多晶硅薄膜压阻系数的理论研究.PDF

维普资讯 第 25卷第 3期 半 导 体 学 报 Vo1．25，No．3 2004年 3月 CHINESE JOURNAlOFSEMICONDUCI’ORS Mar．，2004 多晶硅薄膜压阻系数的理论研究 刘晓为 霍明学 陈伟平 王东红 张 颖 (哈尔滨工业大学 MEMS中心，哈尔滨 150001) 摘要 ：利用应力退耦模型，分别对多晶硅薄膜晶粒中性 区和晶界势垒区的压阻系数进行 了理论分析 ，并推导 出多晶 硅压阻系数的表达式．实验结果表 明，利用文中推导 出的理论公式所获得的计算值与实验测量结果基本符合 ，所给 出的有关多晶硅压阻系数的理论结果可以作为多晶硅特性分析的理论依据． 关键词 ：应力退耦模 型；压阻系数 ；多晶硅 EEACC：252OC PACC：7280C 中图分类号 ：0738 文献标识码 ：A 文章编号：0253—4177(2004)03—029205 器的研制提供必要的理论和实验依据． 1 引言 2 多晶硅压阻特性的理论分析 多晶硅薄膜作为一种重要的半导体薄膜材料早 已引起人们的重视．目前 ，已广泛用于集成电路和各 通常用压阻系数 (丌)和应变系数 (GF)描述半导 种电子器件的制造．作为低成本 、高性能力学量传感 体压阻效应 ，它们分别反映了半导体电阻在应力和 器的敏感材料，其物理特性被大量研究．但是这些研 应变作用下所发生的变化．对薄膜 电阻，在沿薄膜平 究主要集中在多晶硅的电特性上，而对其压阻特性 面任意方向的应力或应变作用下 ，电阻的相对变化 的理论研究还不是很多． 可表示为： 目前 ，关于多晶硅压阻特性 ，比较被学术界认可 AR／R一 丌ll+ 丌 (1) 的是French与Evans等人提出的几种理论模型．普 或 遍认为 ，多晶硅压阻特性受晶粒边界、单晶粒晶向以 AR／R— GFl￡l+ GF ￡ (2) 及晶粒与晶粒边界的无规则特性等因素影响I】]． 其中 R为无应力作用时的电阻值；△R为应力 (sX 其中French与 Evans的陷阱模型，Hensel与Feher 变)所引起的电阻变化 ；△。和 △ 分别为电阻受到 的应力退耦模型 比较好地解释 了单晶硅 的压阻特 的纵 向和横向应力；e。和 e分别为电阻受到的纵向 性．其理论结果既适用于P型单晶硅，也适用于n型 和横向应变 ；丌。和 丌t分别为纵向和横向压阻系数 ； 单晶硅 ，是 目前对单晶硅压阻特性进行研究的主要 GF。和 GF 分别为纵 向和横 向应变系数． 理论依据．由于多晶硅的压阻特性强烈依赖于材料 的掺杂浓度与工作温度，而现有 的理论无法对此进 3 多晶硅薄膜应变系数的理论分析 行全面的解释 ，因此，本文在French与Evans的陷 阱模型，以及 Hensel与Feher的应力退耦模型理论 3．1 多晶硅应变系数的表达式 的基础上 ，对多晶硅理论进行必要地完善与补充．为 进一步研究多晶硅的物理特性 ，并将其应用于传感 根据 French和 Evans理论结果 ，忽略应力产 *国家高技术研究发展计划资助项 目(批准号 ：2OO2AA431200) 刘晓为 男，1955年出生，教授，目前从事MEMS技术及传感器技术研究． 霍明学 男，1968年出生，博士研究生 ，目前从事MEMS技术及传感器技术研究 2003—0312收到，2003—06—