半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ) 第九章續(xù) 表面鈍化

1、 9.1 概述概述 一、鈍化膜及介質(zhì)膜的重要性和作用一、鈍化膜及介質(zhì)膜的重要性和作用 1、改善半導(dǎo)體器件和集成電路參數(shù)、改善半導(dǎo)體器件和集成電路參數(shù) 2、增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性和可靠性、增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性和可靠性 二次鈍化可強(qiáng)化器件的密封性，屏蔽外界雜質(zhì)、離子電荷、二次鈍化可強(qiáng)化器件的密封性，屏蔽外界雜質(zhì)、離子電荷、 水汽等對器件的有害影響。水汽等對器件的有害影響。 3、提高器件的封裝成品率、提高器件的封裝成品率 鈍化層為劃片、裝架、鍵合等后道工藝處理提供表面的機(jī)械鈍化層為劃片、裝架、鍵合等后道工藝處理提供表面的機(jī)械 保護(hù)。保護(hù)。 4、其它作用、其它作用 鈍化膜及介質(zhì)膜還可兼作表面及多層布線的絕緣層。

2、鈍化膜及介質(zhì)膜還可兼作表面及多層布線的絕緣層。 二、對鈍化膜及介質(zhì)膜性質(zhì)的一般要求二、對鈍化膜及介質(zhì)膜性質(zhì)的一般要求 1、電氣性能要求、電氣性能要求 （1）絕緣性能好。介電強(qiáng)度應(yīng)大于）絕緣性能好。介電強(qiáng)度應(yīng)大于5MV/cm； （2）介電常數(shù)小。除了作介電常數(shù)小。除了作MOS電容等電容介質(zhì)外，介電常電容等電容介質(zhì)外，介電常 數(shù)愈小，容性負(fù)載則愈小。數(shù)愈小，容性負(fù)載則愈小。 （3）能滲透氫。器件制作過程中，硅表面易產(chǎn)生界面態(tài)，）能滲透氫。器件制作過程中，硅表面易產(chǎn)生界面態(tài)， 經(jīng)經(jīng)H2 退火處理可消除。退火處理可消除。 （4）離子可控。在做柵介質(zhì)時(shí)，希望能對正電荷或負(fù)電荷）離子可控。在做柵介質(zhì)時(shí)，希

3、望能對正電荷或負(fù)電荷 進(jìn)行有效控制，以便制作耗盡型或增強(qiáng)型器件。進(jìn)行有效控制，以便制作耗盡型或增強(qiáng)型器件。 （5）良好的抗輻射。防止或盡量減小輻射后氧化物電荷或）良好的抗輻射。防止或盡量減小輻射后氧化物電荷或 表面能態(tài)的產(chǎn)生，提高器件的穩(wěn)定性和抗干擾能力。表面能態(tài)的產(chǎn)生，提高器件的穩(wěn)定性和抗干擾能力。 2、對材料物理性質(zhì)的要求、對材料物理性質(zhì)的要求 （1）低的內(nèi)應(yīng)力。高的張應(yīng)力會使薄膜產(chǎn)生裂紋，高的壓）低的內(nèi)應(yīng)力。高的張應(yīng)力會使薄膜產(chǎn)生裂紋，高的壓 應(yīng)力使硅襯底翹曲變形。應(yīng)力使硅襯底翹曲變形。 （2）高度的結(jié)構(gòu)完整性。針孔缺陷或小丘生長會有造成漏）高度的結(jié)構(gòu)完整性。針孔缺陷或小丘生長會有造成漏

4、 電、短路、斷路、給光刻造成困難等技術(shù)問題。電、短路、斷路、給光刻造成困難等技術(shù)問題。 （3）良好的粘附性。對）良好的粘附性。對Si、金屬等均有良好的粘附性。金屬等均有良好的粘附性。 3、對材料工藝化學(xué)性質(zhì)的要求、對材料工藝化學(xué)性質(zhì)的要求 （1）有良好的淀積性質(zhì)，有均勻的膜厚和臺階覆蓋性能，）有良好的淀積性質(zhì)，有均勻的膜厚和臺階覆蓋性能， 適于批量生產(chǎn)。適于批量生產(chǎn)。 （2）便于圖形制作。能與光刻，特別是細(xì)線條光刻相容；）便于圖形制作。能與光刻，特別是細(xì)線條光刻相容； 應(yīng)有良好的腐蝕特性，包括能進(jìn)行各向異性腐蝕，與襯底有良應(yīng)有良好的腐蝕特性，包括能進(jìn)行各向異性腐蝕，與襯底有良 好的選擇性。好的

