精诚埔,给你讲解关于硅压阻输出微传感器的1f噪声
2018-03-22 20:35:08
随着扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），因此悬臂梁结构的传感器具有广泛的商业前景。悬臂梁的微小弯曲通常由光学或电学方法来记录。光学的读数方法可以探测到悬臂梁10-2nm量级的弯曲，但在实际应用中，特别是在液态条件下和阵列悬臂梁测量中，激光的调整和校准比较困难。电学读数方法是将力敏电阻集成在悬臂梁上，因此该类悬臂梁易于转向实用化。
悬臂梁传感器的两个重要参数是它的偏移灵敏度和可探测的最小位移（MDD）。对压阻输出的悬臂梁，可探测的最小位移不仅取决于材料的应变灵敏度系数，而且很大程度上受力敏电阻噪声的限制。虽然目前世界上一些机构在进行悬臂梁的研究，但对器件噪声进行系统研究的报道却很少，且他们多采用单晶硅作为力敏材料，多晶硅、非晶硅、微晶硅等其它材料因为其低的成本和易于集成而同样需要关注。1991年，Tortonese等人率先在Stanford大学利用硅的压阻效应，成功地制作出硅压阻悬臂梁，并用于原子力显微镜，他们器件的噪声在0.01Hz到1kHz的带宽范围内，相当于0. 135nm的悬臂梁位移-接着BenaminW，Chui研究小组对微悬臂梁进行了改进，使得器件的灵敏度和共振频率提高了很多，器件的噪声在1Hz到200Hz的带宽范围内仅为0-他们对单晶硅悬臂梁总结出的T值介于3<10"6―3< 10"4之间-除本课题组以外，其它材料压阻悬臂梁的研究还未见报道，但一些多晶硅膜和非晶硅膜的1//噪声研究的文章可供，这些文章的作者讨论了1//噪声的起因，给出的T值在m3以上。
流子浓度，LWt分别为电阻的长度、宽度和厚度。ChinaAcademicournalElectronic本工作对单晶硅、多晶硅、非晶硅和微晶硅四种力敏电阻的噪声进行了系统的对比研究，同时分析了力敏电阻的几何尺寸、掺杂浓度和退火温度对噪声特性的影响，通过分析并与理论进行比较，我们得到了最佳设计参数和工艺条件，这些数据将为低噪声悬臂梁结构传感器的设计和制造提供很好的依据。
2实验基于噪声理论，1/f噪声的大小与力敏电阻的几何参数有关，因此我们设计了16种不同尺寸的力敏电阻，以进行对比研究。设计的出发点是选择不同的长宽比（L/W），同时改变电阻的宽度。设计结果51020，对应每一个L/W值，改变电阻的宽度分别为510 20和4（m.压阻输出的悬臂梁通常设计成对称Wheastone电桥的形式，四个完全相同力敏电阻中的两个位于衬底上，另外两个位于悬臂梁上，其中的一个悬臂梁作为测量悬臂梁，另一个悬臂梁作为悬臂梁。电阻被设计在悬臂梁上，而不是衬底上是考虑当外部环境噪声使悬臂梁形变时，这个附加的信号可通过悬臂梁滤掉。
四个掩膜板（电阻掩膜板、不同掺杂浓度掩膜板、接触孔掩膜板、金属掩膜板）用于本工艺流程。实验中采用SOI硅片和普通p型硅片作为衬底材料。SOI硅片的氧化层厚度为Pm，表面电阻层的厚度为205nm.常规RCA清洗后，普通Si片在1050C下湿氧氧化25min，产生300nm的Si2层，用于密封力敏电阻的底层。然后，普通硅片在LPCVD炉中，以硅烷流量为80sccm33.25Pa条件，分别生长240nm的非晶硅（580C）、多晶硅（610°C）和微晶硅（620°C）力敏电阻层。SF6反应离子刻蚀（RIE）刻蚀力敏电阻。所有硅片通过不同掺杂浓度掩膜板进行高、低两种浓度的硼离子注入，注入能量30keV，掺杂浓度对单晶硅为5<两种浓度的掺杂通过掩膜板离子注入在同一衬底上，是为了使对比测量更加准确。