工艺技术-半导体工艺基础之续表面钝化(ppt 38页)

第九章续 表面钝化 西南科技大学理学院 2013.4. 15 9.1 概述 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 2、增强器件的稳定性和可靠性 二次钝化可强化器件的密封性，屏蔽外界杂质、离子电荷 、水汽等对器件的有害影响。 3、提高器件的封装成品率 钝化层为划片、装架、键合等后道工艺处理提供表面的机械 保护。 4、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。 二、对钝化膜及介质膜性质的一般要求 1、电气性能要求 （ 1）绝缘性能好。介电强度应大于 5MV/cm； （ 2） 介电常数小。除了作 MOS电容等电容介质外，介电常 数愈小，容性负载则愈小。 （ 3）能渗透氢。器件制作过程中，硅表面易产生界面态， 经 H2 退火处理可消除。 （ 4）离子可控。在做栅介质时，希望能对正电荷或负电荷 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 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 （ 1）低的内应力。高的张应力会使薄膜产生裂纹，高的压 应力使硅衬底翘曲变形。 （ 2）高度的结构完整性。针孔缺陷或小丘生长会有造成漏 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 Si、 金属等均有良好的粘附性。 3、对材料工艺化学性质的要求 （ 1）有良好的淀积性质，有均匀的膜厚和台阶覆盖性能， 适于批量生产。 （ 2）便于图形制作。能与光刻，特别是细线条光刻相容； 应有良好的腐蚀特性，包括能进行各向异性腐蚀，与衬底有良 好的选择性。 （ 3）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。 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。 无 机 玻 璃 氧化物 SiO2 , Al2O3 , TiO2 , ZrO2 , Fe2O3 , SixOy (SIPOS) 硅酸盐 PSG , BSG , BPSG 氮化物 Si3N4 , SixNyH , BN , AlN , GaN 氢化物 a-Si:H 有机 高分 子 合成树脂 聚酰亚胺类，聚硅氧烷类 合成橡胶 硅酮橡胶 9.2 Si-SiO2系统 一、 SiO2膜在半导体器件中的主要用途 1、 SiO2膜用作选择扩散掩膜 利用 SiO2对磷、硼、砷等杂质较强的掩蔽能力，通过在硅 上的二氧化硅层窗口区向硅中扩散杂质，可形成 PN结。 2、 SiO2膜用作器件表面保护层和钝化层 （ 1）热生长 SiO2电阻率在 1015.cm以上，介电强度不低于 5106 V/cm,具有良好的绝缘性能，作表面一次钝化； （ 2）芯片金属布线完成后，用 CVD-SiO2作器件的二次钝 化，其工艺温度不能超过布线金属与硅的合金温度。 3、作器件中的绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、 电容介质等） 4、离子注入中用作掩蔽层及缓冲介质层 二、 Si-SiO2 系统中的电荷 1、可动离子电荷 Qm 常规生长的热氧化 SiO2中一般存在着 10121014cm-2的可动正 离子，由碱金属离子及氢离子所引起，其中以 Na+的影响最大。 Na+来源丰富且 SiO2几乎不防 Na+， Na+在 SiO2的扩散系数和迁移 率都很大。在氧化膜生长过程中， Na+倾向于在 SiO2表面附近积 累，在一定温度和偏压下，可在 SiO2层中移动，对器件的稳定 性影响较大。 （ 1）来源：任何工艺中（氧化的石英炉管、蒸发电极等） 或材料、试剂和气氛均可引入可动离子的沾污。 （ 2）影响：可动正离子使硅表面趋于 N型，导致 MOS器件 的阈值电压不稳定；导致 NPN晶体管漏电流增大，电流放大系 数减小。 （ 3）控制可动电荷的方法 （ a） 采用高洁净的工艺，采用高纯去离子水， MOS级的 试剂，超纯气体，高纯石英系统和器皿，钽丝蒸发和自动化操 作等。 （ b） 磷处理，形成 PSG-SiO2以吸除、钝化 SiO2中的 Na+。 （ c） 采用掺氯氧化，以减小 Na+ 沾污，并可起钝化 Na+ 的 作用。 2、 Si-SiO2 界面陷阱电荷 Qit（ 界面态） 指存在于 Si-SiO2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 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。 （ 1）来源：由氧化过程中的 Si/SiO2界面处的结构缺陷（如 图中的悬挂键、三价键）、界面附近氧化层中荷电离子的库仑 势、 Si/SiO2界面附近半导体中的杂质（如 Cu、 Fe等）。 （ 2）影响：界面陷阱电荷影响 MOS器件的阈值电压、减小 MOS器件沟道的载流子迁移率，影响 MOS器件的跨导；增大双 极晶体管的结噪声和漏电，影响击穿特性。 （ 3）控制界面陷阱电荷的方法 （ a） 界面陷阱密度与晶向有关： (111)(110)(100)，因此 MOS集成电路多采用 (100)晶向（有较高的载流子表面迁移率） ；而双极型集成电路多选用 (111)晶向。 （ b） 低温、惰性气体退火：纯 H2或 N2-H2气体在 400500 退火处理，可使界面陷阱电荷降低 23数量级。