面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的MOSFET器件的製作方法

2023-07-07 04:07:32

本發明提出了一種面向物聯網矽基具有熱電轉換功能的mosfet，屬於微電子機械系統(mems)的技術領域。mosfet是金屬-氧化物半導體場效應電晶體，(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)的縮寫。

背景技術：

隨著集成電路的特徵尺寸縮小，器件密度在上升，電路的總功耗也在逐漸增加，片上溫度越來越高，晶片熱通量以年6％的速度增長。過高的溫度降低了器件的工作速度，導致了局部電阻增加從而增加不必要的功耗，而集成電路中的失效問題有一半以上與溫度問題相關，其中包括電遷移、熱載流子效應等，這就影響到了其使用壽命。因此，必須在半導體器的設計中綜合考慮能源與散熱問題的有關問題。

隨著物聯網的發展，可攜式設備的電源是鋰電池的缺點更加顯而易見，鋰電池使用的時間有限，給人們的生活造成了些許不便。因此，為了解決這一問題，人們開始研究新型電源，其中包括燃料電池，但其燃料處理等過於複雜，效率僅在2％左右。而溫差發電與之具有可比性，且溫差發電系統較為簡單，只要發電模塊兩端有溫差就有持續不斷的電力輸出。其中，溫差發電系統要解決的一個主要問題是如何為熱端供熱。

本發明基於coms工藝和mems表面微機械加工工藝設計了一種面向物聯網的具有熱電轉換功能的mosfet器件，一方面實現了溫差發電的熱源供給，另一方面將mosfet器件的廢熱利用，實現熱電能量轉換，這是一種應用在物聯網通訊中的mosfet器件。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的在於提供一種基於矽基cmos工藝和mems表面微機械加工工藝，面向物聯網的具有熱電轉換功能的mosfet器件；當mosfet處於工作狀態時，器件溫度分布不同，根據seebeck效應，設計一系列熱電偶，實現熱電能量轉換。通過檢測塞貝克壓差大小來檢測熱耗散功率的大小。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：

一種面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet器件，所述mosfet器件以p型矽為襯底上，襯底上設有源區、漏區、源金屬引線、漏金屬引線、柵氧化層；柵氧化層的上方有一層柵極多晶矽；所述源金屬引線、漏金屬引線、柵極多晶矽的四周分別設有絕緣層；所述mosfet器件的柵源漏區的絕緣層上方分別設有12個熱電偶；所述熱電偶包括n型熱電臂和al型熱電臂，上述兩個熱電臂之間用金屬連線al串聯，並分別留出2個熱電偶電極；用金屬連線al將mosfet器件的柵源漏區的熱電偶電極串聯，並留下兩個熱電偶電極作為塞貝克電壓的輸出極「+」極和「-」極。

進一步的，針對mos正常工作時的溫度分布不同，根據seebeck效應實現熱電能量轉換，進行熱量回收的同時緩解了散熱問題，輸出塞貝克電壓可以通過大電容，進行存儲電能，實現自供電。

進一步的，通過檢測輸出的塞貝克壓差的大小，可以檢測到熱耗散功率的大小。

進一步的，mosfet正常工作下產生的溫度分布為熱電偶提供熱源，熱電偶實現熱電能量轉換，有利於散熱。

進一步的，所述源金屬引線、漏金屬引線、柵極多晶矽的左右側各擺放4個熱電偶，上下側各擺放2個熱電偶。

進一步的，所述絕緣層的材質為二氧化矽。

本發明的有益效果為：

1.本發明的面向物聯網的具有熱電轉換功能的mosfet器件的原理、結構簡單，利用現有的矽基coms工藝和mems表面微機械加工易於實現；

2.本發明基於mosfet的溫度分布，設計了一組熱電偶，根據seebeck效應，將器件的熱能轉換成電能，實現熱電能量轉換。

3.本發明通過檢測塞貝克電壓，實現對mosfet器件正常工作下熱耗散功率大小的檢測。當熱耗散功率增大時，器件的溫度上升，溫差增大會導致塞貝克電壓的增大。

4.本發明通過seebeck效應，將器件正常工作下產生的熱能轉換成電能，有利於器件的散熱。

附圖說明

圖1為本發明面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet的俯視圖；

圖2為本發明面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet的p-p』向的剖面圖；

圖3為本發明面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet的q-q』向的剖面圖；

圖4為本發明面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet的r-r』向的剖面圖；

圖5為本發明面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet上面的熱電偶擺放的俯視圖(即圖1的熱電偶11)；

圖6為本發明面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet的s-s』向的剖面圖。

圖中包括：p型si襯底1，絕緣層2，源區3，漏區4，源金屬引線5，漏金屬引線6，柵極多晶矽7，熱電偶的金屬al型熱電臂8，熱電偶的多晶矽n型熱電臂9，金屬連線10，熱電偶11，柵氧化層12。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步說明。

