半导体器件的钝化技术09023320李子腾09023307 邹骞09023308 刘峥09023319 沈鹫目录1绪论 1 2正文主体 1 2.1钝化工艺及其对半导体器件参数的影响 12.2制备钝化层的介质材料及其优缺点 3 33结论 54主要参考文献 1绪论对于高性能高可靠性集成电路来说，表面钝化已成为不可缺少的工艺措施之一近二 十年 来，信息技术日新月异蓬勃发展二十一世纪，世界将全面进入信息时代，以信息技术为代表 的高新技术形成的新经济模式，将在二"一世纪世界经济中起决定作用信息科技的发展在很 大程度上依赖于微电子半导体技术的发展水平，其中（超）大规模集成电路技术（ULSI）是半 导体关键的技术一个国家占领了信息技术的制高点，它将在二十一世纪获得经济上的主导地 位摩尔定律 即集成电路的集成度每 18个月翻一番，成本大幅下降，揭示了信息技术的指数发展规律，正在朝着高集成化、高速化和高质量化的方向发展 表面钝化膜的种类很多，如氧化硅、氧化铝、氮化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半绝缘 多晶硅等 等，不同的介质薄膜具有不同的性质和用途总的来说，氮化硅薄膜是半导体集成电路中最具 应用前景的表面钝化材料，发展低温的热 CV工艺来沉积氮化硅表面钝化膜是集成电路发展的必然趋势，而开发新的能满足低温沉积氮化硅薄膜的新的硅源、氮源前 驱体 是解决这一难题的有效方法。
接下来，我们小组将会在正文对于什么是钝化工艺，以及钝化层 的制备两方面进行具体介绍2正文主体2.1钝化工艺及其对半导体器件参数的影响钝化工艺就是在半导体器件表面覆盖保护介质膜，以防止表面污染的工艺下文将对 各主 流钝化工艺进行介绍，并讨论其对半导体器件的影响在集成电路中，在一块单晶基片上需要组装很多器件，这些器件之间需要互相布线连接， 而且随着集成度的提高和特征尺寸的减小，布线密度必须增加，所以用于器件之间以及布线之 间电气隔离的绝缘钝化膜是非常重要的此外，由于半导体表面与内部结构的差异（表面晶格 原子终止而存在悬挂键，即未饱和的键） ，导致表面与内部性质的不同，而其表面状况对器件的性能有重要作用表面只要有微量的沾污（如有害的杂质离子 Na+、水汽、尘埃等），就会影响器件表面的电学性质，如表面电导及表面态等为提高器件性 能的 稳定性和可靠性，必须把器件与周围环境气氛隔离开来，以增强器件对外来离子沾污的阻挡能 力，控制和稳定半导体表面的特征，保护器件内部的互连以及防止器件受到机械和化学损伤 为此就提出了半导体器件表面钝化的要求在半导体器件的制造生产过程中，半导体器件的钝化是保证器件能正常稳定工作的关 键技 术之一。
为提高器件的稳定性，早期是在半导体器件的表面敷以适当的涂料作为保护剂，同时 在管壳进行气密封时抽空或充以惰性气体 1959年，美国人M.M.阿塔拉研究了硅器件表面暴露在大气中的不稳定性问题，提出热生长二氧化硅（SiO2 ）膜具有良好的表 面钝化效果1959年以后，由于平面型器件采用了 SiQ作表面钝化膜，大大地改善了表面 效 应的影响，成为在半导体器件表面钝化方面的第一次重大突破 但由于在SiO2中以及SiQ和Si界面处存在着表面电荷，会引起双极型晶体管的特性变化，因此其钝化作用并不十分 理 想从60年代中期开始，各种新的钝化介质膜不断地涌现出来，目前表面钝化材料主要有 SiO2、S3N4、AI2O3、磷硅玻璃、硼硅玻璃、半绝缘多晶硅以及金属氧化物和有机聚合半导体表面钝化膜大体上可分两类第一类钝化膜是与制造器件的单晶硅材料直接接触 的其作用在于控制和稳定半导体表面的电学性质，控制固定正电荷和降低表面复合速度，使 器件稳定工作第二类钝化膜通常是制作在氧化层、金属互连布线上面的，它应是能保护和稳 定半导体器件芯片的介质薄膜，需具有隔离并为金属互连和端点金属化提供机械保护作用，它 既是杂质离子的壁垒，又使器件表面具有良好的力学性能。
