第十三章钝化课件.ppt
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- 第十三 钝化 课件
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1、 半导体器件的性能和稳定性与半导体表面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,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。外壳内,还需要在其表面覆盖一层保护膜。这种这种形成表面保护膜和为克服缺陷而采用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。的工艺统称为表面钝化工艺。对钝化层的要求对钝化层的要求1.物理性质物理性质 电绝缘性好,介电常数大;电绝缘性好,介电常数大;介面电荷少;
2、介面电荷少;对杂质有阻挡和掩蔽扩散的能力;对杂质有阻挡和掩蔽扩散的能力;有抗有抗Na+漂移的能力;漂移的能力;有一定的抗辐射能力;有一定的抗辐射能力;与衬底材料有相近的膨胀系数;与衬底材料有相近的膨胀系数;有疏水性。有疏水性。2.化学性质化学性质 化学稳定性好;化学稳定性好;抗腐蚀能力强。抗腐蚀能力强。3.机械性能机械性能 针孔少,密封性好;针孔少,密封性好;粘附性好;粘附性好;压力小,不产生龟裂;压力小,不产生龟裂;机械强度高。机械强度高。4.工艺要求工艺要求 能与器件其他工艺相兼容;能与器件其他工艺相兼容;容易获得,重复性好。容易获得,重复性好。半导体器件中最半导体器件中最常用常用的介质膜
3、是的介质膜是二氧化二氧化硅膜硅膜,它对器件具有一定的保护作用。,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。因为化作用并不是十全十美的。因为二氧化二氧化硅硅-硅系统中的沾污和缺陷硅系统中的沾污和缺陷是造成器件不是造成器件不稳定和失效的重要原因。例如,稳定和失效的重要原因。例如,双极型双极型硅器件中的沟道漏电硅器件中的沟道漏电,反向电流偏大,反向电流偏大,击穿电压蠕变,及双极型硅平面器件放击穿电压蠕变,及双极型硅平面器件放大系数和大系数和MOS器件阈值电压等参数的漂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
4、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,人们对二提高器件的稳定性和可靠性,人们对二氧化硅氧化硅-硅系统进行了深入的研究。硅系统进行了深入的研究。本章,介绍了为改进二氧化硅钝化效果而发本章,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,展起来的一些表面钝化工艺,如低温钝化,氮化硅氮化硅-二氧化硅,三氧化二铝二氧化硅,三氧化二铝-二氧化硅和二氧化硅和二氧化硅二氧化硅-掺氧多晶硅等复合钝化膜的制造。掺氧多晶硅等复合钝化膜的制造。13-1 磷硅玻璃钝化工艺磷硅玻璃钝化工艺一、磷硅玻璃膜的作用一、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在热生长
5、二氧化硅表面形成一层含有五氧化二磷的二氧化硅薄膜(常简称为二磷的二氧化硅薄膜(常简称为PSG),能),能明显地削弱钠等可动离子对半导体表面性质明显地削弱钠等可动离子对半导体表面性质的影响,这是由于的影响,这是由于PSG薄膜对钠离子有提取薄膜对钠离子有提取、固定和阻挡的作用固定和阻挡的作用。二、二、PSG膜的制备膜的制备 形成磷硅玻璃的方法有多种,在形成磷硅玻璃的方法有多种,在双极型双极型集成集成电路和器件中,多采用电路和器件中,多采用磷蒸气合金工艺磷蒸气合金工艺。即。即将反刻铝后的片子在合金的过程中通入适当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,又在二氧化的磷蒸气,既
6、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磷蒸气合金工艺)。在操作过程中必须兼顾这两方面。所用这两方面。所用磷源通常为三氯氧磷磷源通常为三氯氧磷。用氮。用氮或惰性气体作稀释气体,使或惰性气体作稀释气体,使硅烷、磷烷硅烷、磷烷发生发生反应,来淀积磷硅玻璃也是常用的方法。反应,来淀积磷硅玻璃也是常用的方法。OHOPOPH25223342OHSiOOSiH222422 为了使淀积膜厚度均匀,采用为了使淀积膜厚度均匀,采用冷壁立式旋转冷壁立式旋转反应器。适当控制硅烷、磷烷、氧气和氮气反应器。适当控制硅烷、
7、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,具有膜的成份。用这种方法淀积磷硅玻璃,具有生长温度低生长温度低(300470度),度),针孔密度小针孔密度小,与二氧化硅和铝膜与二氧化硅和铝膜黏附性能好黏附性能好,硬度高等硬度高等优优点,因此常用于器件的点,因此常用于器件的最后钝化。最后钝化。13-2 氮化硅钝化工艺氮化硅钝化工艺 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
