半导体芯片钝化层是确保芯片可靠性和性能的关键技术之一。

1. 钝化层的核心作用

• 物理保护：防止划伤、颗粒污染和机械应力损伤。
• 化学防护：阻挡湿气、酸碱腐蚀及氧化，延长芯片寿命。
• 电气绝缘：隔离金属互连层，避免短路；减少漏电流。
• 环境屏障：阻挡钠离子等污染物扩散，维持器件稳定性。
• 辅助功能：散热（如氮化硅的高热导率）、光管理（如抗反射涂层）。

2. 材料选择与特性

3. 制备工艺对比

• CVD（化学气相沉积）：适合大面积均匀沉积SiO₂/Si₃N₄，但高温可能损伤底层结构。
• PECVD（等离子体增强CVD）：低温工艺，适用于对温度敏感的后道工序。
• ALD（原子层沉积）：纳米级厚度控制，用于高精度Al₂O₃等薄膜，但速度慢、成本高。
• 旋涂法：低成本制备聚酰亚胺，但厚度均匀性依赖工艺参数。

4. 关键挑战

• 应力管理：薄膜与衬底的热膨胀系数差异导致开裂（如Si₃N₄在硅上的高应力）。
• 界面缺陷：钝化层与金属/半导体界面处的陷阱电荷影响器件可靠性。
• 热预算限制：后道工艺需低温（<450°C），限制材料选择（如无法使用高温CVD）。
• 微型化矛盾：先进制程中钝化层变薄，防护能力下降，需新材料或结构创新。

5. 应用场景优化案例

• 功率器件：采用多层Si₃N₄/SiO₂，兼顾耐压和抗离子迁移，边缘设计为斜坡结构减少电场集中。
• MEMS传感器：使用聚酰亚胺+PECVD SiO₂复合层，平衡机械应力与气密性。
• 5nm以下制程：ALD Al₂O₃作为钝化层，厚度<10nm，结合铜互连表面的Co衬垫防扩散。