多晶硅納米薄膜在壓阻傳感器應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在壓阻傳感器方面，與單晶硅相比，多晶硅薄膜器件無(wú)需p-n結(jié)襯底隔離，可實(shí)現(xiàn)高溫工作；與絕緣體上單晶硅（SOI）相比，其具有工藝簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)勢(shì)。但是，普通多晶硅壓阻傳感器靈敏度偏低。研究結(jié)果表明，厚度100nm以下的重?fù)脚鸲嗑Ч杓{米薄膜（PNTF）具有較高的應(yīng)變系數(shù)（GF≥34）及低電阻及GF溫度系數(shù)（TCR及TCGF）；而同等摻雜濃度普通多晶硅薄膜的GF僅為20～25，TCR及TCGF高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，PNTF在高溫壓阻傳感

2、器研制方面具有良好的應(yīng)用前景。
　　要實(shí)現(xiàn)PNTF在壓阻傳感器中的應(yīng)用必須解決如下技術(shù)問(wèn)題：在納米尺寸下其薄膜均一性差，電阻值隨工藝條件變化的偏差大，嚴(yán)重影響傳感器測(cè)量精度，而傳統(tǒng)電阻修正法存在穩(wěn)定性差或浪費(fèi)芯片面積的缺點(diǎn)，因此必須提出適用于PNTF壓阻傳感器的電阻偏差精確修正方法；傳統(tǒng)鋁基接觸電極與多晶硅的接觸電阻較大且擴(kuò)散現(xiàn)象顯著，易產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性欠佳，嚴(yán)重影響器件性能，因此必須研究低接觸電阻、合金化深度受控、熱穩(wěn)定

3、性好的多層歐姆接觸工藝；PNTF的超薄結(jié)構(gòu)使其電學(xué)特性易受外界電荷、污染物及表面氧化的影響，必須對(duì)其表面進(jìn)行保護(hù)和鈍化處理，而現(xiàn)有單層鈍化膜的鈍化效果欠佳，且傳感器制作工藝又決定鈍化工藝溫度不能過(guò)高，因此必須研究高鈍化質(zhì)量的低溫鈍化工藝。為此，本文對(duì)LPCVD高摻硼PNTF的電阻偏差電學(xué)修正技術(shù)、歐姆接觸技術(shù)及表面鈍化技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　在電阻偏差修正方面，針對(duì)硼雜質(zhì)不存在分凝現(xiàn)象與現(xiàn)有雜質(zhì)分凝模型存在的矛盾，提出了基于填

4、隙原子-空位對(duì)（IV對(duì)）理論的晶界電流致再結(jié)晶模型及電學(xué)修正的晶界熱傳導(dǎo)模型，將電學(xué)修正現(xiàn)象解釋為大電流引起晶界級(jí)聯(lián)式再結(jié)晶，增大載流子遷移率從而降低薄膜電阻。基于所提出的模型，對(duì)不同薄膜參數(shù)樣品的電學(xué)修正特性進(jìn)行了機(jī)理分析，并定量建立了閾值電流密度與薄膜參數(shù)的理論關(guān)系，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，提出直流電流逐次修正法，并研究了電學(xué)修正對(duì)壓阻、溫度特性的影響。結(jié)果表明，該法將修正精度提高了4倍，且不會(huì)明顯改變PNTF

5、的壓阻靈敏度及溫度系數(shù)，適用于PNTF壓阻傳感器的阻值修正。
　　在歐姆接觸方面，針對(duì)現(xiàn)有模型測(cè)試結(jié)構(gòu)完好率低、測(cè)試精度差的問(wèn)題，改進(jìn)了現(xiàn)有線性和圓點(diǎn)傳輸線模型（LTLM和CDTLM）測(cè)試結(jié)構(gòu)，并考慮了金屬層電阻的影響，基于雙半環(huán)電阻網(wǎng)絡(luò)修正了現(xiàn)有CDTLM模型，提出了正交電壓測(cè)量法，提高了結(jié)構(gòu)完好率及測(cè)量精度。基于改進(jìn)測(cè)試結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法，獲得了不同合金化條件下Al、Pd及Ni基接觸樣品的比接觸電阻率（SCR）及I-V特性曲線，采

6、用XRD、EDX、SEM等表征手段，分析了接觸界面合金化產(chǎn)物。結(jié)果表明，Ti/Pd/Au接觸結(jié)構(gòu)合金化后生成低Si耗損量的Pd2Si，SCR比單層Al接觸降低2個(gè)數(shù)量級(jí)；Pt/Pd/Au接觸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱穩(wěn)定性良好的非合金化歐姆接觸。
　　在低溫鈍化工藝研究方面，為了提高 PNTF表面鈍化質(zhì)量，避免表面氧化與外界電荷及污染對(duì)薄膜特性的影響，分別采用CVD、聚合物包覆及溶膠凝膠法，制備了SiO2/Si3N4雙層復(fù)合膜、聚酰亞胺(PI)

7、/SiO2復(fù)合鈍化層及添加不同粘合劑的SiO2鈍化膜。表征了樣品的表面形貌和粗糙度，并用微波光電導(dǎo)衰減儀測(cè)量了樣品的有效少子壽命及表面復(fù)合速率，最終獲得了優(yōu)化的鈍化工藝：對(duì)于單層鈍化，采用SiO2含量為5g/L的PI/SiO2復(fù)合膜；對(duì)于雙層鈍化，采用保留LPCVD離子注入緩沖層SiO2與PECVD Si3N4復(fù)合鈍化膜。上述工藝的鈍化效果比已報(bào)道的結(jié)果提高5～6倍。鈍化機(jī)理分析表明，氮化硅膜的寬禁帶使PNTF表面形成反型層，減少表面空