CN105424234A - 一种压力传感器集成器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造领域，解决现有传感器集成度不高，体积较大，在极限环境下容易受到影响的技术问题，通过提供一种压力传感器集成器件，包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN过渡层、N-GaN集电区层，在所述N-GaN集电区层具有器件区域和位于所述器件区域两侧的传感区域，在所述器件区域的N-GaN集电区层上形成有P-GaN基区层和集电极，在所述P-GaN基区层上形成有N型发射区层和基极，在所述N型发射区层上形成有N+-GaN帽层，在所述N+-GaN帽层上形成有发射极，在所述传感区域的N-GaN集电区层上由下而上依次形成有P-GaN基区层、N型发射区层和N+-GaN帽层、介质层、TaN传输线，进而提高了传感器的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种压力传感器集成器件及其制作方法。
背景技术
TaN(氮化钽)材料具有优良的压变特性，同时具有极高的高温稳定性(熔点在3000℃左右)、较低的电阻温度系数，优良的硬度和耐磨性，可作为传感器广泛地用于压力、温度、应力、热流等方面。由于上述的特点，该TaN材料制成的传输线具有应变效应，具体地，该TaN传输线的电阻值会随着压力变化而显著变化，即产生压电信号，传输线电阻的显著变化导致传输电流的变化，
GaN作为宽禁带半导体的典型代表，具有工作温度高、功率输出密度大、高频性能好、抗辐射能力强等优点。与传统的GaNHEMT器件相比，GaNHBT作为多子器件，具有相对更好的线性度、更高的功率控制能力等优点，电流驱动的特性，更适合用作压力传感器，而且，GaN作为第三代半导体，化学性质稳定，性能优越，GaN器件可以忍受较为恶劣的工作环境，如能够在高温、强辐射环境下正常工作。
在某些特定的测试领域，需要进行实时监测，例如，飞机机翼、火车、石油探头等部件的高速运动时需对各组件进行压力监控，这些部件由于受到的压力较大、均需采用可靠性高的材料，一旦达到材料极限或有微裂纹等隐形损伤，需及时预警、保养；同时高速运动的部件一般均进行过空气动力学、流体力学优化，减小对测试***造成的不必要的影响。
但是，现有的测试***由于集成度不高、体积较大，在极限环境下容易受到影响的技术问题。
发明内容
本发明通过提供一种压力传感器集成器件及其制作方法，解决了现有技术中传感器集成度不高，体积较大，在极限环境下容易受到影响的技术问题，进而提高了传感器的集成度，使得可在极限环境下正常工作。
本发明实施例的技术方案具体为：
一种压力传感器集成器件，包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN过渡层、N-GaN集电区层，在所述N-GaN集电区层具有器件区域和位于所述器件区域两侧的传感区域，在所述器件区域的N-GaN集电区层上形成有P-GaN基区层和集电极，在所述P-GaN基区层上形成有N型发射区层和基极，在所述N型发射区层上形成有N+-GaN帽层，在所述N+-GaN帽层上形成有发射极，在所述传感区域的N-GaN集电区层上由下而上依次形成有P-GaN基区层、N型发射区层和N+-GaN帽层、介质层、TaN传输线。
进一步地，所述集电极和所述基极的数量均为两个，所述两个集电极分别位于所述P-GaN基区层两侧，所述两个基极分别位于所述N型发射区层两侧。
进一步地，所述基极、发射极、集电极均通过高温退火形成欧姆接触。
进一步地，所述衬底材料为Si、SiC、GaN、蓝宝石、Diamond中的任意一种；所述AlN成核层的厚度为10nm～500nm。
进一步地，所述GaN过渡层的掺杂浓度小于或等于1×1018cm-3，厚度为500nm～3000nm；所述N-GaN集电区层的掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度为0.5μm～3μm。
进一步地，P-GaN基区层的掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度为20nm～500nm；所述N+-GaN帽层的掺杂浓度大于或小于1×1018cm-3，厚度为10nm～500nm。
进一步地，所述N型发射区层的材料为N型N-AlyGa1-yN，其中y为0～0.3，所述N型发射区层的掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，厚度为10nm～500nm。
进一步地，所述介质层材料为SiO2或者SiNX。
进一步地，所述TaN传输线的形状为蛇形。
另一方面，提供了一种压力传感器集成器件的制作方法，包括如下内容：
在衬底上由下而上依次形成AlN成核层、GaN过渡层、N-GaN集电区层、P-GaN基区层、N型发射区层和N+-GaN帽层，以得到HBT外延片；
在所述HBT外延片上沉积介质层，并在所述介质层上刻蚀出GaNHBT区域，以露出所述N+-GaN帽层；
在所述介质层上沉积TaN薄膜；
在所述GaNHBT区域对所述N+-GaN帽层、所述N型发射区层和所述P-GaN基区层进行刻蚀，以在所述N型发射区层的两侧露出部分所述P-GaN基区层并在所述P-GaN基区层的两侧露出所述N-GaN集电区层的部分表面；
在所述N+-GaN帽层上沉积发射极，在所述N型发射区层的两侧的P-GaN基区层上沉积基极，在所述P-GaN基区层的两侧的N-GaN集电区层表面沉积集电极；
