对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究论文.doc

硕士学位论文硕士学位论文 工程硕士 工程硕士 对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究 RESEARCH ON ELECTRICAL TRIMMING CHARACTERISTICS PROPERTIES OF POLYSILICON NANOFILMS 吴璇吴璇 2010 年年 6 月月 国内图书分类号 TN432 学校代码 10213 国际图书分类号 621 3 049 774 密级 公开 硕士学位论文硕士学位论文 工程硕士工程硕士 对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究 硕士研究 生 吴璇 导师 刘晓为 教授 申请学位级别 工程硕士 学科 专 业 微电子学与固体电子学 所 在 单位 微电子科学与技术系 答 辩 日期 2010 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 Classified Index TN432 U D C 621 3 049 774 A Dissertation for the Master s Degree of Engineering RESEARCH ON ELECTRICAL TRIMMING CHARACTERISTICS PROPERTIES OF POLYSILICON NANOFILMS Candidate Wu xuan Supervisor Prof liu xiaowei Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Microelectronics and Solid State Electronics Affiliation Department of microelectronic Science and technology Date of Defence June 2010 Degree Conferring Institution Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 I 摘 要 多晶硅纳米膜凭借其优良的压阻特性及温度稳定性可广泛应用于压阻式传感 器 为了提高封装之后电阻的匹配性 必须对电阻进行修正 而电学修正是一种 有效的电阻修正方式 因此本课题主要研究多晶硅纳米薄膜的电学修正特性 样品的制备 利用 LPCVD 的方法在表面有热二氧化硅的衬底上淀积不同膜厚 不同掺杂浓度和不同淀积温度的多晶硅纳米薄膜 用扫描电镜 X 射线衍射仪和 透射电子显微镜对多晶硅纳米薄膜进行表征 分析晶粒的微观结构 然后通过施 加高于阈值电流密度的直流电对不同淀积温度 不同膜厚以及不同掺杂浓度对多 晶硅纳米薄膜电学修正特性进行测试并分析电学修正对压阻特性以及温度特性的 影响 本文建立填隙原子空位 IV 对模型 这种模型认为电学修正现象是在大电 流激励下 产生焦耳热使晶界处 IV 对发生重结晶 基于 IV 对模型本文还建立了 填隙原子空位对模型 它可以很好的解释电学修正现象 实验结果表明随着掺杂浓度的提高 电学修正的精度不断提高而修正速率却 有所减小 直接淀积的 PSNFs 比重结晶的 PSNFs 修正精度和稳定性好 因此通过 优化淀积温度可以减少晶粒间界的无定形态 从而改善 PSNFs 的电学特性 因此 研究电学修正技术对于封装后的调阻有十分重要的意义 本文通过实验和理论的分析 找到应用于压阻式压力传感器的最合适的工艺 参数 即多晶硅纳米薄膜的膜厚为 90nm 掺杂浓度 3 0 1020cm 3 淀积温度为 620 关键词 关键词 多晶硅纳米薄膜 电学修正 填隙原子模型 淀积温度 掺杂浓度 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 II Abstract Due to their favorable piezoresistive properties and good temperature stability polysilicon nanofilms have been applied in piezoresistive sensing devices In order to improve the resistance matching of sensors after fabrication it is necessary to perform resistor trimming The electrical trimming is an effective method of correcting resistance error and mismatch Therefore in this paper we study the electrical trimming characteristics of polysilicon nanofilm PSNF resistors For the sample preparation PSNF were deposited on thermally oxidized Si substrates by Low Pressure Chemical Vapor Deposition LPCVD PSNFs were doped heavily at different doses by