氧化物介质薄膜在集成电路和其它薄膜器件中有广 泛的应用，例如SiO2薄膜的生长对超大规模集成电 路平面工艺的发展有过重要的贡献。SiO2薄膜是 MOS器件的重要组成部分，它在超大规模集成电路 多层布线中是隔离器件的绝缘层，并且能阻挡杂质 向硅单晶的扩散。
二氧化硅可见光区折射率1.46，透明区域从0.18～ 8 mm。
电介质的基本特征是，在外电场的作用下， 电介质中要出现电极化，即将原来不带电 的电介质置于外电场中，在其内部和表面 上将会感生出一定的电荷。
本节主要介绍用于混合集成电路、半导体 集成电路及薄膜元器件中的介质薄膜的制 作、性质及应用
5.2.2 氧化物电介质薄膜的制备及应用
1、氧化物电介质薄膜的制备
图5-1 铁电体电滞回线示意图
铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向随外电场方 向反向而反向。极化强度与外电场的关系曲线如图51所示，此曲线即电滞回线（hysteresis loop）。图 中PsA是饱和极化强度， Pr是剩余极化强度， EC是矫 顽场。
由于晶体结构与温度有密切的关系，所以铁电性通常 只存在于一定的温度范围内。当温度超过某一特定的 值时，晶体由铁电(ferroelectric)相转变为顺电 （paraelectric）相，即发生铁电相变，自发极化消 失，没有铁电性。这一特定温度Tc称为居里温度或居 里点(Curie Temperature)。
D(H2)=2.2×10-8cm2•s-1。H2O在SiO2薄膜中的溶解 度还比氧气大几百倍，从而使前者的浓度梯度大得
多。由此可见，湿法氧化比干氧氧化要快的多，相 应的湿法氧化温度可以低一些。
Si3N4薄膜和SiO2薄膜类似，它也可以在集成 电路中起钝化作用。它还是MNOS型（N为 氮化物）非易失存储器的组成部分。 Si3N4薄 膜的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。
SiO2薄膜的生长经常采用硅单晶表层氧化的方法， 这种方法是一种反应扩散过程。硅的热氧化有干氧
和湿氧之分。前者利用干燥的氧气，后者利用水汽 或带有水汽的氧气。1050℃下O2，H2O，H2在SiO2 中的扩散系数分别为D(O2)=2.82×10-14cm2•s-1、 D(H2O)=9.5×10-10 cm2•s-1、
2、氧化物电介质薄膜的应用
（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。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；在10～500pF范围多选用 SiO2介质，在500～5000pF范围多选用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 是系S数iO这2一介特质性），中S的iO扩2散等系氧数化远物小常于用在作S对i中B、的P扩、散As、 Sb等杂质进行选择性扩散的掩蔽层。
在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光 学性质和热学性质等，都要出现反常现象，即具 有临界特性。在Tc时，介电系数、压电系数、弹 性柔顺系数、比热和线性电光系数急剧增大。例 如：大多数铁电晶体，在Tc时介电常数可达104～ 105，这种现象称为铁电体在临界温度附近的“介 电反常”。
当温度高于Tc时，介电系数与温度的关系服从居里 －外斯定律(Curie-Weiss Law)：
第五章 几种新型薄膜材料及应用
5.1 铁电薄膜材料及其应用
5.1.1 铁电材料的研究发展 铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且 其极化方向可以因外电场方向反向而反向。 存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来 源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷 所形成的电偶极矩。 具有铁电性，且厚度在数十纳米至时微米的 薄膜材料，叫铁电薄膜。
⑴溅射法 ⑵MOCVD技术 ⑶Sol-Gel法 ⑷PLD法
表5-1 铁电薄膜四种主要制备技术的对比
项目
溅射法 PLD法
MOCVD法 Sol-Gel法
附着力
很好
好
好
好
复杂化合物沉积
不好很好不好ຫໍສະໝຸດ 好沉积速率一般
好
好
一般
均匀性
好
好
很好
很好
显微结构
好
好
好
很好
化学计量比控制
较好
好
很好
很好
退火温度
低
较低
较低
较高
（3）表面钝化膜
薄膜电子元器件的性能及其稳定性与所用半导体材 料的表面性质关系极大，而半导体或其它薄膜材料 的表面性质又与加工过程及器件工作环境密切相关。 为了避免加工过程及工作环境对器件性能（含稳定 性、可靠性）的影响，需要在器件表面淀积一层介 质钝化膜。
常用的钝化膜主要有：在含Cl气氛中生长的SiO2膜、 磷 胺硅，玻 氮璃 化（ 铝膜PS和G三）氧膜化、二氮铝化膜硅（膜A（l2SOi33N）4等）。，聚酰亚
cTT0
式中，c为居里常数(Curie constant )，T为绝对温 度，To为顺电居里温度，或称为居里-外斯温度， 它 ＝是Tc，使对于一时级的相温变度铁。电对体于To二<T级c（相居变里铁点电T体C略，大T0 于T0）。
5.1.2 铁电薄膜及其制备技术的发展
目前，铁电薄膜制备工艺主要有以下四种， 表5-1给出这四种主要制膜技术的发展现状。
掺杂难度
困难
一般
容易
容易
厚度控制
容易
容易
容易
困难
重复性
一般
较好
好
好
沉积外延膜
好
好
好
一般
工艺开发要求
一般
一般
较高
一般
设备耗资
较大
较大
一般
较少
扩大规模的难度和成本 较高
一般
较少
较少
5.2 电介质薄膜及应用
5.2.1 概述
通常人们将电阻率大于1010Ω·cm的材料称为“绝缘 体”，并且简单地认为电介质就是绝缘体，其实这是 不确切的。严格地说，绝缘体是指能够承受较强电场 的电介质材料，而电介质材料除了绝缘特性外，主要 是指在较弱电场下具有极化能力并能在其中长期存在 （电场下）的一种物质。与金属不同，电介质材料内 部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在 束缚电荷，通过极化过程来传递和记录电子信息，与 此同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介 质能够以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。