第六章表面鈍化技術(shù)

1、第六章第六章 表面鈍化技術(shù)表面鈍化技術(shù)半導體光電器件制造技術(shù)半導體光電器件制造技術(shù)前言前言6.1 Si-SiO6.1 Si-SiO2 2界面特性界面特性6.2 6.2 低溫鈍化低溫鈍化(LTP)(LTP)技術(shù)技術(shù)6.3 6.3 磷硅玻璃磷硅玻璃（P2O5SiO2）鈍化）鈍化6.4 6.4 氮化硅氮化硅鈍化鈍化6.5 6.5 Al2O3的的鈍化鈍化6.6 6.6 化學化學鈍化鈍化6.7 6.7 氮氫烘焙氮氫烘焙 半導體器件的電學特性中常見的問題是由構(gòu)成半導體器件的表面所決定的，而半導體的表面特性又受到周圍氣氛的很大影響。為使半導體特性穩(wěn)定，提高成品率和可靠性，必須設(shè)法使半導體表面和周圍氣氛隔離開

2、來。 在1959年，提出了在Si 表面上覆蓋一層熱氧化SiO2膜的新工藝，后來被用于平面結(jié)構(gòu)器件，大大改善了器件的表面特性和晶體管的參數(shù)，并使器件的穩(wěn)定性、可靠性大幅度提高。然而，熱氧化SiO2也有不足。如Si-SiO2界面不是理想的完美界面，SiO2本身也好有一定數(shù)量的雜質(zhì)和缺陷，多次熱處理往往造成SiO2-Si界面處畸變等，從而改變了器件表面的性能。 為了解決這些問題，需要在器件表面做一層鈍化膜，以控制盒穩(wěn)定半導體表面特性，保護器件內(nèi)部的互連，對器件提供機械和化學保護。 對鈍化膜的要求：穩(wěn)定、絕緣、耐腐蝕和易加工對鈍化膜的要求：穩(wěn)定、絕緣、耐腐蝕和易加工。 在在SiO2內(nèi)和內(nèi)和Si-SiO

3、2界面中有以界面中有以下四種類型的電荷：下四種類型的電荷：氧化層固定電荷。氧化層固定電荷。位于 Si-SiO2界面附近20nm范圍內(nèi)，不能在SiO2中遷移。 可動離子電荷?？蓜与x子電荷。主要是帶正電 的Na+、K+、+等，可在SiO2層中遷移。界面態(tài)（界面陷阱電荷）。界面態(tài)（界面陷阱電荷）。氧化層陷阱電荷。氧化層陷阱電荷。 一、界面態(tài)（界面陷阱電荷一、界面態(tài)（界面陷阱電荷 Qit ）由于Si原子表面在晶體內(nèi)部是周期排列，但到最表面一層的Si原子，其外表面缺少一層Si原子，而使周期性中斷，造成表面存在未配對的懸空電子，這種未配對的懸空電子稱懸空鍵，懸空鍵因未配對而不穩(wěn)定。這種由于表面的懸空鍵引起

4、的表面的電子態(tài)稱為這種由于表面的懸空鍵引起的表面的電子態(tài)稱為表面態(tài)表面態(tài)。硅表面懸鍵當Si表面熱生長一層SiO2后，因為有一部分表面懸空鍵與SiO2中的氧的電子配對，使得懸空鍵的數(shù)目大大減少，這種界面的電子態(tài)一般稱為界面態(tài)。界面態(tài)或稱界面陷阱電荷界面態(tài)或稱界面陷阱電荷: 是指存在于是指存在于Si-SiO2界界面、能量處于面、能量處于Si禁帶中、可以與價帶或?qū)軌蚪麕е小⒖梢耘c價帶或?qū)軌蚍奖憬粨Q電荷的那些陷阱能級或電荷狀態(tài)。方便交換電荷的那些陷阱能級或電荷狀態(tài)。這些界面態(tài)分布在Si的禁帶中，因此定義每單位能量上的界面陷阱密度為Dit，單位是：個/cm2eV。？不同晶向的Si-SiO2的界面

