理研科普|半导体工艺全流程之硅膜钝化

近二十年来，信息技术日新月异蓬勃发展，进入二十一世纪，世界也全面进入了信息时代，以信息技术为代表的高新技术形成的新经济模式，在二十一世纪世界经济中起决定作用。

信息科技的发展在很大程度上依赖于微电子半导体技术的发展水平，其中（超）大规模集成电路技术是半导体关键的技术。一个国家占领了信息技术的制高点，它将在二十一世纪获得经济上的主导地位。

晶圆片的绝缘钝化膜

在集成电路的制造中，往往一块单晶基片上就需要组装很多的器件，这些器件之间需要互相布线连接，而且随着集成度的提高和特征尺寸的减小，布线密度也必须增加，所以用于器件之间以及布线之间电气隔离的绝缘钝化膜是非常重要的。

此外，由于半导体表面与内部结构的差异（表面晶格原子终止而存在悬挂键，即未饱和的键），导致表面与内部性质的不同，而其表面状况对器件的性能有重要作用。绝大多数器件得到表面只要有微量的沾污（如有害的杂质离子 、水汽、尘埃等），就会影响器件表面的电学性质，如表面电导及表面态等。

为提高器件性能的稳定性和可靠性，必须把器件与周围环境气氛隔离开来，以增强器件对外来离子沾污的阻挡能力，控制和稳定半导体表面的特征，保护器件内部的互连以及防止器件受到机械和化学损伤。

为此就提出了半导体器件表面钝化的要求。

在半导体工艺中，钝化是指在硅片或半导体器件芯片的表面淀积或生长特定的介质膜，以防止表面受环境沾污和以后的操作对硅片表面可能造成的损伤

半导体表面层的性质对于环境或与半导体表面接触的介质的性质是很敏感的。

当表面沾污离子、界面态电荷、介质层内的可动电荷和固定电荷，会影响到半导体的表面电势，从而引起表面层中载流子的积累、耗尽，或者使表面层反型，并引起金属-绝缘体-半导体（MIS）结构电容-电压特性和半导体器件特性的变化。

为了保证半导体器件工作的稳定性和可靠性，必须在半导体器件芯片表面覆盖某些经过选择的介质膜，使表面钝化。 

1.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

二次钝化可强化器件的密封性，屏蔽外界杂质、离子电荷、水汽等对器件的有害影响；

3.提高器件的封装成品率

钝化层为划片、装架、键合等后道工艺处理提供表面的机械保护；

4.其它作用

钝化膜及介质膜还可兼作表面及多层布线的绝缘层

硅晶圆钝化工序中

随着太阳电池采用的硅片厚度越来越薄，硅片的比表面积也越来越大，对硅片表面的钝化效果的要求也越来越高，为了降低硅片表面的复合损失，有两种主要的钝化方法：

如用原子饱和表面的悬挂键、在表面生长一层SiO2的方法降低表面缺陷密度。

通过化膜内的固定电荷在硅片表面形成内建电场，降低表面的电子或空穴的浓度，从而降低载流子复合速率。

采用SiN2(氮化硅)和/或SiO2(氧化硅)叠层膜可以有效综合这两种钝化方法。

作为氧化成膜手法之一的热氧化法，是利用硅与氧气或者水蒸气在高温下发生化学反应，形成二氧化硅膜。

先将晶圆放入氧化炉中经过热管加热后 的石英管中，随后通入氧气或水蒸气，使其发生氧化反应，形成氧化硅膜。

而氧化的方法则各种各样，例如用氮气作为载气和氧气一同通入的“干 氧化法”；将氧气和加热水一起通入的“湿氧化法”；将氢气氧气在外部燃烧后生成的水蒸气通入的“热解法”；以及将氮气氧气和盐酸一同通入 的“盐酸法”等。

在高温下使用SiH4和NH3气体发生化学反应，通过化学沉积（CVD）让硅氮化膜沉积在氧化膜上。

目前一般的电路图案制作流程是经过成膜—成像—刻蚀—脱膜，以完成一道图案制作工序，从而得到设计所需要的刻蚀图案。

然而，在成膜SiN2(氮化硅)和/或SiO2(氧化硅)膜生产过程中，会出现因反应中使用的HCl、SiH4或NH3而引起的中毒事故和H2泄漏而引起的爆炸事故。

无水氯化氢无腐蚀性，但遇水时有强腐蚀性。能与一些活性金属粉末发生反应，放出氢气。遇氰化物能产生剧毒的氰化氢气体。

四氯化硅受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气。

氢氟酸腐蚀性极强。遇H发泡剂立即燃烧。能与普通金属发生反应，放出氢气而与空气形成爆炸性混合物。有毒，最小致死量（大鼠，腹腔）25mG/kG；有腐蚀性，能强烈地腐蚀金属、玻璃和含硅的物体。如吸入蒸气或接触皮肤能形成较难愈合的溃疡。

