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)湿氧氧化 Si（固）+ 2H2O（水汽） SiO2（固)+ 2H2（气）＊氧化物生长的两个阶段及生长厚度的公式：线性阶段氧化物生长厚度 X=（B/A）t抛物线阶段 X=（Bt)1/2注: X：氧化物生长厚度 B/A:为线性速率系数，温度升高系数增大B:抛物线速率系数 t：为生长时间用于热工艺的三种基本设备卧式炉、立式炉、快速热处理(RTP）硅的局部氧化（LOCOS工艺）剖面图掺杂掺杂的两种方法a）热扩散：利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构。

这种方法受到时间和温度的影响b)离子注入：通过高压离子轰击把杂质引入硅片现代晶片制造中几乎所有掺杂工艺都是使用离子注入列举半导体制造中常用的四种杂质，并说明是n型还是p型扩散发生需要的两个必要条件a)浓度差b)过程所必须得能量热扩散的三个步骤，以及它们的作用(1)预淀积：a）为整个扩散过程建立浓度梯度b）炉温一般800~1000 0C(2）推进：a)将由预淀积引入的杂质作为扩散源，在高温下进行扩散。

目的是为了控制表面浓度和扩散深度b)1000~1250 0C(3)激活：稍为升高炉温，使杂质原子与晶格中的硅原子键合＊离子注入的优缺点优点:精确控制杂质含量、很好的杂质均匀性、对杂质穿透深度有很好的控制、产生单一离子束、低温工艺、注入的离子能穿过薄膜、无固溶度极限缺点：a)高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤（可用高温退火进行修复）b)注入设备的复杂性（这一缺点被注入机对剂量和深度的控制能力及整体工艺的灵活性弥补）重要的离子注入参数剂量、射程剂量和能量的公式剂量的计算公式：Q=（It）/(enA）I为束流,单位是库仑每秒（安培）t为注入时间，单位是秒e是电子电荷,等于1。

6 x 10—19库仑A是注入面积，单位是cm2描述能量的公式为：KE=nV KE为能量，单位是电子伏特(eV）n为离子电荷V为电势差，单位是伏特离子注入设备的五个主要子系统a)离子源:从气态或固态杂质中产生正离子b)引出电极（吸极）和离子分析器:吸极系统—-离子源中产生的所有正离子,并使它们形成离子束,子分析器-—将需要的杂质离子从混合的离子束中分离出来c）加速管：为了获得更高的速度，正离子还要在加速管中的电场下进行加速d）扫描系统：聚束离子束通常很小,必须通过扫描覆盖整个硅片,扫描的方式有两种⎫固定硅片,移动束斑-—中低电流注入固定束斑，移动硅片—-大电流注入⎫e）工艺室：离子束向硅片的注入发生在工艺腔中，包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅片的终端台、硅片传输系统和计算机控制系统退火的目的是什么？高温退火和RTA哪个更优越?退火的目的:退火能够加热被注入硅片，修复晶格缺陷;还能使杂质原子移动到晶格点，将其激活高温炉退火：是一种传统的退火方式，用高温炉把硅片加热至800～1000℃并保持30分钟在此温度下，硅原子重新移回晶格位置,杂质原子也能替代硅原子位置进入晶格此方法可能会导致杂质的扩散快速热退火（RTA）：用极快的升温和在目标温度（一般是1000℃）短暂的持续时间对硅片进行处理快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者间取得优化描述沟道效应，控制沟道效应的四种方法沟道效应：当注入离子未与硅原子碰撞减速,而是穿透了晶格间隙时，就发生了沟道效应注入过程中有4种方法控制沟道效应:* 倾斜硅片* 掩蔽氧化层* 硅预非晶化* 使用质量较大的原子列举十个使用离子注入的掺在工艺（1）深埋层（2）倒掺杂阱(3）穿通阻挡层（4）阈值电压调整(5)轻掺杂漏区(LDD）（6）源漏注入（7）多晶硅栅（8)沟槽电容器(9）超浅结（10）绝缘体上硅（SOI）光刻光刻的概念及本质:（1）光刻指的是将图形转移到一个平面的任一复制过程（2）光刻的本质是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上在主流微电子制造过程中，光刻是最复杂、最昂贵和最关键的工艺*光刻工艺的八个基本步骤:气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查光刻胶的概念及目的：概念：一种有机化合物,受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化目的：（1）将掩模版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中(2）在后续工艺中，保护光刻胶下面的材料（如刻蚀或离子注入的阻挡层)光刻胶显影参数:显影温度、显影时间、显影液量、当量浓度、清洗、排风、硅片吸盘*正胶和负胶显影效果:正性光刻胶：曝光区域溶解于显影液，显影后图形与掩模版图形一样负性光刻胶：曝光区域不溶解于显影液，显影后图形与掩模版图形相反常用于光学光刻的两种紫外光源汞灯、准分子激光反射切口、驻波的概念、抗反射涂层的作用反射切口：在刻蚀形成的垂直侧墙表面,反射光入射到不需要曝光的光刻胶中就会形成反射切口驻波：入射光与反射光发射干涉引起；引起随光刻胶厚度变化的不均匀曝光抗反射涂层：减小光反射和阻止光干涉;20～200nm＊分辨率的概念以及计算概念:分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力是光刻中一个重要的性能指标计算从早期硅片制造以来的光刻设备可分为哪五代？列举任意两种的优缺点（1）接触式光刻机优点：图像失真小,图形分辨率高缺点：依赖人为操作、容易沾污（2）接近式光刻机优点：掩模版不与光刻胶直接接触，大大减小了沾污缺点：紫外光线通过空气时发散，减小了分辨率(3）扫描投影光刻机（4）分步重复光刻机（5）步进扫描光刻机可以成功代替光学光刻技术的四种光刻技术（1）极紫外（EUV）光刻技术（2）角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL）(3）离子束投影光刻技术(IPL）（4）X射线光刻技术刻蚀刻蚀的概念及其基本目的概念:用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程基本目的：在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形两种基本的刻蚀工艺a）干法刻蚀：干法刻蚀是用等离子体去除硅片表面材料，物理过程、化学过程、或两种反应的混合b）湿法腐蚀:用液体化学试剂去除硅片表面材料等离子体的概念一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、带电离子和自由电子选择比的概念同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少，定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比，高选择比在最先进的工艺中为了确保关键尺寸和剖面控制是必须的，关键尺寸越小，选择比要求越高＊负载和微负载效应的概念负载效应：要刻蚀硅片表面的大面积区域，则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来；如果刻蚀的面积比较小，则刻蚀会快些微负载效应：深宽比相关刻蚀（ARDE））--具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢干法刻蚀的应用介质——氧化物和氮化硅硅--多晶硅栅和单晶硅槽金属—-铝和钨湿法腐蚀相比干法刻蚀的优点（1）对材料具有高的选择比（2）不会对器件带来等离子体损伤（3）设备简单淀积淀积膜的过程的三种不同阶段(1)晶核形成，成束的稳定小晶核形成（2）聚集成束，也称为岛生长（3）形成连续的膜化学气相淀积（CVD）的概念，有哪五种基本化学反应（1)高温分解：通常在无氧的条件下，通过加热化合物分解（2）光分解：利用辐射使化合物的化学键断裂分解（3）还原反应：反应物分子和氢发生的反应（4）氧化反应：反应物原子或分子和氧发生的反应（5）氧化还原反应：还原反应和氧化反应的组合,反应后形成两种新的化合物CVD中质量传输限制和表面反应控制限制的概念（1）质量传输限制CVD反应的速率不可能超过反应气体传输到硅片上的速率无论温度如何,若传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。