理研科普|半導體工藝全流程之硅膜鈍化
發布時間：2022-06-15
近二十年來，信息技術日新月異蓬勃發展，進入二十一世紀，世界也全面進入了信息時代，以信息技術為代表的高新技術形成的新經濟模式，在二十一世紀世界經濟中起決定作用。
信息科技的發展在很大程度上依賴于微電子半導體技術的發展水平，其中（超）大規模集成電路技術是半導體關鍵的技術。一個國家占領了信息技術的制高點，它將在二十一世紀獲得經濟上的主導地位。
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，由于半導體表面與內部結構的差異（表面晶格原子終止而存在懸掛鍵，即未飽和的鍵），導致表面與內部性質的不同，而其表面狀況對器件的性能有重要作用。絕大多數器件得到表面只要有微量的沾污（如有害的雜質離子 、水汽、塵埃等），就會影響器件表面的電學性質，如表面電導及表面態等。
為提高器件性能的穩定性和可靠性，必須把器件與周圍環境氣氛隔離開來，以增強器件對外來離子沾污的阻擋能力，控制和穩定半導體表面的特征，保護器件內部的互連以及防止器件受到機械和化學損傷。
為此就提出了半導體器件表面鈍化的要求。
在半導體工藝中，鈍化是指在硅片或半導體器件芯片的表面淀積或生長特定的介質膜，以防止表面受環境沾污和以后的操作對硅片表面可能造成的損傷
半導體表面層的性質對于環境或與半導體表面接觸的介質的性質是很敏感的。
當表面沾污離子、界面態電荷、介質層內的可動電荷和固定電荷，會影響到半導體的表面電勢，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-半導體（MIS）結構電容-電壓特性和半導體器件特性的變化。
為了保證半導體器件工作的穩定性和可靠性，必須在半導體器件芯片表面覆蓋某些經過選擇的介質膜，使表面鈍化。
1.改善半導體器件和集成電路參數
2.增強器件的穩定性和可靠性
二次鈍化可強化器件的密封性，屏蔽外界雜質、離子電荷、水汽等對器件的有害影響；
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械保護；
4.其它作用
鈍化膜及介質膜還可兼作表面及多層布線的絕緣層
硅晶圓鈍化工序中
隨著太陽電池采用的硅片厚度越來越薄，硅片的比表面積也越來越大，對硅片表面的鈍化效果的要求也越來越高，為了降低硅片表面的復合損失，有兩種主要的鈍化方法：
如用原子飽和表面的懸掛鍵、在表面生長一層SiO2的方法降低表面缺陷密度。
通過化膜內的固定電荷在硅片表面形成內建電場，降低表面的電子或空穴的濃度，從而降低載流子復合速率。
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生化學反應，形成二氧化硅膜。
先將晶圓放入氧化爐中經過熱管加熱后 的石英管中，隨后通入氧氣或水蒸氣，使其發生氧化反應，形成氧化硅膜。
而氧化的方法則各種各樣，例如用氮氣作為載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”；以及將氮氣氧氣和鹽酸一同通入 的“鹽酸法”等。
在高溫下使用SiH4和NH3氣體發生化學反應，通過化學沉積（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過成膜—成像—刻蝕—脫膜，以完成一道圖案制作工序，從而得到設計所需要的刻蝕圖案。
然而，在成膜SiN2(氮化硅)和/或SiO2(氧化硅)膜生產過程中，會出現因反應中使用的HCl、SiH4或NH3而引起的中毒事故和H2泄漏而引起的爆炸事故。
無水氯化氫無腐蝕性，但遇水時有強腐蝕性。能與一些活性金屬粉末發生反應，放出氫氣。遇氰化物能產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。遇H發泡劑立即燃燒。能與普通金屬發生反應，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。
氨氣易擴散，容易形成大面積染毒區和燃燒爆炸區。
同時氨氣是有毒、有刺激性和惡臭味的氣體，容易揮發，氨氣泄漏至大氣中，擴散到一定的范圍，易造成急性中毒和灼傷。
人接觸氨氣濃度達到140mg/m3~210mg/m3時可明顯感到不適，達到553mg/m3時可立即出現強烈的刺激癥狀，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，且點燃混合物能量低，遇熱或明火即會發生爆炸。氣體比空氣輕，在室內使用和儲存時，漏氣上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸。氫氣與氟、氯、溴等鹵素會劇烈反應。
在多晶硅生產中，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進行。并且在多晶硅生產過程中，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10±3%，剩余的90±3%以及反應生成的氯硅烷，就需要進行回收處理，以便達到節能降耗，減少環境污染目的。
氫氣易燃易爆危險性以及在多晶硅行業中的應用，決定了氫氣安全生產重要性。它不僅關系到半導體芯片的生產成本和產品質量，而且還關系到半導體整條生產線安全穩定性以及千家萬戶的幸福。
氣體檢測一直是杜絕事故、保證企業安全生產能夠順利進行的關鍵，也是生產人員與周邊群眾安全的保障。很多事故往往是因為對氣體的監管不到位而釀成，明明可以避免，卻最終成為事故，實在是讓人痛心不已。
理研計器-氣體檢測行業專家
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潮解，它們均會在空氣或氧氣中燃燒甚至爆炸，嚴重危及企業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任心，成熟的工藝，精干的技術，完善的制度，確保氣體安全生產。
首先牢固樹立安全理念，強化責任心，集中精力，腳踏實地，建立一系列工藝安全保障制度，做到心中有數，臨危不亂。
其次，配備必要的檢測工具，氣體檢測儀器是安全穩定生產的保證。準確無誤的儀表測試是整個半導體制造系統的安全屏障
作為專業的氣體檢測儀器制造廠商，理研計器針對半導體制造行業的氣體安全生產管理，研發了GD-70D、RM-5000、SC-8000、SP-220、 NC-1000等固定在線與便攜式安全檢測儀器，有效確保工人的安全和生產設備不被損壞。
作為半導體制造工廠氣體的使用者，每一位工作人員都應該在使用前對各種危險氣體的安全數據加以了解，并且應該知道如何應對這些氣體外泄時的緊急處理程序。
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的生命財產的損失，必須針對這些危險性氣體，在使用、儲存時，采取適當的安全對策加以監控，例如裝設有害氣體泄漏檢測系統，就可以將災害程度降至最低。
氣體檢測儀在現今半導體工業已成為必備的環境監控儀器，也是最為直接的監測工具。
結語
半導體制造業被美國Factory Mutual System(FMS)列為”極高風險”的行業。主要是因為它在制程中要使用到極高毒性，腐蝕性及易燃性氣體，氣體檢測系統一直是半導體芯片廠廠務各系統中最重要環節之一，設計上的優劣會直接影響到整個廠的安全，同時作為使用儀器的工廠安全人員也應該具備氣體檢測的安全意識。
理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器，未來，我們仍將不斷開發新產品、研發各項新功能，使得氣體檢測儀在應用上更先進、更適合日新月異的市場環境，致力于為用戶提供一個最可靠、最準確、最安全的氣體檢測方案。
選擇氣體檢測儀，不能馬虎大意，理研計器80多年氣體檢測行業經驗，一直關注各個行業的氣體安全狀況，極力解決用戶遇到的各種問題，針對不同環境下的氣體檢測，為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統。
自1939年成立以來，理研計器一直用科學的方法營造氣體安全。80多年來一直關注各個行業的氣體安全狀況，極力解決用戶遇到的各種問題，針對不同環境下的氣體檢測，為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統。今后，我們將繼續在研發上投入了巨大的力量，用高端精湛的技術“為人們締造安心的工作環境”。
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