CN108400232B - 一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件及其制造方法。该压力传感器件包括n型掺杂的锗衬底，锗衬底上表面设置绝缘层，绝缘层上开有贯穿的接触电极凹槽和测试电极凹槽，接触电极凹槽和测试电极凹槽下方的锗衬底中分别设置n型重掺杂区域和镍锗合金区域，镍锗合金区域和锗衬底构成镍锗合金/锗肖特基结结构，镍锗合金区域上设置测试电极，n型重掺杂区域上设置接触电极；本发明利用应变状态下锗材料的能带变化形成势垒高度不同的镍锗硅合金/锗肖特基结，从而改变镍锗硅合金/锗肖特基结在反偏压状态下的电阻，实现压力值的传感。本发明传感器具有灵敏度高、器件尺寸小、易于在集成电路芯片中集成等优势，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种高灵敏度压力传感器件的结构及其制造方法。
背景技术
压力传感器能够将压力信号转换为电学信号，从而实现压强、加速度、载荷等多种物理量的测量，在化工、国防、医疗、消费电子等领域具有重要作用及广阔的市场。传统的压力传感器主要分为两种类型：1)电阻应变片型；2)微机电系统(MEMS)型。
电阻应变片型压力传感器主要通过金属薄膜或半导体薄膜的电阻变化进行压力的传感，这是由于在形变时金属薄膜的形状(长度和厚度)发生变化、或半导体薄膜中载流子的迁移率改变，从而导致薄膜的电阻变化。电阻应变片型的压力传感器具有结构简单、易于制造等优点，但是电阻应变片型压力传感器的精确度很低，以硅薄膜制备的电阻应变片为例，在压强200MPa状态下器件电阻仅变化～1％。因此，电阻应变片型的压力传感器很难应用于传感精度要求高的场合。
微机电系统(MEMS)型的压力传感器利用硅材料悬臂梁或微丝结构在受力时发生形变的特点，将压力导致的形变进行放大。MEMS型压力传感器具有很高的精度和灵敏度，一般能够比电阻应变片型压力传感器高1～2个数量级。由于这样的优点，MEMS型压力传感器目前已经应用于运动感知等压力很弱的场合。但是，由于MEMS型压力传感器的制造工艺复杂，并且与传统的集成电路制造工艺不兼容，因此需要通过贴片等方法将MEMS型压力传感器与芯片集成，导致系统体积的增大及成本的增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有压力传感器件的不足，提供一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件及其制造方法，采用镍锗合金/锗肖特基结作为压力传感器，通过压力导致锗材料的能带结构发生变化(导带底能量发生变化)的性质对压力值进行传感，是突破传统的电阻应变片和MEMS型压力传感器性能瓶颈和集成瓶颈的可行方案。在压力状态下，锗材料的能带结构发生改变，具体表现为导带低能量发生变化。这将使得镍锗合金/锗肖特基结的势垒高度发生改变，从而导致通过肖特基结的隧穿电流大小变化，实现压力的感知和压力值的定量标定。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，包括n型掺杂的锗衬底，锗衬底上表面设置绝缘层，绝缘层上开有贯穿的接触电极凹槽和测试电极凹槽，接触电极凹槽和测试电极凹槽下方的锗衬底中分别设置n型重掺杂区域和镍锗合金区域，镍锗合金区域和锗衬底构成镍锗合金/锗肖特基结结构，镍锗合金区域上设置测试电极，n型重掺杂区域上设置接触电极。
进一步地，镍锗合金/锗肖特基结通过锗衬底表面沉积镍并退火形成。
进一步地，所述绝缘层的厚度为50纳米至500纳米。
进一步地，所述绝缘层的材料包含但不限于氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧化铝、氧化铪。
进一步地，所述锗衬底的掺杂浓度为1014每立方厘米至1017每立方厘米。
进一步地，所述锗衬底上n型重掺杂区域的厚度为10纳米至50纳米，掺杂浓度为1019每立方厘米至1021每立方厘米。
进一步地，所述镍锗合金区域的厚度为10纳米至100纳米。
进一步地，所述n型重掺杂区域和镍锗合金区域上的电极材料包含但不限于钨、铝、镍、铜、镍锗合金、铂。
进一步地，测试金属的材料包含但不限于镍、镍锗合金、钨、铂。
