氮化镓压力传感器及其制备方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.半导体压力传感器是一种将压力信号转换成电学信号的半导体换能器，广泛应用于工业、医疗、汽车电子和消费类等应用领域。传统硅基压阻式压力传感器采用扩散硅电阻形成压敏电阻，但是压敏电阻随着温度变化发生漂移，硅基压阻式压力传感器一般只能工作在120℃以下。氮化镓是一种宽禁带半导体材料，基于氮化镓技术的压力传感器工作温度可至600℃，在高温压力检测领域有着广泛的应用前景。algan/gan异质结构由于压电极化和自极化效应在gan沟道层表面形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气(2deg)，对外部压力变化非常敏感，适合作为高灵敏度压力传感器。
3.但是，现有的氮化镓压力传感器的压力检测范围和灵敏度是通过芯片悬膜尺寸和厚度来设计的，一旦压力传感器制备完成，则压力检测范围、精度以及灵敏度均已固定，无法进行二次调整。即现有技术中，存在无法对压力传感器的压力检测范围、精度以及灵敏度等性能进行二次调整的缺陷。对于一致性要求高的压力传感器，对应的制备工艺一致性也高、工艺窗口小、良率低。
4.因此，有必要对现有的氮化镓压力传感器进行改进。


技术实现要素：

5.为改善上述技术问题，本发明提供一种氮化镓压力传感器，所述氮化镓压力传感器包括：第一衬底；第二衬底，所述第二衬底位于所述第一衬底的一侧；外延结构，所述外延结构位于所述第二衬底远离所述第一衬底的一侧，所述外延结构包括层叠设置的gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、gan帽层，所述gan缓冲层位于所述第二衬底一侧的表面上；源极、漏极和栅极，所述源极、所述漏极和所述栅极位于所述外延结构远离所述第二衬底的一侧，所述源极和所述漏极分别位于所述栅极相对的两侧，所述栅极的数量为大于等于2的正整数，所述源极和所述漏极之间具有沟道区域；凹槽，所述凹槽位于所述第二衬底上，所述沟道区域在所述第一衬底上的正投影与所述凹槽在所述第一衬底上的正投影至少部分重叠。由此，氮化镓压力传感器具有两个以上的栅极，通过在栅极上施加电压调控沟道宽度，实现了沟道宽度的调控，改善了压力传感器制备完成后无法对其性能进行二次调整优化的难题。本发明可以对氮化镓压力传感器的检测范围、精度以及灵敏度等进行二次调整优化，扩大了工艺制备窗口，扩展了压力传感器的应用范围。
6.根据本发明的实施例，所述第二衬底包括层叠设置的基底层、绝缘层和硅层，所述基底层位于靠近所述第一衬底的一侧。
7.根据本发明的实施例，所述基底层的厚度为100
‑
500μm；所述绝缘层的厚度为0.5
‑
5.5μm；所述硅层的厚度为0.5
‑
100μm。通过硅层的厚度可以调控压力传感器的压力敏感膜厚，从而调整了压力传感器的压力检测量程，同时还可以提升氮化镓压力传感器制备工艺
的一致性。
8.根据本发明的实施例，所述凹槽位于所述基底层上，且所述凹槽的开口位于所述基底层远离所述绝缘层的一侧。
9.根据本发明的实施例，所述凹槽的深度为100
‑
500μm。
10.根据本发明的实施例，所述gan缓冲层的厚度为0.5
‑
5μm，所述gan沟道层的厚度为0.2
‑
5μm，所述aln插入层的厚度为0.5
‑
3nm，所述algan势垒层的厚度为10
‑
100nm，所述gan帽层的厚度为1
‑
10nm。
11.根据本发明的实施例，形成所述源极和所述漏极的材料包括ti、al、ni、au中的至少一种；形成所述栅极的材料包括ti、cr、ni、pt、au中的至少一种。
12.根据本发明的实施例，所述外延结构为增强型hemt结构或耗尽型hemt结构。
