面向物联网的硅基具有热电转换功能的MOSFET器件的制作方法

本发明提出了一种面向物联网硅基具有热电转换功能的mosfet，属于微电子机械系统(mems)的技术领域。mosfet是金属-氧化物半导体场效应晶体管，(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)的缩写。

背景技术：

随着集成电路的特征尺寸缩小，器件密度在上升，电路的总功耗也在逐渐增加，片上温度越来越高，芯片热通量以年6％的速度增长。过高的温度降低了器件的工作速度，导致了局部电阻增加从而增加不必要的功耗，而集成电路中的失效问题有一半以上与温度问题相关，其中包括电迁移、热载流子效应等，这就影响到了其使用寿命。因此，必须在半导体器的设计中综合考虑能源与散热问题的有关问题。

随着物联网的发展，便携式设备的电源是锂电池的缺点更加显而易见，锂电池使用的时间有限，给人们的生活造成了些许不便。因此，为了解决这一问题，人们开始研究新型电源，其中包括燃料电池，但其燃料处理等过于复杂，效率仅在2％左右。而温差发电与之具有可比性，且温差发电系统较为简单，只要发电模块两端有温差就有持续不断的电力输出。其中，温差发电系统要解决的一个主要问题是如何为热端供热。

本发明基于coms工艺和mems表面微机械加工工艺设计了一种面向物联网的具有热电转换功能的mosfet器件，一方面实现了温差发电的热源供给，另一方面将mosfet器件的废热利用，实现热电能量转换，这是一种应用在物联网通讯中的mosfet器件。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于硅基cmos工艺和mems表面微机械加工工艺，面向物联网的具有热电转换功能的mosfet器件；当mosfet处于工作状态时，器件温度分布不同，根据seebeck效应，设计一系列热电偶，实现热电能量转换。通过检测塞贝克压差大小来检测热耗散功率的大小。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet器件，所述mosfet器件以p型硅为衬底上，衬底上设有源区、漏区、源金属引线、漏金属引线、栅氧化层；栅氧化层的上方有一层栅极多晶硅；所述源金属引线、漏金属引线、栅极多晶硅的四周分别设有绝缘层；所述mosfet器件的栅源漏区的绝缘层上方分别设有12个热电偶；所述热电偶包括n型热电臂和al型热电臂，上述两个热电臂之间用金属连线al串联，并分别留出2个热电偶电极；用金属连线al将mosfet器件的栅源漏区的热电偶电极串联，并留下两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极“+”极和“-”极。

进一步的，针对mos正常工作时的温度分布不同，根据seebeck效应实现热电能量转换，进行热量回收的同时缓解了散热问题，输出塞贝克电压可以通过大电容，进行存储电能，实现自供电。

进一步的，通过检测输出的塞贝克压差的大小，可以检测到热耗散功率的大小。

进一步的，mosfet正常工作下产生的温度分布为热电偶提供热源，热电偶实现热电能量转换，有利于散热。

进一步的，所述源金属引线、漏金属引线、栅极多晶硅的左右侧各摆放4个热电偶，上下侧各摆放2个热电偶。

进一步的，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

本发明的有益效果为：

1.本发明的面向物联网的具有热电转换功能的mosfet器件的原理、结构简单，利用现有的硅基coms工艺和mems表面微机械加工易于实现；

2.本发明基于mosfet的温度分布，设计了一组热电偶，根据seebeck效应，将器件的热能转换成电能，实现热电能量转换。

3.本发明通过检测塞贝克电压，实现对mosfet器件正常工作下热耗散功率大小的检测。当热耗散功率增大时，器件的温度上升，温差增大会导致塞贝克电压的增大。

4.本发明通过seebeck效应，将器件正常工作下产生的热能转换成电能，有利于器件的散热。

附图说明

图1为本发明面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet的俯视图；

图2为本发明面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet的p-p’向的剖面图；

图3为本发明面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet的q-q’向的剖面图；

图4为本发明面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet的r-r’向的剖面图；

图5为本发明面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet上面的热电偶摆放的俯视图(即图1的热电偶11)；

图6为本发明面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet的s-s’向的剖面图。

图中包括：p型si衬底1，绝缘层2，源区3，漏区4，源金属引线5，漏金属引线6，栅极多晶硅7，热电偶的金属al型热电臂8，热电偶的多晶硅n型热电臂9，金属连线10，热电偶11，栅氧化层12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