boron ion implantation and deposited at different temperature and deposited at different thicknesses The microstructure of PSNF was characterized by scanning electron microscope SEM X ray diffraction XRD and transmission electron microscope TEM Then the resistance changes of trimmed resistors were measured after a series of incremental DC current higher than the threshold current density is applied Use this method test the PSNFs with different doping concentrations different thicknesses and different deposition temperature Then we will analyze the influence of electrical trimming characteristics to piezoresistive characteristics as well as temperature characteristics In this paper we establish interstitial vacancy IV model it is considered that the phenomenon of electrical trimming is due to the recombination of IV pairs at grain boundaries under the energy excitation of Joule heat generated by high current conduction Based on the model the phenomenon of electrical trimming will be explained electricity The experimental results indicate that elevating doping concentration can improve the trimming accuracy and decrease the trimming rate the trimming accuracy and 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 III stability of directly deposited PSNFs are superior to the recrystallized ones So it is gained that reducing amorphous phases at grain boundaries by optimizing deposition temperature can improve ET characteristics of PSNFs Therefore it is important to study electrical trimming after device packaging Through the experiment and the theory analysis we can found the most appropriate parameter applies in piezoresistive sensing devices These parameter is that the thickness of PSNFs is 90nm the doping density is 3 0 1020cm 3 and the deposition temperature is 620 Keywords polysilicon nanofilm electrical trimming interstitial vacancy model deposition temperature doping concentrations 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 IV 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题来源及研究意义 1 1 2 国内外的研究状况 2 1 2 1 国外研究状况 2 1 2 2 国内研究状况 7 1 3 本课题主要研究的内容 8 第 2 章 多晶硅纳米薄膜的制备工艺 9 2 1 薄膜制备工艺的发展与比较 9 2 1 1 淀积工艺 9 2 1 2 退火工艺 12 2 1 3 掺杂工艺 12 2 2 多晶硅纳米薄膜的制备工艺 13 2 2 1 不同厚度的多晶硅纳米薄膜的制备 13 2 2 2 不同掺杂浓度的多晶硅纳米薄膜的制备 14 2 2 3 不同淀积温度下多晶硅纳米薄膜的制备 14 2 3 版图的设计 15 2 4 薄膜电阻的制备工艺流程 17 2 5 本章小结 19 第 3 章 多晶硅纳米薄膜微观结构的表征与测试方法的研究 20 3 1 多晶硅纳米薄膜的微观表征 20 3 1 1 