摘 要：多晶硅薄膜在一些半導(dǎo)體器件及集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。由于多晶硅生產(chǎn)成本低，效率穩(wěn)定性好、光電轉(zhuǎn)換效率高，多晶硅薄膜的研究備受關(guān)注。目前多晶硅薄膜已廣泛地用于各種微電子器件的制造，其用途從柵極材料和互聯(lián)引線發(fā)展到絕緣隔離、鈍化、太陽(yáng)能電池、各種光電器件等。文章介紹了制備多晶硅薄膜的多種工藝方法，結(jié)合現(xiàn)有工藝條件制作多晶硅納米薄膜，根據(jù)多晶硅壓阻特性理論進(jìn)行了LPCVD納米薄膜工藝試驗(yàn)，研究了工藝條件對(duì)多晶硅納米薄膜應(yīng)變系數(shù)的影響，選取了優(yōu)化的工藝條件，為多晶硅納米薄膜在今后壓阻式壓力傳感器中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多晶硅；壓阻特性；納米薄膜；應(yīng)變系數(shù)

引言

多晶硅薄膜在半導(dǎo)體器件和集成電路中應(yīng)用廣泛，多晶硅材料可制作MOS器件的柵極材料，犧牲層材料，太陽(yáng)能電池和各種光電子器件。伴隨MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)的飛速發(fā)展，多晶硅薄膜在壓阻式壓力傳感器中應(yīng)用廣泛，同時(shí)多晶硅納米薄膜的壓阻特性比普通多晶硅更加優(yōu)越。因此受到了廣大研究者的關(guān)注。多晶硅薄膜與單晶硅薄膜相比更容易與IC工藝兼容，多晶硅薄膜具有良好的高溫特性，高溫器件中無(wú)p-n結(jié)隔離問(wèn)題。多晶硅薄膜也可制作犧牲層材料，易于微機(jī)械加工，該材料的應(yīng)變系數(shù)可達(dá)單晶硅的三分之二左右，重?fù)诫s時(shí)，多晶硅納米薄膜的應(yīng)變系數(shù)比單晶硅材料的還要高。

多晶硅薄膜工藝的制備主要分高溫工藝，工藝溫度高于600℃，可在高溫石英管中熱分解工藝氣體制得，制備工藝簡(jiǎn)單。此外還有低溫工藝，加工工藝溫度低于600℃，可尋找成本較低的玻璃作為襯底材料，適合批量生產(chǎn)，制備工藝相對(duì)復(fù)雜。

1 多晶硅薄膜制備

多晶硅薄膜的制備工藝有多種，包括：真空蒸發(fā)、磁控濺射，化學(xué)氣相沉積等，其中化學(xué)氣相沉積法（CVD）是多晶硅薄膜最常用的制備方法，該方法將工藝需要?dú)怏w在等離子體（PECVD）增強(qiáng)沉積法、催化作用、HWCVD（熱化學(xué)氣相沉積）等不同工藝條件下分解制作多晶硅薄膜。此外還包括低壓化學(xué)氣相淀積法、固相晶化（SPC）法、準(zhǔn)分子激光晶化法、超高真空化學(xué)氣相淀積（HV/CVD）、快速熱退火、電子束蒸發(fā)等[2]。

化學(xué)氣相沉積工藝中一種為PECVD（等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積），該工藝是利用輝光放電的電子或等離子體來(lái)激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一系列的遷移、脫氫等過(guò)程，在襯底表面沉積成膜的方法。工藝中SiH4氣體和H2混合后經(jīng)輝光分解成等離子體，或者直接通入純SiH4，純硅烷氣體分解沉積薄膜為非晶硅薄膜。一般多晶硅薄膜工藝中SiH4氣體在輝光放電條件下，設(shè)備中高能電子與SiH4氣體發(fā)生撞擊，氣體分解成離子團(tuán)，其主要反應(yīng)式如下所示：

SiH4→SiH2+H2

SiH4→SiH3+H2

SiH4→Si+H2

氣體分子與離子團(tuán)的自由行程小于反映腔室內(nèi)的尺寸，分子向襯底擴(kuò)散，分子與離子團(tuán)相互撞擊進(jìn)行反應(yīng)，主要反應(yīng)式如下所示：

