底组成，
第一纳米硅薄膜晶体管的源极连接第四纳米硅薄膜晶体管的漏极，第一纳米硅薄膜晶体管的漏极连接第二纳米硅薄膜晶体管的漏极，第二纳米硅薄膜晶体管的源极连接第三纳米硅薄膜晶体管的漏极，第三纳米硅薄膜晶体管的源极连接第四纳米硅薄膜晶体管的源极；
第一纳米硅薄膜晶体管的漏极连接电源VDD，第四纳米硅薄膜晶体管的源极接地GND；
第二纳米硅薄膜晶体管的源极引出端作为第一输出电压端VOUT1，第一纳米硅薄膜晶体管的源极引出端作为第二输出电压端VOUT2；
四个纳米硅薄膜晶体管均设置在单晶硅衬底上，单晶硅衬底的背面为C型硅杯结构，四个纳米硅薄膜晶体管沟道电阻构成惠斯通电桥结构。
本发明的优点是：本发明采用纳米硅薄膜晶体管制作压力传感器，纳米硅薄膜由于较单晶硅和多晶硅具有更高的压阻系数，其压阻系数为单晶硅的4～6倍，因此以纳米硅薄膜沟道电阻作为压敏电阻，能使所述压力传感器具有高的灵敏度，实现压力传感器的低量程测量；纳米硅薄膜具有宽光学禁带宽度(约1.67eV)，使压力传感器具有好的温度稳定性；同时通过调整纳米硅薄膜晶体管的栅极偏置电压能够调整纳米硅薄膜晶体管沟道电阻，使压力传感器能够实现零点漂移补偿。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为图1的等效电路图，图中箭头所示为电流方向，图中R1表示第一纳米硅薄膜晶体管的等效电阻，图中R2表示第二纳米硅薄膜晶体管的等效电阻，图中R3表示第三纳米硅薄膜晶体管的等效电阻，图中R4表示第四纳米硅薄膜晶体管的等效电阻；
图3为本发明的结构示意图；
图4为图3的A-A剖视图，图中S表示纳米硅薄膜晶体管的源极，G表示纳米硅薄膜晶体管的栅极，D表示纳米硅薄膜晶体管的漏极；
图5为每个纳米硅薄膜晶体管的结构示意图；
图6为图5的B-B剖视图，图中2表示异质结的结构。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式由第一纳米硅薄膜晶体管M1、第二纳米硅薄膜晶体管M2、第三纳米硅薄膜晶体管M3、第四纳米硅薄膜晶体管M4和单晶硅衬底1组成，
第一纳米硅薄膜晶体管M1的源极连接第四纳米硅薄膜晶体管M4的漏极，第一纳米硅薄膜晶体管M1的漏极连接第二纳米硅薄膜晶体管M2的漏极，第二纳米硅薄膜晶体管M2的源极连接第三纳米硅薄膜晶体管M3的漏极，第三纳米硅薄膜晶体管M3的源极连接第四纳米硅薄膜晶体管M4的源极；
第一纳米硅薄膜晶体管M1的漏极连接电源VDD，第四纳米硅薄膜晶体管M4的源极接地GND；
第二纳米硅薄膜晶体管M2的源极引出端作为第一输出电压端VOUT1，第一纳米硅薄膜晶体管M1的源极引出端作为第二输出电压端VOUT2；
四个纳米硅薄膜晶体管均设置在单晶硅衬底1上，单晶硅衬底1的背面为C型硅杯结构，四个纳米硅薄膜晶体管沟道电阻构成惠斯通电桥结构。
本实施方式所述的压力传感器能够对外加压力进行检测，制作纳米硅薄膜晶体管采用高质量的纳米硅薄膜，它具有高的压阻系数，其压阻系数高于单晶硅材料，能够实现高灵敏度的压力检测。在使用过程中，通过调整纳米硅薄膜晶体管的栅极偏置电压来调整薄膜晶体管沟道电阻，来实现压力传感器的零点漂移补偿。
四个纳米硅薄膜晶体管沟道电阻构成惠斯通电桥结构，有利于实现温度补偿。
纳米硅(nc-Si:H)薄膜是一种由大量的硅细微晶粒(几个纳米大小)和包围着它的晶粒界面构成的一种新型纳米电子材料。纳米硅薄膜中晶粒是晶态的，大小为3～8nm，研究发现，纳米硅薄膜的压阻系数为单晶硅的4～6倍，因此，将纳米硅薄膜晶体管沟道电阻作为压敏电阻，可实现具有零点漂移补偿的高灵敏度超微压压力传感器，并可提高压力传感器的温度稳定性。
