半导体考试重点‘

1、第一章 半导体芯片制造简介：（1） 发展阶段：第一个商用平面晶体管 1957年 Fairchild 第一个IC 1958年 TI 第一个硅IC 1961年 Fairchild 第一个晶体管 1947年 Bell Labs外延技术 1960年 离子注入技术，等离子刻蚀技术，化学气相淀积技术等新技术 70年代初全球第一家集成电路标准加工厂 1987年 台湾积体电路公司 芯片加工精度在亚微米范围，出现电子束光刻，X射线光刻，深紫外光刻技术，分子束外延，薄层氧化工艺等新技术 铜互连工艺 1998年 IBM主流产品特征尺寸在0.18 m以下 2000年 特征尺寸在90nm 2004年 特征尺寸在32nm

2、 2011年 准分子激光光刻，远紫外曝光光刻，电子束投影光刻有望成为主流技术 铜互连技术已应用在高端电路芯片的生产工艺中（2）发展趋势：n IC发展的标志：特征尺寸 集成度n 摩尔定律: 1964年 戈登·摩尔提出 内容：芯片上的晶体管数每18个月翻一番（1975年）n 工艺材料的物理极限问题 工艺技术瓶颈：光刻技术（2） 集成电路工艺制造材料：n 导体：作互连线，阻挡层，接触孔，通孔如：Al Cu，Ta Ti 及其氮化物 , Wn 绝缘体：作介质层，保护层，钝化层 如 ：SiO2 低介质 高介质，Si3N4n 半导体 如：Ge Si GaAs GaN（3）重要的半导体材料：硅Si其

3、特点：硅的丰裕度、更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 （硅1412摄氏度、锗937摄氏度）、更宽的工作温度范围（硅150摄氏度、锗100摄氏度）、氧化物SiO2（4） 现代的IC制造n 硅片（衬底，晶圆）：制造电子器件的基本半导体材料，是单晶，圆形，薄片n 半导体器件制作在接近硅片表面几m处，淀积介质层和导电材料隔离或连接器件n 多层布线结构 n 制作两到三个月，完成450道或更多的工艺步骤（5） 微芯片制造工艺流程1） 制备硅片：半导体级硅提炼、单晶生长、整形切片等2） 硅片制造：在其表面形成器件和互连线层的过程、薄膜生长(氧化、淀积、外延)、图像转换（光刻、刻蚀）、掺杂（热扩散、离子注入）、

4、其他技术（清洗、平坦化等）3） 硅片测试/拣选4） 装配与封装：划片、切割成芯片、压焊和包封5） 终测：确保集成电路通过电学和环境测试（6）微芯片的沾污导致成品率损失80%失效芯片是由沾污带来的缺陷引起的；维护一个严格的微芯片制造环境很重要；清洗技术。沾污类型：颗粒（危害检测）、金属杂质（可动离子沾污MIC，典型的有Na+）、有机物沾污、自然氧化层、静电释放（击穿，电荷累积吸引污染颗粒）。污染源：空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体、生产设备超净间净化级别：标定了净化间的空气质量级别，由颗粒尺寸和密度来表征。参考标准：ISO标准14644 FS-209E超净间的净化控制：人员、厂房材料及

5、布局、空气过滤及换气、气流和压力（层状单向流，高于外界压力）、温度和湿度、静电释放（采用静电消耗材料，接地，空气电离等方法消除）、噪声和振动、照明、工艺设备超净服设备的净化：工作台（穿壁式）、硅片自动化处理、微环境（硅片隔离技术）（7）硅片清洗技术： 1).清洗工艺：湿法清洗（改进的RCA清洗工艺）干法清洗 （利用热化学气体或等离子态反应气体与硅片表面产生化学反应，生成易挥发性反应物而去除）螯合剂、臭氧、低温喷雾清洗等其他清洗技术2).湿法清洗办法：兆声清洗、 喷雾清洗、刷洗器、水清洗、溢流清洗、排空清洗、喷射清洗、加热去离子水清洗3).硅片甩干 第二章 晶体结构一、非晶材料和晶体材料n 非晶