不同厚度多晶硅纳米薄膜的微观表征 20 3 1 2 不同掺杂浓度多晶硅纳米薄膜的微观表征 22 3 1 3 不同淀积温度多晶硅纳米薄膜的微观表征 23 3 2 多晶硅纳米薄的测试方法 25 3 2 1 多晶硅纳米薄膜电学修正的测试方法 25 3 2 2 温度特性的测试方法 25 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 V 3 2 3 压阻特性的测试方法 25 3 3 本章小结 27 第 4 章 多晶硅纳米薄膜电学修正特性的测试结果与理论分析 28 4 1 填隙原子空位对模型的建立 28 4 1 1 现有的多晶硅电学修正的理论模型 28 4 1 2 填隙原子空位对模型的建立 30 4 2 测试结果与理论分析 32 4 2 1 膜厚对多晶硅薄膜电阻的电学修正特性的影响 32 4 2 2 掺杂浓度对多晶硅薄膜电阻的电学修正特性的影响 34 4 2 3 淀积温度对多晶硅薄膜电阻的电学修正特性的影响 36 4 2 4 电学修正对压阻特性以及温度特性的影响 38 4 3 本章小结 41 结 论 42 参考文献 43 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 47 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 47 致 谢 48 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题源自国家自然科学基金资助的项目 多晶硅纳米薄膜压力传感器 研 究的一个部分 自从 1954 年贝尔实验室发现了半导体的压阻效应之后 就引起了 很多关于压阻特性和压阻器件的研究 随之产生了利用压阻效应研制的半导体器 件 而压阻式压力传感器就是其典型的代表之一 这类传感器具有频率响应高 适于动态测量 体积小 适于微型化 精度高 灵敏高 比金属应变计高出很多 倍 无活动部件 可靠性高 能工作于振动 冲击 腐蚀 强干扰等恶劣环境中 等优点 因此 近年来压阻式压力传感器的研究备受人们关注 1 而压阻式压力传 感器中十分重要的部分就是桥臂电阻 其电阻变化量为千分之几 即只有几欧姆 因此电阻的精度会直接影响压阻式压力传感器的性能 稳定性以及可靠性 所以 提高电阻精度可以很大程度的提升压阻式压力传感器的各项性能指标 本课题是用多晶硅纳米薄膜作为惠更斯电桥的桥臂电阻 用电学修正的方法 来提高电阻的精度 以此来提高传感器的可靠性和稳定性 多晶硅纳米薄膜属于 纳米材料的范畴 纳米材料具有许多独特 优异的光学 磁学 热学以及力学方 面的性能 2 而纳米技术是当今科技发展中最活跃的领域之一 包括纳米物理学 纳米材料学 纳米测量学 纳米加工学等 这些学科的发展将使许多领域产生突 破性的进展 对于多晶硅薄膜材料特性的研究可以追溯到二十世纪五十年代 3 而 对多晶硅纳米薄膜材料的研究却很少 哈尔滨工业大学 MEMS 中心对重掺杂的多 晶硅纳米膜进行了研究 发现重掺杂的多晶硅纳米薄膜有良好的压阻特性 应变 系数 30 和优越的温度稳定性 这使得多晶硅纳米薄膜成为一种极具前景的压阻 材料 4 6 因此多晶硅纳米薄膜在压阻式压力传感器方面的应用也有巨大的前景 对于惠更斯电桥结构的压阻式传感器 桥臂电阻的匹配性直接影响传感器的 性能及成品率 因此为了提高传感器的性能 就要尽量使电阻值达到设计要求 但是由工艺误差的存在 电阻通常偏离设计值 而电阻的偏离通常是由于在生产 过程中电阻的倾斜 边界效应和局部变化而引起的 从而导致了薄膜厚度的起伏 掺杂浓度的改变和几何精确度的改变等 为了使器件的性能更加优越 因此需要 在后期应用调阻技术对电阻进行修正 而本课题所要研究的就是通过电学修正特 性来调整电阻 这对提高压阻式压力传感器的精度以及可靠性有着深远的意义和 巨大的应用价值 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 1 2 国内外的研究状况 1 2 1 国外研究状况 近年来国际上对于多晶硅的研究主要集中在薄膜的制备工艺上 而研究的目 的是提高多晶硅薄膜的压阻系数以及降低其温度系数 而关于对多晶硅调阻的研 究并不是很多 但是在制备电阻的过程中 特别是制备薄膜电阻 会产生较大的 偏差 这会严重影响电阻的精度 使电阻阻值偏离设计的要求 从而直接影响压 力传感器的精度 因此要想提高传感器的精度就必须使电阻值符合设计要求 所 以研究调阻的方法是十分有必要的 目前对电阻进行修正的方法主要有三种 即用齐纳二极管的击穿的方式对电 阻进行调节 用激光进行调阻和用电学修正的特性来调整电阻 这三种方法各有 其优缺点 但总的来说 激光调阻和齐纳二极管击穿的方式进行调阻是常规的调 阻方式 但存在不足 而用电学修正的方式可以克服常规调阻方式的不足 1 2 1 1 用齐纳二极管的击穿来调节电阻 用齐纳二级管击穿的方式是一种间接的调阻方式 它是通过在传导路径中加 大的电流 使齐纳二极管选择性的短路 来改变电压 从而改变电阻 7 其基本电 路如图 1 1 所示 齐纳二极管的 Z0到 Zn是不导通的 通过选择性的对 Z0到 Zn 短 路来改变补偿电压 VOS 从而可以改变 RR RL的比值 改变电阻 图 1 1 通过选择性的短路齐纳二极管来调整偏压 用齐纳击穿的方法 虽然可以对电路的电阻进行定量的修正 但修正电路占 据了很大的面积 引起成本的增加和电路设计的复杂 这样会阻止产品大规模的 生产和成本的降低 因此在调阻过程中这种方法用的很少 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 