5、選擇性。 （3）可靠性好。包括可控的化學(xué)組分，高的純度，良好的）可靠性好。包括可控的化學(xué)組分，高的純度，良好的 抗?jié)裥?，不對金屬產(chǎn)生腐蝕等?？?jié)裥?，不對金屬產(chǎn)生腐蝕等。 三、鈍化膜及介質(zhì)膜的種類三、鈍化膜及介質(zhì)膜的種類 鈍化膜及介質(zhì)膜可分為無機(jī)玻璃及有機(jī)高分子兩大類。鈍化膜及介質(zhì)膜可分為無機(jī)玻璃及有機(jī)高分子兩大類。 無無 機(jī)機(jī) 玻玻 璃璃 氧化物氧化物SiO2 , Al2O3 , TiO2 , ZrO2 , Fe2O3 , SixOy (SIPOS) 硅酸鹽硅酸鹽PSG , BSG , BPSG 氮化物氮化物Si3N4 , SixNyH , BN , AlN , GaN 氫化物氫化物a-Si:

6、H 有機(jī)有機(jī) 高分高分 子子 合成樹脂合成樹脂聚酰亞胺類，聚硅氧烷類聚酰亞胺類，聚硅氧烷類 合成橡膠合成橡膠硅酮橡膠硅酮橡膠 9.2 Si-SiO2系統(tǒng)系統(tǒng) 一、一、SiO2膜在半導(dǎo)體器件中的主要用途膜在半導(dǎo)體器件中的主要用途 1、SiO2膜用作選擇擴(kuò)散掩膜膜用作選擇擴(kuò)散掩膜 利用利用SiO2對磷、硼、砷等雜質(zhì)較強(qiáng)的掩蔽能力，通過在硅對磷、硼、砷等雜質(zhì)較強(qiáng)的掩蔽能力，通過在硅 上的二氧化硅層窗口區(qū)向硅中擴(kuò)散雜質(zhì)，可形成上的二氧化硅層窗口區(qū)向硅中擴(kuò)散雜質(zhì)，可形成PN結(jié)。結(jié)。 2、SiO2膜用作器件表面保護(hù)層和鈍化層膜用作器件表面保護(hù)層和鈍化層 （1）熱生長）熱生長SiO2電阻率在電阻率在1015

7、 .cm以上，介電強(qiáng)度不低于以上，介電強(qiáng)度不低于 5 106 V/cm,具有良好的絕緣性能，作表面一次鈍化；具有良好的絕緣性能，作表面一次鈍化； （2）芯片金屬布線完成后，用）芯片金屬布線完成后，用CVD-SiO2作器件的二次鈍作器件的二次鈍 化，其工藝溫度不能超過布線金屬與硅的合金溫度?；涔に嚋囟炔荒艹^布線金屬與硅的合金溫度。 3、作器件中的絕緣介質(zhì)（隔離、絕緣柵、多層布線絕緣、作器件中的絕緣介質(zhì)（隔離、絕緣柵、多層布線絕緣、 電容介質(zhì)等）電容介質(zhì)等） 4、離子注入中用作掩蔽層及緩沖介質(zhì)層、離子注入中用作掩蔽層及緩沖介質(zhì)層 二、二、Si-SiO2 系統(tǒng)中的電荷系統(tǒng)中的電荷 1、可動離子

8、電荷、可動離子電荷Qm 常規(guī)生長的熱氧化常規(guī)生長的熱氧化SiO2中一般存在著中一般存在著10121014cm-2的可動正的可動正 離子，由堿金屬離子及氫離子所引起，其中以離子，由堿金屬離子及氫離子所引起，其中以Na+的影響最大。的影響最大。 Na+來源豐富且來源豐富且SiO2幾乎不防幾乎不防Na+，Na+在在SiO2的擴(kuò)散系數(shù)和遷移的擴(kuò)散系數(shù)和遷移 率都很大。在氧化膜生長過程中，率都很大。在氧化膜生長過程中，Na+傾向于在傾向于在SiO2表面附近積表面附近積 累，在一定溫度和偏壓下，可在累，在一定溫度和偏壓下，可在SiO2層中移動，對器件的穩(wěn)定層中移動，對器件的穩(wěn)定 性影響較大。性影響較大。

9、（1）來源：任何工藝中（氧化的石英爐管、蒸發(fā)電極等）來源：任何工藝中（氧化的石英爐管、蒸發(fā)電極等） 或材料、試劑和氣氛均可引入可動離子的沾污?；虿牧稀⒃噭┖蜌夥站梢肟蓜与x子的沾污。 （2）影響：可動正離子使硅表面趨于）影響：可動正離子使硅表面趨于N型，導(dǎo)致型，導(dǎo)致MOS器件器件 的閾值電壓不穩(wěn)定；導(dǎo)致的閾值電壓不穩(wěn)定；導(dǎo)致NPN晶體管漏電流增大，電流放大系晶體管漏電流增大，電流放大系 數(shù)減小。數(shù)減小。 （3）控制可動電荷的方法）控制可動電荷的方法 （a）采用高潔凈的工藝，采用高純?nèi)ルx子水，采用高潔凈的工藝，采用高純?nèi)ルx子水，MOS級的級的 試劑，超純氣體，高純石英系統(tǒng)和器皿，鉭絲蒸發(fā)和自動

