第十三章钝化课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,引 言,半导体器件的性能和稳定性与半导体表面性质有很密切的关系。为了避免周围环境气氛和其它外界因素对器件性能的影响，除了将器件芯片气密性地封入一个特制的外壳内，还需要在其表面覆盖一层保护膜。这种,形成表面保护膜和为克服缺陷而采用的工艺统称为表面钝化工艺。,引 言 半导体器件的性能和稳定性与半导体表面性,1,对钝化层的要求,1.物理性质,电绝缘性好，介电常数大；,介面电荷少；,对杂质有阻挡和掩蔽扩散的能力；,有抗Na,+,漂移的能力；,有一定的抗辐射能力；,与衬底材料有相近的膨胀系数；,有疏水性。,对钝化层的要求,2,2.化学性质,化学稳定性好；,抗腐蚀能力强。,3.机械性能,针孔少，密封性好；,粘附性好；,压力小，不产生龟裂；,机械强度高。,2.化学性质,3,4.工艺要求,能与器件其他工艺相兼容；,容易获得，重复性好。,4.工艺要求,4,半导体器件中最,常用,的介质膜是,二氧化硅膜,，它对器件具有一定的保护作用。然而，长期的实践表明，二氧化硅的钝化作用并不是十全十美的。因为,二氧化硅-硅系统中的沾污和缺陷,是造成器件不稳定和失效的重要原因。例如，,双极型硅器件中的沟道漏电,，反向电流偏大，击穿电压蠕变，及双极型硅平面器件放大系数和MOS器件阈值电压等参数的漂移，大多是由二氧化硅膜引起的。为了提高器件的稳定性和可靠性，人们对二氧化硅-硅系统进行了深入的研究。,半导体器件中最常用的介质膜是二氧化硅膜，它对器件具有一,5,本章，介绍了为改进二氧化硅钝化效果而发展起来的一些表面钝化工艺，如低温钝化，氮化硅-二氧化硅，三氧化二铝-二氧化硅和二氧化硅-掺氧多晶硅等复合钝化膜的制造。,本章，介绍了为改进二氧化硅钝化效果而发展起来的一些表面,6,13-1 磷硅玻璃钝化工艺,一、磷硅玻璃膜的作用,在热生长二氧化硅表面形成一层含有五氧化二磷的二氧化硅薄膜（常简称为PSG），能明显地削弱钠等可动离子对半导体表面性质的影响，这是由于,PSG薄膜对钠离子有提取,、,固定和阻挡的作用,。,13-1 磷硅玻璃钝化工艺,7,二、PSG膜的制备,形成磷硅玻璃的方法有多种，在,双极型,集成电路和器件中，多采用,磷蒸气合金工艺,。即将反刻铝后的片子在合金的过程中通入适当的磷蒸气，既达到合金的目的，又在二氧化硅表面形成一层磷硅玻璃层（习惯上统称为磷蒸气合金工艺）。在操作过程中必须兼顾这两方面。所用,磷源通常为三氯氧磷,。用氮或惰性气体作稀释气体，使,硅烷、磷烷,发生反应，来淀积磷硅玻璃也是常用的方法。,二、PSG膜的制备,8,第十三章钝化课件,9,为了使淀积膜厚度均匀，采用,冷壁立式旋转,反应器。适当控制硅烷、磷烷、氧气和氮气流量及衬底温度，可以调节淀积速率和淀积膜的成份。用这种方法淀积磷硅玻璃，具有,生长温度低,（300470度），,针孔密度小,，与二氧化硅和铝膜,黏附性能好,，,硬度高等,优点，因此常用于器件的,最后钝化。,为了使淀积膜厚度均匀，采用冷壁立式旋转反应器。适当控制硅,10,13-2 氮化硅钝化工艺,由于磷硅玻璃具有极化效应，使其应用受到一定的限制。在寻求比二氧化硅具有更好钝化能力的新型介质膜方面，氮化硅是一种日益受到重视，并不断得到广泛应用的新型钝化膜。,13-2 氮化硅钝化工艺,11,一、氮化硅膜的性质,应用于半导体器件的,氮化硅,薄膜通常是,无定型结构,。