我们通常所说的表面钝化膜大多是 指第二类钝化膜直接同半导体接触的介质膜通常称为第一钝化层常用介质是热生长的二氧化硅膜在形 成金属化层以前，在第一钝化层上再生长第二钝化层，主要由磷硅玻璃、低温淀积二氧化硅等 构成，能吸收和阻挡钠离子向硅衬底扩散为使表面钝化保护作用更好并使金属化层不受机械 擦伤，在金属化层上面再生长第三层钝化层这第三层介质膜可以是磷硅玻璃、低温淀积二氧 化硅、化学气相淀积氮化硅、三氧化二铝或聚酰亚胺这种多层结构钝 化，是现代微电子技术 中广泛采用的方式对于钝化层的基本要求是：能长期阻止有害杂质对器件表面的沾污；热膨胀系数与硅衬底 匹配；膜的生长温度低；钝化膜的组份和厚度均匀性好；针孔密度较低以及光刻后易于得到缓 变的台阶下面将对几种主要的钝化工艺进行讨论，分析其在器件生产中起到的作用在硅烷SiH4和氧的反应过程中，反应温度取250〜500C之间，能淀积生长Si02膜此法 简单，较早得到实用，是一种金属化层上的钝化膜磷硅玻璃及其生长工艺1964年，发现硅在热氧化过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，能捕获钠离子和稳定钠离子的污染作用，大大改善了器件的稳定性。
适当增加磷的浓 度还能降低膜的针孔密度，防止微裂，减少快态密度和平缓光刻台阶磷硅玻璃已成为重要的 第二层钝化膜其不足之处是磷浓度较高时有极化和吸潮特性，浓度太低则不易达到流动和平 缓台阶的作用另一种常用的生长磷硅玻璃的方法是化学汽相淀积法 ，即把磷烷PH,加到硅烷SiH4和氧的反应过程中，反应温度为400〜500C氮化硅膜是惰性介质，介质特性优于二氧化硅膜，抗钠能力强，热稳定性好，能明显提高 器件的可靠性和稳定性最常用的氮化硅生长法，是低压化学汽相淀积法和等离子增 强的化学 汽相淀积法，可用于制作第二和第三钝化层80年代又出现利用光化学反应的化学汽相淀积新 工艺例如，利用紫外光激发反应器中的微量汞原子，把辐射能转移到硅烷（SiHq）、一氧化二 氮（N2??和氨的反应中去，生长出氮化硅膜这种反应的温度只需 50〜300 r,是一种有效的新工艺在淀积铝金属化层后，用光刻胶作掩模，在磷酸等酸溶液中直流阳极氧化，使硅上铝互连图形之 外的铝层彻底转化为透明有孔的三氧化二铝再用光刻胶保护所有压焊区域，在硼酸等阳极氧化 液中通电进行阳极氧化，使压焊区之外的全部铝上覆盖一层三氧化二铝薄膜这样的三氧化二铝 钝化层能防止金属化层被擦伤，在工业生产中已经实际应用。
2.2制备钝化层的介质材料及其优缺点在工业生产的实际应用中，根据对半导体器件的不同要求，生产时会选择不同的介质材料 作为钝化层以确保器件能够在特定的环境下稳定工作， 下文将对SiO2、磷硅玻璃、Si3N4、 Ab O3四种材料逐一进行介绍，并针对其优缺点进行讲解SiO2薄膜是半导体器件表面最常用的表面保护和钝化膜SiO2薄膜的制备方法多种多 样，如热氧化、热分解淀积、溅射、真空蒸发、阳极氧化、外延淀积等等，不同方法制备的薄膜 有不同的特点，其具体用途也有所差别例如，热氧化制备的SiQ膜广泛应用于Si外 延表面晶 体管、双极型和M0 （金属一氧化物一半导体）集成电路中扩散掩蔽膜，作为器件表面和p-n结 的钝化膜以及集成电路的隔离介质和绝缘栅等；直流溅射制备的SiO2膜可用于不宜进行高温处 理器件的表面钝化；而射频溅射的 SiO2膜则可在集成电路中用作多层布线和二次钝化尽管SiO2膜在集成电路表面钝化方面具有广泛的用途，但也存在一些不足，其 最明显的缺点就是薄膜结构相对疏松，针孔密度较高，因此 SiO2膜的防潮和抗金属离子玷污能力相对较差，易被污染为此，人们开发了一系列掺杂的SiO2膜，如磷硅玻璃（PSG、硼 硅玻璃（BSG以及掺氯氧化硅等。
