多晶硅纳米薄膜钝化机理研究

陆学斌　于斌　杨兵

摘 要：多晶硅纳米薄膜具有优良的压阻和温度特性，作为压敏电阻材料能够用于压阻式传感器的制备。为了提高传感器的稳定性并保证长期高效性，需要对多晶硅纳米薄膜压敏电阻进行钝化保护。本文制备了厚度为90nm的多晶硅纳米薄膜，在薄膜样品表面制备了SiO2和Si3N4两种介质薄膜作为钝化膜，钝化膜厚度均为200nm。测量了带有两种介质钝化薄膜的半导体材料的有效少子寿命。实验结果表明，Si3N4的钝化效果由于SiO2的钝化效果。本文对实验结果和钝化机理进行了分析，研究结果可用于多晶硅纳米薄膜压敏电阻的钝化保护，提高传感器的稳定性。

关键词：多晶硅纳米薄膜;钝化机理;压阻式传感器

多晶硅材料是一种特殊的半导体材料，和单晶硅相比较，其原子排列短程有序。在上个世纪五十年代，多晶硅的作用主要是作为中间介质用于生产单晶硅，即石英砂--多晶硅--单晶硅。从上个世纪六十年代开始，人们发现多晶硅具有压阻特性，可用于压阻式传感器的制备。从此，多晶硅薄膜逐渐被应用于传感器、集成电路和太阳能光伏转换领域[1-3]。

随着纳米技术的发展，人们开始研究多晶硅纳米薄膜（厚度小于100nm）的压阻特性，研究结果表明，多晶硅纳米薄膜能够表现出优良的压阻特性[4]。而且不需要PN结隔离，多晶硅纳米薄膜已成功应用于各种压阻式传感器的压力敏感材料[5-6]。

由于多晶硅纳米薄膜厚度很小，表面结构比较复杂，因此需要对其进行钝化保护。为了能够利用多晶硅纳米薄膜制作压阻传感器，同时提高传感器的稳定性，本文开展了介质薄膜表面钝化工艺的研究。本文利用等离子增强化学气相淀积工艺制备了两种钝化膜：SiO2钝化膜和Si3N4钝化膜，钝化膜的厚度均为200nm;对有效少子寿命进行了测量，对实验结果和钝化机理进行了分析。

1 实验材料和方法

1.1 多晶硅纳米薄膜样品制备

选用厚度为510μm、<111>晶向的单面抛光单晶硅作为衬底材料，使用热氧化方法制备厚度为860nm的氧化层（二氧化硅）。在氧化层上，制备了厚度为90nm的多晶硅纳米薄膜，淀积温度620℃。利用离子注入设备完成多晶硅纳米薄膜的掺杂，注入能量为20KeV，硼离子的注入剂量为1.2×1015cm-2[7]。根据硼离子在硅中的固溶度可知，多晶硅纳米薄膜的掺杂浓度为1.0×1020cm-3[7]。为了使硼离子进入到替位位置并具有电活性，多晶硅纳米薄膜样品在氮气保护的条件下，在1080℃高溫下退火半小时。

1.2 钝化薄膜制备

本文在多晶硅纳米薄膜表面制备了两种钝化膜：SiO2钝化膜和Si3N4钝化膜，厚度均为200nm。通过淀积速率和淀积时间来控制薄膜的厚度。

SiO2钝化膜的制备：利用等离子增强化学气相淀积工艺，反应室压强为3.1Pa，功率为350瓦，衬底温度为300℃，发生的化学反应为：

（1）

Si3N4钝化膜的制备：利用等离子增强化学气相淀积工艺，功率为350瓦，衬底温度为300℃，发生的化学反应为：

（2）

1.3 测试原理和方法

少子寿命和表面复合速率是评价半导体表面钝化质量的重要参数，通常可通过光电导分析法来测定上述参数[8]。

根据半导体理论可知，利用稳态光源照射半导体，半导体中会生成光生电子--空穴对，从而引起少子浓度增加，在宏观角度上表现为半导体材料附加电导率增加;当稳态光源撤销后，电子和空穴发生复合，少子浓度减小，在宏观角度上表现为半导体材料附加电导率减小。如果稳态光源长时间照射半导体，光生电子--空穴的生成和复合之间最终会存在一个动态平衡[8，9]。

