基于碳化硅的高溫壓力傳感器芯片在國內(nèi)的研究進(jìn)展

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 任向陽 張治國 劉宏偉 祝永峰 賈文博

碳化硅材料憑借其具有一定的壓阻效應(yīng)、較大的帶隙、較強(qiáng)的抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，在壓力傳感器領(lǐng)域有不錯(cuò)的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于高溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕等硅材料無法勝任的極端惡劣的環(huán)境中。本文以國內(nèi)碳化硅高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀為背景，簡單介紹幾種不同結(jié)構(gòu)類型的碳化硅高溫壓力傳感器。

傳統(tǒng)的壓力傳感器依靠彈性元件的形變來測量介質(zhì)的壓力，具有尺寸大、精度差的缺點(diǎn)；而以單晶硅為壓敏電阻的壓力傳感器，具有集成度高，高靈敏度的特點(diǎn)，并且可以電信號(hào)的形式輸出，是最為經(jīng)典的一種結(jié)構(gòu)。常規(guī)的單晶硅壓力傳感器的敏感電阻與硅襯底以PN結(jié)進(jìn)行隔離，在低溫（-25～100℃）范圍得到了廣泛的應(yīng)用，但是在高于120℃時(shí)，由于PN結(jié)產(chǎn)生漏電，會(huì)導(dǎo)致傳感器性能失效。

為了解決更高溫度的需求，出現(xiàn)了多種不同材料的壓力傳感器，比如多晶硅、絕緣體上硅（SOI）、藍(lán)寶石上硅（SOS）、金剛石等壓力傳感器。而目前使用最廣泛的高溫壓力傳感器以SOI為主，這種結(jié)構(gòu)以頂層硅為器件層，與底層硅中間隔以氧化層，這種芯片的性能穩(wěn)定，可靠性好，使用溫度可達(dá)到480℃；多晶硅壓力傳感器是在多晶硅薄膜上形成壓敏電阻，中間以SiO2進(jìn)行隔離，工作溫度能達(dá)到200℃左右，但是由于復(fù)合膜結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)不匹配，會(huì)引起附加應(yīng)力的問題；藍(lán)寶石上硅（SOS）壓力傳感器采用介質(zhì)隔離，最高工作溫度可以達(dá)到350℃，但是其工藝復(fù)雜、成本較高、長期穩(wěn)定性不好；金剛石壓力傳感器工藝難度較大，而且難形成歐姆接觸，同時(shí)在高于500℃時(shí)，硅襯底會(huì)發(fā)生塑性形變，工作溫度相比較于SOI難有較大提升。

1 碳化硅材料

1.1 碳化硅材料的優(yōu)點(diǎn)

碳化硅（SiC）為一種多體材料，目前已知的結(jié)構(gòu)高達(dá)200多種。SiC在壓力傳感器領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。其一，碳化硅本身具有一定的壓阻效應(yīng)，能滿足于壓力傳感器的最基本要求；其二，碳化硅材料有高于硅2-3倍的帶隙，至少強(qiáng)于硅4倍的抗中子輻射能力，具有相對(duì)較好的高溫穩(wěn)定性和抗輻射性能；其三，Si-C鍵鍵能很強(qiáng)，有良好的耐腐蝕能力；其四，碳化硅材料不融化，而是在高于3000℃時(shí)直接升華，其耐高溫性能顯著，等等。由此可見，SiC壓力傳感器有希望代替硅壓力傳感器應(yīng)用于高溫、輻射、強(qiáng)腐蝕等極端惡劣的環(huán)境中。

1.2 碳化硅材料的壓阻效應(yīng)

半導(dǎo)體在應(yīng)變作用下，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使載流子在這些能帶中重新分布，進(jìn)而導(dǎo)致載流子有效質(zhì)量、遷移率以及導(dǎo)電率的變化，這就是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理。