氮化硅是一种较二氧化硅更为理想的绝缘介质和表面钝化膜。它,结构致密,，,针孔密度小,，,气体和水汽难于侵入,，因此,掩蔽能力强；呈疏水性,，可,削弱介质层外表面杂质的影响,；,化学稳定性好,，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸几乎不能与它发生反应，从而可以提高介质膜的,抗腐蚀性,；,一、氮化硅膜的性质,12,氮化硅的,介电系数大,，有利于,降低,表面场效应器件的,阈值电压,、,提高跨导,和,绝缘介质层的耐压水平,。氮化硅的,导热性,能比二氧化硅,好,，可,经受热冲击,，加上,对铝的良好掩蔽,性，能防止铝渗透所引起的“穿通”现象，适于做,双层或多层布线的介质绝缘层,。尤其重要的是氮化硅具有,较强的抗钠能力,，在目前所有的介质膜中，氮化硅的抗钠能力最强。,氮化硅的介电系数大，有利于降低表面场效应器件的阈值电压,13,因此，用氮化硅作表面钝化膜，可大大提高器件的稳定性。它不仅,用于硅，还用于锗、砷化镓等半导体器件的扩散掩蔽和表面钝化,。由于氮化硅与硅两者的性质相差较大，界面处将产生,较大的内应力而引起缺陷,。所以，通常采取在氮化硅和硅之间,插入二氧化硅,的方法，从而构成所谓的,MNOS结构,。制备氮化硅时，应,避免氧和水的混入,，否则，氮化硅的性质将变坏，丧失一些 优点。,因此，用氮化硅作表面钝化膜，可大大提高器件的稳定性。它,14,二、氮化硅膜的制备,1.化学气相淀积 (CVD)法 一般是用硅烷或四氯化硅与氨或联氨在氮的运载气氛中进行热分解，从而获得氮化硅薄膜，其化学反应方程式为：,二、氮化硅膜的制备,15,联氨与氨相比虽淀积温度较低，但是其中含水量较多，常得到,氮氧化硅,，所以应特别,注意加强脱水,。化学气相淀积法制备氮化硅薄膜类似于硅外延淀积，例如，比较普遍采用的硅烷、氨化学体系多,采用高频感应加热,，淀积速率与温度之间也存在和硅外延相似的函数关系。此外，氮化硅薄膜也可以,在750度到850度之间,用硅烷和氨在,较低压力,下（0.51托）进行化学反应来制备。薄膜更加,均匀,，而且因为,片子可以直立放置,，生产,效率也大大提高,。,联氨与氨相比虽淀积温度较低，但是其中含水量较多，常得到,16,2.辉光放电法 它是在,低真空（约0.1托）,下，以硅烷与氨、联氨或氮作为反应气体，利用,气体放电时产生的高温,，促使气体发生化学反应而淀积在衬底上。辉光放电的优点是,衬底温度较低（300400度），,利用射频辉光放电，,不需要电极、靶及偏压装置,，设备,比较简单,。辉光放电法可在合金化后进行，淀积薄膜作为铝电极的保护膜，能耐机械划伤，有一定的抗蚀及抗钠离子沾污的能力。,2.辉光放电法 它是在低真空（约0.1托）下，以硅烷,17,3.反应溅射法 分直流反应溅射和射频反应溅射两种。它们是,用高纯单晶硅或多晶硅作阴极或靶,，在溅射室中,充以适量的氮或氨气,（混有氩气）作为反应和,溅射气体,。该方法的优点是,溅射温度低,，可在,金属化后淀积,。缺点是,不能任意控制,反应气体的,浓度,，因而,难以控制淀积膜的化学比,。此外，在直流溅射法中，阴极与阳极距离较近，工作电压又高，电子和负离子的轰击，会给薄膜表面带来损伤，淀积膜的表面比较粗糙，而且常存在非常小的裂缝。,3.反应溅射法 分直流反应溅射和射频反应溅射两种。