10、化操試劑，超純氣體，高純石英系統(tǒng)和器皿，鉭絲蒸發(fā)和自動化操 作等。作等。 （b）磷處理，形成磷處理，形成PSG-SiO2以吸除、鈍化以吸除、鈍化SiO2中的中的Na+。 （c）采用摻氯氧化，以減小采用摻氯氧化，以減小Na+ 沾污，并可起鈍化沾污，并可起鈍化Na+ 的的 作用。作用。 2、Si-SiO2 界面陷阱電荷界面陷阱電荷Qit（界面態(tài)）界面態(tài)） 指存在于指存在于Si-SiO2界面，能帶處于硅禁帶中，可以與價(jià)帶或界面，能帶處于硅禁帶中，可以與價(jià)帶或 導(dǎo)帶交換電荷的那些陷阱能級或能量狀態(tài)。靠近禁帶中心的界導(dǎo)帶交換電荷的那些陷阱能級或能量狀態(tài)?？拷麕е行牡慕?面態(tài)可作為復(fù)合中心或產(chǎn)生中心，靠

11、近價(jià)帶或?qū)У目勺鳛橄菝鎽B(tài)可作為復(fù)合中心或產(chǎn)生中心，靠近價(jià)帶或?qū)У目勺鳛橄?阱。界面陷阱電荷可以帶正電或負(fù)電，也可以呈中性。阱。界面陷阱電荷可以帶正電或負(fù)電，也可以呈中性。 （1）來源：由氧化過程中的）來源：由氧化過程中的Si/SiO2界面處的結(jié)構(gòu)缺陷（如界面處的結(jié)構(gòu)缺陷（如 圖中的懸掛鍵、三價(jià)鍵）、界面附近氧化層中荷電離子的庫侖圖中的懸掛鍵、三價(jià)鍵）、界面附近氧化層中荷電離子的庫侖 勢、勢、Si/SiO2界面附近半導(dǎo)體中的雜質(zhì)（如界面附近半導(dǎo)體中的雜質(zhì)（如Cu、Fe等）。等）。 （2）影響：界面陷阱電荷影響）影響：界面陷阱電荷影響MOS器件的閾值電壓、減小器件的閾值電壓、減小 MOS器件溝

12、道的載流子遷移率，影響器件溝道的載流子遷移率，影響MOS器件的跨導(dǎo)；增大雙器件的跨導(dǎo)；增大雙 極晶體管的結(jié)噪聲和漏電，影響擊穿特性。極晶體管的結(jié)噪聲和漏電，影響擊穿特性。 （3）控制界面陷阱電荷的方法）控制界面陷阱電荷的方法 （a）界面陷阱密度與晶向有關(guān)：界面陷阱密度與晶向有關(guān)：(111)(110)(100)，因此，因此 MOS集成電路多采用集成電路多采用(100)晶向（有較高的載流子表面遷移率）；晶向（有較高的載流子表面遷移率）； 而雙極型集成電路多選用而雙極型集成電路多選用(111)晶向。晶向。 （b）低溫、惰性氣體退火：純低溫、惰性氣體退火：純H 2 或或N 2 -H 2 氣體在氣體在

13、400500退火處理，可使界面陷阱電荷降低退火處理，可使界面陷阱電荷降低23數(shù)量級。原因數(shù)量級。原因 是氫在退火中與懸掛鍵結(jié)合，從而減少界面態(tài)。是氫在退火中與懸掛鍵結(jié)合，從而減少界面態(tài)。 （c）采用含氯氧化，可將界面陷阱電荷密度有效控制在采用含氯氧化，可將界面陷阱電荷密度有效控制在 1010/cm2數(shù)量級。數(shù)量級。 3、氧化物固定正電荷、氧化物固定正電荷Qf 固定正電荷存在于固定正電荷存在于SiO2中離中離Si-SiO2界面約界面約20范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 （1）來源：由氧化過程中過剩硅（或氧空位）引起，其密度）來源：由氧化過程中過剩硅（或氧空位）引起，其密度 與氧化溫度、氧化氣氛、冷卻條件和退火

14、處理有關(guān)。與氧化溫度、氧化氣氛、冷卻條件和退火處理有關(guān)。 （2）影響：因）影響：因Qf 是是正電荷，將使正電荷，將使P溝溝MOS器件的閾值增加，器件的閾值增加， N道道MOS器件的閾值降低；減小溝道載流子遷移率，影響器件的閾值降低；減小溝道載流子遷移率，影響MOS 器件的跨導(dǎo)；增大雙極晶體管的噪聲和漏電，影響擊穿特性。器件的跨導(dǎo)；增大雙極晶體管的噪聲和漏電，影響擊穿特性。 （3）控制氧化物固定正電荷的方法）控制氧化物固定正電荷的方法 （a）氧化物固定正電荷與晶向有關(guān)：氧化物固定正電荷與晶向有關(guān)：(111)(110)(100)， 因此因此MOS集成電路多采用集成電路多采用(100)晶向。晶向。

