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理研科普|半導(dǎo)體工藝全流程之硅膜鈍化
發(fā)布時(shí)間：2022-06-15
近二十年來(lái)，信息技術(shù)日新月異蓬勃發(fā)展，進(jìn)入二十一世紀(jì)，世界也全面進(jìn)入了信息時(shí)代，以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)形成的新經(jīng)濟(jì)模式，在二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)中起決定作用。
信息科技的發(fā)展在很大程度上依賴于微電子半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展水平，其中（超）大規(guī)模集成電路技術(shù)是半導(dǎo)體關(guān)鍵的技術(shù)。一個(gè)國(guó)家占領(lǐng)了信息技術(shù)的制高點(diǎn)，它將在二十一世紀(jì)獲得經(jīng)濟(jì)上的主導(dǎo)地位。
晶圓片的絕緣鈍化膜
在集成電路的制造中，往往一塊單晶基片上就需要組裝很多的器件，這些器件之間需要互相布線連接，而且隨著集成度的提高和特征尺寸的減小，布線密度也必須增加，所以用于器件之間以及布線之間電氣隔離的絕緣鈍化膜是非常重要的。
此外，由于半導(dǎo)體表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異（表面晶格原子終止而存在懸掛鍵，即未飽和的鍵），導(dǎo)致表面與內(nèi)部性質(zhì)的不同，而其表面狀況對(duì)器件的性能有重要作用。絕大多數(shù)器件得到表面只要有微量的沾污（如有害的雜質(zhì)離子 、水汽、塵埃等），就會(huì)影響器件表面的電學(xué)性質(zhì)，如表面電導(dǎo)及表面態(tài)等。
為提高器件性能的穩(wěn)定性和可靠性，必須把器件與周圍環(huán)境氣氛隔離開來(lái)，以增強(qiáng)器件對(duì)外來(lái)離子沾污的阻擋能力，控制和穩(wěn)定半導(dǎo)體表面的特征，保護(hù)器件內(nèi)部的互連以及防止器件受到機(jī)械和化學(xué)損傷。
為此就提出了半導(dǎo)體器件表面鈍化的要求。
在半導(dǎo)體工藝中，鈍化是指在硅片或半導(dǎo)體器件芯片的表面淀積或生長(zhǎng)特定的介質(zhì)膜，以防止表面受環(huán)境沾污和以后的操作對(duì)硅片表面可能造成的損傷
半導(dǎo)體表面層的性質(zhì)對(duì)于環(huán)境或與半導(dǎo)體表面接觸的介質(zhì)的性質(zhì)是很敏感的。
當(dāng)表面沾污離子、界面態(tài)電荷、介質(zhì)層內(nèi)的可動(dòng)電荷和固定電荷，會(huì)影響到半導(dǎo)體的表面電勢(shì)，從而引起表面層中載流子的積累、耗盡，或者使表面層反型，并引起金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)電容-電壓特性和半導(dǎo)體器件特性的變化。
為了保證半導(dǎo)體器件工作的穩(wěn)定性和可靠性，必須在半導(dǎo)體器件芯片表面覆蓋某些經(jīng)過(guò)選擇的介質(zhì)膜，使表面鈍化。
1.改善半導(dǎo)體器件和集成電路參數(shù)
2.增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性和可靠性
二次鈍化可強(qiáng)化器件的密封性，屏蔽外界雜質(zhì)、離子電荷、水汽等對(duì)器件的有害影響；
3.提高器件的封裝成品率
鈍化層為劃片、裝架、鍵合等后道工藝處理提供表面的機(jī)械保護(hù)；
4.其它作用
鈍化膜及介質(zhì)膜還可兼作表面及多層布線的絕緣層
硅晶圓鈍化工序中
隨著太陽(yáng)電池采用的硅片厚度越來(lái)越薄，硅片的比表面積也越來(lái)越大，對(duì)硅片表面的鈍化效果的要求也越來(lái)越高，為了降低硅片表面的復(fù)合損失，有兩種主要的鈍化方法：
如用原子飽和表面的懸掛鍵、在表面生長(zhǎng)一層SiO2的方法降低表面缺陷密度。
通過(guò)化膜內(nèi)的固定電荷在硅片表面形成內(nèi)建電場(chǎng)，降低表面的電子或空穴的濃度，從而降低載流子復(fù)合速率。