6、材料（无定形材料）：原子排列杂乱无章n 晶体材料：原子排列有序，规则，从宏观上看：具有规则的几何外形，固定的熔点，解理性，各向异性二、晶体材料n 晶胞：晶体结构中最简单，最基本的单元 n 按晶胞的排列方式，晶体结构分为：多晶和单晶三、 晶向和晶面n 晶向决定了硅片中晶体结构的物理排列 n 不同晶向的硅片的化学，电学，机械性质不同，影响工艺制造和器件性能 n 密勒指数：用来标定晶向和晶面 四、晶体缺陷n 理想的晶体：完美的结构，而实际的晶体：存在缺陷结构n 晶体缺陷类型：点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷n 硅中的晶体缺陷一般产生于晶体生长和后面硅锭和硅片加工中。1.点缺陷n 原子尺寸上的局部缺陷，

7、会造成晶格畸变。n 造成点缺陷的因素：晶体的生长速率，生长时的温度梯度，加工中的热处理，外来杂质的引入等2.线缺陷：位错刃形位错、 螺形位错3.面缺陷：层错n 面缺陷是二维缺陷，由于原子层错排，产生层错缺陷五、单晶硅制备（1）、半导体级硅（多晶硅）n 高温碳还原：加热含碳的硅石来制备冶金级硅 SiO2+C Si+CO2 沙子 MGS 纯度98%到99%n 高温氯化：通过化学反应将冶金级硅生成三氯硅烷（低纯度），并提纯成高纯度的三氯硅烷。 Si+3HCl SiHCl3+H2n 高温还原：通过三氯硅烷和氢气反应生产半导体级的硅 SiHCl3+H2 Si+3HCl SGS 纯度99.9999999%

8、 晶体结构：多晶（2）、单晶硅锭的制备n 半导体级硅 （多晶）单晶 生长后的单晶硅称为硅锭n 方法：CZ法（直拉法） FZ法（区熔法）CZ法：85%以上的单晶硅是用CZ法生长的，可生长大直径的单晶硅锭FZ法：其生长的单晶硅锭纯度高（氧含量低），但可生长的直径小n 单晶硅锭中的掺杂1）.直拉法（CZ法）n 准备阶段：通入惰性气体，清洗和腐蚀多晶硅，去除其表面污物和氧化层。 准备籽晶，要求晶格完好，无缺陷。籽晶的晶向和要生长的单晶硅棒的晶向一致。n 生长阶段：引晶缩颈放肩等颈生长收尾 缩颈是为消除籽晶中的原有缺陷和引晶时由于温度变化引起的新生缺陷n 停炉阶段：先降温，再停止通气，再开炉。避免单晶棒

9、在较高温度下暴露在空气中，被氧化和污染。2）.区熔法（ FZ法）3）.单晶硅锭中的掺杂n 在单晶生长时，在硅锭中掺入一定量的、族元素，以得到特定导电类型和电阻率的硅片。n 掺杂的方法有液相掺杂，气相掺杂n 掺杂浓度：六、硅片加工：整形处理、切片、倒角、磨片、刻蚀、抛光、清洗、质量检测、包装1）.整形处理：径向研磨，定位面（200mm及以下），定位槽（300mm及以上）2）.切片n 硅锭切割方式:外圆、内圆、线切割n 200mm以下的硅片，用带有金刚石切割边缘的内圆切割机 300mm及以上硅片，采用线锯法，用浆料覆盖的线代替金刚石覆盖的锯刀 其具有更薄的切口损失，机械损伤较小等优点，但切片的表面

