半导体工艺基础 第九章续 表面钝化

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1、第九章续 表面钝化西南科技大学理学院西南科技大学理学院2013.4. 159.1 概述概述一、钝化膜及介质膜的重要性和作用一、钝化膜及介质膜的重要性和作用 1、改善半导体器件和集成电路参数、改善半导体器件和集成电路参数 2、增强器件的稳定性和可靠性、增强器件的稳定性和可靠性 二二次次钝钝化化可可强强化化器器件件的的密密封封性性，屏屏蔽蔽外外界界杂杂质质、离离子子电电荷荷、水汽等对器件的有害影响。水汽等对器件的有害影响。 3、提高器件的封装成品率、提高器件的封装成品率 钝钝化化层层为为划划片片、装装架架、键键合合等等后后道道工工艺艺处处理理提提供供表表面面的的机机械械保护。保护。 4、其它作用、

2、其它作用 钝化膜及介质膜还可兼作表面及多层布线的绝缘层。钝化膜及介质膜还可兼作表面及多层布线的绝缘层。 二、对钝化膜及介质膜性质的一般要求二、对钝化膜及介质膜性质的一般要求 1、电气性能要求、电气性能要求 （1）绝缘性能好。介电强度应大于）绝缘性能好。介电强度应大于5MV/cm； （2）介介电电常常数数小小。除除了了作作MOS电电容容等等电电容容介介质质外外，介介电电常常数愈小，容性负载则愈小。数愈小，容性负载则愈小。 （3）能能渗渗透透氢氢。器器件件制制作作过过程程中中，硅硅表表面面易易产产生生界界面面态态，经经H2 退火处理可消除。退火处理可消除。 （4）离离子子可可控控。在在做做栅栅介介

3、质质时时，希希望望能能对对正正电电荷荷或或负负电电荷荷进行有效控制，以便制作耗尽型或增强型器件。进行有效控制，以便制作耗尽型或增强型器件。 （5）良好的抗辐射。防止或尽量减小辐射后氧化物电荷或）良好的抗辐射。防止或尽量减小辐射后氧化物电荷或表面能态的产生，提高器件的稳定性和抗干扰能力。表面能态的产生，提高器件的稳定性和抗干扰能力。 2、对材料物理性质的要求、对材料物理性质的要求 （1）低低的的内内应应力力。高高的的张张应应力力会会使使薄薄膜膜产产生生裂裂纹纹，高高的的压压应力使硅衬底翘曲变形。应力使硅衬底翘曲变形。 （2）高高度度的的结结构构完完整整性性。针针孔孔缺缺陷陷或或小小丘丘生生长长会

4、会有有造造成成漏漏电、短路、断路、给光刻造成困难等技术问题。电、短路、断路、给光刻造成困难等技术问题。 （3）良好的粘附性。对）良好的粘附性。对Si、金属等均有良好的粘附性。金属等均有良好的粘附性。 3、对材料工艺化学性质的要求、对材料工艺化学性质的要求 （1）有有良良好好的的淀淀积积性性质质，有有均均匀匀的的膜膜厚厚和和台台阶阶覆覆盖盖性性能能，适于批量生产。适于批量生产。 （2）便便于于图图形形制制作作。能能与与光光刻刻，特特别别是是细细线线条条光光刻刻相相容容；应应有有良良好好的的腐腐蚀蚀特特性性，包包括括能能进进行行各各向向异异性性腐腐蚀蚀，与与衬衬底底有有良良好的选择性。好的选择性。

5、 （3）可靠性好。包括可控的化学组分，高的纯度，良好的）可靠性好。包括可控的化学组分，高的纯度，良好的抗湿性，不对金属产生腐蚀等。抗湿性，不对金属产生腐蚀等。 三、钝化膜及介质膜的种类三、钝化膜及介质膜的种类 钝化膜及介质膜可分为无机玻璃及有机高分子两大类。钝化膜及介质膜可分为无机玻璃及有机高分子两大类。无无机机玻玻璃璃氧化物氧化物SiO2 , Al2O3 , TiO2 , ZrO2 , Fe2O3 , SixOy (SIPOS)硅酸盐硅酸盐PSG , BSG , BPSG氮化物氮化物Si3N4 , SixNyH , BN , AlN , GaN氢化物氢化物a-Si:H有机有机高分高分子子合成

