金剛石高溫壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)與研究

賈文博，張治國(guó)，李永清，祝永峰，任向陽(yáng)

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110043)

0 引言

傳統(tǒng)的硅基壓力傳感器工作溫度不能高于150 ℃，即使選擇了SOI材料，工作溫度也難以超過(guò)300 ℃[1-2]。與此同時(shí)，高溫壓力傳感器在市場(chǎng)上的需求以每年10%～32%的速度增長(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于電力、石油、航空航天等領(lǐng)域[3-4]，前景廣闊。

在高溫壓力傳感器芯片領(lǐng)域，研究的熱點(diǎn)多集中在SiC基壓力傳感器芯片[5-6]。雖然作為第三代半導(dǎo)體，SiC材料性能優(yōu)異，適于制作高溫壓力傳感器芯片，但是它并不是制作高溫壓力傳感器芯片的唯一材料。從材料的特性來(lái)看，金剛石也具備較大潛力。

SiC是高溫壓阻材料，但它的最大靈敏度因子在300 ℃時(shí)僅有 30，而摻硼金剛石膜壓阻靈敏度因子在300 ℃時(shí)可達(dá) 700以上[7]。所以，摻硼金剛石膜是除了碳化硅外，高溫、高輻射、強(qiáng)腐蝕環(huán)境應(yīng)用的壓力傳感器理想材料。在1996年，M. Deguchi等研究了P型金剛石的壓阻特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明P型金剛石的壓阻系數(shù)可以超過(guò)1 000；1997年，W. L. Wang與X. Jiang[8]從實(shí)驗(yàn)的角度研究了P型摻雜多晶金剛石的壓阻特性，其壓阻系數(shù)可超過(guò)800，并且隨著摻雜濃度的增加而增加。1999年、2000年方亮、王萬(wàn)錄等提出了價(jià)帶分裂模型，從理論上說(shuō)明了金剛石的高壓阻系數(shù)的來(lái)源[9-10]，而這種模型也是被接受最多的模型。1998年，L. Davis，K. Holmes等設(shè)計(jì)了一款金剛石壓力傳感器芯片，其設(shè)計(jì)的芯片最高工作溫度達(dá)到了680 ℃[11]，也是所有報(bào)道中工作溫度最高的。2003年，河北工業(yè)大學(xué)的楊保和[7]利用多晶金剛石作為膜片，在膜片上生長(zhǎng)P型金剛石的方法，制備出了金剛石壓力傳感器芯片，但是其靈敏度較低，線性程度較差，沒(méi)有發(fā)揮出金剛石材料的優(yōu)勢(shì)。2004年，A.Yamamoto[12]等利用了同樣的方法制作出了金剛石壓力傳感器芯片，得到了類似的結(jié)果，金剛石的材料優(yōu)勢(shì)依然沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。在眾多文獻(xiàn)中，理論研究和實(shí)驗(yàn)均已經(jīng)證明P型金剛石的壓阻系數(shù)很大，禁帶寬度大，機(jī)械性能好，適合制作高溫壓力傳感器，但是實(shí)際制作的器件卻均沒(méi)有發(fā)揮出金剛石材料的優(yōu)異性能。本研究設(shè)計(jì)了一種全新的金剛石高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)金剛石壓力傳感器非線性表現(xiàn)較差的問(wèn)題，并有望在今后成為繼碳化硅之后又一款高性能的高溫壓力傳感器芯片。

1 金剛石壓力傳感器芯片原理

金剛石材料的性質(zhì)比較適合制作高溫壓力傳感器芯片，其他半導(dǎo)體材料與金剛石的對(duì)比如表1所示

表1 金剛石主要材料性能對(duì)比

金剛石壓力傳感器芯片選擇壓阻式結(jié)構(gòu)，其基本原理如下。

金剛石與硅都具有金剛石結(jié)構(gòu)，其能帶可以如式(1)表示：

(1)