SiH2++SiH4→Si2H6

Si2H6++SiH2→Si3H8

工藝腔室內(nèi)各種反應(yīng)離子團(tuán)擴(kuò)散、碰撞，不同反應(yīng)活性和濃度的離子團(tuán)，沉積到達(dá)襯底底部。SiH3基團(tuán)活性較小不容易達(dá)到襯底成膜。

沉積過(guò)程為薄膜成膜的第一步，接著就是沉積氣體分子或基團(tuán)在表面的解吸過(guò)程，在此過(guò)程中表面生產(chǎn)脫H，同時(shí)各種基團(tuán)可反應(yīng)形成Si-Si鍵，薄膜進(jìn)一步生長(zhǎng)。

脫H過(guò)程是薄膜成膜重要的階段。H可通過(guò)氣體分子從表面釋放，從真空系統(tǒng)抽走，也可通過(guò)與表面基團(tuán)反應(yīng)形成氣態(tài)分子而移除。在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積多晶硅薄膜過(guò)程中，只有當(dāng)硅烷濃度達(dá)到臨界值時(shí)，才能產(chǎn)生多種Si顆粒，顆粒附著在襯底表面發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，薄膜逐漸生產(chǎn)。

LPCVD（低壓化學(xué)氣相沉積）工藝，主要原理為在低壓條件下。一般在1個(gè)大氣壓以下，將反應(yīng)氣體通入密閉的真空臥室或立式可加熱石英管中，工藝氣體經(jīng)熱分解，分解成各種基團(tuán)或副產(chǎn)物，基團(tuán)附著在襯底表面形成硅膜，該工藝需要較低的工藝腔室壓力和適宜的工藝溫度來(lái)控制反應(yīng)工藝氣體及副產(chǎn)物的形成。同時(shí)，各種工藝氣體的比例不同，工藝成膜的效果和薄膜的應(yīng)力也不盡相同。通常應(yīng)用LPCVD沉積多晶硅薄膜的晶粒尺寸小于500nm，應(yīng)用LPCVD沉積多晶硅時(shí)，需要襯底潔凈度高，同時(shí)改變工藝溫度，工藝爐體內(nèi)壓力，均可制作不同薄膜特性的材料。低壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備與一般的常壓熱壁式裝置的主要區(qū)別在于它需要一套真空泵系統(tǒng)維持整個(gè)系統(tǒng)的工作氣壓。下圖為典型LPCVD裝置示意圖：

圖1 典型LPCVD裝置示意圖

綜上所述，化學(xué)氣相沉積多晶硅薄膜是個(gè)物理和化學(xué)混合的工藝過(guò)程，工藝過(guò)程中首先反應(yīng)氣體通入沉積腔室經(jīng)過(guò)輝光放電或熱分解擴(kuò)散成離子團(tuán)或氣體分子，接著反應(yīng)物分子附著在襯底表面，其中有部分反應(yīng)物可繼續(xù)進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)，在襯底表面碰撞、遷移、沉積，同時(shí)副產(chǎn)物解吸附變成可由真空系統(tǒng)抽走的氣體反應(yīng)物。

此外還可以采用RF-PECVD（射頻等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）制作多晶硅薄膜，該工藝在低溫下沉積，采用SiH4氣體和H2氣體混合，工藝沉積速率太低。采用VHF-PECVD（甚高頻等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）來(lái)提高沉積速率。該工藝主要由于VHF激發(fā)的等離子體比常規(guī)工藝電子溫度低、密度大、活性高。

快速熱化學(xué)氣相沉積（RTCVD）依據(jù)光或射頻感應(yīng)加熱襯底，使工藝溫度達(dá)到反應(yīng)要求。該工藝反應(yīng)室內(nèi)壁溫度較低，與其他高溫沉積工藝相比該設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，沉積速率高。制備薄膜先用CVD或者蒸發(fā)制得非晶硅薄膜，經(jīng)固相晶化技術(shù)（SPC）技術(shù)，使非晶硅薄膜硅原子再次激活、重組，將非晶薄膜發(fā)生晶化變成多晶硅薄膜。太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜，采用成本較低的材料做襯底，以硅烷氣體為原料，應(yīng)用等離子增強(qiáng)方法制備非晶硅薄膜，用退火熱處理方法將非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜。該方法適合批量生產(chǎn)、工藝簡(jiǎn)單、成本低。常規(guī)高溫爐退火、快速熱退火、金屬誘導(dǎo)晶化、微波誘導(dǎo)晶化等都屬于固相晶化的范疇。