6、树脂合成树脂聚酰亚胺类，聚硅氧烷类聚酰亚胺类，聚硅氧烷类合成橡胶合成橡胶硅酮橡胶硅酮橡胶9.2 Si-SiO2系统系统一、一、SiO2膜在半导体器件中的主要用途膜在半导体器件中的主要用途 1、SiO2膜用作选择扩散掩膜膜用作选择扩散掩膜 利利用用SiO2对对磷磷、硼硼、砷砷等等杂杂质质较较强强的的掩掩蔽蔽能能力力，通通过过在在硅硅上的二氧化硅层窗口区向硅中扩散杂质，可形成上的二氧化硅层窗口区向硅中扩散杂质，可形成PN结。结。 2、SiO2膜用作器件表面保护层和钝化层膜用作器件表面保护层和钝化层 （1）热热生生长长SiO2电电阻阻率率在在1015 .cm以以上上，介介电电强强度度不不低低于于5

7、106 V/cm,具有良好的绝缘性能，作表面一次钝化；具有良好的绝缘性能，作表面一次钝化； （2）芯芯片片金金属属布布线线完完成成后后，用用CVD-SiO2作作器器件件的的二二次次钝钝化，其工艺温度不能超过布线金属与硅的合金温度。化，其工艺温度不能超过布线金属与硅的合金温度。 3、作作器器件件中中的的绝绝缘缘介介质质（隔隔离离、绝绝缘缘栅栅、多多层层布布线线绝绝缘缘、电容介质等）电容介质等） 4、离子注入中用作掩蔽层及缓冲介质层、离子注入中用作掩蔽层及缓冲介质层 二、二、Si-SiO2 系统中的电荷系统中的电荷 1、可动离子电荷、可动离子电荷Qm 常规生长的热氧化常规生长的热氧化SiO2中一般

8、存在着中一般存在着10121014cm-2的可动正的可动正离子，由碱金属离子及氢离子所引起，其中以离子，由碱金属离子及氢离子所引起，其中以Na+的影响最大。的影响最大。Na+来源丰富且来源丰富且SiO2几乎不防几乎不防Na+，Na+在在SiO2的扩散系数和迁移的扩散系数和迁移率都很大。在氧化膜生长过程中，率都很大。在氧化膜生长过程中，Na+倾向于在倾向于在SiO2表面附近积表面附近积累，在一定温度和偏压下，可在累，在一定温度和偏压下，可在SiO2层中移动，对器件的稳定层中移动，对器件的稳定性影响较大。性影响较大。 （1）来来源源：任任何何工工艺艺中中（氧氧化化的的石石英英炉炉管管、蒸蒸发发电电

9、极极等等）或材料、试剂和气氛均可引入可动离子的沾污。或材料、试剂和气氛均可引入可动离子的沾污。 （2）影影响响：可可动动正正离离子子使使硅硅表表面面趋趋于于N型型，导导致致MOS器器件件的的阈阈值值电电压压不不稳稳定定；导导致致NPN晶晶体体管管漏漏电电流流增增大大，电电流流放放大大系系数减小。数减小。 （3）控制可动电荷的方法）控制可动电荷的方法 （a）采采用用高高洁洁净净的的工工艺艺，采采用用高高纯纯去去离离子子水水，MOS级级的的试试剂剂，超超纯纯气气体体，高高纯纯石石英英系系统统和和器器皿皿，钽钽丝丝蒸蒸发发和和自自动动化化操操作等。作等。 （b）磷处理，形成磷处理，形成PSG-SiO

10、2以吸除、钝化以吸除、钝化SiO2中的中的Na+。 （c）采用掺氯氧化，以减小采用掺氯氧化，以减小Na+ 沾污，并可起钝化沾污，并可起钝化Na+ 的的作用。作用。 2、Si-SiO2 界面陷阱电荷界面陷阱电荷Qit（界面态）界面态） 指存在于指存在于Si-SiO2界面，能带处于硅禁带中，可以与价带或界面，能带处于硅禁带中，可以与价带或导带交换电荷的那些陷阱能级或能量状态。靠近禁带中心的界导带交换电荷的那些陷阱能级或能量状态。靠近禁带中心的界面态可作为复合中心或产生中心，靠近价带或导带的可作为陷面态可作为复合中心或产生中心，靠近价带或导带的可作为陷阱。界面陷阱电荷可以带正电或负电，也可以呈中性。

