一種壓力傳感器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可高度集成的壓力傳感器件及其制造方法，特別涉及一種壓電薄膜與場(chǎng)效應(yīng)晶體管相結(jié)合的壓力傳感器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器被廣泛的應(yīng)用在電子產(chǎn)品中，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)毫鞲衅鞯臉?gòu)造、性能和密度有著不同的要求，有的需要較高的分辨率，比如電子秤、氣壓計(jì)；有的則需要較高的集成密度，比如觸摸屏。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外界微小壓力信號(hào)的感知，智能皮膚同時(shí)需要較高的分辨率和較高的集成密度。
[0003]傳統(tǒng)的壓力傳感器分為半導(dǎo)體壓電阻型壓力傳感器和靜電容量型壓力傳感器，其中前者是通過(guò)外力使薄片變形而產(chǎn)生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；后者是將玻璃的固定極和硅的可動(dòng)極相對(duì)而形成電容，通過(guò)外力使可動(dòng)極變形引起靜電容量的變化，從而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于傳統(tǒng)的壓力傳感器單個(gè)器件的體積較大所以集成度很低。
[0004]王中林等利用氧化鋅納米纖維制成壓電型壓力傳感器[I]，大大提高了器件的集成密度，但是由于難以控制納米纖維簇的均勻性，使得壓電型壓力傳感器工藝十分復(fù)雜，增加了器件的成本。相對(duì)于生長(zhǎng)均勻的納米纖維，均勻的薄膜結(jié)構(gòu)更容易獲得。本發(fā)明將壓電薄膜與場(chǎng)效應(yīng)晶體管工藝技術(shù)相結(jié)合，可以制作高靈敏度的壓力傳感器，集成度高，且工藝與現(xiàn)有的場(chǎng)效應(yīng)晶體管工藝兼容。
[0005][I] ffu, ffenzhuo, Xiaonan Wen, and Zhong Lin Wang.^Taxe1-addressablematrix of vertical-nanowire piezotronic transistors for active and adaptivetactile imaging." Science 340.6135 (2013): 952-957.0

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種器件單元面積小、集成度高的壓力傳感器件及其制備方法。
[0007]本發(fā)明把壓電材料與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管相結(jié)合，借助成熟的場(chǎng)效應(yīng)晶體管制備工藝，值得壓力傳感器件，可大大降低單個(gè)壓力傳感器的單元面積，提高器件的集成度。
[0008]本發(fā)明提供的壓力傳感器件，包括一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和一個(gè)壓電控制柵。
[0009]本發(fā)明中，所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管為NMOS晶體管或PMOS晶體管。
[0010]本發(fā)明中，所述壓電控制柵包括:壓電薄膜、壓電薄膜的上表面電極、壓電薄膜的下表面電極、介于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極與壓電薄膜的下表面電極之間的連接電極。
[0011]本發(fā)明中，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管和壓電控制柵之間還包括絕緣介質(zhì)填充物，該絕緣介質(zhì)填充物由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者低介電常數(shù)的絕緣材料形成。
[0012]本發(fā)明中，所述的壓電薄膜由壓電材料形成；所述壓電薄膜的上表面電極由金屬、合金或者摻雜的多晶娃形成；所述壓電薄膜的下表面電極由金屬、合金或者摻雜的多晶娃形成；所述介于場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極與壓電薄膜的下表面電極之間的連接電極由金屬、合金或者摻雜的多晶娃形成。
[0013]本發(fā)明中，所述的壓電材料，包括氧化鋅、壓電陶瓷、聚偏氟乙烯以及其他壓電聚合物。
[0014]本發(fā)明提出了所述壓力傳感器件的制備方法，具體步驟如下:
按照標(biāo)準(zhǔn)工藝制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其源極和漏極的互聯(lián)線，化學(xué)機(jī)械拋光后形成硅圓片;
在所述硅圓片上淀積一層絕緣介質(zhì)；
在所述絕緣介質(zhì)表面淀積一硬掩膜層，并通過(guò)光刻工藝和刻蝕工藝定義出介于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極與壓電薄膜的下表面電極之間的連接電極的位置；
以所述硬掩膜層為掩膜刻蝕形成垂直通路，刻蝕的深度需暴露出所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極；
刻蝕掉剩余的硬掩膜層；
在已形成的垂直通道中淀積導(dǎo)體材料，形成介于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極與壓電薄膜的下表面電極之間的連接電極；
接著對(duì)已形成結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，去除多余的導(dǎo)體材料；
接著在已形成結(jié)構(gòu)的表面淀積導(dǎo)體材料形成壓電薄膜的下表面電極；
在所述壓電薄膜的下表面電極上制備壓電薄膜；
接著，在所述壓電薄膜上淀積導(dǎo)體材料形成壓電薄膜的上表面電極。
[0015]如上所述的壓力傳感器件的制備方法，所述導(dǎo)體由金屬、合金或者摻雜的多晶硅形成；所述的絕緣介質(zhì)由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者低介電常數(shù)的絕緣材料形成。
[0016]如上所述的壓力傳感器件的制備方法，所述介于場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極與壓電薄膜的下表面電極之間的連接電極與所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極接觸，并與所述壓電薄膜的下表面電極接觸。
[0017]如上所述的壓力傳感器件的制備方法，所述壓電薄膜的制備方法包括納米壓印、旋涂和其他的化學(xué)生長(zhǎng)方法。
[0018]本發(fā)明所提出的壓力傳感器件，壓電薄膜在外力作用下會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電壓信號(hào)，且外力不同所產(chǎn)生的電壓不同，感應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，從而控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出信號(hào)，根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出信號(hào)可以判定壓力的有無(wú)和大小。本發(fā)明具有制作工藝簡(jiǎn)單、單元面積小、芯片集成度高、對(duì)壓力的靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明所提出的壓力傳感器的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
[0020]圖2、圖3分別為本發(fā)明所提出的壓力傳感器的兩個(gè)實(shí)施例的俯視圖。
[0021]圖4-圖12為本發(fā)明所提出的壓力傳感器的制造方法的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
[0022]圖13、圖14分別為本發(fā)明所提出的聚偏氟乙烯壓電薄膜極化的一個(gè)實(shí)施例的電路圖和等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。在圖中，為了方便說(shuō)明，放大了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤(rùn)的特點(diǎn)，但在本發(fā)明實(shí)施例中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。
[0024]圖1是本發(fā)明所提出的壓力傳感器的一個(gè)實(shí)施例，它是該器件的縱向剖面圖。如圖1所示，本發(fā)明所提出的壓力傳感器包括，由襯底101、源極102、漏極103、柵氧化層104和柵極105共同組成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，電極107將源極102引出，電極108將漏極103引出，電極106將柵極105引出。其中場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以是NMOS也可以是PM0S，由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管制造技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，這里只是象征性地把各部分畫(huà)出來(lái)。電極106、電極107和電極108由金屬、合金或者摻雜的多晶硅形成；絕緣介質(zhì)109由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者低介電常數(shù)的絕緣材料形成。
[0025]壓電薄膜111為主要的壓電轉(zhuǎn)換部件，壓電薄膜的下表面電極110和壓電薄膜的上表面電極112可以保證壓電薄膜111感應(yīng)產(chǎn)生的電壓通過(guò)電極106作用到場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