采用SiN2(氮化硅)和/或SiO2(氧化硅)疊層膜可以有效綜合這兩種鈍化方法。
作為氧化成膜手法之一的熱氧化法，是利用硅與氧氣或者水蒸氣在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成二氧化硅膜。
先將晶圓放入氧化爐中經(jīng)過(guò)熱管加熱后 的石英管中，隨后通入氧氣或水蒸氣，使其發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化硅膜。
而氧化的方法則各種各樣，例如用氮?dú)庾鳛檩d氣和氧氣一同通入的“干 氧化法”；將氧氣和加熱水一起通入的“濕氧化法”；將氫氣氧氣在外部燃燒后生成的水蒸氣通入的“熱解法”；以及將氮?dú)庋鯕夂望}酸一同通入 的“鹽酸法”等。
在高溫下使用SiH4和NH3氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)沉積（CVD）讓硅氮化膜沉積在氧化膜上。
目前一般的電路圖案制作流程是經(jīng)過(guò)成膜—成像—刻蝕—脫膜，以完成一道圖案制作工序，從而得到設(shè)計(jì)所需要的刻蝕圖案。
然而，在成膜SiN2(氮化硅)和/或SiO2(氧化硅)膜生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)因反應(yīng)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。
無(wú)水氯化氫無(wú)腐蝕性，但遇水時(shí)有強(qiáng)腐蝕性。能與一些活性金屬粉末發(fā)生反應(yīng)，放出氫氣。遇氰化物能產(chǎn)生劇毒的氰化氫氣體。
四氯化硅受熱或遇水分解放熱，放出有毒的腐蝕性煙氣。
氫氟酸腐蝕性極強(qiáng)。遇H發(fā)泡劑立即燃燒。能與普通金屬發(fā)生反應(yīng)，放出氫氣而與空氣形成爆炸性混合物。有毒，最小致死量（大鼠，腹腔）25mG/kG；有腐蝕性，能強(qiáng)烈地腐蝕金屬、玻璃和含硅的物體。如吸入蒸氣或接觸皮膚能形成較難愈合的潰瘍。
氨氣易擴(kuò)散，容易形成大面積染毒區(qū)和燃燒爆炸區(qū)。
同時(shí)氨氣是有毒、有刺激性和惡臭味的氣體，容易揮發(fā)，氨氣泄漏至大氣中，擴(kuò)散到一定的范圍，易造成急性中毒和灼傷。
人接觸氨氣濃度達(dá)到140mg/m3~210mg/m3時(shí)可明顯感到不適，達(dá)到553mg/m3時(shí)可立即出現(xiàn)強(qiáng)烈的刺激癥狀，3500mg/m3~7000mg/m3濃度下可立即死亡，即“閃電式”死亡。
生產(chǎn)車間空氣中氨的最高容許濃度為30mg/m3。
氨氣侵入人體的主要途徑是皮膚，感覺器官，呼吸道和消化道等部位。
氫氣與空氣混合能形成一種混合比范圍很寬的混合物，且點(diǎn)燃混合物能量低，遇熱或明火即會(huì)發(fā)生爆炸。氣體比空氣輕，在室內(nèi)使用和儲(chǔ)存時(shí)，漏氣上升滯留屋頂不易排出，遇火星會(huì)引起爆炸。氫氣與氟、氯、溴等鹵素會(huì)劇烈反應(yīng)。
在多晶硅生產(chǎn)中，要把三氯氫硅和四氯化硅充分還原，必須加入多量的還原劑氫氣加速反應(yīng)進(jìn)行。并且在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，氫氣和三氯氫硅混合氣體在還原爐中還原效率比較低，氫氣參與反應(yīng)10±3%，剩余的90±3%以及反應(yīng)生成的氯硅烷，就需要進(jìn)行回收處理，以便達(dá)到節(jié)能降耗，減少環(huán)境污染目的。
氫氣易燃易爆危險(xiǎn)性以及在多晶硅行業(yè)中的應(yīng)用，決定了氫氣安全生產(chǎn)重要性。它不僅關(guān)系到半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量，而且還關(guān)系到半導(dǎo)體整條生產(chǎn)線安全穩(wěn)定性以及千家萬(wàn)戶的幸福。
氣體檢測(cè)一直是杜絕事故、保證企業(yè)安全生產(chǎn)能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵，也是生產(chǎn)人員與周邊群眾安全的保障。很多事故往往是因?yàn)閷?duì)氣體的監(jiān)管不到位而釀成，明明可以避免，卻最終成為事故，實(shí)在是讓人痛心不已。
理研計(jì)器-氣體檢測(cè)行業(yè)專家
