专利名称：Si基HEMT嵌入式微加速度计及其生产方法
技术领域：
本发明涉及微加速度计技术领域，更具体地，涉及一种Si基HEMT嵌入式微加速度计及其生产方法。
背景技术：
随着微机电技术的发展，市场的应用对加速度计提出了更高的要求，比如高精度， 高线性度，高稳定性。MEMS传感器传统的检测方法主要有压阻式检测、电容式检测等，压阻式检测以压敏电阻作为敏感单元，主要利用电阻随外界压力的线性响应区间，由于压敏电阻的温漂效应，压阻系数受到限制，因此很难进一步提高响应灵敏度，这些缺陷限制了此类加速度计在高灵敏度传感领域的应用。对于电容式检测，由于微纳结构尺度的限制，电容面积的增加也受到限制，其检测灵敏度和分辨率也难以提高，无法满足进一步发展的应用需求。为满足应用领域对高灵敏微加速度计的迫切需要，有必要探索基于新原理、新效应的新型微纳机械检测结构来突破传统检测方法的限制。近年来，具有e指数特性的场效应晶体管引起了各国科学家的广泛关注。高电子迁移率晶体管(High Electronic Mobility Transistor，简称HEMT)是公认的最有发展前途的高速电子器件之一，具有超高速、低功耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，可满足超高速计算机及信号处理、卫星通信等用途。其中GaAs基HEMT最受关注，N-AWaAs和GaAs晶格常数匹配可形成异质结(AWaAs 的禁带宽度大于GaAs)。由于异质结两侧材料的费米能级位置不同，电子将从费米能级相对较高的宽带隙材料一侧转移到较低的窄带隙材料一侧，使沟道中的电子和施主电离杂质空间分离，在垂直界面方向(ζ方向)上的运动是被限制在很窄的阱中，在平行界面方向上(X， y方向)却是自由的，因此，在沟道内形成二维电子气0DEG)。由于高电子迁移率晶体管的输出特性呈e指数形式，这种特性关系对能引起载流子输运性质(如二维电子气浓度)改变的各种外界参量，如光学、热学、力学量的变化的响应极其灵敏，并在ι-ν特性上显著的表现出来，在适当的工作点上实现对外参量的高灵敏探测。利用以上性质，可以实现以GaAs 为基底的微加速度计检测器件。但由于GaAs材料比较脆，弹性较小，传统的以GaAs为基底的微加速度计在应用过程中存在某种缺陷，在敏感方向施加应力过程中由于材料的弹性较�。哿焊咳菀锥狭眩以诶友沟挠αΣ馐怨讨性斐衫狄撇钗陕遥浠较虿灰恢隆；谝陨显颍匦胩剿餍碌牟牧辖峁辜肮ひ占际酰酝黄瞥９嫖⒓铀俣燃频挠τ镁窒蓿月闳找嬖龀さ男枨�。单晶硅具有良好的机械物理性能和电性能，在微机电系统制造中得到广泛应用。 因为其具有以下主要优点(1)力学性能稳定，电子器件容易集成在同一衬底上。( 硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，但密度类似于铝，高杨氏模量可以很好地保持载荷与变形的线性关系，因此具有良好的机械性能。(3)熔点较高，热膨胀系数较�。蛊湓诟呶虑榭鱿氯钥杀３殖叽绲奈榷�。(4)硅没有机械迟滞，适合于传感器的设计制造。( 硅衬底在设计制造中具有更大的灵活性，而且制造工艺比较成熟。基于以上原因，如果能够采用Si基底实现Si基微加速度计，必然能够解决传统GaAs基微加速度计在应用中的限制，弥补现有技术的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的上述需求，本发明采用Si基底，利用异质结外延的方法加工Si 基HEMT嵌入式微加速度计，以解决传统GaAs基微加速度计在应用中的限制，可达到高灵敏探测，实现了 HEMT (高电子迁移率晶体管)的力电耦合效应在微加速度计上的应用，满足了应用领域对微加速度计的需求。