Si基HEMT嵌入式微加速度計及其生產方法

2023-06-29 09:12:16

專利名稱：Si基HEMT嵌入式微加速度計及其生產方法
技術領域：
本發明涉及微加速度計技術領域，更具體地，涉及一種Si基HEMT嵌入式微加速度計及其生產方法。
背景技術：
隨著微機電技術的發展，市場的應用對加速度計提出了更高的要求，比如高精度， 高線性度，高穩定性。MEMS傳感器傳統的檢測方法主要有壓阻式檢測、電容式檢測等，壓阻式檢測以壓敏電阻作為敏感單元，主要利用電阻隨外界壓力的線性響應區間，由於壓敏電阻的溫漂效應，壓阻係數受到限制，因此很難進一步提高響應靈敏度，這些缺陷限制了此類加速度計在高靈敏度傳感領域的應用。對於電容式檢測，由於微納結構尺度的限制，電容面積的增加也受到限制，其檢測靈敏度和解析度也難以提高，無法滿足進一步發展的應用需求。為滿足應用領域對高靈敏微加速度計的迫切需要，有必要探索基於新原理、新效應的新型微納機械檢測結構來突破傳統檢測方法的限制。近年來，具有e指數特性的場效應電晶體引起了各國科學家的廣泛關注。高電子遷移率電晶體(High Electronic Mobility Transistor，簡稱HEMT)是公認的最有發展前途的高速電子器件之一，具有超高速、低功耗、低噪聲的特點(尤其在低溫下)，可滿足超高速計算機及信號處理、衛星通信等用途。其中GaAs基HEMT最受關注，N-AWaAs和GaAs晶格常數匹配可形成異質結(AWaAs 的禁帶寬度大於GaAs)。由於異質結兩側材料的費米能級位置不同，電子將從費米能級相對較高的寬帶隙材料一側轉移到較低的窄帶隙材料一側，使溝道中的電子和施主電離雜質空間分離，在垂直界面方向(ζ方向)上的運動是被限制在很窄的阱中，在平行界面方向上(X， y方向)卻是自由的，因此，在溝道內形成二維電子氣0DEG)。由於高電子遷移率電晶體的輸出特性呈e指數形式，這種特性關係對能引起載流子輸運性質(如二維電子氣濃度)改變的各種外界參量，如光學、熱學、力學量的變化的響應極其靈敏，並在ι-ν特性上顯著的表現出來，在適當的工作點上實現對外參量的高靈敏探測。利用以上性質，可以實現以GaAs 為基底的微加速度計檢測器件。但由於GaAs材料比較脆，彈性較小，傳統的以GaAs為基底的微加速度計在應用過程中存在某種缺陷，在敏感方向施加應力過程中由於材料的彈性較小，懸臂梁根部容易斷裂，而且在拉曼加壓的應力測試過程中造成拉曼頻移差紊亂，變化方向不一致。基於以上原因，必須探索新的材料結構及工藝技術，以突破常規微加速度計的應用局限，以滿足日益增長的需求。單晶矽具有良好的機械物理性能和電性能，在微機電系統製造中得到廣泛應用。 因為其具有以下主要優點(1)力學性能穩定，電子器件容易集成在同一襯底上。( 矽的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，但密度類似於鋁，高楊氏模量可以很好地保持載荷與變形的線性關係，因此具有良好的機械性能。(3)熔點較高，熱膨脹係數較小，使其在高溫情況下仍可保持尺寸的穩定。(4)矽沒有機械遲滯，適合於傳感器的設計製造。( 矽襯底在設計製造中具有更大的靈活性，而且製造工藝比較成熟。基於以上原因，如果能夠採用Si基底實現Si基微加速度計，必然能夠解決傳統GaAs基微加速度計在應用中的限制，彌補現有技術的缺陷。

發明內容