1 2 1 2 用激光的方法对电阻进行修正 目前激光调阻是较常用的调阻方式 8 激光可聚焦成很小的光斑 具有高精度 高效率 能量集中和无污染的特点 故加工时对邻近的元件热影响极小 易于用 计算机控制 可以满足快速微调电阻使之达到精确的预定值的目的 因此这种方 法被广泛使用 其基本原理如图 1 2 所示 是将激光器发出的脉冲激光束聚焦成很小的光点 达到适当的能量密度 对薄膜电阻的导电体进行切割 使之膜层熔融 蒸发 以 改变薄膜电阻导体的有效导电面积或有效导电长度 达到调整薄膜电阻单元阻值 的目的 这是由蒸发和熔体移动共同作用的结果 即在光通量密度大的区域 薄 膜汽化和蒸汽压力使熔体表面变形并流出作用区 在光通量密度小的区域 表面 张力起作用 使熔体产生移动 加工时将激光束聚焦在电阻薄膜上 将物质汽化 微调时首先对电阻进行测量 将数据传送给计算机 计算机根据预先设计好的修 调方法指令光束定位器 使激光按一定路径切割电阻 直至阻值达到设定值为止 9 图 1 2 激光调阻的工作原理 在生产制造混合集成电路中 广泛的应用激光修正技术对厚膜导体 金属电 阻 进行调阻 对于在 AlN 上的金属薄膜电阻 可以通过选择适当的开关频率 激光强度以及照射时间来进行修正 其电阻值可以控制在目标电阻的 0 3 被 修正的金属电阻的改变值少于 5 5 10 2002 年激光修正技术可以完全与传统的 COMS 技术相兼容 这使得激光调阻 技术可以在微电子模拟电路与混合电路中得到应用 激光修正技术使通过激光束 来融化一个硅的区域 在两个相邻的 P N 结型二极管之间形成电子连接 从而制 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 作一个电阻器件 这些电阻在一个自动化的系统中制作时间少于 1 秒 电阻的范 围可以从 100 欧到 1 兆欧 精度可达 0 005 并且这些电阻的温度系数可以接近 零 11 2007 年提出了一种新的分析方法 用这种方法可以得到薄膜电阻激光修正的 模型 这种模型是基于电阻修正后相应分布区域的映射以及相应的复杂函数建立 的 用这种模型可以得到很好的修正结果并且使用方便 12 激光修正的精度通常与激光刻蚀的路径有关 而通常的路径有 I L U Z 型 等 2008 年 提出了一种新的任意的刻蚀路径 而不是常规 L 形的修正 应用于 嵌入式电阻 这种方法可以得到更高的精度嵌入式电阻 13 同年 激光修正技术 应用于高精度 DAC 已被证实 14 激光微调精度高 芯片面积小 相对生产成本低 生产效率高 每小时可达 十几万片 不需要增加生产步骤就能与实际的 COMS 加工相结合 15 但是 由 于局部加热产生了内应力 导致了被修正电阻的不稳 很难达到小尺寸的单片集 成电路高精度的要求 而且设备昂贵 对于过度修正不能恢复 因此激光调阻也 存在着一定的局限性 1 2 1 3 电学修正 用电学修正特性来调节电阻可以克服上述的不足 它不需要昂贵的设备 只 需要电流源就可以完成 多晶硅电阻不需要做成很大的尺寸就能得到很高的精度 而且在集成电路中重掺杂的多晶硅是常用的材料 因此用这种方法不需要改变现 有的制造工艺 16 电学修正的方法可以在封装之后完成 这样可以避免由于封装 而引起电阻的改变 使电阻值与设计要求更加匹配 1979 年 Amerniya 等人开始研究重掺杂多晶硅的电学的电学修正的条件和特性 他们发现多晶硅电阻有一种重要的电学修正特性 当电流密度高于阈值时 其电 阻减小 而当电流减小到阈值之下时 电阻就不再减小 而且这种电阻的减小是 稳定的 用这种现象作为电学修正技术的基础 重掺杂的多晶硅电阻可以通过电 学修正特性来改变电阻 但必须满足下面两个条件 1 掺杂的浓度高于阈值 大 约 1 1020cm 3 2 电流密度高于阈值 大约为 1 106A cm2 其基本特性如图 1 3 所示 但他们并没有完全说明其产生的机理 17 几年后 Amemiya 等人根据上述试验的结果进行了进一步研究 建立了在重掺 杂多晶硅电阻中电流诱导电阻减小的基本机理的模型 但没能完全解释电学修正 现象 18 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 图 1 3 修正电流与电阻的关系 在此期间还应用了多晶硅的这种性质成功的制造出单片 14 位数模转换器 但 其电阻的稳定性并不是很好 1984 年 多晶硅的这种性质已经在高精度的电阻修正技术中得到广泛应用 修正后电阻的稳定性问题也得到了解决 K Kato 等人发明了一种简单的技术叫 ETR excess trimming and restoration 可以使电阻达到更高的稳定性 用这种方法 可以使电阻在 100 时使用 100 年 稳定性达到 0 01 但由于制造工艺的限制 还没有达到这种稳定性 当电阻长期处于高温状态时 用重掺杂的方法对多晶硅 电阻进行修正 电阻值会产生轻微的改变 而要得到高精度的电阻就要充分的抑 制这种改变 电阻的恢复是由于在多晶硅层内杂质的热扩散引起的 因为杂质扩 散遵循扩散定律 电阻以一定的形式出现恢复 电阻恢复的形式为 R R At A 为常数 t 为修正时间 由于 的值小于 1 那么在恢复的过程 中 恢复的速率快速减小 这种特性在 ETR 技术中被应用 这样可以很大程度的 改变修正电阻的稳定性 在 ETR 技术中 修正过程包括两步 第一步让电阻过度修正 然后再恢复到 要求的电阻值 其原理如图 1 4 所示 第二步 加上用稍低于前面步骤使用的反馈 电流 过度修正的数值越大 