11、阱。界面陷阱电荷可以带正电或负电，也可以呈中性。 （1）来来源源：由由氧氧化化过过程程中中的的Si/SiO2界界面面处处的的结结构构缺缺陷陷（如如图图中中的的悬悬挂挂键键、三三价价键键）、界界面面附附近近氧氧化化层层中中荷荷电电离离子子的的库库仑仑势、势、Si/SiO2界面附近半导体中的杂质（如界面附近半导体中的杂质（如Cu、Fe等）。等）。 （2）影影响响：界界面面陷陷阱阱电电荷荷影影响响MOS器器件件的的阈阈值值电电压压、减减小小MOS器器件件沟沟道道的的载载流流子子迁迁移移率率，影影响响MOS器器件件的的跨跨导导；增增大大双双极晶体管的结噪声和漏电，影响击穿特性。极晶体管的结噪声和漏电，

12、影响击穿特性。 （3）控制界面陷阱电荷的方法）控制界面陷阱电荷的方法 （a）界界面面陷陷阱阱密密度度与与晶晶向向有有关关：(111)(110)(100)，因因此此MOS集集成成电电路路多多采采用用(100)晶晶向向（有有较较高高的的载载流流子子表表面面迁迁移移率）；而双极型集成电路多选用率）；而双极型集成电路多选用(111)晶向。晶向。 （ b） 低低 温温 、 惰惰 性性 气气 体体 退退 火火 ： 纯纯 H2或或 N2-H2气气 体体 在在400500退退火火处处理理，可可使使界界面面陷陷阱阱电电荷荷降降低低23数数量量级级。原原因因是氢在退火中与悬挂键结合，从而减少界面态。是氢在退火中与

13、悬挂键结合，从而减少界面态。 （c）采用含氯氧化，可将界面陷阱电荷密度有效控制在采用含氯氧化，可将界面陷阱电荷密度有效控制在 1010/cm2数量级。数量级。 3、氧化物固定正电荷、氧化物固定正电荷Qf 固定正电荷存在于固定正电荷存在于SiO2中离中离Si-SiO2界面约界面约20范围内。范围内。 （1）来来源源：由由氧氧化化过过程程中中过过剩剩硅硅（或或氧氧空空位位）引引起起，其其密密度度与氧化温度、氧化气氛、冷却条件和退火处理有关。与氧化温度、氧化气氛、冷却条件和退火处理有关。 （2）影影响响：因因Qf 是是正正电电荷荷，将将使使P沟沟MOS器器件件的的阈阈值值增增加加，N道道MOS器器件

14、件的的阈阈值值降降低低；减减小小沟沟道道载载流流子子迁迁移移率率，影影响响MOS器件的跨导；增大双极晶体管的噪声和漏电，影响击穿特性。器件的跨导；增大双极晶体管的噪声和漏电，影响击穿特性。 （3）控制氧化物固定正电荷的方法）控制氧化物固定正电荷的方法 （a）氧氧化化物物固固定定正正电电荷荷与与晶晶向向有有关关：(111)(110)(100)，因此，因此MOS集成电路多采用集成电路多采用(100)晶向。晶向。 （b）氧氧化化温温度度愈愈高高，氧氧扩扩散散愈愈快快，氧氧空空位位愈愈少少；氧氧化化速速率率愈愈大大时时，氧氧空空位位愈愈多多，固固定定电电荷荷面面密密度度愈愈大大。采采用用高高温温干干氧

15、氧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、氧化物陷阱电荷、氧化物陷阱电荷Qot 氧化物中被陷住的电子或空穴。氧化物中被陷住的电子或空穴。 （1）来来源源：电电离离辐辐射射（电电子子束束蒸蒸发发、离离子子注注入入、溅溅射射等等工工艺引起）、热电子注入或雪崩注入。艺引起）、热电子注入或雪崩注入。 （2）影影响响：对对MOS器器件件的的跨跨导导和和沟沟道道电电导导产产生生较较大大的的影影响响，使阈值电压向负方向移动。使阈值电压向负方向移动。 （3）控制氧化物陷阱电荷的方法）控制氧化物陷阱电荷的方法 （a）选选择择适适当当的的氧氧化化工工艺艺条条件

