半導(dǎo)體器件的鈍化技術(shù)參考范本

1、半導(dǎo)體器件的鈍化技術(shù)09023320李子騰09023307鄒騫09023308劉崢09023319沈驁目錄1 緒論12 正文主體1 2.1 鈍化工藝及其對(duì)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)33 3 結(jié)論54 主要參考文獻(xiàn)精品1 緒論對(duì)于高性能高可靠性集成電路來(lái)說(shuō)，表面鈍化已成為不可缺少的工藝措施之一。近二十年來(lái)，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(shí)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，將在二十一世紀(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(lài)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

2、技術(shù)。一個(gè)國(guó)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。摩爾定律即集成電路的集成度每18 個(gè)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(lèi)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?lái)說(shuō)，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 CVD 工藝來(lái)沉積氮化硅表面鈍化膜是集成電路發(fā)展的必然趨勢(shì)，而開(kāi)發(fā)新的能滿(mǎn)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(lái)，我們小組將會(huì)在正文對(duì)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(duì)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(duì)各主流鈍化工藝進(jìn)行介紹，并討論其對(duì)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)體表面與內(nèi)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)致表面與內(nèi)部性質(zhì)的不同，而+其表面狀況對(duì)器件的性能有重要作用。表面只要有微量的沾污（如

4、有害的雜質(zhì)離子、水汽、塵埃等），就會(huì)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?chē)h(huán)境氣氛隔離開(kāi)來(lái)，以增強(qiáng)器件對(duì)外來(lái)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)器件內(nèi)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(guò)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(shí)在管殼進(jìn)行氣密封時(shí)抽空或充以惰性氣體。1959 年，美國(guó)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(wèn)題，提出熱生長(zhǎng)二氧化硅（

5、2）膜具有良好的S表iO面鈍化效果。 1959年以后，由于平面型器件采用了2作表S面iO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2中以及SiO 2和 Si 界面處存在著表面電荷，會(huì)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(kāi)始，各種新的鈍化介質(zhì)膜不斷地涌現(xiàn)出來(lái)，目前表面鈍化材料主要有Si2O、S3N 4、 Al2O 3、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半絕緣多晶硅以及金屬氧化物和有感謝下載載機(jī)聚合物等。目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)機(jī)表面鈍化膜為2、S3N 4和SiAOl2O 3。半導(dǎo)體表面鈍化膜大體上可分兩類(lèi)。第一類(lèi)鈍化膜是與制造器件的單

6、晶硅材料直接接觸的。其作用在于控制和穩(wěn)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(lèi)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(shuō)的表面鈍化膜大多是指第二類(lèi)鈍化膜。直接同半導(dǎo)體接觸的介質(zhì)膜通常稱(chēng)為第一鈍化層。常用介質(zhì)是熱生長(zhǎng)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(zhǎng)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)

7、械擦傷，在金屬化層上面再生長(zhǎng)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(duì)于鈍化層的基本要求是：能長(zhǎng)期阻止有害雜質(zhì)對(duì)器件表面的沾污；熱膨脹系數(shù)與硅襯底匹配；膜的生長(zhǎng)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(tái)階。下面將對(duì)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Si4H和氧的反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度取250 500 之間，能淀積生長(zhǎng)此法簡(jiǎn)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(zhǎng)工藝2 膜S。iO1964 年，發(fā)現(xiàn)硅在

8、熱氧化過(guò)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(tái)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(shí)有極化和吸潮特性，濃度太低則不易達(dá)到流動(dòng)和平緩臺(tái)階的作用。另一種常用的生長(zhǎng)磷硅玻璃的方法是化學(xué)汽相淀積法,即把磷烷 P3H加到硅烷 S4iH和氧的反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度為 400 500 。氮化硅膜是惰性介質(zhì)，介質(zhì)特性?xún)?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(zhǎng)法，是低壓化學(xué)汽相淀積法和等離