本发明所提供的Si基HEMT嵌入式微加速度计，包括Si衬底，所述Si衬底包括由刻蚀形成的外围基座、悬臂梁和质量块构成的微加速度计结构；其特征在于所述Si衬底在高电子迁移率晶体管(HEMT)的加工位置处具有HEMT材料层薄膜， 并且所述HEMT材料层薄膜包括GexSih缓冲层和其它HEMT材料层；在所述HEMT材料层薄膜上加工有高电子迁移率晶体管(HEMT)。优选地，所述HEMT材料层薄膜的GexSih缓冲层是在Si衬底上生长的多层Ge 成分依次递增直至全部为Ge的GexSih缓冲层。进一步优选地，所述HEMT材料层薄膜在 GexSih缓冲层之上的所述其它HEMT材料层包括超晶格层、隔离层、沟道层、势垒层、自停止腐蚀层、过渡层和帽层。其中，所述沟道层是高纯度和平滑度的i-hGaAs层；所述自停止腐蚀层是用于使后续加工便于控制的idnGaP层，所述过渡层是用于增加二维电子气QDEG) 浓度的具有Si掺杂的n-GaASn层。优选地，所述高电子迁移率晶体管(HEMT)的源、漏极的导电沟道方向与所述悬臂梁呈0°、45°和/或90°角。优选地，所述高电子迁移率晶体管(HEMT)包括通过在所述HEMT材料层薄膜上采用光刻源极、漏极的欧姆接触图形并蒸发淀积合金形成的源极和漏极；以在源极、漏极之间刻蚀形成的凹槽；在凹槽的槽底中间沿凹槽方向加工的栅槽；在栅槽处淀积金属覆盖层形成的栅极；在源极和漏极之间以及源极和漏极正对侧的边沿处淀积形成的Si3N4钝化层；在源极、漏极和栅极上溅射的金属Au层。为了实现上述Si基HEMT嵌入式微加速度计，本发明进一步提供了一种Si基HEMT 嵌入式微加速度计的生产方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，应用分子束外延技术在Si衬底上生成HEMT材料层薄膜，其中包括首先在Si衬底上生长的多层Ge成分依次递增直至全部为Ge的GexSipx缓冲层；然后在所述 GexSih缓冲层上生长其它HEMT材料层；步骤2，加工高电子迁移率晶体管(HEMT)以及微加速度计结构，具体包括步骤a， 按照待加工的微加速度计结构的布局，利用刻蚀工艺，在Si衬底生长的所述HEMT材料层薄膜结构上去掉除了需要加工高电子迁移率晶体管(HEMT)的台面部分以外的其它薄膜；步骤b，在所述保留薄膜的各台面部分分别加工高电子迁移率晶体管(HEMT)；步骤c，应用刻蚀工艺将Si衬底刻蚀成由外围基座、悬臂梁、以及通过悬臂梁支悬于外围基座中央的质量块构成的微加速度计结构，并使所述加工有高电子迁移率晶体管(HEMT)的薄膜位于悬臂梁与外围基座的连接处。
优选地，在步骤1中，所述GexSih缓冲层上生长其它HEMT材料层包括超晶格层、 隔离层、沟道层、势垒层、自停止腐蚀层、过渡层和帽层。其中，所述沟道层是高纯度和平滑度的i-hGaAs层；所述自停止腐蚀层是用于使后续加工便于控制的i-hGaP层，所述过渡层是用于增加二维电子气ODEG)浓度的具有Si掺杂的n-GaASn层。