5、態(tài)密度單位表面的界面態(tài)密度為圖中曲線圍繞的面積。單位表面的界面態(tài)密度為圖中曲線圍繞的面積。不同晶向的Si-SiO2的界面態(tài)密度大小次序： （111） （110） （100）原因：原因：氧化的速度與單位面積上可用的Si的價鍵數(shù)目有關(guān)，Si的懸空鍵越多，在表面越容易發(fā)生氧化反應(yīng)，則氧化速度越快。而鍵的數(shù)目與晶面取向有關(guān)。鍵數(shù)在（111）面上最多在（100）面上最少，因此（111）面氧化生長最快、界面附近缺氧最多，故界面態(tài)密度最大。(100)和(111)硅上熱氧化形成SiO2的界面態(tài)能量分布如圖表示，在禁帶中Dit隨能量變化的兩組曲線。Dit的曲線是U字形，最低的地方在禁帶的中間，最高處則在禁帶的兩

6、邊。一般用處于禁帶中間的陷阱能帶密度來表征陷阱密度。 (111)硅在能帶中間的陷阱密度大約比(100)硅要高5倍。高于禁帶中心能級的界面態(tài)，具有類受主的特性，當充滿電子 時，呈負電，空的時候，呈中性；低于禁帶中心能級的界面態(tài)，具有類施主的特性，當充滿電子時，呈 中性，空的時候，呈正電性。界面態(tài)使MOS晶體管的閾值電壓漂移；使MOS電容的C-V曲線發(fā)生畸變；減小MOS器件溝道的載流子遷移率，使溝道電導率減小，降低器件性能;界面態(tài)還可以成為有效的復合中心，導致漏電流的增加，使雙極型晶體管的小電流放大系數(shù)減小，低頻噪聲增大。 界面態(tài)對器件的影響：界面態(tài)對器件的影響：Note: 除了未飽和的懸空鍵外，

7、硅表面的晶格缺陷和損傷以及界除了未飽和的懸空鍵外，硅表面的晶格缺陷和損傷以及界面處雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)。面處雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)。降低界面態(tài)行之有效的措施：降低界面態(tài)行之有效的措施：退火處理退火處理。通常使Si-SiO2系統(tǒng)在含氫的氣氛中進行退火。這是由于氫可以進入界面處和Si組成穩(wěn)定的H-Si共價鍵，是懸空鍵更多地飽和，從而降低界面態(tài)密度。二、可動離子電荷二、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10121014/cm2的可動的可動正離子，這是由堿金屬離子及氫離子所引起的，其中正離子，這是由堿金屬離子及氫離子所引起的，其中Na+的的影響最大。影

8、響最大。因因Na+的來源豐富且的來源豐富且SiO2幾乎不防幾乎不防Na+，Na+的在的在SiO2中的擴中的擴散系數(shù)和遷移率都很大。散系數(shù)和遷移率都很大。Na+的污染是造成雙極型器件和的污染是造成雙極型器件和MOS器件表面不穩(wěn)定的主器件表面不穩(wěn)定的主要因素。要因素。在氧化膜生長過程中，在氧化膜生長過程中， Na+傾向在傾向在SiO2 表面附近積累，在溫表面附近積累，在溫度和偏壓條件下，可在度和偏壓條件下，可在SiO2 層內(nèi)移動，對器件穩(wěn)定性有很大層內(nèi)移動，對器件穩(wěn)定性有很大影響。影響。為了降低為了降低Na+的污染，可以在工藝過程中采取預防措施：的污染，可以在工藝過程中采取預防措施： SiO2層中

9、層中Na+主要來源：主要來源：工藝中過程中的化學試劑；工藝中過程中的化學試劑；使用含氯的氧化工藝使用含氯的氧化工藝用氯周期性地清洗管道、爐管和相關(guān)的容器；用氯周期性地清洗管道、爐管和相關(guān)的容器；使用超純凈的化學物質(zhì)；使用超純凈的化學物質(zhì)；保證氣體及氣體傳輸過程的清潔；保證氣體及氣體傳輸過程的清潔；保證柵極材料不受玷污。保證柵極材料不受玷污。玻璃器皿；玻璃器皿；人的手汗；人的手汗；氧化、擴散爐的爐管（可透過石英管擴散到氧化、擴散爐的爐管（可透過石英管擴散到Si片上）；片上）；水的純度。水的純度。氧化、擴散時用雙層石英管，中間通保護氣體代替單層石英管；氧化、擴散時用雙層石英管，中間通保護氣體代替單

