半導體器件的鈍化技術

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上半導體器件的鈍化技術 李子騰 鄒騫 劉崢 沈驁專心-專注-專業(yè)目錄1緒論12正文主體12.1鈍化工藝及其對半導體器件參數的影響12.1.1鈍化工藝的產生與發(fā)展22.1.2鈍化工藝的分類22.1.3鈍化工藝對器件的影響22.1.3.1低溫淀積二氧化硅工藝22.1.3.2磷硅玻璃及其生長工藝22.1.3.3化學汽相淀積氮化硅生長工藝22.2制備鈍化層的介質材料及其優(yōu)缺點32.2.1SiO2鈍化工藝 32.2.2磷硅玻璃鈍化工藝32.2.3Si3N4鈍化工藝42.2.4Al2O3鈍化工藝53結論54主要參考文獻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

2、藝措施之一。近二十年來，信息技術日新月異蓬勃發(fā)展。二十一世紀，世界將全面進入信息時代，以信息技術為代表的高新技術形成的新經濟模式，將在二十一世紀世界經濟中起決定作用。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的發(fā)展水平，其中（超）大規(guī)模集成電路技術（ULSI）是半導體關鍵的技術。一個國家占領了信息技術的制高點，它將在二十一世紀獲得經濟上的主導地位。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，揭示了信息技術的指數發(fā)展規(guī)律，正在朝著高集成化、高速化和高質量化的方向發(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，不同的介質薄膜具有不同的

3、性質和用途?？偟膩碚f，氮化硅薄膜是半導體集成電路中最具應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的影響鈍化工藝就是在半導體器件表面覆蓋保護介質膜，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2.1.1鈍化工藝的產生與發(fā)展 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

4、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部結構的差異（表面晶格原子終止而存在懸掛鍵，即未飽和的鍵），導致表面與內部性質的不同，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（如有害的雜質離子Na+、水汽、塵埃等），就會影響器件表面的電學性質，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

5、件的制造生產過程中，半導體器件的鈍化是保證器件能正常穩(wěn)定工作的關鍵技術之一。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的涂料作為保護劑，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（SiO2）膜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SiO2作表面鈍化膜，大大地改善了表面效應的影響，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SiO2中以及SiO2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

6、介質膜不斷地涌現出來，目前表面鈍化材料主要有SiO2、S3N4、Al2O3、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半絕緣多晶硅以及金屬氧化物和有機聚合物等。目前應用最廣泛的無機表面鈍化膜為SiO2、S3N4和Al2O3。2.1.2鈍化工藝的分類 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，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，它應是能保護和穩(wěn)定半導體器件芯片的介質薄膜，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，它既是雜質離子的壁壘，又使器件表面具有良好的力學性能

7、。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膜通常稱為第一鈍化層。常用介質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。這種多層結構鈍化，是現代微電子技術中廣泛采用的方式。 2.1.3鈍化工藝對器件的影響對于鈍化層的基本要求是：能長期阻止有害雜質對器件表面的沾污；熱膨脹系數與硅襯底匹配；膜的生長溫度

8、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，分析其在器件生產中起到的作用。2.1.3.1低溫淀積二氧化硅工藝在硅烷SiH4和氧的反應過程中，反應溫度取250500之間，能淀積生長SiO2膜。此法簡單，較早得到實用，是一種金屬化層上的鈍化膜。2.1.3.2 磷硅玻璃及其生長工藝1964年，發(fā)現硅在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。

9、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PH3加到硅烷SiH4和氧的反應過程中，反應溫度為400500。2.1.3.3化學汽相淀積氮化硅生長工藝氮化硅膜是惰性介質，介質特性優(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年代又出現利用光化學反應的化學汽相淀積新工藝。例如，利用紫外光激發(fā)反應器中的微量汞原子，把輻射能轉移到硅烷(SiH4)、一氧化二氮(N2O)和氨的反應中去

10、,生長出氮化硅膜。這種反應的溫度只需50300,是一種有效的新工藝。2.1.3.4三氧化二鋁及其生長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)生產中已經實際應用。2.2制備鈍化層的介質材料及其優(yōu)缺點在工業(yè)生產的實際應用中，根據對半導體器件的不同要求，生產時會選擇不同的介質材料作

11、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SiO2、磷硅玻璃、Si3N4、Al2O3四種材料逐一進行介紹，并針對其優(yōu)缺點進行講解。2.2.1SiO2鈍化工藝SiO2薄膜是半導體器件表面最常用的表面保護和鈍化膜。SiO2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SiO2膜廣泛應用于Si外延表面晶體管、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結的鈍化膜以及集成電路的隔離介質和絕緣柵等；直流濺射制備的SiO2膜可用于不宜進行高溫處理器件的

