CN101819923A - 一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法，该方法主要由氧化工艺、多晶淀积工艺、钝化工艺、局部离子注入工艺和退火工艺组成。该发明目的旨在采用局部注入技术，制作出具有应变系数大、温度系数小、薄膜均匀、内应力小、不存在侧面腐蚀和工艺一致性好等特点的多晶硅纳米薄膜应变电阻。该方法所述薄膜可淀积在半导体硅、玻璃、陶瓷、金属等各种衬底上，易于加工、适合批量生产、成本低，有利于拓宽应用领域。对于制造高灵敏、低温漂、宽工作温度范围的低成本压阻式力敏传感器具有重要的应用价值。

Description

一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法

一、技术领域：本发明涉及微电子和MEMS领域，具体指一种应变电阻的制作方法。

二、背景技术：常用的应变电阻以半导体应变电阻和金属应变电阻为主，半导体应变电阻具有灵敏度高和温度特性差的特点，金属应变电阻具有温度特性好但灵敏度低的特点。由于MEMS技术的迅速发展，半导体压力传感器得到广泛应用，半导体压力传感器按照材料和工艺主要分为：扩散硅压力传感器、多晶硅压力传感器、SOI(Silicon on Insulator)单晶硅压力传感器等。上述三种传感器性能各异，扩散硅压力传感器工艺成熟、造价低、灵敏度高、但高温特性不佳；多晶硅压力传感器造价低、高温特性好，但灵敏度较前者低；SOI压力传感器灵敏度高、高温特性好，但造价高。多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器具有造价低、灵敏度高、高温特性好等性能。

多晶硅纳米薄膜是膜厚接近或小于100纳米的多晶硅纳米薄膜(普通多晶硅薄膜一般厚度在200纳米以上)。实验发现这种材料具有良好的压阻特性，是极具应用前景的半导体功能材料。与常规的金属或单晶硅压阻材料相比，多晶硅纳米薄膜具有以下特点：

(1)与IC工艺兼容性好。

(2)薄膜与衬底绝缘性好。不存在p-n结隔离问题，具有良好的高温压阻特性。

(3)薄膜可淀积在诸如玻璃、陶瓷、金属等各种衬底上，易于加工、适合批量生产、成本低，有利于拓宽应用领域。

(4)应变灵敏度高，应变因子(GF)一般可达到单晶硅的60％左右。重掺杂情况下，多晶硅纳米薄膜的GF比单晶硅更高。

目前，中国专利公开号CN1316770、CN2228226，名称为“多晶硅薄膜的制造方法”和“多晶硅膜微压传感器”的申请案，特征是其制备的多晶硅薄膜整体掺杂后采用光刻技术刻蚀掉其余部分制成多晶硅薄膜电阻。刻蚀电阻不仅增加了工艺的复杂性，而且存在侧面腐蚀和工艺一致性不好等问题。

三、发明内容：

1、发明目的：本发明的目的是提出一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法，该方法能够制作出具有应变系数大、温度系数小、薄膜均匀、内应力小、不存在侧面腐蚀和工艺一致性好等特点的多晶硅纳米薄膜应变电阻。

2、技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法，其特征在于：该方法由氧化工艺、多晶淀积工艺、钝化工艺、局部离子注入工艺和退火工艺组成，具体步骤以下：

(1)氧化工艺：在衬底和多晶硅纳米薄膜间热氧化生长一层二氧化硅膜作为隔离层，厚度为0.5～1μm，工艺过程为传统氧化工艺；

(2)多晶淀积工艺：多晶淀积工艺采用低压化学气相淀积或等离子增强化学气相淀积技术生成本征多晶硅纳米薄膜，SiH₄流量为50ml/min，反应室气压控制在45～50Pa，温度为620℃，膜厚为80～100nm；

(3)钝化工艺：钝化工艺为采用等离子增强化学气相淀积或低压化学气相淀积，即PECVD或LPCVD技术淀积二氧化硅或氮化硅，厚度为100～200nm；

(4)局部离子注入工艺：采用光刻掩模技术形成离子注入窗口，进行硼注入实现局部离子注入工艺；

(5)退火工艺：退火工艺温度为1080℃，时间为30min。

在步骤(4)中采用离子注入技术进行硼掺杂，能量为20kev，剂量为2.3×10¹⁵cm^-2。

3、优点及效果：本发明在气相淀积技术淀积一层本征多晶硅纳米薄膜、然后利用光刻掩模技术实现局部离子注入形成应变电阻，其余部分仍为本征多晶硅纳米薄膜可视为绝缘体。避免了通过光刻多晶硅形成应变电阻的工艺，消除了侧面腐蚀，提高了工艺一致性。