原因 是氢在退火中与悬挂键结合，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 1010/cm2数量级。 3、氧化物固定正电荷 Qf 固定正电荷存在于 SiO2中离 Si-SiO2界面约 20范围内。 （ 1）来源：由氧化过程中过剩硅（或氧空位）引起，其密度 与氧化温度、氧化气氛、冷却条件和退火处理有关。 （ 2）影响：因 Qf 是 正电荷，将使 P沟 MOS器件的阈值增加， N道 MOS器件的阈值降低；减小沟道载流子迁移率，影响 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。 （ 3）控制氧化物固定正电荷的方法 （ a） 氧化物固定正电荷与晶向有关： (111)(110)(100)， 因此 MOS集成电路多采用 (100)晶向。 （ b） 氧化温度愈高，氧扩散愈快，氧空位愈少；氧化速率 愈大时，氧空位愈多，固定电荷面密度愈大。采用高温干氧氧 化有助于降低 Qf 。 （ c） 采用含氯氧化可降低 Qf 。 4、氧化物陷阱电荷 Qot 氧化物中被陷住的电子或空穴。 （ 1）来源：电离辐射（电子束蒸发、离子注入、溅射等工 艺引起）、热电子注入或雪崩注入。 （ 2）影响：对 MOS器件的跨导和沟道电导产生较大的影响 ，使阈值电压向负方向移动。 （ 3）控制氧化物陷阱电荷的方法 （ a） 选择适当的氧化工艺条件以改善 SiO2结构，使 Si-O-Si 键不易被打破。常用 1000 干氧氧化。 （ b） 制备非常纯的 SiO2 ， 以消除杂质陷阱中心。 （ c） 在惰性气体中进行低温退火（ 300 以上）可以减小 电离辐射陷阱。 （ d） 采用对辐照不灵敏的钝化层（如 Al2O3、 Si3N4等）。 三、 Si-SiO2系统中的电荷对器件性能的影响 在 Si-SiO2系统中的正电荷以及 Si热氧化过程中杂质再分布 现象（ Si表面磷多或硼少）均导致 Si表面存在着 N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 P 型半导体表面形成耗尽层或反型层 ,在 N型半导体表面形成积累 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 响器件的性能，包括 MOS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 、 1/f 噪 声等特性。 要消除 Si-SiO2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 施来减小其影响。 晶体管的保护环和等位环 式中， 是单位面积的 氧化层电容， d是氧化层厚度， Cox与栅压 V无关。 CD 是单位面 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 度， CD 是表面势 s（ 也是栅压 V） 的函数。因此总电容 C也是 s 的函数。 四、 Si-SiO2结构性质的测试分析 1、 MOS C-V特性与 Si-SiO2结构性质的关系 理想 MOS结构假定： 1） SiO2中不存在电荷与界面陷阱； 2）金属半导体功函数差为零。这种 MOS电容为氧化层电容 Cox 和半导体势垒电容 CD 的串联。单位面积的 MOS电容 C为： （ 1）当 V 0时，能带下弯，表面空穴耗尽，势垒电容随栅压 增加而下降，因而总电容 C也随 V下降。 W 是耗尽层宽度，其与表 面势的关系为： 。 当 V增加到使 S B（ 费米势），半导体表面反型，电容随 偏压的变化开始分散： （ a） 当信号频率足够低时，空间电荷区少子的产生跟得上信 号变化，对电容有贡献。 MOS电容经过最小值后随栅压而增加， 在 V 0时， C = Cox， 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 ，耗尽层继续随 V变宽，直到 S 2B， 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 W m不再变宽， MOS电容 达到最小值。 2、金属功函数、氧化硅中电荷对 C-V特性的影响 9.3 主要的钝化方法 一、集成电路钝化的一般步骤 典型集成电路制造过程中至少包含三个钝化工序步骤： 1、衬底氧化层（特别是 MOS集成电路中的栅氧化层）生 长过程中的钝化。 通常采用含氯氧化，或 HCl 处理氧化石英管。 2、衬底和金属化层之间或多层金属化层之间绝缘隔离氧化 层的钝化工艺。 通常采用磷硅玻璃钝化工艺，为降低回流温度，有时采用 硼磷硅玻璃钝化。 3、芯片的最终钝化层。 常采用 SiO2+Si3N4(或 Al2O3) 或磷硅玻璃。其中， SiO2 主要 用作为 Si3N4 应力缓解层。 二、含氯氧化 1、钝化可动离子 （ 1）钝化效果与氯含量及氧化条件有关 （ a） HCl/O2 浓度比达到 34% 时，可使 Na+几乎完全钝化； （ b） 氧化温度低于 1050 时，含氯氧化对可动离子的钝化 、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 ，湿氧氧化中不存在。 （ 2）钝化 Na+的机理 （ a） 高温过程中氯进入 SiO2， 在 Si/SiO2界面处与三价硅和 过剩硅离子结合，以氯 -硅 -氧复合体结构形式存在。 （ b） 当 Na+运动到 Si/SiO2界面时，氯 -硅 -氧复合体中的 Cl- 与 Na+之间较强的库仑力将 Na+束缚在 Cl-周围，使 Na+固定化和 中性化，形成如下结构： 2、改善 SiO2膜的击穿特性 SiO2中的击穿机构主要是隧道电流。 