半導(dǎo)體器件的鈍化技術(shù)

1、半導(dǎo)體器件的鈍化技術(shù)09023320 子騰09023307 鄒騫09023308 崢09023319 驁目錄1緒論 1 2正文主體 1 2.1鈍化工藝及其對半導(dǎo)體器件參數(shù)的影響 12.2制備鈍化層的介質(zhì)材料及其優(yōu)缺點(diǎn) 3 33結(jié)論 54主要參考文獻(xiàn)1緒論對于高性能高可靠性集成電路來說，表面鈍化已成為不可缺少的工藝措施之一。近二 十年來，信息技術(shù)日新月異蓬勃發(fā)展。二十一世紀(jì)，世界將全面進(jìn)入信息時代，以信息技 術(shù)為代表的高新技術(shù)形成的新經(jīng)濟(jì)模式，將在二一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)中起決定作用。信息科 技的發(fā)展在很大程度上依賴于微電子半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展水平，其中（超）大規(guī)模集成電路 技術(shù)（ULSI）是半導(dǎo)體關(guān)鍵的技

2、術(shù)。一個國家占領(lǐng)了信息技術(shù)的制高點(diǎn)，它將在二十一世 紀(jì)獲得經(jīng)濟(jì)上的主導(dǎo)地位。摩爾定律一一即集成電路的集成度每18個月翻一番，成本大幅下降，揭示了信息技術(shù)的指數(shù)發(fā)展規(guī)律，正在朝著高集成化、高速化和高質(zhì)量化的方向發(fā) 展。表面鈍化膜的種類很多，如氧化硅、氧化鋁、氮化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半絕緣 多晶硅等等，不同的介質(zhì)薄膜具有不同的性質(zhì)和用途?？偟膩碚f，氮化硅薄膜是半導(dǎo)體集 成電路中最具應(yīng)用前景的表面鈍化材料，發(fā)展低溫的熱 CV工藝來沉積氮化硅表面鈍化膜 是集成電路發(fā)展的必然趨勢，而開發(fā)新的能滿足低溫沉積氮化硅薄膜的新的硅源、氮源前 驅(qū)體是解決這一難題的有效方法。接下來，我們小組將會在正文對于什么是

3、鈍化工藝，以 及鈍化層的制備兩方面進(jìn)行具體介紹。2正文主體2.1鈍化工藝及其對半導(dǎo)體器件參數(shù)的影響鈍化工藝就是在半導(dǎo)體器件表面覆蓋保護(hù)介質(zhì)膜，以防止表面污染的工藝。下文將對 各主流鈍化工藝進(jìn)行介紹，并討論其對半導(dǎo)體器件的影響在集成電路中，在一塊單晶基片上需要組裝很多器件，這些器件之間需要互相布線連 接，而且隨著集成度的提高和特征尺寸的減小，布線密度必須增加，所以用于器件之間以 及布線之間電氣隔離的絕緣鈍化膜是非常重要的。此外，由于半導(dǎo)體表面與部結(jié)構(gòu)的差異 （表面晶格原子終止而存在懸掛鍵，即未飽和的鍵），導(dǎo)致表面與部性質(zhì)的不同，而其表面狀況對器件的性能有重要作用。表面只要有微量的沾污（如有害的雜

4、質(zhì)離子、水汽、 塵埃等），就會影響器件表面的電學(xué)性質(zhì)，如表面電導(dǎo)及表面態(tài)等。為提高器件性能的穩(wěn) 定性和可靠性，必須把器件與周圍環(huán)境氣氛隔離開來，以增強(qiáng)器件對外來離子沾污的阻擋 能力，控制和穩(wěn)定半導(dǎo)體表面的特征，保護(hù)器件部的互連以及防止器件受到機(jī)械和化學(xué)損 傷。為此就提出了半導(dǎo)體器件表面鈍化的要求。在半導(dǎo)體器件的制造生產(chǎn)過程中，半導(dǎo)體器件的鈍化是保證器件能正常穩(wěn)定工作的關(guān) 鍵技術(shù)之一。為提高器件的穩(wěn)定性，早期是在半導(dǎo)體器件的表面敷以適當(dāng)?shù)耐苛献鳛楸Ｗo(hù) 劑，同時在管殼進(jìn)行氣密封時抽空或充以惰性氣體。1959年，美國人M.M.阿塔拉研究了硅器件表面暴露在大氣中的不穩(wěn)定性問題，提出熱生長二氧化硅（）膜

