微电子工艺

微电子工艺引论

硅片、芯片的概念

硅片：制造电子器件的基本半导体材料硅的圆形单晶薄片

芯片：由硅片生产的半导体产品

*什么是微电子工艺技术？微电子工艺技术主要包括哪些技术？

微电子工艺技术：在半导体材料芯片上采用微米级加工工艺制造微小型化电子元器件和微型化电路技术

主要包括：超精细加工技术、薄膜生长和控制技术、高密度组装技术、过程检测和过程控制技术等

集成电路制造涉及的五个大的制造阶段的内容

硅片制备：将硅从沙中提炼并纯化、经过特殊工艺产生适当直径的硅锭、将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片

芯片制造：硅片经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，一整套集成电路永久刻蚀在硅片上

芯片测试/拣选：对单个芯片进行探测和电学测试，挑选出可接受和不可接受的芯片、为有缺陷的芯片做标记、通过测试的芯片将继续进行以后的步骤

装配与封装：对硅片背面进行研磨以减少衬底的厚度、将一片厚的塑料膜贴在硅片背面、在正面沿着划片线用带金刚石尖的锯刃将硅片上的芯片分开、在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包、将芯片密封在塑料或陶瓷壳内

终测：为确保芯片的功能，对每一个被封装的集成电路进行电学和环境特性参数的测试IC工艺前工序、IC工艺后工序、以及IC工艺辅助工序

IC工艺前工序：（1）薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发) 等

（2）掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术

（3）图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术

IC工艺后工序：划片、封装、测试、老化、筛选

IC工艺辅助工序：超净厂房技术

超纯水、高纯气体制备技术

光刻掩膜版制备技术

材料准备技术

微芯片技术发展的主要趋势

提高芯片性能（速度、功耗）、提高芯片可靠性（低失效）、降低芯片成本（减小特征尺寸，增加硅片面积，制造规模）

什么是关键尺寸（CD）？

芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，特别是硅片上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或CD

半导体材料

本征半导体和非本征半导体的区别是什么？

本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（8~10个9）

为何硅被选为最主要的半导体材料？

a) 硅的丰裕度——制造成本低

b) 熔点高(1412 OC)——更宽的工艺限度和工作温度范围

c) SiO2的天然生成

GaAs相对Si的优点和缺点是什么？

优点：

a) 比硅更高的电子迁移率，高频微波信号响应好——无线和高速数字通信

b) 抗辐射能力强——军事和空间应用

c) 电阻率大——器件隔离容易实现

主要缺点：

a) 没有稳定的起钝化保护作用的自然氧化层

b) 晶体缺陷比硅高几个数量级

c) 成本高

圆片的制备

两种基本的单晶硅生长方法。

直拉法（CZ法）、区熔法

晶体缺陷根据维数可分为哪四种？

点缺陷—空位、自填隙等

线缺陷—位错

面缺陷—层错

体缺陷

*画出圆片制备的基本工艺步骤流程图，并绘出其中任意三个步骤的主要作用。

沾污控制

净化间污染分类

颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层、静电释放（ESD）。

半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸粗略法则

必须小于最小器件特征尺寸的一半。

金属污染的主要来源

化学溶液、导体制造中的各种工序，如:离子注入、学品与传输管道反应、学品与容器反应

*超净服的目标：

（1）对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制

（2）超净服系统颗粒零释放

（3）对ESD的零静电积累

（4）无化学和生物残余物的释放

什么是可动离子污染？

金属杂质以离子形式出现，且是高度活动性；危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属。如钠，就是最常见的可移动离子沾污物，而且移动性最强

静电释放的概念及带来的问题

概念：静电释放也是一种形式的沾污，因为它是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移，可能损坏芯片

带来的问题：（1）发生在几个纳秒内的静电释放能产生超过1A的峰值电流蒸发金属导线和穿透氧化层

击穿栅氧化层的诱因

（2）吸附颗粒到硅片表面

颗粒越小，静电的吸引作用就越明显

器件特征尺寸的缩小，更需要严格控制硅片放电

芯片生产厂房的七种污染源

空气、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体、生产设备

芯片表面的颗粒数与工艺步骤数之间的关系图。

硅片清洗目标：

去除所有表面沾污（颗粒、有机物、金属、自然氧化层）

工艺腔内的气体控制

工艺用气体通常分为哪两类？

a) 通用气体：氧气(O2)、氮气(N2)、氢气(H2)、氦气(He)和氩气(Ar)，纯度要控制在7个9（99.99999%）以上

b) 特殊气体：指一些工艺气体以及其它在半导体集成电路制造中比较重要的气体，纯度要控制在4个9 （99.99%）以上

常见的初级泵和高级泵。

常见的两种初级泵：

a) 干性机械泵

b) 增压/调压泵：可处理大量气体而不需要润滑剂，增压器通常被称为罗茨增压泵

常见的两种高真空泵：

a) 加速分子泵（涡轮泵）：是一种多用途、可靠的洁净泵，运作机理是机械化的压缩

b) 冷凝泵：是一种俘获式泵，它通过使气体凝结并俘获在泵中的方式去除工艺腔体中的气体

质量流量计（MFC）的概念

利用气体的热传输特性，直接测量进入腔体的质量流量比率，来控制进入腔体的气流

残气分析器（RGA）最常见的用途和基本构成。

用途：a)用来检验残留在已清空系统中的气体分子的类型

b)检漏

c)工艺中的故障查询

基本构成：

氧化

氧化物的两种产生方式

热氧化生长、淀积

氧化层在芯片制备中有哪几方面的应用？

（1）保护器件免受划伤和隔离污染

（2）限制带电载流子场区隔离（表面钝化）

（3）栅氧或储存器单元结构中的介质材料

（4）掺杂中的注入掩蔽

（5）金属导电层间的介质层

表面钝化的概念

SiO2可以通过束缚Si的悬挂键，从而降低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化；能防止电性能退化，并减少由潮湿、离子或其他外部污染物引起的漏电流的通路

关于氧化的两种化学发应

干氧氧化 Si（固）+ O2（气） SiO2（固）