10、平整度还存在问题3）.倒角防止硅片边缘破裂、防止热应力造成的损伤、增加外延层以及光刻胶在硅片边缘的平坦度。4）.磨片机械双面研磨，为去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行和平坦。5）.化学刻蚀6）.抛光7）.清洗、质量检测、包装质量检测参数：物理尺寸、平整度、微粗糙度、氧含量、晶体缺陷、颗粒尺寸和数量、体电阻率（3）硅片的规格和用途： 按直径：3英寸，4英寸，6英寸，8英寸，12英寸（300mm），18英寸（450mm） 按生长方式：CZ硅和FZ硅，外延硅 CZ硅主要用于二极管，太阳能电池，集成电路，外延硅的衬底片，直径在3到12英寸间。 FZ硅主要用于高压大功率可控整流器件，直径在3到

11、6英寸间 外延硅主要用于晶体管和集成电路 按晶向：100型，110型，111型第三章 氧化一、 SiO2特性n 自然氧化膜，在工艺制造中认为是一种沾污。 工艺中需要的氧化膜（SiO2）可以通过热氧化或淀积的方法得到。n SiO2结构：结晶型 无定型n 物理特性： 石英晶体的熔点为1732，非晶态的二氧化硅薄膜无熔点，软化点为1500。 电阻率在1071015·cm，电阻率与制备方法及所含杂质有关。 密度为2 2.2g/cm3n 化学特性：稳定，常温下只溶于HF酸, 具有酸性氧化物的性质二、 SiO2的用途掩蔽杂质、栅氧电介质、表面钝化和保护、器件隔离、金属导电层间的绝缘介质（1）.掩

12、蔽杂质n 选择性掺杂n 掩蔽:某种元素（B P As Sb等）在SiO2扩散的速度比在Si扩散的速度要慢的多，称SiO2对这些元素有掩蔽作用n 掩蔽杂质：（2）.栅氧电介质n 栅氧结构：用薄的氧化膜做介质材料 采用热氧化（干氧化法）n 质量要求： 规范的厚度 高质量 膜厚均匀 无杂质（3）.表面钝化和保护n 表面钝化:束缚硅的悬挂键，降低其活性n SiO2坚硬，无孔（致密），可保护硅片免受划伤或工艺损伤n 质量要求：均匀的厚度、 无针孔和空隙（4）.器件隔离n 器件隔离n 工艺技术： LOCOS工艺（用热氧化法） 、STI工艺（0.25m以下，用淀积法）LOCOS工艺（局部氧化工艺） 、STI

13、工艺(浅槽隔离工艺)（5）.金属导电层间的绝缘介质 层间介质：用化学淀积法三、热氧化法（热氧化生长）（1）、氧化方法n 干氧法：Si(固)+O2(气)SiO2(固) 特点：生长缓慢，结构致密n 水汽法：Si(固)+2H2O(水汽)SiO2(固)+2H2(气) 特点：生长速度快 致密性差n 湿氧法：干氧与水汽按比例混合 特点：湿氧法制备的膜比干氧的密度小n 实际氧化工艺采用干、湿氧交替的方法。一般使用三步氧化法：干湿干。 如：3DK4的一氧工艺：干氧15min，再湿氧40min，最后干氧15min。（2）、氧化生长模式n 硅的消耗：氧化工艺中SiO2的生长都要消耗硅n 氧化物形态：热氧化法生长的

14、SiO2是无定形。n 扩散运动： 随着的SiO2生长， SiO2会隔离开氧气和硅片，氧气要通过扩散运动穿过已生长的SiO2层与硅片接触反应n SiO2¡ªSi界面：界面电荷堆积n 常见缺陷：氧化诱生堆垛层错n 由于不完全氧化 ，造成带正电电荷区原因：过剩硅离子，产生悬挂键，出现净电荷 解决：H2或H2和N2混合气氛中低温退火n 由于沾污引入碱金属离子（如Na+），是可动正离子 解决：热氧化中掺入HCln 是造成SiO2¡ªSi界面氧化不完全的原因，导致过多的硅空隙n 解决：掺氯氧化三、氧化物的生长速度影响参数温度、氧化剂（O2或H2O）、压力、掺杂水平、