优选地，所述步骤b具体包括bl、在所述薄膜的欧姆接触层n-GaAs表面首先采用光刻工艺加工出高电子迁移率晶体管(HEMT)的源极和漏极的欧姆接触图形，然后采用电子束蒸发工艺在欧姆接触层 n-GaAs表面形成Au/Ge/Ni金属层，最后经剥离清洗后，以400°C高温在60s内快速合金，实现晶体管HEMT的源极、漏极金属化，使晶体管HEMT的源极、漏极与所述薄膜的欧姆接触层 n-GaAs表面之间形成良好的欧姆接触；b2、以刻蚀工艺在源极和漏极之间的薄膜上加工出与漏极平行、并贯穿整个薄膜的凹槽，且凹槽以薄膜的肖特基接触层n-AKiaAs表面为槽底面；然后以光刻工艺在凹槽的槽底中间沿凹槽方向加工栅槽，并在栅槽加工过程中，实时检测源漏两极间的饱和电流，直至源漏两极间的饱和电流达到要求值，获得所需栅槽，随后采用电子束蒸发工艺在凹槽表面、栅槽内形成Ti/Pt/Au覆盖层，以剥离法在栅槽处形成栅极，实现栅极金属化，使栅极与所述薄膜的肖特基接触层n-AWaAs之间形成良好的肖特基势垒；b3、用PECVD淀积法在源极、漏极、栅极的薄膜上以230°C温度淀积Si3N4钝化层， 然后以光刻工艺刻蚀所述Si3N4钝化层，使Si3N4钝化层区域仅覆盖在源极和漏极之间、以及源极和漏极对侧的边沿处；然后使用溅射台溅射一定厚度的金属Au层，将三个电极加厚。优选地，步骤a中，令用于加工所述高电子迁移率晶体管(HEMT)的台面部分的方向与所述悬臂梁呈0°、45°和/或90°角。本发明的主要特点包括1. GexSih缓冲层起到了降低错配紊乱密度的作用。2.沟道层作为HEMT器件的核心部分，高纯度和平滑度能很好的避免在生长过程中引入新的杂质和缺陷。3.自停止腐蚀层可以对后续的加工工艺变得容易控制；过渡层可以增加2DEG的浓度.4.高电子迁移率晶体管HEMT与悬臂梁呈多种角度，通过对不同的HEMT动态测试，可以更好的了解加速度计的灵敏度与敏感单元的方位的关系，以增加加速度计的灵敏度。本发明所述微加速度计主要是解决GaAs基微结构的弹性较差，应用过程中容易断裂、测试工作难度较大等问题，提出了一种应用异质结外延技术加工Si基HEMT微加速度计结构。当该加速度计感应到敏感方向的加速度时，质量块产生偏移，带动悬臂梁发生变形弯曲，会使悬臂梁根部设置的高电子迁移率晶体管HEMT沟道中产生应力变化，多种物理机制相互作用致使沟道电阻发生变化，其中一种机制是由于电子有效质量的变化引起载流子迁移率的变化；另一物理机制是在应力作用下，由于相对势的变化，电子会从具有高载流子迁移率的能级结构跃迁到低载流子迁移率能级中；第三个物理机制不同于其他机制，它主要是由于应力作用下的压电效应引起沟道电阻的变化。综上所述，由于压阻和压电效应的综合作用，引起二维电子气浓度的变化，与压敏电阻相比，产生较大的压阻系数及较高的灵敏度。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明
图1是本发明实施例的HEMT材料层薄膜结构示意图；图2是本发明实施例的加速度计中所述高电子迁移率晶体管台面位置示意图；图3是本发明实施例的加工制造工艺流程示意图；图4A-C是本发明实施例的高电子迁移率晶体管(HEMT)的SEM示意图；图5是本发明实施例的Si基HEMT嵌入式微加速度计整体结构图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。本发明所述微加速度计主要是通过高电子迁移率晶体管(HEMT)实现对力学信号的检测。利用HEMT的力电耦合效应设计了嵌入式HEMT微悬臂梁-质量块结构的微加速度计。当微结构受加速度运动时，质量块受迫振动使悬臂梁弯曲，从而导致悬臂梁上的HEMT 沟道应力产生变化。HEMT中半导体材料的能带结构受应力影响将发生相应变化，从而导致二维电子气限制作用变化，并影响到沟道电子的浓度，最终反映HEMT的I-V特性变化。