分别对所述发射极、基极、集电极进行高温退火，形成欧姆接触。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、由于采用压力传感器集成器件，其中包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN过渡层、N-GaN集电区层，在N-GaN集电区层具有器件区域和位于所述器件区域两侧的传感区域，在器件区域的N-GaN集电区层上形成有P-GaN基区层和集电极，在P-GaN基区层上形成有N型发射区层和基极，在N型发射区层上形成有N+-GaN帽层，在N+-GaN帽层上形成有发射极，在传感区域的N-GaN集电区层上由下而上依次形成有P-GaN基区层、N型发射区层和N+-GaN帽层、介质层、TaN传输线，解决了现有技术中传感器体积较大，在极限环境下容易受到影响的技术问题，进而提高了传感器的集成度，可在极限环境下正常工作。
2、传统器件为TaN传感器与HBT分开设置，体积较大，不利于器件集成，本发明将该TaN传感器与该HBT集成设置，有效降低了体积，而且，可在不影响原有空气动力学、流体力学基础的基础上，实时监控变压数据。
3、通过调整TaN配线的生长条件，如温度、N分压等，可得到不同电阻率的TaN配线。
4、GaN作为第三代半导体，化学性质稳定，性能优越，GaN器件可以忍受较为恶劣的工作环境，如能够在高温、强辐射环境下正常工作，极大地拓展了传感器的应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例中压力传感器集成器件的结构示意图；
图2-图4为本发明实施例中制作压力传感器集成器件的流程示意图。
具体实施方式
本发明通过提供一种压力传感器集成器件及其制作方法，解决了现有技术中传感器集成度不高、体积较大，在极限环境下容易受到影响的技术问题，进而提高了传感器的集成度，可在极限环境下正常工作。
为了解决上述现有技术中传感器集成度不高、体积较大，在极限环境下容易受到影响的技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明提供的一种压力传感器集成器件，如图1所示，该压力传感器集成器件包括：由下而上依次形成的衬底101、AlN成核层102、GaN过渡层103、N-GaN集电区层104，在N-GaN集电区层104具有器件区域和位于器件区域两侧的传感区域，在器件区域的N-GaN集电区层104上形成有P-GaN基区层105和集电极106，在P-GaN基区层105上形成N型发射区层107和基极108，在N型发射区层107上形成N+-GaN帽层109，在N+-GaN帽层109上形成有发射极110，在传感区域的N-GaN集电区层104上由下而上依次形成P-GaN基区层105、N型发射区层107和N+-GaN帽层109、介质层111、TaN传输线112。
具体的，该集电极106和基极108的数量均为两个，两个集电极分别位于P-GaN基区层106两侧，两个基极分别位于N型发射区层两侧。该基极108、发射极110、集电极106均通过高温退火，形成欧姆接触。衬底材料为Si、SiC、GaN、蓝宝石、Diamond中的任意一种。AlN成核层102的厚度为10nm～500nm。GaN过渡层103的掺杂浓度小于或等于1×1018cm-3，厚度为500nm～3000nm。N-GaN集电区层104的掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度为0.5μm～3μm。P-GaN基区层105的掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度为20nm～500nm。N型发射区107具体为N型N-AlyGa1-yN，其中y为0～0.3，该N型发射区107的掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，厚度为10nm～500nm。N+-GaN帽层109的掺杂浓度大于或小于1×1018cm-3，厚度为10nm～500nm。介质层111材料为SiO2或者SiNX。TaN传输线112的形状为蛇形。
本发明实施例还提供了一种制作压力传感器集成器件的方法，在制作该压力传感器集成器件的过程中，首先制作该HBT外延片，在衬底101上由下而上形成AlN成核层102、GaN过渡层103、N-GaN集电区层104、P-GaN基区层105、N型发射区层107和N+-GaN帽层109。如图2所示。
在具体的实施方式中，该衬底可以采用Si、SiC、GaN、蓝宝石、Diamond中的任意一种，主要采用支撑材料，起支撑的作用。该AlN成核层102厚度在10nm～500nm之间，且该AlN成核层102利于GaN的生长，接着，AlN成核层102上生长的GaN过渡层103是N型GaN，其中掺杂浓度小于或等于1×1018cm-3，厚度在500nm～3000nm之间，该N-GaN集电区104层为N型GaN，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度在0.5μm～3μm。接着，P-GaN基区层105具体是P型GaN，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度在20nm～500nm之间。N型发射区107具体为N型N-AlyGa1-yN，其中y为0～0.3，该N型发射区107的掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，厚度为10nm～500nm之间，基于晶格匹配的问题，因此，该Al含量一般不能超过0.3。该N+-GaN帽层109具体为N型GaN，其中掺杂浓度大于或小于1×1018cm-3，厚度在10nm～500nm之间。
上述步骤为制作HBT外延片，在制备好HBT外延片之后，在该HBT外延片上沉积介质层111，并在所述介质层111上刻蚀出GaNHBT区域，以露出所述N+-GaN帽层，具体是采用光刻和PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)等薄膜沉积技术在该HBT外延片上沉积介质层111。该介质层111的材料可以采用SiO2或者SiNX，该介质层111用作器件隔离，将该TaN传感器与GaNHBT器件分开。
因此，接着在该介质层111上制作TaN传输线112，具体的，在介质层111上沉积TaN传输线112。如图3所示。