5、具有良好的表面鈍化效果。1959年以后，由于平面型器件采用了®5作表面鈍化膜，大大地改善了表面 效應(yīng)的影響，成為在半導(dǎo)體器件表面鈍化方面的第一次重大突破。 但由于在中以及 和界面處存在著表面電荷，會引起雙極型晶體管的特性變化，因此其鈍化作用并不十分 理想。.從60年代中期開始，各種新的鈍化介質(zhì)膜不斷地涌現(xiàn)出來，目前表面鈍化材料主 要有：'°2、昌“4、川2°：、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半絕緣多晶硅以及金屬氧化物和有機(jī)聚合物等。目前應(yīng)用最廣泛的無機(jī)表面鈍化膜為勺叫半導(dǎo)體表面鈍化膜大體上可分兩類。第一類鈍化膜是與制造器件的單晶硅材料直接接 觸的。其作用在于控制和穩(wěn)

6、定半導(dǎo)體表面的電學(xué)性質(zhì)，控制固定正電荷和降低表面復(fù)合速 度，使器件穩(wěn)定工作。第二類鈍化膜通常是制作在氧化層、金屬互連布線上面的，它應(yīng)是 能保護(hù)和穩(wěn)定半導(dǎo)體器件芯片的介質(zhì)薄膜，需具有隔離并為金屬互連和端點(diǎn)金屬化提供機(jī) 械保護(hù)作用，它既是雜質(zhì)離子的壁壘，又使器件表面具有良好的力學(xué)性能。我們通常所說 的表面鈍化膜大多是指第二類鈍化膜。直接同半導(dǎo)體接觸的介質(zhì)膜通常稱為第一鈍化層。常用介質(zhì)是熱生長的二氧化硅膜。 在形成金屬化層以前，在第一鈍化層上再生長第二鈍化層，主要由磷硅玻璃、低溫淀積二 氧化硅等構(gòu)成，能吸收和阻擋鈉離子向硅襯底擴(kuò)散。為使表面鈍化保護(hù)作用更好并使金屬 化層不受機(jī)械擦傷，在金屬化層上面再

7、生長第三層鈍化層。這第三層介質(zhì)膜可以是磷硅玻 璃、低溫淀積二氧化硅、化學(xué)氣相淀積氮化硅、三氧化二鋁或聚酰亞胺。這種多層結(jié)構(gòu)鈍 化，是現(xiàn)代微電子技術(shù)中廣泛采用的方式。對于鈍化層的基本要求是：能長期阻止有害雜質(zhì)對器件表面的沾污；熱膨脹系數(shù)與硅 襯底匹配；膜的生長溫度低；鈍化膜的組份和厚度均勻性好；針孔密度較低以及光刻后易 于得到緩變的臺階。下面將對幾種主要的鈍化工藝進(jìn)行討論，分析其在器件生產(chǎn)中起到的作用。在硅烷©孔和氧的反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度取250500C之間，能淀積生長引°2膜。此 法簡單，較早得到實(shí)用，是一種金屬化層上的鈍化膜。磷硅玻璃及其生長工藝1964年，發(fā)現(xiàn)硅在熱氧化

8、過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，能捕獲鈉離子和穩(wěn)定鈉離子的污染作用，大大改善了器件的穩(wěn)定性。適當(dāng)增加 磷的濃度還能降低膜的針孔密度，防止微裂，減少快態(tài)密度和平緩光刻臺階。磷硅玻璃已 成為重要的第二層鈍化膜。其不足之處是磷濃度較高時有極化和吸潮特性，濃度太低則不 易達(dá)到流動和平緩臺階的作用。另一種常用的生長磷硅玻璃的方法是化學(xué)汽相淀積法，即把磷烷加到硅烷 '和氧的反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度為 400500Eo氮化硅膜是惰性介質(zhì)，介質(zhì)特性優(yōu)于二氧化硅膜，抗鈉能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好，能明顯 提高器件的可靠性和穩(wěn)定性。最常用的氮化硅生長法，是低壓化學(xué)汽相淀積法和等離子增

