CN103288036A - 具有可动栅极的微机械传感器和相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有可动栅极的微机械传感器装置和相应的制造方法。具有可动栅极的微机械传感器装置具有：场效应晶体管，该场效应晶体管带有漏极区域（3）、源极区域（4）、具有第一掺杂类型的位于其间的沟道区域（7）和可动栅极（1），该可动栅极通过空隙（Z）与沟道区域（7）分离。漏极区域（3）、源极区域（4）和沟道区域（7）设置在衬底（2）中。至少在沟道区域（7）的纵向侧（S1，S2）上在衬底（2）中设置防护区域（8；8a，8b），其具有第二掺杂类型，该第二掺杂类型与第一掺杂类型相同并且具有比第一掺杂类型高的掺杂浓度。

Description

具有可动栅极的微机械传感器和相应的制造方法
技术领域
本发明涉及具有可动栅极的微机械传感器装置和相应的制造方法。
背景技术
虽然也可以使用任意的微机械器件，然而本发明和本发明所基于的问题借助在硅基础上的器件来阐述。
DE 44 45 553A1描述了半导体加速度传感器，其具有半导体衬底、由半导体衬底所支持并且具有可移动电极的设计结构以及固定的电极，其中可移动电极以预先确定的距离布置在半导体衬底上方，所述固定电极布置在半导体衬底上。传感器区段由可移动电极和固定电极构成并且检测由在固定电极之间的电流改变引起的加速度，所述改变由随着加速度对传感器区段的作用而出现的可动电极的偏移引起。
EP 0 990 911 A描述了一种基于具有可动栅极的场效应晶体管的微机械传感器，该可动电极可在平行与衬底表面的方向上运动，其中栅极在该方向上的运动导致在至少一个MOSFET中的由栅极覆盖的沟道区域的扩大或缩小。
带有可动栅极的微机械传感器装置通常具有分析电路用于探测最小运动，该最小运动理论上具有突出的信号噪声距离并且因此适于应用在例如极其小型化的加速度传感器中。
图3以垂直的横截面示出了示意性横截面视图用于阐明具有可动栅极的已知微机械传感器装置。
在图3中，参考标号2表示硅衬底，在其中设置有场效应晶体管的漏极区域3、源极区域4和位于其间的沟道区域7。在沟道区域7中，设置有沟道绝缘层5、例如氧化层。利用参考标号6表示在绝缘层5上的表面电荷。通过空隙Z分离地可在衬底2上运动地布置有可动栅极电极1。
具有可动栅极的这种微机械传感器装置的功能如下：通过外部力，将栅极电极1在x，y方向和/或在z方向上移动。通过这种移动改变在沟道区域7中的载流子的数量并且由此导致在漏极区域3和源极区域4之间的电阻变化。这种电阻变化可以被探测到，其方式是或者施加恒定电压并且测量属于其的电流，或者通过注入恒定电流和测量属于其的电压变化。
这样构建的传感器装置的特点是在x、y方向上偏向的提高的噪声，其在实际应用中被观察到。提高的噪声大部分归因于寄生的泄漏电流。
发明内容
本发明实现了按照权利要求1的具有可动栅极的微机械传感器装置和按照权利要求6的相应的制造方法。
有利的扩展方案是各个从属权利要求的主题。
本发明的优点
本发明所基于的思想在于至少在沟道区域的两个纵向侧上应用附加的防护区域，这两个纵向侧引起泄漏电流的减小用于最小化热噪声。通过防护区域，在沟道区域上感应的电荷保持受限制，并且可动栅极的x，y偏移导致沟道导电性的优化改变。在已知的传感器装置中，在调整的沟道覆盖情况下构成寄生沟道，这些寄生沟道减少了灵敏性。通过按照本发明的感应的泄漏电流，传感器装置的热噪声被减小，这导致信号噪声距离（SNR）的改善。SNR的结果然后能够实现制造较高性能的传感器或者进一步微型化传感器核。
此外，有利的是，防护区域环形地围绕在衬底中的沟道区域、漏极区域和源极区域延伸。该措施导致更简单的制造或者以对槽定位的减小的容差要求的处理。
此外，有利的是，沟道区域被至少一个栅极绝缘层覆盖。由此，通过所使用的氧化物实现改善的表面特性和由此实现沟道参数的较小的分散。此外，该措施导致对环境特性和周围特性（例如湿度、颗粒负荷等等）的较小的敏感性。
此外，有利的是，由多晶硅制造可动栅极。通过这些措施减少制造成本，由此可以使用表面微机械技术（OMM）。
此外有利的是，防护区域具有外部的电压端子。由此，可以定义槽的电势并且附加地通过施加合适的电压来实现进一步减少泄漏电流。
附图说明
下面，参照附图借助实施形式描述本发明的其他特征和优点。
其中：
图1a），b）  示出了用于说明按照本发明实施方式的具有可动栅极的微机械传感器装置和相应的制造方法的示意性横截面视图，更确切地说图1a）以垂直的横截面，并且图1b）以水平横截面沿着在图1a）中的线A-A’；
图2   以类似图1b）的水平横截面示出了用于说明按照本发明另一实施方式的具有可动栅极的微机械传感器装置和相应的制造方法的示意性横截面视图；
图3   以垂直横截面示出了用于说明具有可动栅极的已知微机械传感器装置的示意性横截面视图。
具体实施方式
在附图中，相同的参考标号表示相同的或者功能相同的元件。
图1a，b）是用于说明按照本发明实施方式的具有可动栅极的微机械传感器装置和相应的制造方法的示意性横截面视图，更确切地说图1a）以垂直的横截面，并且图1b）以水平横截面沿着在图1a）中的线A-A’。
在图1a），b）中，参考标号2是硅衬底，在其中设置有场效应晶体管的漏极区域3、源极区域4和位于其间的沟道区域7。在沟道区域7中，设置有栅极绝缘层5例如氧化层。利用参考标号6表示在绝缘层5上的表面电荷。通过空隙Z分离地可在衬底2上运动地布置有可动栅极电极1。
与按照图3的、上面描述的已知微机械传感器装置不同地，本发明的该实施方式具有防护区域8，该防护区域8设置在衬底2中并且环形地围绕漏极区域3、源极区域4并且沿着其纵向侧S1、S2绕在衬底中的沟道区域7延伸。防护区域8具有例如p+/p++的掺杂类型，该掺杂类型与沟道区域7的掺杂类型例如p类型相同，但是具有更高的掺杂浓度。在所示的实施方式中，防护区域8的深度延伸基本上是与沟道区域7的深度延伸相同的深度延伸。但是这可以特定于应用地被改变。
在将在阈值电压之上的电压施加到该可动栅极1的情况下，这导致形成导电的沟道区域7。现在如果漏极区域3和源极区域4具有电势差，则在两个区域之间流过可测量的电流。因为栅极1的电场不仅局部地作用于沟道区域的几何区域，而且在外部这在已知的微机械传感器装置情况下导致形成所述的寄生泄漏电流。
本发明的防护区域8，这里为防护环，引起阈值电压的提高或者载流子的排出，这些载流子在几何定义的沟道区域外部具有与在沟道区域7中的载流子相同的极性。这通过如下方式来进行，防护区域8用载流子相应地强地来掺杂，这些载流子与在沟道区域7中的载流子相同。例如在n掺杂的沟道区域7中，防护区域8用n+/n++载流子掺杂并且在p掺杂的沟道区域7的情况下用p+/p++载流子掺杂。
可选地，防护环8可以具有外部的电压端子V并且因此借助电接触部被置于固定的电势上。尤其也可以设想的是，沟道区域7在传感器运行期间通过在电压端子V上相应的偏压被收缩在防护范围8上。由此，达到在沟道区域7中的场浓度并且因此在栅极1的小横向运动情况下再次提高了灵敏度。
图2是以类似图1b）的水平横截面的用于说明按照本发明另一实施方式的具有可动栅极的微机械传感器装置和相应的制造方法的示意性横截面视图。
在第二实施方式中，防护区域8a，8b不是被设置为如在第一实施方式中的环状区域，而是具有在衬底2中的两个条带区域8a，8b，它们平行于沟道区域7的纵向侧S1或S2地被设置并且具有与沟道区域7大致相同的长度。
在其他方面，第二实施方式的结构与上面描述的第一实施方式的结构相同。
本发明特别有利地可用于小结构和低成本的、高敏感性并且稳定的MEMS传感器，例如惯性传感器、压力传感器、图像仪、麦克风、微机械开关等。
虽然本发明借助有利的实施例来描述，但是其不被局限于此。尤其是，所述的材料和拓扑仅仅是示例性的并且不局限于所说明的例子。