Eickhoff等人通過在Si和SiO2上選擇性生長3C-SiC，得到很好地效果，經(jīng)測得其應(yīng)變系數(shù)在室溫下約為-18，隨著溫度上升到200℃，其應(yīng)變系數(shù)變?yōu)?10。Phan等人通過大量的數(shù)據(jù)整理總結(jié)出：與單晶SiC相比，多晶SiC的應(yīng)變系數(shù)相對(duì)較小，而n型3C-SiC在[100]方向具有最大的應(yīng)變系數(shù)，p型3C-SiC在[110]方向具有最顯著的壓阻效應(yīng)。

1.3 SiC壓力傳感器

近年來，國內(nèi)外對(duì)碳化硅高溫壓力傳感器的研究不斷深入，取得了不錯(cuò)的成果，而國外的SiC壓力傳感器的研制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。據(jù)報(bào)道，美國NASA和Kulite在1996年已經(jīng)完成6H-SiC的研制工作，工作溫度為26-260℃，隨著不斷地改進(jìn)，目前已經(jīng)完成800℃的試驗(yàn)，同時(shí)也解決了長時(shí)間的高溫歐姆接觸問題；20世紀(jì)90年代，Ziermann等人開發(fā)了3C-SiC壓力傳感器，其芯片在400℃時(shí)成功的進(jìn)行了測試。

SiC壓力傳感器工藝條件比較苛刻，比如，由于其強(qiáng)耐腐蝕性能，在制備全SiC壓力傳感器時(shí)，背面腔體的制作往往需要干法刻蝕工藝，結(jié)果還會(huì)導(dǎo)致與設(shè)定的量程有一定出入，小量程芯片不易制備；在摻雜方面，如果采用離子注入方式，其退火溫度往往需要1600℃以上，而如果采用競位外延摻雜方式，又會(huì)面臨摻雜濃度不高（1016～1019cm-3）的情況；另外，由于3C-SiC與Si晶格失配度達(dá)到20%左右，如果在硅襯底制備3C-SiC薄膜還會(huì)面臨晶格失配的問題，導(dǎo)致SiC內(nèi)部微管等缺陷的出現(xiàn)，降低器件性能等。

而國內(nèi)受限于設(shè)備和上述工藝難點(diǎn)，一直沒有很大的突破，而主要在攻克各種工藝技術(shù)，本文就國內(nèi)研究現(xiàn)狀為背景，對(duì)幾種常見結(jié)構(gòu)類型的SiC高溫壓力傳感器展開討論。

如圖1所示，其中a、c分別采用硅和SOI為襯底制備的單晶3C-SiC壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，采用Si/SiC的PN結(jié)隔離，相比較于圖1(a)，由于圖1(c)器件層下面的Si層比較薄，其漏電會(huì)更小，器件性能會(huì)更優(yōu)越。周作云教授課題組在2001年制備了圖1(a)所示結(jié)構(gòu)的傳感器芯片，采用鋁作為歐姆接觸的材料，測得在0～200℃的工作溫度范圍內(nèi)其溫度系數(shù)為5h10-4/℃ FS，滿量程輸出為80h(1f50%)，零點(diǎn)漂移 ≤ 0.2mV/h，具備較好的傳感器性能；圖1(b)是在二氧化硅層上制作的多晶SiC壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖，由于多晶SiC較小的壓阻效應(yīng)，其性能不如單晶SiC；圖1(d)是由6H-SiC制備的全碳化硅壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖，2011年清華大學(xué)王曉浩教授課題組曾進(jìn)行了這種壓力傳感器芯片的研制工作，在制備背面腔體方面采用先對(duì)SiC襯底減薄，再進(jìn)行干法刻蝕的工藝，用Ti/TiN/Pt制備歐姆接觸，最后測得比接觸阻率為8.42×10-4Ωcm2。

圖1 幾種常見的SiC傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖

2 應(yīng)用前景

隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)增，開發(fā)耐高溫、強(qiáng)腐蝕傳感器對(duì)于國防、軍事、工業(yè)生產(chǎn)等均具有非常重大的意義。隨著國內(nèi)SiC相關(guān)工藝技術(shù)的不斷提升，碳化硅在壓力傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。