[发明专利]采用衬底栅极的MIS电容下压阻结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测纳米梁位移的衬底栅极的MIS电容下压阻结构与实现该压阻结构的自对准加工工艺。该结构中采用纳米梁下的硅衬底作为栅极，与纳米梁形成MIS电容，利用MIS电容形成的空间电荷区改变纳米梁载流子的对称性形成力敏电阻，通过压阻效应检测纳米梁的位移。属于传感器领域。

背景技术

纳机电系统技术(Nano Electro Mechanical System，NEMS)就是利用集成电路工艺在硅片上形成特征尺度在纳米量级的结构，实现传感器与执行器的技术(K.L.Ekinci，M.L.Roukes.Nanoelectromechanical systems.Review of Scientific Instruments，Vol.76，061101，2005.)。

特征尺度小于100纳米的梁结构是纳机电系统技术中的基本结构。本文中所指的纳米梁是指运动方向的尺度小于100纳米的梁。由于纳米梁的特征尺度小，造成位移检测的难度高。传统的压阻检测技术面临一系列的问题。压阻检测是直接测量力敏电阻处的应力，其灵敏度与梁上应力分布以及力敏电阻的尺寸直接相关。当一根双端固支梁或悬臂梁弯曲且弯曲相比于梁厚度不大时，可以认为梁内存在一中性面，中性面内应力为0，中性面上下两部分的应力的积分大小相等符号相反。距离中性面越远则应力的绝对值越大。应力绝对值的最大值出现在梁上下表面。对于矩形截面的均质梁，中性面位于梁厚度一半处，相对于中性面上下对称的任何两点应力大小相等、符号相反。(M.H.Bao，Micro Mechanical Transducers，ELSEVIER，2000)。为了获得较高的灵敏度，力敏电阻应制作在中性面的一侧。当力敏电阻跨越中性面时，由于中性面两侧应力符号相反而出现部分抵消，使灵敏度降低。当力敏电阻厚度等于梁厚度时，对梁弯曲的灵敏度为0。对于纳米梁，由于梁的厚度在纳米量级，力敏电阻的结深必须远小于纳米梁的厚度才能获得较高的灵敏度。制备结深浅、浓度高的电阻的难度高。

杨恒等人在2007年提出了一种MOS电容衬底压阻结构，在纳米梁上制造MOS电容结构，在MOS电容下感应形成反形层与空间电荷区，利用空间电荷区下的部分作为力敏电阻，实现对纳米梁的压阻检测(杨恒，吴燕红，成海涛，王跃林，纳米梁上MOS电容衬底压阻检测原理与结构，200710173683.0)。该结构避免了制备浅结的难题。但是该结构的缺点是MOS电容的栅氧化层与金属栅极会降低纳米梁的品质因素；同时由于MOS电容处的厚度大于纳米梁上其他部分的厚度，MOS电容处的应力会受到影响；另外必须对栅氧化层作特别保护才能避免释放过程中氢氟酸对它的腐蚀，保护栅氧化层增加了工艺复杂性。

杨恒等人在2009年提出了一种阶梯形电极结构(杨恒，吴燕红，成海涛，戴斌，李昕欣，王跃林，利用阶梯形电极实现纳米梁驱动与压阻检测结构及方法，200910051443.4)。该方法在纳米梁上方制作阶梯形电极，与纳米梁形成MIS(Metal Insulator Semiconductor)电容结构，利用MIS电容形成的空间电荷区下的梁部分作为力敏电阻实现纳米梁的位移检测。该结构避免了在纳米梁上制作栅氧化层与栅极，可以显著提高检测灵敏度和纳米梁谐振的品质因数。但是由于该结构需要在纳米梁上方采用表面微机械或LIGA工艺制作阶梯形电极，极大地增加了工艺的难度，并且梁上的电阻与阶梯形电极间存在对准误差，对准误差就是光刻的对准误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种利用衬底电极与双端固支硅纳米梁共同组成MIS电容下压阻结构，利用MOS电容下压阻实现硅纳米梁的位移检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：采用衬底栅极的MIS电容下压阻结构，用于检测纳米梁位移，该结构包括利用SOI硅片的顶层硅制成的纳米梁；该纳米梁上设有掺杂区，包括轻掺杂区和位于轻掺杂区两端的重掺杂区；所述纳米梁两端的下方通过氧化层固定在硅衬底上，且在z自由振动；所述轻掺杂区和硅衬底之间设有间隙；所述纳米梁上两端的重掺杂区上设有压焊块。

本发明还包括一种MIS电容下压阻结构的制作方法，其包括以下步骤：

(1)在SOI硅片的顶层硅上利用光刻、刻蚀工艺形成纳米梁与锚点图形，利用离子注入的方法在顶层硅进行轻掺杂；

(2)然后制作第一层掩模层，光刻并刻蚀第一层掩模层，形成第一腐蚀窗口暴露出需要重掺杂的区域，对暴露出的区域利用离子注入进行重掺杂；