在半导体芯片制造中，钝化层是覆盖在芯片表面的一层关键薄膜，用于保护内部结构免受外界环境影响。它不仅能阻挡水汽、灰尘和化学污染物，还能缓解机械应力与温度变化带来的损伤，显著提高器件的可靠性和使用寿命。随着芯片技术不断发展，钝化层的材料和结构设计也日益复杂，以满足更高性能和要求严苛的应用场景。

钝化层的功能与材料

钝化层的主要作用包括表面保护、机械防护、界面钝化和绝缘。具体而言，它能有效阻挡外来沾污、碱金属离子、水汽等污染物，防止电化学腐蚀，减少界面态密度，改善沟道迁移率，并避免栅极和源极之间的短路。此外，钝化层还需具备良好的台阶覆盖性、材料粘附性和热稳定性，以适应制造工艺和实际应用中的多种应力环境。

常见的钝化层材料包括无机和有机两大类。无机材料如二氧化硅（SiO₂）和氮化硅（Si₃N₄）具有良好的绝缘性和致密性，但也各有优缺点。二氧化硅与硅衬底兼容性好，界面态密度低，但本身结构疏松、针孔多，阻隔能力较弱。氮化硅硬度高、致密性好，能有效阻挡金属离子和水汽，但直接生长在硅上会引入大量表面态，影响器件电学性能。

钝化层的结构

由于单一材料难以兼顾所有性能要求，实际应用中常采用多层钝化结构。例如，二氧化硅和氮化硅组合使用：二氧化硅作为过渡层，减少界面态；氮化硅作为阻挡层，防止污染侵入。但这种双层结构仍存在不足，尤其是氮化硅脆性高、热膨胀系数与硅不匹配，在热应力下容易产生微裂纹。

为进一步提升可靠性，工业界引入了聚酰亚胺（PI）作为外层钝化材料。聚酰亚胺是一种高分子有机材料，具有高弹性模量、低杨氏模量、高延展性和低热应力的特点，能有效吸收应力，防止氮化层开裂。三层钝化结构（SiO₂/Si₃N₄/PI）充分发挥各层材料的优势：底层SiO₂实现界面钝化，中层Si₃N₄阻隔离子与水汽，顶层PI提供机械缓冲和抗物理损伤能力。

实验表明，该结构可使热应力降低50~70%，湿热环境下器件的电阻漂移显著减少，界面态密度维持在较低水平（＜10¹¹ eV⁻¹cm⁻²），且在温度循环测试中表现出色。

其他钝化材料

除SiO₂、Si₃N₄和PI之外，还有多种材料用于特殊需求的钝化层。

富硅氧化硅（SRO）界面应力低，可作为应力缓冲层，但介电强度较低，高温下易转化为SiO₂。富氮氧化硅（SRN，SiOxNy）通过调节氧氮比例可实现应力调控，适应性较强。

磷硅玻璃（PSG）和硼磷硅玻璃（BPSG）是掺杂类玻璃材料，具有较强的钠离子捕捉能力和较好的平坦化效果。BPSG通过掺硼降低回流温度，掺磷则提高防潮性，常用于多层结构中。

正硅酸乙酯（TEOS）作为SiO₂的前驱体，具有高台阶覆盖性和低温沉积优点，但可能存在碳残留风险。

这些材料通常根据具体器件结构、工艺兼容性和应用环境进行选择或组合使用，以达到最佳的钝化效果。

钝化层的重要性

在功率MOSFET、IGBT等器件中，钝化层的质量直接影响产品在可靠性测试（如HTRB、HV-H3TRB等）中的表现。它覆盖有源区、金属层和终端区域，防止外界污染和电势失效，是保障长期稳定运行的关键。

在先进封装领域，如扇出型晶圆级封装（FO-WLP）中，钝化层需满足更严格的工艺要求。其固化温度必须低于模塑料的玻璃化转变温度（通常150°C–175°C），以避免材料变性。此外，钝化层还需具备良好的分辨率、适当的厚度和平滑的侧壁坡度，以适应微缩化、高集成度的芯片结构，并减少应力集中。

钝化层虽看似不起眼，却是现代芯片制造中不可或缺的一环。从单一无机层到有机-无机复合多层结构，材料与工艺的进步不断解决着可靠性、应力管理和污染防御等问题。尤其在功率器件和高密度封装中，优化的钝化层设计能显著提升器件的环境适应性和寿命。随着半导体技术朝向更小尺寸、更高性能发展，钝化层的重要性将进一步凸显，其材料与结构创新也将持续推动芯片可靠性提升。