10、層石英管； 三、氧化層固定電荷三、氧化層固定電荷 Qf氧空位的出現(xiàn)即產(chǎn)生了正電荷，因其不太易移動，且固定在氧空位的出現(xiàn)即產(chǎn)生了正電荷，因其不太易移動，且固定在Si-SiO2界面附近界面附近SiO2一側(cè)約一側(cè)約20nm范圍內(nèi)，故稱范圍內(nèi)，故稱固定電荷。固定電荷。存在于存在于SiO2中固定電荷來源：中固定電荷來源：熱蒸發(fā)過程中的氧空位。熱蒸發(fā)過程中的氧空位。原因：原因：熱氧化的熱氧化的SiO2不是晶體，而是無定形體，又稱玻璃不是晶體，而是無定形體，又稱玻璃態(tài)，硅氧組成四面體結(jié)構(gòu)，每個硅原子有四個氧原子，每態(tài)，硅氧組成四面體結(jié)構(gòu)，每個硅原子有四個氧原子，每個氧原子周圍有兩個硅原子，個氧原子周圍有兩個

11、硅原子， Si-O以共價鍵結(jié)合。氧化過以共價鍵結(jié)合。氧化過程的實質(zhì)是氧向硅中擴散，同時化合成程的實質(zhì)是氧向硅中擴散，同時化合成SiO2，因此在靠近，因此在靠近Si表面氧化層附近，易發(fā)生氧不足現(xiàn)象，所以常出現(xiàn)氧空表面氧化層附近，易發(fā)生氧不足現(xiàn)象，所以常出現(xiàn)氧空位。位。在SiO2中因氧分布不均勻，在近氧氣表面處，氧過剩，在近Si表面處，氧不足，出現(xiàn)氧空位，也稱過剩硅。在SiO2中由氧空位導致固定電荷示意圖固定電荷密度主要取決于氧化、退火條件和晶面的取向。固定電荷密度主要取決于氧化、退火條件和晶面的取向。固定電荷密度在固定電荷密度在Si (111) 面最大，面最大，(110)面次之，面次之， (10

12、0)面最小面最小。原因：原因：Si個晶面氧化速率各向異個晶面氧化速率各向異 性，性，(111) 面最大，面最大，(100)面最小。因此，面最小。因此，氧化速率越大時，氧空位就越多，固定電荷密度也就越大。氧化速率越大時，氧空位就越多，固定電荷密度也就越大。在干氧或濕氧條件下，隨著氧在干氧或濕氧條件下，隨著氧 化溫度的升高，固定電荷密度降化溫度的升高，固定電荷密度降低，且在干氧條件下固定電荷密低，且在干氧條件下固定電荷密度降低得更快。度降低得更快。在在N2中退火，固定電荷密度恒中退火，固定電荷密度恒定不變。定不變。控制固定電荷的方法：控制固定電荷的方法：氧化氧化后在氮或氬氣中高溫退火。后在氮或氬氣

13、中高溫退火。干氧、濕氧氧化，及在氮氣中熱處理后對固定電荷的影響 四、氧化層陷阱電荷四、氧化層陷阱電荷 Qot在氧化層中有些缺陷能產(chǎn)生陷阱，這些缺陷有：在氧化層中有些缺陷能產(chǎn)生陷阱，這些缺陷有：氧化層陷阱電荷，位于氧化層陷阱電荷，位于SiO2中和中和Si-SiO2界面附近，這種陷阱俘界面附近，這種陷阱俘獲電子或空穴后分別帶負電或正電。獲電子或空穴后分別帶負電或正電。 懸空鍵；懸空鍵； 界面陷阱：界面陷阱： 硅硅-硅鍵的伸展；硅鍵的伸展； 斷鍵的氧原子斷鍵的氧原子(氧的懸掛鍵氧的懸掛鍵)； 弱的硅弱的硅-硅鍵硅鍵(它們很容易破裂，面表現(xiàn)電學特性它們很容易破裂，面表現(xiàn)電學特性) 扭曲的硅扭曲的硅-氧