修正电阻的稳定性越好 通过这种方法可以很好的 提高电阻的稳定性 17 八十年代末 基于在晶粒边界物理和结构的改变又提出了一种电阻减小的模 型 在晶粒边界处结构发生改变 导致在修正时产生大量的热 晶粒间形成更多 紧密区域 这是由于分散中心的减小 悬挂键的减少 键角的舒松而引起的 在 修正过程中 由于分散中心比有固定周期的晶粒碰撞更加频繁 因此最高的温度 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 出现在晶粒边界上 一旦到达了足够的焦耳热 在晶粒与晶粒的连接点将迅速融 化 在凝固的过程中 晶粒作为再结晶过程的核 引起了固定的结构延伸 使其 到达分散的晶粒边界区域 扩散层变薄导致电阻大幅度的减小 而且不能恢复 在晶粒界面相似的改进已经通过激光再结晶的方式在多晶硅薄膜得到证实了 19 图 1 4 过度修正和恢复过程的原理图 九十年代初 J A Babcock 等人在前人的研究基础之上 发现了电阻修正的可 逆性 他们发现用电学修正的方法来调节电阻是有周期性的 可以重复性的减小 和恢复 这种特性对于制造高精密的电阻是有帮助的 随着脉冲修正电流的增加 电阻的减小 多晶硅电阻的温度系数出现周期性变化 如图 1 5 所示 20 图 1 5 多晶硅电阻修正与恢复周期 随后 K Lahir 等人用高电流脉冲来研究离子束溅射的多晶硅的电学修正特性 研究表明在小密度电流脉冲条件下 电阻宽度相同时 长的电阻比短的电阻修正 的效果更好 在电流脉冲较大时 电阻修正率增加 但是修正量减少了 这种技 术对修正单片多晶硅是有效的 而且没有任何的局部损伤 21 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 1995 年 提出一种新的控制电阻减小和恢复的模型 他认为在不同的晶粒取 向之间晶界作为负载缺陷的过渡区 在加入修正电流脉冲时 温度过高会导致多 晶硅薄膜晶界不可逆的重建 掺杂剂的液相分离比可逆电阻的电阻改变小 电阻 的恢复是由于在扩散过程中晶粒重新分布 导致在晶界散射中心的增加 22 1996 年 k kato 等人通过实验验证了由于电学修正而引起的重掺杂多晶硅电 阻的温度系数的改变与融化 分离模型相一致 23 2000 年 电学修正的方法在多晶硅 锗化硅上的到应用 24 2007 年电学修正特性应用于频率微调 这种方法与机械微调共同使用 使频 率的精度到达 2 6ppm 25 近年来电学修正技术应用的领域更加广泛 其中最典型就是在封装后用电学 修正技术来调节石英谐振腔的谐振频率 26 通过上述的发展状况可以看出 国外对多晶硅的电学修正现象已经有了一定 的研究 我们要在他们的研究基础上 借鉴他们研究的方法和手段 对多晶硅电 学修正的性质进行进一步研究 特别是不同膜厚 不同掺杂浓度 不同淀积温度 对电学修正特性的影响以及电学修正对压阻特性与温度特性的影响 找到合适的 工艺参数 用来提高电阻的精度 从而提高传感器的性能 1 2 2 国内研究状况国内研究状况 国内对调阻技术的研究并不是很多 目前对激光调阻有一定的研究 而对电 学修正的研究却很少 激光调阻 又叫激光微调 是利用激光可聚焦成很小的光 斑 能量集中 有选择地气化部分材料来制造微电元件的一种方法 目前制造电 阻 电容的方法往往达不到所要求的误差范围 用激光对电阻 电容进行精密微 调 加工时对邻近的元件热影响极小 不产生污染 易于计算机控制 具有速度 快 效率高 可连续监控等优点 此外还有精度高 线性好和阻值不随时间变化 的优点 按照电阻的调整方式可分为无源调阻 passive trimming 和有源调阻 active trimming 亦称功能调阻 function trimming 无源调阻是直接调整电阻的数值 使其达到标准值 即在基板与其他分立元件如无源片式元件和 IC 组件组装之前 将混合电路基板上的每个电阻调整到设计值 而有源调阻则是指在电路全部组装 完后 根据调整电路输出参数调整电阻 只需对几个关键的电阻进行微调 27 激光在电阻膜上的扫描路径称为调阻图形 激光调阻精度与调阻图形有关 由于受激光束控制难易的影响 调阻图形为直线或直线的组合 综合精度 速度 稳定性因素及激光束控制难易程度 一般采用 L 型调阻图形 垂直于电流方向的 横向切割对阻值影响较大 称为粗调 平行于电流方向的纵向切割对阻值影响较 小 称为精调 合理确定粗 精调可提高调阻精度及稳定性 28 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 目前国内激光微调技术广泛应用于厚 薄膜元件和电路的参数微调 包括电 阻器 电容器和石英谐振腔等的参数调节 混合集成电路放大器 分压器 稳流 器 数字模拟与模拟数字交换器 高频振荡器 运算放大器和石英压电设备等的 功能调节 以及半导体集成电路的微调 它消除了影响多种集成电路精度的种种 限制 由于激光光束能精确地定向 定位在最小尺寸区域内 可以规定的形式及 小的热作用区 可对薄膜元件进行精密单件微调 因加工中没有化学反应 可在 大气中加工 实现激光加工过程的自动化 具有精度高 工艺简便和高效的特点 29 但是用激光调阻的方法也存在一些不足 而其最大的缺点就是由于局部加热而产 生内应力 导致调整后阻值不稳定 所以在封装中的热处理可以改变修正的电阻 值 从而降低了电阻的精度 用电学修正特性来调整电阻可以有效的克服上述缺点 而且只需要对其施加 电流就可以完成 因此成本很低 调整精度也很高 但国内对电学修正特性的研 究觉却很少 近年来已经对多晶硅纳米薄膜的特性开始研究 但主要研究的是多 