多晶硅纳米薄膜在压阻传感器应用中的关键技术研究

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在压阻传感器方面,与单晶硅相比,多晶硅薄膜器件无需p-n结衬底隔离,可实现高温工作;与绝缘体上单晶硅(SOI)相比,其具有工艺简单、制造成本低的优势。但是,普通多晶硅压阻传感器灵敏度偏低。研究结果表明,厚度100nm以下的重掺硼多晶硅纳米薄膜(PNTF)具有较高的应变系数(GF≥34)及低电阻及GF温度系数(TCR及TCGF);而同等掺杂浓度普通多晶硅薄膜的GF仅为2025,TCR及TCGF高近一个数量级。因此,PNTF在高温压阻传感器研制方面具有良好的应用前景。要实现PNTF在压阻传感器中的应用必须解决如下技术问题:在纳米尺寸下其薄膜均一性差,电阻值随工艺条件变化的偏差大,严重影响传感器测量精度,而传统电阻修正法存在稳定性差或浪费芯片面积的缺点,因此必须提出适用于PNTF压阻传感器的电阻偏差精确修正方法;传统铝基接触电极与多晶硅的接触电阻较大且扩散现象显著,易产生电迁移现象,热稳定性欠佳,严重影响器件性能,因此必须研究低接触电阻、合金化深度受控、热稳定性好的多层欧姆接触工艺;PNTF的超薄结构使其电学特性易受外界电荷、污染物及表面氧化的影响,必须对其表面进行保护和钝化处理,而现有单层钝化膜的钝化效果欠佳,且传感器制作工艺又决定钝化工艺温度不能过高,因此必须研究高钝化质量的低温钝化工艺。为此,本文对LPCVD高掺硼PNTF的电阻偏差电学修正技术、欧姆接触技术及表面钝化技术进行了系统的研究。在电阻偏差修正方面,针对硼杂质不存在分凝现象与现有杂质分凝模型存在的矛盾,提出了基于填隙原子-空位对(IV对)理论的晶界电流致再结晶模型及电学修正的晶界热传导模型,将电学修正现象解释为大电流引起晶界级联式再结晶,增大载流子迁移率从而降低薄膜电阻。基于所提出的模型,对不同薄膜参数样品的电学修正特性进行了机理分析,并定量建立了阈值电流密度与薄膜参数的理论关系,并用实验结果对理论模型进行了验证。在此基础上,提出直流电流逐次修正法,并研究了电学修正对压阻、温度特性的影响。结果表明,该法将修正精度提高了4倍,且不会明显改变PNTF的压阻灵敏度及温度系数,适用于PNTF压阻传感器的阻值修正。在欧姆接触方面,针对现有模型测试结构完好率低、测试精度差的问题,改进了现有线性和圆点传输线模型(LTLM和CDTLM)测试结构,并考虑了金属层电阻的影响,基于双半环电阻网络修正了现有CDTLM模型,提出了正交电压测量法,提高了结构完好率及测量精度。基于改进测试结构及测量方法,获得了不同合金化条件下Al、Pd及Ni基接触样品的比接触电阻率(SCR)及I-V特性曲线,采用XRD、EDX、SEM等表征手段,分析了接触界面合金化产物。结果表明,Ti/Pd/Au接触结构合金化后生成低Si耗损量的Pd2Si,SCR比单层Al接触降低2个数量级;Pt/Pd/Au接触结构实现了热稳定性良好的非合金化欧姆接触。在低温钝化工艺研究方面,为了提高PNTF表面钝化质量,避免表面氧化与外界电荷及污染对薄膜特性的影响,分别采用CVD、聚合物包覆及溶胶凝胶法,制备了SiO2/Si3N4双层复合膜、聚酰亚胺(PI)/SiO2复合钝化层及添加不同粘合剂的SiO2钝化膜。表征了样品的表面形貌和粗糙度,并用微波光电导衰减仪测量了样品的有效少子寿命及表面复合速率,最终获得了优化的钝化工艺:对于单层钝化,采用SiO2含量为5g/L的PI/SiO2复合膜;对于双层钝化,采用保留LPCVD离子注入缓冲层SiO2与PECVD Si3N4复合钝化膜。上述工艺的钝化效果比已报道的结果提高56倍。钝化机理分析表明,氮化硅膜的宽禁带使PNTF表面形成反型层,减少表面空穴浓度,产生界面场效应钝化;而带缺陷的SiO2会在界面处引入固定正电荷,增加PNTF表面少子浓度,从而提高了少子寿命。本文的研究不仅为PNTF压阻传感器的研制奠定了理论与实验基础,而且对于其它半导体器件性能的提高也具有一定的科学参考价值。
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