氨气易扩散，容易形成大面积染毒区和燃烧爆炸区。

同时氨气是有毒、有刺激性和恶臭味的气体，容易挥发，氨气泄漏至大气中，扩散到一定的范围，易造成急性中毒和灼伤。

人接触氨气浓度达到140mg/m3~210mg/m3时可明显感到不适，达到553mg/m3时可立即出现强烈的刺激症状，3500mg/m3~7000mg/m3浓度下可立即死亡，即“闪电式”死亡。

生产车间空气中氨的最高容许浓度为30mg/m3。

氨气侵入人体的主要途径是皮肤，感觉器官，呼吸道和消化道等部位。

氢气与空气混合能形成一种混合比范围很宽的混合物，且点燃混合物能量低，遇热或明火即会发生爆炸。气体比空气轻，在室内使用和储存时，漏气上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。氢气与氟、氯、溴等卤素会剧烈反应。

在多晶硅生产中，要把三氯氢硅和四氯化硅充分还原，必须加入多量的还原剂氢气加速反应进行。并且在多晶硅生产过程中，氢气和三氯氢硅混合气体在还原炉中还原效率比较低，氢气参与反应10±3%，剩余的90±3%以及反应生成的氯硅烷，就需要进行回收处理，以便达到节能降耗，减少环境污染目的。

氢气易燃易爆危险性以及在多晶硅行业中的应用，决定了氢气安全生产重要性。它不仅关系到半导体芯片的生产成本和产品质量，而且还关系到半导体整条生产线安全稳定性以及千家万户的幸福。

气体检测一直是杜绝事故、保证企业安全生产能够顺利进行的关键，也是生产人员与周边群众安全的保障。很多事故往往是因为对气体的监管不到位而酿成，明明可以避免，却最终成为事故，实在是让人痛心不已。

理研计器-气体检测行业专家

像氢气等气体易燃易爆，氨气、四氯化硅和氯化氢等气体易挥发潮解，它们均会在空气或氧气中燃烧甚至爆炸，严重危及企业及生命的事故接连不断；因此在钝化工序中更需要有高度的责任心，成熟的工艺，精干的技术，完善的制度，确保气体安全生产。

首先牢固树立安全理念，强化责任心，集中精力，脚踏实地，建立一系列工艺安全保障制度，做到心中有数，临危不乱。

其次，配备必要的检测工具，气体检测仪器是安全稳定生产的保证。准确无误的仪表测试是整个半导体制造系统的安全屏障

作为专业的气体检测仪器制造厂商，理研计器针对半导体制造行业的气体安全生产管理，研发了GD-70D、RM-5000、SC-8000、SP-220、 NC-1000等固定在线与便携式安全检测仪器，有效确保工人的安全和生产设备不被损坏。

作为半导体制造工厂气体的使用者，每一位工作人员都应该在使用前对各种危险气体的安全数据加以了解，并且应该知道如何应对这些气体外泄时的紧急处理程序。

为了防止这些气体在正常状况下之微量泄漏或在特殊紧急状况下的大量泄漏而造成难以弥补的生命财产的损失，必须针对这些危险性气体，在使用、储存时，采取适当的安全对策加以监控，例如装设有害气体泄漏检测系统，就可以将灾害程度降至最低。

气体检测仪在现今半导体工业已成为必备的环境监控仪器，也是最为直接的监测工具。

结语

半导体制造业被美国Factory Mutual System(FMS)列为”极高风险”的行业。主要是因为它在制程中要使用到极高毒性，腐蚀性及易燃性气体，气体检测系统一直是半导体芯片厂厂务各系统中最重要环节之一，设计上的优劣会直接影响到整个厂的安全，同时作为使用仪器的工厂安全人员也应该具备气体检测的安全意识。

理研计器拥有600多种气体传感器和100多种气体探测器，未来，我们仍将不断开发新产品、研发各项新功能，使得气体检测仪在应用上更先进、更适合日新月异的市场环境，致力于为用户提供一个最可靠、最准确、最安全的气体检测方案。

选择气体检测仪，不能马虎大意，理研计器80多年气体检测行业经验，一直关注各个行业的气体安全状况，极力解决用户遇到的各种问题，针对不同环境下的气体检测，为用户选配适合原理的检测仪，用成熟的工艺完善气体检测系统。

自1939年成立以来，理研计器一直用科学的方法营造气体安全。80多年来一直关注各个行业的气体安全状况，极力解决用户遇到的各种问题，针对不同环境下的气体检测，为用户选配适合原理的检测仪，用成熟的工艺完善气体检测系统。今后，我们将继续在研发上投入了巨大的力量，用高端精湛的技术“为人们缔造安心的工作环境”。

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