晶硅纳米薄膜的温度特性以及压阻特性等 30 32 对多晶硅纳米薄膜电学修正特性 对压阻特性以及温度特性影响的研究却没有 1 3 本课题主要研究的内容本课题主要研究的内容 本课题的主要任务是结合国内外科学工作者对电学修正特性实验和理论的研 究 进一步对多晶硅纳米薄膜电学修正特性进行研究 测试并分析 不同膜厚 不同掺杂浓度 不同淀积温度对多晶硅纳米薄膜电学修正的影响 以及电学修正 对压阻特性以及温度特性的影响 从而找出合适的工艺参数 应用于压阻式压力 传感器 对提高传感器的精度和稳定性有深远的意义 主要工作内容可分为以下几部分 1 学习和掌握电学修正特性和基本原理 2 查阅相关文献 对其进行分析整理 3 制备不同淀积温度 不同膜厚 不同掺杂浓度的多晶硅纳米薄膜电阻 4 测试并分析淀积温度 膜厚以及掺杂浓度对电学修正特性的影响 5 测试并分析电学修正对压阻特性以及温度特性的影响 6 建立的理论模型 使测试结果与理论值相符 并对其结果进行深入分析 找到应用于压阻式压力传感器的最合适的工艺参数 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 第 2 章 多晶硅纳米薄膜的制备工艺 薄膜的制备技术对于测试多晶硅纳米薄膜的电学修正特性有着十分重要的用 薄膜的制备方法直接影响着薄膜电阻的均匀性 纯度 密度 结构的完整性 台 阶覆盖率以及缺陷密度等 因此要选择合适的制备方法 获得质量优良的多晶硅 纳米薄膜 本章主要介绍一些薄膜的制备方法 包括化学气相淀积 退火 掺杂 等 再通过分析比较找到适合的工艺流程 制作实验样品 2 1 薄膜制备工艺的发展与比较薄膜制备工艺的发展与比较 2 1 1 淀积工艺淀积工艺 到目前为止 制备多晶硅薄膜方法很多 通常分为物理气相淀积与化学气相 淀积 物理气相淀积包括真空蒸发镀膜 溅射镀膜 离子镀膜三大类 其他的淀 积方式还包括 电化学淀积 化学气相淀积 分子束外延等 但化学气相淀积方 法 Chemical Vapor Deposition CVD 由于具有设备简单 生长过程参数易于控 制 薄膜质量优良 重复性好 便于大规模生产等优点得到了广泛应用 尤其在 集成电路制备薄膜时 成为一种重要的方法 一般来说 化学气相淀积可分为两类 一类是分解反应淀积 它通常利用加 热 等离子体 光辐照或其他能源使某些气态物质发生化学反应化合物加热分解 生成固态物质并淀积到经处理的固体衬底表面的一种方法 另一类是化学反应淀 积 这种沉积方式是由两种或两种以上的气体物质在加热的基体表面上发生化学 反应而沉积成固态膜层的方法 对于多晶硅 最常用的反应是硅烷 SiH4 的热分 解或卤硅烷的氢还原反应 按照反应室内气压的不同 温度的不同 能量供给方 式的不同 CVD法可分为 常压化学气相淀积 Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition APCVD 低压化学气相淀积 low Pressure Chemical Vapor Deposition LPCVD 和等离子体增强化学气相淀积 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PECVD 等 APCVD系统原理图如图2 1所示 其反应温度为600 1000 采用此法制备多 晶硅薄膜时 硅片放置的数目受基座尺寸的限制 片间和片内的均匀性受管内气 流 硅片放置位置 基座内温度分布以及气相中反应剂的浓度变化的影响 由于 反应原料的消耗 基座前后的淀积率会有差异 管壁上的杂质颗粒还会落到硅片 上 造成薄膜的污染和生长缺陷 因此在LPCVD出现后 这种淀积方法逐步被取 代 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 图2 1 常压化学气相淀积 APCVD 设备示意图 LPCVD系统装置图如图2 2所示 其反应温度约为550 800 由于衬底硅片 采用竖直方式放置在石英架上 因此产量显著增加 生长的薄膜的均匀性与衬底 表面温度的均匀性直接相关 硅烷是LPCVD工艺中最常使用的反应气体 薄膜的 淀积速率取决于反应气体压强 气流速率和淀积温度 LPCVD反应腔里的压强通 常在13 3 266Pa 此条件下 气体传输速率较快 淀积速率主要取决于反应速率 受气体扩散速率的影响不大 而气体反应速率主要由温度决定 淀积速率随反应 温度的升高而增加 而且 淀积温度还决定着生长薄膜的结构 因此淀积温度是 LPCVD技术中最重要的工艺参数 淀积温度低于585 时 生长的通常为非晶态膜 高于600 时 生长的为多晶态膜 所生成的晶粒大小随淀积温度的升高而增大 表面处的晶粒大小随着膜厚的增加而线性地增大 该设备具有生长薄膜质量高 均匀性好 3 5 台阶覆盖及一致性较好 针孔小 薄膜结构完整性优良 反 应气体利用率高 成本低的优点 图2 2 低压化学气相淀积 LPCVD 设备示意图 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 11 PECVD系统装置图如图2 3所示 该装置的外形与LPCVD类似 在低压条件 通常为2Torr 下 反应室内平行排列的金属板电极间的气体在高频电场的作用 下 生成非平衡等离子体 等离子体中的电子被电场加速 与反应分子发生碰撞 将其激活 使反应气体发生分解反应 此法的反应温度一般为300 500 可见用 这种方法可以显著降低淀积时基体的温度 并且淀积速度快 成膜质量好 针孔 少 不易龟裂 但其薄膜中氢的含量较高 晶态比 相对于LPCVD薄膜 较低 