像氫氣等氣體易燃易爆，氨氣、四氯化硅和氯化氫等氣體易揮發(fā)潮解，它們均會(huì)在空氣或氧氣中燃燒甚至爆炸，嚴(yán)重危及企業(yè)及生命的事故接連不斷；因此在鈍化工序中更需要有高度的責(zé)任心，成熟的工藝，精干的技術(shù)，完善的制度，確保氣體安全生產(chǎn)。
首先牢固樹立安全理念，強(qiáng)化責(zé)任心，集中精力，腳踏實(shí)地，建立一系列工藝安全保障制度，做到心中有數(shù)，臨危不亂。
其次，配備必要的檢測(cè)工具，氣體檢測(cè)儀器是安全穩(wěn)定生產(chǎn)的保證。準(zhǔn)確無(wú)誤的儀表測(cè)試是整個(gè)半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的安全屏障
作為專業(yè)的氣體檢測(cè)儀器制造廠商，理研計(jì)器針對(duì)半導(dǎo)體制造行業(yè)的氣體安全生產(chǎn)管理，研發(fā)了GD-70D、RM-5000、SC-8000、SP-220、 NC-1000等固定在線與便攜式安全檢測(cè)儀器，有效確保工人的安全和生產(chǎn)設(shè)備不被損壞。
作為半導(dǎo)體制造工廠氣體的使用者，每一位工作人員都應(yīng)該在使用前對(duì)各種危險(xiǎn)氣體的安全數(shù)據(jù)加以了解，并且應(yīng)該知道如何應(yīng)對(duì)這些氣體外泄時(shí)的緊急處理程序。
為了防止這些氣體在正常狀況下之微量泄漏或在特殊緊急狀況下的大量泄漏而造成難以彌補(bǔ)的生命財(cái)產(chǎn)的損失，必須針對(duì)這些危險(xiǎn)性氣體，在使用、儲(chǔ)存時(shí)，采取適當(dāng)?shù)陌踩珜?duì)策加以監(jiān)控，例如裝設(shè)有害氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，就可以將災(zāi)害程度降至最低。
氣體檢測(cè)儀在現(xiàn)今半導(dǎo)體工業(yè)已成為必備的環(huán)境監(jiān)控儀器，也是最為直接的監(jiān)測(cè)工具。
結(jié)語(yǔ)
半導(dǎo)體制造業(yè)被美國(guó)Factory Mutual System(FMS)列為”極高風(fēng)險(xiǎn)”的行業(yè)。主要是因?yàn)樗谥瞥讨幸褂玫綐O高毒性，腐蝕性及易燃性氣體，氣體檢測(cè)系統(tǒng)一直是半導(dǎo)體芯片廠廠務(wù)各系統(tǒng)中最重要環(huán)節(jié)之一，設(shè)計(jì)上的優(yōu)劣會(huì)直接影響到整個(gè)廠的安全，同時(shí)作為使用儀器的工廠安全人員也應(yīng)該具備氣體檢測(cè)的安全意識(shí)。
理研計(jì)器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測(cè)器，未來(lái)，我們?nèi)詫⒉粩嚅_發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項(xiàng)新功能，使得氣體檢測(cè)儀在應(yīng)用上更先進(jìn)、更適合日新月異的市場(chǎng)環(huán)境，致力于為用戶提供一個(gè)最可靠、最準(zhǔn)確、最安全的氣體檢測(cè)方案。
選擇氣體檢測(cè)儀，不能馬虎大意，理研計(jì)器80多年氣體檢測(cè)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，一直關(guān)注各個(gè)行業(yè)的氣體安全狀況，極力解決用戶遇到的各種問(wèn)題，針對(duì)不同環(huán)境下的氣體檢測(cè)，為用戶選配適合原理的檢測(cè)儀，用成熟的工藝完善氣體檢測(cè)系統(tǒng)。
自1939年成立以來(lái)，理研計(jì)器一直用科學(xué)的方法營(yíng)造氣體安全。80多年來(lái)一直關(guān)注各個(gè)行業(yè)的氣體安全狀況，極力解決用戶遇到的各種問(wèn)題，針對(duì)不同環(huán)境下的氣體檢測(cè)，為用戶選配適合原理的檢測(cè)儀，用成熟的工藝完善氣體檢測(cè)系統(tǒng)。今后，我們將繼續(xù)在研發(fā)上投入了巨大的力量，用高端精湛的技術(shù)“為人們締造安心的工作環(huán)境”。
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