具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述单晶硅衬底1为<100>晶向p型双面抛光单晶硅片。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述单晶硅衬底1的厚度为400微米。其它与实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述四个纳米硅薄膜晶体管的纳米硅薄膜光学禁带宽度高于单晶硅衬底1光学禁带宽度，四个纳米硅薄膜晶体管与单晶硅衬底1的相接界面处形成异质结的结构。其它与实施方式三相同。
纳米硅薄膜光学禁带宽度高于单晶硅衬底1光学禁带宽度，使纳米硅薄膜晶体管沟道电阻温度特性得到改善。
异质结的结构可实现纳米硅薄膜晶体管器件隔离。
具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述四个纳米硅薄膜晶体管在单晶硅衬底1上采用CMOS(互补性金属氧化物半导体)工艺和PECVD(等离子增强化学气相沉积)方法制作。其它与实施方式一、二、三或四相同。
本实施方式为传感器与IC(集成电路)工艺相兼容奠定了基础。
具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述单晶硅衬底1背面的C型硅杯结构采用MEMS(微电子机械加工系统)方法制作。其它与实施方式一、二、三、四或五相同。
本实施方式中MEMS制作方法，实现了压力传感器高质量微结构的制作。
具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，将四个纳米硅薄膜晶体管设置在单晶硅衬底1上之前，需对单晶硅衬底1进行预处理；
每个纳米硅薄膜晶体管固定在单晶硅衬底1上的工艺过程包括以下步骤：
步骤一：采用PECVD方法将双面生长厚度为500nm的SiO2层，在单晶硅衬底1上一次光刻刻蚀纳米硅薄膜晶体管有源区；
步骤二：采用PECVD方法，以高纯SiH4作为单面沉积纳米硅薄膜的气源，将生长厚度为50nm的SiO2层作为栅氧，在单晶硅衬底1上二次光刻形成纳米硅薄膜晶体管的源极和漏极窗口；
步骤三：采用PECVD方法，以高纯SiH4和磷烷作为沉积高掺杂纳米硅薄膜的气源，在单晶硅衬底1上三次光刻形成纳米硅薄膜晶体管的高掺杂源极和漏极；
步骤四：采用PECVD方法将双面生长厚度为600nm的SiO2层，在单晶硅衬底1上四次光刻形成纳米硅薄膜晶体管的源极、漏极和金属栅极接触孔；
步骤五：采用高真空磁控溅射系统蒸镀0.5微米厚铝层，在单晶硅衬底1上五次光刻，反刻铝，完成铝层制作；
步骤六：采用磁控溅射系统在单晶硅衬底1背面蒸镀1微米厚铝电极，作为ICP(感应耦合等离子体)刻蚀抗腐蚀层介质，并在该抗腐蚀层介质上采用双面光刻机六次光刻，刻蚀C型硅杯结构的窗口，然后再采用ICP刻蚀方法形成硅杯结构，完成一个纳米硅薄膜晶体管在单晶硅衬底1上的制作。
本实施方式采用了CMOS工艺和PECVD方法，单晶硅衬底1可选择阻值大于或等于100Ω·cm的高阻单晶硅片。
所述对单晶硅衬底1进行预处理的方法为：将单晶硅衬底1用浓硫酸煮至冒白烟，冷却后用大量去离子水冲洗，再分别采用电子清洗液1号、2号各清洗两次，再用大量去离子水冲洗，后放入甩干机中甩干。
所述光刻的工艺流程为：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶。
上述纳米硅薄膜晶体管在单晶硅衬底1上的制作完成后，还要再经过合金化处理，中测后，采用划片机分割芯片，然后再采用静电封接技术实现传感器芯片与硼硅玻璃键合，利用内引线键合机压内引线并封装，进行纳米硅薄膜晶体管压力传感器特性测试。
本发明工作原理：
本发明所述压力传感器在外加压力P作用下，其沟道电阻阻值增加的两个纳米硅薄膜晶体管对接，沟道电阻阻值减小的两个纳米硅薄膜晶体管对接，致使桥路输出电压随外加压力P变化，由此实现对外加压力的检测。当外加压力P＝0kPa时，通过改变纳米硅薄膜晶体管的栅极偏置电压，调整纳米硅薄膜晶体管沟道电阻，可实现传感器的零点漂移补偿。

