多晶硅纳米膜欧姆接触特性的研究

崔虹云，张海丰，吴云飞，李祖君，王 超，董艳红

（1.佳木斯大学理学院，黑龙江 佳木斯154007；2.黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨150001）

随着纳米科技的迅速发展和人们对硅基薄膜材料的广泛使用，采用硅基薄膜作为应变敏感材料制成的半导体压阻式压力传感器在军事、航天、航空、汽车、环境监控、生物医学以及人们生活所能接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用［1－2］。硅基薄膜凭借其良好的机械性能成为近年来半导体材料的研究热点，而纳米技术又是当今科技发展中最活跃的领域之一，多晶硅纳米薄膜（polysilicon nanofilms，PSNF）属于纳米材料的范畴，该薄膜材料具有应变灵敏度高、温度特性稳定、制备技术成熟、可靠等优于普通多晶硅薄膜的优点，所以其在压阻式压力传感器应用中是一种极具前景的功能材料［3－6］。金属和半导体的欧姆接触，无论是对半导体器件性能还是对半导体物理特性的研究都非常重要，而本文制作成的传感器的桥壁电阻变化量为千分之几，即几欧姆，因此，欧姆接触（ohmic contact）直接影响到传感器的精度、稳定性与可靠性。文章对多晶硅纳米膜欧姆接触特性进行研究，以获取更加高的欧姆接触特性，对其实用化有着非常重要的意义。

1 实 验

以双面抛光（100）厚度为400μm的单晶硅片作为衬底，清洗干净后利用LPCVD在硅片正面淀积厚度为80nm的多晶硅纳米薄膜，利用PECVD，在硅片正面淀积一层二氧化硅层，厚度为100nm；然后通过离子注入对多晶硅纳米膜进行硼掺杂，注入的剂量为3.8×1015cm－2。离子注入时很容易注入过深，多晶硅上淀积一层二氧化硅可以很好地控制注入深度，并且还可以作为多晶硅纳米膜的保护层，正面光刻多晶硅，采用真空镀膜机镀铝，厚度约1.9μm。光刻铝引线，最后进行合金化。

2 结果与分析

2.1 铝欧姆接触的表征

采用 D／max－rB旋 转 阳 极 X 射 线 衍 射 仪（XRD）表征铝金属与多晶硅的界面，图1给出了20min时不同退火温度铝与多晶硅接触的XRD分析图谱。图2给出了450℃时不同退火时间的铝与多晶硅接触的XRD分析图谱。从图中可以看出，所制备的多晶硅样品，具有微弱的Si（220）和（311）衍射峰；强度很高的Si（400）及Si（200）衍射峰是由单晶硅衬底产生的。由此可知，获得的多晶硅纳米薄膜绝大部分晶粒是随机取向的。真空蒸镀的Al膜具有（111）、（200）、（220）、（311）及（222）多个衍射峰，说明Al膜具有多晶结构。

图1 不同退火温度铝与多晶硅接触的XRD分析

图2 不同退火时间铝与多晶硅接触的XRD分析

2.2 测量结果

前期的实验寻找到450℃退火的最佳温度，在450℃退火温度的条件下，为了找到最佳的退火时间，分别对5min、20min和40min的退火时间进行实验，根据公式计算出比接触电阻、方块电阻和传输长度，图3给出了退火前和450℃不同时间的比接触电阻率，从图中可以看到，经过5min的退火后接触电阻率较退火前有了明显改善，但结合图4的Ⅰ－Ⅴ特性曲线，可看到虽已呈现出非整流特性，但不是要得到的非常好的欧姆接触特性；当时间增加到20min时，比接触电阻率降低，对应图4的Ⅰ－Ⅴ特性曲线此时表现出好的欧姆接触性能，构成了线性关系；当时间加到40min时，接触电阻率有所上升，对应的图4的Ⅰ－Ⅴ特性曲线又表现出整流特性，由此可以说明，适当的退火技术的应用有利于改善欧姆接触质量，在这3个退火时间里20min是最佳的退火时间。

图5中看到方块电阻在退火后数值下降，约1kΩ，450℃时最低，接近真实值，退火前的方块电阻过大，明显偏离真实值。而图6在450℃、不同时间的退火条件下，20min时方块电阻明显最低，接近真实值，这和上面得到的接触电阻率的结论相吻合。

图5 不同退火温度方块电阻的变化

图7 给出了不同退火温度传输长度的变化，图8给出了450℃退火温度，不同退火时间传输长度的变化。传输长度是衡量电流在接触区域的传输能力的物理量，是电极与半导体接触的边缘到电极内部电流密度下降到初始总电流密度的1／e时所经过的长度，由图可以看出由410℃时的20μm到450℃时15μm，传输长度在变短，说明电流的传导能力变强。

图6 不同退火时间方块电阻的变化

接触电阻是指每个极板产生的电阻，尽量降低接触电阻才能提高传感器的性能，从图9和图10中可看到，随着退火温度和退火时间的变化，接触电阻也在变化，在450℃、20min时大约为30Ω。

3 结束语

通过实验分析得到，温度为450℃时不同退火时间下，多晶硅与金属接触界面的电学特性。通过分析得出在退火时间为20min时，比接触电阻率降低到2.41×10－3Ω·cm，此时的Ⅰ－Ⅴ特性曲线表现出好的非整流特性，同时方块电阻、传输长度和接触电阻数值都更符合提高传感器性能的要求。同时通过实验和分析也得到单一金属形成的欧姆接触很难保证各方面性能的综合提高，改进欧姆接触设计方案，可以尝试Ti／Al／Ni／Au多层金属设计等，从而获取更低的欧姆接触电阻率。

［1］陈刚，柏松.4H－SiC欧姆接触与测试方法研究［J］.固体电子学研究与进展，2008，28（1）：38－41.

［2］X.W.Liu，R.Y.Chuai，M.H.Song et al.The Influences of Thickness on Piezoresistive Properties of Poly－Si Nanofilms［J］.Proceedings of SPIE，2006，6186：0－9.

［3］揣荣岩，刘晓为，潘慧艳，等.不同淀积温度多晶硅纳米薄膜的压阻特性［J］.传感技术学报，2006，19（5）：1810－1814.

［4］揣荣岩，刘晓为，霍明学，等.掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响［J］.半导体学报，2006，27（7）：1230－1235.

［5］崔虹云，张海丰，吴云飞.AL金属多晶硅纳米膜欧姆接触的制作［J］.佳木斯大学学报，2009，27（5）：711－714.

［6］崔虹云，吴云飞，葛洪亮.基于考虑磁倾角的SGRs和AXPs的高能辐射研究［J］.黑龙江工程学院学报：自然科学版，2010，24（2）：75－78.