9、子增 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(SiH 4)、一氧化二氮 (N 2?)和氨的反應(yīng)中去,生長(zhǎng)出氮化硅膜。這種反應(yīng)的溫度只需50 300 ,是一種有效的新工藝。這種膜抗輻射能力強(qiáng)，對(duì)鈉離子有良好的阻擋作用。最常用的是鋁的陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極氧化液中通電進(jìn)行陽(yáng)極氧化，使壓焊區(qū)之外的全部鋁上覆蓋一層三氧化二

10、鋁薄膜。這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(duì)半導(dǎo)體器件的不同要求，生產(chǎn)時(shí)會(huì)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(duì)Si3N 4、 Al2O3四種材料逐一進(jìn)行介紹，并針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行講解。2、磷硅玻璃、SiOSiO 2薄膜是半導(dǎo)體器件表面最常用的表面保護(hù)和鈍化膜。SiO 2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(yáng)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S2 膜iO廣泛應(yīng)用于Si 外

11、延表面晶體管、雙極型和MOS （金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路中擴(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S2 膜iO則可在集成電路中用作多層布線和二次鈍化。盡管2膜在SiO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(duì)疏松，針孔密度較高，因此2 膜的防潮和抗金SiO屬離子玷污能力相對(duì)較差，易被污染。為此，人們開(kāi)發(fā)了一系列摻雜的2膜，如磷硅玻SiO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(shí)，在干氧的氣氛中添加

12、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(duì)+ 具有Na+吸收和鈍化作用。吸收作用是由于氧化氣氛中的氯通過(guò)形成揮發(fā)性的氧化物而阻止進(jìn)+入生長(zhǎng)的氧化膜中，而鈍化作用是由于氯在氧化時(shí)被結(jié)合進(jìn)2中，并分布在S靠iO近-SiSiO2界面附近， 進(jìn)入氧化膜中的-可C以l把Na固定，或 Na 穿過(guò)氧化層后， 被 Si-SiO2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(guò)剩 Si相結(jié)合，形成- SCi l 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(shí)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

13、簡(jiǎn)稱(chēng)PSG 膜。PSG 是 SiO2 同五氧化二磷（P 2O5 ）的混合物，它可以用低溫沉積的方法覆蓋于2上S面iO，也可在高溫下對(duì)熱生長(zhǎng)的2 通S磷iO（P）蒸汽處理而獲得，熱生長(zhǎng)SiO2的結(jié)構(gòu)是S4iO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 O 離子構(gòu)成的多元環(huán)三維網(wǎng)絡(luò)，同P2 O5合金形成磷硅玻璃后,PO4 四面體加入到硅的網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有橋連的氧離子可以同每一個(gè)磷離子相關(guān)。因此，玻璃中每一個(gè)P2O 5，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(méi)有橋連的氧離子，因此提供了可動(dòng)雜質(zhì)離子的陷阱，這就是穩(wěn)定作用的原因所在。與 SiO2鈍化工藝相比，

14、該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：生長(zhǎng)溫度低(300 4000 )，針孔密度小， 比 Si 和 Al 的粘附性好，硬度高，膜內(nèi)應(yīng)力小，特別是PSG 能明顯地削弱鈉等可動(dòng)正離子對(duì)半導(dǎo)體表面性質(zhì)的影響。對(duì)可動(dòng)鈉離子具有提取固定和阻擋作用。同時(shí)，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N玻a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(gè)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。大大降低了的遷移率，使Na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(shí)，因?yàn)?Na 的分

15、配系數(shù)在PSG 中比SiO2層中要大三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以Na 幾乎集中固定在遠(yuǎn)離- SSiiO 2 界面的PSG 層中。但采用PS-GSiO 2 鈍化層時(shí)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(guò)高或 PSG 太厚，則PSG 要發(fā)生極化現(xiàn)象，而且濃度大時(shí)還會(huì)產(chǎn)生耐水性差的問(wèn)題，導(dǎo)致器件性能的惡化。PSG 主要用作器件的二次（中間和最終）鈍化膜和多層布線中的絕緣介質(zhì)。Si3N 4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