13.本发明还提供一种氮化镓压力传感器的制备方法，所述方法包括：在第二衬底的一侧形成外延结构，所述外延结构包括层叠设置的gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层，所述gan缓冲层位于所述第二衬底一侧的表面上；在所述外延结构远离所述第二衬底的一侧形成源极、漏极和栅极，所述源极和所述漏极分别位于所述栅极相对的两侧，所述栅极的数量为大于等于2的正整数；所述源极和所述漏极之间具有沟道区域；对所述第二衬底远离所述外延结构的一侧进行刻蚀，形成凹槽；在所述第二衬底远离所述外延结构的一侧形成第一衬底，其中，所述沟道区域在所述第一衬底上的正投影与所述凹槽在所述第一衬底上的正投影至少部分重叠。
14.根据本发明的一些实施例，由该方法制备得到的氮化镓压力传感器具有前文所述的氮化镓压力传感器所具有的全部特征和优点，在此不再赘述。总的来说，由该方法制备得到的氮化镓压力传感器具有两个以上的栅极，通过在栅极上施加电压调控沟道宽度，从而调控源极和漏极之间的输出电流，可以扩展压力传感器的压力检测范围，提升压力传感器的精度和灵敏度。
15.根据本发明的实施例，所述形成源极、漏极和栅极包括：刻蚀所述外延结构形成刻蚀台面；在所述刻蚀台面上沉积第一金属层和第二金属层，形成源极和漏极；在所述刻蚀台面上沉积第三金属层，形成栅极。
附图说明
16.图1是本发明一个实施例中，氮化镓压力传感器的结构示意图；
17.图2是本发明一个实施例中，栅极电压v
gs1
＝v
gs2
＝0v时，氮化镓压力传感器的俯视图，其中v
gs1
和v
gs2
分别表示两个栅极所加的电压；
18.图3是沿图2的aa’方向的剖面图；
19.图4是本发明一个实施例中，栅极电压v
gs1
<v
t
和v
gs2
<v
t
时，氮化镓压力传感器的俯视图，其中v
t
为hemt的阈值电压；
20.图5是沿图4的aa’方向的剖面图；
21.图6是本发明一个实施例中，第二衬底的结构示意图。
22.图7是具有惠斯通电桥结构的沟道宽度可调氮化镓压力传感器结构示意图；
23.图8是本发明一个实施例中，制备氮化镓压力传感器的方法流程图；
24.图9是本发明一个实施例中，制备源极、漏极和栅极的方法流程图；
25.图10是本发明一个实施例中，在刻蚀台面上形成源极和漏极的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.100
‑
第一衬底，200
‑
第二衬底，210
‑
基底层，220
‑
绝缘层，230
‑
硅层，211
‑
凹槽，300
‑
外延结构，300a
‑
刻蚀台面，310
‑
gan缓冲层，320
‑
gan沟道层，330
‑
aln插入层，340
‑
algan势垒层，350
‑
gan帽层，400
‑
漏极，500
‑
源极，600
‑
栅极，700
‑
沟道区域，800
‑
栅极调控区，900
‑
支撑膜。
具体实施方式
28.下面详细描述本技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂未注明生产厂商者，均为可以通过市场购买获得的常规产品。
29.现有的氮化镓压力传感器的压力检测范围和灵敏度是通过芯片悬膜尺寸和厚度来设计的，一旦压力传感器制备完成，则压力检测范围、精度以及灵敏度均已固定，无法进行二次调整。
30.为改善上述技术问题，本发明提供一种氮化镓压力传感器，参考图1，氮化镓压力传感器包括：第一衬底100、第二衬底200、外延结构300、漏极400、源极500、栅极600和凹槽(图中未示出)，第二衬底200位于第一衬底100的一侧；外延结构300位于第二衬底200远离第一衬底100的一侧，外延结构300包括层叠设置的gan缓冲层310、gan沟道层320、aln插入层330、algan势垒层340、gan帽层350，gan缓冲层310位于第二衬底200一侧的表面上；源极500、漏极400和栅极600位于外延结构300远离第二衬底200的一侧，源极500和漏极400分别位于栅极600相对的两侧，栅极600的数量为大于等于2的正整数，源极500和漏极400之间具有沟道区域700；凹槽位于第二衬底200上，沟道区域在第一衬底100上的正投影与凹槽在第一衬底100上的正投影至少部分重叠。由此，高电子迁移率晶体管(hemt)单元具有两个以上的栅极600，通过在栅极600上施加电压调控沟道宽度，具体地，在栅极600上施加驱动电压可以控制其下方algan/gan异质结构中二维电子气(2deg)的载流子输运，调控源极500和漏极400之间的沟道宽度，从而调控源极500和漏极400之间的输出电流，可以扩展压力传感器的压力检测范围，提升压力传感器的精度和灵敏度。