100nm的热氧化层钝化样品表面后，样品分别在N2下95（C退火10min或者在N2下1050C退火30min.电子束沉积10/200nmCr/Au金属膜，金属膜在RTA炉中320C下熔合20min.对于噪声测量器件，不必进行悬臂梁的腐蚀采用HP4396A谱分析仪记录器件的噪声。在器件的噪声测量中，为了得到理想的测量结果，首先屏蔽器件于其它测量仪器，然后再屏蔽所有测量仪器于实验室环境，测试用电缆要尽可能的短。加6V直流偏压于Wheastone电桥上，电桥的输出信号通过SR560低噪声信号放大器预放，再通过HP4396A谱分析仪记录。为了得到理想的测量数据，记录时采用分段测量，测量带宽分别为2-1000Hz和100d 20kHz，为测量示意图。
3结果和讨论微传感器的两个主要噪声源。ohnson噪声也叫热噪声，它产生于电子材料中自由载流子的无规则热运动，这种运动源于即使在没有外电场的情况下电流或电压的起伏，它仅与材料的电阻和温度有关，不依赖于频率，ohnson功率噪声Sv可表示为：一个解释1/f噪声的经验公式。这个公式可表达为殓：其中SRH和分H为相应于电阻起伏和电压起伏的功率噪声密度；V为加于电阻R上的偏压；/为频率；N为总的自由载流子数；T叫Hooge因子，是一个与器件尺寸无关的常数，它是一个判断材料性能的重要参数，介于1CT7到1（13之间。对于矩形电阻，总的自由载流子数由pLWt给出，其中p为载关于1/f噪声的起因，目前还是一个有争论的问题。对于均匀的半导体材料，普遍接受的观点是1//噪声是一种体效应，而不是表面效应，源于电子迁移率的起伏。但在是由晶格散射模型还是由杂质散射模型来解释迁移率起伏却有分歧，大多数人认为晶格散射是引起1//噪声的主要原因。
是测出的一组不同宽度的非晶硅样品噪声谱，电阻的长宽比为L/W=5，掺杂浓度为5K1015以-2，在950°下退火101是测出的一组单晶硅样品噪声谱，电阻的长宽比为L/W=10，掺杂浓度为5KKcm-2，在1050C下退火30min.对256种不同样品，均测出了类似的噪声谱，通过处理、总结这些数据，我们得出一些结论。
3.1几何参数的影响从噪声谱可以看出，低频下，1//噪声起主要作用，计算该噪声曲线的斜率为-0.5，即低频下的噪声是1//噪声，而不是1//噪声。随着频率的加，1//噪声逐级减小，在拐点频率（1//噪声与ohnson噪声的交接频率）处与ohnson噪声交叉。对于不同的样品，拐点频率有很大差别，对低1//噪声的单晶硅样品，其拐点频率大约为50Hz，而对高1//噪声的多晶硅样品，拐点频率可高达10kHz，说明1//噪声因材料的不同，会有很大差别。拐点频率以外，仅观察到ohnson噪声，且ohnson噪声能级的测量值与理论计算值基本一致。
几何参数主要通过影响力敏电阻的阻值而影响ohnson噪声，而1//噪声的大小由总的自由载流子数决定。因此，对某种确定的材料，扩大电阻的面积可以加总的自由载流子数，从而有效地减小1//噪声。这一结论可以由和明显看出，即不据，对每一种材料，每一种掺杂浓度和退火条件的样品，拟合它们的噪声谱，我们均可准确计算出其（汾1/2，然后通过（心/）1/21妒的关系，拟合各直线并计算斜率，T的值可以准确的计算出来。给出的是三组不同长宽比非晶硅的样品，（SV/）1/2随1/L的变化关系，三条线均具有很好的线性关系，此时工艺条件为：掺杂浓度5<1014cm- 2，退火温度1050C，30min.对每种工艺条件的样品，都进行类似的数据处理，计算出相应的T值，计算结果列于表1.每个T值都是从许多个不同尺寸的样品平均得出，因此此结果具有可靠性。