15、（b）氧化溫度愈高，氧擴(kuò)散愈快，氧空位愈少；氧化速率氧化溫度愈高，氧擴(kuò)散愈快，氧空位愈少；氧化速率 愈大時(shí)，氧空位愈多，固定電荷面密度愈大。采用高溫干氧氧愈大時(shí)，氧空位愈多，固定電荷面密度愈大。采用高溫干氧氧 化有助于降低化有助于降低Qf 。 （c）采用含氯氧化可降低采用含氯氧化可降低Qf 。 4、氧化物陷阱電荷、氧化物陷阱電荷Qot 氧化物中被陷住的電子或空穴。氧化物中被陷住的電子或空穴。 （1）來源：電離輻射（電子束蒸發(fā)、離子注入、濺射等工）來源：電離輻射（電子束蒸發(fā)、離子注入、濺射等工 藝引起）、熱電子注入或雪崩注入。藝引起）、熱電子注入或雪崩注入。 （2）影響：對）影響：對MOS器件的

16、跨導(dǎo)和溝道電導(dǎo)產(chǎn)生較大的影響，器件的跨導(dǎo)和溝道電導(dǎo)產(chǎn)生較大的影響， 使閾值電壓向負(fù)方向移動。使閾值電壓向負(fù)方向移動。 （3）控制氧化物陷阱電荷的方法）控制氧化物陷阱電荷的方法 （a）選擇適當(dāng)?shù)难趸に嚄l件以改善選擇適當(dāng)?shù)难趸に嚄l件以改善SiO2結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)，使Si-O-Si 鍵不易被打破。常用鍵不易被打破。常用1000干氧氧化。干氧氧化。 （b）制備非常純的制備非常純的SiO2 ，以消除雜質(zhì)陷阱中心。以消除雜質(zhì)陷阱中心。 （c）在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火（在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火（300以上）可以減小以上）可以減小 電離輻射陷阱。電離輻射陷阱。 （d）采用對輻照不靈敏的鈍化層（如采用對輻照不靈

17、敏的鈍化層（如Al2O3、Si3N4等）。等）。 三、三、Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷對器件性能的影響系統(tǒng)中的電荷對器件性能的影響 在在Si-SiO2系統(tǒng)中的正電荷以及系統(tǒng)中的正電荷以及Si熱氧化過程中雜質(zhì)再分布熱氧化過程中雜質(zhì)再分布 現(xiàn)象（現(xiàn)象（Si表面磷多或硼少）均導(dǎo)致表面磷多或硼少）均導(dǎo)致Si表面存在著表面存在著N型化的趨勢。型化的趨勢。 Si-SiO2系統(tǒng)中的正電荷將引起半導(dǎo)體表面的能帶彎曲，在系統(tǒng)中的正電荷將引起半導(dǎo)體表面的能帶彎曲，在P 型半導(dǎo)體表面形成耗盡層或反型層型半導(dǎo)體表面形成耗盡層或反型層,在在N型半導(dǎo)體表面形成積累型半導(dǎo)體表面形成積累 層，而且界面態(tài)還是載流子的產(chǎn)生層，而且

18、界面態(tài)還是載流子的產(chǎn)生-復(fù)合中心。這些電荷嚴(yán)重影復(fù)合中心。這些電荷嚴(yán)重影 響器件的性能，包括響器件的性能，包括MOS器件的閾值電壓、跨導(dǎo)、溝道電導(dǎo)；器件的閾值電壓、跨導(dǎo)、溝道電導(dǎo)； 雙極器件中的反向漏電流、擊穿電壓、電流放大系數(shù)雙極器件中的反向漏電流、擊穿電壓、電流放大系數(shù) 、1/f 噪噪 聲等特性。聲等特性。 要消除要消除Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷及器件表面沾污對器件的影響，系統(tǒng)中的電荷及器件表面沾污對器件的影響， 一是采用表面多次鈍化工藝，二是采用保護(hù)環(huán)和等位環(huán)等措施一是采用表面多次鈍化工藝，二是采用保護(hù)環(huán)和等位環(huán)等措施 來減小其影響。來減小其影響。 晶體管的保護(hù)環(huán)和等位環(huán)晶體管的保護(hù)環(huán)和

