几种新型薄膜材料及应用
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⑴溅射法 ⑵MOCVD技术 ⑶Sol-Gel法 ⑷PLD法
表5-1 铁电薄膜四种主要制备技术的对比
项目
溅射法 PLD法
MOCVD法 Sol-Gel法
附着力
很好
好
好
好
复杂化合物沉积
不好
很好
不好
好
沉积速率
一般
wenku.baidu.com
好
好
一般
均匀性
好
好
很好
很好
显微结构
好
好
好
很好
化学计量比控制
较好
好
很好
很好
退火温度
低
较低
较低
较高
cTT0
式中，c为居里常数(Curie constant )，T为绝对温 度，To为顺电居里温度，或称为居里-外斯温度， 它 ＝是Tc，使对于一时级的相温变度铁。电对体于To二<T级c（相居变里铁点电T体C略，大T0 于T0）。
5.1.2 铁电薄膜及其制备技术的发展
目前，铁电薄膜制备工艺主要有以下四种， 表5-1给出这四种主要制膜技术的发展现状。
SiO2薄膜的生长经常采用硅单晶表层氧化的方法， 这种方法是一种反应扩散过程。硅的热氧化有干氧
和湿氧之分。前者利用干燥的氧气，后者利用水汽 或带有水汽的氧气。1050℃下O2，H2O，H2在SiO2 中的扩散系数分别为D(O2)=2.82×10-14cm2•s-1、 D(H2O)=9.5×10-10 cm2•s-1、
氧化物介质薄膜在集成电路和其它薄膜器件中有广 泛的应用，例如SiO2薄膜的生长对超大规模集成电 路平面工艺的发展有过重要的贡献。SiO2薄膜是 MOS器件的重要组成部分，它在超大规模集成电路 多层布线中是隔离器件的绝缘层，并且能阻挡杂质 向硅单晶的扩散。
二氧化硅可见光区折射率1.46，透明区域从0.18～ 8 mm。
图5-1 铁电体电滞回线示意图
铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向随外电场方 向反向而反向。极化强度与外电场的关系曲线如图51所示，此曲线即电滞回线（hysteresis loop）。图 中PsA是饱和极化强度， Pr是剩余极化强度， EC是矫 顽场。
由于晶体结构与温度有密切的关系，所以铁电性通常 只存在于一定的温度范围内。当温度超过某一特定的 值时，晶体由铁电(ferroelectric)相转变为顺电 （paraelectric）相，即发生铁电相变，自发极化消 失，没有铁电性。这一特定温度Tc称为居里温度或居 里点(Curie Temperature)。
D(H2)=2.2×10-8cm2•s-1。H2O在SiO2薄膜中的溶解 度还比氧气大几百倍，从而使前者的浓度梯度大得
多。由此可见，湿法氧化比干氧氧化要快的多，相 应的湿法氧化温度可以低一些。
Si3N4薄膜和SiO2薄膜类似，它也可以在集成 电路中起钝化作用。它还是MNOS型（N为 氮化物）非易失存储器的组成部分。 Si3N4薄 膜的最成熟的制备方法是CVD方法，例如用 硅烷和氨热分解形成Si3N4薄膜。
电介质的基本特征是，在外电场的作用下， 电介质中要出现电极化，即将原来不带电 的电介质置于外电场中，在其内部和表面 上将会感生出一定的电荷。
本节主要介绍用于混合集成电路、半导体 集成电路及薄膜元器件中的介质薄膜的制 作、性质及应用
5.2.2 氧化物电介质薄膜的制备及应用
1、氧化物电介质薄膜的制备
（3）表面钝化膜
薄膜电子元器件的性能及其稳定性与所用半导体材 料的表面性质关系极大，而半导体或其它薄膜材料 的表面性质又与加工过程及器件工作环境密切相关。 为了避免加工过程及工作环境对器件性能（含稳定 性、可靠性）的影响，需要在器件表面淀积一层介 质钝化膜。
常用的钝化膜主要有：在含Cl气氛中生长的SiO2膜、 磷 胺硅，玻 氮璃 化（ 铝膜PS和G三）氧膜化、二氮铝化膜硅（膜A（l2SOi33N）4等）。，聚酰亚
在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光 学性质和热学性质等，都要出现反常现象，即具 有临界特性。在Tc时，介电系数、压电系数、弹 性柔顺系数、比热和线性电光系数急剧增大。例 如：大多数铁电晶体，在Tc时介电常数可达104～ 105，这种现象称为铁电体在临界温度附近的“介 电反常”。
当温度高于Tc时，介电系数与温度的关系服从居里 －外斯定律(Curie-Weiss Law)：
掺杂难度
困难
一般
容易
容易
厚度控制
容易
容易
容易
困难
重复性
一般
较好
