介质薄膜(2011-4-13)

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1、介质薄膜材料2011.4.13要求：1、初步认识介质薄膜材料；2、了解介质薄膜的分类；3、熟悉典型介质薄膜的制备、性质及应用；第一节概述一、介质薄膜简介介质薄膜以其优良的绝缘性能和介电性能在半导体集成电路、薄膜混合集成电路以及一些薄膜化元器件中得到广泛应用。长期以来，人们对介质薄膜进行了较深入研究。随着科学技术的发展，人们对某些介质材料中的新效应，如压电效应、电致伸缩效应、热释电效应、光电效应等的研究和应用更为关注。现在所谓的介质薄膜，其含义已远超出单纯的电容器介电膜的范围，而是把它作为一类重要的功能薄膜材料或复合材料。二、

2、相关概念1、介电功能材料：是以电极化为基本电学特征的功能材料。所谓电极化就是指在电场（包括光频电场）作用下，正、负电荷中心相对移动从而出现电矩的现象。电极化随材料的组分和结构、电场的频率和强度以及温度、压强等外界条件的改变而发生变化，所以介电功能材料表现出多种多样的、有实用意义的性质，成为电子和光电子技术中的重要材料。2、分类（1）按化学分类：无机材料、有机材料、无机和有机的复合材料；（2）按形态分类：三维（块体）材料、二维（薄膜）材料和一维（纤维）材料；（3）按结晶状态：单晶、多晶和非晶材料；（4）按物理效应：见表1。表1

3、介电功能材料按物理效应分类及其主要应用三、本章主要内容1.下面介绍的介质薄膜材料指介电功能薄膜材料。2.介质薄膜按物理效应也可分成很多类，如电介质薄膜、铁电薄膜、压电薄膜和热释电薄膜等。3.主要介绍电介质薄膜、铁电薄膜以及压电薄膜的制备、性质和应用。第二节电介质薄膜及应用此处电介质薄膜是指集成电路和薄膜元器件制造中所用的介电薄膜和绝缘体薄膜。电介质薄膜按照主要用途来分类：介电性应用类和绝缘性应用类。前者主要用于各种微型薄膜电容器和各种敏感电容元件，常用的有sio、sio2、Al2O3等；后者主要用于各种集成电路和各种金属-氧

4、化物-半导体器件，如sio2等。一、氧化物电介质薄膜的制备及应用1、制备氧化物介质薄膜在集成电路和其他薄膜器件中有着广泛应用。制备方法：（1）SiO2：除电子束蒸发、溅射等方法外，还经常用硅单晶表层氧化的方法生长这种薄膜。（是一种反应扩散过程）SiO2薄膜的氧化生长是平面工艺的基础，氧化法主要有3种：阳极氧化（室温）、等离子体阳极氧化（200-800℃）和热氧化（700-1250℃）。（2）Si3N4薄膜：在集成电路中起钝化作用。最成熟的制备方法是CVD方法，例如用硅烷和氨热分解形成Si3N4薄膜。（3）其他用作电容器材料的

5、氧化物介质薄膜：SiO、Ta2O5、Al2O3薄膜等。1）SiO的蒸气压很高，可以用通常的热蒸发方法制备；2）Ta2O5、Al2O3主要用溅射等方法制备，也用低成本的阳极氧化方法制备。2、应用：（1）用作电容器介质在薄膜混合集成电路中，用作薄膜电容器介质的主要有SiO、SiO2、Ta2O5以及Ta2O5-SiO（SiO2）复合薄膜等。这些薄膜用作薄膜电容器介质对其电性能和稳定性均有较严格的要求。按照应用场合，介质薄膜分为低损耗低介电常数薄膜和高介电常数薄膜。在生产上采用的前一类薄膜主要是SiO和SiO2，高介电常数薄膜是钽基

6、质薄膜。表2常用介质薄膜性质一般情况下，若薄膜电容器的电容在10-1000pF范围，多选用SiO薄膜和Ta2O5-SiO复合介质薄膜；10-500pF多选用SiO2介质；500-5000pF多选用Ta2O5介质。（2）用作隔离和掩膜层在半导体集成电路中，利用杂质在氧化物（主要是SiO2）中的扩散系数远小于在Si中的扩散系数这一特性，SiO2等氧化物常用作对B、P、As、Sb等杂质进行选择性扩散的掩膜层。此外，在进行离子注入掺杂时，SiO2等介质薄膜还被用作注入离子的阻挡层。（3）表面钝化膜常用的钝化膜主要有：在含氯气中生长的

7、SiO2膜、磷硅玻璃（PSG）膜、氮化硅（Si3N4）膜、聚酰亚胺、半绝缘多晶硅（SIPOS）以及氮化铝膜和三氧化二铝（Al2O3）膜等。作为钝化层，还常使用双层结构（如SiO2-PSG、SiO2-Si3N4、SiO2-Al2O3和SiO2-SIPOS等）和多层钝化结构。（4）多层布线绝缘膜实现多层布线技术的关键是要求每两层导线之间有一层性能优良的绝缘层，而两层导线之间通过在绝缘层上开的互联孔连接。应用多层布线工艺的典型结构有：Al-SiO2-Al；Al-Al2O3-Al；Al-聚酰亚胺-Al；PtSi/TiW/(Al+Cu

8、)-SiO2-Al及MoSi2-SiO2-Al等。二、简介低介电常数含氟氧化硅薄膜为了降低信号传输延迟和串扰以及由于介电损失而导致功耗的增加，采用低介电常数材料是必要的。传统的二氧化硅薄膜的相对介电常数在4.0左右，远不能满足亚微米器件所需的介电常数值。随着器件复杂性的增加，对介电常数的要