表面钝化工艺

[拼音]：biaomian dunhua gongyi

[外文]：surface passivation technology

在半导体器件表面覆盖保护介质膜，以防止表面污染的工艺。1959年，美国人M.M.阿塔拉研究了硅器件表面暴露在大气中的不稳定性问题，提出热生长二氧化硅(SiO2)膜具有良好的表面钝化效果。此后，二氧化硅膜得到广泛应用。60年代中期，人们发现二氧化硅膜不能完全阻挡有害杂质(如钠离子)向硅(Si)表面的扩散，严重影响 MOS器件的稳定性。以后研究出多种表面钝化膜生长工艺，其中以磷硅玻璃 (PSG)、低温淀积二氧化硅、化学汽相淀积氮化硅(Si3N4)、三氧化二铝(Al2O3)和聚酰亚胺等最为适用。

直接同半导体接触的介质膜通常称为第一钝化层。常用介质是热生长的二氧化硅膜。在形成金属化层以前，在第一钝化层上再生长第二钝化层，主要由磷硅玻璃、低温淀积二氧化硅等构成，能吸收和阻挡钠离子向硅衬底扩散。为使表面钝化保护作用更好并使金属化层不受机械擦伤，在金属化层上面再生长第三层钝化层。这第三层介质膜可以是磷硅玻璃、低温淀积二氧化硅、化学气相淀积氮化硅、三氧化二铝或聚酰亚胺。这种多层结构钝化，是现代微电子技术中广泛采用的方式。

对于钝化层的基本要求是：能长期阻止有害杂质对器件表面的沾污；热膨胀系数与硅衬底匹配；膜的生长温度低；钝化膜的组份和厚度均匀性好；针孔密度较低以及光刻后易于得到缓变的台阶。

磷硅玻璃及其生长工艺

1964年，发现硅在热氧化过程中通入少量三氯氧磷蒸汽后生成的二氧化硅膜具有磷硅玻璃特性，能捕获钠离子和稳定钠离子的污染作用，大大改善了器件的稳定性。适当增加磷的浓度还能降低膜的针孔密度，防止微裂，减少快态密度和平缓光刻台阶。磷硅玻璃已成为重要的第二层钝化膜。其不足之处是磷浓度较高时有极化和吸潮特性，浓度太低则不易达到流动和平缓台阶的作用。另一种常用的生长磷硅玻璃的方法是化学汽相淀积法，即把磷烷PH3加到硅烷SiH4和氧的反应过程中，反应温度为400～500℃。

低温淀积二氧化硅工艺

在硅烷SiH4和氧的反应过程中，反应温度取250～500℃之间，能淀积生长二氧化硅膜。此法简单，较早得到实用，是一种金属化层上的钝化膜。

化学汽相淀积氮化硅生长工艺

氮化硅膜是惰性介质，介质特性优于二氧化硅膜，抗钠能力强，热稳定性好，能明显提高器件的可靠性和稳定性。最常用的氮化硅生长法，是低压化学汽相淀积法和等离子增强的化学汽相淀积法，可用于制作第二和第三钝化层。80年代又出现利用光化学反应的化学汽相淀积新工艺。例如，利用紫外光激发反应器中的微量汞原子，把辐射能转移到硅烷(SiH4)、一氧化二氮(N2O)和氨的反应中去，生长出氮化硅膜。这种反应的温度只需50～300℃，因是一种有效的新工艺（见化学汽相淀积工艺）。

三氧化二铝及其生长工艺

这种膜抗辐射能力强，对钠离子有良好的阻挡作用。最常用的是铝的阳极氧化工艺。在淀积铝金属化层后，用光刻胶作掩模，在磷酸等酸溶液中直流阳极氧化，使硅上铝互连图形之外的铝层彻底转化为透明有孔的三氧化二铝。再用光刻胶保护所有压焊区域，在硼酸等阳极氧化液中通电进行阳极氧化，使压焊区之外的全部铝上覆盖一层三氧化二铝薄膜。这样的三氧化二铝钝化层能防止金属化层被擦伤，在工业生产中已经实际应用。

在实际的器件表面钝化工艺中，为充分利用各种介质膜的特性，通常选用多层结构的钝化膜，如二氧化硅-磷硅玻璃-二氧化硅或二氧化硅-氮化硅-三氧化二铝结构等。

为了达到钝化效果，硅片清洗和封装技术对于各种钝化膜结构都非常重要。

参考书目

Handbook of Semiconductor，