好
好
沉积外延膜
好
好
好
一般
工艺开发要求
一般
一般
较高
一般
设备耗资
较大
较大
一般
较少
扩大规模的难度和成本 较高
一般
较少
较少
5.2 电介质薄膜及应用
5.2.1 概述
通常人们将电阻率大于1010Ω·cm的材料称为“绝缘 体”，并且简单地认为电介质就是绝缘体，其实这是 不确切的。严格地说，绝缘体是指能够承受较强电场 的电介质材料，而电介质材料除了绝缘特性外，主要 是指在较弱电场下具有极化能力并能在其中长期存在 （电场下）的一种物质。与金属不同，电介质材料内 部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在 束缚电荷，通过极化过程来传递和记录电子信息，与 此同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介 质能够以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。
第五章 几种新型薄膜材料及应用
5.1 铁电薄膜材料及其应用
5.1.1 铁电材料的研究发展 铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且 其极化方向可以因外电场方向反向而反向。 存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来 源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷 所形成的电偶极矩。 具有铁电性，且厚度在数十纳米至时微米的 薄膜材料，叫铁电薄膜。
2、氧化物电介质薄膜的应用
（1）用作电容器介质 在薄膜混合集成电路中，用作薄膜电容器介质的
主要有SiO、SiO2、Ta2O5以及Ta2O5 -SiO(SiO2) 复合薄膜等。一般情况下，若薄膜电容器的电容 在10～1000pF范围，多选用SiO薄膜和Ta2O5 SiO复合介质薄膜；在10～500pF范围多选用 SiO2介质，在500～5000pF范围多选用Ta2O5介 质。 （2）用作隔离和掩膜层 在半导体集成电路中，利用杂质在氧化物（主要 是系S数iO这2一介特质性），中S的iO扩2散等系氧数化远物小常于用在作S对i中B、的P扩、散As、 Sb等杂质进行选择性扩散的掩蔽层。
表5-1 铁电薄膜四种主要制备技术的对比
项目
溅射法 PLD法
MOCVD法 Sol-Gel法
附着力
很好
好
好
好
复杂化合物沉积
不好
很好
不好
好
沉积速率
一般
wenku.baidu.com
好
好
一般
均匀性
好
好
很好
很好
显微结构
好
好
好
很好
化学计量比控制
较好
好
很好
很好
退火温度
低
较低
较低
较高
cTT0
式中，c为居里常数(Curie constant )，T为绝对温 度，To为顺电居里温度，或称为居里-外斯温度， 它 ＝是Tc，使对于一时级的相温变度铁。电对体于To二<T级c（相居变里铁点电T体C略，大T0 于T0）。
5.1.2 铁电薄膜及其制备技术的发展
目前，铁电薄膜制备工艺主要有以下四种， 表5-1给出这四种主要制膜技术的发展现状。
SiO2薄膜的生长经常采用硅单晶表层氧化的方法， 这种方法是一种反应扩散过程。硅的热氧化有干氧
和湿氧之分。前者利用干燥的氧气，后者利用水汽 或带有水汽的氧气。1050℃下O2，H2O，H2在SiO2 中的扩散系数分别为D(O2)=2.82×10-14cm2•s-1、 D(H2O)=9.5×10-10 cm2•s-1、
氧化物介质薄膜在集成电路和其它薄膜器件中有广 泛的应用，例如SiO2薄膜的生长对超大规模集成电 路平面工艺的发展有过重要的贡献。SiO2薄膜是 MOS器件的重要组成部分，它在超大规模集成电路 多层布线中是隔离器件的绝缘层，并且能阻挡杂质 向硅单晶的扩散。
二氧化硅可见光区折射率1.46，透明区域从0.18～ 8 mm。
图5-1 铁电体电滞回线示意图
铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向随外电场方 向反向而反向。极化强度与外电场的关系曲线如图51所示，此曲线即电滞回线（hysteresis loop）。图 中PsA是饱和极化强度， Pr是剩余极化强度， EC是矫 顽场。