Na+在 Si/SiO2界面附近 的聚积，将增强 Si/SiO2界面区的电场强度，尤其是 Na+分布的不 均匀性，导致局部电场强度很大，使隧道电流增大以至击穿。 含氯氧化固定和中性化 Na+， 从而改善 SiO2 的击穿特性。 3、降低界面态密度和固定正电荷密度，减少氧化层错， 提高少子寿命。 含氯氧化可以减小 Si/SiO2 界面的三价硅和过剩硅原子；含 HCl 和 C2HCl3 氧化中产生的具有高度活性的 H+ 可以填充悬挂 键； HCl 和 C2HCl3 具有萃取 Cu 等重金属杂质的功能。 三、磷硅玻璃（ PSG） 和硼磷硅玻璃（ BPSG） 钝化 1、 PSG和 BPSG的特点 （ 1） PSG对 Na+具有较强的捕集和阻挡作用； BPSG对 Na+的 阻挡作用比 PSG强 30150倍。 （ 2） PSG在 1000 左右的温度下熔融回流，从而减小布线 的台阶； BPSG的熔融回流温度比 PSG低 100200 。 2、 PSG膜存在的缺点 （ 1） PSG层的极化效应 PSG中的电偶极子在无外电场时是杂乱无章的。当器件加 偏压时这些电偶极子沿外场形成整齐的排列，产生极化效应， 影响器件的稳定性。 PSG中磷浓度愈高，极化效应愈严重。 （ 2） PSG的吸潮性 PSG的吸水性强。 PSG中的磷易与水汽反应生成磷酸而腐 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 8% （ P的重量百分数）， 5% 最佳；厚度不应超过 1m。 PSG钝化膜中磷含量过低会降低 PSG膜对 Na+的提取、固定和阻挡作用，钝化效果不佳。 3、 BPSG膜中 B、 P含量各约 4% ，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 PSG膜。 4、 PSG（ BPSG） 的制备 采用氢化物作源的常压低温化学气相淀积技术（ LTCVD） 生长 PSG或 BPSG 。 淀积完成后，还应在 N2或惰性气体中， 7001000 范围内 处理 515min。 目的是提高膜的质密度及抗蚀性。这个过程称 为增密 。 四、氮化硅（ Si3N4） 钝化膜 1、特点 （ 1）与 SiO2相比具有如下优点 （ a） 对可动离子（如 Na+） 有非常强的阻挡能力。一般 Na+在 Si3N4中渗 透深度仅为 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 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； （ d） 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 酸几乎不能与它发生作用； （ e） 导热性好 ， 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， 1000 Si3N4膜可耐 110V电压。 （ g） 对电离辐射不灵敏，是很好的抗辐照的钝化层。 （ 2）缺点 Si3N4-Si结构界面应力大且界面态密度高，因此 Si3N4 不能 完全取代 SiO2 。 故一般采用 Si3N4/SiO2 复合结构， Si3N4 厚度一 般低于 2000。 2、制备 Si3N4的主要工艺技术 采用以硅的氢化物和 NH3 作源的 LPCVD或 PECVD法。 3、 Si3N4膜的刻蚀 （ 1）湿化学腐蚀法：热磷酸溶液（ 160180 ）可腐蚀掉 Si3N4 膜。 （ 2）干法腐蚀法：等离子腐蚀法。 4、 Si3N4 膜的应用 （ 1）利用 Si3N4 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； （ 2） PECVD生长的 Si3N4 膜作为双层布线的绝缘介质； （ 3）利用 Si3N4 膜能有效地防止 Na+ 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， 常用于芯片最终的钝化层。 五、氧化铝（ Al2O3） 钝化膜 1、与 SiO2 、 Si3N4 相比有如下优点 （ 1）抗辐射能力比 SiO2 、 Si3N4 强； （ 2）具有负电荷效应，可得到正的平带电压，如用 MAOS 结构，易制得 N沟道增强性器件； （ 3）等平面阳极氧化生成的 Al2O3 钝化膜，由于芯片表面平 整，非常适合进行多层布线； （ 4） Al2O3 和 Si3N4 一样对 Na+ 的阻挡能力很强； （ 5）机械强度和硬度均高于 SiO2（ 结晶 Al2O3 俗称刚玉，硬 度仅次于金刚石和碳化硅）。 2、 Al2O3的制备工艺 （ 1） CVD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， 升华温度 100 150 。 （ 2）溅射法 除采用 Ar +O2 作溅射气氛（反应溅射）或用高纯 Al2O3 靶代 替高纯铝靶（非反应溅射）外， Al2O3 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。 （ 3）电解阳极氧化 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 上发生的反应如下： 阳极： 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 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 氟酸）时，在阳极氧化的同时还发生对氧