多晶硅薄膜制備工藝及其應(yīng)用發(fā)展

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行了LPCVD納米薄膜工藝試驗，研究了工藝條件對多晶硅納米薄膜應(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，太陽能電池和各種光電子器件。伴隨MEMS（微電子機械系統(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p-n結(jié)隔離問題。多晶硅薄膜也可制作犧牲層材料，易于微機械加工，該材料的應(yīng)變系數(shù)可達單晶硅的三分之二左右，重摻雜時，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，該方法將工藝需要氣體在等離子體（PECVD）增強沉積法、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激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，經(jīng)過一系列的遷移、脫氫等過程，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，其主要反應(yīng)式如下所示：

SiH4→SiH2+H2

SiH4→SiH3+H2

SiH4→Si+H2

氣體分子與離子團的自由行程小于反映腔室內(nèi)的尺寸，分子向襯底擴散，分子與離子團相互撞擊進行反應(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)離子團擴散、碰撞，不同反應(yīng)活性和濃度的離子團，沉積到達襯底底部。SiH3基團活性較小不容易達到襯底成膜。

沉積過程為薄膜成膜的第一步，接著就是沉積氣體分子或基團在表面的解吸過程，在此過程中表面生產(chǎn)脫H，同時各種基團可反應(yīng)形成Si-Si鍵，薄膜進一步生長。

脫H過程是薄膜成膜重要的階段。H可通過氣體分子從表面釋放，從真空系統(tǒng)抽走，也可通過與表面基團反應(yīng)形成氣態(tài)分子而移除。在等離子體增強化學(xué)氣相沉積多晶硅薄膜過程中，只有當(dāng)硅烷濃度達到臨界值時，才能產(chǎn)生多種Si顆粒，顆粒附著在襯底表面發(fā)生進一步反應(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，分解成各種基團或副產(chǎn)物，基團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控制反應(yīng)工藝氣體及副產(chǎn)物的形成。同時，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，需要襯底潔凈度高，同時改變工藝溫度，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物理和化學(xué)混合的工藝過程，工藝過程中首先反應(yīng)氣體通入沉積腔室經(jīng)過輝光放電或熱分解擴散成離子團或氣體分子，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)進行一系列的化學(xué)反應(yīng)，在襯底表面碰撞、遷移、沉積，同時副產(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（甚高頻等離子增強化學(xué)氣相沉積）來提高沉積速率。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)備相對簡單，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，把每個晶粒看作小的單晶塊，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，原子無序排列。最先報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算薄膜應(yīng)變因子。該模型計算結(jié)果與試驗結(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)，他們擬認為晶粒邊界和耗盡區(qū)對應(yīng)變不敏感，結(jié)合晶粒的中性區(qū)和晶粒邊界勢壘區(qū)壓阻效應(yīng)，得出結(jié)論中性區(qū)壓阻效應(yīng)比勢壘區(qū)強一倍，薄膜晶粒度越小，勢壘區(qū)越大，壓阻效應(yīng)越弱。該理論被許多實驗證實。

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)主要來源于單晶晶粒，勢壘區(qū)電阻也會引起應(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)模型認為應(yīng)變引起熱電子發(fā)射電流變化，使勢壘區(qū)壓阻效應(yīng)增強。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，試驗表明晶粒間界勢壘區(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，勢壘區(qū)高度和寬度越小，勢壘區(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)有多晶硅模型沒有對納米尺寸效應(yīng)對壓阻特性影響。Schubert等人計算了隨機織構(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，實驗所得應(yīng)變因子為24.6。現(xiàn)有壓阻特性理論，晶粒越小，應(yīng)變因子越小，實驗對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等人對膜厚50nm，晶粒度20nm多晶硅納米薄膜進行實際測試，測試應(yīng)變因子達到30以上。這表面現(xiàn)有的壓阻特性理論存在缺陷。近年來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)過實驗，多晶硅薄膜在重摻雜條件下，這種勢壘區(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

針對現(xiàn)有的多晶硅壓阻特性理論進行了LPCVD納米薄膜工藝試驗，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

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

驗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 實驗結(jié)果

經(jīng)上述工藝試驗，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，多晶硅納米薄膜晶粒較小，納米薄膜呈無定形狀態(tài)；當(dāng)沉積溫度高于600℃時，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度開始從無定性態(tài)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)。當(dāng)沉積溫度670度時，樣品晶粒度較大，沉積溫度620度時，晶粒度幾乎同670度近似，如此可見晶粒度與工藝薄膜沉積溫度無關(guān)。

多晶硅薄膜不同晶態(tài)結(jié)構(gòu)對薄膜的壓阻特性影響明顯。在高摻雜濃度時對該工藝薄膜進行壓阻特性測試。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納米薄膜進行了實驗和數(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)晶粒呈無定形態(tài)硅較多，對于淀積溫度為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)來說，多晶硅納米薄膜沉積溫度在620度時，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年代美國通用研究金屬上多晶硅應(yīng)變傳感器 ，實驗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單、靈敏度高和一定的高溫特性等特點。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)，重摻雜可將PNTF的GF提高到34，并且TCR及TCGF也會降低近一個數(shù)量級。為了解釋該現(xiàn)象，隧道壓阻模型被建立并得出重摻雜下晶界的壓阻系數(shù)要高于晶粒中性區(qū)的結(jié)論，其理論值與實驗結(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，重摻雜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)用價值。

參考文獻

[1]Malhaire C，Barbier D.Design of a polysilicon-on-insulator pressure sensor with original polysilicon layout for harsh environment . Thin Solid Film，2003，427 ：362.

[2]吳嘉麗，李仁鋒，譚剛，等.LPCVD多晶硅薄膜制備技術(shù)；第六屆全國表面工程學(xué)術(shù)會議論文集.2006：439-441.

[3]Liu Xiaowei，Huo Mingxue，Chen Weiping，et al.“Theoretical research on piezoresistive coefficients of polysilicon films”.Chinese Journal of semiconductors，2004，25（3）：292.

[4]揣榮巖，劉曉為，霍明學(xué)等.摻雜濃度對多晶硅納米薄膜應(yīng)變系數(shù)的影響[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2006，27（6）：25-30.

[5]揣榮巖，劉曉為，潘慧艷等.不同淀積溫度多晶硅納米薄膜的壓阻特性[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19（5）：1810-1814.

[6]Xiaowei Liu，Xuebin Lu，Rongyan Chuai，Huiyan Pan，Xilian Wang，Jinfeng Li，“The influence of doping concentration on piezoresistive temperature characteristics of polysilicon nanofilms，” in Proc. of SPIE，6423，Harbin，2007，pp. 2NI-2N7.

[7]Xiaowei Liu，Rongyan Chuai，Minghao Song，Huiyan Pan，Xiaowei Xu，“The influences of thickness on piezoresistive properties of poly-si nanofilms，”in Proc. of SPIE，6186（3-4），Strasbourg，2006，pp. OVlOV9.

作者簡介：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)工作于中國電子科技集團公司第四十九研究所；從事力學(xué)量傳感器研究，完成軍事新品項目，參與型譜項目，軍事預(yù)研項目數(shù)項。