在具体的实施方式中，具体是在SiO2或者SiNX上沉积TaN，具体有两种方式，第一，采用掩膜工艺在N2下反应溅射沉积TaN传输线112，形成TaN配线，该采用的沉积方式采用高温沉积，该高温沉积温度的范围是150～330℃，而且，根据该温度范围，在不同的温度值时，对应调节TaN的电阻率；第二，采用在N2下反应溅射工艺，先溅射TaN，再曝光和刻蚀形成TaN薄膜。最后形成的TaN薄膜的形状和长度可任意设定，比如，该TaN薄膜的形状可以是蛇形等等，在本发明实施例中就不再详细赘述了。
接着在该GaNHBT区域对该N+-GaN帽层109、N型发射区层107和P-GaN基区层105依次进行刻蚀，以在该N型发射区层107的两侧露出部分P-GaN基区层105并在该P-GaN基区层105的两侧露出N-GaN集电区层104的部分表面。如图4所示。
在具体的实施方式中，在该GaNHBT区域进行刻蚀，首先保留N+-GaN帽层的中间区域E1，刻蚀N+-GaN帽层两侧的区域E2，从而在该区域E2的正下方露出P-GaN基区层，接着，在该P-GaN基区层保留靠近该N+-GaN帽层109和正下方的N型发射区层107的部分区域，然后在该部分区域两侧的区域进行刻蚀，从而在该区域正下方露出N-GaN集电区层104，这样，由N-GaN集电区层104、P-GaN基区层105保留的部分区域以及N+-GaN帽层109形成阶梯形。
然后在形成阶梯形之后，在该N+-GaN帽层109上沉积发射极E，在该N型发射区层107的两侧的P-GaN基区层105上沉积基极B，在该P-GaN基区层105的两侧的N-GaN集电区层104表面沉积集电极C，如图1所示。
在具体的实施方式中是采用光刻、金属沉积、剥离工艺，在该阶梯形上分别沉积发射极E、基极B、集电极C的金属电极。
最后采用高温退火使得上述这些电极形成欧姆接触，从而完成该压力传感器集成器件。
由上述获得的压力传感集成器件，提高了集成度，有效降低器件的体积，从而在能够使得该器件在极限环境下正常工作。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种压力传感器集成器件，其特征在于，包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN过渡层、N-GaN集电区层，在所述N-GaN集电区层具有器件区域和位于所述器件区域两侧的传感区域，在所述器件区域的N-GaN集电区层上形成有P-GaN基区层和集电极，在所述P-GaN基区层上形成有N型发射区层和基极，在所述N型发射区层上形成有N+-GaN帽层，在所述N+-GaN帽层上形成有发射极，在所述传感区域的N-GaN集电区层上由下而上依次形成有P-GaN基区层、N型发射区层和N+-GaN帽层、介质层、TaN传输线。
2.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述集电极和所述基极的数量均为两个，所述两个集电极分别位于所述P-GaN基区层两侧，所述两个基极分别位于所述N型发射区层两侧。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述基极、发射极、集电极均通过高温退火形成欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述衬底材料为Si、SiC、GaN、蓝宝石、Diamond中的任意一种；所述AlN成核层的厚度为10nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述GaN过渡层的掺杂浓度小于或等于1×1018cm-3，厚度为500nm～3000nm；所述N-GaN集电区层的掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度为0.5μm～3μm。
6.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，P-GaN基区层的掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3，厚度为20nm～500nm；所述N+-GaN帽层的掺杂浓度大于或小于1×1018cm-3，厚度为10nm～500nm。
7.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述N型发射区层的材料为N型N-AlyGa1-yN，其中y为0～0.3，所述N型发射区层的掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，厚度为10nm～500nm。
8.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述介质层材料为SiO2或者SiNX。
9.根据权利要求1所述的压力传感器集成器件，其特征在于，所述TaN传输线的形状为蛇形。
10.一种根据权利1-9任一项所述的压力传感器集成器件的制作方法，其特征在于，包括如下内容：
在衬底上由下而上依次形成AlN成核层、GaN过渡层、N-GaN集电区层、P-GaN基区层、N型发射区层和N+-GaN帽层，以得到HBT外延片；
在所述HBT外延片上沉积介质层，并在所述介质层上刻蚀出GaNHBT区域，以露出所述N+-GaN帽层；
在所述介质层上沉积TaN传输线；
在所述GaNHBT区域对所述N+-GaN帽层、所述N型发射区层和所述P-GaN基区层进行刻蚀，以在所述N型发射区层的两侧露出部分所述P-GaN基区层并在所述P-GaN基区层的两侧露出所述N-GaN集电区层的部分表面；
在所述N+-GaN帽层上沉积发射极，在所述N型发射区层的两侧的P-GaN基区层上沉积基极，在所述P-GaN基区层的两侧的N-GaN集电区层表面沉积集电极。
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