,18,13-3 三氧化二铝钝化工艺,三氧化二铝是受人们重视的另一种新型介质膜，它最显著的优点是,具有较强的抗辐射能力和负电荷效应,。,一、三氧化二铝的主要性质,（1）抗辐射能力较强，对于有耐辐射要求的器件，采用三氧化二铝钝化膜比采用氮化硅、磷硅玻璃或单一二氧化硅膜都具有更好的钝化效果。,13-3 三氧化二铝钝化工艺,19,（2）,钠离子,在三氧化二铝膜中,迁移率较低,，对钠离子有较好的阻挡作用，有利于提高器件的稳定性和可靠性。（3）具有一定的耐腐蚀性，不仅将三氧化二铝薄膜放在硝酸或, 、 号洗液中煮沸，未发现有明显的腐蚀。而且用,三氧化二铝钝化过的器件，在4%氢氧化钠溶液中煮沸后进行参数测试，也没有显著的变化。,（2）钠离子在三氧化二铝膜中迁移率较低，对钠离子有较好的阻挡,20,（4）存在负电荷效应，实验表明三氧化二铝薄膜中的电荷可以具有正电荷效应，也可以具有负电荷效应，其,极性与制备方法及工艺条件,有密切关系。除了射频溅射外，适当控制工艺条件，一般都可以获得负电荷效应。将其与二氧化硅适当配合，可以获得平带效果。相关结构称为MAOS。,（4）存在负电荷效应，实验表明三氧化二铝薄膜中的电荷可以具有,21,二、三氧化二铝钝化膜的制备,目前常见的方法有：,1.化学气相淀积法；,2.溅射法；,3.阳极氧化法。,二、三氧化二铝钝化膜的制备,22,1.化学气相淀积法是目前采用比较广泛的一种方法。它包括,三氯化铝水解,，,异丙氧基铝等有机氧化铝热分解,，以及,有机铝氧化等,。其中使用特别多的是三氯化铝水解法。在高温下，利用氢与二氧化碳合成反应中需要的水，三氯化铝被生成的水氧化成三氧化二铝，并淀积在样品的表面上,。,1.化学气相淀积法是目前采用比较广泛的一种方法。它包括三氯化,23,其化学反应方程式为,总方程式为,其化学反应方程式为,24,由于第一步反应只在750度以上高温下才能发生，所以,采用高频感应加热,，硅片,置于850度左右,，使得三氧化二铝只在硅片上淀积。由于三氯化铝在,室温下为固态,，其,蒸气压很低,，因此必须,采用光学,（如碘钨灯、红外灯）或,电阻加热的方法,，把,三氯化铝加热到100150度，使其升华,，以获得反应所需要的蒸气压。三氯化铝升华的蒸气用氢携带，沿途应防止其冷凝。,由于第一步反应只在750度以上高温下才能发生，所以采用,25,一般用,三氯化铝水解法,制备的三氧化二铝,带有负电荷,，,薄膜致密,，,有良好的抗辐射性能和抗钠离子作用，耐腐蚀能力强,。淀积膜虽存在滞后效应，但在,850度的氧气氛中退火30分钟可以消除,。因此该法制备的薄膜是一种良好的钝化膜。,一般用三氯化铝水解法制备的三氧化二铝带有负电荷，薄膜致,26,2.阳极氧化法制备三氧化二铝薄膜 等平面阳极氧化法是把有铝层的硅片吸附在阳极上，铂片作为阴极，使用酸性电解液，通电后铝层变成三氧化二铝。,2.阳极氧化法制备三氧化二铝薄膜 等平面,27,13-4 低温钝化技术及半绝缘多晶硅钝化膜 一、低温钝化（LTP）技术,问题的提出,高温钝化所带来的弊端,1.钠、铁等杂质的污染；,2.二氧化硅和硅之间的热膨胀系数的差异；,3.热氧化所带来的杂质再分布。,这些问题都会严重地影响器件的性能和可靠性。为此，出现低温钝化技术。,13-4 低温钝化技术及半绝缘多晶硅钝化膜,28,方法：扩散工序完成之后，将硅片表面作为扩散掩蔽用的高温生长的二氧化硅层全部腐蚀掉，在不引起杂质再分布的低温下（,一般为850度以下,）重新在硅片表面覆盖各种钝化膜。