下面介绍本发明所述的Si基HEMT嵌入式微加速度计的生产方法。本发明的主要步骤包括薄膜结构的设计生成和微加速度结构的设计制造，即包括以下步骤步骤1，应用分子束外延技术在Si衬底上生成HEMT材料层薄膜；步骤2，加工高电子迁移率晶体管 (HEMT)以及微加速度计结构。步骤1 应用分子束外延技术在Si衬底上生成HEMT材料层薄膜由于Si衬底与外延层材料的晶格常数不同，外延层与衬底界面处产生错配紊乱。 为了减少外延层与衬底之间的紊乱密度，现有技术中可以采取以下方法衬底取向误差，缓冲层采用具有应变的超晶格层，对异质结或选择性生长区域采取退火后处理。然而，在本发明专利中，采取一种经过改进的新方法防止与Si衬底的错配紊乱 在Si衬底上生长多层Ge成分以10% Ge/um依次递增的GexSih缓冲层，直至最后全部为 Ge，之后在此基础上利用异质结外延技术生长HEMT材料层薄膜的其它结构。具体HEMT材料层薄膜结构以及相关参数如下表1所示
权利要求
1.一种Si基HEMT嵌入式微加速度计，包括Si衬底，所述Si衬底包括由刻蚀形成的外围基座、悬臂梁和质量块构成的微加速度计结构；其特征在于所述Si衬底在高电子迁移率晶体管(HEMT)的加工位置处具有HEMT材料层薄膜，并且所述HEMT材料层薄膜包括GexSih缓冲层和其它HEMT材料层；在所述HEMT材料层薄膜上加工有高电子迁移率晶体管(HEMT)。
2.根据权利要求1所述的Si基HEMT嵌入式微加速度计，其特征在于，所述HEMT材料层薄膜的GexSih缓冲层是在Si衬底上生长的多层Ge成分依次递增直至全部为Ge的GexSih 缓冲层。
3.根据权利要求2所述的Si基HEMT嵌入式微加速度计，其特征在于，所述HEMT材料层薄膜在GexSih缓冲层之上的所述其它HEMT材料层包括超晶格层、隔离层、沟道层、势垒层、自停止腐蚀层、过渡层和帽层。
4.根据权利要求3所述的Si基HEMT嵌入式微加速度计，其特征在于，所述沟道层是高纯度和平滑度的i-hGaAs层；所述自停止腐蚀层是用于使后续加工便于控制的i-hGaP 层，所述过渡层是用于增加二维电子气ODEG)浓度的具有Si掺杂的n-GaASn层。
5.根据权利要求1所述的Si基HEMT嵌入式微加速度计，其特征在于，所述高电子迁移率晶体管(HEMT)的源、漏极的导电沟道方向与所述悬臂梁呈0°、45°和/或90°角。
6.根据权利要求1所述的Si基HEMT嵌入式微加速度计，其特征在于，所述高电子迁移率晶体管(HEMT)包括通过在所述HEMT材料层薄膜上采用光刻源极、漏极的欧姆接触图形并蒸发淀积合金形成的源极和漏极；以在源极、漏极之间刻蚀形成的凹槽；在凹槽的槽底中间沿凹槽方向加工的栅槽；在栅槽处淀积金属覆盖层形成的栅极；在源极和漏极之间以及源极和漏极正对侧的边沿处淀积形成的Si3N4钝化层；在源极、漏极和栅极上溅射的金属 Au层。
7.—种Si基HEMT嵌入式微加速度计的生产方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，应用分子束外延技术在Si衬底上生成HEMT材料层薄膜，其中包括首先在Si衬底上生长的多层Ge成分依次递增直至全部为Ge的GexSipx缓冲层；然后在所述GexSipx缓冲层上生长其它HEMT材料层；步骤2，加工高电子迁移率晶体管(HEMT)以及微加速度计结构，具体包括步骤a，按照待加工的微加速度计结构的布局，利用刻蚀工艺，在Si衬底生长的所述HEMT材料层薄膜结构上去掉除了需要加工高电子迁移率晶体管(HEMT)的台面部分以外的其它薄膜；步骤b， 在所述保留薄膜的各台面部分分别加工高电子迁移率晶体管(HEMT)；步骤c，应用刻蚀工艺将Si衬底刻蚀成由外围基座、悬臂梁、以及通过悬臂梁支悬于外围基座中央的质量块构成的微加速度计结构，并使所述加工有高电子迁移率晶体管(HEMT)的薄膜位于悬臂梁与外围基座的连接处。