19、等位環(huán) 式中，式中， 是單位面積的是單位面積的 氧化層電容，氧化層電容，d是氧化層厚度，是氧化層厚度， Cox與柵壓與柵壓V無關(guān)。無關(guān)。CD 是單位是單位 面積的半導(dǎo)體勢壘電容。對于面積的半導(dǎo)體勢壘電容。對于 確定的襯底摻雜濃度和氧化層確定的襯底摻雜濃度和氧化層 厚度，厚度，CD 是表面勢是表面勢 s（也是柵也是柵 壓壓V）的函數(shù)。因此總電容的函數(shù)。因此總電容C也也 是是 s 的函數(shù)。的函數(shù)。 Dox CCC 111 d C ox ox 0 四、四、Si-SiO2結(jié)構(gòu)性質(zhì)的測試分析結(jié)構(gòu)性質(zhì)的測試分析 1、MOS C-V特性與特性與Si-SiO2結(jié)構(gòu)性質(zhì)的關(guān)系結(jié)構(gòu)性質(zhì)的關(guān)系 理想理想MOS結(jié)構(gòu)假

20、定：結(jié)構(gòu)假定：1）SiO2中不存在電荷與界面陷阱；中不存在電荷與界面陷阱； 2）金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差為零。這種）金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差為零。這種MOS電容為氧化層電容電容為氧化層電容Cox 和半導(dǎo)體勢壘電容和半導(dǎo)體勢壘電容CD 的串聯(lián)。單位面積的的串聯(lián)。單位面積的MOS電容電容C為：為： （1）當(dāng)）當(dāng)V 0時(shí)，硅表面附近的能帶上彎，表面空穴積累，在時(shí)，硅表面附近的能帶上彎，表面空穴積累，在 V 0時(shí)，能帶下彎，表面空穴耗盡，勢壘電容隨柵壓時(shí)，能帶下彎，表面空穴耗盡，勢壘電容隨柵壓 增加而下降，因而總電容增加而下降，因而總電容C也隨也隨V下降。下降。W是耗盡層寬度，其與表是耗盡層寬度，其與表 面勢的關(guān)

21、系為：面勢的關(guān)系為： 。 當(dāng)當(dāng)V增加到使增加到使 S B（費(fèi)米勢），半導(dǎo)體表面反型，電容隨費(fèi)米勢），半導(dǎo)體表面反型，電容隨 偏壓的變化開始分散：偏壓的變化開始分散： （a）當(dāng)信號頻率足夠低時(shí)，空間電荷區(qū)少子的產(chǎn)生跟得上信當(dāng)信號頻率足夠低時(shí)，空間電荷區(qū)少子的產(chǎn)生跟得上信 號變化，對電容有貢獻(xiàn)。號變化，對電容有貢獻(xiàn)。MOS電容經(jīng)過最小值后隨柵壓而增加，電容經(jīng)過最小值后隨柵壓而增加， 在在V 0時(shí)，時(shí)，C = Cox，如圖中低頻曲線（如圖中低頻曲線（a）。）。 （b）當(dāng)信號頻率很高時(shí)，少子來不及產(chǎn)生，對電容沒有貢獻(xiàn)，當(dāng)信號頻率很高時(shí)，少子來不及產(chǎn)生，對電容沒有貢獻(xiàn)， 耗盡層繼續(xù)隨耗盡層繼續(xù)隨V變寬，

22、直到變寬，直到 S 2 B，表面強(qiáng)反型。反型電荷對外表面強(qiáng)反型。反型電荷對外 電場的屏蔽作用使耗盡區(qū)達(dá)到最大值電場的屏蔽作用使耗盡區(qū)達(dá)到最大值Wm不再變寬，不再變寬，MOS電容達(dá)電容達(dá) 到最小值。到最小值。 SiAS WqN2 2 2、金屬功函數(shù)、氧化硅中電荷對、金屬功函數(shù)、氧化硅中電荷對C-V特性的影響特性的影響 9.3 主要的鈍化方法主要的鈍化方法 一、集成電路鈍化的一般步驟一、集成電路鈍化的一般步驟 典型集成電路制造過程中至少包含三個(gè)鈍化工序步驟：典型集成電路制造過程中至少包含三個(gè)鈍化工序步驟： 1、襯底氧化層（特別是、襯底氧化層（特別是MOS集成電路中的柵氧化層）生集成電路中的柵氧化層

23、）生 長過程中的鈍化。長過程中的鈍化。 通常采用含氯氧化，或通常采用含氯氧化，或 HCl 處理氧化石英管。處理氧化石英管。 2、襯底和金屬化層之間或多層金屬化層之間絕緣隔離氧化、襯底和金屬化層之間或多層金屬化層之間絕緣隔離氧化 層的鈍化工藝。層的鈍化工藝。 通常采用磷硅玻璃鈍化工藝，為降低回流溫度，有時(shí)采用通常采用磷硅玻璃鈍化工藝，為降低回流溫度，有時(shí)采用 硼磷硅玻璃鈍化。硼磷硅玻璃鈍化。 3、芯片的最終鈍化層。、芯片的最終鈍化層。 常采用常采用SiO2+Si3N4(或或Al2O3) 或磷硅玻璃。其中，或磷硅玻璃。其中，SiO2 主要主要 用作為用作為Si3N4 應(yīng)力緩解層。應(yīng)力緩解層。 二、

