介质薄膜2011-4-13.ppt
《介质薄膜2011-4-13.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《介质薄膜2011-4-13.ppt(47页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
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、相关概念 1、介电功能材
2、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 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
3、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
4、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) Ta2
5、O5、 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;10-5
6、00pF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 Si
7、O2- 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)- 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
8、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,对介电常数的要求也愈苛刻。 表3 金属间介质层介电常数的发展趋势,目前有可能在集成电路中应用的低介电常数介 质主要有含氟氧化硅( SiOF)膜,含氟碳膜、聚酰 亚胺、多孔二氧化硅等。其中含氟氧化硅能与已有 的SiO2工艺很好地兼容,在热稳定性、对无机物的 粘结性等方面明显优于有机介质,是SiO2理想的替 代物。,第三节 铁电薄膜及应用,铁电体是具有自发极化,而且自发极化矢量的 取向能随外电场的改变而改变的材料。 图1 电滞回线图,具有铁电性且厚度尺寸为数十纳米到数微米的 膜材料叫铁电薄膜,它具有良好的铁
9、电性、压电 性、热释电性、电光及非线性光学等特性,可广泛 用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械 系统等领域,成为国际上新型功能材料研究的一个 热点。,一、铁电薄膜的结构制备和特性 1、 铁电薄膜的晶体结构 铁电材料的典型结构称为钙钛结构,它是由 ABO3的立方结构构成,其中离子A处在立方体的角 上,离子B处在立方体的体心,氧离子处于立方体 各个面的面心。 图2 铁电材料晶胞示意图,典型的钙钛矿结构有:BaTiO3(钛酸钡)、PZT、PlZT(铅、镧、锆、钛)等。 2、制备方法 主要有:Sol-Gel凝胶法、MOCVD法、PLD法 和溅射法。 (1) Sol-Gel凝胶法 将金属的醇盐或
10、其他有机盐溶解于同一种溶剂 中,经过水解、聚合反应形成溶胶。通过甩胶在基 片上形成薄膜,经过干燥和退火处理,形成铁电薄 膜。,优点: 能够精确控制膜的化学计量比和掺杂,易于制 备大面积的薄膜,适用于大批量生产,设备简单, 成本低,可与微电子工艺技术相兼容。 不足: 膜的致密性较差,干燥处理过程中薄膜易出现 龟裂现象,薄膜结构和生长速率对基片和电极材料 很敏感。 利用该方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT、 ST、BST等多种铁电薄膜。,(2)MOCVD法 将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反 应室,经过热分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。 优点: 薄膜生长速率快,可制备大面积薄膜,能精
11、确 控制薄膜的化学组分和厚度。 不足: 受制于金属有机源的合成技术,难以找到合适 的金属有机源,仅能用于少数几种膜的制备。 利用此方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT及 LN等铁电薄膜。,(3)PLD法 利用高功率的准分子脉冲激光照射到一定组分 比的靶材上,使靶表面的数十纳米厚的物质转变为 羽辉状等离子体,沉积到衬底上形成靶膜。 优点: 能源无污染;薄膜成分与靶材完全一致,因而 可严格控制;衬底温度较低,可获得外延单晶膜; 成膜速率快。 不足: 难以制备大面积均匀性好的薄膜。 已制备PT、PZT、BTO及KTN等铁电薄膜。,(4)溅射法 包括直流溅射、射频磁控溅射和粒子束溅射。 优点: 工
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 介质 薄膜 2011 13
链接地址:https://www.31doc.com/p-2880461.html