15、硅的晶向四、工艺与设备（1）.工艺过程：n 氧化前清洗氧化检查n 湿法清洗：去除颗粒，可动离子，天然氧化层等 氧化：含氯干氧清洗石英管 干湿干 交替氧化 检查：膜厚 均匀性 颗粒 缺陷等（2）.氧化设备n 高温炉（扩散炉） ： 可用于热氧化 热退火 淀积膜 热扩散n 主要有：卧式炉、立式炉、 快速热处理（RTP）n 卧式炉和立式炉特点： 基本工作原理一样、热壁炉体（硅片和炉壁都需要加热）、立式炉占地面积小，便于自动化，颗粒沾污少n RTP 特点： 单片处理、冷壁炉体（炉壁不加热，只对硅片加热）、升温快，加工时间短，沾污少、温度均匀性差、最广泛的应用是离子注入后的退火第四章 膜淀积n 淀积：一种

16、材料以物理方式沉积在晶圆表面的工艺过程n 与热氧化的区别：形成膜的来源不同 淀积：形成膜的物质全部来自外部的源 热氧化：从硅片表面生长，消耗衬底材料n 淀积的膜：SiO2，Si3N4，多晶硅，金属等一、薄膜特性（质量参数要求）n 高密度：连续的 不含孔隙n 厚度一致（均匀性）n 对台阶的覆盖好n 高的深宽比间隙填充能力n 高纯度 n 合适的化学剂量 n 低的膜应力 n 对下层材料的粘附性，台阶覆盖间隙填充能力n 用深宽比来描述一个间隙（孔或槽）n 深宽比=深/宽n 高的深宽比典型值一般为3 有时是5或更大n 一般膜淀积时槽的底部和边缘比较薄二、薄膜形成n 形成过程：晶核形成聚集成束（岛生长）连

17、续成膜n 膜结构控制：淀积膜可能是无定形、多晶、单晶 工艺设置不当，控制不良，会导致错误的膜结构 三、膜淀积技术 化学 化学气相淀积（CVD） 电镀 物理 蒸发 溅射 旋涂方法(1)化学气相淀积特点：产生化学反应、反应物以气相形式参加反应、 膜中的所有材料物质来源于外部的源（2）反应机理1.薄膜形成过程参加反应的气体传输到硅片表面；反应物扩散至硅片表面并吸附其上；硅片表面发生化学反应，生成膜分子和副产物；膜分子沿硅片表面向膜生长区扩散并与晶格结合成膜；反应副产物随气流流动至排气口，被排出淀积区2.速度限制：最慢的阶段决定整个淀积过程的速度n 两个速度：反应气体传输到硅片表面的速度、在硅片表面处

18、的化学反应速度n 质量传输限制CVD： V传输< V反应；不能提供充足的反应物（量不足）； 对温度不敏感；提高淀积率的途径：提高反应气体流量n 反应速度限制CVD： V传输>V反应；反应物量足，化学反应慢； 提供反应的能量很重要：温度；压力（低压有助于反应物扩散，低压CVD 属于反应速度限制）四、工艺与设备常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）、等离子体辅助CVD（PECVD） （1）常压CVD（APCVD）属于质量传输限制：反应速度可以保证反应气体的量不充足n 特点：淀积速度快 台阶覆盖能力差 气体消耗量大 低产出率n 应用：淀积SiO2和掺杂的氧化硅，用于层间绝缘、

19、保护性覆盖物、表面平坦化等功能（2）低压CVD（LPCVD）n 属于反应速度限制： 低压下便于扩散，有足够的反应气体到达硅片表面 反应速度限制了淀积速度（要严格控制温度）n 特点： 优良的台阶覆盖能力 大的硅片容量 淀积速率低 高维护n 应用：多晶硅膜和氮化硅（3）等离子体辅助CVD（PECVD）n 在LPCVD基础上，加高频电场，使反应气体电离成等离子体，发生反应，沉积成膜n 特点：低压，可与LPCVD比拟；低温，快速淀积；台阶覆盖能力好；要求RF系统成本高n 应用：淀积热稳定性差的材料五、外延n 定义：在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层n 优点：外延在优化器件性能上提供很大的灵活性。1、 外延