16、件以以改改善善SiO2结结构构，使使Si-O-Si键不易被打破。常用键不易被打破。常用1000干氧氧化。干氧氧化。 （b）制备非常纯的制备非常纯的SiO2 ，以消除杂质陷阱中心。以消除杂质陷阱中心。 （c）在在惰惰性性气气体体中中进进行行低低温温退退火火（300以以上上）可可以以减减小小电离辐射陷阱。电离辐射陷阱。 （d）采用对辐照不灵敏的钝化层（如采用对辐照不灵敏的钝化层（如Al2O3、Si3N4等）。等）。 三、三、Si-SiO2系统中的电荷对器件性能的影响系统中的电荷对器件性能的影响 在在Si-SiO2系系统统中中的的正正电电荷荷以以及及Si热热氧氧化化过过程程中中杂杂质质再再分分布布现

17、象（现象（Si表面磷多或硼少）均导致表面磷多或硼少）均导致Si表面存在着表面存在着N型化的趋势。型化的趋势。 Si-SiO2系统中的正电荷将引起半导体表面的能带弯曲，在系统中的正电荷将引起半导体表面的能带弯曲，在P型半导体表面形成耗尽层或反型层型半导体表面形成耗尽层或反型层,在在N型半导体表面形成积累型半导体表面形成积累层，而且界面态还是载流子的产生层，而且界面态还是载流子的产生-复合中心。这些电荷严重影复合中心。这些电荷严重影响器件的性能，包括响器件的性能，包括MOS器件的阈值电压、跨导、沟道电导；器件的阈值电压、跨导、沟道电导；双极器件中的反向漏电流、击穿电压、电流放大系数双极器件中的反向

18、漏电流、击穿电压、电流放大系数 、1/f 噪声噪声等特性。等特性。 要消除要消除Si-SiO2系统中的电荷及器件表面沾污对器件的影响，系统中的电荷及器件表面沾污对器件的影响，一是采用表面多次钝化工艺，二是采用保护环和等位环等措施一是采用表面多次钝化工艺，二是采用保护环和等位环等措施来减小其影响。来减小其影响。 晶体管的保护环和等位环晶体管的保护环和等位环 式中，式中， 是单位面积的是单位面积的氧化层电容，氧化层电容，d是氧化层厚度，是氧化层厚度，Cox与栅压与栅压V无关。无关。CD 是单位面是单位面积的半导体势垒电容。对于确积的半导体势垒电容。对于确定的衬底掺杂浓度和氧化层厚定的衬底掺杂浓度和

19、氧化层厚度，度，CD 是表面势是表面势 s（也是栅压也是栅压V）的函数。因此总电容的函数。因此总电容C也是也是 s 的函数。的函数。 四、四、Si-SiO2结构性质的测试分析结构性质的测试分析 1、MOS C-V特性与特性与Si-SiO2结构性质的关系结构性质的关系 理理想想MOS结结构构假假定定：1）SiO2中中不不存存在在电电荷荷与与界界面面陷陷阱阱； 2）金金属属半半导导体体功功函函数数差差为为零零。这这种种MOS电电容容为为氧氧化化层层电电容容Cox 和半导体势垒电容和半导体势垒电容CD 的串联。单位面积的的串联。单位面积的MOS电容电容C为：为： （1）当当V 0时时，硅硅表表面面附

20、附近近的的能能带带上上弯弯，表表面面空空穴穴积积累累，在在V 0时时，能能带带下下弯弯，表表面面空空穴穴耗耗尽尽，势势垒垒电电容容随随栅栅压压增增加加而而下下降降，因因而而总总电电容容C也也随随V下下降降。W是是耗耗尽尽层层宽宽度度，其其与与表表面势的关系为：面势的关系为： 。 当当V增增加加到到使使 S B（费费米米势势），半半导导体体表表面面反反型型，电电容容随随偏压的变化开始分散：偏压的变化开始分散： （a）当当信信号号频频率率足足够够低低时时，空空间间电电荷荷区区少少子子的的产产生生跟跟得得上上信信号号变变化化，对对电电容容有有贡贡献献。MOS电电容容经经过过最最小小值值后后随随栅栅压