16、有常壓（APCVD ）和低壓（ LPCVD ）兩種。 LPCVD 采用0.5 1.0 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(wú)足輕重，因而可以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 LPCVD 所代替成為制備3 NS4薄i膜的主要方法。由于傳統(tǒng)的熱 CVD 所需基底溫度較高（一般 800 ），這往往會(huì)引起芯片中晶格缺陷的生長(zhǎng)、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400 左右。 80 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外逐步開(kāi)展了

17、Si3N 4薄膜PECVD 的研究。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)由于PECVD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3NS4i薄膜具有最佳的介電性） ，難于得到純凈的薄膜，往往在沉積膜中殘留雜質(zhì)（特別是H，而H將降低S3Ni 4薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性及介電性）。尤其是PECVD中采用的高能等離子體對(duì)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(lái)的不利因素越來(lái)越明顯，等離子體轟擊損傷所帶來(lái)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CVD 工藝來(lái)沉積面絕緣鈍化膜是集成電

18、路發(fā)展的必然趨勢(shì)。一般的硅烷或硅鹵化合物等硅源用傳統(tǒng)的熱3 NSi4表CVD 工藝難于在低于 800 的溫度下沉積3NS4i薄膜，這就使得熱 CVD 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(kāi)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(shuō)，這些前驅(qū)體物質(zhì)在相對(duì)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)S2iO膜的不足，在 60 年代中期開(kāi)始了大量有關(guān)3N 4薄S膜i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 SiO2膜相比, Si3 N 4膜在

19、抗雜質(zhì)擴(kuò)散（如Na + ）和水汽滲透能力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且由于其高度的化學(xué)穩(wěn)定性，在600 時(shí)不會(huì)與Al發(fā)生反應(yīng)， 而 SiO2在500 時(shí)與Al 的反應(yīng)已比較顯著， 使用S3iN 4膜可提高對(duì)電極反應(yīng)的惰性。當(dāng)然，3 N 4膜Si也有其不足。3NS4i-Si 結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力大且界面態(tài)密度高?？偟膩?lái)說(shuō)，3SNi 4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，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 CVD 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(jiǎn)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

20、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(chǔ)藏，非易燃、易爆、非腐蝕性、低毒甚至無(wú)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(gè)值得重視的方面。因而中最具應(yīng)用前景的表面鈍化材料之一。3 N 4薄膜是半導(dǎo)S體i 集成電路Al 2 O3鈍化膜的制備大體上可分為兩類(lèi)： 物理氣相淀積（PVD ）和化學(xué)氣相淀積（CVD ）。作為鈍化膜，2OAl3 必須淀積在熱生長(zhǎng)的2 S上iO面，因?yàn)樵?AOl3 與 SiO2的界面以及在Al 2 O3 直接淀積在Si 表面，則形成的是- 天然氧S化i 層 - Al 2O 3的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樘烊坏难趸瘜雍鼙?，Al 2O 3- SiO 2界面陷阱同半導(dǎo)體之間可

21、以由隧道效應(yīng)透過(guò)天然氧化層交換電子，因而在界面處會(huì)出現(xiàn)負(fù)電荷效應(yīng)而造成不穩(wěn)定性，而熱生長(zhǎng)的2層厚度都S在iO幾百埃以上，Al 2 O3 -SiO 2界面陷阱同Si 之間不再能直接交換電子，從而克服了不穩(wěn)定性。23Al 2 O3膜是針對(duì)Si2O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， Na + 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O膜不能用通常的光刻技術(shù)，需用2或金S屬iO膜作腐蝕掩蔽膜，需要在高溫磷酸中進(jìn)行刻蝕，而且由于3 總結(jié)2AOl3 硬度大且?guī)ыg性，因而劃片也比較困難。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