《续表面钝化》PPT课件.ppt
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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、其它作
2、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。在在做做栅栅介介质质时时,希希
3、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会有有造造成成漏漏电
4、、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。(3)可靠性好。包括可控的
5、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
6、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5 106 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
7、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
8、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
9、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-SiO2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
10、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。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/SiO
11、2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,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
12、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
13、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
14、。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
15、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S
16、iO2,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
17、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
18、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
19、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
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