9、強(qiáng)的化學(xué)汽相淀積法，可用于制作第二和第三鈍化層。80年代又出現(xiàn)利用光化學(xué)反應(yīng)的化 學(xué)汽相淀積新工藝。例如，利用紫外光激發(fā)反應(yīng)器中的微量汞原子，把輻射能轉(zhuǎn)移到硅烷叫）、一氧化二氮工°）和氨的反應(yīng)中去，生長出氮化硅膜。這種反應(yīng)的溫度只需 50 300E ,是一種有效的新工藝。這種膜抗輻射能力強(qiáng)，對鈉離子有良好的阻擋作用。最常用的是鋁的陽極氧化工藝 在淀積鋁金屬化層后，用光刻膠作掩模，在磷酸等酸溶液中直流陽極氧化，使硅上鋁互連 圖形之外的鋁層徹底轉(zhuǎn)化為透明有孔的三氧化二鋁。再用光刻膠保護(hù)所有壓焊區(qū)域，在硼 酸等陽極氧化液中通電進(jìn)行陽極氧化，使壓焊區(qū)之外的全部鋁上覆蓋一層三氧化二鋁薄 膜。這

10、樣的三氧化二鋁鈍化層能防止金屬化層被擦傷，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。2.2制備鈍化層的介質(zhì)材料及其優(yōu)缺點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對半導(dǎo)體器件的不同要求，生產(chǎn)時會選擇不同的介質(zhì) 材料作為鈍化層以確保器件能夠在特定的環(huán)境下穩(wěn)定工作，下文將對磷硅玻璃、Si-,NO3四種材料逐一進(jìn)行介紹，并針對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行講解。薄膜是半導(dǎo)體器件表面最常用的表面保護(hù)和鈍化膜。叫薄膜的制備方法多種多 樣，如熱氧化、熱分解淀積、濺射、真空蒸發(fā)、陽極氧化、外延淀積等等，不同方法制備 的薄膜有不同的特點(diǎn)，其具體用途也有所差別。例如，熱氧化制備的膜廣泛應(yīng)用于' 外 延表面晶體管、雙極型和M0（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）集

11、成電路中擴(kuò)散掩蔽膜，作為器 件表面和p-n結(jié)的鈍化膜以及集成電路的隔離介質(zhì)和絕緣柵等； 直流濺射制備的刃°2膜可用 于不宜進(jìn)行高溫處理器件的表面鈍化；而射頻濺射的乳膜則可在集成電路中用作多層布 線和二次鈍化。盡管膜在集成電路表面鈍化方面具有廣泛的用途，但也存在一些不足，其最明顯的缺點(diǎn)就是薄膜結(jié)構(gòu)相對疏松，針孔密度較高，因此 乳。2膜的防潮和抗金屬離子 玷污能力相對較差，易被污染。為此，人們開發(fā)了一系列摻雜的乳內(nèi)膜，如磷硅玻璃（PSG、 硼硅玻璃（BSG以及摻氯氧化硅等。為獲得優(yōu)質(zhì)的氧化層，在硅熱氧化時，在干氧的氣 氛中添加一定數(shù)量的含氯（Cl）物質(zhì)可以制備摻氯氧化硅，這種膜對具有吸收

12、和鈍化 作用。吸收作用是由于氧化氣氛中的氯通過形成揮發(fā)性的氧化物而阻止 川“+進(jìn)入生長的氧 化膜中，而鈍化作用是由于氯在氧化時被結(jié)合進(jìn)中，并分布在靠近SiSl02界面附近，進(jìn)入氧化膜中的f廠可以把W十固定，或血十穿過氧化層后，被Si02界面附近的氯捕 獲而變成中性，使Si器件的特性保持穩(wěn)定。此外，氯摻入氧化層后，可以同界面附近的過 剩Si相結(jié)合，形成慌：関鍵，減少氧空位和Si懸掛鍵，從而減少氧化層的固定電荷和界面 態(tài)密度；同時由于摻氯氧化層的缺陷密度有所降低，使得氧化層的擊穿電壓提高。磷硅玻璃膜簡稱PSG膜。PSGE'S同五氧化二磷（心°5）的混合物，它可以用低溫 沉積的方法