14、鍵；氧鍵； Si-H和和Si-OH鍵。氧化層陷阱的存在會嚴重影響器鍵。氧化層陷阱的存在會嚴重影響器 件的可靠性。件的可靠性。產(chǎn)生陷阱電荷的方式產(chǎn)生陷阱電荷的方式: 主要有電離輻射和熱電子注入等。主要有電離輻射和熱電子注入等。當當 射線、射線、x射線、中子輻射、真空在紫外線以及高能和低能射線、中子輻射、真空在紫外線以及高能和低能電子輻射時，將打破電子輻射時，將打破Si-O-Si鍵，在鍵，在SiO2中產(chǎn)生電子中產(chǎn)生電子- -空穴對?？昭▽Α?如果如果SiO2中沒有電場存在，那么電子中沒有電場存在，那么電子- -空穴將重新復合，在空穴將重新復合，在SiO2中沒有電荷積累。中沒有電荷積累。 如果如果S

15、iO2中有電場存在，由于電子的遷移率遠比空穴大，電中有電場存在，由于電子的遷移率遠比空穴大，電子從正金屬電極跑到外電路，空穴由于遷移率比較小，將被陷子從正金屬電極跑到外電路，空穴由于遷移率比較小，將被陷阱俘獲并積累起來，在氧化層中留下凈正電荷。這種正電荷衰阱俘獲并積累起來，在氧化層中留下凈正電荷。這種正電荷衰減時間可以是幾天，其電荷量取決于電離輻射強度和加在氧化減時間可以是幾天，其電荷量取決于電離輻射強度和加在氧化層上的電壓。層上的電壓。采用對輻照不靈敏的鈍化層，例如采用對輻照不靈敏的鈍化層，例如A12O3，Si3N4等。等。減少電離輻射陷阱電荷的主要方法：減少電離輻射陷阱電荷的主要方法： 選

16、擇適當?shù)难趸に嚄l件以改善選擇適當?shù)难趸に嚄l件以改善SiO2結(jié)構(gòu)。為抗輻結(jié)構(gòu)。為抗輻 照，氧化最佳工藝條件，常用照，氧化最佳工藝條件，常用1000干氧氧化。干氧氧化。 在惰性氣體中進行低溫退火在惰性氣體中進行低溫退火(150-400)可以減少電可以減少電 離輻射陷阱。離輻射陷阱。 LTP技術(shù)是根據(jù)熱氧化生長技術(shù)是根據(jù)熱氧化生長SiO2膜的缺點而研制的一種鈍化技術(shù)。膜的缺點而研制的一種鈍化技術(shù)。熱氧化熱氧化SiO2膜是在膜是在1000以上高溫下直接在以上高溫下直接在Si表面上生長的，并表面上生長的，并在最后把它保留下來作為表面鈍化膜用，因而會造成以下缺點：在最后把它保留下來作為表面鈍化膜用，因

17、而會造成以下缺點：在熱氧化過程中，由于雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象使雜質(zhì)在表面堆積，形在熱氧化過程中，由于雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象使雜質(zhì)在表面堆積，形成缺陷層。成缺陷層。由于生長溫度高，鈉等金屬離子擴散快，由于生長溫度高，鈉等金屬離子擴散快，SiO2膜容易污染。膜容易污染。熱氧化熱氧化SiO2膜和硅襯底的熱膨脹系數(shù)不同，是硅器件表面產(chǎn)生膜和硅襯底的熱膨脹系數(shù)不同，是硅器件表面產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力。 一、一、LTP的特點的特點LTP技術(shù)的特點：技術(shù)的特點：是把擴散掩蔽用的高溫氧化是把擴散掩蔽用的高溫氧化SiO2層全部去掉，層全部去掉，重新在重新在800以下的低溫，即以下的低溫，即 在不發(fā)生擴散雜質(zhì)分凝在不發(fā)生擴散雜質(zhì)分凝

18、-在分布的溫在分布的溫度下，將絕緣層重新覆蓋在硅表面上。度下，將絕緣層重新覆蓋在硅表面上。下面介紹一下用下面介紹一下用LTP技術(shù)生產(chǎn)的晶體管的流程技術(shù)生產(chǎn)的晶體管的流程擴擴散散工工藝藝擴散工藝完成后，用擴散工藝完成后，用HF溶液溶液 去除全部高溫氧化層。去除全部高溫氧化層。用化學腐蝕法對用化學腐蝕法對Si表面進行表面進行輕微的腐蝕處理。一般，硅表輕微的腐蝕處理。一般，硅表面腐蝕量達到面腐蝕量達到0.4um為宜。為宜。用正硅酸乙酯作源，用化學用正硅酸乙酯作源，用化學氣相淀積法，在氣相淀積法，在750的溫度的溫度下，重新在下，重新在Si表面上生長成低表面上生長成低溫溫SiO2層作為第一層。層作為第