式中：h為普朗克常量；m0為電子有效質(zhì)量；A、B、C為常數(shù)；k為波矢；kx、ky、kz為沿著X、Y、Z方向波矢的分量。

對(duì)于一個(gè)k值，價(jià)帶分裂為3支，按照對(duì)應(yīng)的有效質(zhì)量分別稱為重空穴、輕空穴和分裂帶。由于當(dāng)k=0時(shí)分裂帶最不易發(fā)生躍遷，故以下主要對(duì)輕重空穴進(jìn)行研究。當(dāng)材料發(fā)生各向異性的形變時(shí)，破壞了晶格場(chǎng)的對(duì)稱性，輕重空穴的價(jià)帶頂分別向相反的方向位移，使輕重空穴的簡(jiǎn)并消除。此時(shí)應(yīng)變?cè)趦r(jià)帶頂引起的能量改變?yōu)?/p>

ΔEV=EVε-EV0=A±EV0

(2)

式中：A=a(e1+e2+e3)；EV0和EVε分別對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)?和ε時(shí)價(jià)帶頂?shù)哪芰俊?/p>

Ee={b2[(e1-e2)2+(e1-e3)2+(e2-e3)2]/2+

(3)

式中：e1～e6對(duì)應(yīng)6個(gè)形變分量；a，b，d是形變勢(shì)常數(shù)。

由式(1)和式(2)可以得出應(yīng)力引起的價(jià)帶變化示意圖，如圖1所示。

對(duì)于半導(dǎo)體材料，在收到壓力導(dǎo)致應(yīng)變前后的電導(dǎo)率如式(4)所示：

(4)

式中：ph0和pl0分別為應(yīng)變前價(jià)帶頂重空穴和輕空穴的濃度；mh和ml分別為價(jià)帶重空穴和輕空穴的有效質(zhì)量；phε和plε分別為應(yīng)變后價(jià)帶頂重空穴和輕空穴的濃度；τm為弛豫時(shí)間；e為單電子電量。

輕重空穴的濃度如式(5)所示：

(5)

式中：ΔEVl和ΔEVh分別為輕重空穴價(jià)帶頂?shù)男巫儎?shì)；NA和NV分別為受主濃度和價(jià)帶的有效狀態(tài)密度；K0為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；EA為雜質(zhì)能級(jí)；EV0是導(dǎo)帶底能級(jí)。

在張應(yīng)力下價(jià)帶頂重空穴能量為A-Ee，輕空穴的能量為A+Ee，將其帶入式(5)，得到

(6)

式中：Ee為電子能量。

定義：

(7)

將式(7)帶入式(4)中，可得：

(8)

同理，在壓應(yīng)變時(shí)，可得

(9)

(10)

帶入到壓阻系數(shù)方程，可以得到

(11)

式中：K為壓阻系數(shù)；μ為x方向發(fā)生的位移；ρ0為變形前的電阻率；ρε為形變后的電阻率；ε為應(yīng)變量；C分別按照張應(yīng)力和壓應(yīng)力取C1或者C2。

對(duì)于相同能級(jí)的輕重空穴來(lái)說(shuō)，其濃度的比值為對(duì)應(yīng)的態(tài)密度之比，應(yīng)變前價(jià)帶頂?shù)妮p重空穴濃度比為

(12)

將式(12)帶入C1、C2，可以得到

(13)

由式(13)可以看出，C1、C2與輕重空穴的有效質(zhì)量直接相關(guān)，表2列出了金剛石與Si的相關(guān)數(shù)據(jù)，從表中可以看出，金剛石的C1、C2差距大于Si，而C1、C2代表的是輕重空穴有效質(zhì)量之間差異的相對(duì)大小，對(duì)應(yīng)相同的應(yīng)力靈敏度更大，所以金剛石才比硅具有更大的壓阻特性。