20、工艺：气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）（1）气相外延n 硅片制造中最常用的外延方法，属于CVDn 硅气相外延的生长机理n 工艺步骤清洁、装炉、换气、升温、气相抛光、外延生长、闭源降温、取片（2）分子束外延n 类似于真空蒸发淀积，是用来淀积外延层可达到原子分辨率的一种方法n MBE系统提供电磁场使硅原子蒸发，这些硅原子束离开硅源，流动通过腔体，淀积在单晶硅片上n 特点：低温，减少了自掺杂和外扩散；生长速度慢；膜形成易控制，可实现单层增量控 制；产率低，花费高六、金属化与平坦化n 什么是金属化：集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路系统，

21、并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务的就是金属布线。金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线的影响。n 什么是平坦化： 平坦化就是将硅片表面起伏不平的介电层加以平坦的工艺。经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。（1）金属布线n 基本概念：互连、接触、通孔、栓塞n 多种金属 互连金属（铝，铝铜合金，铜）、阻挡层（钛，钽等）、硅化物、金属填充塞（钨）（2）金属淀积方法：蒸发、溅射、金属CVD、电镀1）蒸发：真空蒸发、电子束蒸发。在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金

22、属表面的束缚成为蒸汽原子，沉积在晶片上。早期的金属膜采用蒸发法，20世纪70年代被溅射取代。特点：台阶覆盖差 沟槽填充能力差 淀积合金困难2） 溅射：高能粒子撞击靶，撞击出原子，沉积在基片上，形成薄膜。特点：可在大晶圆上控制淀积均匀的薄膜、膜厚均匀，台阶覆盖能力好、保持复杂合金原组分、能淀积高熔点和难溶金属、能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化层（原位溅射） 三类溅射系统：RF（射频）、磁控、IMP（离子化的金属等离子体）3） 金属CVD：CVD法由于台阶覆盖能力强，具有良好的高深宽比接触和无间隙式的填充，广泛应用于金属淀积。应用：钨，铜的种子层等4）铜电镀（3）平坦化1）传统平坦化技

23、术： 反刻 玻璃回流 局部平坦化技术 旋涂膜层2） 化学机械抛光（CMP）全局平坦化技术平坦化未平坦化的硅片不同的平坦化效果反刻法示意图玻璃回流示意图旋涂膜层法旋涂膜层之后的效果化学机械平坦化（CMP）CMP工艺中的图形密度效应七、铜金属化（1）信号延迟（互连延迟）成为关键延迟，低K介质和铜互连成为发展的趋势（2）使用铜的困难：1）铜在氧化硅和硅中扩散快（铜扩散进硅的有源区，使器件失效）2）铜难刻蚀3）低温下（<200）空气中，易氧化，且不会形成保护层阻止铜进一步氧化第五章 光刻5-1光刻材料一、概述 制作掩膜版步骤：将掩膜版上的图形转移到硅片表面的光敏薄膜上，再进行刻蚀或离子注入（掺杂

24、）。n 光刻使用光敏光刻胶材料和受控制的曝光形成三维图形n 光刻是IC制造中关键步骤 1/3成本、40%50%生产时间、决定CDn 多次光刻n 光刻材料：光刻胶 掩膜版二、光刻胶（PR）1.光刻胶的特性及作用n 是一种光敏材料n 通过曝光使光刻胶在显影液中的溶解度发生改变 可溶不可溶（负胶） 不可溶可溶（正胶）n 光刻胶的作用：保护下层材料n 光刻胶：负性光刻胶 正性光刻胶2.光刻胶的组成树脂：作为沾合剂的聚合物的混合物，给予光刻胶机械和化学性能。 感光剂：光刻胶材料的光敏成分。溶剂：使光刻胶具有流动性。添加剂：控制光刻胶材料特殊方法的化学性质。（1）负性光刻胶n 树脂（可溶于显影液） 曝光后