2 多晶硅薄膜的壓阻特性

多晶硅薄膜材料一般由許多小晶粒組成，在晶粒內(nèi)部原子成周期性有序地排列，把每個(gè)晶?？醋餍〉膯尉K，不同晶向的小顆粒由晶粒間界連接。晶粒間界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子無(wú)序排列。最先報(bào)道多晶硅壓阻特性的是日本的Onuma和Sekiga。他們研究多晶硅壓阻效應(yīng)主要是由晶粒內(nèi)部遷移率、晶粒表面、晶粒間界遷移率引起的。他們稱此為遷移率模型，多晶硅薄膜應(yīng)變因子表示為：

G=■ （1）

上式中， Gg為晶粒內(nèi)部遷移率變化引起的應(yīng)變因子，Gb為晶粒間界遷移率變化引起的應(yīng)變因子，Gs為表面遷移率引起的應(yīng)變因子，α=μg/μb，β=μg/μs。該理論認(rèn)為制備應(yīng)變因子較大的多晶硅薄膜需要增大晶粒度、提高結(jié)晶度，可以減少晶粒間界的陷阱密度。

在1984年French和Evens給出了多晶硅薄膜壓阻效應(yīng)模型。該模型采用將所有可能晶粒取向上求平均的方法計(jì)算薄膜應(yīng)變因子。該模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。他們采用陷阱模型描述了多晶硅薄膜晶粒的狀態(tài)，他們擬認(rèn)為晶粒邊界和耗盡區(qū)對(duì)應(yīng)變不敏感，結(jié)合晶粒的中性區(qū)和晶粒邊界勢(shì)壘區(qū)壓阻效應(yīng)，得出結(jié)論中性區(qū)壓阻效應(yīng)比勢(shì)壘區(qū)強(qiáng)一倍，薄膜晶粒度越小，勢(shì)壘區(qū)越大，壓阻效應(yīng)越弱。該理論被許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

圖2表示多晶硅薄膜陷阱模型的示意圖。在一維的情況下，多晶硅的電阻率ρ被看成是晶界電阻率和晶粒中性區(qū)電阻率的串聯(lián)平均電阻率，

？籽=■？籽g+■？籽b （2）

式中L是平均晶粒度；W為晶粒耗盡區(qū)寬度；ρg晶粒中性區(qū)的電阻率；ρb耗盡區(qū)的電阻率。如果ρb對(duì)應(yīng)變不敏感，有

■=■·■ （3）

由式（2）和式（3）可知，多晶硅壓阻效應(yīng)主要來(lái)源于單晶晶粒，勢(shì)壘區(qū)電阻也會(huì)引起應(yīng)變因子較大變化，耗盡區(qū)電阻率越大，多晶硅薄膜應(yīng)變因子越小。

圖2 多晶硅薄膜晶粒單元的一維模型

上述多晶硅壓阻效應(yīng)模型認(rèn)為應(yīng)變引起熱電子發(fā)射電流變化，使勢(shì)壘區(qū)壓阻效應(yīng)增強(qiáng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉曉為教授利用熱電子發(fā)射理論得出應(yīng)變因子公式，試驗(yàn)表明晶粒間界勢(shì)壘區(qū)壓阻系數(shù)與晶粒壓阻系數(shù)成正比，但中性區(qū)壓阻效應(yīng)占主導(dǎo)。多晶硅薄膜一般由晶粒中性區(qū)和勢(shì)壘區(qū)構(gòu)成，多晶硅壓阻特性單元應(yīng)變因子可表示為：

GC=■+■ （4）

上式Gg、Rg分別為晶粒中性區(qū)的應(yīng)變因子和電阻，Gb、Rb分別為勢(shì)壘區(qū)的應(yīng)變因子和電阻。

通常Gg、Gb定義為常數(shù)，Gg>Gb，上述表示多晶硅應(yīng)變因子隨勢(shì)壘區(qū)與中性區(qū)電阻值比值減小而增大。摻雜濃度越高，勢(shì)壘區(qū)高度和寬度越小，勢(shì)壘區(qū)電阻與中性區(qū)電阻的比值也下降。因此，單位應(yīng)變因子隨摻雜濃度增加而增大[4]，如圖3所示摻雜濃度與應(yīng)變因子的關(guān)系。上圖可與P型單晶硅應(yīng)變因子與摻雜濃度關(guān)系圖結(jié)合，可知多晶硅應(yīng)變因子G與濃度間的關(guān)系，如圖4所示：

