表面鈍化工藝
正文
在半導體器件表面覆蓋保護介質膜，以防止表面污染的工藝。1959年，美國人M.M.阿塔拉研究了矽器件表面暴露在大氣中的不穩定性問題，提出熱生長二氧化矽(SiO2)膜具有良好的表面鈍化效果。此後，二氧化矽膜得到廣泛套用。60年代中期，人們發現二氧化矽膜不能完全阻擋有害雜質(如鈉離子)向矽(Si)表面的擴散，嚴重影響 MOS器件的穩定性。以後研究出多種表面鈍化膜生長工藝，其中以磷矽玻璃 (PSG)、低溫澱積二氧化矽、化學汽相澱積氮化矽(Si3N4)、三氧化二鋁(Al2O3)和聚醯亞胺等最為適用。直接同半導體接觸的介質膜通常稱為第一鈍化層。常用介質是熱生長的二氧化矽膜。在形成金屬化層以前，在第一鈍化層上再生長第二鈍化層，主要由磷矽玻璃、低溫澱積二氧化矽等構成，能吸收和阻擋鈉離子向矽襯底擴散。為使表面鈍化保護作用更好並使金屬化層不受機械擦傷，在金屬化層上面再生長第三層鈍化層。這第三層介質膜可以是磷矽玻璃、低溫澱積二氧化矽、化學氣相澱積氮化矽、三氧化二鋁或聚醯亞胺。這種多層結構鈍化，是現代微電子技術中廣泛採用的方式。
對於鈍化層的基本要求是：能長期阻止有害雜質對器件表面的沾污；熱膨脹係數與矽襯底匹配；膜的生長溫度低；鈍化膜的組份和厚度均勻性好；針孔密度較低以及光刻後易於得到緩變的台階。
磷矽玻璃及其生長工藝 1964年，發現矽在熱氧化過程中通入少量三氯氧磷蒸汽後生成的二氧化矽膜具有磷矽玻璃特性，能捕獲鈉離子和穩定鈉離子的污染作用，大大改善了器件的穩定性。適當增加磷的濃度還能降低膜的針孔密度，防止微裂，減少快態密度和平緩光刻台階。磷矽玻璃已成為重要的第二層鈍化膜。其不足之處是磷濃度較高時有極化和吸潮特性，濃度太低則不易達到流動和平緩台階的作用。另一種常用的生長磷矽玻璃的方法是化學汽相澱積法,即把磷烷PH3加到矽烷SiH4和氧的反應過程中，反應溫度為400～500℃。
低溫澱積二氧化矽工藝 在矽烷SiH4和氧的反應過程中，反應溫度取250～500℃之間，能澱積生長二氧化矽膜。此法簡單，較早得到實用，是一種金屬化層上的鈍化膜。
化學汽相澱積氮化矽生長工藝 氮化矽膜是惰性介質，介質特性優於二氧化矽膜，抗鈉能力強，熱穩定性好，能明顯提高器件的可靠性和穩定性。最常用的氮化矽生長法，是低壓化學汽相澱積法和等離子增強的化學汽相澱積法，可用於製作第二和第三鈍化層。80年代又出現利用光化學反應的化學汽相澱積新工藝。例如，利用紫外光激發反應器中的微量汞原子，把輻射能轉移到矽烷(SiH4)、一氧化二氮(N2O)和氨的反應中去,生長出氮化矽膜。這種反應的溫度只需50～300℃,因是一種有效的新工藝（見化學汽相澱積工藝）。
三氧化二鋁及其生長工藝 這種膜抗輻射能力強，對鈉離子有良好的阻擋作用。最常用的是鋁的陽極氧化工藝。在澱積鋁金屬化層後，用光刻膠作掩模，在磷酸等酸溶液中直流陽極氧化，使矽上鋁互連圖形之外的鋁層徹底轉化為透明有孔的三氧化二鋁。再用光刻膠保護所有壓焊區域，在硼酸等陽極氧化液中通電進行陽極氧化，使壓焊區之外的全部鋁上覆蓋一層三氧化二鋁薄膜。這樣的三氧化二鋁鈍化層能防止金屬化層被擦傷，在工業生產中已經實際套用。
在實際的器件表面鈍化工藝中，為充分利用各種介質膜的特性，通常選用多層結構的鈍化膜，如二氧化矽-磷矽玻璃-二氧化矽或二氧化矽-氮化矽-三氧化二鋁結構等。
為了達到鈍化效果，矽片清洗和封裝技術對於各種鈍化膜結構都非常重要。
參考書目
S.P.Keller ed.,Handbook of Semiconductor,Vol.3,North-Holland Pub.Co.,Amsterdam,1980.