对后续的退火工艺要求较高 导致薄膜的压阻特性不如LPCVD薄膜稳定 因此 目前普遍采用LPCVD技术制作多晶硅压阻薄膜 商用多晶硅压阻式传感器几乎全 部采用LPCVD的方法制造 33 图2 3 等离子体增强化学气相淀积 PECVD 设备示意图 目前 LPCVD技术已经趋于成熟 国外的研究人员逐渐将研究热点集中在磁 控溅射技术和热丝化学汽相淀积方法上 对于磁控溅射技术的研究 主要着重于 通过调整工艺方法和控制工艺条件来提高磁控溅射多晶硅薄膜质量 2000年 Joo 等人用离子磁控溅射法 在低温250 和氩氢混合气氛下淀积了多晶硅膜 膜厚为 200nm 晶粒大小为50 70nm 34 近年来 国外又相继报道了脉冲直流磁控溅射 和反应磁控溅射等技术 35 38 都在不同程度上提高了多晶硅薄膜的质量 但是 这些技术还需要进一步完善 目前尚未在多晶硅压阻式压力传感器的制作中得到 实际应用 而热丝化学汽相淀积法是利用温度高达 2000 的钨丝使反应气体 如 SiH4硅 烷等 分解 生成的硅淀积在衬底上直接形成多晶硅薄膜 其淀积速度较快 对 衬底温度要求不高 一般在 175 400 但是这种方法制备的薄膜均匀性较差 而且晶粒度较小 应用受到很大限制 随着近些年的深入研究 有望使该工艺的 重复性和稳定性达到要求 39 42 不久的将来 HWCVD 将是极具应用前景的低温 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12 淀积技术 2 1 2 退火工艺退火工艺 在多晶硅薄膜的制备工艺中 除了淀积技术的控制和改进 另一个亟待解决 的问题是薄膜残余应力和应力梯度对薄膜特性的影响 这一问题一部分是由于衬 底和薄膜材料间的晶格常数和热膨胀系数的失陪 一部分是由于淀积或热退火过 程中掺杂对晶粒生长的影响 43 而这些都取决于薄膜的微观结构 研究表明 在 高温热退火工艺中促进多晶硅薄膜中的晶粒由柱状结构向等轴结构演化可以降低 残余应力 44 在退火过程中 晶粒之间无定形物质将发生再结晶 晶体形态物质 具有比无定形物质更小的体积 因此材料的收缩效应使薄膜残余的压应力向张应 力转变 一般来说 具有最小应力梯度的微小张应力的薄膜更适于MEMS器件的 应用 常用的退火方法有高温退火法 激光退火法和快速热退火法等 虽然这些工 艺技术较为成熟 但都存在局限性 高温退火和快速热退火对退火温度要求较高 一般在 900 以上 激光退火技术是通过激光扫描完成薄膜退火 虽然可使衬底保 持较低温度 但会引入局部内应力 因此制作力学量传感器一般不采用激光退火 技术 近年来 金属诱导晶化 metal induced crystallization MIC 技术在世界范 围内受到了普遍关注 掺入非晶硅 a Si 中的金属元素 可减弱 Si Si 键的强度 或改变 Si Si 键的结构 使非晶硅的晶化温度降低到 500 以下 45 46 但是 MIC 技术的缺点是薄膜易受金属元素污染 对此可采用金属诱导横向结晶 metal induced lateral crystallization MILC 技术加以克服 在压阻特性方面 Li 等人将 经过 MILC 处理的 PECVD 多晶硅薄膜与 LPCVD 薄膜进行了比较发现 MILC 薄 膜的压阻灵敏度要高出 LPCVD 多晶硅薄膜的 40 同时温度影响还小于 LPCVD 多晶硅薄膜的 40 47 由此可见 采用 MILC 技术可使多晶硅薄膜的压阻特性得 到很大提高 应变系数可达到 60 48 2 1 3 掺杂工艺掺杂工艺 多晶硅薄膜的掺杂工艺主要有 原位掺杂 in situ doping 扩散掺杂 diffusion doping 和离子注入掺杂 ion implantation doping 原位掺杂难以控制 掺杂浓度 重复性差 在制作压阻薄膜时应尽量避免使用此工艺 而扩散掺杂主 要有替位式扩散和间隙式扩散两种 杂质通过替位式扩散的扩散速度慢 需要的 扩散温度高 但是可精确控制p n结的深度和掺杂浓度 需要控制温度精确至 1 Si中硼 磷等杂质的扩散就属于替位式扩散 杂质的间隙式扩散的扩散速度很快 扩散温度较低一些 他们的扩散掺杂技术生产效率高 成本低 但掺杂均匀性差 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 13 一般也不采用 只有在制作重掺杂多晶硅压阻薄膜时才采用 离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改 性高新技术 离子注入的方法就是在真空中 低温下 把杂质离子加速 获得很 大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中 同时也会在半导体中产生一些晶格 缺陷 因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷 虽然离 子注入技术成本高 而且还需要后续的退火工艺来激活杂质 但可以精确控制杂 质的总剂量 深度分布及面的均匀 而且温度低 可防止原来杂质的再扩散等 同时可实现自对准技术 以减小电容效应 工艺重复性好 因此 商用传感器大 多采用离子注入技术来完成LPCVD多晶硅压阻薄膜的制备 用 PECVD 的方法制成的多晶硅薄膜大多采用原位掺杂技术 用 LPCVD 技术 制作多晶硅压阻薄膜时 为了同时保证薄膜结构和杂质分布的均匀一致 一般先 淀积纯净的多晶硅薄膜之后再采用扩散或离子注入技术进行掺杂 2 2 多晶硅纳米薄膜的制备工艺多晶硅纳米薄膜的制备工艺 基于用LPCVD技术制备的薄膜具有生长质量高 