24、含氯氧化二、含氯氧化 1、鈍化可動離子、鈍化可動離子 （1）鈍化效果與氯含量及氧化條件有關(guān)）鈍化效果與氯含量及氧化條件有關(guān) （a）HCl/O2 濃度比達(dá)到濃度比達(dá)到34%時(shí)，可使時(shí)，可使Na+幾乎完全鈍化；幾乎完全鈍化； （b）氧化溫度低于氧化溫度低于1050時(shí)，含氯氧化對可動離子的鈍化、時(shí)，含氯氧化對可動離子的鈍化、 收集作用消失；收集作用消失； （c）含氯氧化對可動離子的鈍化作用僅在干氧氧化中存在，含氯氧化對可動離子的鈍化作用僅在干氧氧化中存在， 濕氧氧化中不存在。濕氧氧化中不存在。 222 2 1 2ClOHOHCl （2）鈍化）鈍化Na+的機(jī)理的機(jī)理 （a）高溫過程中氯進(jìn)入高溫過程中氯

25、進(jìn)入SiO2，在在Si/SiO2界面處與三價(jià)硅和界面處與三價(jià)硅和 過剩硅離子結(jié)合，以氯過剩硅離子結(jié)合，以氯-硅硅-氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)形式存在。氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)形式存在。 （b）當(dāng)當(dāng)Na+運(yùn)動到運(yùn)動到Si/SiO2界面時(shí)，氯界面時(shí)，氯-硅硅-氧復(fù)合體中的氧復(fù)合體中的Cl- 與與Na+之間較強(qiáng)的庫侖力將之間較強(qiáng)的庫侖力將Na+束縛在束縛在Cl-周圍，使周圍，使Na+固定化和固定化和 中性化，形成如下結(jié)構(gòu)：中性化，形成如下結(jié)構(gòu)： 2、改善、改善SiO2膜的擊穿特性膜的擊穿特性 SiO2中的擊穿機(jī)構(gòu)主要是隧道電流。中的擊穿機(jī)構(gòu)主要是隧道電流。Na+在在Si/SiO2界面附界面附 近的聚積，將增強(qiáng)近的聚積，將增強(qiáng)

26、Si/SiO2界面區(qū)的電場強(qiáng)度，尤其是界面區(qū)的電場強(qiáng)度，尤其是Na+分布分布 的不均勻性，導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度很大，使隧道電流增大以至擊的不均勻性，導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度很大，使隧道電流增大以至擊 穿。含氯氧化固定和中性化穿。含氯氧化固定和中性化Na+，從而改善從而改善SiO2 的擊穿特性。的擊穿特性。 3、降低界面態(tài)密度和固定正電荷密度，減少氧化層錯(cuò)，、降低界面態(tài)密度和固定正電荷密度，減少氧化層錯(cuò)， 提高少子壽命。提高少子壽命。 含氯氧化可以減小含氯氧化可以減小Si/SiO2 界面的三價(jià)硅和過剩硅原子；含界面的三價(jià)硅和過剩硅原子；含 HCl 和和C2HCl3 氧化中產(chǎn)生的具有高度活性的氧化中產(chǎn)生的具有

27、高度活性的H+ 可以填充懸掛可以填充懸掛 鍵；鍵；HCl 和和C2HCl3 具有萃取具有萃取Cu 等重金屬雜質(zhì)的功能。等重金屬雜質(zhì)的功能。 三、磷硅玻璃（三、磷硅玻璃（PSG）和硼磷硅玻璃（和硼磷硅玻璃（BPSG）鈍化鈍化 1、PSG和和BPSG的特點(diǎn)的特點(diǎn) （1）PSG對對Na+具有較強(qiáng)的捕集和阻擋作用；具有較強(qiáng)的捕集和阻擋作用；BPSG對對Na+的的 阻擋作用比阻擋作用比PSG強(qiáng)強(qiáng)30150倍。倍。 （2）PSG在在1000左右的溫度下熔融回流，從而減小布線左右的溫度下熔融回流，從而減小布線 的臺階；的臺階；BPSG的熔融回流溫度比的熔融回流溫度比PSG低低100200。 2、PSG膜存在

