[发明专利]一种垂直环绕栅结型场效应晶体管、制作方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于传感器位移检测的垂直环绕栅结型场效应晶体管、制作方法及应用，属传感器领域。

背景技术

电容检测是微机电集成系统(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)中常用的位移检测技术(M.Bao，Micro Mechanical Transducers，出版社：ELSEVIER，2000.)。多种微机械加速度传感器、微机械陀螺均采用了电容检测方法以实现对敏感结构位移的精确测量。随着微机电集成系统的集成度增加与体积减小，敏感电容的电容值随之减小。表面微机械与SOI(Silicon onInsulator，绝缘体上硅)微机械技术制作的加速度传感器的敏感电容值大多小于1pF，电容变化量大多在fF/g的量级。由于封装过程引入的寄生电容值一般远大敏感电容值，造成电容检测的接口电路制作难度增加。为了实现高精度的电容检测需要实现敏感结构与接口电路的单片集成(N.Yazdi，F.Ayazi，K.Najafi，Micromachined inertial senosrs，Proceedings of the IEEE，Vol.86，No.8，1998，pp.1640-1659.)。例如Anglog Device公司的加速度传感器与微机械陀螺均实现了单片集成。由于微机械加工与模拟集成电路对工艺的要求不同，敏感结构与接口电路的单片集成技术难度大。另外，集成电路技术的光刻线宽按摩尔定律减小，设备升级速度快。而减小线宽对提高微机械器件性能的作用不明显，却会显著增加工艺调试的风险与成本。两者对设备升级速度不同造成单片集成的成本显著增加，造成单片集成技术的技术门槛高、运营成本大。

振动双栅MOS结构通过将一MOS管与敏感结构集成，将敏感电容与MOS栅极电容耦合，实现电容-电压转换(①J.A.Plaza，M.A.Benitez，J.Esteve，E.Lora-Tamayo，New FET accelerometer based on surface micromachining.Sensors and Actuators，A61，1997，pp.342-345；②A.Weinert，G.I.Andersson，High resolution resonant double gate transistor for oscillating structures.Sensorsand Actorators，A90，2001，pp.20-30.)。该技术相当于将接口电路的第一级与敏感结构实现单片集成，可以显著减小寄生电容对测量的影响，实现对微小电容变化的精确测量。实现单个MOS管与敏感结构的集成比单片集成整个接口电路单片的难度低得多，该技术可实现低成本的器件。振动双栅MOS结构可以与表面微机械加工技术实现很好的集成。振动双栅MOS管的缺点主要在于MOS栅氧化层一般无法耐受用于释放敏感结构的酸腐蚀工艺，必须采用特殊工艺对MOS结构的栅氧化层进行保护，从而增加了工艺复杂性。

振动双栅结型场效应管可以实现与振动双栅MOS管类似的功能(K.M.Brunson，D.J.Hamilton，R.J.T.Bunyan，M.E.McNie，Method of fabricatingmicro-electromechanical systems，US Patent，No.US7205173B2，Apr.17，2007)。由于结型场效应管没有栅氧化层，不需要对栅极作特殊保护，其实现难度低于振动双栅MOS管。

近年来基于SOI硅片顶层硅的微机械加工技术迅速发展，SOI硅片的顶层是单晶硅，并且顶层硅厚度可以明显大于表面微机械的结构层，制成的器件力学与电学特性均显著优于表面微机械器件。由于振动双栅MOS管与振动双栅结型场效应管均为平面结构，一般需要制作与栅极固连的垂直结构才能实现对敏感结构横向振动的敏感，从而显著增加工艺复杂性。

所以，本发明拟提出一种垂直环绕栅结型场效应管的结构。虽然所述的场效应管同样采用振动双栅原理，但由于采用了垂直的栅极与沟道结构使该垂直结构便于实现与SOI的顶层硅上敏感结构的集成，有望极大地简化工艺，从而降低生产成本。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种垂直环绕栅结型场效应晶体管、制作方法与应用。该场效应管采用振动双栅原理，即利用敏感结构作为敏感栅，通过垂直环绕栅结型场效应管实现对敏感结构的位移测量。由于采用了垂直的栅极与沟道结构，便于实现与SOI顶层硅上敏感结构的集成，可极大地简化工艺，从而降低生产成本。