31.本发明可以对压力传感器的压力检测范围、精度以及灵敏度等性能进行二次调整优化，解决了工艺过程中工艺误差带来的一致性问题，扩大了工艺制备窗口，也扩展了压力传感器的应用范围。
32.根据本发明的实施例，氮化镓压力传感器具有两个以上的栅极600时，每个栅极600可以分别调控，施加在不同栅极600上的电压可以相等也可以不相等。
33.当栅极的数量为2时，v
gs1
和v
gs2
分别表示两个栅极600所加的电压，当栅极电压v
gs1
＝v
gs2
＝0v时，参考图2和图3，由于algan/gan异质结构中的algan势垒层340和gan沟道层320的自发极化和压电极化效应，在gan沟道层320上表面形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气，当v
gs
＝0v，二维电子气分布在gan沟道层320的整个上表面，晶体管的沟道宽度为设计值w1。
34.v
t
为hemt的阈值电压，当栅极电压v
gs1
<v
t
，且v
gs2
<v
t
时，参考图4和图5，栅极调控区
800在栅极600附近，是随着栅极600电压进行调控的。栅极600区域正下方及边缘部分的二维电子气被耗尽，源极500和漏极400之间的等效沟道宽度变为w2。
35.如果两个栅极600相互挨得再近一些或者采用两个以上栅极600，沟道宽度可以实现从0到最长w1之间的调控。
36.当栅极600的数量为2时，两个栅极600可以采用对称分布或者不对称分布。
37.晶体管沟道宽度的变化相应地改变了晶体管在支撑膜上的应力分布位置，从而实现了对灵敏度和精度的二次调整优化。其中，支撑膜900是指位于凹槽211上方的结构，支撑膜900包括硅层230和外延结构300，支撑膜900用于感受压力的变化。当外部压力施加到氮化镓压力传感器上，压电极化电场发生改变从而改变了二维电子气的电荷密度，沟道电流也随之改变，但在不同的栅极600电压控制下的沟道饱和电流不同，导致压力检测范围不同，从而实现了对压力检测范围的二次调整优化。总之，本发明提出的沟道宽度可调的氮化镓压力传感器，可以对压力传感器的压力检测范围、精度以及灵敏度等性能进行二次调整优化，解决了工艺过程中误差带来的一致性问题，扩大了工艺制备窗口，也扩展了压力传感器的应用范围。
38.根据本发明的实施例，参考图6，第二衬底200包括层叠设置的基底层210、绝缘层220和硅层230，基底层210位于靠近第一衬底100的一侧。
39.根据本发明的实施例，基底层210的厚度为100
‑
500μm，例如100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm。如果基底层的厚度过大，则会增加成本，也会增加工艺复杂性。如果基底层的厚度过小，则存在裂片的风险，不易进行操作。
40.绝缘层220的厚度为0.5
‑
5.5μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm。绝缘层为刻蚀工艺的停止层，如果绝缘层的厚度过大，工艺不容易实现，成本较高。如果绝缘层的厚度过小，则不易进行操作。
41.硅层230的厚度为0.5
‑
100μm，例如0.5μm、1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm。硅层的厚度可以根据压力传感器的压力测量量程进行设计。硅层的厚度大，则压力测量量程大。硅层的厚度小，则压力传感器的灵敏度高。
42.通过硅层230厚度的选择可以调控压力传感器的压力敏感膜厚，从而调整了压力传感器的压力检测量程，同时提升了氮化镓压力传感器制备工艺的一致性。具体地，压力传感器可以在制备之前通过改硅层的厚度进行压力量程的设计，也可以在制备之后通过栅极来进行二次调控。