21、压而而增增加加，在在V 0时，时，C = Cox，如图中低频曲线（如图中低频曲线（a）。）。 （b）当信号频率很高时，少子来不及产生，对电容没有贡献，当信号频率很高时，少子来不及产生，对电容没有贡献，耗尽层继续随耗尽层继续随V变宽，直到变宽，直到 S 2 B，表面强反型。反型电荷对表面强反型。反型电荷对外电场的屏蔽作用使耗尽区达到最大值外电场的屏蔽作用使耗尽区达到最大值Wm不再变宽，不再变宽，MOS电容电容达到最小值。达到最小值。 2、金属功函数、氧化硅中电荷对、金属功函数、氧化硅中电荷对C-V特性的影响特性的影响 9.3 主要的钝化方法主要的钝化方法一、集成电路钝化的一般步骤一、集成电路钝化

22、的一般步骤 典型集成电路制造过程中至少包含三个钝化工序步骤：典型集成电路制造过程中至少包含三个钝化工序步骤： 1、衬衬底底氧氧化化层层（特特别别是是MOS集集成成电电路路中中的的栅栅氧氧化化层层）生生长过程中的钝化。长过程中的钝化。 通常采用含氯氧化，或通常采用含氯氧化，或 HCl 处理氧化石英管。处理氧化石英管。 2、衬衬底底和和金金属属化化层层之之间间或或多多层层金金属属化化层层之之间间绝绝缘缘隔隔离离氧氧化化层的钝化工艺。层的钝化工艺。 通通常常采采用用磷磷硅硅玻玻璃璃钝钝化化工工艺艺，为为降降低低回回流流温温度度，有有时时采采用用硼磷硅玻璃钝化。硼磷硅玻璃钝化。 3、芯片的最终钝化层。

23、、芯片的最终钝化层。 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 主要主要用作为用作为Si3N4 应力缓解层。应力缓解层。 二、含氯氧化二、含氯氧化 1、钝化可动离子、钝化可动离子 （1）钝化效果与氯含量及氧化条件有关）钝化效果与氯含量及氧化条件有关 （a）HCl/O2 浓度比达到浓度比达到34%时，可使时，可使Na+几乎完全钝化；几乎完全钝化； （b）氧氧化化温温度度低低于于1050时时，含含氯氯氧氧化化对对可可动动离离子子的的钝钝化化、收集作用消失；收集作用消失； （c）含氯氧化对可动离子的钝化作用仅在干氧氧化中存在，含氯氧化对可动离子

24、的钝化作用仅在干氧氧化中存在，湿氧氧化中不存在。湿氧氧化中不存在。 （2）钝化）钝化Na+的机理的机理 （a）高高温温过过程程中中氯氯进进入入SiO2，在在Si/SiO2界界面面处处与与三三价价硅硅和和过剩硅离子结合，以氯过剩硅离子结合，以氯-硅硅-氧复合体结构形式存在。氧复合体结构形式存在。 （b）当当Na+运运动动到到Si/SiO2界界面面时时，氯氯-硅硅-氧氧复复合合体体中中的的Cl-与与Na+之之间间较较强强的的库库仑仑力力将将Na+束束缚缚在在Cl-周周围围，使使Na+固固定定化化和和中性化，形成如下结构：中性化，形成如下结构： 2、改善、改善SiO2膜的击穿特性膜的击穿特性 SiO

25、2中中的的击击穿穿机机构构主主要要是是隧隧道道电电流流。Na+在在Si/SiO2界界面面附附近近的的聚聚积积，将将增增强强Si/SiO2界界面面区区的的电电场场强强度度，尤尤其其是是Na+分分布布的的不不均均匀匀性性，导导致致局局部部电电场场强强度度很很大大，使使隧隧道道电电流流增增大大以以至至击击穿穿。含氯氧化固定和中性化含氯氧化固定和中性化Na+，从而改善从而改善SiO2 的击穿特性。的击穿特性。 3、降降低低界界面面态态密密度度和和固固定定正正电电荷荷密密度度，减减少少氧氧化化层层错错，提高少子寿命。提高少子寿命。 含含氯氯氧氧化化可可以以减减小小Si/SiO2 界界面面的的三三价价硅硅