进一步地，接触电极的上表面高于绝缘层上表面且接触电极上表面的范围大于接触电极凹槽的范围；测试电极的上表面高于绝缘层上表面且测试电极上表面的范围大于测试电极凹槽的范围。
进一步地，该压力传感器件利用镍锗合金/锗肖特基结在反向偏压状态下电阻值的变化对压力值进行探测。
一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件的制造方法，该方法包括如下步骤：
(1)在n型掺杂的锗衬底表面沉积绝缘层，通过刻蚀在绝缘层形成接触电极凹槽和测试电极凹槽直至锗衬底表面；
(2)对接触电极凹槽下方的锗衬底进行掺杂形成n型重掺杂区域；
(3)在测试电极凹槽中沉积镍，并通过退火使镍和锗衬底相互扩散，在锗衬底上形成镍锗合金层；
(4)通过刻蚀除去没有与锗衬底发生反应的镍层；
(5)在镍锗合金层表面和n型重掺杂区域表面沉积金属电极，形成压力传感器件。
进一步地，所述步骤(1)中在锗衬底表面沉积绝缘层的方法为原子层沉积、等离子增强化学气相沉积或溅射。
进一步地，所述步骤(1)中刻蚀绝缘层的方法为反应等离子刻蚀或氢氟酸溶液刻蚀。
进一步地，所述步骤(2)中掺杂锗衬底的方法为离子注入或热扩散。
进一步地，所述步骤(3)中沉积镍层的方法为热蒸镀或溅射。
进一步地，所述步骤(3)中退火的方法为热退火、微波退火或激光退火。
进一步地，所述步骤(4)中刻蚀残余的镍层的方法为反应等离子刻蚀或盐酸溶液刻蚀；
进一步地，所述步骤(5)中沉积金属的方法为化学气相沉积、热蒸镀或溅射，刻蚀金属的方法为反应等离子刻蚀或溶液刻蚀。
本发明的有益效果是：本发明采用镍锗合金/镍肖特基结结构，利用锗在应变状态下能带结构发生变化的性质，获得肖特基势垒高度不同的肖特基结。由于通过肖特基势垒的隧穿电流对肖特基势垒高度非常敏感，从而实现高精度的压力传感。本发明传感器具有以下优点：1)灵敏度高，隧穿电流的大小与肖特基势垒高度呈指数关系，对势垒高度的变化非常敏感；2)器件尺寸小，镍锗合金/锗肖特基结尺寸可小至几十纳米，远小于目前电阻应变片和MEMS型压力传感器的尺寸，有利于提高系统集成度；3)与集成电路制造工艺兼容，能够采用目前广泛使用的半导体工艺在芯片制造的同时进行传感器的集成。因此，本发明传感器在运动传感、医疗及移动电子产品等多个领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1(a)为在锗衬底上生长绝缘层示意图；
图1(b)为刻蚀绝缘层形成测试电极凹槽和接触电极凹槽示意图；
图2为掺杂接触电极凹槽中的锗衬底形成重掺杂锗区域示意图；
图3(a)为在测试电极凹槽中沉积镍层示意图；
图3(b)为利用高温退火使测试电极凹槽中镍层与锗衬底反应，生成镍锗合金层示意图；
图3(c)为刻蚀测试电极凹槽中残余的镍层示意图；
图4(a)为在测试电极凹槽中、接触电极凹槽中以及绝缘层上沉积金属，形成测试电极和接触电极示意图；
图4(b)为传感器工作时的连接方式示意图；
图5(a)为锗能带结构随应变变化示意图；
图5(b)为基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件的工作原理示意图；
图中，锗衬底10、绝缘层11、接触电极凹槽12、测试电极凹槽13、重掺杂区域20、镍层30、镍锗合金区域31、接触电极40、测试电极41。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件的制造方法，包括如下步骤：
(1)如图1(a)所示，在锗衬底10上沉积绝缘层11，锗衬底10的掺杂类型为n型，绝缘层11的沉积方法为溅射或化学气相沉积，厚度为50纳米至500纳米；
(2)如图1(b)所示，通过刻蚀工艺除去绝缘层11直至锗衬底10表面，形成接触电极凹槽12和测试电极凹槽13；
(3)如图2所示，对接触电极凹槽12内的锗衬底进行掺杂形成重掺杂区域20，掺杂的类型为n型，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为1019每立方厘米至1021每立方厘米；
(4)如图3(a)所示，在测试电极凹槽13中沉积镍层30，沉积方法为热蒸镀或溅射；
(5)如图3(b)所示，通过高温退火工艺使镍层30与锗衬底10发生反应，在镍层30下方形成镍锗合金区域31，退火的方法为热退火、微波退火或激光退火，生成的镍锗合金区域31的厚度为10纳米至100纳米；
