多晶硅納米薄膜鈍化機(jī)理研究

陸學(xué)斌　于斌　楊兵

摘 要：多晶硅納米薄膜具有優(yōu)良的壓阻和溫度特性，作為壓敏電阻材料能夠用于壓阻式傳感器的制備。為了提高傳感器的穩(wěn)定性并保證長期高效性，需要對(duì)多晶硅納米薄膜壓敏電阻進(jìn)行鈍化保護(hù)。本文制備了厚度為90nm的多晶硅納米薄膜，在薄膜樣品表面制備了SiO2和Si3N4兩種介質(zhì)薄膜作為鈍化膜，鈍化膜厚度均為200nm。測(cè)量了帶有兩種介質(zhì)鈍化薄膜的半導(dǎo)體材料的有效少子壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Si3N4的鈍化效果由于SiO2的鈍化效果。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和鈍化機(jī)理進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可用于多晶硅納米薄膜壓敏電阻的鈍化保護(hù)，提高傳感器的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：多晶硅納米薄膜;鈍化機(jī)理;壓阻式傳感器

多晶硅材料是一種特殊的半導(dǎo)體材料，和單晶硅相比較，其原子排列短程有序。在上個(gè)世紀(jì)五十年代，多晶硅的作用主要是作為中間介質(zhì)用于生產(chǎn)單晶硅，即石英砂--多晶硅--單晶硅。從上個(gè)世紀(jì)六十年代開始，人們發(fā)現(xiàn)多晶硅具有壓阻特性，可用于壓阻式傳感器的制備。從此，多晶硅薄膜逐漸被應(yīng)用于傳感器、集成電路和太陽能光伏轉(zhuǎn)換領(lǐng)域[1-3]。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究多晶硅納米薄膜（厚度小于100nm）的壓阻特性，研究結(jié)果表明，多晶硅納米薄膜能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的壓阻特性[4]。而且不需要PN結(jié)隔離，多晶硅納米薄膜已成功應(yīng)用于各種壓阻式傳感器的壓力敏感材料[5-6]。

由于多晶硅納米薄膜厚度很小，表面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此需要對(duì)其進(jìn)行鈍化保護(hù)。為了能夠利用多晶硅納米薄膜制作壓阻傳感器，同時(shí)提高傳感器的穩(wěn)定性，本文開展了介質(zhì)薄膜表面鈍化工藝的研究。本文利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝制備了兩種鈍化膜：SiO2鈍化膜和Si3N4鈍化膜，鈍化膜的厚度均為200nm;對(duì)有效少子壽命進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和鈍化機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 多晶硅納米薄膜樣品制備

選用厚度為510μm、<111>晶向的單面拋光單晶硅作為襯底材料，使用熱氧化方法制備厚度為860nm的氧化層（二氧化硅）。在氧化層上，制備了厚度為90nm的多晶硅納米薄膜，淀積溫度620℃。利用離子注入設(shè)備完成多晶硅納米薄膜的摻雜，注入能量為20KeV，硼離子的注入劑量為1.2×1015cm-2[7]。根據(jù)硼離子在硅中的固溶度可知，多晶硅納米薄膜的摻雜濃度為1.0×1020cm-3[7]。為了使硼離子進(jìn)入到替位位置并具有電活性，多晶硅納米薄膜樣品在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下，在1080℃高溫下退火半小時(shí)。

1.2 鈍化薄膜制備

本文在多晶硅納米薄膜表面制備了兩種鈍化膜：SiO2鈍化膜和Si3N4鈍化膜，厚度均為200nm。通過淀積速率和淀積時(shí)間來控制薄膜的厚度。

SiO2鈍化膜的制備：利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.1Pa，功率為350瓦，襯底溫度為300℃，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

（1）

Si3N4鈍化膜的制備：利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，功率為350瓦，襯底溫度為300℃，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

（2）

1.3 測(cè)試原理和方法

少子壽命和表面復(fù)合速率是評(píng)價(jià)半導(dǎo)體表面鈍化質(zhì)量的重要參數(shù)，通?？赏ㄟ^光電導(dǎo)分析法來測(cè)定上述參數(shù)[8]。

根據(jù)半導(dǎo)體理論可知，利用穩(wěn)態(tài)光源照射半導(dǎo)體，半導(dǎo)體中會(huì)生成光生電子--空穴對(duì)，從而引起少子濃度增加，在宏觀角度上表現(xiàn)為半導(dǎo)體材料附加電導(dǎo)率增加;當(dāng)穩(wěn)態(tài)光源撤銷后，電子和空穴發(fā)生復(fù)合，少子濃度減小，在宏觀角度上表現(xiàn)為半導(dǎo)體材料附加電導(dǎo)率減小。如果穩(wěn)態(tài)光源長時(shí)間照射半導(dǎo)體，光生電子--空穴的生成和復(fù)合之間最終會(huì)存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡[8，9]。