19、一層。用化學氣相淀積法或淀積金用化學氣相淀積法或淀積金屬氧化物的方法，在屬氧化物的方法，在SiO2上形上形成低溫玻璃層（鉛玻璃或磷玻成低溫玻璃層（鉛玻璃或磷玻璃）作為第二層。璃）作為第二層。最后在玻璃層上制備一層和最后在玻璃層上制備一層和光刻膠粘附性良好的低溫光刻膠粘附性良好的低溫SiO2膜，膜，這層膜是為了提高加工進這層膜是為了提高加工進度制備的度制備的。LTP技術(shù)的關(guān)鍵工藝是低溫生長技術(shù)的關(guān)鍵工藝是低溫生長SiO2層。層。SiO2低溫生長裝置低溫生長裝置正硅酸乙酯的熱分解反應(yīng)為：正硅酸乙酯的熱分解反應(yīng)為：.HCCHHSiO)HSi(OC84422452用這種方法生長的用這種方法生長的SiO

20、2層，腐蝕速率比熱生長的層，腐蝕速率比熱生長的SiO2層快幾倍。如果經(jīng)層快幾倍。如果經(jīng)1000以上高溫處理，則以上高溫處理，則SiO2體積體積收縮百分之幾，這說明他的結(jié)構(gòu)不如熱生長收縮百分之幾，這說明他的結(jié)構(gòu)不如熱生長SiO2那樣那樣致密，且不穩(wěn)定。為了改善這些缺點，常把不同性質(zhì)致密，且不穩(wěn)定。為了改善這些缺點，常把不同性質(zhì)的絕緣層依次覆蓋在它上面，即上述的三層（的絕緣層依次覆蓋在它上面，即上述的三層（SiO2-磷玻璃磷玻璃-SiO2）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)。 二、二、LTP晶體管的特點晶體管的特點1. 減少結(jié)的漏電流減少結(jié)的漏電流結(jié)漏電流特性結(jié)漏電流特性LTP晶體管漏電流是平面晶體管的晶體管漏電流是平面

21、晶體管的1/100。原因：原因：發(fā)射極發(fā)射極-基極結(jié)的漏基極結(jié)的漏電流主要是通過結(jié)表面應(yīng)力電流主要是通過結(jié)表面應(yīng)力和雜質(zhì)堆積所造成的缺陷流和雜質(zhì)堆積所造成的缺陷流通的，在通的，在LTP工藝中用化學工藝中用化學腐蝕法除去了這一層，因此腐蝕法除去了這一層，因此大大減少了表面漏電流。大大減少了表面漏電流。2. 提高電流放大系數(shù)提高電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)的特性電流放大系數(shù)的特性SSWhFE112電流方法系數(shù)電流方法系數(shù)hFE與基區(qū)寬度與基區(qū)寬度W和表面復合速度和表面復合速度S的關(guān)系：的關(guān)系：由于除去了熱應(yīng)力和高濃度由于除去了熱應(yīng)力和高濃度雜質(zhì)所造成的缺陷層，導致雜質(zhì)所造成的缺陷層，導致表面復合速度表

22、面復合速度S減少，從而減少，從而增加了增加了hFE。3. 減少低頻噪聲減少低頻噪聲LTP晶體管的噪聲特性晶體管的噪聲特性低頻噪聲，或者低頻噪聲，或者1/f 噪聲，是音頻放大噪聲，是音頻放大晶體管的重要特性之一，它對半導體晶體管的重要特性之一，它對半導體表面很敏感。表面很敏感。音頻特性變壞原因：音頻特性變壞原因： 硅和磷的共價鍵半徑不同而產(chǎn)生的硅和磷的共價鍵半徑不同而產(chǎn)生的失配位錯；失配位錯；熱處理時片內(nèi)溫度不均勻而引起的滑熱處理時片內(nèi)溫度不均勻而引起的滑移位錯。移位錯。因此，應(yīng)減少磷的濃度和在熱處理時因此，應(yīng)減少磷的濃度和在熱處理時充分滿足片內(nèi)溫度的均勻性，以盡量充分滿足片內(nèi)溫度的均勻性，以盡