26、和和过过剩剩硅硅原原子子；含含HCl 和和C2HCl3 氧氧化化中中产产生生的的具具有有高高度度活活性性的的H+ 可可以以填填充充悬悬挂挂键；键；HCl 和和C2HCl3 具有萃取具有萃取Cu 等重金属杂质的功能。等重金属杂质的功能。三、磷硅玻璃（三、磷硅玻璃（PSG）和硼磷硅玻璃（和硼磷硅玻璃（BPSG）钝化钝化 1、PSG和和BPSG的特点的特点 （1）PSG对对Na+具具有有较较强强的的捕捕集集和和阻阻挡挡作作用用；BPSG对对Na+的的阻挡作用比阻挡作用比PSG强强30150倍。倍。 （2）PSG在在1000左右的温度下熔融回流，从而减小布线左右的温度下熔融回流，从而减小布线的台阶；的

27、台阶；BPSG的熔融回流温度比的熔融回流温度比PSG低低100200。 2、PSG膜存在的缺点膜存在的缺点 （1）PSG层的极化效应层的极化效应 PSG中中的的电电偶偶极极子子在在无无外外电电场场时时是是杂杂乱乱无无章章的的。当当器器件件加加偏偏压压时时这这些些电电偶偶极极子子沿沿外外场场形形成成整整齐齐的的排排列列，产产生生极极化化效效应应，影响器件的稳定性。影响器件的稳定性。PSG中磷浓度愈高，极化效应愈严重。中磷浓度愈高，极化效应愈严重。 （2）PSG的吸潮性的吸潮性 PSG的的吸吸水水性性强强。PSG中中的的磷磷易易与与水水汽汽反反应应生生成成磷磷酸酸而而腐腐蚀铝布线，加速器件的失效；

28、膜的粘附性变坏，光刻易脱胶等。蚀铝布线，加速器件的失效；膜的粘附性变坏，光刻易脱胶等。 PSG钝化膜中磷含量不应超过钝化膜中磷含量不应超过8%（P的重量百分数），的重量百分数），5%最佳；厚度不应超过最佳；厚度不应超过1 m。PSG钝化膜中磷含量过低会降钝化膜中磷含量过低会降低低PSG膜对膜对Na+的提取、固定和阻挡作用，钝化效果不佳。的提取、固定和阻挡作用，钝化效果不佳。 3、BPSG膜中膜中B、P含量各约含量各约4%，此时膜的极化效应和吸，此时膜的极化效应和吸潮能力最小，而吸杂和阻挡碱离子的能力均优于潮能力最小，而吸杂和阻挡碱离子的能力均优于PSG膜。膜。 4、PSG（BPSG）的制备的制

29、备 采用氢化物作源的常压低温化学气相淀积技术（采用氢化物作源的常压低温化学气相淀积技术（LTCVD）生长生长PSG或或BPSG 。 淀积完成后，还应在淀积完成后，还应在N2或惰性气体中，或惰性气体中，7001000范围内范围内处理处理515min。目的是提高膜的质密度及抗蚀性。这个过程称目的是提高膜的质密度及抗蚀性。这个过程称为增密为增密 。 四、氮化硅（四、氮化硅（Si3N4）钝化膜钝化膜 1、特点、特点 （1）与）与SiO2相比具有如下优点相比具有如下优点 （a）对可动离子（如对可动离子（如Na+）有非常强的阻挡能力。一般有非常强的阻挡能力。一般Na+在在Si3N4中渗中渗透深度仅为透深度

30、仅为50100 。 （b）结构非常致密，气体和水汽极难穿透，疏水性强，因此可大大提结构非常致密，气体和水汽极难穿透，疏水性强，因此可大大提高器件的防潮性能。能掩蔽许多杂质。高器件的防潮性能。能掩蔽许多杂质。 （c）针孔密度非常低，且极硬而耐磨；针孔密度非常低，且极硬而耐磨； （d）有极高的化学稳定性。除能被有极高的化学稳定性。除能被HF酸和热磷酸缓慢腐蚀外，其他的酸和热磷酸缓慢腐蚀外，其他的酸几乎不能与它发生作用；酸几乎不能与它发生作用； （e）导热性好导热性好，适宜作多层布线的绝缘层，便于管芯散热；适宜作多层布线的绝缘层，便于管芯散热； （f）绝缘性与抗击穿性好，绝缘性与抗击穿性好，1000

