多晶硅納米薄膜壓阻機(jī)理與特性的研究.pdf

1、多晶硅薄膜良好的壓阻特性使其在 MEMS壓阻式傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。本文的研究結(jié)果表明多晶硅納米薄膜（PSNF）具有更為優(yōu)越的壓阻特性，有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，PSNF的壓阻特性目前還沒有引起國內(nèi)外研究者的重視，這方面的基礎(chǔ)研究近于空白。為此，本文利用低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）技術(shù)制備了具有不同結(jié)構(gòu)的多晶硅納米薄膜，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對 PSNF的壓阻特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，建立了多晶硅壓阻特性的理論模型，為這種納米功能材料的應(yīng)用開發(fā)

2、奠定了基礎(chǔ)。
　　現(xiàn)有的多晶硅壓阻理論是在上世紀(jì)后期許多研究者大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成的，并在普通多晶硅薄膜（膜厚一般在幾百納米到幾微米之間）壓阻特性的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中得到了驗(yàn)證?，F(xiàn)有理論認(rèn)為，晶粒越大多晶硅薄膜的應(yīng)變因子（GF）越大；重?fù)诫s情況下，摻雜濃度越高多晶硅薄膜的GF愈小。一般，薄膜越薄，晶粒越小，所以按照現(xiàn)有多晶硅壓阻理論，膜厚接近或小于100nm的多晶硅納米薄膜應(yīng)該具有較小的GF數(shù)值。事實(shí)并非如此，本文在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)多晶硅

3、納米薄膜在1020cm-3以上的重?fù)诫s情況下，GF隨摻雜濃度增加而增大的現(xiàn)象，而且還發(fā)現(xiàn)了GF隨晶粒減小而增大的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象雖然無法用現(xiàn)有多晶硅壓阻理論給出合理解釋，但卻表明了多晶硅納米薄膜在重?fù)诫s條件下具有良好的壓阻特性。利用這一特性很好地解決了普通多晶硅薄膜在改善溫度特性時(shí)所面臨的GF減小的內(nèi)在矛盾。
　　利用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和X射線衍射（XRD）對多晶硅納米薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，給出了 PSNF壓

4、阻特性與薄膜結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。同時(shí)，采用離子注入技術(shù)制備了不同參雜濃度的PSNF樣品，通過實(shí)際測試給出了壓阻特性與參雜濃度的關(guān)系。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為研制具有最佳壓阻特性的PSNF提供了可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，也為理論研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　為了揭示多晶硅納米薄膜復(fù)雜的壓阻特性，提出了隧道壓阻效應(yīng)的概念。并利用量子隧道效應(yīng)和能帶退耦分裂理論，闡明了隧道壓阻效應(yīng)的形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立了多晶硅壓阻特性的新模型——隧道壓阻模型（TPM）。實(shí)驗(yàn)證明

5、：隧道壓阻模型不但適用于多晶硅納米薄膜，也適用于普通多晶硅薄膜，是更為全面的多晶硅壓阻模型。最后，本文運(yùn)用隧道壓阻模型，對多晶硅納米薄膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面分析。結(jié)果表明：淀積溫度、薄膜厚度和摻雜濃度分別在620℃左右、80-100nm和3×1020cm-3附近時(shí)，多晶硅納米薄膜具有最佳的壓阻特性。在此條件下，GF可達(dá)到34，比普通多晶硅薄膜高25％以上；電阻溫度系數(shù)（TCR）小于10-4/℃，幾乎比普通薄膜小一個(gè)數(shù)量級；應(yīng)變因子溫度系