CN115451929A - 一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法。硅纳米线陀螺仪包括SOI硅片，SOI硅片的顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至氧化层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝；悬空的氮化硅薄膜上设置栅极，栅极用于调制硅纳米线沟道的载流子浓度，即调节硅纳米线沟道的电导，进而寻找出器件的最佳工作点。

Description

一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法
技术领域
本发明属于MEMS传感器技术领域，具体涉及一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法。
背景技术
随着科技日新月异的发展，传感器器件微小型化和集成化的需求日趋强烈，传统电容检测和基于压敏电阻检测的陀螺仪很难在确保其精度、分辨率不变的情况下大幅度缩小尺寸，导致现有陀螺仪体积较大。另外，陀螺仪难以根据实际应用场景调整最佳工作状态。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法，采用单晶硅纳米线代替传统的压敏电阻作为检测方式，可以实现器件的微小型化，且通过栅极调节硅纳米线沟道的载流子浓度，找到陀螺仪的最佳工作点。
为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪，包括SOI硅片，SOI硅片的顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；
所述顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；
所述SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至氧化层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝；
悬空的氮化硅薄膜上设置栅极，栅极用于调制硅纳米线沟道的载流子浓度。
作为优选方案，所述栅极位于硅纳米线的正上方且每根硅纳米线都被栅极覆盖。
作为优选方案，所述栅极的宽度为1-100μm。
作为优选方案，所述硅纳米线的宽度为10-800nm。
本发明还提供如上任一方案所述的硅纳米线陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
S1、在(111)型SOI硅片的顶层硅表面制备氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；
S2、通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个环形分布的三角形图案，并刻蚀图案处的氮化硅形成三个三角形窗口；对各三角形窗口处的硅进行干法刻蚀并刻蚀到SOI硅片的氧化层，制得三个深度相同的竖直三角形槽；
S3、采用干法刻蚀依次刻蚀竖直三角形槽下的氧化硅层和预设深度的底层硅，得到三角形腐蚀槽；
S4、去除光刻胶，对三角形腐蚀槽进行各向异性湿法腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构，且100晶向的底层硅出现的腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块；
S5、基于自限制热氧化工艺对硅片热氧化，单晶硅薄壁结构的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；
S6、在硅片的适当位置刻蚀氮化硅薄膜形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后制作正、负电极；
S7、在悬空的氮化硅薄膜上制备栅极；
S8、在硅片的适当位置制作隔离沟道以实现正、负电极的物理隔绝；
S9、去除被氧化的单晶硅薄壁结构，释放整个结构。
作为优选方案，所述氮化硅薄膜采用低应力CVD薄膜生长技术制得。
作为优选方案，所述氮化硅薄膜的厚度为50nm-5μm。
作为优选方案，所述竖直三角形槽的深度为1-100μm。
作为优选方案，所述刻蚀底层硅的预设深度为1-100μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用氮化硅薄膜和三根硅纳米线共同支撑质量块，采用单晶硅纳米线替代传统的压敏电阻作为陀螺仪的检测方式，不仅实现了器件结构上的创新，且由于硅纳米线压阻系数比压敏电阻压阻系数高的特点，因此本发明的陀螺仪具有更高的灵敏性。
本发明创造性的在陀螺仪上制备了栅极，栅极通过调节硅纳米线沟道的载流子浓度，能找到陀螺仪最佳工作点。
本发明的硅纳米线陀螺仪由于硅纳米线和质量块结构的特殊设计，陀螺仪在较小角加速度作用时，使得硅纳米线上的应力较大，提高陀螺仪的输出灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例1在顶层硅上制作氮化硅薄膜示意图；
图2是本发明实施例1在硅片上制作三角形腐蚀槽的示意图；
图3是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽形成倾斜的六边形腐蚀槽示意图；
图4是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽形成倾斜的六边形腐蚀槽立体结构示意图；
图5是本发明实施例1的硅纳米薄壁热氧化形成硅纳米线示意图；
图6是本发明实施例1在硅片上制备金电极和栅极示意图；
图7是本发明实施例1释放整个结构后硅纳米线支撑起质量块的侧面示意图；
图8是本发明实施例1的硅纳米线陀螺仪的结构示意图；
图9是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽后的照片；
图10是本发明实施例2的湿法腐蚀三角形槽后的照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1-8所示，本实施例的基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪的结构主要包括有硅纳米线8、氮化硅薄膜、质量块9、金电极12、隔离沟道11、栅极13和SOI硅片。
具体地，SOI硅片的顶层硅2表面设有氮化硅薄膜1；其中，顶层硅2形成有悬空的质量块9及其连接的三条硅纳米线8，硅纳米线8沿质量块9的周侧分布；质量块9及硅纳米线8的表面均附着有氮化硅薄膜1。顶层硅2之上设有与体硅4导电连接的金电极12，作为正、负电极。
而且，SOI硅片还具有从氮化硅薄膜一直刻蚀至氧化层3的隔离沟道11，以实现正、负电极的物理隔绝；
另外，悬空的氮化硅薄膜1上设置栅极13，栅极13用于调制硅纳米线沟道的载流子浓度。具体地，栅极13位于硅纳米线8的正上方且每根硅纳米线都被栅极覆盖，硅纳米线的宽度优选为10-800nm，栅极的宽度优选为1-100μm。