31、 Si3N4膜可耐膜可耐110V电压。电压。 （g）对电离辐射不灵敏，是很好的抗辐照的钝化层。对电离辐射不灵敏，是很好的抗辐照的钝化层。 （2）缺点）缺点 Si3N4-Si结构界面应力大且界面态密度高，因此结构界面应力大且界面态密度高，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 复合结构，复合结构，Si3N4 厚度一厚度一般低于般低于2000。 2、制备、制备Si3N4的主要工艺技术的主要工艺技术 采用以硅的氢化物和采用以硅的氢化物和NH3 作源的作源的LPCVD或或PECVD法。法。 3、Si3N4膜的刻蚀膜的刻蚀 （1）湿化学腐蚀法：热磷酸

32、溶液（）湿化学腐蚀法：热磷酸溶液（160180）可腐蚀掉）可腐蚀掉Si3N4 膜。膜。 （2）干法腐蚀法：等离子腐蚀法。）干法腐蚀法：等离子腐蚀法。 4、Si3N4 膜的应用膜的应用 （1）利用）利用Si3N4 膜对水蒸气和氧气有较强的掩蔽能力，进行膜对水蒸气和氧气有较强的掩蔽能力，进行局部氧化工艺和等平面隔离；局部氧化工艺和等平面隔离； （2）PECVD生长的生长的Si3N4 膜作为双层布线的绝缘介质；膜作为双层布线的绝缘介质； （3）利用）利用Si3N4 膜能有效地防止膜能有效地防止Na+ 沾污，并有良好的绝缘性沾污，并有良好的绝缘性能、较高的击穿电压和高度的化学稳定性，以及抗辐照能力，能

33、、较高的击穿电压和高度的化学稳定性，以及抗辐照能力，常用于芯片最终的钝化层。常用于芯片最终的钝化层。 五、氧化铝（五、氧化铝（Al2O3）钝化膜钝化膜 1、与、与SiO2 、Si3N4 相比有如下优点相比有如下优点 （1）抗辐射能力比）抗辐射能力比SiO2 、Si3N4 强；强； （2）具有负电荷效应，可得到正的平带电压，如用）具有负电荷效应，可得到正的平带电压，如用MAOS结构，易制得结构，易制得N沟道增强性器件；沟道增强性器件； （3）等平面阳极氧化生成的）等平面阳极氧化生成的Al2O3 钝化膜，由于芯片表面平钝化膜，由于芯片表面平整，非常适合进行多层布线；整，非常适合进行多层布线； （4

34、）Al2O3 和和Si3N4 一样对一样对Na+ 的阻挡能力很强；的阻挡能力很强； （5）机械强度和硬度均高于）机械强度和硬度均高于SiO2（结晶结晶Al2O3 俗称刚玉，硬俗称刚玉，硬度仅次于金刚石和碳化硅）。度仅次于金刚石和碳化硅）。 2、Al2O3的制备工艺的制备工艺 （1）CVD法（三氯化铝水解法）法（三氯化铝水解法） AlCl3 室温下为固体，必需加热并恒温使其升华成气体，室温下为固体，必需加热并恒温使其升华成气体，升华温度升华温度100 150。 （2）溅射法）溅射法 除采用除采用Ar +O2 作溅射气氛（反应溅射）或用高纯作溅射气氛（反应溅射）或用高纯Al2O3 靶代靶代替高纯铝

35、靶（非反应溅射）外，替高纯铝靶（非反应溅射）外，Al2O3 膜溅射的原理、设备、操膜溅射的原理、设备、操作步骤等均可参照第八章金属薄膜的制备工艺。作步骤等均可参照第八章金属薄膜的制备工艺。 （3）电解阳极氧化）电解阳极氧化 基本原理基本原理 阳极氧化是制造金属氧化物膜的一种电化学方法，在两极阳极氧化是制造金属氧化物膜的一种电化学方法，在两极上发生的反应如下：上发生的反应如下： 阳极：阳极： 阴极：阴极： 根据生成氧化物膜的性质可分为多孔型阳极氧化和无孔型根据生成氧化物膜的性质可分为多孔型阳极氧化和无孔型阳极氧化。阳极氧化。 当电解液中含有对金属起腐蚀和溶解作用的酸（磷酸、氢当电解液中含有对金属