經(jīng)上述分析，多晶硅薄膜厚度和晶粒度在幾百納米以上，壓阻特性的研究和進(jìn)展已經(jīng)成熟。現(xiàn)有理論壓阻特性與薄膜結(jié)構(gòu)間的關(guān)系為：晶粒中性區(qū)的壓阻效應(yīng)較大，晶粒邊界勢(shì)壘區(qū)小，薄膜晶粒度越小，壓阻效應(yīng)就越弱。

為了提高多晶硅薄膜的壓阻特性，需要提高薄膜晶粒度和結(jié)晶度。通常膜厚越薄，晶粒度越小。現(xiàn)有多晶硅模型沒(méi)有對(duì)納米尺寸效應(yīng)對(duì)壓阻特性影響。Schubert等人計(jì)算了隨機(jī)織構(gòu)多晶硅的應(yīng)變因子，應(yīng)用晶粒度120nm，摻雜濃度 2.5×1019cm-3，實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)變因子為24.6?，F(xiàn)有壓阻特性理論，晶粒越小，應(yīng)變因子越小，實(shí)驗(yàn)對(duì)于晶粒度較小的納米薄膜，應(yīng)變因子反而30以上，甚至更大，LeBerre等人對(duì)膜厚50nm，晶粒度20nm多晶硅納米薄膜進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試應(yīng)變因子達(dá)到30以上。這表面現(xiàn)有的壓阻特性理論存在缺陷。近年來(lái)研究者利用量子力學(xué)隧道效應(yīng)的原理并結(jié)合半導(dǎo)體能帶理論[5]，分析多晶硅納米薄膜的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，從而發(fā)現(xiàn)隧道電流隨應(yīng)變而變化，產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，這就是隧道壓阻效應(yīng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，多晶硅薄膜在重?fù)诫s條件下，這種勢(shì)壘區(qū)的壓阻效應(yīng)非常顯著，因此多晶硅納米薄膜具有更好的壓阻特性。

3 多晶硅納米薄膜工藝

針對(duì)現(xiàn)有的多晶硅壓阻特性理論進(jìn)行了LPCVD納米薄膜工藝試驗(yàn)，該工藝采用4英寸〈100〉晶向單晶硅片為襯底，硅片厚度500um。在襯底上氧化200nm，作為絕緣層，沉積工藝氣體壓力100kpa以下，硅烷流量為100sccm。沉積厚度為60nm的多晶硅薄膜。應(yīng)用離子注入濃度為2.3×1020cm-3的硼，在1080度退火30分鐘。經(jīng)微機(jī)械平面工藝光刻、蒸發(fā)鋁等，結(jié)合壓阻式壓力傳感器制作工藝，制作4個(gè)壓敏電阻。經(jīng)電極連接制作惠斯通電橋，下圖為典型多晶體壓力傳感器示意圖。

圖5 典型的多晶硅壓力傳感器

本實(shí)驗(yàn)主要研究淀積溫度對(duì)沉積薄膜結(jié)構(gòu)的壓阻特性的影響，實(shí)驗(yàn)在不同溫度下制作納米薄膜，制作工藝參數(shù)如下表：

驗(yàn)在不同淀積溫度條件下制備了多晶硅納米薄膜（膜厚60nm），襯底采用〈100〉晶向單晶硅片。具體工藝參數(shù)如表1所示。下列工藝中沉積納米薄膜的厚度一致，摻雜濃度相同，只考慮沉積溫度對(duì)納米薄膜的影響。

