介紹離子注入在電容極板和濕法腐蝕自停止技術上的應用

介紹了離子注入在電容極板、PN結、金屬互連和濕法腐蝕自停止技術上的應用。

電容極板

在MEMS電容式壓力傳感器、平面硅電容器和RF MEMS開關中，離子注入均有應用。這三類電容式的器件，下極板可采用重摻注入硅襯底或重摻多晶硅，這樣相較于金屬作為下電極有更高的熱預算。

圖1 電容極板器件的示意圖

PN結溫度傳感器

很多MEMS壓力芯片上集成了溫度傳感器，PN結溫度傳感器是利用PN結在不同溫度下的電學特性變化來反映溫度變化。隨著溫度升高，PN結內部電場減弱，空間電荷區域擴散，導致逆向飽和電流增加，正向電阻下降，從而導通電流增大。一般PN結溫度傳感器的測試溫度在-50~200°C。

在MEMS硅襯底上制造PN結溫度傳感器，首先在N型襯底上離子注入P型材料，并在P型區域上形成金屬接觸點。

圖2 PN結溫度傳感器示意圖

金屬互連

無論是電容極板還是PN結溫度傳感器，離子注入硅都需要將電信號引出來，這樣就必須與金屬形成互連，不可避免的出現金屬和注入硅的接觸問題。理想的歐姆接觸是指，當金屬與半導體通過一定條件接觸在一起時，交界處沒有勢壘的存在，表現出低阻特性，類似純電阻，伏安特性曲線呈線性。低濃度注入硅無法和金屬形成良好的歐姆接觸，對注入硅，注入濃度需要達到5E19cm-3以上。與注入硅容易形成良好歐姆接觸的金屬有Al，TiAl，TiPtAu，TiNiAu，TiNiVAu等，合金化溫度通常在400~500°C之間。



圖3 歐姆接觸前后的原理圖

濕法腐蝕停止技術

離子注入常用于局部摻雜，高劑量的硼（>5E15cm-2）注入硅或多晶硅中并退火后可以形成合適的摻雜硅，這些摻雜的襯底可以作為某些各向同性和各向異性腐蝕劑的有效自停止層。重摻雜硅濕法腐蝕停止技術其原理是硅表面和腐蝕溶液之間的電子、空穴的輸運能力不同，對重摻層，濕法腐蝕到該位置時，腐蝕速率減小約1到3個數量級，有利于很好地控制薄膜的厚度。

然而，實際應用過程中，重摻注入的結深有限，不可能任意控制自停止的厚度，其次重摻硅襯底在高溫工藝下，重摻離子向其它位置擴散，導致電學性能受影響。因此，在實際的MEMS加工中，注入硅的自停止技術較少用到。

圖4 硼摻雜濃度和腐蝕速率曲線

圖5 硼摻雜濃度和對應腐蝕劑

審核編輯：劉清