【正文】 多種壓阻式傳感器[39]。多晶硅壓阻式傳感器是目前提高傳感器工作溫度、改善溫度穩(wěn)定性，又能保持其低成本的主要技術(shù)途徑之一，采用多晶硅壓阻薄膜的壓力傳感器得到了迅速的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文多晶硅納米膜表層鈍化的研究畢業(yè)論文目 錄 I 摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題來源及研究意義 1 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 1 國(guó)外研究狀況 2 國(guó)內(nèi)研究狀況 5 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 7第2章 歐姆接觸的基本原理與測(cè)試方法 8 歐姆接觸的能帶分析 8 歐姆接觸的傳輸機(jī)理 9 接觸電阻率的測(cè)量 10 線性傳輸線模型法 11 圓點(diǎn)傳輸線模型法 12 圓環(huán)傳輸線模型法 13 傳輸線模型的比較分析 16 本章小結(jié) 17第3章 多晶硅納米膜歐姆接觸的制作 18 歐姆接觸的設(shè)計(jì) 18 接觸金屬的材料特性 18 表面處理 21 摻雜與退火 22 鋁膜歐姆接觸的制作 22 本章小結(jié) 26第4章 多晶硅納米膜歐姆接觸的表征與測(cè)試 27 多晶硅納米膜歐姆接觸的表征 27 多晶硅納米膜的表征 27 鋁歐姆接觸的表征 28 線性傳輸線模型測(cè)試 31 退火前接觸電阻率的測(cè)試 31 退火后接觸電阻率的測(cè)試 32 圓點(diǎn)傳輸線模型測(cè)試 39 退火前接觸電阻率的測(cè)試 40 退火后接觸電阻率的測(cè)試 41 本章小結(jié) 43結(jié)論 44參考文獻(xiàn) 45附錄 49哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 51哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 51致謝 52 50 第1章 緒論 　課題來源及研究意義本課題研究源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多晶硅納米膜壓阻式壓力傳感器研究”的一部分，以多晶硅納米膜為研究對(duì)象，進(jìn)行多晶硅表面鈍化及缺陷鈍化的實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行理論分析，提取適用于傳感器制作工藝的鈍化方案及關(guān)鍵參數(shù)，從而提高多晶硅納米膜壓力傳感器的可靠性與穩(wěn)定性，使其達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。其中，多晶硅壓力傳感器由于其線性好、靈敏度高、可批量化生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)在石油、化工、航空、航天、汽車電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。與常規(guī)的金屬或單晶硅壓阻材料相比，多晶硅薄膜具有以下特點(diǎn)：（1）與IC工藝兼容性好。（3）薄膜可淀積在諸如玻璃、陶瓷、金屬等各種襯底上，易于加工、適合批量生產(chǎn)、成本低，有利于拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。在集成電路中，在一塊單晶基片上需要組裝很多器件，這些器件之間需要互相布線連接，而且隨著集成度的提高和特征尺寸的減小，布線密度必須增加，所以用于器件之間以及布線之間電氣隔離的絕緣鈍化膜是非常重要的。 　國(guó)內(nèi)外的研究狀況在材料科學(xué)中，表面科學(xué)的理論研究占有十分重要的地位。多晶硅薄膜的表面層與晶界層相似，也存在著大量的缺陷和懸掛鍵，從而在薄膜表面附近產(chǎn)生表面態(tài)。（1） 溶液鈍化法 一般是將樣品表面浸入特定溶液中，使表面發(fā)生鈍化。2002年，德國(guó)的Biro等人將待鈍化樣品浸入聚合體溶液（全氟磺酸溶液）中，取出干燥后鈍化層穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)6小時(shí)[14]。（2） 離子鈍化法離子鈍化技術(shù)中，最常見的就是氫離子鈍化，簡(jiǎn)稱氫化。