矩形板狀立體結(jié)構(gòu)硅磁敏二極管的研制

0mems技術(shù)的發(fā)展1879年霍洛的發(fā)現(xiàn)后，1910年，人們用（bi）制作了霍洛零件，并用于測量磁體。1948年以后,由于半導(dǎo)體材料的迅猛發(fā)展,人們找到了比Bi霍爾效應(yīng)更顯著的半導(dǎo)體材料Ge和Si,1958年前后人們又開發(fā)了高遷移率的化合物半導(dǎo)體材料InSb、InAs,進一步促進了霍爾元件和磁阻元件的研究、開發(fā)和應(yīng)用。近年來,隨著半導(dǎo)體工藝水平的發(fā)展,霍爾元件和磁阻元件的性能有了進一步的提高,現(xiàn)已發(fā)展到薄膜化、硅集成化的階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,近年來人們對弱小磁場測量的要求越來越迫切,而得到廣泛應(yīng)用的霍爾元件靈敏度在0.1T作用下是1.2mV/mA左右,可見霍爾元件滿足不了人們對弱小磁場測量的要求。1961年蘇聯(lián)科學(xué)家Cтафеев研究P+-N-M型長二極管的磁敏感效應(yīng)時,發(fā)現(xiàn)這種長二極管具有更高的磁靈敏度。20世紀(jì)60年代末,日本索尼(SONY)公司研制成功了具有高復(fù)合區(qū)的P+-I-N+型Ge和Si磁敏二極管,進入了實用階段。20世紀(jì)70年代末,前蘇聯(lián)電工儀表研究所采用合金燒結(jié)工藝制造了像鍺磁敏三極管那樣的矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的硅磁敏晶體管,而采用平面工藝在硅表面制造像鍺磁敏晶體管那樣的矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)目前尚未見報道。然而,人們探索在硅表面制造磁敏晶體管的工作一直未停止,MEMS技術(shù)近幾年有了長足的發(fā)展,并在微電子技術(shù)立體加工中得到應(yīng)用,MEMS技術(shù)為采用平面工藝在硅表面制造像鍺磁敏三極管那樣的矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)提供了可靠的技術(shù)保證。本文闡述采用MEMS技術(shù)在硅表面制造像鍺磁敏三極管那樣的矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管的設(shè)計原理、器件結(jié)構(gòu)和制造工藝,該項技術(shù)與IC工藝相兼容,便于集成化,將有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。1硅磁敏電極的制備硅磁敏三極管是在硅磁敏二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具有高復(fù)合區(qū)的P+-I-N+型鍺和硅磁敏二極管的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是矩形板狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖中γ是復(fù)合區(qū);d是復(fù)合區(qū)表面與對面表面之間的距離(厚度);L是兩個注入結(jié)之間本征區(qū)的長度;W是寬度。當(dāng)L≥5Ld(Ld為載流子擴散長度),d≤Ld時,具有較高的靈敏度且是霍爾元件靈敏度的1～2個數(shù)量級。圖1所示的磁敏二極管的矩形板狀標(biāo)準(zhǔn)立體結(jié)構(gòu),用鍺材料采用合金燒結(jié)工藝容易實現(xiàn)。而采用平面工藝在硅表面制造這樣的矩形板狀標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),因為要經(jīng)過多次高溫處理d約為30μm,日本索尼(SONY)公司采用“完美”外延技術(shù)成功的實現(xiàn)了這樣的矩形板狀標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),如圖2所示。圖中待擴結(jié)的區(qū)域在外延前用金剛砂打毛硅表面,外延時打毛的區(qū)域上方生長多晶,而未打毛的區(qū)域生長高阻單晶,復(fù)合區(qū)用噴砂的方法在兩個結(jié)之間表面形成。