8.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，在步骤1中，所述GexSih缓冲层上生长其它HEMT材料层包括超晶格层、隔离层、沟道层、势垒层、自停止腐蚀层、过渡层和帽层。
9.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，所述步骤b具体包括bl、在所述薄膜的欧姆接触层n-GaAs表面首先采用光刻工艺加工出高电子迁移率晶体管(HEMT)的源极和漏极的欧姆接触图形，然后采用电子束蒸发工艺在欧姆接触层 n-GaAs表面形成Au/Ge/Ni金属层，最后经剥离清洗后，以400°C高温在60s内快速合金，实现晶体管HEMT的源极、漏极金属化，使晶体管HEMT的源极、漏极与所述薄膜的欧姆接触层 n-GaAs表面之间形成良好的欧姆接触；b2、以刻蚀工艺在源极和漏极之间的薄膜上加工出与漏极平行、并贯穿整个薄膜的凹槽，且凹槽以薄膜的肖特基接触层n-AKiaAs表面为槽底面；然后以光刻工艺在凹槽的槽底中间沿凹槽方向加工栅槽，并在栅槽加工过程中，实时检测源漏两极间的饱和电流，直至源漏两极间的饱和电流达到要求值，获得所需栅槽，随后采用电子束蒸发工艺在凹槽表面、栅槽内形成Ti/Pt/Au覆盖层，以剥离法在栅槽处形成栅极，实现栅极金属化，使栅极与所述薄膜的肖特基接触层n-AWaAs之间形成良好的肖特基势垒；b3、用PECVD淀积法在源极、漏极、栅极的薄膜上以230°C温度淀积Si3N4钝化层，然后以光刻工艺刻蚀所述Si3N4钝化层，使Si3N4钝化层区域仅覆盖在源极和漏极之间、以及源极和漏极对侧的边沿处；然后使用溅射台溅射一定厚度的金属Au层，将三个电极加厚。
10.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，步骤a中，令用于加工所述高电子迁移率晶体管(HEMT)的台面部分的方向与所述悬臂梁呈0°、45°和/或90°角。
全文摘要
本发明提供了一种Si基HEMT嵌入式微加速度计，包括Si衬底，所述Si衬底包括由刻蚀形成的外围基座、悬臂梁和质量块构成的微加速度计结构；所述Si衬底在高电子迁移率晶体管(HEMT)的加工位置处具有HEMT材料层薄膜，并且所述HEMT材料层薄膜包括GexSi1-x缓冲层和其它HEMT材料层；在所述HEMT材料层薄膜上加工有高电子迁移率晶体管(HEMT)。本发明进一步提供了上述Si基HEMT嵌入式微加速度计的生产方法。本发明所述微加速度计解决了GaAs基微结构的弹性较差，应用过程中容易断裂、测试工作难度较大等问题。
文档编号G01P15/09GK102401840SQ20111035974
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者刘俊, 史伟莉, 唐军, 张文栋, 张斌珍, 李长龙, 田学东, 臧俊斌, 薛晨阳, 谭振新 申请人:中北大学
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