針對現有技術中的上述需求，本發明採用Si基底，利用異質結外延的方法加工Si 基HEMT嵌入式微加速度計，以解決傳統GaAs基微加速度計在應用中的限制，可達到高靈敏探測，實現了 HEMT (高電子遷移率電晶體)的力電耦合效應在微加速度計上的應用，滿足了應用領域對微加速度計的需求。本發明所提供的Si基HEMT嵌入式微加速度計，包括Si襯底，所述Si襯底包括由刻蝕形成的外圍基座、懸臂梁和質量塊構成的微加速度計結構；其特徵在於所述Si襯底在高電子遷移率電晶體(HEMT)的加工位置處具有HEMT材料層薄膜， 並且所述HEMT材料層薄膜包括GexSih緩衝層和其它HEMT材料層；在所述HEMT材料層薄膜上加工有高電子遷移率電晶體(HEMT)。優選地，所述HEMT材料層薄膜的GexSih緩衝層是在Si襯底上生長的多層Ge 成分依次遞增直至全部為Ge的GexSih緩衝層。進一步優選地，所述HEMT材料層薄膜在 GexSih緩衝層之上的所述其它HEMT材料層包括超晶格層、隔離層、溝道層、勢壘層、自停止腐蝕層、過渡層和帽層。其中，所述溝道層是高純度和平滑度的i-hGaAs層；所述自停止腐蝕層是用於使後續加工便於控制的idnGaP層，所述過渡層是用於增加二維電子氣QDEG) 濃度的具有Si摻雜的n-GaASn層。優選地，所述高電子遷移率電晶體(HEMT)的源、漏極的導電溝道方向與所述懸臂梁呈0°、45°和/或90°角。優選地，所述高電子遷移率電晶體(HEMT)包括通過在所述HEMT材料層薄膜上採用光刻源極、漏極的歐姆接觸圖形並蒸發澱積合金形成的源極和漏極；以在源極、漏極之間刻蝕形成的凹槽；在凹槽的槽底中間沿凹槽方向加工的柵槽；在柵槽處澱積金屬覆蓋層形成的柵極；在源極和漏極之間以及源極和漏極正對側的邊沿處澱積形成的Si3N4鈍化層；在源極、漏極和柵極上濺射的金屬Au層。為了實現上述Si基HEMT嵌入式微加速度計，本發明進一步提供了一種Si基HEMT 嵌入式微加速度計的生產方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，應用分子束外延技術在Si襯底上生成HEMT材料層薄膜，其中包括首先在Si襯底上生長的多層Ge成分依次遞增直至全部為Ge的GexSipx緩衝層；然後在所述 GexSih緩衝層上生長其它HEMT材料層；步驟2，加工高電子遷移率電晶體(HEMT)以及微加速度計結構，具體包括步驟a， 按照待加工的微加速度計結構的布局，利用刻蝕工藝，在Si襯底生長的所述HEMT材料層薄膜結構上去掉除了需要加工高電子遷移率電晶體(HEMT)的臺面部分以外的其它薄膜；步驟b，在所述保留薄膜的各臺面部分分別加工高電子遷移率電晶體(HEMT)；步驟c，應用刻蝕工藝將Si襯底刻蝕成由外圍基座、懸臂梁、以及通過懸臂梁支懸於外圍基座中央的質量塊構成的微加速度計結構，並使所述加工有高電子遷移率電晶體(HEMT)的薄膜位於懸臂梁與外圍基座的連接處。
優選地，在步驟1中，所述GexSih緩衝層上生長其它HEMT材料層包括超晶格層、 隔離層、溝道層、勢壘層、自停止腐蝕層、過渡層和帽層。其中，所述溝道層是高純度和平滑度的i-hGaAs層；所述自停止腐蝕層是用於使後續加工便於控制的i-hGaP層，所述過渡層是用於增加二維電子氣ODEG)濃度的具有Si摻雜的n-GaASn層。