8、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益受到重视,并不断得到广泛应用的新型钝化膜。化膜。一、氮化硅膜的性质一、氮化硅膜的性质 应用于半导体器件的应用于半导体器件的氮化硅氮化硅薄膜通常是薄膜通常是无定无定型结构型结构。氮化硅是一种较二氧化硅更为理想。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。它的绝缘介质和表面钝化膜。它结构致密结构致密,针针孔密度小孔密度小,气体和水汽难于侵入气体和水汽难于侵入,因此,因此掩蔽掩蔽能力强;呈疏水性能力强;呈疏水性,可,可削弱介质层外表面杂削弱介质层外表面杂质的影响质的影响;化学稳定性好化学稳定性好,除氢氟酸和热磷,
9、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反应,从而可以提高介质膜的抗腐蚀性抗腐蚀性;氮化硅的氮化硅的介电系数大介电系数大,有利于,有利于降低降低表面场效表面场效应器件的应器件的阈值电压阈值电压、提高跨导提高跨导和和绝缘介质层绝缘介质层的耐压水平的耐压水平。氮化硅的。氮化硅的导热性导热性能比二氧化硅能比二氧化硅好好,可,可经受热冲击经受热冲击,加上,加上对铝的良好掩蔽对铝的良好掩蔽性,性,能防止铝渗透所引起的能防止铝渗透所引起的“穿通穿通”现象,适于现象,适于做做双层或多层布线的介质绝缘层双层或多层布线的介质绝缘层。尤其
10、重要。尤其重要的是氮化硅具有的是氮化硅具有较强的抗钠能力较强的抗钠能力,在目前所,在目前所有的介质膜中,氮化硅的抗钠能力最强。有的介质膜中,氮化硅的抗钠能力最强。因此,用氮化硅作表面钝化膜,可大大提高因此,用氮化硅作表面钝化膜,可大大提高器件的稳定性。它不仅器件的稳定性。它不仅用于硅,还用于锗、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,界面由于氮化硅与硅两者的性质相差较大,界面处将产生处将产生较大的内应力而引起缺陷较大的内应力而引起缺陷。所以,。所以,通常采取在氮化硅和硅之间通常采取在氮化硅和硅之间插入二氧
11、化硅插入二氧化硅的的方法,从而构成所谓的方法,从而构成所谓的MNOS结构结构。制备氮。制备氮化硅时,应化硅时,应避免氧和水的混入避免氧和水的混入,否则,氮化,否则,氮化硅的性质将变坏,丧失一些硅的性质将变坏,丧失一些 优点。优点。二、氮化硅膜的制备二、氮化硅膜的制备 1.化学气相淀积化学气相淀积(CVD)法法 一般是用硅烷或四一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,其化学反应方分解,从而获得氮化硅薄膜,其化学反应方程式为:程式为:243341243HNSiNHSiH23434249233HNHNSiHNSiH 联氨与
12、氨相比虽淀积温度较低,但是其中含联氨与氨相比虽淀积温度较低,但是其中含水量较多,常得到水量较多,常得到氮氧化硅氮氧化硅,所以应特别,所以应特别注注意加强脱水意加强脱水。化学气相淀积法制备氮化硅薄。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、氨化学体系多的硅烷、氨化学体系多采用高频感应加热采用高频感应加热,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,氮化硅薄膜也可以函数关系。此外,氮化硅薄膜也可以在在750度到度到850度之间度之间用硅烷和氨在用硅烷和氨在较低压力较低压力下下(0.5
13、1托)进行化学反应来制备。薄膜更托)进行化学反应来制备。薄膜更加加均匀均匀,而且因为,而且因为片子可以直立放置片子可以直立放置,生产,生产效率也大大提高效率也大大提高。2.辉光放电法辉光放电法 它是在它是在低真空(约低真空(约0.1托)托)下,下,以硅烷与氨、联氨或氮作为反应气体,利用以硅烷与氨、联氨或氮作为反应气体,利用气体放电时产生的高温气体放电时产生的高温,促使气体发生化学,促使气体发生化学反应而淀积在衬底上。辉光放电的优点是反应而淀积在衬底上。辉光放电的优点是衬衬底温度较低(底温度较低(300400度),度),利用射频辉光利用射频辉光放电,放电,不需要电极、靶及偏压装置不需要电极、靶及
14、偏压装置,设备,设备比比较简单较简单。辉光放电法可在合金化后进行,淀。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,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。有一定的抗蚀及抗钠离子沾污的能力。3.反应溅射法反应溅射法 分直流反应溅射和射频反应溅分直流反应溅射和射频反应溅射两种。它们是射两种。它们是用高纯单晶硅或多晶硅作阴用高纯单晶硅或多晶硅作阴极或靶极或靶,在溅射室中,在溅射室中充以适量的氮或氨气充以适量的氮或氨气(混有氩气)作为反应和(混有氩气)作为反应和溅射气体溅射气体。该方法。该方法的优点是的优点是溅射温度低溅射温度低,可在,可在金
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