半導體器件的鈍化技術(shù)參考范本

1、半導體器件的鈍化技術(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 鈍化工藝及其對半導體器件參數(shù)的影響12.2 制備鈍化層的介質(zhì)材料及其優(yōu)缺點33 3 結(jié)論54 主要參考文獻精品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，世界將全面進入信息時代，以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)形成的新經(jīng)濟模式，將在二十一世紀世界經(jīng)濟中起決定作用。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 ）是半導體關(guān)鍵的

2、技術(shù)。一個國家占領(lǐng)了信息技術(shù)的制高點，它將在二十一世紀獲得經(jīng)濟上的主導地位。摩爾定律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行具體介紹。2 正文主體2.1 鈍化工藝及其對半導體器件參數(shù)的影響鈍化工藝就是在半導體器件表面覆蓋保護介質(zhì)膜，以防止表面污染的工藝。下文將對各主流鈍化工藝進行介紹，并討論其對半導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），導致表面與內(nèi)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

4、有害的雜質(zhì)離子、水汽、塵埃等），就會影響器件表面的電學性質(zhì)，如表面電導及表面態(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，以增強器件對外來離子沾污的阻擋能力，控制和穩(wěn)定半導體表面的特征，保護器件內(nèi)部的互連以及防止器件受到機械和化學損傷。為此就提出了半導體器件表面鈍化的要求。在半導體器件的制造生產(chǎn)過程中，半導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，早期是在半導體器件的表面敷以適當?shù)耐苛献鳛楸Ｗo劑，同時在管殼進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（

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聚合物等。目前應(yīng)用最廣泛的無機表面鈍化膜為2、S3N 4和SiAOl2O 3。半導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

6、晶硅材料直接接觸的。其作用在于控制和穩(wěn)定半導體表面的電學性質(zhì)，控制固定正電荷和降低表面復合速度，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)是能保護和穩(wěn)定半導體器件芯片的介質(zhì)薄膜，需具有隔離并為金屬互連和端點金屬化提供機械保護作用，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散。為使表面鈍化保護作用更好并使金屬化層不受機

7、械擦傷，在金屬化層上面再生長第三層鈍化層。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)過程中，反應(yīng)溫度取250 500 之間，能淀積生長此法簡單，較早得到實用，是一種金屬化層上的鈍化膜。磷硅玻璃及其生長工藝2 膜S。iO1964 年，發(fā)現(xiàn)硅在

8、熱氧化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汽相淀積法,即把磷烷 P3H加到硅烷 S4iH和氧的反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度為 400 500 。氮化硅膜是惰性介質(zhì)，介質(zhì)特性優(yōu)于二氧化硅膜，抗鈉能力強，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，是低壓化學汽相淀積法和等離

9、子增 強的化學汽相淀積法， 可用于制作第二和第三鈍化層。80 年代又出現(xiàn)利用光化學反應(yīng)的化學汽相淀積新工藝。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，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。再用光刻膠保護所有壓焊區(qū)域，在硼 酸等陽極氧化液中通電進行陽極氧化，使壓焊區(qū)之外的全部鋁上覆蓋一層三氧化二

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)實際應(yīng)用。2.2 制備鈍化層的介質(zhì)材料及其優(yōu)缺點在工業(yè)生產(chǎn)的實際應(yīng)用中，根據(jù)對半導體器件的不同要求，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Si3N 4、 Al2O3四種材料逐一進行介紹，并針對其優(yōu)缺點進行講解。2、磷硅玻璃、SiOSiO 2薄膜是半導體器件表面最常用的表面保護和鈍化膜。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)、陽極氧化、外延淀積等等，不同方法制備的薄膜有不同的特點， 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 （金屬氧化物半導體）集成電路中擴散掩蔽膜，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，其最明顯的缺點就是薄膜結(jié)構(gòu)相對疏松，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較差，易被污染。為此，人們開發(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，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+ 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形成揮發(fā)性的氧化物而阻止進+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2中，并分布在S靠iO近-SiSiO2界面附近， 進入氧化膜中的-可C以l把Na固定，或 Na 穿過氧化層后， 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、簡稱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，也可在高溫下對熱生長的2 通S磷iO（P）蒸汽處理而獲得，熱生長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 SiO2鈍化工藝相比，

14、該工藝的優(yōu)點是：生長溫度低(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正離子對半導體表面性質(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)有一個帶負+電的的中心，正是這種負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。正因為有以上這些優(yōu)點，所以磷硅玻璃鈍化常用于器件的最后表面鈍化工藝。+同時，因為 Na 的分

15、配系數(shù)在PSG 中比SiO2層中要大三個數(shù)量級以上，所以Na 幾乎集中固定在遠離- SSiiO 2 界面的PSG 層中。但采用PS-GSiO 2 鈍化層時必須適當控制PSG 中 P 含量和 PSG 層的厚度。若P 原子太少則達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反應(yīng)速率相比已無足輕重，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，國內(nèi)外逐步開展了

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確的化學計量比（化學計量的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CVD 工藝來沉積面絕緣鈍化膜是集成電

18、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，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 力學穩(wěn)定，在氣化溫度之上最好有單一明確的反應(yīng)機制，以保證反應(yīng)的高選擇性和產(chǎn)物的 準確化學計量。為了彌補S2iO膜的不足，在 60 年代中期開始了大量有關(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)擴散（如Na + ）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穩(wěn)定性，在600 時不會與Al發(fā)生反應(yīng)， 而 SiO2在500 時與Al 的反應(yīng)已比較顯著， 使用S3iN 4膜可提高對電極反應(yīng)的惰性。當然，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?？偟膩碚f，3SNi 4薄膜介電常數(shù)大，抗熱震性好，化學穩(wěn)定性高，致密性好，抗雜質(zhì)擴散和水汽滲透能力強，而且具有良好的力學性能和絕緣性能，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， 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S體i 集成電路Al 2 O3鈍化膜的制備大體上可分為兩類： 物理氣相淀積（PVD ）和化學氣相淀積（CVD ）。作為鈍化膜，2OAl3 必須淀積在熱生長的2 S上iO面，因為在2AOl3 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)。因為天然的氧化層很薄，Al 2O 3- SiO 2界面陷阱同半導體之間可

21、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)負電荷效應(yīng)而造成不穩(wěn)定性，而熱生長的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Si2O膜存在的缺點而發(fā)展的一種介質(zhì)膜，它具有較強的抗輻射能力， 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