優選地，所述步驟b具體包括bl、在所述薄膜的歐姆接觸層n-GaAs表面首先採用光刻工藝加工出高電子遷移率電晶體(HEMT)的源極和漏極的歐姆接觸圖形，然後採用電子束蒸發工藝在歐姆接觸層 n-GaAs表面形成Au/Ge/Ni金屬層，最後經剝離清洗後，以400°C高溫在60s內快速合金，實現電晶體HEMT的源極、漏極金屬化，使電晶體HEMT的源極、漏極與所述薄膜的歐姆接觸層 n-GaAs表面之間形成良好的歐姆接觸；b2、以刻蝕工藝在源極和漏極之間的薄膜上加工出與漏極平行、並貫穿整個薄膜的凹槽，且凹槽以薄膜的肖特基接觸層n-AKiaAs表面為槽底面；然後以光刻工藝在凹槽的槽底中間沿凹槽方向加工柵槽，並在柵槽加工過程中，實時檢測源漏兩極間的飽和電流，直至源漏兩極間的飽和電流達到要求值，獲得所需柵槽，隨後採用電子束蒸發工藝在凹槽表面、柵槽內形成Ti/Pt/Au覆蓋層，以剝離法在柵槽處形成柵極，實現柵極金屬化，使柵極與所述薄膜的肖特基接觸層n-AWaAs之間形成良好的肖特基勢壘；b3、用PECVD澱積法在源極、漏極、柵極的薄膜上以230°C溫度澱積Si3N4鈍化層， 然後以光刻工藝刻蝕所述Si3N4鈍化層，使Si3N4鈍化層區域僅覆蓋在源極和漏極之間、以及源極和漏極對側的邊沿處；然後使用濺射臺濺射一定厚度的金屬Au層，將三個電極加厚。優選地，步驟a中，令用於加工所述高電子遷移率電晶體(HEMT)的臺面部分的方向與所述懸臂梁呈0°、45°和/或90°角。本發明的主要特點包括1. GexSih緩衝層起到了降低錯配紊亂密度的作用。2.溝道層作為HEMT器件的核心部分，高純度和平滑度能很好的避免在生長過程中引入新的雜質和缺陷。3.自停止腐蝕層可以對後續的加工工藝變得容易控制；過渡層可以增加2DEG的濃度.4.高電子遷移率電晶體HEMT與懸臂梁呈多種角度，通過對不同的HEMT動態測試，可以更好的了解加速度計的靈敏度與敏感單元的方位的關係，以增加加速度計的靈敏度。本發明所述微加速度計主要是解決GaAs基微結構的彈性較差，應用過程中容易斷裂、測試工作難度較大等問題，提出了一種應用異質結外延技術加工Si基HEMT微加速度計結構。當該加速度計感應到敏感方向的加速度時，質量塊產生偏移，帶動懸臂梁發生變形彎曲，會使懸臂梁根部設置的高電子遷移率電晶體HEMT溝道中產生應力變化，多種物理機制相互作用致使溝道電阻發生變化，其中一種機制是由於電子有效質量的變化引起載流子遷移率的變化；另一物理機制是在應力作用下，由於相對勢的變化，電子會從具有高載流子遷移率的能級結構躍遷到低載流子遷移率能級中；第三個物理機制不同於其他機制，它主要是由於應力作用下的壓電效應引起溝道電阻的變化。綜上所述，由於壓阻和壓電效應的綜合作用，引起二維電子氣濃度的變化，與壓敏電阻相比，產生較大的壓阻係數及較高的靈敏度。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明
圖1是本發明實施例的HEMT材料層薄膜結構示意圖；圖2是本發明實施例的加速度計中所述高電子遷移率電晶體臺面位置示意圖；圖3是本發明實施例的加工製造工藝流程示意圖；圖4A-C是本發明實施例的高電子遷移率電晶體(HEMT)的SEM示意圖；圖5是本發明實施例的Si基HEMT嵌入式微加速度計整體結構圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明的技術方案，並使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合實施例及實施例附圖對本發明作進一步詳細的說明。本發明所述微加速度計主要是通過高電子遷移率電晶體(HEMT)實現對力學信號的檢測。利用HEMT的力電耦合效應設計了嵌入式HEMT微懸臂梁-質量塊結構的微加速度計。