28、的缺點(diǎn)膜存在的缺點(diǎn) （1）PSG層的極化效應(yīng)層的極化效應(yīng) PSG中的電偶極子在無外電場時(shí)是雜亂無章的。當(dāng)器件加中的電偶極子在無外電場時(shí)是雜亂無章的。當(dāng)器件加 偏壓時(shí)這些電偶極子沿外場形成整齊的排列，產(chǎn)生極化效應(yīng)，偏壓時(shí)這些電偶極子沿外場形成整齊的排列，產(chǎn)生極化效應(yīng)， 影響器件的穩(wěn)定性。影響器件的穩(wěn)定性。PSG中磷濃度愈高，極化效應(yīng)愈嚴(yán)重。中磷濃度愈高，極化效應(yīng)愈嚴(yán)重。 （2）PSG的吸潮性的吸潮性 PSG的吸水性強(qiáng)。的吸水性強(qiáng)。PSG中的磷易與水汽反應(yīng)生成磷酸而腐中的磷易與水汽反應(yīng)生成磷酸而腐 蝕鋁布線，加速器件的失效；膜的粘附性變壞，光刻易脫膠等。蝕鋁布線，加速器件的失效；膜的粘附性變壞，光

29、刻易脫膠等。 PSG鈍化膜中磷含量不應(yīng)超過鈍化膜中磷含量不應(yīng)超過8%（P的重量百分?jǐn)?shù)），的重量百分?jǐn)?shù)）， 5%最佳；厚度不應(yīng)超過最佳；厚度不應(yīng)超過1 m。PSG鈍化膜中磷含量過低會降低鈍化膜中磷含量過低會降低 PSG膜對膜對Na+的提取、固定和阻擋作用，鈍化效果不佳。的提取、固定和阻擋作用，鈍化效果不佳。 3、BPSG膜中膜中B、P含量各約含量各約4%，此時(shí)膜的極化效應(yīng)和吸，此時(shí)膜的極化效應(yīng)和吸 潮能力最小，而吸雜和阻擋堿離子的能力均優(yōu)于潮能力最小，而吸雜和阻擋堿離子的能力均優(yōu)于PSG膜。膜。 4、PSG（BPSG）的制備的制備 采用氫化物作源的常壓低溫化學(xué)氣相淀積技術(shù)（采用氫化物作源的常壓低

30、溫化學(xué)氣相淀積技術(shù)（LTCVD） 生長生長PSG或或BPSG 。 淀積完成后，還應(yīng)在淀積完成后，還應(yīng)在N2或惰性氣體中，或惰性氣體中，7001000范圍內(nèi)范圍內(nèi) 處理處理515min。目的是提高膜的質(zhì)密度及抗蝕性。這個(gè)過程稱目的是提高膜的質(zhì)密度及抗蝕性。這個(gè)過程稱 為增密為增密 。 四、氮化硅（四、氮化硅（Si3N4）鈍化膜鈍化膜 1、特點(diǎn)、特點(diǎn) （1）與）與SiO2相比具有如下優(yōu)點(diǎn)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) （a）對可動離子（如對可動離子（如Na+）有非常強(qiáng)的阻擋能力。一般有非常強(qiáng)的阻擋能力。一般Na+在在Si3N4中滲中滲 透深度僅為透深度僅為50100 。 （b）結(jié)構(gòu)非常致密，氣體和水汽極難穿透，

31、疏水性強(qiáng)，因此可大大提結(jié)構(gòu)非常致密，氣體和水汽極難穿透，疏水性強(qiáng)，因此可大大提 高器件的防潮性能。能掩蔽許多雜質(zhì)。高器件的防潮性能。能掩蔽許多雜質(zhì)。 （c）針孔密度非常低，且極硬而耐磨；針孔密度非常低，且極硬而耐磨； （d）有極高的化學(xué)穩(wěn)定性。除能被有極高的化學(xué)穩(wěn)定性。除能被HF酸和熱磷酸緩慢腐蝕外，其他的酸和熱磷酸緩慢腐蝕外，其他的 酸幾乎不能與它發(fā)生作用；酸幾乎不能與它發(fā)生作用； （e）導(dǎo)熱性好導(dǎo)熱性好，適宜作多層布線的絕緣層，便于管芯散熱；適宜作多層布線的絕緣層，便于管芯散熱； （f）絕緣性與抗擊穿性好，絕緣性與抗擊穿性好，1000 Si3N4膜可耐膜可耐110V電壓。電壓。 （g）對電

32、離輻射不靈敏，是很好的抗輻照的鈍化層。對電離輻射不靈敏，是很好的抗輻照的鈍化層。 （2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn) Si3N4-Si結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力大且界面態(tài)密度高，因此結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力大且界面態(tài)密度高，因此Si3N4 不能不能 完全取代完全取代SiO2 。故一般采用故一般采用Si3N4/SiO2 復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)，Si3N4 厚度一厚度一 般低于般低于2000。 2、制備、制備Si3N4的主要工藝技術(shù)的主要工藝技術(shù) 采用以硅的氫化物和采用以硅的氫化物和NH3 作源的作源的LPCVD或或PECVD法。法。 3、Si3N4膜的刻蝕膜的刻蝕 （1）濕化學(xué)腐蝕法：熱磷酸溶液（）濕化學(xué)腐蝕法：熱磷酸溶液（160180）可腐

