多晶硅納米膜歐姆接觸特性的研究

崔虹云，張海豐，吳云飛，李祖君，王 超，董艷紅

（1.佳木斯大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007；2.黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著納米科技的迅速發(fā)展和人們對(duì)硅基薄膜材料的廣泛使用，采用硅基薄膜作為應(yīng)變敏感材料制成的半導(dǎo)體壓阻式壓力傳感器在軍事、航天、航空、汽車、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)以及人們生活所能接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用［1－2］。硅基薄膜憑借其良好的機(jī)械性能成為近年來半導(dǎo)體材料的研究熱點(diǎn)，而納米技術(shù)又是當(dāng)今科技發(fā)展中最活躍的領(lǐng)域之一，多晶硅納米薄膜（polysilicon nanofilms，PSNF）屬于納米材料的范疇，該薄膜材料具有應(yīng)變靈敏度高、溫度特性穩(wěn)定、制備技術(shù)成熟、可靠等優(yōu)于普通多晶硅薄膜的優(yōu)點(diǎn)，所以其在壓阻式壓力傳感器應(yīng)用中是一種極具前景的功能材料［3－6］。金屬和半導(dǎo)體的歐姆接觸，無論是對(duì)半導(dǎo)體器件性能還是對(duì)半導(dǎo)體物理特性的研究都非常重要，而本文制作成的傳感器的橋壁電阻變化量為千分之幾，即幾歐姆，因此，歐姆接觸（ohmic contact）直接影響到傳感器的精度、穩(wěn)定性與可靠性。文章對(duì)多晶硅納米膜歐姆接觸特性進(jìn)行研究，以獲取更加高的歐姆接觸特性，對(duì)其實(shí)用化有著非常重要的意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

以雙面拋光（100）厚度為400μm的單晶硅片作為襯底，清洗干凈后利用LPCVD在硅片正面淀積厚度為80nm的多晶硅納米薄膜，利用PECVD，在硅片正面淀積一層二氧化硅層，厚度為100nm；然后通過離子注入對(duì)多晶硅納米膜進(jìn)行硼摻雜，注入的劑量為3.8×1015cm－2。離子注入時(shí)很容易注入過深，多晶硅上淀積一層二氧化硅可以很好地控制注入深度，并且還可以作為多晶硅納米膜的保護(hù)層，正面光刻多晶硅，采用真空鍍膜機(jī)鍍鋁，厚度約1.9μm。光刻鋁引線，最后進(jìn)行合金化。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁歐姆接觸的表征

采用 D／max－rB旋 轉(zhuǎn) 陽 極 X 射 線 衍 射 儀（XRD）表征鋁金屬與多晶硅的界面，圖1給出了20min時(shí)不同退火溫度鋁與多晶硅接觸的XRD分析圖譜。圖2給出了450℃時(shí)不同退火時(shí)間的鋁與多晶硅接觸的XRD分析圖譜。從圖中可以看出，所制備的多晶硅樣品，具有微弱的Si（220）和（311）衍射峰；強(qiáng)度很高的Si（400）及Si（200）衍射峰是由單晶硅襯底產(chǎn)生的。由此可知，獲得的多晶硅納米薄膜絕大部分晶粒是隨機(jī)取向的。真空蒸鍍的Al膜具有（111）、（200）、（220）、（311）及（222）多個(gè)衍射峰，說明Al膜具有多晶結(jié)構(gòu)。

圖1 不同退火溫度鋁與多晶硅接觸的XRD分析

圖2 不同退火時(shí)間鋁與多晶硅接觸的XRD分析

2.2 測(cè)量結(jié)果

前期的實(shí)驗(yàn)尋找到450℃退火的最佳溫度，在450℃退火溫度的條件下，為了找到最佳的退火時(shí)間，分別對(duì)5min、20min和40min的退火時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)公式計(jì)算出比接觸電阻、方塊電阻和傳輸長(zhǎng)度，圖3給出了退火前和450℃不同時(shí)間的比接觸電阻率，從圖中可以看到，經(jīng)過5min的退火后接觸電阻率較退火前有了明顯改善，但結(jié)合圖4的Ⅰ－Ⅴ特性曲線，可看到雖已呈現(xiàn)出非整流特性，但不是要得到的非常好的歐姆接觸特性；當(dāng)時(shí)間增加到20min時(shí)，比接觸電阻率降低，對(duì)應(yīng)圖4的Ⅰ－Ⅴ特性曲線此時(shí)表現(xiàn)出好的歐姆接觸性能，構(gòu)成了線性關(guān)系；當(dāng)時(shí)間加到40min時(shí)，接觸電阻率有所上升，對(duì)應(yīng)的圖4的Ⅰ－Ⅴ特性曲線又表現(xiàn)出整流特性，由此可以說明，適當(dāng)?shù)耐嘶鸺夹g(shù)的應(yīng)用有利于改善歐姆接觸質(zhì)量，在這3個(gè)退火時(shí)間里20min是最佳的退火時(shí)間。

圖5中看到方塊電阻在退火后數(shù)值下降，約1kΩ，450℃時(shí)最低，接近真實(shí)值，退火前的方塊電阻過大，明顯偏離真實(shí)值。而圖6在450℃、不同時(shí)間的退火條件下，20min時(shí)方塊電阻明顯最低，接近真實(shí)值，這和上面得到的接觸電阻率的結(jié)論相吻合。

圖5 不同退火溫度方塊電阻的變化

圖7 給出了不同退火溫度傳輸長(zhǎng)度的變化，圖8給出了450℃退火溫度，不同退火時(shí)間傳輸長(zhǎng)度的變化。傳輸長(zhǎng)度是衡量電流在接觸區(qū)域的傳輸能力的物理量，是電極與半導(dǎo)體接觸的邊緣到電極內(nèi)部電流密度下降到初始總電流密度的1／e時(shí)所經(jīng)過的長(zhǎng)度，由圖可以看出由410℃時(shí)的20μm到450℃時(shí)15μm，傳輸長(zhǎng)度在變短，說明電流的傳導(dǎo)能力變強(qiáng)。

圖6 不同退火時(shí)間方塊電阻的變化

接觸電阻是指每個(gè)極板產(chǎn)生的電阻，盡量降低接觸電阻才能提高傳感器的性能，從圖9和圖10中可看到，隨著退火溫度和退火時(shí)間的變化，接觸電阻也在變化，在450℃、20min時(shí)大約為30Ω。

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)分析得到，溫度為450℃時(shí)不同退火時(shí)間下，多晶硅與金屬接觸界面的電學(xué)特性。通過分析得出在退火時(shí)間為20min時(shí)，比接觸電阻率降低到2.41×10－3Ω·cm，此時(shí)的Ⅰ－Ⅴ特性曲線表現(xiàn)出好的非整流特性，同時(shí)方塊電阻、傳輸長(zhǎng)度和接觸電阻數(shù)值都更符合提高傳感器性能的要求。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)和分析也得到單一金屬形成的歐姆接觸很難保證各方面性能的綜合提高，改進(jìn)歐姆接觸設(shè)計(jì)方案，可以嘗試Ti／Al／Ni／Au多層金屬設(shè)計(jì)等，從而獲取更低的歐姆接觸電阻率。

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