SIPOS薄膜工艺及其稳定性研究..docx

SIPOS薄膜工艺及其稳定性研究 2009年10月28日 电子与封装魏敦林 （东南大学IC学院，南京210096）1 SIPOS的器件钝化机理目前，半导体分立器件普遍采用SIPOS做为PN结的钝化层，同时在表面再覆盖上一层玻璃做为绝缘层。如果直接采用绝缘层如SiO2或玻璃等作为半导体器件钝化层，主要存在以下三个问题：(1)绝缘层中靠近硅衬底界面处有固定正电荷，会造成N型硅的电子积累和P型硅的反型层；(2)不能防止钝化层的电荷积累或Na+、K+等碱金属离子沾污，这些电荷能在靠近硅衬底表面的地方感应出相反极性的电荷，并改变其电导率；(3)由于载流子注入到二氧化硅类的绝缘体中，能进行储存和长期停留，使器件表面区的电导率发生改变，从而使PN结反向击穿电压变坏。而使用SIPOS做为钝化层，由于SIPOS的电中性，能使在外界环境下感生的电荷不堆积在硅表面，而是流入到半绝缘多晶硅，被膜中大量的陷阱所俘获，从而在多晶硅中形成屏蔽外电场的空间电荷区，使硅衬底表面的能带分布不受外电场的影响，薄膜的半绝缘性使膜中可以有电流流过，因而缓解了势垒区表面电场，从而提高了结的击穿电压。SIPOS膜包含有氧原子，这些氧原子减少了表面态密度，降低了漏电流。所以它是高压器件理想的钝化膜，再加上膜是电中性的，在电路中就更能显示它的优越性了。因此，SIPOS能够彻底解决硅器件反向特性曲线蠕动、漂移、反向漏电流大等诸多弊端，使得器件在高温环境下具有较高的稳定性和可靠性。2? 影响电学性能的参数筛选及实验设计钝化层的作用是为了提升器件的反向击穿电压并控制较低的漏电流，提升器件的可靠性和稳定性能。从产品的电学性能来衡量钝化层的质量主要是看反向击穿电压和反向漏电流。影响电学性能的主要是SIPOS薄膜的氧含量0％、薄膜的结构致密度及薄膜厚度。相关的LPCVD参数主要有：N2O气体与SiH4的气体流量，两种气体混合的比例，沉积温度，沉积真空压。此外炉内的位置以及晶片在SIPOS沉积前的表面处理也会对电学性能造成影响。不同的炉内位置氧含量和沉积速率不同，从气体入口端到出口端，氧含量逐渐增加而沉积速率逐渐下降，且其变化是非线性的，特别是在入口端，反应较为激烈，沉积速率较大。工艺上一般通过高温炉内有效使用区域的选择以及温度梯度的调整来获得较均匀的沉积速率。晶片在SIPOS工艺前的表面清洗处理后，表面生长的自然氧化层对晶片在SIPOS沉积后的电学性能也有一定的影响，其原因是改变了SIPOS与硅衬底间的界面态密度。因此在前处理的工艺中除了注意化学清洗的洁净度外，还需要控制晶片表面自然氧化层的状况。2．1? 沉积速率实验分析薄膜结构致密度及薄膜厚度与薄膜的沉积速率密切相关，沉积速率越大，结构越松散，反之结构越致密。因此沉积速率的实验研究对SIPOS工艺的掌握和稳定性控制非常重要。下面从LPCVD的主要参数气体流量、真空压、沉积温度、气体混合比例对SIPOS薄膜沉积速率进行实验分析。在温度为645℃、N2O与SiH4的气体比例为20％的条件下，设定不同的气体流量与真空压，分析气体流量与真空压对沉积速率的影响，如表1和图1所示。实验结果显示，流量越大则沉积速率越快。降低真空压会使沉积速率下降，但能获得更致密的薄膜质量，同时对于从炉口到炉尾不同位置的晶片的沉积速率均匀性也会有所改善。在总的气体流量为110sccm、真空压为300mtorr的条件下，设定不同的温度和气体比例，分析温度和气体比例对沉积速率的影响，如表2和图2所示。实验结果显示，随着温度的上升，沉积速率上升。随着反应气体N2O／SiH4比例上升，沉积速率下降明显。2.2退火对SIPOS薄膜的影响在温度为645℃、N20与Sill4的气体比例为20％的条件下沉积SIPOS薄膜1h，测量其薄膜厚度，再经过高温900℃氮气氛围下30min退火，测量薄膜厚度，发现薄膜厚度降为原来的94％左右，如表3所示。SIPOS薄膜经过高温退火处理后结构变得更为致密。为了获得理想的SIPOS薄膜的致密度，工艺上可以通过调节LPCVD的气体流量、工作真空压、温度和气体比例来得到，同时可以用退火工艺使薄膜致密度得到增强。2．3实验设计从器件的应用上，SIPOS薄膜工艺就是要制作出符合器件特性要求的薄膜氧含量O％、薄膜结构密度和薄膜厚度。从前面的实验数据可知，真空压从260mtorr到340mtorr以及总气体流量从90sccm到130scem时薄膜沉积速率的变化。在实际应用中，真空压和气体流量的波动范围较小，在工艺的程序设计上可以认为是次要因子。炉内位置的不均匀性可以通过设定一定的温度梯度进行调节，同时也跟炉内恒温区使用长度及每炉工艺处理的晶片数量有关。其中最为重要的是温度、气体比例和薄膜厚度这三个工艺控制因子。温度和气体比例对薄膜的结构、氧含量、电学特性有着