12、表面鈍化；而射頻濺射的SiO2膜則可在集成電路中用作多層布線和二次鈍化。盡管SiO2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，其最明顯的缺點就是薄膜結構相對疏松，針孔密度較高，因此SiO2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SiO2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)質的氧化層，在硅熱氧化時，在干氧的氣氛中添加一定數量的含氯（Cl）物質可以制備摻氯氧化硅，這種膜對Na+具有吸收和鈍化作用。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Na+進入生長的氧化膜中，而鈍化作用是由于氯在氧化時被結合進S

13、iO2中，并分布在靠近Si-SiO2界面附近，進入氧化膜中的Cl-可以把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相結合，形成Si-Cl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。2.2.2磷硅玻璃鈍化工藝磷硅玻璃膜簡稱PSG膜。PSG是SiO2同五氧化二磷（P2O5）的混合物，它可以用低溫沉積的方法覆蓋于SiO2上面，也可在高溫下對熱生長的SiO2通磷（P）蒸汽處理而獲得，熱生長SiO2的結構是SiO

14、4四面體（Si在中心）組成，在角上（氧的位置）相互連接。形成有Si和O離子構成的多元環(huán)三維網絡，同P2O5合金形成磷硅玻璃后,PO4四面體加入到硅的網絡中，沒有橋連的氧離子可以同每一個磷離子相關。因此，玻璃中每一個P2O5，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，該工藝的優(yōu)點是：生長溫度低(3004000)，針孔密度小，比Si和Al的粘附性好，硬度高，膜內應力小，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

15、作用，大大降低了鈉離子的遷移率，在一定程度上阻擋了Na+的再侵入。磷硅玻璃之所以有提取和阻擋鈉離子作用，是由它的四面體結構決定的。四面體結構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Na+的遷移率，使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的分配系數在PSG中比SiO2層中要大三個數量級以上，所以Na+幾乎集中固定在遠離Si-SiO2界面的PSG層中。但采用PSG-SiO2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

16、，則PSG要發(fā)生極化現象，而且濃度大時還會產生耐水性差的問題，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。2.2.3Si3N4鈍化工藝Si3N4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。LPCVD采用0.51.0乇的低壓，使得極近片距下的質量遷移限制同片子表面的化學反應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

17、步被LPCVD所代替成為制備Si3N4薄膜的主要方法。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、蔓延和雜質的再分布，及受熱應力作用而產生嚴重翹曲等現象，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，國內外逐步開展了Si3N4薄膜PECVD的研究。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現由于PECVD反應選擇性較差，使反應產物的控制比較困難，因此很難保證沉積薄膜準確的化學計量比（化學計量的Si3N4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（特別是H，而H將降低Si3N4薄膜的化學穩(wěn)定性、絕緣性及介電性）。

18、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Si3N4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CVD工藝難于在低于800的溫度下沉積Si3N4薄膜，這就使得熱CVD在微電子半導體領域的應用受到了極大的限制，因此開發(fā)新的Si源、N源前驅體是解決這一難題的有效方法。一般地說，這些前驅體物質在相對較低的溫度下應有足夠高的蒸氣壓，在氣化溫度之下熱力學

19、穩(wěn)定，在氣化溫度之上最好有單一明確的反應機制，以保證反應的高選擇性和產物的準確化學計量。為了彌補SiO2膜的不足，在60年代中期開始了大量有關Si3N4薄膜的生產工藝及其應用的研究，進一步提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。與SiO2膜相比, Si3N4膜在抗雜質擴散（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，而SiO2在500時與Al的反應已比較顯著，使用Si3N4膜可提高對電極反應的惰性。當然，Si3N4膜也有其不足。Si3N4-Si結構界面應力大且界面態(tài)密度高?？偟膩碚f，Si3N4薄膜介電常數大，抗熱震性好，化學穩(wěn)定性高，致密性好，抗雜

20、質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雜質含量等優(yōu)點，而且設備簡單，易于控制，生產效率高，因此該工藝在半導體集成電路領域具有廣闊的應用前景。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Si3N4薄膜是半導體集成電路中最具應用前景的表面鈍化材料之一。2.2.4Al2O3鈍化工藝 Al2O3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，Al2O3必須淀積在熱生長的S

21、iO2上面，因為在Al2O3與SiO2的界面以及在Al2O3直接淀積在Si表面，則形成的是Si-天然氧化層-Al2O3的結構。因為天然的氧化層很薄，Al2O3-SiO2界面陷阱同半導體之間可以由隧道效應透過天然氧化層交換電子，因而在界面處會出現負電荷效應而造成不穩(wěn)定性，而熱生長的SiO2層厚度都在幾百埃以上，Al2O3-SiO2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。 Al2O3膜是針對SiO2膜存在的缺點而發(fā)展的一種介質膜，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Al2O3膜不能用通常的光刻技術，需用SiO2或金屬膜作腐蝕掩蔽膜，需要在高溫磷酸中進行刻蝕，而且由于Al2O3硬度大且?guī)ыg性，因而劃片也比較困難。3總結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