四、附图说明：

图1是室温下应变因子与掺杂浓度关系的测试结果；

图2是室温下多晶硅纳米薄膜纵向应变因子与膜厚的关系；

图3是多晶硅纳米薄膜的TCGF与掺杂浓度的关系曲线；

图4是多晶硅纳米薄膜的温度系数与掺杂浓度的关系曲线；

图5是多晶硅纳米薄膜的电阻率与掺杂浓度的关系曲线；

图6是多晶硅纳米薄膜的电阻率与膜厚的关系曲线；

图7是应变电阻分布图；

图8是差动全桥电路图；

图9是多晶硅纳米薄膜压力传感器工艺流程；

图10是多晶硅纳米薄膜压力传感器结构剖面图；

图11是多晶硅纳米薄膜压力传感器电阻布线图。

五、具体实施方式：

本发明公开一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法，该方法能够制作出具有应变系数大、温度系数小、薄膜均匀、内应力小、不存在侧面腐蚀和工艺一致性好等特点的多晶硅纳米薄膜应变电阻。

本发明的目的是这样实现的：

该方法主要由氧化工艺或其他形成绝缘层方法、多晶淀积工艺、钝化工艺、局部离子注入工艺和退火工艺组成。氧化工艺是生成二氧化硅作为衬底和多晶硅纳米薄膜间的绝缘层，多晶淀积工艺采用低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)技术生成本征多晶硅纳米薄膜，钝化工艺是淀积一层二氧化硅或氮化硅薄膜，作用是形成多晶硅纳米薄膜的保护层，增加多晶硅纳米薄膜的稳定性，局部离子注入工艺是在光刻掩模后掺杂制备应变电阻。退火工艺是为了激活掺入的杂质。

通常用压阻系数π和应变因子G来描述半导体压阻效应，它们分别代表了压阻材料在单位应力或应变作用下电阻率和电阻值的相对变化。在载荷分布均匀且不存在剪切应力的情况下，薄膜电阻受到薄膜平面内任意方向的应力或应变的作用下，电阻率和电阻值的相对变化可以表示为：

Δρ/ρ＝π_lσ_l+π_tσ_t

ΔR/R＝G_lε_l+G_tε_t

其中R为无应力作用时的电阻值，ΔR为应力(应变)所引起的电阻变化，σ_l和σ_t分别为电阻受到的纵向和横向应力，ε_l和ε_t分别为电阻受到的纵向和横向应变，π_l和π_t分别为纵向和横向压阻系数，G_l和G_t分别为纵向和横向应变因子。应变因子和压阻系数关系为：

G＝1+2υ+πY

式中υ是泊松比。

应变电阻应变因子与掺杂杂质浓度和膜厚关系曲线如图1和图2，其中图1的横轴代表参杂浓度，单位cm^-3；纵轴代表应变因子。图2的横轴代表膜厚，单位rm；纵轴代表纵向应变因子。

多晶硅纳米薄膜的应变因子温度系数(TCGF)。TCGF的计算公式为：

$\mathrm{TCGF}=\frac{({\mathrm{GF}}_{T_1}-{\mathrm{GF}}_{T_0})}{{\mathrm{GF}}_0(T_1-T_0)}$

式中

是温度为T₀时应变因子，

是温度为T₁时的应变因子。多晶硅纳米薄膜的TCGF与掺杂浓度的关系曲线如图3，其中横轴代表参杂浓度，单位cm^-3；纵轴代表应变因子温度系数，单位％/℃。

电阻率温度系数的计算公式为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}}=\frac{({\mathrm{\ρ}}_{T_1}-{\mathrm{\ρ}}_{T_0})}{{\mathrm{\ρ}}_0(T_1-T_0)}$

式中

是温度为T₀时电阻率，是温度为T₁的电阻率。多晶硅纳米薄膜的温度系数与掺杂浓度的关系曲线如图4，其中横轴代表参杂浓度，单位cm^-3；纵轴代表温度系数，单位％/℃。

多晶硅纳米薄膜的电阻率与掺杂浓度和膜厚的关系曲线如图5和图6。其中图5的横轴代表参杂杂质浓度，单位cm^-3；纵轴代表多晶硅薄膜电阻率，单位Ω·cm。图6的横轴代表薄膜厚度，单位rm；纵轴薄膜电阻率，单位Ω·cm。

根据上述实验结果，给出了LPCVD多晶硅纳米薄膜具有最佳压阻特性的关键性技术条件：淀积温度620℃左右；掺杂浓度3×10²⁰cm^-3附近；膜厚80-100nm。在此条件下，应变因子GF可达到34，比普通多晶硅纳米薄膜高25％以上；电阻温度系数TCR可小于10^-4/℃，比普通薄膜小接近一个数量级；应变因子温度系数TCGF可小于10^-3/℃，比普通薄膜小一倍以上。

