半导体器件的钝化技术

半导体器件的钝化技术

09023320 李子腾

09023307 邹骞

09023308 刘峥

09023319 沈骜

目录

1绪论 (1)

2正文主体 (1)

2.1钝化工艺及其对半导体器件参数的影响 (1)

2.2制备钝化层的介质材料及其优缺点 (3)

(3)

3结论 (5)

4主要参考文献…………………………………………………………………………………

1绪论

对于高性能高可靠性集成电路来说，表面钝化已成为不可缺少的工艺措施之一。近二十年来，信息技术日新月异蓬勃发展。二十一世纪，世界将全面进入信息时代，以信息技术为代表的高新技术形成的新经济模式，将在二十一世纪世界经济中起决定作用。信息科技的发展在很大程度上依赖于微电子半导体技术的发展水平，其中（超）大规模集成电路技术（ULSI）是半导体关键的技术。一个国家占领了信息技术的制高点，它将在二十一世纪获得经济上的主导地位。摩尔定律——即集成电路的集成度每18个月翻一番，成本大幅下降，揭示了信息技术的指数发展规律，正在朝着高集成化、高速化和高质量化的方向发展。表面钝化膜的种类很多，如氧化硅、氧化铝、氮化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半绝缘多晶硅等等，不同的介质薄膜具有不同的性质和用途。总的来说，氮化硅薄膜是半导体集成电路中最具应用前景的表面钝化材料，发展低温的热CVD工艺来沉积氮化硅表面钝化膜是集成电路发展的必然趋势，而开发新的能满足低温沉积氮化硅薄膜的新的硅源、氮源前驱体是解决这一难题的有效方法。接下来，我们小组将会在正文对于什么是钝化工艺，以及钝化层的制备两方面进行具体介绍。

2正文主体

2.1钝化工艺及其对半导体器件参数的影响

钝化工艺就是在半导体器件表面覆盖保护介质膜，以防止表面污染的工艺。下文将对各主流钝化工艺进行介绍，并讨论其对半导体器件的影响

在集成电路中，在一块单晶基片上需要组装很多器件，这些器件之间需要互相布线连接，而且随着集成度的提高和特征尺寸的减小，布线密度必须增加，所以用于器件之间以及布线之间电气隔离的绝缘钝化膜是非常重要的。此外，由于半导体表面与内部结构的差异（表面晶格原子终止而存在悬挂键，即未饱和的键），导致表面与内部性质的不同，而其表面状况对器件的性能有重要作用。表面只要有微量的沾污（如有害的杂质离子Na+、水汽、尘埃等），就会影响器件表面的电学性质，如表面电导及表面态等。为提高器件性能的稳定性和可靠性，必须把器件与周围环境气氛隔离开来，以增强器件对外来离子沾污的阻挡能力，控制和稳定半导体表面的特征，保护器件内部的互连以及防止器件受到机械和化学损伤。为此就提出了半导体器件表面钝化的要求。

在半导体器件的制造生产过程中，半导体器件的钝化是保证器件能正常稳定工作的关键技术之一。为提高器件的稳定性，早期是在半导体器件的表面敷以适当的涂料作为保护剂，同时在管壳进行气密封时抽空或充以惰性气体。1959年，美国人M.M.阿塔拉研究了硅器件表面暴露在大气中的不稳定性问题，提出热生长二氧化硅（SiO2）膜具有良好的表面钝化效果。1959年以后，由于平面型器件采用了SiO2作表面钝化膜，大大地改善了表面效应的影响，成为在半导体器件表面钝化方面的第一次重大突破。但由于在SiO2中以及SiO2和Si界面处存在着表面电荷，会引起双极型晶体管的特性变化，因此其钝化作用并不十分理想。从60年代中期开始，各种新的钝化介质膜不断地涌现出来，目前表面钝化材料主要有SiO2、S3N4、Al2O3、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半绝缘多晶硅以及金属氧化物和有机聚合

物等。目前应用最广泛的无机表面钝化膜为SiO2、S3N4和Al2O3。

半导体表面钝化膜大体上可分两类。第一类钝化膜是与制造器件的单晶硅材料直接接触的。其作用在于控制和稳定半导体表面的电学性质，控制固定正电荷和降低表面复合速度，使器件稳定工作。第二类钝化膜通常是制作在氧化层、金属互连布线上面的，它应是能保护和稳定半导体器件芯片的介质薄膜，需具有隔离并为金属互连和端点金属化提供机械保护作用，它既是杂质离子的壁垒，又使器件表面具有良好的力学性能。我们通常所说的表面钝化膜大多是指第二类钝化膜。

直接同半导体接触的介质膜通常称为第一钝化层。常用介质是热生长的二氧化硅膜。在形成金属化层以前，在第一钝化层上再生长第二钝化层，主要由磷硅玻璃、低温淀积二氧化硅等构成，能吸收和阻挡钠离子向硅衬底扩散。为使表面钝化保护作用更好并使金属化层不受机械擦伤，在金属化层上面再生长第三层钝化层。这第三层介质膜可以是磷硅玻璃、低温淀积二氧化硅、化学气相淀积氮化硅、三氧化二铝或聚酰亚胺。这种多层结构钝化，是现代微电子技术中广泛采用的方式。

对于钝化层的基本要求是：能长期阻止有害杂质对器件表面的沾污；热膨胀系数与硅衬底匹配；膜的生长温度低；钝化膜的组份和厚度均匀性好；针孔密度较低以及光刻后易于得到缓变的台阶。

下面将对几种主要的钝化工艺进行讨论，分析其在器件生产中起到的作用。

在硅烷SiH4和氧的反应过程中，反应温度取250～500℃之间，能淀积生长SiO2膜。此法简单，较早得到实用，是一种金属化层上的钝化膜。

磷硅玻璃及其生长工艺

1964年，发现硅在热氧化过程中通入少量三氯氧磷蒸汽后生成的二氧化硅膜具有磷硅玻璃特性，能捕获钠离子和稳定钠离子的污染作用，大大改善了器件的稳定性。适当增加磷的浓度还能降低膜的针孔密度，防止微裂，减少快态密度和平缓光刻台阶。磷硅玻璃已成为重要的第二层钝化膜。其不足之处是磷浓度较高时有极化和吸潮特性，浓度太低则不易达到流动和平缓台阶的作用。另一种常用的生长磷硅玻璃的方法是化学汽相淀积法,即把磷烷PH3加到硅烷SiH4和氧的反应过程中，反应温度为400～500℃。

氮化硅膜是惰性介质，介质特性优于二氧化硅膜，抗钠能力强，热稳定性好，能明显提高器件的可靠性和稳定性。最常用的氮化硅生长法，是低压化学汽相淀积法和等离子增强的化学汽相淀积法，可用于制作第二和第三钝化层。80年代又出现利用光化学反应的化学汽相淀积新工艺。例如，利用紫外光激发反应器中的微量汞原子，把辐射能转移到硅烷(SiH4)、一氧化二氮(N2O)和氨的反应中去,生长出氮化硅膜。这种反应的温度只需50～300℃,是一种有效的新工艺。

这种膜抗辐射能力强，对钠离子有良好的阻挡作用。最常用的是铝的阳极氧化工艺。