1//噪声随力敏电阻尺寸的加而明显降低，但并不意味着力敏电阻的尺寸越大越好，太大的力敏电阻会降低器件灵敏度，同时噪声谱振动幅度也会明显加。综合考虑器件的噪声和灵敏度，我们认10时，L在100-20（1之间是较合适的器件尺寸。
表1不同材料T值的计算结果看，1//噪声反比于孓，如果以掺杂浓度乘以电阻3.2材料的影响对比所有噪声谱，发现单晶硅样品的1//噪声明显低于LPCVD样品的1//噪声。在电阻尺寸、掺杂浓度、退火条件均相同的情况下，单晶硅样品的1//噪声仅为LPCVD样品1//噪声的1/10，而表1给出的T值降低了2-3个量级。对比三种LPCVD材料发现，非晶硅的1//噪声和T值低于多晶硅和微晶硅样品，而微晶硅样品略好于多晶硅。
单晶硅样品的低1//噪声说明单晶硅具有较完整的晶格结构，材料内的缺陷远低于LPCVD材料。在LPCVD材料中，除晶格缺陷外，材料中氢原子或原子团的移动和晶粒的边界是引起1//噪声的另一主要原因，晶粒的边界象陷阱一样捕获离化的粒子，从而使材料的1//噪声大。晶粒边界的形状同样决定着1 //噪声的大小，小曲率半径的晶粒会引起大的1//噪声，这就是所谓的接触噪声。
3.3掺杂浓度的影响不同的掺杂浓度对应着不同的载流子浓度，当然也影响着器件的1//噪声。对比所有的实验结果发现，在器件尺寸和其它工艺条件均相同的情况下，当掺杂浓度加10倍时，1//噪声降低36%―50%.为两组相同尺寸微晶硅样品在相同退火条件下，不同掺杂浓度的1//噪声对比结果，显然，提高掺杂浓度会有效地降低器件的噪声。从公式（2）声应降低31. %.我们的实验结果高于31.6%，说明材料中的自由载流子浓度低于掺杂浓度，即掺入的硼离子没有完全激活。
对比表1中不同掺杂浓度的T值发现，虽然掺杂浓度对噪声有很大影响，但对T值却几乎没有影响。通常，高的掺杂浓度即意味着高的杂质散射中心，那么不同掺杂浓度样品的几乎相同的T值结果说明：我们的力敏电阻1//噪声与杂质散射无关，这验证了Hooge等人提出的晶格散射而非杂质散射的模型。在降低器件噪声的同时，面临着降低器件的灵敏度。我们推荐5<1015cm-2作为最佳掺杂浓度，是因为这个掺杂浓度恰好位于力敏电阻的灵敏度系数开始明显降低的拐点处。
3.4退火处理这个工艺过程有两个目的：第一，减少点缺陷密度；第二，在间隙位置的注入杂质原子能移动到晶格位置，变成电激活。缺陷态密度的减小将降低1/f噪声，同时杂质原子的电激活可加有效的自由载流子数，而减小1/f噪声。考虑高温退火杂质激活更完全，我们选择95C退火lmin和1050C退火30min处理我们的样品。比较两种退火条件，发现对所有样品，相比950°C，1min退火条件，1050°C，30min退火降低1/f噪声约65%，同样表1中的T值也降低了约65%.为两个微晶硅样品的对比测量结果。
两个微晶硅样品不同退火条件下的1f噪声对比结果样品尺寸L/W=5，L= 2ym，掺杂浓度为5<对比Harley总结的T值与扩散长度间的关系曲线发现，我们单晶硅样品的实验结果与他们给出的模型一致。对掺杂浓度为5<1014cm-2，高温长时间退火的单晶硅样品，测量发现其输出噪声能级非常低，仅为零电压时输出的2.5倍，计算的T仅为3.2<10- 6，并且噪声能级基本上与力敏电阻的尺寸无关，这是一个值得进一步探讨的结果。与掺杂一样，对高温、长时间退火的样品，由于硼离子的纵向扩散，悬臂梁的表面应力面临着降低的可能。从而可能降低器件的灵敏度。