23、量防止上述缺陷的產(chǎn)生。防止上述缺陷的產(chǎn)生。方法：方法：采用在特殊氣氛中（如采用在特殊氣氛中（如H2中中400）退火的方法，來減）退火的方法，來減少在發(fā)射極少在發(fā)射極-基極結(jié)基極結(jié)Si-SiO2界面上的快態(tài)密度。界面上的快態(tài)密度。4. 提高擊穿電壓提高擊穿電壓PM晶體管的晶體管的截面截面電阻率與耐壓關(guān)系電阻率與耐壓關(guān)系低溫鈍化具有反高壓的特點。把可以產(chǎn)生高反壓的低溫鈍化具有反高壓的特點。把可以產(chǎn)生高反壓的p-n結(jié)部結(jié)部分做成臺形之后，對器件表面進行低溫鈍化，即可獲得高分做成臺形之后，對器件表面進行低溫鈍化，即可獲得高反壓。反壓。三、三、LTP技術(shù)的發(fā)展技術(shù)的發(fā)展LTP技術(shù)從技術(shù)從1961年開始研

24、制，年開始研制，1963年用于生產(chǎn)。該技術(shù)分為三代。年用于生產(chǎn)。該技術(shù)分為三代。 第一代第一代LPT技術(shù)：技術(shù)：方法：方法：平面管的鈍化膜的結(jié)構(gòu)通常為平面管的鈍化膜的結(jié)構(gòu)通常為SiO2- -鉛玻璃鉛玻璃- -SiO2，封裝在金屬，封裝在金屬 管殼里。管殼里。問題：問題：器件高反向耐壓能力低。器件高反向耐壓能力低。問題：問題：器件的金屬引線和塑料管殼之間密封性不好，管殼本身有透潮器件的金屬引線和塑料管殼之間密封性不好，管殼本身有透潮性，因而器件的耐潮性顯著下降，電特性也隨時間發(fā)生變化，甚至造性，因而器件的耐潮性顯著下降，電特性也隨時間發(fā)生變化，甚至造成失效。成失效。 第二代第二代LPT技術(shù)：技術(shù)

25、：方法：方法：在低溫在低溫SiO2上淀積上淀積一層磷一層磷-鋁混合物，鋁混合物，經(jīng)過處理形成磷經(jīng)過處理形成磷-鋁玻璃，鋁玻璃，最后再在其上制備一層和光刻膠粘附性好的低溫最后再在其上制備一層和光刻膠粘附性好的低溫SiO2。磷磷- -鋁玻璃層中玻璃含量與器件潮濕性關(guān)系鋁玻璃層中玻璃含量與器件潮濕性關(guān)系其結(jié)構(gòu)特點：其結(jié)構(gòu)特點：u 磷硅玻璃對磷硅玻璃對SiO2中中Na+有吸附作用，有吸附作用，對外來污染有阻擋作用。但對外來污染有阻擋作用。但P2O5具有吸具有吸潮性，隨著結(jié)構(gòu)中磷硅玻璃含量的增加，潮性，隨著結(jié)構(gòu)中磷硅玻璃含量的增加，器件耐潮濕性能大幅度下降。因此將夾器件耐潮濕性能大幅度下降。因此將夾層中

26、心的層中心的鉛玻璃改為微量磷鉛玻璃改為微量磷- -鋁鋁玻璃后，玻璃后，器件除防器件除防Na+外還有防潮作用。外還有防潮作用。uAl2O3 具有負電荷效應(yīng)。若改變磷具有負電荷效應(yīng)。若改變磷- -鋁鋁玻璃層厚度，則對應(yīng)的平帶電荷密度玻璃層厚度，則對應(yīng)的平帶電荷密度NFB和抗潮性也改變。和抗潮性也改變。NFB磷與磷與P-Al-Al玻璃層厚度關(guān)系（玻璃層厚度關(guān)系（SiO2厚厚700nm）具有低溫、防潮、具有低溫、防潮、 NFB穩(wěn)定而穩(wěn)定而且可調(diào)節(jié)優(yōu)點的平面結(jié)構(gòu)的且可調(diào)節(jié)優(yōu)點的平面結(jié)構(gòu)的LTP元件稱為元件稱為第二代第二代LTP技術(shù)技術(shù)。LTP技術(shù)在大規(guī)模集成電路方面的應(yīng)用稱為技術(shù)在大規(guī)模集成電路方面的應(yīng)