Claims (7)

1.一种纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：它由第一纳米硅薄膜晶体管(M1)、第二纳米硅薄膜晶体管(M2)、第三纳米硅薄膜晶体管(M3)、第四纳米硅薄膜晶体管(M4)和单晶硅衬底(1)组成，
第一纳米硅薄膜晶体管(M1)的源极连接第四纳米硅薄膜晶体管(M4)的漏极，第一纳米硅薄膜晶体管(M1)的漏极连接第二纳米硅薄膜晶体管(M2)的漏极，第二纳米硅薄膜晶体管(M2)的源极连接第三纳米硅薄膜晶体管(M3)的漏极，第三纳米硅薄膜晶体管(M3)的源极连接第四纳米硅薄膜晶体管(M4)的源极；
第一纳米硅薄膜晶体管(M1)的漏极连接电源VDD，第四纳米硅薄膜晶体管(M4)的源极接地GND；
第二纳米硅薄膜晶体管(M2)的源极引出端作为第一输出电压端VOUT1，第一纳米硅薄膜晶体管(M1)的源极引出端作为第二输出电压端VOUT2；
四个纳米硅薄膜晶体管均设置在单晶硅衬底(1)上，单晶硅衬底(1)的背面为C型硅杯结构，四个纳米硅薄膜晶体管沟道电阻构成惠斯通电桥结构。
2.根据权利要求1所述的纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：所述单晶硅衬底(1)为<100>晶向p型双面抛光单晶硅片。
3.根据权利要求2所述的纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：所述单晶硅衬底(1)的厚度为400微米。
4.根据权利要求3所述的纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：所述四个纳米硅薄膜晶体管的纳米硅薄膜光学禁带宽度高于单晶硅衬底(1)光学禁带宽度，四个纳米硅薄膜晶体管与单晶硅衬底(1)的相接界面处形成异质结的结构。
5.根据权利要求1所述的纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：所述四个纳米硅薄膜晶体管在单晶硅衬底(1)上采用CMOS工艺和PECVD方法制作。
6.根据权利要求1所述的纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：所述单晶硅衬底(1)背面的C型硅杯结构采用MEMS方法制作。
7.根据权利要求4所述的纳米硅薄膜晶体管压力传感器，其特征在于：将四个纳米硅薄膜晶体管设置在单晶硅衬底(1)上之前，需对单晶硅衬底(1)进行预处理；
每个纳米硅薄膜晶体管固定在单晶硅衬底(1)上的工艺过程包括以下步骤：
步骤一：采用PECVD方法将双面生长厚度为500nm的SiO2层，在单晶硅衬底(1)上一次光刻刻蚀纳米硅薄膜晶体管有源区；
步骤二：采用PECVD方法，以高纯SiH4作为单面沉积纳米硅薄膜的气源，将生长厚度为50nm的SiO2层作为栅氧，在单晶硅衬底(1)上二次光刻形成纳米硅薄膜晶体管的源极和漏极窗口；
步骤三：采用PECVD方法，以高纯SiH4和磷烷作为沉积高掺杂纳米硅薄膜的气源，在单晶硅衬底(1)上三次光刻形成纳米硅薄膜晶体管的高掺杂源极和漏极；
步骤四：采用PECVD方法将双面生长厚度为600nm的SiO2层，在单晶硅衬底(1)上四次光刻形成纳米硅薄膜晶体管的源极、漏极和金属栅极接触孔；
步骤五：采用高真空磁控溅射系统蒸镀0.5微米厚铝层，在单晶硅衬底(1)上五次光刻，反刻铝，完成铝层制作；
步骤六：采用磁控溅射系统在单晶硅衬底(1)背面蒸镀1微米厚铝电极，作为ICP刻蚀抗腐蚀层介质，并在该抗腐蚀层介质上采用双面光刻机六次光刻，刻蚀C型硅杯结构的窗口，然后再采用ICP刻蚀方法形成硅杯结构，完成一个纳米硅薄膜晶体管在单晶硅衬底(1)上的制作。
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