表2 金剛石與硅相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2中：m0為電子有效質(zhì)量；Eg為禁帶寬度；ms為空穴質(zhì)量

2 金剛石壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

與早期文獻(xiàn)報(bào)道不同，本研究設(shè)計(jì)的金剛石壓力傳感器芯片在結(jié)構(gòu)上有所不同，早期的金剛石壓力傳感器的感壓膜片選擇的是金剛石多晶，由于金剛石的楊氏模量較大且硬度高，其感壓的效果將會(huì)大幅降低。同時(shí)膜片由于選擇的是多晶體，其彈性必然不如單晶體，傳統(tǒng)的金剛石壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，本研究的金剛石壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，按照虛線A方向的截面圖如圖4所示。

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較大的不同，本文研究的金剛石壓力的膜片依然選用單晶硅，而金剛石敏感電阻放在了器件的4個(gè)邊緣，版圖設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化硅基壓力傳感器相近。有限元分析仿真顯示受力時(shí)膜片邊緣的應(yīng)力最大，故將敏感電阻放在應(yīng)力最大的位置。有限元分析仿真如圖5所示。

在設(shè)計(jì)中選擇了單晶硅作為感壓膜片，首先是因?yàn)槠涓袎汉笮巫兞枯^大，可以為敏感金剛石電阻提供足夠的內(nèi)應(yīng)力，增加輸出；其次由于選擇了單晶材料，機(jī)械彈性性能更佳，可以減少非線性的發(fā)生。

3 金剛石壓力傳感器的制作流程

(1)以100晶面的單晶硅為襯底，通過(guò)低壓力化學(xué)氣相沉積(LPCVD)生長(zhǎng)一層0.5 μm的氮化硅層；

(2)光刻，利用常規(guī)光刻技術(shù)，刻出阻條及壓焊點(diǎn)器件圖形；

(3)刻蝕，利用干法刻蝕實(shí)現(xiàn)光刻圖形，刻蝕深度為6 μm；

(4)氧化，熱氧生長(zhǎng)一層氧化硅，厚度為2 μm，使底部和側(cè)壁均生長(zhǎng)一層氧化層；

(5)刻蝕，利用干法刻蝕，刻蝕掉壓焊點(diǎn)和阻條底部的氧化層，保留側(cè)壁的氧化層；

(6)生長(zhǎng)金剛石，利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MWCVD)生長(zhǎng)一層本征金剛石，其厚度為1 μm，由于其他氧化層和氮化硅位置金剛石不易形核，故該生長(zhǎng)為選區(qū)生長(zhǎng)，只在刻蝕區(qū)域生長(zhǎng)金剛石；

(7)繼續(xù)生長(zhǎng)金剛石，利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積或者熱絲生長(zhǎng)一層硼摻雜的金剛石，其厚度為1 μm。由于其他氧化層和氮化硅位置金剛石不易形核，故該生長(zhǎng)為選區(qū)生長(zhǎng)，只在金剛石區(qū)域生長(zhǎng)金剛石，制成的4個(gè)電阻組成惠斯登電橋；

(8)去氮化硅層，用磷酸去掉之前生長(zhǎng)的氮化硅；

(9)重新氮化硅沉積，利用低壓力化學(xué)氣相沉積或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)一層氮化硅對(duì)芯片進(jìn)行保護(hù)；

(10)刻蝕氮化硅，利用等離子體刻蝕技術(shù)，刻蝕出電極區(qū)域；

(11)電極制作，利用磁控濺射沉積Ti/Au作為電極，利用lift-off技術(shù)制備電極，Ti厚度為100 nm，Au厚度為500 nm，在600 ℃下退火50 min；

(12)背面硅杯的制作，先對(duì)背面進(jìn)行光刻硅杯圖形，刻蝕掉硅杯處的氧化層，隨后用氫氧化鉀或者四甲基氫氧化銨溶液進(jìn)行各向異性腐蝕，在單晶硅襯底上得到硅膜片厚度為30～100 μm。