25、感光剂产生自由基，自由基使树脂交联而不溶于显影液n 显影后图形与掩膜版相反（2）正性光刻胶n 树脂（本身是可溶于显影液，感光剂是一种强力溶解抑制剂） 曝光后感光剂产生酸，酸提高树脂在显影液中的溶解度n 显影后图形与掩膜版相同（3）对比：正、负光刻胶n 负胶：显影泡胀而变形，使分辨率下降曝光速度快，与硅片粘附性好，价格便宜，2m分辨率n 正胶：无膨胀，良好的线宽分辨率，和基片之间的粘附性差n 当前主要使用正胶3.光刻胶发展n 传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.35mCD）n 深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25mCD）n 深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18mCD）4.

26、光刻胶的特性n 分辨率：将硅片上两个邻近的特征图形区分开的能力n 对比度：光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度n 敏感度：产生一个良好图形所需的最低能量n 粘滞度：液体光刻胶的流动特性的定量指标n 粘附性：光刻胶粘着衬底的强度n 抗蚀性：在后面的加工工艺中保持化学稳定性三、掩膜版n 掩膜版：包含整个硅片上所有管芯 投影掩膜版：包含一个管芯或几个管芯n 两个基本部分：基板（石英版）+不透光材料n 基板要求：低温度膨胀、高光学透射、耐腐蚀、材料表面和内部没有缺陷n 超微粒干版：AgBr（卤化银） 铬版：Cr（铬）+氧化铬 氧化铁版：Fe2O3（氧化铁）n 投影掩模板 采用电子束光刻直写式 投影掩模

27、板的损伤： 掉铬、表面擦伤、静电放电、灰尘颗粒§5-2光刻工艺光刻的基本步骤：气相成底膜、旋转涂胶、前烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查一、气相成底膜n 目的：增强硅片与光刻胶的黏附性n 底膜处理的步骤 1.硅片清洗 不良的表面沾污会造成： 光刻胶与硅片的黏附性差，可能会浮胶、钻蚀 颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔 2.脱水烘焙：使硅片表面呈干燥疏水性 3.底膜处理 HMDS作用：影响硅片表面形成疏水表面，增强硅片与胶的结合力 成底膜技术：旋转法和气相法二、旋转涂胶n 质量参数：厚度、均匀性、颗粒沾污、光刻胶缺陷（如针孔）等n 厚度和均匀性 光刻胶厚度通常在1

28、m数量级，单片厚度变化2050A，大批量的片间厚度30A三、前烘（软烘）n 目的：光刻胶中的溶剂部分挥发；增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力；缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力；n 如果没有前烘，可能带来的问题有：光刻胶发黏，易受颗粒污染；光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题；溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶；光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜四、对准和曝光n 对准和曝光工艺代表了现代光刻中的主要设备系统n 硅片被定位在光学系统的聚焦范围内，硅片的对准标记与掩膜版上匹配的标记对准后，紫外光通过光学系统透过掩膜版进行图形投影，这样就对光刻胶进行曝

29、光。n 曝光方式和设备n 曝光光源n 光学光刻特性n 曝光质量1.曝光方式和设备： 光学：接触式/接近式光刻机、扫描投影光刻机、步进扫描光刻机非光学：电子束光刻机、X射线光刻机、离子束光刻机接触式光刻机特点： 掩膜版容易损坏、易受颗粒沾污、高分辨率，可以实现亚微米（0.4m）线宽接近式光刻机特点： 与接触式相比减少了沾污问题；掩膜版的寿命也较长；由于光的衍射而分辨率降低扫描投影式光刻机利用反射镜系统把有1:1图像的整个掩膜板图形投影到硅片表面。使用1：1掩膜版。n 特点：亚微米尺寸的掩膜版制作困难步进扫描式光刻机n 近年主流设备，用于形成0.25m及以下尺寸n 使用投影掩膜版（1：1，4：1，

