金剛石高溫壓力傳感器芯片設計與研究

賈文博，張治國，李永清，祝永峰，任向陽

(沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

傳統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300 ℃[1-2]。與此同時，高溫壓力傳感器在市場上的需求以每年10%～32%的速度增長，廣泛應用于電力、石油、航空航天等領域[3-4]，前景廣闊。

在高溫壓力傳感器芯片領域，研究的熱點多集中在SiC基壓力傳感器芯片[5-6]。雖然作為第三代半導體，SiC材料性能優異，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 ℃時僅有 30，而摻硼金剛石膜壓阻靈敏度因子在300 ℃時可達 700以上[7]。所以，摻硼金剛石膜是除了碳化硅外，高溫、高輻射、強腐蝕環境應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，實驗結果表明P型金剛石的壓阻系數可以超過1 000；1997年，W. L. Wang與X. Jiang[8]從實驗的角度研究了P型摻雜多晶金剛石的壓阻特性，其壓阻系數可超過800，并且隨著摻雜濃度的增加而增加。1999年、2000年方亮、王萬錄等提出了價帶分裂模型，從理論上說明了金剛石的高壓阻系數的來源[9-10]，而這種模型也是被接受最多的模型。1998年，L. Davis，K. Holmes等設計了一款金剛石壓力傳感器芯片，其設計的芯片最高工作溫度達到了680 ℃[11]，也是所有報道中工作溫度最高的。2003年，河北工業大學的楊保和[7]利用多晶金剛石作為膜片，在膜片上生長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，沒有發揮出金剛石材料的優勢。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，得到了類似的結果，金剛石的材料優勢依然沒有發揮出來。在眾多文獻中，理論研究和實驗均已經證明P型金剛石的壓阻系數很大，禁帶寬度大，機械性能好，適合制作高溫壓力傳感器，但是實際制作的器件卻均沒有發揮出金剛石材料的優異性能。本研究設計了一種全新的金剛石高溫壓力傳感器結構，解決了傳統金剛石壓力傳感器非線性表現較差的問題，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

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

表1 金剛石主要材料性能對比

金剛石壓力傳感器芯片選擇壓阻式結構，其基本原理如下。

金剛石與硅都具有金剛石結構，其能帶可以如式(1)表示：

(1)

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

對于一個k值，價帶分裂為3支，按照對應的有效質量分別稱為重空穴、輕空穴和分裂帶。由于當k=0時分裂帶最不易發生躍遷，故以下主要對輕重空穴進行研究。當材料發生各向異性的形變時，破壞了晶格場的對稱性，輕重空穴的價帶頂分別向相反的方向位移，使輕重空穴的簡并消除。此時應變在價帶頂引起的能量改變為

ΔEV=EVε-EV0=A±EV0

(2)

式中：A=a(e1+e2+e3)；EV0和EVε分別對應應變為0和ε時價帶頂的能量。

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

(3)

式中：e1～e6對應6個形變分量；a，b，d是形變勢常數。

由式(1)和式(2)可以得出應力引起的價帶變化示意圖，如圖1所示。

對于半導體材料，在收到壓力導致應變前后的電導率如式(4)所示：

(4)

式中：ph0和pl0分別為應變前價帶頂重空穴和輕空穴的濃度；mh和ml分別為價帶重空穴和輕空穴的有效質量；phε和plε分別為應變后價帶頂重空穴和輕空穴的濃度；τm為弛豫時間；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分別為輕重空穴價帶頂的形變勢；NA和NV分別為受主濃度和價帶的有效狀態密度；K0為玻爾茲曼常數；T為溫度；EA為雜質能級；EV0是導帶底能級。

在張應力下價帶頂重空穴能量為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，在壓應變時，可得

(9)

(10)

帶入到壓阻系數方程，可以得到

(11)

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

對于相同能級的輕重空穴來說，其濃度的比值為對應的態密度之比，應變前價帶頂的輕重空穴濃度比為

(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量直接相關，表2列出了金剛石與Si的相關數據，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量之間差異的相對大小，對應相同的應力靈敏度更大，所以金剛石才比硅具有更大的壓阻特性。

