本科毕业论文对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究.docx
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本科毕业论文对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究
硕士学位论文
(工程硕士)
对多晶硅纳米薄膜电学修正特性的研究
ResearchonelectricaltrimmingcharacteristicsPROPERTIESOFPolysiliconNanofilmS
2010年6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
(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:
导师:
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:
授予学位单位:
哈尔滨工业大学
ClassifiedIndex:
TN432
U.D.C.:
621.3.049.774
ADissertationfortheMaster'sDegreeofEngineering
ResearchonelectricaltrimmingcharacteristicsPROPERTIESOFPolysiliconNanofilmS
Candidate:
Wuxuan
Supervisor:
Prof.liuxiaowei
AcademicDegreeAppliedfor:
MasterofEngineering
Speciality:
MicroelectronicsandSolid-State
Electronics
Affiliation:
Departmentofmicroelectronic
Scienceandtechnology
DateofDefence:
June,2010
Degree-Conferring-Institution:
HarbinInstituteofTechnology
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:
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
Abstract
Duetotheirfavorablepiezoresistivepropertiesandgoodtemperaturestability,polysiliconnanofilmshavebeenappliedinpiezoresistivesensingdevices.Inordertoimprovetheresistancematchingofsensorsafterfabrication,itisnecessarytoperformresistortrimming.Theelectricaltrimmingisaneffectivemethodofcorrectingresistanceerrorandmismatch.Therefore,inthispaper,westudytheelectricaltrimmingcharacteristicsofpolysiliconnanofilm(PSNF)resistors.
Forthesamplepreparation,PSNFweredepositedonthermallyoxidizedSisubstratesbyLowPressureChemicalVaporDeposition(LPCVD).PSNFsweredopedheavilyatdifferentdosesbyboronion-implantationanddepositedatdifferenttemperatureanddepositedatdifferentthicknesses.ThemicrostructureofPSNFwascharacterizedbyscanningelectronmicroscope(SEM),X-raydiffraction(XRD)andtransmissionelectronmicroscope(TEM).
ThentheresistancechangesoftrimmedresistorsweremeasuredafteraseriesofincrementalDCcurrenthigherthanthethresholdcurrentdensityisapplied.UsethismethodtestthePSNFswithdifferentdopingconcentrations,differentthicknessesanddifferentdepositiontemperature.Thenwewillanalyzetheinfluenceofelectricaltrimmingcharacteristicstopiezoresistivecharacteristicsaswellastemperaturecharacteristics.
Inthispaper,weestablishinterstitial-vacancy(IV)model,itisconsideredthatthephenomenonofelectricaltrimmingisduetotherecombinationofIVpairsatgrainboundariesundertheenergyexcitationofJouleheatgeneratedbyhighcurrentconduction.Basedonthemodel,thephenomenonofelectricaltrimmingwillbeexplainedelectricity
Theexperimentalresultsindicatethatelevatingdopingconcentrationcanimprovethetrimmingaccuracyanddecreasethetrimmingrate;thetrimmingaccuracyandstabilityofdirectlydepositedPSNFsaresuperiortotherecrystallizedones.So,itisgainedthatreducingamorphousphasesatgrainboundariesbyoptimizingdepositiontemperaturecanimproveETcharacteristicsofPSNFs.Therefore,itisimportanttostudyelectricaltrimmingafterdevicepackaging.
Throughtheexperimentandthetheoryanalysis,wecanfoundthemostappropriateparameterappliesinpiezoresistivesensingdevices.Theseparameteristhat:
thethicknessofPSNFsis90nm,thedopingdensityis3.0×1020cm-3andthedepositiontemperatureis620℃.
Keywords:
polysiliconnanofilm,electricaltrimming,interstitial-vacancymodel,depositiontemperature,dopingconcentrations
目录
摘要I
AbstractII
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
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
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。
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。
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]。
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(excesstrimmingandrestoration)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=Atα(A,α为常数,t为修正时间)。
由于α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],
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
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