为获得优质的氧化层，在硅热氧化时，在干氧的气 氛中添加一 定数量的含氯（Cl）物质可以制备掺氯氧化硅，这种膜对Na+具有吸收和钝化作用吸收作用是 由于氧化气氛中的氯通过形成挥发性的氧化物而阻止 Na+进入生长的氧化膜中，而钝化作用是由于氯在氧化时被结合进SiO2中，并分布在靠近Si- SiO2界面附近， 进入氧化膜中的CI-可以把Na+固定，或Na+穿过氧化层后，被Si- SiQ界面附近的氯捕获 而变成 中性，使Si器件的特性保持稳定此外，氯掺入氧化层后，可以同界面附近的过剩Si相结合， 形成Si- Cl键，减少氧空位和Si悬挂键，从而减少氧化层的固定电荷和界面态 密度；同时由 于掺氯氧化层的缺陷密度有所降低，使得氧化层的击穿电压提高磷硅玻璃膜简称PSG膜PSG是SiO2同五氧化二磷（&05）的混合物，它可以用低温 沉积 的方法覆盖于SiO2上面，也可在高温下对热生长的SiQ通磷（P）蒸汽处理而获得，热 生长SiO2 的结构是SiO4四面体（Si在中心）组成，在角上（氧的位置）相互连接形成有Si和离子2 构成的多元环三维网络，同F2O5合金形成磷硅玻璃后，PO4四面体加入到硅的网络中，没有桥连 的氧离子可以同每一个磷离子相关。
因此，玻璃中每一个 P2O5，分子将形成两种不同极性的磷中心由于存在这种带负电的没有桥连的氧离子，因此提供了可动杂质离子 的陷阱，这就是稳定作用的原因所在与SiO2钝化工艺相比，该工艺的优点是：生长温度低（300 4000r），针孔密度小，比Si 和AI的粘附性好，硬度高，膜内应力小，特别是 PSG能明显地削弱钠等可动正离子对半导体表面性质的影响对可动钠离子具有提取固定和阻挡作用同时，正负电荷间的静电引力Na+的再侵入磷硅玻璃作用，大大降低了钠离子的迁移率，在一定程度上阻挡了之所以有提取和阻挡钠离子作用，是由它的四面体结构决定的四面体结构有一个带负电的的中 心，正是这种负电中心成为俘获钠正离子的陷阱大大降低了 Na+的迁移率，使得磷硅玻璃有提取和阻挡钠离子的作用正因为有以上这些优点，所以磷硅玻璃钝化常用于器件的 最后表面钝化工艺同时，因为Na的分配系数在PSG中比SiO2层中要大三个数量级以上，所以Na+几乎集中固 定在远离Si- SiO2界面的PSG层中但采用PSG- SiO2钝化层时必须适当控制PSG中P含量和 PSG层的厚度若2P原子太少则达不到足够的钝化效果:相反， P浓度过高或PSG太厚，则PSG要发生极化现象，而且浓度大时还会产生耐水性差的问题，导致器件性能的恶 化。
PSGi要用作器件的二次（中间和最终）钝化膜和多层布线中的绝缘介质SisN4膜的制备大体上可分为物理汽相淀积和化学气相淀积两种 物理气相淀积法主要包括直流溅射和射频溅射，而化学气相淀积法可获得高质量的薄膜，是目前最常用的方法，主 要有常压（APCVD和低压（LPCVD两种LPCV采用0・5 1.0乇的低压，使得极近片 距下的质量 迁移限制同片子表面的化学反应速率相比已无足轻重，因而可以采用直立密集装片的方式，具有 极高的装片密度，使得制造成本大幅下降，因此自 1976年以后，APCVD逐步被LPCV所代替成为制备Si3N4薄膜的主要方法由于传统的热CV所需基底温度较高（一般三800°C），这往往会引起芯片中晶格缺陷的 生长、蔓延和杂质的再分布，及受热应力作用而产生严重翘曲等现象，所以通常采用等 离子体辅 助法（PECVD,使基底温度降到400C左右80年代以来，国内外逐步开展了 Sigg薄膜PECV的 研究随着研究的不断深入，人们发现由于PECV反应选择性较差，使反应产 物的控制比较困 难，因此。