研究表明采用直接等離子體氫化工藝鈍化晶粒間界，能夠極大地提高材料的電學(xué)特性。而且，正如前面提到的，等離子體中的激活H離子會(huì)鈍化Si襯底近表面的B受主雜質(zhì)，使其失去電學(xué)活性，從而使器件的電學(xué)特性發(fā)生明顯變化[18]。（3） 薄膜鈍化法薄膜鈍化法就是在樣品表面制備一層或幾層具有鈍化作用的絕緣薄膜。最適合的淀積工藝是采用甲硅烷、氨氣和（或）氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體的化學(xué)汽相淀積。2002年，比利時(shí)的Duerinckx等人采用含氫的PECVD氮化硅層作為表面鈍化層，在焙燒的過程中實(shí)現(xiàn)了缺陷的氫化，提高了器件的性能[20]。除了氮化硅之外，含氫無定形碳化硅薄膜（aSiC:H）也是近兩年異軍突起的鈍化材料。第一類鈍化膜是與制造器件的單晶硅材料直接接觸的。由于平面型器件采用了二氧化硅作表面鈍化膜，大大改善了表面效應(yīng)的影響，成為在半導(dǎo)體器件表面鈍化方面的第一次重大突破。例如：電流放大系數(shù)下降；反向漏電流增大；擊穿電壓降低和低頻噪聲系數(shù)增大等，因此要求新的鈍化介質(zhì)膜來代替二氧化硅。例如，熱氧化法制備的二氧化硅薄膜廣泛應(yīng)用于Si外延表面晶體、雙極型和MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路中擴(kuò)散掩蔽膜，作為器件表面和pn結(jié)的鈍化膜以及集成電路的隔離介質(zhì)和絕緣柵等；直流濺射制備的二氧化硅薄膜可用于不宜進(jìn)行高溫處理的器件表面鈍化，而射頻濺射的二氧化硅薄膜則可在集成電路表面鈍化方面具有廣泛的用途，但也存在一些不足，其最明顯的缺點(diǎn)就是薄膜結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，針孔密度較高，因此二氧化硅薄膜的防潮和抗金屬離子玷污能力相對(duì)較差，易被污染。但采用PSG－SiO2鈍化層時(shí)必須適當(dāng)控制PSG層中P含量和PSG層的厚度。此外，氯摻入氧化層后可以同界面附近的過剩Si相結(jié)合，形成SiCl鍵，減少氧空位和Si懸掛鍵，從而減少氧化層的固定電荷和界面態(tài)密度；同時(shí)由于摻氯氧化層的缺陷密度有所降低，使得氧化層的擊穿電壓提高[27]。Si3N4薄膜的研究開始于上個(gè)世紀(jì)60年代，氮化硅的化學(xué)穩(wěn)定性很好，作為掩蔽擴(kuò)散用的膜，氮化硅要比二氧化硅密實(shí)得多。各種方法淀積的氮化硅膜，不僅能阻擋鈉離子，而且還能捕獲鈉離子。追溯它的發(fā)展史可以看到它是一類大有發(fā)展前途的高分子材料[29]。1964年Amoco公司開發(fā)出聚酰胺亞胺電器絕緣用清漆(AI),1972年該公司開發(fā)了模制材料(Torlon),1976年Torlon商品化。該聚合物制備的薄膜其性能與Kapton存在相當(dāng)大的差異，特別是線脹系數(shù)小，非常適宜作復(fù)銅箔薄膜，廣泛用于柔性印刷線路板。此外，臺(tái)灣省、韓國(guó)、馬來西亞、中國(guó)和俄羅斯都有廠家生產(chǎn)聚酰亞胺。中科院化學(xué)所專門從事PMR聚酰亞胺的研究開發(fā)、四川聯(lián)合大學(xué)(成都科技大學(xué))，研究雙馬來酰亞胺樹脂及制品，西北工業(yè)大學(xué)以聚氨基酰亞胺的研究開發(fā)為主，上海市合成樹脂研究所以研究開發(fā)聚均苯四甲酰亞胺，聚醚酰亞胺為主、桂林電器科學(xué)研究所以研究開發(fā)聚酰亞胺薄膜的流延裝置為主。全國(guó)生產(chǎn)聚氨基雙馬來酰亞胺近30t/a。（3）制備含有聚酰亞胺樹脂的鈍化層。第2章 多晶硅薄膜表層鈍化的原理及測(cè)試方法多晶硅薄膜表層鈍化是指使用半導(dǎo)體工藝制作多晶硅原片，并利用薄膜鈍化的工藝在多晶硅表面形成一層活多層鈍化層，從而通過表層鈍化是多晶硅的壽命和性能得到改善。其耐高溫、抗熱沖擊能力強(qiáng)、硬度接近于金剛石。當(dāng)?shù)璞∧ぶ械臍浜康蜁r(shí)，也就是 N－H、Si－H 數(shù)目很少時(shí)，薄膜的熱穩(wěn)定性很高，有報(bào)導(dǎo)低氫氮化硅薄膜在 900℃高溫?zé)崽幚頃r(shí)表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性。