33、蝕掉）可腐蝕掉 Si3N4 膜。膜。 （2）干法腐蝕法：等離子腐蝕法。）干法腐蝕法：等離子腐蝕法。 4、Si3N4 膜的應(yīng)用膜的應(yīng)用 （1）利用）利用Si3N4 膜對水蒸氣和氧氣有較強(qiáng)的掩蔽能力，進(jìn)行膜對水蒸氣和氧氣有較強(qiáng)的掩蔽能力，進(jìn)行 局部氧化工藝和等平面隔離；局部氧化工藝和等平面隔離； （2）PECVD生長的生長的Si3N4 膜作為雙層布線的絕緣介質(zhì)；膜作為雙層布線的絕緣介質(zhì)； （3）利用）利用Si3N4 膜能有效地防止膜能有效地防止Na+ 沾污，并有良好的絕緣沾污，并有良好的絕緣 性能、較高的擊穿電壓和高度的化學(xué)穩(wěn)定性，以及抗輻照能力，性能、較高的擊穿電壓和高度的化學(xué)穩(wěn)定性，以及抗輻照

34、能力， 常用于芯片最終的鈍化層。常用于芯片最終的鈍化層。 五、氧化鋁（五、氧化鋁（Al2O3）鈍化膜鈍化膜 1、與、與SiO2 、Si3N4 相比有如下優(yōu)點(diǎn)相比有如下優(yōu)點(diǎn) （1）抗輻射能力比）抗輻射能力比SiO2 、Si3N4 強(qiáng)；強(qiáng)； （2）具有負(fù)電荷效應(yīng)，可得到正的平帶電壓，如用）具有負(fù)電荷效應(yīng)，可得到正的平帶電壓，如用MAOS 結(jié)構(gòu)，易制得結(jié)構(gòu)，易制得N溝道增強(qiáng)性器件；溝道增強(qiáng)性器件； （3）等平面陽極氧化生成的）等平面陽極氧化生成的Al2O3 鈍化膜，由于芯片表面平鈍化膜，由于芯片表面平 整，非常適合進(jìn)行多層布線；整，非常適合進(jìn)行多層布線； （4）Al2O3 和和Si3N4 一樣對一樣

35、對Na+ 的阻擋能力很強(qiáng)；的阻擋能力很強(qiáng)； （5）機(jī)械強(qiáng)度和硬度均高于）機(jī)械強(qiáng)度和硬度均高于SiO2（結(jié)晶結(jié)晶Al2O3 俗稱剛玉，硬俗稱剛玉，硬 度僅次于金剛石和碳化硅）。度僅次于金剛石和碳化硅）。 2、Al2O3的制備工藝的制備工藝 （1）CVD法（三氯化鋁水解法）法（三氯化鋁水解法） AlCl3 室溫下為固體，必需加熱并恒溫使其升華成氣體，室溫下為固體，必需加熱并恒溫使其升華成氣體， 升華溫度升華溫度100 150。 )(6 1200400 )(3)( )()( 750 )()( 32 2 23 222 氣氣氣 氣氣 以上 氣氣 HClOAl C H OHAlCl COOH C HCO

36、（2）濺射法）濺射法 除采用除采用Ar +O2 作濺射氣氛（反應(yīng)濺射）或用高純作濺射氣氛（反應(yīng)濺射）或用高純Al2O3 靶靶 代替高純鋁靶（非反應(yīng)濺射）外，代替高純鋁靶（非反應(yīng)濺射）外，Al2O3 膜濺射的原理、設(shè)備、膜濺射的原理、設(shè)備、 操作步驟等均可參照第八章金屬薄膜的制備工藝。操作步驟等均可參照第八章金屬薄膜的制備工藝。 （3）電解陽極氧化）電解陽極氧化 基本原理基本原理 陽極氧化是制造金屬氧化物膜的一種電化學(xué)方法，在兩極陽極氧化是制造金屬氧化物膜的一種電化學(xué)方法，在兩極 上發(fā)生的反應(yīng)如下：上發(fā)生的反應(yīng)如下： 陽極：陽極： 陰極：陰極： 根據(jù)生成氧化物膜的性質(zhì)可分為多孔型陽極氧化和無孔型根據(jù)生成氧化物膜的性質(zhì)可分為多孔型陽極氧化和無孔型 陽極氧化。陽極氧化。 當(dāng)電解液中含有對金屬起腐蝕和溶解作用的酸（磷酸、氫當(dāng)電解液中含有對金屬起腐蝕和溶解作用的酸（磷酸、氫 氟酸）時(shí)，在陽極氧化的同時(shí)還發(fā)生對氧化物的腐蝕、溶解作氟酸）時(shí)，在陽極氧化的同時(shí)還發(fā)生對氧化物的腐蝕、溶解作 用，因此它邊氧化、邊滲透，