27、用稱為第三代第三代LTP技術(shù)技術(shù)。LTP晶體管斷面結(jié)構(gòu)晶體管斷面結(jié)構(gòu)平面晶體管斷面結(jié)構(gòu)平面晶體管斷面結(jié)構(gòu)LTP與平面結(jié)構(gòu)比較與平面結(jié)構(gòu)比較LTP膜表面是平的，能夠進行精密的腐蝕加工，有利于高集成度膜表面是平的，能夠進行精密的腐蝕加工，有利于高集成度LSI制造。制造。 磷硅玻璃常記為磷硅玻璃常記為PSG，主要優(yōu)點是能捕獲，主要優(yōu)點是能捕獲Na+。PSG對對Na+ 的溶解度遠大于的溶解度遠大于SiO2PSG能吸附和規(guī)定能吸附和規(guī)定SiO2中的中的Na+ 通常在通常在Si-SiO2系統(tǒng)的系統(tǒng)的SiO2表面覆表面覆蓋一層蓋一層PSG，使得器件性能穩(wěn)定。，使得器件性能穩(wěn)定。PSG對對Na的富集的富集借助

28、借助PSG膜使對膜使對Na+ 的遠離的遠離Si-SiO2界面。界面。將富集了將富集了Na+的的PSG膜在膜在HF：H2O（1:10）溶液中漂洗掉）溶液中漂洗掉100200nm。 PSG對對Na+的穩(wěn)定作用機制的穩(wěn)定作用機制 磷是以磷是以P2O5的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 進入進入Si中，發(fā)生如下反應(yīng)：中，發(fā)生如下反應(yīng)：O)PO(2OP252ONaONa22把極性很強的把極性很強的Na+固定下來固定下來 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析SiO2的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅硅- -氧四面體氧四面體加入加入P2O5后，磷取代了硅，由硅氧四面體變?yōu)榱籽跛拿骟w。后，磷取代了硅，由硅氧四面體變?yōu)榱籽跛拿骟w。磷磷- -氧四面體氧四面體磷硅玻璃

29、俘獲鈉離子示意圖磷硅玻璃俘獲鈉離子示意圖磷硅玻璃中這種俘獲磷硅玻璃中這種俘獲Na+ 的陷阱使得它有提取的陷阱使得它有提取Na+和阻擋和阻擋Na+的作用。的作用。 PSG制備方法制備方法硅烷硅烷(SiH4)和磷烷和磷烷(PH4)化學氣相沉積法生長化學氣相沉積法生長PSG （CVD-PSG）冷壁式旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐冷壁式旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐化學反應(yīng)式：化學反應(yīng)式：234OPHSiH OHOPSiO2522N2400最佳氣體比例：最佳氣體比例：90000:80:25:5:)()()()(2243NOSiHPHVVVV生長生長PSG特點：特點： 生長溫度低生長溫度低 均勻，針孔小均勻，針孔小 良好的粘附性良好的粘附性較

30、高的電阻率和硬度較高的電阻率和硬度 較少快態(tài)密度較少快態(tài)密度 應(yīng)力小應(yīng)力小O2HSiOO2SiH2224O3HOPO42PH25223 一一、Si3N4的性質(zhì)的性質(zhì)幾種介質(zhì)的物理性質(zhì)比較幾種介質(zhì)的物理性質(zhì)比較Si3N4是一種較是一種較SiO2更為理想的絕緣介質(zhì)和表面鈍化膜，具體優(yōu)點如下：更為理想的絕緣介質(zhì)和表面鈍化膜，具體優(yōu)點如下：硬度大，致密性好，針孔密硬度大，致密性好，針孔密度小，呈疏水性，氣體和水度小，呈疏水性，氣體和水汽難侵入。汽難侵入。掩蔽能力強，能掩蔽許多種掩蔽能力強，能掩蔽許多種雜質(zhì)，包括雜質(zhì)，包括SiO2所不能掩蔽的所不能掩蔽的。化學穩(wěn)定性好，除能被氫氟化學穩(wěn)定性好，除能被氫氟