半导体材料的总复合电流可表示为：

Jre=Δnqt/τeff（3）

其中，Δn为平均剩余少子（电子）密度，q为电子电荷量，t为半导体材料厚度，τeff为有效少子寿命。

光照会使半导体材料的电导变大，剩余光电导可表示为：

（4）

利用公式（3）和（4）可求得有效少子寿命：

（5）

微波光电导衰减法测量少数载流子寿命的过程如图1所示。

2 实验结果与讨论

2.1 少子寿命

本文使用半导体多功能测试仪（Semilab WT-2000）利用微波光电导衰退法测试覆盖两种介质钝化膜的多晶硅纳米薄膜样品的有效少子寿命，测试仪器如图2所示。Semilab

WT-2000能够提供349nm、904nm、1064nm和1550nm等不同波长激光，适合Si、SiC、GaAs、CdZnTe和InGaAs等多种半导体材料电学参数的测试。

通过微波光电导衰退法测试获得了样品的少子寿命映射结果，厚度为200nm SiO2钝化膜样品和厚度为200nm Si3N4钝化膜的平均有效少子寿命分别为75μs和89μs。很明显，Si3N4的钝化效果优于SiO2的的钝化效果。

2.2 钝化机理

多晶硅是一种结构复杂的半导体材料，其由单晶硅晶粒和晶粒间的晶界构成。晶界结构比较复杂，通常包括无序的原子层，在晶界处有高密度的缺陷和悬挂键。晶粒可看做小单晶硅，晶界的性质可看作无定形态。非晶硅中的无定形态可以描述为间隙硅原子和空位的积累，多晶硅纳米薄膜的晶界可认为是连续的非晶层。而且多晶硅表面有大量的悬挂键，这些晶界的悬挂键与杂质结合，形成有效的复合中心，严重影响了半导体材料的少子寿命，因此实施表面钝化是降低表面复合、提高少子寿命的重要措施。表面钝化降低半导体的表面活性的主要方式就是使半导体表面处的悬挂键饱和，从而降低表面活性，减少由于杂质在表面层的引入而形成的复合中心，以此来降低少数载流子的表面复合速度，提高少子寿命。

在半导体材料表面上生长一层氧化膜SiO2后，SiO2薄膜可以和多晶硅表面完美地结合在一起，钝化这些表面态，消除了半导体材料表面的悬挂键，减少了表面复合中心，表面复合对少数载流子寿命的影響得以消除，使得少数载流子寿命得以提高[10]。SiO2的钝化机理主要体现在对多晶硅表面态的钝化。

Si3N4对多晶硅薄膜的钝化包括表面钝化和内部钝化。其表面钝化的机理和SiO2相同，消除了多晶硅表面的悬挂键，减少了表面复合中心;内部钝化作用主要是来源于氢元素的钝化。Si3N4薄膜中富含的氢元素能对半导体材料中的杂质和缺陷（晶界）进行钝化，氢原子在室温下总是以复合体的形式存在于半导体材料中，少量的氢原子就能中和半导体中的缺陷和杂质，形成一些电中性的复合体，从而钝化杂质和缺陷的电活性;氢元素还能和位错上的悬挂键集合，达到去除位错电活性的目的。尤其等离子增强化学气相淀积工艺属于低温工艺，Si3N4薄膜中氢元素含量较多，所以钝化效果较好。

SiO2对半导体材料的钝化主要体现在对材料表面的钝化，而Si3N4的钝化不单单体现在对半导体材料表面的钝化，还体现在对半导体材料内部杂质和缺陷的钝化，所以，二者相比较，Si3N4的钝化效果好于SiO2的钝化效果，应优先选用Si3N4薄膜作为钝化膜。

3 结论

本文在多晶硅纳米薄膜样品表面分别制备了两种钝化膜，测试了样品的有效少子寿命，分析了钝化机理。少子寿命测试结果表明，Si3N4钝化膜的钝化效果优于SiO2钝化膜。本文提供的钝化膜制作流程可用于多晶硅纳米薄膜传感器的钝化保护，提高其稳定性。

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基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（No.F2018018，F2018020）