氮化硅的導(dǎo)熱性能也很好,表 31 列出了氮化硅熱性質(zhì)方面的數(shù)據(jù)[33]。薄膜中的氫含量尤其是 N－H 數(shù)目很小時(shí)，薄膜的抗高溫氧化性能最佳。薄膜的光刻腐蝕是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵工藝，幾種介質(zhì)膜腐蝕速率的比較列于表 3－2 中。在同樣條件下，二氧化硅的腐蝕速率為025埃/分鐘，元素硅的腐蝕速率為3埃/分鐘。表3－3鉬掩蔽工藝流程表表34為幾種材料的腐蝕速率表34幾種材料的腐蝕速率（半導(dǎo)體器件鈍化層氮化硅的研究，哈理工） 　聚酰亞胺的性質(zhì)具有聚酰亞胺鈍化保護(hù)層的集電成路芯片具有很低的漏電流、較強(qiáng)的機(jī)械性能以及耐化學(xué)腐蝕性能。聚酰亞胺(PI)或其預(yù)聚體聚酰胺酸(PA)容易腐蝕成形,圖形清晰,邊緣整齊。（2）PI可耐極低溫，如在269℃的液態(tài)氦中仍不會(huì)脆裂。（5）PI抗蠕變能力強(qiáng)，在較高溫度下，它的蠕變速度甚至比鋁還小。cm。（11）PI無毒，可用來制造餐具和醫(yī)用器具，并經(jīng)得起數(shù)千次消毒。 薄膜鈍化工藝 濺射法濺射這一物理現(xiàn)象早在1852年就已被Grove所發(fā)現(xiàn)，即指荷能粒子轟擊固體表面，使固體原子(或其分子)從其表面射出的現(xiàn)象。在濺射鍍膜時(shí)，由于放電電流和靶電流可以分別控制，所以，濺射時(shí)膜厚的可控性和多次濺射時(shí)膜厚的再現(xiàn)性好，能有效地沉積預(yù)定厚度的薄膜。近些年來，隨著射頻濺射和磁控濺射等技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)快速濺射沉積和降低基板溫度方面已取得了很大的進(jìn)展[41]。常壓下分子的擴(kuò)散速率小，不能及時(shí)排出副產(chǎn)物，這既限制了沉積速率，又加大了膜層污染的可能性，導(dǎo)致薄膜的質(zhì)量下降。APCVD氮化硅膜的不足之處在于沉積速率低，薄膜污染嚴(yán)重，究其原因在于反應(yīng)室中高的壓強(qiáng)降低了分子的擴(kuò)散速率和排出污染物的能力。LPCVD克服了APCVD沉積速率小、膜層污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因而所制備氮化硅薄膜的均勻性好，缺陷少，質(zhì)量高?；撞牧吓c膜層材料之間在高溫下也會(huì)相互擴(kuò)散，在界面上形成某些脆相性，從而削弱兩者之間的結(jié)合力。在輝光放電所形成的等離子體場(chǎng)當(dāng)中，由于電子和離子的質(zhì)量相差懸殊，兩者通過碰撞交換能量的過程比較緩慢，所以在等離子體內(nèi)部沒有統(tǒng)一的溫度，就只有所謂的電子氣溫度和離子溫度。此外，PECVD同濺射法一樣，可以通過改變沉積參數(shù)的方法制備不同應(yīng)力狀態(tài)的薄膜以滿足不同的需要。在直接PECVD設(shè)備中，SiH4和NH3同時(shí)被交變電場(chǎng)所激勵(lì)而產(chǎn)生等離子體，樣品直接置于等離子體當(dāng)中，為了防止等離子體對(duì)樣品表面轟擊而造成的表面損傷，電場(chǎng)頻率必須高于4MHz，這樣，離子的加速時(shí)間很短，不能吸收過多的能量來轟擊表面。由于這種方法產(chǎn)生的等離子體密度高，所以沉積的速率也往往比直接PECVD要大。這一問題一部分是由于襯底和薄膜材料間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的失陪，一部分是由于淀積或熱退火過程中摻雜對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響[22]。晶體形態(tài)物質(zhì)具有比無定形物質(zhì)更小的體積，因此材料的收縮效應(yīng)使薄膜殘余的壓應(yīng)力向張應(yīng)力轉(zhuǎn)變。FA 和RTA方法對(duì)退火溫度要求較高，一般在900℃以上。但是，MIC技術(shù)的缺點(diǎn)是薄膜易受金屬元素污染，對(duì)此可采用金屬誘導(dǎo)橫向結(jié)晶（MILC）技術(shù)加以克服。掃描電子顯微鏡是常用的材料表面測(cè)試儀器，其放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍。 