当硅纳米线陀螺仪受到外界的角加速度作用时，质量块9跟随着角加速度的方向转动，使得支撑质量块的硅纳米线8发生形变，形变导致硅纳米线电导变化，进而输出变化的信号。
本实施例的硅纳米线陀螺仪的栅极13能够调制硅纳米线沟道载流子浓度，进而找到陀螺仪的最佳工作点。
下面对本实施例的基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪的加工方法进行详细说明，包括以下步骤：
1.首先选取一块底层硅为100型的(111)型SOI型硅片，在其顶层硅表面用低应力CVD薄膜生长技术制备一层厚度为50nm-5μm的氮化硅薄膜1，形成致密的介质掩膜层，如图1所示。
2.通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个倾斜的三角形图案5，如图2所示。
对三角形图案5进行RIE工艺，刻蚀图案处的氮化硅1，形成三个三角形窗口。对这三个三角形窗口处的硅进行干法刻蚀，一直刻蚀到(111)型SOI硅片的氧化层3，刻蚀的深度等于顶层硅2的厚度，制备出深度一致的竖直三角形槽；采用干法刻蚀工艺继续刻蚀竖直三角形槽下的氧化层3，刻蚀深度等于氧化层3的厚度；再继续向下刻蚀底层硅4约1-100μm。
3.去除光刻胶，然后在10-100℃、10-80wt％的KOH溶液中，将步骤2中的三角形槽进行各向异性湿法腐蚀，形成每个侧壁均属于{111}晶面族内的六边形腐蚀槽6，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度小于1μm的单晶硅薄壁结构7，如图3、4和9所示。
三个六边形腐蚀槽中间出现两个相连的锥体结构，这两个锥体结构就是硅纳米线陀螺仪的质量块9；与此同时，且100晶向的底层硅出现的腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块(后续通过BOE才能实现质量块的悬空)；如图7所示。
4.基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化后，单晶硅薄壁结构7的顶部中央形成单晶硅纳米线8，如图5所示。
5.在硅片的左上角和右下角分别刻蚀氮化硅1形成窗口，对窗口进行硼离子注入后进行退火，离子注入能量为5-100KeV，离子注入计量为0.1E15cm-2-10E15cm-2,退火温度为200-4000℃，退火时间为5分钟-10小时，在该区域制作出金电极12。然后在悬空的氮化硅薄膜上制备出栅极13，栅极位于硅纳米线的正上方且每根硅纳米线都被栅极所覆盖，如图6所示。
5.在硅片的适当位置将硅片刻蚀到底层硅4制作出隔离沟道11，将器件划分开，以实现器件正负极的物理隔绝，如图6所示。
6.用BOE溶液(buffer oxide etching solution)去除步骤4中被氧化的单晶硅纳米薄壁，释放整个结构。
上述步骤完成后，即可制备出如图8所示的基于SOI材料基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪。
实施例2：
本实施例的与实施例1的硅纳米线陀螺仪的不同之处在于：
如图10所示，三个三角形窗口的排列位置不同(上两个、下一个)，与三个三角形窗口相关的结构作相应的调整；其他结构可以参考实施例1；
硅纳米线陀螺仪的加工工艺根据三个三角形窗口的排列位置不同作出适应性调整，具体步骤可以参考实施例1。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪，其特征在于，包括SOI硅片，SOI硅片的顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；
所述顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；
所述SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至氧化层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝；
悬空的氮化硅薄膜上设置栅极，栅极用于调制硅纳米线沟道的载流子浓度。
2.如权利要求1所述的硅纳米线陀螺仪，其特征在于，所述栅极位于硅纳米线的正上方且每根硅纳米线都被栅极覆盖。
3.如权利要求2所述的硅纳米线陀螺仪，其特征在于，所述栅极的宽度为1-100μm。
4.如权利要求2所述的硅纳米线陀螺仪，其特征在于，所述硅纳米线的宽度为10-800nm。
5.如权利要求1-4任一项所述的硅纳米线陀螺仪的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在(111)型SOI硅片的顶层硅表面制备氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；
S2、通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个环形分布的三角形图案，并刻蚀图案处的氮化硅形成三个三角形窗口；对各三角形窗口处的硅进行干法刻蚀并刻蚀到SOI硅片的氧化层，制得三个深度相同的竖直三角形槽；
S3、采用干法刻蚀依次刻蚀竖直三角形槽下的氧化硅层和预设深度的底层硅，得到三角形腐蚀槽；
S4、去除光刻胶，对三角形腐蚀槽进行各向异性湿法腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构，且100晶向的底层硅出现的腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块；
S5、基于自限制热氧化工艺对硅片热氧化，单晶硅薄壁结构的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；
S6、在硅片的适当位置刻蚀氮化硅薄膜形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后制作正、负电极；
S7、在悬空的氮化硅薄膜上制备栅极；
S8、在硅片的适当位置制作隔离沟道以实现正、负电极的物理隔绝；
S9、去除被氧化的单晶硅薄壁结构，释放整个结构。
6.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜采用低应力CVD薄膜生长技术制得。
7.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜的厚度为50nm-5μm。
8.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述竖直三角形槽的深度为1-100μm。
9.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述刻蚀底层硅的预设深度为1-100μm。
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