36、起腐蚀和溶解作用的酸（磷酸、氢氟酸）时，在阳极氧化的同时还发生对氧化物的腐蚀、溶解作氟酸）时，在阳极氧化的同时还发生对氧化物的腐蚀、溶解作用，因此它边氧化、边渗透，直至全部金属膜被氧化为止。用，因此它边氧化、边渗透，直至全部金属膜被氧化为止。 无孔型阳极氧化的电解液（硼酸、柠檬酸）对金属和金属无孔型阳极氧化的电解液（硼酸、柠檬酸）对金属和金属氧化物没有腐蚀或溶解作用，在阳极氧化时金属表面生成一层氧化物没有腐蚀或溶解作用，在阳极氧化时金属表面生成一层氧化层后就不再被进一步氧化，故能形成一定厚度的氧化层。氧化层后就不再被进一步氧化，故能形成一定厚度的氧化层。 等平面阳极氧化工艺流程图：等平面阳极氧

37、化工艺流程图：（a）蒸铝、（蒸铝、（b）光刻光刻(互连图互连图)、（、（c）等平面阳极氧化、（等平面阳极氧化、（d）光刻（保护压焊点）、（光刻（保护压焊点）、（e）阳极氧化互连线阳极氧化互连线 六、聚酰亚胺（六、聚酰亚胺（PI）钝化膜钝化膜 1、特点、特点 （1）膜可带负电荷）膜可带负电荷 聚酰亚胺的长链大分子中，经常在聚酰亚胺的长链大分子中，经常在-C-O-C-键处发生断裂，键处发生断裂，聚合物中出现过剩氧所致。因此，与热生长聚合物中出现过剩氧所致。因此，与热生长SiO2一起使用可以一起使用可以补偿补偿SiO2中的固定正电荷。中的固定正电荷。 （2）化学稳定性好，且疏水；）化学稳定性好，且疏

38、水； （3）延展性好，不易裂，膜的应力小；）延展性好，不易裂，膜的应力小； （4）抗辐照能力强。）抗辐照能力强。 2、聚酰亚氨膜的钝化工艺、聚酰亚氨膜的钝化工艺 （1）将待钝化的硅芯片（一般是蒸铝并光刻铝后的硅片）将待钝化的硅芯片（一般是蒸铝并光刻铝后的硅片）旋涂一薄层聚酰胺酸溶液；旋涂一薄层聚酰胺酸溶液； （2）在）在110前烘前烘2030min，使溶剂挥发；使溶剂挥发； （3）涂光刻胶、曝光、显影、腐蚀、去胶获得光刻图形；）涂光刻胶、曝光、显影、腐蚀、去胶获得光刻图形； （4）在）在300加热亚胺化加热亚胺化1小时。小时。 3、聚酰亚氨膜的应用、聚酰亚氨膜的应用 （1）用作多层布线的中间介

39、质层。因其制作工艺过程中的）用作多层布线的中间介质层。因其制作工艺过程中的可流动性，可避免用可流动性，可避免用SiO2作中间介质膜时造成台阶处铝断裂。作中间介质膜时造成台阶处铝断裂。 （2）用作硅芯片的最终钝化层。）用作硅芯片的最终钝化层。9.4 钝化膜结构钝化膜结构一、双层结构一、双层结构 1、SiO2-PSG结构结构 2、SiO2-Si3N4结构结构 3、SiO2-Al2O3结构结构 二、多层钝化结构二、多层钝化结构 第第三三层层钝钝化化层层由由于于是是在在金金属属化化以以后后形形成成，其其淀淀积积及及热热处处理理温温度度均均不不能能高高于于金金属属化化的的温温度度，因因此此必必须须采采用用低低温温技技术术，如如PECVD生长生长Si3N4 、溅射溅射Si3N4 、聚酰亚胺等。聚酰亚胺等。结结 束束