43.图7为具有沟道宽度可调的惠斯通电桥式氮化镓压力传感器结构示意图，参考图7，惠斯通电桥可选择为惠斯通全桥或惠斯通半桥，提升传感器的精度和灵敏度。通过在栅极上施加电压控制，调控晶体管的沟道宽度，晶体管沟道宽度的变化相应地改变了晶体管在支撑膜900上的应力分布位置，从而实现了对灵敏度和精度的二次调整优化。进一步的，惠斯通电桥结构中，对角桥臂的电信号随着压力增加而增加或减小。
44.根据本发明的实施例，凹槽211位于基底层210上，且凹槽211的开口位于基底层210远离绝缘层220的一侧。由此，可以设置参考压力，使得支撑膜上下形成压力差，当外界压力发生改变时，压力差发生变化，从而影响晶体管的输出特性。
45.根据本发明的实施例，凹槽211的深度为100
‑
500μm，例如100μm、150μm、200μm、250
μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm。凹槽深度可以设计不同的压力量程范围。如果凹槽的深度过大，由于深硅刻蚀工艺的角度影响，会导致设计值偏差较大。
46.根据本发明的实施例，当第二衬底200与第一衬底100键合之后，形成在第二衬底200上的凹槽211可以作为参考压力腔。
47.根据本发明的实施例，gan缓冲层310的厚度为0.5
‑
5μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm。通过gan缓冲层，可以减少氮化镓层与硅层之间的应力匹配问题。如果gan缓冲层的厚度过大，则缓冲层的应力较大。如果gan缓冲层的厚度过小，则可能导致外延层位错密度较大。
48.gan沟道层320的厚度为0.2
‑
5μm，例如0.2μm、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm。如果gan沟道层的厚度过大，则会使应力分布不均匀。如果gan沟道层的厚度过小，则不能形成二维电子气或二维电子气的浓度较低。
49.aln插入层330的厚度为0.5
‑
3nm，例如0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm。aln插入层的主要作用是形成高势垒，提高二维电子气的浓度。如果aln插入层的厚度过小，则不容易实施，也不能有效提升二维电子气的浓度。如果aln插入层的厚度过大，则可能引入极大的应力，降低algan势垒层的外延质量，导致迁移率降低。
50.algan势垒层340的厚度为10
‑
100nm，例如10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、100nm。如果algan势垒层的厚度过小，则不能形成二维电子气或可能使二维电子气的密度较低；如果algan势垒层的厚度过大，则二维电子气的浓度达到饱和，可能导致迁移率降低。
51.gan帽层350的厚度为1
‑
10nm，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm。如果gan帽层的厚度过小，则可能降低载流子浓度；如果gan帽层的厚度过大，则可能增加接触电阻，降低二维电子气的迁移率。
52.根据本发明的实施例，形成源极500和漏极400的材料包括ti、al、ni、au中的至少一种。需要说明的是，形成源极500的材料和形成漏极400的材料可以相同或者不同，本领域技术人员可以根据使用需求进行选择。
53.形成栅极600的材料包括ti、cr、ni、pt、au中的至少一种。
54.根据本发明的实施例，外延结构300为增强型hemt结构或耗尽型hemt结构。增强型hemt结构是常闭型器件，阈值电压大于0。而耗尽型hemt结构是常开型器件，阈值电压小于0。
55.本发明还提供一种氮化镓压力传感器的制备方法，参考图8，所述方法包括：
56.s100、在第二衬底200的一侧形成外延结构300；
57.其中，外延结构300包括层叠设置的gan缓冲层310、gan沟道层320、aln插入层330、algan势垒层340和gan帽层350，gan缓冲层310位于第二衬底200一侧的表面上。