30、5：1，10：1）n 特点：高分辨率；精度易受环境影响（如振动等影响）；光刻系统复杂，设备昂贵n 电子束曝光 利用电子束在电磁场的作用下可以聚焦、偏转一定的角度，将电子与光刻胶发生碰撞，发生化学反应完成曝光。目前，最有应用前途的是限角度投影式电子束光刻。电子束曝光，分辨率高、掩膜版制作容易、工艺容限大，生产效率高，但由于电子束在光刻胶膜内的散射，使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响（即临近效应），造成的结果是，显影后，线宽有所变化或图形畸变。n X射线曝光 X射线曝光选用的是特殊材质的X射线掩膜版。X射线经过专用掩膜版投射到硅片上，与光刻胶作用达到曝光的效果。X射线的衍射、反射、折射

31、以及散射都很小，很适合亚微米尺寸的曝光。 X射线曝光，分辨率高，可实现纳米工艺。对于小尺寸工艺，其衍射现象可以忽略，穿透力强，不会污染硅片。但光刻机以及掩膜版制作麻烦，硅片对准比较困难，X射线能量太高，会使掩膜版热膨胀变形等。n 离子束曝光 离子束曝光是将聚焦后的离子束投影到光刻胶上达到曝光的目的。离子束和电子束同样具有很高的分辨率，而且因为离子的质量比电子大，所以在光刻胶中的散射要比电子束弱的多，可达到50nm的高分辨率。 n 光谱紫外光（450nm4nm）：深紫外DUV（248nm193nm）真空紫外VUV（157nm）极紫外EU（13nm）超净间光刻区域：采用黄灯照明n 最常用的两种紫外

32、光源：汞灯 准分子激光 汞灯：发出240nm¡ª500nm之间的辐射 准分子激光：248nm氟化氪激光器（常用）193nm氟化氩激光器（下一代技术）157nm波长的激光器（潜在的0.15mCD的光源）n 先进和特殊用途的光源：X射线 电子束 离子束3.光学光刻特性n 数值孔径n 分辨率n 焦深透镜的数值孔径n 数值孔径（NA）：透镜收集衍射光的能力n NA测量透镜能够接收多少衍射光，并且通过把这些衍射光会聚到一点成像n NA=透镜的半径/透镜的焦长n 可以通过增加镜头半径来增加NA并俘虏更多衍射光的方式。这也意味着光学系统更加复杂更加昂贵。分辨率n 分辨率R=K/NAn 该

33、公式表示影响光刻胶上形成几何图形的能力的参数有:波长、数值孔径NA 、工艺因子K焦深n 焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰，这个范围称为焦深或DOF。n 焦深是焦点上面和下面的范围，焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面n 曝光系统就是找到并维持整个硅片和不同硅片的最佳聚焦n DOF=/2（NA）2分辨率和焦深的对应关系n 在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。n 硅片的表面起伏，影响光学系统不能充分聚焦硅片表面所有地方。4、曝光质量n 影响曝光质量因素：光刻胶对光的吸收 ；光反射；临近效应n 驻波：入射光和反射光之间的干涉；驻波沿着

34、光刻胶厚度变化引起不均匀曝光；驻波本身降 低光刻胶成像的分辨率n 防反射涂层： 防反射涂层切断了从晶圆表面反射的光线；降低驻波效应和增强图形对比度五、曝光后烘焙n 目的：提高光刻胶的粘附性和减少驻波影响n 曝光后烘重新分布了光刻胶中的光敏化合物（PAC），并通过减少驻波获得了较陡直的光刻胶侧墙剖面六、显影n 显影的关键：产生的关键尺寸达到规格要求n 显影中可能出现的问题：显影不足：比正常线条要宽并且在侧面有斜坡不完全显影：在 衬底上留下应去掉的光刻胶过显影：除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外形显影技术n 早期的显影：固定浸没式n 现代的显影技术：连续喷雾 旋覆浸没显影参数显影温度；显影