31、酸和熱磷酸緩慢腐蝕外，與酸和熱磷酸緩慢腐蝕外，與其它酸幾乎不發(fā)生反應(yīng)。其它酸幾乎不發(fā)生反應(yīng)。有利提高器件的穩(wěn)定性。有利提高器件的穩(wěn)定性。電介常數(shù)大，電介常數(shù)大，100 nm的的Si3N4可耐壓可耐壓110V。有利于提高絕緣介質(zhì)的耐壓有利于提高絕緣介質(zhì)的耐壓水平。水平。比比SiO2導熱性好。導熱性好。適用于做雙層布線材料。適用于做雙層布線材料。更重要的是它有強的抗鈉能力。更重要的是它有強的抗鈉能力。廣泛用作半導體器件的介質(zhì)膜或鈍化膜廣泛用作半導體器件的介質(zhì)膜或鈍化膜二、二、Si3N4膜的制備膜的制備1. 濺射法濺射法2. 輝光發(fā)電法輝光發(fā)電法3. 化學氣相淀積法化學氣相淀積法24334HNSiN

32、H43SiH三、三、Si3N4膜的應(yīng)用膜的應(yīng)用 因因Si3N4能防鈉沾污而使器件表面清潔度顯著提高，而被廣泛用于晶能防鈉沾污而使器件表面清潔度顯著提高，而被廣泛用于晶體管和集成電路等受體管和集成電路等受SiO2清潔度影響較大的器件鈍化。清潔度影響較大的器件鈍化。Si3N4和和SiO2清中鈉擴散剖面圖清中鈉擴散剖面圖Si3N4鈍化可減少器件的漏電流，提高擊穿電壓和可靠性。鈍化可減少器件的漏電流，提高擊穿電壓和可靠性。器件在器件在175高溫時，漏電流的分布幾率高溫時，漏電流的分布幾率 2O3的的 一一、 Al2O3膜的性質(zhì)膜的性質(zhì) 二、二、 Al2O3膜的制備膜的制備1. 等平面陽極氧化法等平面陽

33、極氧化法根據(jù)所用電解液對根據(jù)所用電解液對Al和和Al2O3是否有溶解作用，分有孔型和無孔型兩大類。是否有溶解作用，分有孔型和無孔型兩大類。有孔型陽極氧化電解液配方有孔型陽極氧化電解液配方乙醇乙醇:丙三醇丙三醇:乙二醇乙二醇:磷酸磷酸 = = 20:20:30:20:20:30:30 30 （體積比）（體積比）無孔型陽極氧化電解液配方無孔型陽極氧化電解液配方檸檬酸檸檬酸:去離子水去離子水:乙醇乙醇 = 5:47.5:47.5= 5:47.5:47.5 （重量比）（重量比）反應(yīng)過程：反應(yīng)過程：電解液中的酸和醇經(jīng)過一定時間后就會生成一定量的復合電解液中的酸和醇經(jīng)過一定時間后就會生成一定量的復合酯，這

34、時在電場作用下，能釋放出氧離子和氫離子，氫離子在陰極還酯，這時在電場作用下，能釋放出氧離子和氫離子，氫離子在陰極還原成原成H2逸出，氧離子在陰極使金屬逸出，氧離子在陰極使金屬Al氧化成氧化成Al2O3。2. CVD 法法最常用的方法是高溫水解最常用的方法是高溫水解AlCl3法。法?；瘜W反應(yīng)式：化學反應(yīng)式：3CO6HClOAlAlCl2CO33H32322水平臥式反應(yīng)系統(tǒng)水平臥式反應(yīng)系統(tǒng)3. 直流反應(yīng)濺射沉積法直流反應(yīng)濺射沉積法Al2O3直流反應(yīng)濺射示意圖直流反應(yīng)濺射示意圖 三、三、 Al2O3膜用于器件鈍化膜用于器件鈍化Al2O3有防有防Na+污污染和防輻射特點染和防輻射特點可做器件最后封裝，提高器可做器件最后封裝，提高器件的質(zhì)量和可靠性、穩(wěn)定性。件的質(zhì)量和可靠性、穩(wěn)定性。Al金屬布線上，陽極氧化金屬布線上，陽極氧化Al2O3保護器件保護器件Al引線上及引線上及Al 引線外均有引線外均有Al2O3 一一、 HCl 氧化特點和機理氧化特點和機理器件在氧化時加入少量器件在氧化時加入少量HCl氣體，即氣體，即HCl氧化。氧化?？蓽p少可減少Na+和金屬離子的污和金屬離子的污染，顯著改變?nèi)?，顯著改