(6)如图3(c)所示，通过刻蚀工艺除去没有与锗衬底10发生反应的镍层30，刻蚀方法为反应等离子刻蚀或盐酸溶液刻蚀；
(7)如图4(a)所示，在接触电极凹槽12和测试电极凹槽13中沉积金属直至金属上表面高于绝缘层11上表面，形成接触电极40和测试电极41，沉积方法为蒸镀或溅射，且接触电极40和测试电极41的范围大于接触电极凹槽12和测试电极凹槽13的范围，完成本发明压力传感器件的制造。
如图4(b)所示，当压力传感器件工作时，使测试电极41接负电压、接触电极40接地，通过测量测试电极41和接触电极40间的电阻，计算出锗衬底的应变，并通过锗的杨氏模量计算出压力值；
如图5(a)所示，锗在压力状态下会发生应变，导致锗的能带结构发生改变，尤其是价带顶(EV)的能量发生剧烈变化，使得镍锗合金/锗肖特基结的肖特基势垒高度发生变化(图5(b))。肖特基结在反偏置电压下电流的主要成分为载流子穿过肖特基势垒的隧穿电流，对肖特基势垒的高度非常敏感。因此，通过测量镍锗合金/锗肖特基结在压力状态下的反偏置电流，能够精确感知肖特基势垒高度的变化，从而实现压力值的高精度传感。
Claims (10)
1.一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，包括n型掺杂的锗衬底，锗衬底上表面设置绝缘层，绝缘层上开有贯穿的接触电极凹槽和测试电极凹槽，接触电极凹槽和测试电极凹槽下方的锗衬底中分别设置n型重掺杂区域和镍锗合金区域，镍锗合金区域和锗衬底构成镍锗合金/锗肖特基结结构，镍锗合金区域上设置测试电极，n型重掺杂区域上设置接触电极，n型重掺杂区域的掺杂浓度为1019每立方厘米至1021每立方厘米。
2.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，镍锗合金/锗肖特基结通过锗衬底表面沉积镍并退火形成。
3.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，所述绝缘层的厚度为50纳米至500纳米。
4.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，所述锗衬底的掺杂浓度为1014每立方厘米至1017每立方厘米。
5.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，所述锗衬底上n型重掺杂区域的厚度为10纳米至50纳米。
6.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，所述镍锗合金区域的厚度为10纳米至100纳米。
7.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，所述n型重掺杂区域和镍锗合金区域上的电极材料选自钨、铝、镍、铜。
8.根据权利要求1所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，接触电极的上表面高于绝缘层上表面且接触电极上表面的范围大于接触电极凹槽的范围；测试电极的上表面高于绝缘层上表面且测试电极上表面的范围大于测试电极凹槽的范围。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件，其特征在于，该压力传感器件利用镍锗合金/锗肖特基结在反向偏压状态下电阻值的变化对压力值进行探测。
10.一种基于镍锗合金/锗肖特基结的压力传感器件的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在n型掺杂的锗衬底表面沉积绝缘层，通过刻蚀在绝缘层形成接触电极凹槽和测试电极凹槽直至锗衬底表面；
(2)对接触电极凹槽下方的锗衬底进行掺杂形成n型重掺杂区域，n型重掺杂区域的掺杂浓度为1019每立方厘米至1021每立方厘米；
(3)在测试电极凹槽中沉积镍，并通过退火使镍和锗衬底相互扩散，在锗衬底上形成镍锗合金层；
(4)通过刻蚀除去没有与锗衬底发生反应的镍层；
(5)在镍锗合金层表面和n型重掺杂区域表面沉积金属电极，形成压力传感器件。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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