表2 金剛石與硅相關數據對比

表2中：m0為電子有效質量；Eg為禁帶寬度；ms為空穴質量

2 金剛石壓力傳感器的結構

與早期文獻報道不同，本研究設計的金剛石壓力傳感器芯片在結構上有所不同，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，其感壓的效果將會大幅降低。同時膜片由于選擇的是多晶體，其彈性必然不如單晶體，傳統的金剛石壓力傳感器結構如圖2所示，本研究的金剛石壓力傳感器結構示意圖如圖3所示，按照虛線A方向的截面圖如圖4所示。

與傳統結構有較大的不同，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個邊緣，版圖設計與傳統的產業化硅基壓力傳感器相近。有限元分析仿真顯示受力時膜片邊緣的應力最大，故將敏感電阻放在應力最大的位置。有限元分析仿真如圖5所示。

在設計中選擇了單晶硅作為感壓膜片，首先是因為其感壓后形變量較大，可以為敏感金剛石電阻提供足夠的內應力，增加輸出；其次由于選擇了單晶材料，機械彈性性能更佳，可以減少非線性的發生。

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，通過低壓力化學氣相沉積(LPCVD)生長一層0.5 μm的氮化硅層；

(2)光刻，利用常規光刻技術，刻出阻條及壓焊點器件圖形；

(3)刻蝕，利用干法刻蝕實現光刻圖形，刻蝕深度為6 μm；

(4)氧化，熱氧生長一層氧化硅，厚度為2 μm，使底部和側壁均生長一層氧化層；

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

(6)生長金剛石，利用微波等離子體化學氣相沉積(MWCVD)生長一層本征金剛石，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，故該生長為選區生長，只在刻蝕區域生長金剛石；

(7)繼續生長金剛石，利用微波等離子體化學氣相沉積或者熱絲生長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，故該生長為選區生長，只在金剛石區域生長金剛石，制成的4個電阻組成惠斯登電橋；

(8)去氮化硅層，用磷酸去掉之前生長的氮化硅；

(9)重新氮化硅沉積，利用低壓力化學氣相沉積或者等離子體增強化學氣相沉積生長一層氮化硅對芯片進行保護；

(10)刻蝕氮化硅，利用等離子體刻蝕技術，刻蝕出電極區域；

(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，先對背面進行光刻硅杯圖形，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 結果與討論

生長金剛石后，對金剛石區域進行了拉曼散射，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，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。對傳感器進行常溫壓力測試和200 ℃高溫壓力測試，如圖7所示。對傳感器進行遲滯測量，結合文獻典型報道值對比如圖8和圖9所示，從測試結果可以看出金剛石壓力傳感器的線性程度表現較好，遲滯也明顯優于了報道，非線性達到了2.42%，力學遲滯小于1%。雖然與產業化芯片的性能相比有一定差距，但是對比已有金剛石壓力傳感器報道的文獻，本研究的線性度和力學遲滯為所有報道的最優值。這是因為膜片選擇了單晶硅而非傳統的多晶金剛石，其彈性能力更優，非線性表現也更好。此外，200 ℃高溫下的輸出非線性表現與常溫相當，說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報道高了2～3倍，這是因為選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，沒有完全發揮出金剛石材料的優勢。原因如下

(1)金剛石的生長質量不高，由拉曼散射可以看出，金剛石材料含有少量的石墨相，而且由于是重摻雜，拉曼峰不再尖銳，金剛石材料的晶體質量發生了一定的退化。

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

(3)同單晶硅一樣，對于摻雜金剛石來說，單晶(100)面具有較為明顯的壓阻效應，而對于多晶而言，晶粒越大，越有沿著(100)面的擇優取向的金剛石多晶壓阻系數越大[7]。本樣品的晶粒較小，且不是沿著(100)面的擇優取向，故對壓阻系數起到了進一步降低的作用。

5 結束語

金剛石材料的優勢從理論上得到了證明，本次應用了重摻雜金剛石作為敏感電阻，單晶硅作為敏感膜片的全新結構制作了金剛石壓力傳感器，雖然沒有發揮出金剛石高靈敏度的優勢，但是其線性特性優于已有的文獻，同時可以看出其優良的高溫特性。結合文獻報道，預計在增加晶粒尺寸、增加晶體擇優取向、消除石墨相以及控制摻雜濃度等方面進一步研究，可進一步發揮出金剛石的材料優勢，實現應用。