1975年黑龍江大學(xué)敏感技術(shù)研究所采用合金燒結(jié)工藝制造了鍺磁敏二極管和鍺磁敏三極管,并采用反外延技術(shù)制造了硅磁敏二極管。鍺磁敏三極管和采用反外延技術(shù)制造的硅磁敏二極管結(jié)構(gòu)如圖3所示。用MEMS技術(shù)與反外延技術(shù)相結(jié)合在弱P型、電阻率ρ≥100Ω·cm的高阻硅片表面,要實現(xiàn)具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的N+-I-N+型硅磁敏三極管,必須預(yù)先在硅片上進行發(fā)射區(qū)的掩埋擴散,然后在掩埋擴散后的鈍化膜SiO2上面進行多晶硅外延生長,為了保證多晶硅外延層的支撐強度,其厚度至少要在200μm以上。將多晶硅外延生長加工后硅片中高阻硅單晶部分用金剛砂減薄至30μm左右,再進行集電區(qū)、基區(qū)擴散并采用MEMS技術(shù)挖坑擴散引出掩埋的發(fā)射區(qū),最后在高阻單晶硅表面制造發(fā)射極、集電極和基極。設(shè)計的硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中上圖為器件剖示圖,d為高阻硅單晶,經(jīng)減薄后的厚度d=30μm,基極b與集電極c之間的距離為150μm,SiO2的厚度為6×10-7?m,將在SiO2上面外延生長的多晶硅作為基底,其厚度為200～300μm之間,以保證器件在加工過程中的強度。由于外延生長多晶硅的時間較長,溫度較高,在高阻硅單晶表面與SiO2之間形成了大量的界面態(tài)和大量的熱缺陷,這種界面態(tài)對載流子的復(fù)合速率非常大,完全可以滿足磁敏晶體管對復(fù)合區(qū)的要求。圖4中下圖為器件的表面俯視圖。2工藝流程圖采用MEMS技術(shù)與反外延技術(shù)相結(jié)合在硅片表面制造具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管,樣品的制備工藝流程如圖5所示。在圖5所示的工藝流程圖中,高阻硅片的制備,必須是硅片雙面拋光,要嚴(yán)格控制硅片上下表面的平行度,并要記錄制備好的硅片的厚度和多晶硅外延生長層厚度,以保證減薄高阻硅單晶為30μm厚。另外,為了確保三極管集電區(qū)與預(yù)掩埋的發(fā)射區(qū)對準(zhǔn),雙面光刻機是必不可少的設(shè)備。3mems復(fù)合區(qū)的熱性能設(shè)計的硅和鍺磁敏三極管,在相同的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,即VCE=6V,負載電阻RL=100Ω,Ib=3mA,外加磁場B=±0.1T的情況下,其主要性能比較如表1所示。闡述的采用MEMS技術(shù)與反外延技術(shù)相結(jié)合在硅片表面制造具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的硅磁敏晶體管,其復(fù)合區(qū)是發(fā)射結(jié)一側(cè)Si/SiO2界面上的熱缺陷形成的,界面中表面態(tài)的密度在正常情況下可達1013～1016?cm-2之間,這個結(jié)果和加工工藝密切相關(guān),若有金屬雜質(zhì)在多晶硅生長過程中擴透SiO2薄膜,會在Si表面(2～4)×10-9?m范圍內(nèi)引起表面態(tài),這將進一步增加表面態(tài)的密度;而集電極一側(cè)芯片表面的Si/SiO2界面,由于嚴(yán)格控制工藝條件,其表面態(tài)的密度與其相對表面的相比少2～3個數(shù)量級。提高兩個表面Si/SiO2界面態(tài)密度之差是該器件提高磁靈敏度的關(guān)鍵之一。在正常情況下,采用MEMS技術(shù)與反外延技術(shù)相結(jié)合在硅片表面制造具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的硅磁敏晶體管,其集電極電流Ic在0.1T磁場作用下,△Ic與鍺磁敏晶體管相比具有相同的數(shù)量級,但其他技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于鍺磁敏晶體管。若在反向-0.1T磁場作用下,△Ic變化量小于正向磁場時的變化量,這一點與鍺磁敏晶體管相同。4mems工藝的研究闡述了采用MEMS技術(shù)與反外延技術(shù)相結(jié)合在硅片表面制造具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管的設(shè)計