[发明专利]一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法

说明书

本发明涉及一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法。硅纳米线陀螺仪包括SOI硅片，SOI硅片的顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至氧化层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝；悬空的氮化硅薄膜上设置栅极，栅极用于调制硅纳米线沟道的载流子浓度，即调节硅纳米线沟道的电导，进而寻找出器件的最佳工作点。

技术领域

本发明属于MEMS传感器技术领域，具体涉及一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法。

背景技术

随着科技日新月异的发展，传感器器件微小型化和集成化的需求日趋强烈，传统电容检测和基于压敏电阻检测的陀螺仪很难在确保其精度、分辨率不变的情况下大幅度缩小尺寸，导致现有陀螺仪体积较大。另外，陀螺仪难以根据实际应用场景调整最佳工作状态。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪及其加工方法，采用单晶硅纳米线代替传统的压敏电阻作为检测方式，可以实现器件的微小型化，且通过栅极调节硅纳米线沟道的载流子浓度，找到陀螺仪的最佳工作点。

为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于栅极调控的硅纳米线陀螺仪，包括SOI硅片，SOI硅片的顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；

所述顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；

所述SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至氧化层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝；

悬空的氮化硅薄膜上设置栅极，栅极用于调制硅纳米线沟道的载流子浓度。

作为优选方案，所述栅极位于硅纳米线的正上方且每根硅纳米线都被栅极覆盖。

作为优选方案，所述栅极的宽度为1-100μm。

作为优选方案，所述硅纳米线的宽度为10-800nm。

本发明还提供如上任一方案所述的硅纳米线陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

S1、在(111)型SOI硅片的顶层硅表面制备氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；

S2、通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个环形分布的三角形图案，并刻蚀图案处的氮化硅形成三个三角形窗口；对各三角形窗口处的硅进行干法刻蚀并刻蚀到SOI硅片的氧化层，制得三个深度相同的竖直三角形槽；

S3、采用干法刻蚀依次刻蚀竖直三角形槽下的氧化硅层和预设深度的底层硅，得到三角形腐蚀槽；

S4、去除光刻胶，对三角形腐蚀槽进行各向异性湿法腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构，且100晶向的底层硅出现的腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块；

S5、基于自限制热氧化工艺对硅片热氧化，单晶硅薄壁结构的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；

S6、在硅片的适当位置刻蚀氮化硅薄膜形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后制作正、负电极；

S7、在悬空的氮化硅薄膜上制备栅极；

S8、在硅片的适当位置制作隔离沟道以实现正、负电极的物理隔绝；

S9、去除被氧化的单晶硅薄壁结构，释放整个结构。