13、覆蓋于乳°2上面，也可在高溫下對熱生長的 乳°2通磷（P）蒸汽處理而獲得，熱 生長“的結(jié)構(gòu)是 J四面體（Si在中心）組成，在角上（氧的位置）相互連接。形成有 Si和0離子構(gòu)成的多元環(huán)三維網(wǎng)絡(luò)，同比°5合金形成磷硅玻璃后,P04四面體加入到硅的網(wǎng) 絡(luò)中，沒有橋連的氧離子可以同每一個磷離子相關(guān)。因此，玻璃中每一個，分子將形成兩種不同極性的磷中心。由于存在這種帶負(fù)電的沒有橋連的氧離子，因此提供了可動雜 質(zhì)離子的陷阱，這就是穩(wěn)定作用的原因所在。與'鈍化工藝相比，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：生長溫度低（3004000C），針孔密度小，比 Si和Al的粘附性好，硬度高，膜應(yīng)力小，

14、特別是 PSG能明顯地削弱鈉等可動正離子對半 導(dǎo)體表面性質(zhì)的影響。對可動鈉離子具有提取固定和阻擋作用。同時，正負(fù)電荷間的靜電 引力作用，大大降低了鈉離子的遷移率，在一定程度上阻擋了的再侵入。磷硅玻璃之 所以有提取和阻擋鈉離子作用，是由它的四面體結(jié)構(gòu)決定的。四面體結(jié)構(gòu)有一個帶負(fù)電的 的中心，正是這種負(fù)電中心成為俘獲鈉正離子的陷阱。大大降低了 Nd*的遷移率，使得磷 硅玻璃有提取和阻擋鈉離子的作用。正因?yàn)橛幸陨线@些優(yōu)點(diǎn)，所以磷硅玻璃鈍化常用于器 件的最后表面鈍化工藝。同時，因?yàn)镹a的分配系數(shù)在PSG中比忌®2層中要大三個數(shù)量級以上，所以 川八 幾乎 集中固定在遠(yuǎn)離界面的PSG層中。但采用

15、.鈍化層時必須適當(dāng)控制 PSG中P含量和PSG層的厚度。若P原子太少則達(dá)不到足夠的鈍化效果，相反，P濃度過高或PSG太厚，則PSG要發(fā)生極化現(xiàn)象，而且濃度大時還會產(chǎn)生耐水性差的問題，導(dǎo)致器件性 能的惡化。PSGi要用作器件的二次（中間和最終）鈍化膜和多層布線中的絕緣介質(zhì)。'3汕；膜的制備大體上可分為物理汽相淀積和化學(xué)氣相淀積兩種。物理氣相淀積法主要包括直流濺射和射頻濺射，而化學(xué)氣相淀積法可獲得高質(zhì)量的薄膜， 是目前最常用的方法， 主要有常壓（APCVD和低壓（LPCVD兩種。LPCV采用0.51.0乇的低壓，使得極近片 距下的質(zhì)量遷移限制同片子表面的化學(xué)反應(yīng)速率相比已無足輕重，因而可以

16、采用直立密集 裝片的方式，具有極高的裝片密度，使得制造成本大幅下降，因此自1976年以后，APCVD逐步被LPCV所代替成為制備薄膜的主要方法。由于傳統(tǒng)的熱CV所需基底溫度較高（一般三800°C），這往往會引起芯片中晶格缺陷 的生長、蔓延和雜質(zhì)的再分布，及受熱應(yīng)力作用而產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲等現(xiàn)象，所以通常采用等 離子體輔助法（PECVD,使基底溫度降到400C左右。80年代以來，國外逐步開展了、薄 膜PECV的研究。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)由于 PECV反應(yīng)選擇性較差，使反應(yīng)產(chǎn)物 的控制比較困難，因此很難保證沉積薄膜準(zhǔn)確的化學(xué)計(jì)量比 （化學(xué)計(jì)量的薄膜具有最佳的介電性），難于得到純凈的薄膜