设计参数和工艺条件进行优化。结果表明，低频下1f噪声是主要的噪声源。比较四种压阻材料，单晶硅具有最低的1/f噪声和T值。在三种LPCVD压敏材料中，非晶硅的1f噪声和T值略低于其它两种材料。从设计参数来考虑，长宽比为10，L=10t20砍m是我们推荐的电阻尺寸。对比单晶硅5<或5<1015cm2两种掺杂浓度，高浓度的掺杂降低40%，但对T值并没有很大影响。相比950C、10min退火条件，1050C、30min退火降低1f噪声和T值约65%.www.jcp15.com
悬臂梁传感器的两个重要参数是它的偏移灵敏度和可探测的最小位移（MDD）。对压阻输出的悬臂梁，可探测的最小位移不仅取决于材料的应变灵敏度系数，而且很大程度上受力敏电阻噪声的限制。虽然目前世界上一些机构在进行悬臂梁的研究，但对器件噪声进行系统研究的报道却很少，且他们多采用单晶硅作为力敏材料，多晶硅、非晶硅、微晶硅等其它材料因为其低的成本和易于集成而同样需要关注。1991年，Tortonese等人率先在Stanford大学利用硅的压阻效应，成功地制作出硅压阻悬臂梁，并用于原子力显微镜，他们器件的噪声在0.01Hz到1kHz的带宽范围内，相当于0. 135nm的悬臂梁位移-接着BenaminW，Chui研究小组对微悬臂梁进行了改进，使得器件的灵敏度和共振频率提高了很多，器件的噪声在1Hz到200Hz的带宽范围内仅为0-他们对单晶硅悬臂梁总结出的T值介于3<10"6―3< 10"4之间-除本课题组以外，其它材料压阻悬臂梁的研究还未见报道，但一些多晶硅膜和非晶硅膜的1//噪声研究的文章可供，这些文章的作者讨论了1//噪声的起因，给出的T值在m3以上。
流子浓度，LWt分别为电阻的长度、宽度和厚度。ChinaAcademicournalElectronic本工作对单晶硅、多晶硅、非晶硅和微晶硅四种力敏电阻的噪声进行了系统的对比研究，同时分析了力敏电阻的几何尺寸、掺杂浓度和退火温度对噪声特性的影响，通过分析并与理论进行比较，我们得到了最佳设计参数和工艺条件，这些数据将为低噪声悬臂梁结构传感器的设计和制造提供很好的依据。
2实验基于噪声理论，1/f噪声的大小与力敏电阻的几何参数有关，因此我们设计了16种不同尺寸的力敏电阻，以进行对比研究。设计的出发点是选择不同的长宽比（L/W），同时改变电阻的宽度。设计结果51020，对应每一个L/W值，改变电阻的宽度分别为510 20和4（m.压阻输出的悬臂梁通常设计成对称Wheastone电桥的形式，四个完全相同力敏电阻中的两个位于衬底上，另外两个位于悬臂梁上，其中的一个悬臂梁作为测量悬臂梁，另一个悬臂梁作为悬臂梁。电阻被设计在悬臂梁上，而不是衬底上是考虑当外部环境噪声使悬臂梁形变时，这个附加的信号可通过悬臂梁滤掉。
四个掩膜板（电阻掩膜板、不同掺杂浓度掩膜板、接触孔掩膜板、金属掩膜板）用于本工艺流程。实验中采用SOI硅片和普通p型硅片作为衬底材料。SOI硅片的氧化层厚度为Pm，表面电阻层的厚度为205nm.常规RCA清洗后，普通Si片在1050C下湿氧氧化25min，产生300nm的Si2层，用于密封力敏电阻的底层。然后，普通硅片在LPCVD炉中，以硅烷流量为80sccm33.25Pa条件，分别生长240nm的非晶硅（580C）、多晶硅（610°C）和微晶硅（620°C）力敏电阻层。SF6反应离子刻蚀（RIE）刻蚀力敏电阻。所有硅片通过不同掺杂浓度掩膜板进行高、低两种浓度的硼离子注入，注入能量30keV，掺杂浓度对单晶硅为5<两种浓度的掺杂通过掩膜板离子注入在同一衬底上，是为了使对比测量更加准确。100nm的热氧化层钝化样品表面后，样品分别在N2下95（C退火10min或者在N2下1050C退火30min.电子束沉积10/200nmCr/Au金属膜，金属膜在RTA炉中320C下熔合20min.对于噪声测量器件，不必进行悬臂梁的腐蚀采用HP4396A谱分析仪记录器件的噪声。在器件的噪声测量中，为了得到理想的测量结果，首先屏蔽器件于其它测量仪器，然后再屏蔽所有测量仪器于实验室环境，测试用电缆要尽可能的短。加6V直流偏压于Wheastone电桥上，电桥的输出信号通过SR560低噪声信号放大器预放，再通过HP4396A谱分析仪记录。为了得到理想的测量数据，记录时采用分段测量，测量带宽分别为2-1000Hz和100d 20kHz，为测量示意图。