半導(dǎo)體材料的總復(fù)合電流可表示為：

Jre=Δnqt/τeff（3）

其中，Δn為平均剩余少子（電子）密度，q為電子電荷量，t為半導(dǎo)體材料厚度，τeff為有效少子壽命。

光照會(huì)使半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)變大，剩余光電導(dǎo)可表示為：

（4）

利用公式（3）和（4）可求得有效少子壽命：

（5）

微波光電導(dǎo)衰減法測(cè)量少數(shù)載流子壽命的過程如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 少子壽命

本文使用半導(dǎo)體多功能測(cè)試儀（Semilab WT-2000）利用微波光電導(dǎo)衰退法測(cè)試覆蓋兩種介質(zhì)鈍化膜的多晶硅納米薄膜樣品的有效少子壽命，測(cè)試儀器如圖2所示。Semilab

WT-2000能夠提供349nm、904nm、1064nm和1550nm等不同波長激光，適合Si、SiC、GaAs、CdZnTe和InGaAs等多種半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的測(cè)試。

通過微波光電導(dǎo)衰退法測(cè)試獲得了樣品的少子壽命映射結(jié)果，厚度為200nm SiO2鈍化膜樣品和厚度為200nm Si3N4鈍化膜的平均有效少子壽命分別為75μs和89μs。很明顯，Si3N4的鈍化效果優(yōu)于SiO2的的鈍化效果。

2.2 鈍化機(jī)理

多晶硅是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的半導(dǎo)體材料，其由單晶硅晶粒和晶粒間的晶界構(gòu)成。晶界結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常包括無序的原子層，在晶界處有高密度的缺陷和懸掛鍵。晶?？煽醋鲂尉Ч?，晶界的性質(zhì)可看作無定形態(tài)。非晶硅中的無定形態(tài)可以描述為間隙硅原子和空位的積累，多晶硅納米薄膜的晶界可認(rèn)為是連續(xù)的非晶層。而且多晶硅表面有大量的懸掛鍵，這些晶界的懸掛鍵與雜質(zhì)結(jié)合，形成有效的復(fù)合中心，嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體材料的少子壽命，因此實(shí)施表面鈍化是降低表面復(fù)合、提高少子壽命的重要措施。表面鈍化降低半導(dǎo)體的表面活性的主要方式就是使半導(dǎo)體表面處的懸掛鍵飽和，從而降低表面活性，減少由于雜質(zhì)在表面層的引入而形成的復(fù)合中心，以此來降低少數(shù)載流子的表面復(fù)合速度，提高少子壽命。

在半導(dǎo)體材料表面上生長一層氧化膜SiO2后，SiO2薄膜可以和多晶硅表面完美地結(jié)合在一起，鈍化這些表面態(tài)，消除了半導(dǎo)體材料表面的懸掛鍵，減少了表面復(fù)合中心，表面復(fù)合對(duì)少數(shù)載流子壽命的影響得以消除，使得少數(shù)載流子壽命得以提高[10]。SiO2的鈍化機(jī)理主要體現(xiàn)在對(duì)多晶硅表面態(tài)的鈍化。

Si3N4對(duì)多晶硅薄膜的鈍化包括表面鈍化和內(nèi)部鈍化。其表面鈍化的機(jī)理和SiO2相同，消除了多晶硅表面的懸掛鍵，減少了表面復(fù)合中心;內(nèi)部鈍化作用主要是來源于氫元素的鈍化。Si3N4薄膜中富含的氫元素能對(duì)半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷（晶界）進(jìn)行鈍化，氫原子在室溫下總是以復(fù)合體的形式存在于半導(dǎo)體材料中，少量的氫原子就能中和半導(dǎo)體中的缺陷和雜質(zhì)，形成一些電中性的復(fù)合體，從而鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性;氫元素還能和位錯(cuò)上的懸掛鍵集合，達(dá)到去除位錯(cuò)電活性的目的。尤其等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝屬于低溫工藝，Si3N4薄膜中氫元素含量較多，所以鈍化效果較好。

SiO2對(duì)半導(dǎo)體材料的鈍化主要體現(xiàn)在對(duì)材料表面的鈍化，而Si3N4的鈍化不單單體現(xiàn)在對(duì)半導(dǎo)體材料表面的鈍化，還體現(xiàn)在對(duì)半導(dǎo)體材料內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷的鈍化，所以，二者相比較，Si3N4的鈍化效果好于SiO2的鈍化效果，應(yīng)優(yōu)先選用Si3N4薄膜作為鈍化膜。

3 結(jié)論

本文在多晶硅納米薄膜樣品表面分別制備了兩種鈍化膜，測(cè)試了樣品的有效少子壽命，分析了鈍化機(jī)理。少子壽命測(cè)試結(jié)果表明，Si3N4鈍化膜的鈍化效果優(yōu)于SiO2鈍化膜。本文提供的鈍化膜制作流程可用于多晶硅納米薄膜傳感器的鈍化保護(hù)，提高其穩(wěn)定性。

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基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.F2018018，F(xiàn)2018020）