58.s200、在外延结构300远离第二衬底200的一侧形成源极500、漏极400和栅极600；
59.其中，源极500和漏极400分别位于栅极600相对的两侧，栅极600的数量为大于等于2的正整数；源极500和漏极400之间具有沟道区域。
60.根据本发明的实施例，参考图9，所述形成源极500、漏极400和栅极600包括：
61.s210、刻蚀外延结构300形成刻蚀台面；
62.s220、在刻蚀台面上沉积第一金属层和第二金属层，形成源极500和漏极400；
63.根据本发明的实施例，参考图10，在刻蚀台面300a上沉积第一金属层和第二金属层，选择合适的退火条件合金化，可以形成源极500和漏极400。
64.需要说明的是，第一金属层的材料和第二金属层的材料可以相同或者不同，本领域技术人员可以根据使用需求进行选择。进一步地，第一金属层的材料和第二金属层的材料彼此独立地选自ti、al、ni、au中的至少一种。
65.s230、在刻蚀台面上沉积第三金属层，形成栅极600。
66.根据本发明的实施例，在源极500和漏极400之间的区域，沉积第三金属层，制备两个及以上栅极600，形成沟道宽度可调的结构。
67.进一步地，第三金属层的材料选自ti、cr、ni、pt、au中的至少一种。
68.s300、对第二衬底200远离外延结构300的一侧进行刻蚀，形成凹槽211；
69.进一步地，凹槽211位于沟道区域700的下方，即凹槽211位于沟道区域700靠近第一衬底100的一侧。
70.s400、在第二衬底200远离外延结构300的一侧形成第一衬底100。
71.其中，沟道区域700在第一衬底100上的正投影与凹槽211在第一衬底100上的正投影至少部分重叠。
72.根据本发明的实施例，第二衬底200和第一衬底100键合之后，凹槽211位于第一衬底100和第二衬底200之间，凹槽211可以作为压力参考腔。
73.根据本发明的一些实施例，由该方法制备得到的氮化镓压力传感器具有前文所述的氮化镓压力传感器所具有的全部特征和优点，在此不再赘述。
74.本技术下面所描述的示例，除非另有说明，所使用的材料均可以从市场上购得或者可以通过本技术所描述的方法制备而得。
75.实施例1
76.1)选取第二衬底200，其中硅层230的厚度为20μm，绝缘层220的厚度为1μm，基底层210的厚度为350μm，对第二衬底200表面进行预处理，第二衬底200上依次生长1μm厚的gan缓冲层310、2μm厚的gan沟道层320、2nm厚的aln插入层330、30nm厚的algan势垒层340和3nm厚的gan帽层350，形成外延结构300；
77.2)采用感应耦合等离子体(icp)刻蚀设备选择性刻蚀外延结构300，形成刻蚀台面；
78.3)在刻蚀台面上沉积金属层ti/al/ni/au，选择合适的退火条件合金化，制备源极500和漏极400；
79.4)在源极500和漏极400之间的两侧，沉积金属层ni/au，制备两个栅极600，形成沟道宽度可调的结构；
80.5)通过深硅刻蚀工艺，在hemt器件的源漏沟道区域700下方选择性刻蚀第二衬底200的基底层210，形成凹槽211，刻蚀的深度为350μm；
81.6)在第二衬底200远离外延结构300的一侧键合第一衬底100，使凹槽211位于第一衬底100和第二衬底200之间，凹槽211作为压力参考腔。
82.需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本技术的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位
或位置关系，仅是为了便于描述本技术而不是要求本技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
83.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
84.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。