3结果和讨论微传感器的两个主要噪声源。ohnson噪声也叫热噪声，它产生于电子材料中自由载流子的无规则热运动，这种运动源于即使在没有外电场的情况下电流或电压的起伏，它仅与材料的电阻和温度有关，不依赖于频率，ohnson功率噪声Sv可表示为：一个解释1/f噪声的经验公式。这个公式可表达为殓：其中SRH和分H为相应于电阻起伏和电压起伏的功率噪声密度；V为加于电阻R上的偏压；/为频率；N为总的自由载流子数；T叫Hooge因子，是一个与器件尺寸无关的常数，它是一个判断材料性能的重要参数，介于1CT7到1（13之间。对于矩形电阻，总的自由载流子数由pLWt给出，其中p为载关于1/f噪声的起因，目前还是一个有争论的问题。对于均匀的半导体材料，普遍接受的观点是1//噪声是一种体效应，而不是表面效应，源于电子迁移率的起伏。但在是由晶格散射模型还是由杂质散射模型来解释迁移率起伏却有分歧，大多数人认为晶格散射是引起1//噪声的主要原因。
是测出的一组不同宽度的非晶硅样品噪声谱，电阻的长宽比为L/W=5，掺杂浓度为5K1015以-2，在950°下退火101是测出的一组单晶硅样品噪声谱，电阻的长宽比为L/W=10，掺杂浓度为5KKcm-2，在1050C下退火30min.对256种不同样品，均测出了类似的噪声谱，通过处理、总结这些数据，我们得出一些结论。
3.1几何参数的影响从噪声谱可以看出，低频下，1//噪声起主要作用，计算该噪声曲线的斜率为-0.5，即低频下的噪声是1//噪声，而不是1//噪声。随着频率的加，1//噪声逐级减小，在拐点频率（1//噪声与ohnson噪声的交接频率）处与ohnson噪声交叉。对于不同的样品，拐点频率有很大差别，对低1//噪声的单晶硅样品，其拐点频率大约为50Hz，而对高1//噪声的多晶硅样品，拐点频率可高达10kHz，说明1//噪声因材料的不同，会有很大差别。拐点频率以外，仅观察到ohnson噪声，且ohnson噪声能级的测量值与理论计算值基本一致。
几何参数主要通过影响力敏电阻的阻值而影响ohnson噪声，而1//噪声的大小由总的自由载流子数决定。因此，对某种确定的材料，扩大电阻的面积可以加总的自由载流子数，从而有效地减小1//噪声。这一结论可以由和明显看出，即不据，对每一种材料，每一种掺杂浓度和退火条件的样品，拟合它们的噪声谱，我们均可准确计算出其（汾1/2，然后通过（心/）1/21妒的关系，拟合各直线并计算斜率，T的值可以准确的计算出来。给出的是三组不同长宽比非晶硅的样品，（SV/）1/2随1/L的变化关系，三条线均具有很好的线性关系，此时工艺条件为：掺杂浓度5<1014cm- 2，退火温度1050C，30min.对每种工艺条件的样品，都进行类似的数据处理，计算出相应的T值，计算结果列于表1.每个T值都是从许多个不同尺寸的样品平均得出，因此此结果具有可靠性。
1//噪声随力敏电阻尺寸的加而明显降低，但并不意味着力敏电阻的尺寸越大越好，太大的力敏电阻会降低器件灵敏度，同时噪声谱振动幅度也会明显加。综合考虑器件的噪声和灵敏度，我们认10时，L在100-20（1之间是较合适的器件尺寸。