當微結構受加速度運動時，質量塊受迫振動使懸臂梁彎曲，從而導致懸臂梁上的HEMT 溝道應力產生變化。HEMT中半導體材料的能帶結構受應力影響將發生相應變化，從而導致二維電子氣限制作用變化，並影響到溝道電子的濃度，最終反映HEMT的I-V特性變化。下面介紹本發明所述的Si基HEMT嵌入式微加速度計的生產方法。本發明的主要步驟包括薄膜結構的設計生成和微加速度結構的設計製造，即包括以下步驟步驟1，應用分子束外延技術在Si襯底上生成HEMT材料層薄膜；步驟2，加工高電子遷移率電晶體 (HEMT)以及微加速度計結構。步驟1 應用分子束外延技術在Si襯底上生成HEMT材料層薄膜由於Si襯底與外延層材料的晶格常數不同，外延層與襯底界面處產生錯配紊亂。 為了減少外延層與襯底之間的紊亂密度，現有技術中可以採取以下方法襯底取向誤差，緩衝層採用具有應變的超晶格層，對異質結或選擇性生長區域採取退火後處理。然而，在本發明專利中，採取一種經過改進的新方法防止與Si襯底的錯配紊亂 在Si襯底上生長多層Ge成分以10% Ge/um依次遞增的GexSih緩衝層，直至最後全部為 Ge，之後在此基礎上利用異質結外延技術生長HEMT材料層薄膜的其它結構。具體HEMT材料層薄膜結構以及相關參數如下表1所示
權利要求
1.一種Si基HEMT嵌入式微加速度計，包括Si襯底，所述Si襯底包括由刻蝕形成的外圍基座、懸臂梁和質量塊構成的微加速度計結構；其特徵在於所述Si襯底在高電子遷移率電晶體(HEMT)的加工位置處具有HEMT材料層薄膜，並且所述HEMT材料層薄膜包括GexSih緩衝層和其它HEMT材料層；在所述HEMT材料層薄膜上加工有高電子遷移率電晶體(HEMT)。
2.根據權利要求1所述的Si基HEMT嵌入式微加速度計，其特徵在於，所述HEMT材料層薄膜的GexSih緩衝層是在Si襯底上生長的多層Ge成分依次遞增直至全部為Ge的GexSih 緩衝層。
3.根據權利要求2所述的Si基HEMT嵌入式微加速度計，其特徵在於，所述HEMT材料層薄膜在GexSih緩衝層之上的所述其它HEMT材料層包括超晶格層、隔離層、溝道層、勢壘層、自停止腐蝕層、過渡層和帽層。
4.根據權利要求3所述的Si基HEMT嵌入式微加速度計，其特徵在於，所述溝道層是高純度和平滑度的i-hGaAs層；所述自停止腐蝕層是用於使後續加工便於控制的i-hGaP 層，所述過渡層是用於增加二維電子氣ODEG)濃度的具有Si摻雜的n-GaASn層。
5.根據權利要求1所述的Si基HEMT嵌入式微加速度計，其特徵在於，所述高電子遷移率電晶體(HEMT)的源、漏極的導電溝道方向與所述懸臂梁呈0°、45°和/或90°角。
6.根據權利要求1所述的Si基HEMT嵌入式微加速度計，其特徵在於，所述高電子遷移率電晶體(HEMT)包括通過在所述HEMT材料層薄膜上採用光刻源極、漏極的歐姆接觸圖形並蒸發澱積合金形成的源極和漏極；以在源極、漏極之間刻蝕形成的凹槽；在凹槽的槽底中間沿凹槽方向加工的柵槽；在柵槽處澱積金屬覆蓋層形成的柵極；在源極和漏極之間以及源極和漏極正對側的邊沿處澱積形成的Si3N4鈍化層；在源極、漏極和柵極上濺射的金屬 Au層。