Claims (7)

1.一种具有可动栅极的微机械传感器装置，其具有：
场效应晶体管，该场效应晶体管带有漏极区域（3）、源极区域（4）、具有第一掺杂类型的位于其间的沟道区域（7）和可动栅极（1），该可动栅极通过空隙（Z）与沟道区域（7）分离；
其中漏极区域（3）、源极区域（4）和沟道区域（7）设置在衬底（2）中；以及
其中至少在沟道区域（7）的纵向侧（S1，S2）上在衬底（2）中设置防护区域（8；8a，8b），其具有第二掺杂类型，该第二掺杂类型与第一掺杂类型相同并且具有比第一掺杂类型高的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器装置，其中防护区域（8）环状地围绕在衬底（2）中的漏极区域（3）、源极区域（4）和沟道区域（7）延伸。
3.根据权利要求1或2所述的微机械传感器装置，其中该沟道区域（7）被至少一个栅极绝缘层（5）覆盖。
4.根据权利要求1，2或3所述的微机械传感器装置，其中该可动栅极（7）由多晶硅制造。
5.根据前述权利要求之一所述的微机械传感器装置，其中防护区域（8；8a，8b）具有外部的电压端子（V）。
6.一种用于制造具有可动栅极的微机械传感器装置的方法，具有步骤：
形成场效应晶体管，该场效应晶体管带有漏极区域（3）、源极区域（4）、具有第一掺杂类型的位于其间的沟道区域（7）和可动栅极（1），该可动栅极通过空隙（Z）与沟道区域（7）分离，其中漏极区域（3）、源极区域（4）和沟道区域（7）设置在衬底（2）中；以及
其中至少在沟道区域（7）的纵向侧（S1，S2）上在衬底（2）中设置防护区域（8；8a，8b），其具有第二掺杂类型，该第二掺杂类型与第一掺杂类型相同并且具有较高的掺杂浓度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中防护区域（8；8a，8b）通过扩散过程或注入过程在使用相应掩模的情况下来制造。
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