表1 不同淀積溫度多晶硅納米薄膜的工藝參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)上述工藝試驗(yàn)，得出不同沉積溫度下的納米薄膜，工藝考慮了從560度到670度的溫度工藝，結(jié)合圖6中SEM納米薄膜照片可知，溫度在低于600℃時(shí)，多晶硅納米薄膜晶粒較小，納米薄膜呈無(wú)定形狀態(tài)；當(dāng)沉積溫度高于600℃時(shí)，多晶硅薄膜晶粒度顯著，部分薄膜出現(xiàn)多晶態(tài)。因此薄膜從600度開(kāi)始從無(wú)定性態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)。當(dāng)沉積溫度670度時(shí)，樣品晶粒度較大，沉積溫度620度時(shí)，晶粒度幾乎同670度近似，如此可見(jiàn)晶粒度與工藝薄膜沉積溫度無(wú)關(guān)。

多晶硅薄膜不同晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜的壓阻特性影響明顯。在高摻雜濃度時(shí)對(duì)該工藝薄膜進(jìn)行壓阻特性測(cè)試。常溫下應(yīng)變系數(shù)與淀積溫度的關(guān)系如圖7所示。

在制作不同溫度下制作多晶硅薄膜，經(jīng)微機(jī)械工藝制作敏感電阻，給出了不同溫度下多晶硅壓敏電阻的電阻率的關(guān)系圖，如圖8所示。

5 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)有工藝手段制作多晶硅納米薄膜，應(yīng)用最新的壓阻特性理論對(duì)納米薄膜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)圖7和圖8可知，淀積溫度為560℃和580℃的薄膜雖然具有大的應(yīng)變系數(shù)，但其電阻率較高，薄膜穩(wěn)定性差，不適合制作壓敏電阻，主要是納米薄膜內(nèi)晶粒呈無(wú)定形態(tài)硅較多，對(duì)于淀積溫度為600℃、620℃和670℃的薄膜，它們的電學(xué)特性都比較穩(wěn)定，淀積溫度為620℃的薄膜應(yīng)變系數(shù)較大，因此依據(jù)納米薄膜的穩(wěn)定性和應(yīng)變系數(shù)參數(shù)來(lái)說(shuō)，多晶硅納米薄膜沉積溫度在620度時(shí)，薄膜壓阻特性最優(yōu)。

6 應(yīng)用發(fā)展

多晶硅薄膜已在壓阻式壓力傳感器中得到廣泛的應(yīng)用。通常典型的多晶硅壓力傳感器大都利用單晶硅做襯底，采用硅杯結(jié)構(gòu)應(yīng)用LPCVD沉積多晶硅薄膜作壓敏電阻，用離子注入摻雜硼元素。還有的壓力彈性膜以外延生長(zhǎng)硅層制作，極少多晶硅壓力傳感器采用非硅材料，80年代美國(guó)通用研究金屬上多晶硅應(yīng)變傳感器 ，實(shí)驗(yàn)選用金屬鉬作為襯底，利用氮化硅和PSG制作絕緣層，采用CVD沉積1um厚多晶硅薄膜。上述結(jié)構(gòu)壓力感器具有制作工藝簡(jiǎn)單、靈敏度高和一定的高溫特性等特點(diǎn)。2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉曉為等人在PNTF壓阻特性的研究中發(fā)現(xiàn)，重?fù)诫s可將PNTF的GF提高到34，并且TCR及TCGF也會(huì)降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了解釋該現(xiàn)象，隧道壓阻模型被建立并得出重?fù)诫s下晶界的壓阻系數(shù)要高于晶粒中性區(qū)的結(jié)論，其理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相吻合。他們將該技術(shù)應(yīng)用到多晶硅壓力傳感器的制作中，研究者還研究出不同納米薄膜制作工藝參數(shù)對(duì)壓阻特性的影響，包括薄膜厚度，摻雜濃度不同，沉積溫度等[6]。

隨著納米薄膜技術(shù)的發(fā)展，該薄膜具有良好的壓阻特性，重?fù)诫s濃度下多晶硅納米薄膜具有比普通多晶硅薄膜更優(yōu)越的壓阻特性[7]。能在保證較高應(yīng)變系數(shù)的前提下，降低其溫度系數(shù)，有利于提高多晶硅壓力傳感器的性能，對(duì)于發(fā)展高靈敏、低溫漂、寬工作溫度范圍的低成本壓力傳感器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：李海博，2005年黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院微電子專業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所；從事力學(xué)量傳感器研究，完成軍事新品項(xiàng)目，參與型譜項(xiàng)目，軍事預(yù)研項(xiàng)目數(shù)項(xiàng)。