由于晶体结构与温度有密切的关系，所以铁电性通常 只存在于一定的温度范围内。当温度超过某一特定的 值时，晶体由铁电(ferroelectric)相转变为顺电 （paraelectric）相，即发生铁电相变，自发极化消 失，没有铁电性。这一特定温度Tc称为居里温度或居 里点(Curie Temperature)。
D(H2)=2.2×10-8cm2•s-1。H2O在SiO2薄膜中的溶解 度还比氧气大几百倍，从而使前者的浓度梯度大得
多。由此可见，湿法氧化比干氧氧化要快的多，相 应的湿法氧化温度可以低一些。
Si3N4薄膜和SiO2薄膜类似，它也可以在集成 电路中起钝化作用。它还是MNOS型（N为 氮化物）非易失存储器的组成部分。 Si3N4薄 膜的最成熟的制备方法是CVD方法，例如用 硅烷和氨热分解形成Si3N4薄膜。
电介质的基本特征是，在外电场的作用下， 电介质中要出现电极化，即将原来不带电 的电介质置于外电场中，在其内部和表面 上将会感生出一定的电荷。
本节主要介绍用于混合集成电路、半导体 集成电路及薄膜元器件中的介质薄膜的制 作、性质及应用
5.2.2 氧化物电介质薄膜的制备及应用
1、氧化物电介质薄膜的制备
（3）表面钝化膜
薄膜电子元器件的性能及其稳定性与所用半导体材 料的表面性质关系极大，而半导体或其它薄膜材料 的表面性质又与加工过程及器件工作环境密切相关。 为了避免加工过程及工作环境对器件性能（含稳定 性、可靠性）的影响，需要在器件表面淀积一层介 质钝化膜。
常用的钝化膜主要有：在含Cl气氛中生长的SiO2膜、 磷 胺硅，玻 氮璃 化（ 铝膜PS和G三）氧膜化、二氮铝化膜硅（膜A（l2SOi33N）4等）。，聚酰亚
在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光 学性质和热学性质等，都要出现反常现象，即具 有临界特性。在Tc时，介电系数、压电系数、弹 性柔顺系数、比热和线性电光系数急剧增大。例 如：大多数铁电晶体，在Tc时介电常数可达104～ 105，这种现象称为铁电体在临界温度附近的“介 电反常”。
当温度高于Tc时，介电系数与温度的关系服从居里 －外斯定律(Curie-Weiss Law)：
掺杂难度
困难
一般
容易
容易
厚度控制
容易
容易
容易
困难
重复性
一般
较好
好
好
沉积外延膜
好
好
好
一般
工艺开发要求
一般
一般
较高
一般
设备耗资
较大
较大
一般
较少
扩大规模的难度和成本 较高
一般
较少
较少
5.2 电介质薄膜及应用
5.2.1 概述
通常人们将电阻率大于1010Ω·cm的材料称为“绝缘 体”，并且简单地认为电介质就是绝缘体，其实这是 不确切的。严格地说，绝缘体是指能够承受较强电场 的电介质材料，而电介质材料除了绝缘特性外，主要 是指在较弱电场下具有极化能力并能在其中长期存在 （电场下）的一种物质。与金属不同，电介质材料内 部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在 束缚电荷，通过极化过程来传递和记录电子信息，与 此同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介 质能够以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。
第五章 几种新型薄膜材料及应用
5.1 铁电薄膜材料及其应用
5.1.1 铁电材料的研究发展 铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且 其极化方向可以因外电场方向反向而反向。 存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来 源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷 所形成的电偶极矩。 具有铁电性，且厚度在数十纳米至时微米的 薄膜材料，叫铁电薄膜。
2、氧化物电介质薄膜的应用
（1）用作电容器介质 在薄膜混合集成电路中，用作薄膜电容器介质的
主要有SiO、SiO2、Ta2O5以及Ta2O5 -SiO(SiO2) 复合薄膜等。一般情况下，若薄膜电容器的电容 在10～1000pF范围，多选用SiO薄膜和Ta2O5 SiO复合介质薄膜；在10～500pF范围多选用 SiO2介质，在500～5000pF范围多选用Ta2O5介 质。 （2）用作隔离和掩膜层 在半导体集成电路中，利用杂质在氧化物（主要 是系S数iO这2一介特质性），中S的iO扩2散等系氧数化远物小常于用在作S对i中B、的P扩、散As、 Sb等杂质进行选择性扩散的掩蔽层。