均匀性好 台阶覆盖及一致 性较好 针孔小 薄膜结构完整性优良 反应气体利用率高 成本低的优点 我 们采用LPCVD的方法来制备多晶硅纳米薄膜 为了便于测试 首先要选择适当的 衬底和绝缘层 对于衬底材料来说 单晶硅材料与多晶硅热形变失配较小 且具 有良好的弹性 可加工性 以及与集成电路工艺的兼容性 基于上述优点 选用 单晶硅片为衬底材料 而常用的绝缘层是氮化硅或二氧化硅 考虑到二氧化硅与 衬底单晶硅机械性质相似 与衬底的应变一致性较好 而且工艺简单 故选取二 氧化硅作为衬底和多晶硅纳米薄膜间的绝缘层 实验中 二氧化硅层通过热氧化 的方法来生成 厚度为0 8 1 m 以确保绝缘强度 热氧化温度为1100 工艺过 程为干氧 氢氧合成 干氧 49 2 2 1 不同厚度的多晶硅纳米薄膜的制备不同厚度的多晶硅纳米薄膜的制备 膜的厚度对多晶硅薄膜的结构有很大的影响 会导电学修正特性的不同 特 别是对于多晶硅纳米薄膜来说 除了存在结构的变化还有小尺寸效应的影响 所 以随着膜厚的不同 电学修正特性也会发生显著的变化 但是目前对多晶硅电学 修正特性的研究成果还很少 为此本文首先制备不同膜厚的多晶硅纳米薄膜 用 以研究膜厚对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的影响 在温度为 620 的条件下 用 LPCVD 的方法淀积膜厚分别为 40 90 123 150nm 的多晶硅薄膜样片 膜厚是用淀积时间来控制的 其工艺参 数如表 2 1 所示 其中膜厚为 40 90nm 的多晶硅薄膜衬底为晶向 单面抛 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 14 光的 4 英寸硅片 片厚为 490 10 m 表面氧化层厚度为 0 86 m 膜厚为 123 150nm 的多晶硅薄膜衬底为晶向 单面抛光的 4 英寸硅片 片厚 510 10 m 表面氧化层厚度 1 0 m 对样片采用常规固态源扩散的方法 在 1080 氮气流量 2L min 的条件下进行硼掺杂 根据杂质在硅中的固溶度估算 掺杂浓度约为 2 3 1020cm 3 表 2 1 不同膜厚多晶硅薄膜的工艺参数 氧化多晶硅淀积扩散 温度 厚度 m 温度 时间 min 厚度 nm 温度 时间 min 气氛 杂质浓度 cm 3 11000 8662034010805O2 N22 3 1020 11000 866205 59010805O2 N22 3 1020 11001 06207 512310805O2 N22 3 1020 11001 06201015010805O2 N22 3 1020 2 2 2 不同掺杂浓度的多晶硅纳米薄膜的制备不同掺杂浓度的多晶硅纳米薄膜的制备 为了研究掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的影响 分别制作不同厚 度的多晶硅纳米薄膜电阻 在厚度为 510 m 晶向为的硅圆片上进行热氧 化 生长一层厚度为 1 m 的氧化层 然后 在 620 C 条件下 采用 LPCVD 工艺 在衬底上淀积多晶硅纳米薄膜 反应气体为 SiH4 流量为 50ml min 反应室气压 控制在 45 55Pa 范围内 接着采用离子注入技术对样品进行了硼掺杂 离子注入 剂量分别为 2 3 1015cm 2 4 7 1015cm 2 8 2 1015cm 2注入能量为 20eV 然后在氮 气的环境中 1080 的条件下 退火 30 分钟 得到掺杂浓度为 2 0 1020cm 3 4 1 1020cm 3 7 1 1020cm 3的样品 样品的工艺参数如表 2 2 所示 表 2 2 不同掺杂浓度多晶硅纳米薄膜的工艺参数 氧化多晶硅淀积离子注入退火 温度 厚度 m 温度 厚度 nm 能量 Kev 剂量 cm 2 温度 时间 min 掺杂 cm 3 1100162080202 3 10151080302 0 1020 1100162080204 7 10151080304 1 1020 1100162080208 2 10151080307 1 1020 2 2 3 不同淀积温度下多晶硅纳米薄膜的制备不同淀积温度下多晶硅纳米薄膜的制备 多晶硅的结构对其电学修正特性的影响非常显著 而淀积温度是决定低压化 学气相淀积薄膜结构的关键参数 为了分析淀积温度对薄膜电学修正特性的影响 本文在不同温度下淀积了多晶硅纳米薄膜 以晶向 510 10 m 厚的四英寸 单面抛光硅片为衬底 在其上热氧化生长 1 m 厚的 SiO2层作为绝缘层 然后在 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 15 580 到 670 的淀积温度下用 LPCVD 工艺 淀积膜厚为 80 3nm 的多晶硅纳米薄 膜 当淀积温度在 580 到 600 时 多晶硅薄膜呈现非晶态 带有的少数晶核 在退火前要在氮气的环境中 950 的条件下保持 30 分钟使其重结晶 然后采用离 子注入技术对样品进行了硼掺杂 离子注入剂量为 2 1015cm 2 注入能量为 20eV 然后在 1080 的氮气环境中退火 30 分钟 得到掺杂浓度为 2 0 1020cm 3的 样品 其具体的工艺参数如表 2 3 所示 表 2 3 不同淀积温度多晶硅纳米薄膜的工艺参数 氧化 多晶硅 淀积 退火离子注入退火 温 度 厚 度 m 温度 厚度 nm 温度 时 间 min 能 量 Kev 剂 量 cm 2 温 度 时 间 min 掺杂 浓度 cm 3 11001580809503020