7.—種Si基HEMT嵌入式微加速度計的生產方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，應用分子束外延技術在Si襯底上生成HEMT材料層薄膜，其中包括首先在Si襯底上生長的多層Ge成分依次遞增直至全部為Ge的GexSipx緩衝層；然後在所述GexSipx緩衝層上生長其它HEMT材料層；步驟2，加工高電子遷移率電晶體(HEMT)以及微加速度計結構，具體包括步驟a，按照待加工的微加速度計結構的布局，利用刻蝕工藝，在Si襯底生長的所述HEMT材料層薄膜結構上去掉除了需要加工高電子遷移率電晶體(HEMT)的臺面部分以外的其它薄膜；步驟b， 在所述保留薄膜的各臺面部分分別加工高電子遷移率電晶體(HEMT)；步驟c，應用刻蝕工藝將Si襯底刻蝕成由外圍基座、懸臂梁、以及通過懸臂梁支懸於外圍基座中央的質量塊構成的微加速度計結構，並使所述加工有高電子遷移率電晶體(HEMT)的薄膜位於懸臂梁與外圍基座的連接處。
8.根據權利要求7所述的生產方法，其特徵在於，在步驟1中，所述GexSih緩衝層上生長其它HEMT材料層包括超晶格層、隔離層、溝道層、勢壘層、自停止腐蝕層、過渡層和帽層。
9.根據權利要求7所述的生產方法，其特徵在於，所述步驟b具體包括bl、在所述薄膜的歐姆接觸層n-GaAs表面首先採用光刻工藝加工出高電子遷移率電晶體(HEMT)的源極和漏極的歐姆接觸圖形，然後採用電子束蒸發工藝在歐姆接觸層 n-GaAs表面形成Au/Ge/Ni金屬層，最後經剝離清洗後，以400°C高溫在60s內快速合金，實現電晶體HEMT的源極、漏極金屬化，使電晶體HEMT的源極、漏極與所述薄膜的歐姆接觸層 n-GaAs表面之間形成良好的歐姆接觸；b2、以刻蝕工藝在源極和漏極之間的薄膜上加工出與漏極平行、並貫穿整個薄膜的凹槽，且凹槽以薄膜的肖特基接觸層n-AKiaAs表面為槽底面；然後以光刻工藝在凹槽的槽底中間沿凹槽方向加工柵槽，並在柵槽加工過程中，實時檢測源漏兩極間的飽和電流，直至源漏兩極間的飽和電流達到要求值，獲得所需柵槽，隨後採用電子束蒸發工藝在凹槽表面、柵槽內形成Ti/Pt/Au覆蓋層，以剝離法在柵槽處形成柵極，實現柵極金屬化，使柵極與所述薄膜的肖特基接觸層n-AWaAs之間形成良好的肖特基勢壘；b3、用PECVD澱積法在源極、漏極、柵極的薄膜上以230°C溫度澱積Si3N4鈍化層，然後以光刻工藝刻蝕所述Si3N4鈍化層，使Si3N4鈍化層區域僅覆蓋在源極和漏極之間、以及源極和漏極對側的邊沿處；然後使用濺射臺濺射一定厚度的金屬Au層，將三個電極加厚。
10.根據權利要求7所述的生產方法，其特徵在於，步驟a中，令用於加工所述高電子遷移率電晶體(HEMT)的臺面部分的方向與所述懸臂梁呈0°、45°和/或90°角。
全文摘要
本發明提供了一種Si基HEMT嵌入式微加速度計，包括Si襯底，所述Si襯底包括由刻蝕形成的外圍基座、懸臂梁和質量塊構成的微加速度計結構；所述Si襯底在高電子遷移率電晶體(HEMT)的加工位置處具有HEMT材料層薄膜，並且所述HEMT材料層薄膜包括GexSi1-x緩衝層和其它HEMT材料層；在所述HEMT材料層薄膜上加工有高電子遷移率電晶體(HEMT)。本發明進一步提供了上述Si基HEMT嵌入式微加速度計的生產方法。本發明所述微加速度計解決了GaAs基微結構的彈性較差，應用過程中容易斷裂、測試工作難度較大等問題。
文檔編號G01P15/09GK102401840SQ20111035974
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者劉俊, 史偉莉, 唐軍, 張文棟, 張斌珍, 李長龍, 田學東, 臧俊斌, 薛晨陽, 譚振新 申請人:中北大學