17、，往往在沉積膜中殘留雜質(zhì)（特別是H,而H將降低 薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性及介電性）。尤其是PECV中采用的高能等離子體對芯片容易造 成轟擊損傷，因此具有很大的局限性。特別是隨著集成電路微細(xì)化、高集成化的發(fā)展，等 離子體轟擊損傷帶來的不利因素越來越明顯，等離子體轟擊損傷所帶來的危害將成為新一 代集成電路發(fā)展的制約因素，因此發(fā)展低溫的熱 CV工藝來沉積代罰可表面絕緣鈍化膜是集 成電路發(fā)展的必然趨勢。一般的硅烷或硅鹵化合物等硅源用傳統(tǒng)的熱CV工藝難于在低于800C的溫度下沉積薄膜，這就使得熱CV在微電子半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大的限制，因此開發(fā)新的Si源、N源前驅(qū)體是解決這一難題的有效方法。一般地說

18、，這些前驅(qū)體 物質(zhì)在相對較低的溫度下應(yīng)有足夠高的蒸氣壓，在氣化溫度之下熱力學(xué)穩(wěn)定，在氣化溫度 之上最好有單一明確的反應(yīng)機(jī)制，以保證反應(yīng)的高選擇性和產(chǎn)物的準(zhǔn)確化學(xué)計(jì)量。為了彌補(bǔ)膜的不足，在60年代中期開始了大量有關(guān)乳薄膜的生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用 的研究，進(jìn)一步提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。與 膜相比，膜在抗雜質(zhì)擴(kuò)散（如）和水汽滲透能力方面具有明顯的優(yōu)勢，而且由于其高度的化學(xué)穩(wěn)定性，在600C時不會與Al發(fā)生反應(yīng)，而在500C時與Al的反應(yīng)已比較顯著，使用膜可提高對電極反應(yīng)的惰性。當(dāng)然，西叫膜也有其不足。旳叫結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力大且界面態(tài)密度高。總 的來說，： 薄膜介電常數(shù)大，抗熱震性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，致密性好，

19、抗雜質(zhì)擴(kuò)散和水 汽滲透能力強(qiáng)，而且具有良好的力學(xué)性能和絕緣性能，以及抗氧化、抗腐蝕和耐摩擦等性能，由于熱CV薄膜具有較低濃度的C H雜質(zhì)含量等優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備簡單，易于控制，生 產(chǎn)效率高，因此該工藝在半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。從安全角度考慮，為 便于使用、運(yùn)輸和儲藏，非易燃、易爆、非腐蝕性、低毒甚至無毒等環(huán)境友好物質(zhì)是較好 的選擇。此外，成本因素也是一個值得重視的方面。 因而薄膜是半導(dǎo)體集成電路中最具應(yīng)用前景的表面鈍化材料之一。Al2°3鈍化膜的制備大體上可分為兩類： 物理氣相淀積（PVD和化學(xué)氣相淀積（CVD。 作為鈍化膜，圖兇3必須淀積在熱生長的上面，因?yàn)樵谌?#176

20、;3與的界面以及在Ag 直接淀積在.表面，則形成的是 -天然氧化層-的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樘烊坏难趸瘜雍鼙。?-界面陷阱同半導(dǎo)體之間可以由隧道效應(yīng)透過天然氧化層交換電子，因而在界面處會出現(xiàn)負(fù)電荷效應(yīng)而造成不穩(wěn)定性，而熱生長的久°2層厚度都在幾百埃以上，川2°3 -°2 界面陷阱同 之間不再能直接交換電子，從而克服了不穩(wěn)定性。Al2°3膜是針對膜存在的缺點(diǎn)而發(fā)展的一種介質(zhì)膜，它具有較強(qiáng)的抗輻射能力，在其后總的遷移率也比較低，所以適宜作為抗納和抗輻射的二次鈍化膜，但八引膜不能用通常的光刻技術(shù)，需用或金屬膜作腐蝕掩蔽膜，需要在高溫磷酸中進(jìn)行刻蝕，而且由于Ft冷硬度大且?guī)ыg性，因而劃片也比較困難。3總結(jié)半導(dǎo)體器件表面狀態(tài)的惡化是影響器件可靠性的重要因素，采用表面鈍化的方法可以 改善半導(dǎo)體的表面狀態(tài)，提高器件的可靠性。但目前許多的表面鈍化技術(shù)存在敦化溫度過 高，