为了实现多晶硅纳米薄膜应变电阻，具体工艺条件为：氧化工艺为二氧化硅层通过热氧化的方法来生成，厚度为0.5～1μm，工艺过程为传统氧化工艺。多晶硅淀积工艺采用LPCVD技术，SiH₄流量为50ml/min，反应室气压控制在45～50Pa，温度为620℃，膜厚为80～100nm。钝化工艺为采用PECVD技术淀积二氧化硅或氮化硅，厚度为100～200nm。局部离子注入工艺为采用光刻掩模技术形成应变电阻窗口，为了准确控制掺杂浓度，采用离子注入技术进行硼掺杂，能量为20kev，剂量为2.3×10¹⁵cm^-2。退火工艺温度为1080℃，时间为30min。

在实际应用中多晶硅应变电阻的尺寸计算方法为：

假设多晶硅纳米薄膜厚度d＝90nm，受主杂质浓度N_A＝3×10²⁰cm^-3多晶硅电阻率ρp和方块电阻Rs为：

ρ_p＝15.65×exp(-1.73×10^-19×N_A)+0.014＝0.014Ω·cm

$R_S=\frac{\mathrm{\ρ}}{d}1555\mathrm{\Ω}$

设薄膜的单位面积最大允许功耗为P_M＝5×10^-3W/μm²，则

$P=\frac{I^{2}R}{\mathrm{LT}}=\frac{I^2\mathrm{\ρL}}{\mathrm{LTdT}}=\frac{I^2\mathrm{Rs}}{T^2}$

P＝P_M

其中，L为电阻的长度；T为电阻的宽度；d为电阻的厚度，R_S为方块电阻。

多晶硅单位宽度允许通过的最大电流为：

$I_M={\left(\frac{P_M}{R_S}\right)}^{\frac{1}{2}}=1.79\mathrm{mA}/\mathrm{\μm}$

设计的电阻为R，得测量电流一般为I＝E/R，所以薄膜电阻的宽度T≥I/I_M。

$R=\mathrm{Rs}\frac{L}{T}$

$L=\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{Rs}}$

多晶硅纳米薄膜应变电阻应用在压阻式力敏传感器中，以一种半导体压阻式压力传感器为例说明多晶硅纳米薄膜应变电阻应用实施方案：

采用p型(100)硅片制作矩形硅杯。四个薄膜电阻(R1、R2、R3、R4)对称地分布在纵向应变最大的位置，如图7所示，1为膜片，2为硅杯，图中坐标原点在硅杯中心，Y轴(<1-10>晶向)为膜片长边对称轴，电阻纵向沿X轴(<110>晶向)分布。差动电桥电路如图8所示，图中E为电源电压，U为桥路输出电压。

工艺流程如图9，3为硅片氧化，4为背面生长氮化硅，5为淀积多晶硅，6为钝化，7为光刻应变电阻窗口，8为局部例子注入参杂，9为退火，10为正面蒸铝，11为背面蒸铝，12为背面硅杯窗口刻蚀，13为正面黑漆保护，14为硅杯刻蚀，15为去除背面掩膜层，16为背面真空键和，17为反刻铝，18为钝化，19为光刻引线孔。

传感器结构剖面如图10所示，20为铝，21为多晶硅，22为硅，23为氮化硅，24为二氧化硅。

电阻布线如图11所示，25为保护环，26为电源端，27为输出端，28为低端，29为多晶硅纳米薄膜电阻。

首先在衬底上热氧化生长一层SiO2膜作为隔离层，然后用LPCVD法淀积多晶硅。硼掺杂后，用光刻技术制成如图7所示的4个多晶硅电阻，采用氮化硅作各向异性腐蚀的掩蔽膜，最后利用真空镀膜和光刻技术将4个多晶硅应变电阻连接成差动全桥。用静电封接技术将芯片封焊在与硅热膨胀系数相近的玻璃上，最后封装在不锈钢管座上。

Claims (2)

1.一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法，其特征在于：该方法由氧化工艺、多晶淀积工艺、钝化工艺、局部离子注入工艺和退火工艺组成，具体步骤以下：

(1)氧化工艺：在衬底和多晶硅纳米薄膜间热氧化生长一层二氧化硅膜作为隔离层，厚度为0.5-1μm，工艺过程为传统氧化工艺；

(2)多晶淀积工艺：多晶淀积工艺采用低压化学气相淀积或等离子增强化学气相淀积技术生成本征多晶硅纳米薄膜，SiH₄流量为50ml/min，反应室气压控制在45～50Pa，温度为620℃，膜厚为80～100nm；

(3)钝化工艺：钝化工艺为采用等离子增强化学气相淀积或低压化学气相淀积，即PECVD或LPCVD技术淀积二氧化硅或氮化硅，厚度为100～200nm；

(4)局部离子注入工艺：采用光刻掩模技术形成离子注入窗口，进行硼注入实现局部离子注入工艺；

(5)退火工艺：退火工艺温度为1080℃，时间为30min。

2.根据权利要求1所述一种多晶硅纳米薄膜应变电阻的制作方法，其特征在于：在步骤(4)中采用离子注入技术进行硼掺杂，能量为20kev，剂量为2.3×10¹⁵cm^-2，掺杂浓度采用LSS理论计算约为2.3×10²⁰cm^-3。

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