X射線衍射儀當(dāng)存在一定位相關(guān)系的兩個(gè)或兩個(gè)以上電磁波疊加時(shí)，將發(fā)生衍射現(xiàn)象。對(duì)樣品的測(cè)試過程是：X射線發(fā)射管產(chǎn)生的X射線照射到測(cè)試樣品上產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，X射線光子接收器接收衍射的X射線光子，測(cè)量電路分析處理這些信號(hào)后給出精確的衍射線位置、強(qiáng)度和線形等衍射信息，然后由打印設(shè)備輸出這些作為XRD測(cè)試的原始數(shù)據(jù)。其中光激發(fā)的過程如圖4所示。自由載流子在光激發(fā)的過程中立即產(chǎn)生并被均勻地再分布，在這一過程中有兩個(gè)過程同時(shí)發(fā)生并最后達(dá)到熱平衡狀態(tài)。在樣品厚度一定的情況下，如果表面復(fù)合速率很大，則在測(cè)試高體壽命樣品時(shí)，測(cè)試壽命值與體壽命值就會(huì)偏差很大；而對(duì)于低體壽命的樣品，不會(huì)使少子壽命降低很多。第3章 多晶硅納米薄膜表層鈍化樣品的制作及表征基于前兩章關(guān)于多晶硅納米表層鈍化的研究現(xiàn)狀和基本理論的分析，對(duì)表層鈍化有了深刻的理解，本章主要對(duì)多晶硅納米膜表層鈍化樣品的設(shè)計(jì)、制備工藝和制備過程進(jìn)行介紹。其清洗順序?yàn)椋?1)先將硅片用甲苯超聲震蕩清洗10分鐘，取出(2)再將硅片放入丙酮中超聲震蕩清洗8分鐘，取出(3再將硅片放入無水乙醇中超聲清洗8分鐘，取出(4)用超純水反復(fù)清洗10遍以上，以去除剩余的無水乙醇(5)將清洗完的硅片放入烘干箱中110度烘干30分鐘，取出保存2裝片 將清洗好的硅片放入PECVD裝置中3通氨氣通氮?dú)馐昼娮笥?，以清除管?nèi)或管壁上殘留的空氣與水氣。6退火在氮?dú)鈿饬鞯谋Ｗo(hù)下，恒溫800℃，退火10分鐘。得到厚度淀積Si3N4厚度100nm的多晶硅樣品。其清洗順序?yàn)椋?1)先將硅片用甲苯超聲震蕩清洗10分鐘，取出(2)再將硅片放入丙酮中超聲震蕩清洗8分鐘，取出(3再將硅片放入污水乙醇中超聲清洗8分鐘，取出(4)用超純水反復(fù)清洗10遍以上，以去除剩余的無水乙醇(5)將清洗完的硅片放入烘干箱中110度烘干30分鐘，取出保存2氧化3LPCVD淀積多晶硅4PECVD淀積SiO2工藝參數(shù)如下：反應(yīng)氣體SiH4，流量27sccm；N2O，流量12sccm；Ar，流量53sccm，PECVD裝置功率250W，襯底溫度300℃，反應(yīng)室壓強(qiáng)3Pa。得到厚度淀積Si3N4厚度100nm的多晶硅樣品。5離子注入6退火在氮?dú)獗Ｗo(hù)下800℃下退火10分鐘。11保存氧化腐蝕退火(N2)離子注入LPCVD SiO2LPCVD多晶硅去除SiO2保存淀積致密的Si3N4實(shí)物圖 SiO2Si3N4雙重介質(zhì)膜的制備（PS+了LPCVD SiO2+PECVD疏松的Si3N4）1硅片的清洗 必須保證襯底基片清洗干凈，否則就會(huì)給沉積膜造成各種缺陷，造成沉積的薄膜厚度不均。得到厚度淀積Si3N4厚度100nm的多晶硅樣品。其清洗順序?yàn)椋?1)先將硅片用甲苯超聲震蕩清洗10分鐘，取出(2)再將硅片放入丙酮中超聲震蕩清洗8分鐘，取出(3再將硅片放入無水乙醇中超聲清洗8分鐘，取出(4)用超純水反復(fù)清洗10遍以上，以去除剩余的無水乙醇(5)將清洗完的硅片放入烘干箱中110度烘干30分鐘，取出保存2 PI+ SiO2混合配比分別稱取二氧化硅粉末100,200,300,400,500mg，放入到40ml聚酰亞胺中，用球磨機(jī)混合均勻，放置1小時(shí)，以清除氣泡。鈍化效果不好的器件壽命降低，穩(wěn)定性差，效率低下，這必然影響多晶硅器件的使用。從圖中可以看出，晶粒大小在40nm左右，大小一致，分布均勻。1樣品：多晶硅原片（PS）從測(cè)量的壽命分布圖可以看出，1樣品的壽命分布從21微秒到74微秒，其中地壽命區(qū)域偏多，鈍化效果一般。從平均壽命分布圖可以看出，3樣品的最高壽命可達(dá)84微秒，說明局部的鈍化效果有了很大的提高，較2樣品的平均少子壽命提高不大，說明總體的鈍化效果并沒有得到大的改善，2種材料總體的鈍化效果相差不是很大，但是與1樣品的鈍化效果相比，還是有了很大的提高。從5的平均壽命分布圖可以看出，雖然相比較前面的4個(gè)型號(hào)樣品的，平均壽命并沒有很大的改善，但是最大壽命可以達(dá)到90微秒，說明，此樣品的鈍化效果已經(jīng)達(dá)到了較好