参见图1-6，本发明提出了一种面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet器件。该mos器件主要包括：n型mosfet和热电偶。其中，当n型mosfet在一定栅压下正常工作时，由于沟道区的温度分布不同，从而为热电偶提供了温差。选择p型si作为衬底1，通过coms工艺和mems表面微机械加工实现具有热电能量转换功能的mosfet。在衬底上面制作一层厚度为20nm的缓冲氧化层，以防止硼离子注入造成损伤，然后以1.5×10¹⁴cm^-2的剂量进行p阱硼离子注入，之后用boe除去缓冲氧化层；为隔离(locos)热氧化制作一层20nm氧化层，然后lpcvd制作一层100nm氮化硅，有源区光刻采用干法刻蚀氮化硅，之后用boe除去氧化层；用干/湿/干热氧化法制备locos，厚度为400nm，然后用h3po4去除100nm氮化硅，用boe除去20nm氧化层；制备一层厚度为20nm的栅氧化层12，在其上淀积一层厚度为300nm的栅多晶硅7，然后进行磷扩散，采用干法刻蚀栅多晶硅；源漏注入砷，剂量为5×10¹⁵cm^-2，得到源区3和漏区4，再分别在源漏上面溅射一层厚度为800nm的源金属引线5和漏金属引线6，传统的mos制得。

在n型mosfet上面制作一层绝缘层2，用以隔离mos和热电偶，避免短路，本实施例中绝缘层2的材质为二氧化硅。同时，进行抛光，以便在氧化硅上制作热电偶。先是按照图5所示的图案制作热电偶的金属al型热电臂8和多晶硅n型热电臂9，然后蒸铝连接两种热电偶臂，串联热电偶从而得到更大的压差。其中，留出下方6个电极作为热电偶电极，串联热电偶电极，留下源漏各一个热电偶电极作为塞贝克压差的输出极。该硅基具有热电转换功能的mos器件可以将器件工作产生的热能转换为电能，实现能量收集的同时降低了温度，有利于散热；通过检测输出塞贝克电压的大小来实现对热耗散功率大小的检测。

本发明的硅基具有热电转换功能的mosfet器件制备方法如下：

1)准备硅基p型硅衬底1，掺杂浓度为10¹⁵cm^-3；

2)为p阱离子注入制备缓冲氧化层，厚度20nm，氧化温度1000℃，时间为30min；

3)p阱硼离子注入，剂量为1.5×10¹⁴，然后用boe去除缓冲氧化层，时间为20s；

4)为隔离(locos)热氧化制作一层20nm氧化层，然后lpcvd制作一层100nm氮化硅；

5)有源区光刻，采用干法刻蚀氮化硅，时间为1.5min，用boe除去氧化层，时间为20s；

6)用干/湿/干热氧化法制备locos，厚度为400nm，温度为1000℃，时间2小时，然后用h3po4去除100nm氮化硅，用boe除去20nm氧化层；

7)制备栅氧化层12，厚度为20nm，温度为925℃，时间为30min；

8)淀积栅多晶硅7，厚度为300nm，温度为620℃，时间为70min，然后进行磷扩散，温度为950℃，时间为30min；

9)光刻栅多晶硅，采用干法刻蚀栅多晶硅，时间为35s；

10)源漏n+离子注入，剂量为5×10¹⁵cm^-2得到源区3和漏区4；

11)低温氧化，刻蚀接触区开口，得到二氧化硅钝化层；

12)溅射一层800nm金属铝作为源金属引线5，漏金属引线6；

13)化学机械抛光氧化层，以备制作热电偶；

14)在栅极附近涂覆光刻胶，光刻出n型热电臂窗口；

15)lpcvd生长一层n+多晶硅，其掺杂浓度和厚度分别为5×10¹⁶cm^-3和0.7um，形成热电偶的多晶硅n型热电臂9；

16)蒸发生长al，反刻al，刻蚀金属图形，形成热电偶的另一金属al型热电臂8；

17)涂覆光刻胶，保留特定图案光刻胶，用h3po4:ch3cooh:hno3＝100:10:1反刻al，温度为50℃，时间为3min，将多晶硅n型热电臂9与金属al型热电臂8用金属连线al10连接起来，形成热电偶；

18)除去光刻胶；

19)制作栅区热电偶的2个引出电极；

20)在源漏极附近重复步骤13)--19)，制作如图5所示热电偶11；

21)蒸铝连线，按照如图1所示连接各电极，留下两个电极作为塞贝克压差的输出极。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的面向物联网的硅基具有热电转换功能的mosfet器件，具有36个串联的热电偶。在传统的n型mosfet制作完成栅极之后，生长一层二氧化硅层，化学机械抛光，平整单薄的二氧化硅层作为制作热电偶的基准面。栅源漏各制作了12个由金属al型热电臂和多晶硅n型热电臂组成的热电偶，用金属连线铝将其串联，从而成倍的增大塞贝克压差。该硅基具有热电转换功能的mos器件可以将器件工作产生的热损转换为电能，实现能量收集的同时降低了温度，有利于散热；通过检测输出塞贝克电压的大小来实现对热耗散功率大小的检测。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基具有热电转换功能的mosfet器件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。