表1不同材料T值的计算结果看，1//噪声反比于孓，如果以掺杂浓度乘以电阻3.2材料的影响对比所有噪声谱，发现单晶硅样品的1//噪声明显低于LPCVD样品的1//噪声。在电阻尺寸、掺杂浓度、退火条件均相同的情况下，单晶硅样品的1//噪声仅为LPCVD样品1//噪声的1/10，而表1给出的T值降低了2-3个量级。对比三种LPCVD材料发现，非晶硅的1//噪声和T值低于多晶硅和微晶硅样品，而微晶硅样品略好于多晶硅。
单晶硅样品的低1//噪声说明单晶硅具有较完整的晶格结构，材料内的缺陷远低于LPCVD材料。在LPCVD材料中，除晶格缺陷外，材料中氢原子或原子团的移动和晶粒的边界是引起1//噪声的另一主要原因，晶粒的边界象陷阱一样捕获离化的粒子，从而使材料的1//噪声大。晶粒边界的形状同样决定着1 //噪声的大小，小曲率半径的晶粒会引起大的1//噪声，这就是所谓的接触噪声。
3.3掺杂浓度的影响不同的掺杂浓度对应着不同的载流子浓度，当然也影响着器件的1//噪声。对比所有的实验结果发现，在器件尺寸和其它工艺条件均相同的情况下，当掺杂浓度加10倍时，1//噪声降低36%―50%.为两组相同尺寸微晶硅样品在相同退火条件下，不同掺杂浓度的1//噪声对比结果，显然，提高掺杂浓度会有效地降低器件的噪声。从公式（2）声应降低31. %.我们的实验结果高于31.6%，说明材料中的自由载流子浓度低于掺杂浓度，即掺入的硼离子没有完全激活。
对比表1中不同掺杂浓度的T值发现，虽然掺杂浓度对噪声有很大影响，但对T值却几乎没有影响。通常，高的掺杂浓度即意味着高的杂质散射中心，那么不同掺杂浓度样品的几乎相同的T值结果说明：我们的力敏电阻1//噪声与杂质散射无关，这验证了Hooge等人提出的晶格散射而非杂质散射的模型。在降低器件噪声的同时，面临着降低器件的灵敏度。我们推荐5<1015cm-2作为最佳掺杂浓度，是因为这个掺杂浓度恰好位于力敏电阻的灵敏度系数开始明显降低的拐点处。
3.4退火处理这个工艺过程有两个目的：第一，减少点缺陷密度；第二，在间隙位置的注入杂质原子能移动到晶格位置，变成电激活。缺陷态密度的减小将降低1/f噪声，同时杂质原子的电激活可加有效的自由载流子数，而减小1/f噪声。考虑高温退火杂质激活更完全，我们选择95C退火lmin和1050C退火30min处理我们的样品。比较两种退火条件，发现对所有样品，相比950°C，1min退火条件，1050°C，30min退火降低1/f噪声约65%，同样表1中的T值也降低了约65%.为两个微晶硅样品的对比测量结果。
两个微晶硅样品不同退火条件下的1f噪声对比结果样品尺寸L/W=5，L= 2ym，掺杂浓度为5<对比Harley总结的T值与扩散长度间的关系曲线发现，我们单晶硅样品的实验结果与他们给出的模型一致。对掺杂浓度为5<1014cm-2，高温长时间退火的单晶硅样品，测量发现其输出噪声能级非常低，仅为零电压时输出的2.5倍，计算的T仅为3.2<10- 6，并且噪声能级基本上与力敏电阻的尺寸无关，这是一个值得进一步探讨的结果。与掺杂一样，对高温、长时间退火的样品，由于硼离子的纵向扩散，悬臂梁的表面应力面临着降低的可能。从而可能降低器件的灵敏度。
设计参数和工艺条件进行优化。结果表明，低频下1f噪声是主要的噪声源。比较四种压阻材料，单晶硅具有最低的1/f噪声和T值。在三种LPCVD压敏材料中，非晶硅的1f噪声和T值略低于其它两种材料。从设计参数来考虑，长宽比为10，L=10t20砍m是我们推荐的电阻尺寸。对比单晶硅5<或5<1015cm2两种掺杂浓度，高浓度的掺杂降低40%，但对T值并没有很大影响。相比950C、10min退火条件，1050C、30min退火降低1f噪声和T值约65%.www.jcp15.com