,方法：扩散工序完成之后，将硅片表面作为扩散掩蔽用的高温,29,如果要制备多层介质钝化膜，则这层,二氧化硅膜可作为第一层,。然后用化学气相淀积或淀积金属氧化物的方法，在二氧化硅层上形成低温玻璃层（,如磷玻璃）作为第二层,。还可以在其上面用阳极氧化或纯铝直接氧化等方法,淀积一层三氧化二铝,，以克服磷硅玻璃的吸潮性和抵消介质层中正电荷的作用，,最后淀积,一层与光刻胶附着性良好的,低温二氧化硅膜,。这样就获得一种,二氧化硅-磷硅玻璃-三氧化二铝-二氧化硅四层结构的磷-铝玻璃钝化层。,如果要制备多层介质钝化膜，则这层二氧化硅膜可作为第一层,30,优点： 淀积,温度低,，,时间短,，对样品的,热影响较小,，,不易引起杂质的再分布和污染,，,不会,使半导体,表面状态发生新的变化,；选择适当的玻璃层可完全,避免热应力的产生,，较方便地制备多层介质钝化膜，使各钝化层之间,互相取长补短,，,达到更完美,的钝化效果。并通过改变各层成分和厚度比，使表面势在较宽的范围内改变等。,优点： 淀积温度低，时间短，对样品的热影响较小，不易,31,二、半绝缘多晶硅钝化膜,多晶硅是一种完全不同于前面介绍的二氧化硅、氮化硅之类的新型钝化膜，它最主要的,特点是半绝缘性,。,二、半绝缘多晶硅钝化膜,32,方法： 在扩散结形成之后，将二氧化硅层全部腐蚀掉，继而在硅表面淀积一层近于电中性的多晶硅薄膜，代替通常的二氧化硅作为表面钝化膜。这种,以半绝缘多晶硅为钝化膜的工艺，简称“SIPOS”工艺。,方法： 在扩散结形成之后，将二氧化硅层全部腐蚀掉，,33,与二氧化硅钝化膜比较，其具有如下的一些优点：,1.,与衬底材料相同,，不存在二氧化硅-硅系统中的固定电荷,2.,可明显提高器件的稳定性和可靠性,，因为SIPOS膜是一种半导电膜，外表面沾污的离子和电子在硅表面感生的载流子会漂移进入SIPOS膜中，,中和外表面电荷或在钝化膜内形成与外部电荷相屏蔽的空间电荷区,，而钝化膜,下面的硅表面却不会受到外部电荷的影响。,与二氧化硅钝化膜比较，其具有如下的一些优点：,34,SIPOS膜的,微弱导电性,，使pn结雪崩击穿产生的热载流子，虽注入钝化膜中，却,不会较长时间的存储,，从而较好地克服了由于势垒区雪崩击穿所引起的击穿电压蠕变等器件特性蜕变。另外,淀积温度较低,，所以大大减少了钠离子的沾污。,3.能提高器件的耐压水平。 4.由于钝化材料是以单一薄层形式覆盖在器件上面，因而比通常的平面器件,更平整,，可,改善金属电极的延展性,。,SIPOS膜的微弱导电性，使pn结雪崩击穿产生的热载流,35,为了避免钠离子和水的危害,，在掺氧多晶硅上面可,覆盖一层掺氮的多晶硅(N-SIPOS,)；,为防止金属电极和硅衬底间的垂直漏电和介质击穿,，外表面可,再用二氧化硅层覆盖,，构成三层复合钝化膜。掺氧多晶硅膜是,用硅烷和一氧化二氮,，在,氮气氛下于600700度淀积而成。,为了避免钠离子和水的危害，在掺氧多晶硅上面可覆盖一层掺氮,36,淀积速率与淀积温度、硅烷与一氧化二氮气体流量的比率有关。,增加一氧化二氮,，淀积,速率下降,，,膜中氧的成分增加,。典型的淀积,速率为500埃/分,，,膜厚一般为0.30.5微米,。在同样的温度下，从系统 中淀积,氮掺杂SIPOS膜，膜厚一般为0.15微米,。这两种SIPOS膜都能以普通的光致抗蚀剂作掩膜，使用等离子体或,混合液进行刻蚀。,淀积速率与淀积温度、硅烷与一氧化二氮气体流量的比率有关,37,