矩形板状立体结构硅磁敏二极管的研制

矩形板状立体结构硅磁敏二极管的研制

0mems技术的发展1879年霍洛的发现后，1910年，人们用（bi）制作了霍洛零件，并用于测量磁体。1948年以后,由于半导体材料的迅猛发展,人们找到了比Bi霍尔效应更显著的半导体材料Ge和Si,1958年前后人们又开发了高迁移率的化合物半导体材料InSb、InAs,进一步促进了霍尔元件和磁阻元件的研究、开发和应用。近年来,随着半导体工艺水平的发展,霍尔元件和磁阻元件的性能有了进一步的提高,现已发展到薄膜化、硅集成化的阶段。随着科学技术的进步,近年来人们对弱小磁场测量的要求越来越迫切,而得到广泛应用的霍尔元件灵敏度在0.1T作用下是1.2mV/mA左右,可见霍尔元件满足不了人们对弱小磁场测量的要求。1961年苏联科学家Cтафеев研究P+-N-M型长二极管的磁敏感效应时,发现这种长二极管具有更高的磁灵敏度。20世纪60年代末,日本索尼(SONY)公司研制成功了具有高复合区的P+-I-N+型Ge和Si磁敏二极管,进入了实用阶段。20世纪70年代末,前苏联电工仪表研究所采用合金烧结工艺制造了像锗磁敏三极管那样的矩形板状立体标准结构的硅磁敏晶体管,而采用平面工艺在硅表面制造像锗磁敏晶体管那样的矩形板状立体标准结构目前尚未见报道。然而,人们探索在硅表面制造磁敏晶体管的工作一直未停止,MEMS技术近几年有了长足的发展,并在微电子技术立体加工中得到应用,MEMS技术为采用平面工艺在硅表面制造像锗磁敏三极管那样的矩形板状立体标准结构提供了可靠的技术保证。本文阐述采用MEMS技术在硅表面制造像锗磁敏三极管那样的矩形板状立体标准结构的硅磁敏三极管的设计原理、器件结构和制造工艺,该项技术与IC工艺相兼容,便于集成化,将有广泛的应用领域。1硅磁敏电极的制备硅磁敏三极管是在硅磁敏二极管的基础上发展起来的,具有高复合区的P+-I-N+型锗和硅磁敏二极管的标准结构是矩形板状结构,如图1所示。图中γ是复合区;d是复合区表面与对面表面之间的距离(厚度);L是两个注入结之间本征区的长度;W是宽度。当L≥5Ld(Ld为载流子扩散长度),d≤Ld时,具有较高的灵敏度且是霍尔元件灵敏度的1～2个数量级。图1所示的磁敏二极管的矩形板状标准立体结构,用锗材料采用合金烧结工艺容易实现。而采用平面工艺在硅表面制造这样的矩形板状标准结构,因为要经过多次高温处理d约为30μm,日本索尼(SONY)公司采用“完美”外延技术成功的实现了这样的矩形板状标准结构,如图2所示。图中待扩结的区域在外延前用金刚砂打毛硅表面,外延时打毛的区域上方生长多晶,而未打毛的区域生长高阻单晶,复合区用喷砂的方法在两个结之间表面形成。1975年黑龙江大学敏感技术研究所采用合金烧结工艺制造了锗磁敏二极管和锗磁敏三极管,并采用反外延技术制造了硅磁敏二极管。锗磁敏三极管和采用反外延技术制造的硅磁敏二极管结构如图3所示。用MEMS技术与反外延技术相结合在弱P型、电阻率ρ≥100Ω·cm的高阻硅片表面,要实现具有矩形板状立体结构的N+-I-N+型硅磁敏三极管,必须预先在硅片上进行发射区的掩埋扩散,然后在掩埋扩散后的钝化膜SiO2上面进行多晶硅外延生长,为了保证多晶硅外延层的支撑强度,其厚度至少要在200μm以上。将多晶硅外延生长加工后硅片中高阻硅单晶部分用金刚砂减薄至30μm左右,再进行集电区、基区扩散并采用MEMS技术挖坑扩散引出掩埋的发射区,最后在高阻单晶硅表面制造发射极、集电极和基极。设计的硅磁敏三极管结构如图4所示。图4中上图为器件剖示图,d为高阻硅单晶,经减薄后的厚度d=30μm,基极b与集电极c之间的距离为150μm,SiO2的厚度为6×10-7?m,将在SiO2上面外延生长的多晶硅作为基底,其厚度为200～300μm之间,以保证器件在加工过程中的强度。由于外延生长多晶硅的时间较长,温度较高,在高阻硅单晶表面与SiO2之间形成了大量的界面态和大量的热缺陷,这种界面态对载流子的复合速率非常大,完全可以满足磁敏晶体管对复合区的要求。图4中下图为器件的表面俯视图。2工艺流程图采用MEMS技术与反外延技术相结合在硅片表面制造具有矩形板状立体结构的硅磁敏三极管,样品的制备工艺流程如图5所示。在图5所示的工艺流程图中,高阻硅片的制备,必须是硅片双面抛光,要严格控制硅片上下表面的平行度,并要记录制备好的硅片的厚度和多晶硅外延生长层厚度,以保证减薄高阻硅单晶为30μm厚。另外,为了确保三极管集电区与预掩埋的发射区对准,双面光刻机是必不可少的设备。3mems复合区的热性能设计的硅和锗磁敏三极管,在相同的标准测试条件下,即VCE=6V,负载电阻RL=100Ω,Ib=3mA,外加磁场B=±0.1T的情况下,其主要性能比较如表1所示。阐述的采用MEMS技术与反外延技术相结合在硅片表面制造具有矩形板状立体结构的硅磁敏晶体管,其复合区是发射结一侧Si/SiO2界面上的热缺陷形成的,界面中表面态的密度在正常情况下可达1013～1016?cm-2之间,这个结果和加工工艺密切相关,若有金属杂质在多晶硅生长过程中扩透SiO2薄膜,会在Si表面(2～4)×10-9?m范围内引起表面态,这将进一步增加表面态的密度;而集电极一侧芯片表面的Si/SiO2界面,由于严格控制工艺条件,其表面态的密度与其相对表面的相比少2～3个数量级。提高两个表面Si/SiO2界面态密度之差是该器件提高磁灵敏度的关键之一。在正常情况下,采用MEMS技术与反外延技术相结合在硅片表面制造具有矩形板状立体结构的硅磁敏晶体管,其集电极电流Ic在0.1T磁场作用下,△Ic与锗磁敏晶体管相比具有相同的数量级,但其他技术指标均优于锗磁敏晶体管。若在反向-0.1T磁场作用下,△Ic变化量小于正向磁场时的变化量,这一点与锗磁敏晶体管相同。4mems工艺的研究阐述了采用MEMS技术与反外延技术相结合在硅片表面制造具有矩形板状立体结构的硅磁敏三极管的设计