4 結(jié)果與討論

生長(zhǎng)金剛石后，對(duì)金剛石區(qū)域進(jìn)行了拉曼散射，如圖6所示。從圖中可以看出，拉曼頻移為520 cm-1處的尖峰表明在單晶硅襯底生長(zhǎng)，摻雜金剛石中在拉曼頻移為1 350～1 600 cm-1處寬弱峰表明內(nèi)部含有少量石墨相，在拉曼頻移為1 217 cm-1處的峰位和1 303 cm-1處的峰位表明金剛石的摻雜濃度很高[13-14]，大約在1021～1022cm-3。對(duì)傳感器進(jìn)行常溫壓力測(cè)試和200 ℃高溫壓力測(cè)試，如圖7所示。對(duì)傳感器進(jìn)行遲滯測(cè)量，結(jié)合文獻(xiàn)典型報(bào)道值對(duì)比如圖8和圖9所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出金剛石壓力傳感器的線性程度表現(xiàn)較好，遲滯也明顯優(yōu)于了報(bào)道，非線性達(dá)到了2.42%，力學(xué)遲滯小于1%。雖然與產(chǎn)業(yè)化芯片的性能相比有一定差距，但是對(duì)比已有金剛石壓力傳感器報(bào)道的文獻(xiàn)，本研究的線性度和力學(xué)遲滯為所有報(bào)道的最優(yōu)值。這是因?yàn)槟てx擇了單晶硅而非傳統(tǒng)的多晶金剛石，其彈性能力更優(yōu)，非線性表現(xiàn)也更好。此外，200 ℃高溫下的輸出非線性表現(xiàn)與常溫相當(dāng)，說(shuō)明了其高溫特性較好。輸出靈敏度方面，本研究30 mV左右的凈輸出也比典型的文獻(xiàn)報(bào)道高了2～3倍，這是因?yàn)檫x擇了單晶硅膜片增大了器件的感壓能力。但是，輸出依然比較小，沒(méi)有完全發(fā)揮出金剛石材料的優(yōu)勢(shì)。原因如下

(1)金剛石的生長(zhǎng)質(zhì)量不高，由拉曼散射可以看出，金剛石材料含有少量的石墨相，而且由于是重?fù)诫s，拉曼峰不再尖銳，金剛石材料的晶體質(zhì)量發(fā)生了一定的退化。

(2)已有文獻(xiàn)中金剛石的壓阻系數(shù)多數(shù)摻雜濃度在1018cm-3左右，本次生長(zhǎng)樣品的摻雜濃度達(dá)到了1021～1022cm-3左右，使得金剛石的壓阻系數(shù)有較多的退化。

(3)同單晶硅一樣，對(duì)于摻雜金剛石來(lái)說(shuō)，單晶(100)面具有較為明顯的壓阻效應(yīng)，而對(duì)于多晶而言，晶粒越大，越有沿著(100)面的擇優(yōu)取向的金剛石多晶壓阻系數(shù)越大[7]。本樣品的晶粒較小，且不是沿著(100)面的擇優(yōu)取向，故對(duì)壓阻系數(shù)起到了進(jìn)一步降低的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

金剛石材料的優(yōu)勢(shì)從理論上得到了證明，本次應(yīng)用了重?fù)诫s金剛石作為敏感電阻，單晶硅作為敏感膜片的全新結(jié)構(gòu)制作了金剛石壓力傳感器，雖然沒(méi)有發(fā)揮出金剛石高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，但是其線性特性優(yōu)于已有的文獻(xiàn)，同時(shí)可以看出其優(yōu)良的高溫特性。結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道，預(yù)計(jì)在增加晶粒尺寸、增加晶體擇優(yōu)取向、消除石墨相以及控制摻雜濃度等方面進(jìn)一步研究，可進(jìn)一步發(fā)揮出金剛石的材料優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。