參見圖1-6，本發明提出了一種面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet器件。該mos器件主要包括：n型mosfet和熱電偶。其中，當n型mosfet在一定柵壓下正常工作時，由於溝道區的溫度分布不同，從而為熱電偶提供了溫差。選擇p型si作為襯底1，通過coms工藝和mems表面微機械加工實現具有熱電能量轉換功能的mosfet。在襯底上面製作一層厚度為20nm的緩衝氧化層，以防止硼離子注入造成損傷，然後以1.5×1014cm-2的劑量進行p阱硼離子注入，之後用boe除去緩衝氧化層；為隔離(locos)熱氧化製作一層20nm氧化層，然後lpcvd製作一層100nm氮化矽，有源區光刻採用幹法刻蝕氮化矽，之後用boe除去氧化層；用幹/溼/乾熱氧化法製備locos，厚度為400nm，然後用h3po4去除100nm氮化矽，用boe除去20nm氧化層；製備一層厚度為20nm的柵氧化層12，在其上澱積一層厚度為300nm的柵多晶矽7，然後進行磷擴散，採用幹法刻蝕柵多晶矽；源漏注入砷，劑量為5×1015cm-2，得到源區3和漏區4，再分別在源漏上面濺射一層厚度為800nm的源金屬引線5和漏金屬引線6，傳統的mos製得。

在n型mosfet上面製作一層絕緣層2，用以隔離mos和熱電偶，避免短路，本實施例中絕緣層2的材質為二氧化矽。同時，進行拋光，以便在氧化矽上製作熱電偶。先是按照圖5所示的圖案製作熱電偶的金屬al型熱電臂8和多晶矽n型熱電臂9，然後蒸鋁連接兩種熱電偶臂，串聯熱電偶從而得到更大的壓差。其中，留出下方6個電極作為熱電偶電極，串聯熱電偶電極，留下源漏各一個熱電偶電極作為塞貝克壓差的輸出極。該矽基具有熱電轉換功能的mos器件可以將器件工作產生的熱能轉換為電能，實現能量收集的同時降低了溫度，有利於散熱；通過檢測輸出塞貝克電壓的大小來實現對熱耗散功率大小的檢測。

本發明的矽基具有熱電轉換功能的mosfet器件製備方法如下：

1)準備矽基p型矽襯底1，摻雜濃度為1015cm-3；

2)為p阱離子注入製備緩衝氧化層，厚度20nm，氧化溫度1000℃，時間為30min；

3)p阱硼離子注入，劑量為1.5×1014，然後用boe去除緩衝氧化層，時間為20s；

4)為隔離(locos)熱氧化製作一層20nm氧化層，然後lpcvd製作一層100nm氮化矽；

5)有源區光刻，採用幹法刻蝕氮化矽，時間為1.5min，用boe除去氧化層，時間為20s；

6)用幹/溼/乾熱氧化法製備locos，厚度為400nm，溫度為1000℃，時間2小時，然後用h3po4去除100nm氮化矽，用boe除去20nm氧化層；

7)製備柵氧化層12，厚度為20nm，溫度為925℃，時間為30min；

8)澱積柵多晶矽7，厚度為300nm，溫度為620℃，時間為70min，然後進行磷擴散，溫度為950℃，時間為30min；

9)光刻柵多晶矽，採用幹法刻蝕柵多晶矽，時間為35s；

10)源漏n+離子注入，劑量為5×1015cm-2得到源區3和漏區4；

11)低溫氧化，刻蝕接觸區開口，得到二氧化矽鈍化層；

12)濺射一層800nm金屬鋁作為源金屬引線5，漏金屬引線6；

13)化學機械拋光氧化層，以備製作熱電偶；

14)在柵極附近塗覆光刻膠，光刻出n型熱電臂窗口；

15)lpcvd生長一層n+多晶矽，其摻雜濃度和厚度分別為5×1016cm-3和0.7um，形成熱電偶的多晶矽n型熱電臂9；

16)蒸發生長al，反刻al，刻蝕金屬圖形，形成熱電偶的另一金屬al型熱電臂8；

17)塗覆光刻膠，保留特定圖案光刻膠，用h3po4:ch3cooh:hno3＝100:10:1反刻al，溫度為50℃，時間為3min，將多晶矽n型熱電臂9與金屬al型熱電臂8用金屬連線al10連接起來，形成熱電偶；

18)除去光刻膠；

19)製作柵區熱電偶的2個引出電極；

20)在源漏極附近重複步驟13)--19)，製作如圖5所示熱電偶11；

21)蒸鋁連線，按照如圖1所示連接各電極，留下兩個電極作為塞貝克壓差的輸出極。

區分是否為該結構的標準如下：

本發明的面向物聯網的矽基具有熱電轉換功能的mosfet器件，具有36個串聯的熱電偶。在傳統的n型mosfet製作完成柵極之後，生長一層二氧化矽層，化學機械拋光，平整單薄的二氧化矽層作為製作熱電偶的基準面。柵源漏各製作了12個由金屬al型熱電臂和多晶矽n型熱電臂組成的熱電偶，用金屬連線鋁將其串聯，從而成倍的增大塞貝克壓差。該矽基具有熱電轉換功能的mos器件可以將器件工作產生的熱損轉換為電能，實現能量收集的同時降低了溫度，有利於散熱；通過檢測輸出塞貝克電壓的大小來實現對熱耗散功率大小的檢測。

滿足以上條件的結構即視為本發明的矽基具有熱電轉換功能的mosfet器件。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。