第五章几种新型薄膜材料及应用
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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。
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、
MOCVD法 好 不好 好 很好 好 很好 较低 容易 容易 好 好 较高 一般 较少
Sol-Gel法 好 好 一般 很好 很好 很好 较高 容易 困难 好 一般 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。
项目 附着力 复杂化合物沉积 沉积速率 均匀性 显微结构 化学计量比控制 退火温度 掺杂难度 厚度控制 重复性 沉积外延膜 工艺开发要求 设备耗资 扩大规模的难度和成本
表5-1 铁电薄膜四种主要制备技术的对比
溅射法 很好 不好 一般 好 好 较好 低 困Hale Waihona Puke Baidu 容易 一般 好 一般 较大 较高
PLD法 好 很好 好 好 好 好 较低 一般 容易 较好 好 一般 较大 一般
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5-1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)。
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)：
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SiO2介质）中的扩散系数远小于在Si中的 扩散系数这一特性，SiO2等氧化物常用作对B、P、As、Sb等杂质进行选择性扩散的掩蔽层。
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
c 度，它是使 时的温度。对于二级相变铁电体，T0＝Tc，对于一级相变铁电体To<Tc（居里
点TC略大于T0）。
TT 0
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。 ⑴溅射法 ⑵MOCVD技术 ⑶Sol-Gel法 ⑷PLD法
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。
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。
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 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
（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、磷硅玻璃（PSG）膜、氮化硅膜（Si3N4）， 聚酰亚胺，氮化铝膜和三氧化二铝膜（Al2O3）等。
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、
MOCVD法 好 不好 好 很好 好 很好 较低 容易 容易 好 好 较高 一般 较少
Sol-Gel法 好 好 一般 很好 很好 很好 较高 容易 困难 好 一般 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。
项目 附着力 复杂化合物沉积 沉积速率 均匀性 显微结构 化学计量比控制 退火温度 掺杂难度 厚度控制 重复性 沉积外延膜 工艺开发要求 设备耗资 扩大规模的难度和成本
表5-1 铁电薄膜四种主要制备技术的对比
溅射法 很好 不好 一般 好 好 较好 低 困Hale Waihona Puke Baidu 容易 一般 好 一般 较大 较高
PLD法 好 很好 好 好 好 好 较低 一般 容易 较好 好 一般 较大 一般
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5-1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)。
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)：
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SiO2介质）中的扩散系数远小于在Si中的 扩散系数这一特性，SiO2等氧化物常用作对B、P、As、Sb等杂质进行选择性扩散的掩蔽层。
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
c 度，它是使 时的温度。对于二级相变铁电体，T0＝Tc，对于一级相变铁电体To<Tc（居里
点TC略大于T0）。
TT 0
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。 ⑴溅射法 ⑵MOCVD技术 ⑶Sol-Gel法 ⑷PLD法
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。
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。
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 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
（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、磷硅玻璃（PSG）膜、氮化硅膜（Si3N4）， 聚酰亚胺，氮化铝膜和三氧化二铝膜（Al2O3）等。