35、时间；显影液量；清洗；排风；硅片吸盘七、坚膜烘焙n 目的：蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬。提高了光刻胶对衬底的粘附性，光刻胶的抗刻蚀能力，同时除去剩余的显影液和水。n 坚膜温度可以达到溶剂沸点，以有效蒸发掉溶剂实现最大的光刻胶增密。n 充分加热后，光刻胶变软并发生流动，较高的坚膜温度会引起光刻胶的轻微流动，从而造成光刻图形变软n 深紫外线坚膜：通过深紫外线曝光使正胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加了光刻胶的热稳定性八、显影检查n 目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷n 显影检查用来检查光刻工艺的好坏，为光学光刻工艺生产人员提供用于纠正的信息第六章刻蚀§6-1刻蚀的概念一、基本概念：刻

36、蚀的目的是去除材料n 有选择的去除（光刻胶开出的窗口）；整体剥离或反刻n 被刻蚀的材料：介质 硅 金属 光刻胶n 刻蚀工艺： 湿法刻蚀：只能形成大尺寸线条（ 3m尺寸 ），通常用于整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等 干法刻蚀：可以形成亚微米尺寸，是目前用来形成图形的主要方法二、刻蚀参数刻蚀速率；刻蚀剖面；刻蚀偏差；选择比；刻蚀因子；均匀性1.刻蚀速率n 刻蚀速率：去除材料的速度，单位：A/minn 公式：T/tn 刻蚀速率与被刻蚀材料类型，采用的刻蚀剂，硅片表面的几何形状等因素有关。刻蚀速率通常正比于刻蚀浓度。n 负载效应2.刻蚀剖面n 刻蚀剖面：刻蚀后图形的侧壁形状n 两种不同剖面：各向同性

37、 ，各向异性n 各向异性对制作亚微米器件很关键，高的各向异性，可以形成88°89°垂直度的侧壁3.刻蚀偏差n 刻蚀偏差：刻蚀后线宽或关键尺寸间距的变化n 通常是由横向钻蚀引起。4.选择比n 选择比：两种材料刻蚀速率的比n 公式：S= Er/Efn 高选择比意味着只刻除想要刻去的那层材料。高选择比对于确保关键尺寸和剖面控制是必需的，要制造的关键尺寸越小，选择比要求越高。5.刻蚀因子n 刻蚀因子：刻蚀的深度和横向刻蚀量的比值。n 刻蚀因子越大，说明横向刻蚀速率越小，刻蚀效果越好，即：刻蚀的各向异性好。6.均匀性n 衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数

38、。n 保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。n 难点在于在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保持均匀性。n （微负载效应）深宽比相关刻蚀：具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。n 对于高深宽比的图形窗口，化学刻蚀剂难以进入，反应生成物难以出来。§6-2刻蚀工艺一、湿法刻蚀n 使用液体化学试剂（酸、碱和溶剂等）与薄膜间的化学反应去除被刻蚀的材料。n 反应产物必须是易挥发性的或可溶于刻蚀剂的物质，否则会成为沉淀，影响刻蚀的进行。n 特点：各向同性，难以精确控制线宽和获得精细图形；刻蚀选择比高；工艺、设备简单，成本低；光刻胶易脱落；工艺中难控制参数；存在安全性问题，化学试剂

39、需处理n 方式：浸泡 喷射n 应用：通常用于大尺寸刻蚀（ 3m尺寸 ），一般用于整体剥离或去除残留物等二、干法刻蚀n 利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。n 特点：横向钻蚀小，无化学废液，分辨率高，操作安全，简便；处理过程未引入污染；易于实现自动化，表面损伤小。 缺点:成本高,设备复杂。n 干法刻蚀方式：等离子刻蚀： 利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差溅射与离子束铣蚀： 通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，

40、但选择性较差反应离子刻蚀(RIE)： 通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。干法刻蚀设备n 化学刻蚀：桶式和下游式n 物理刻蚀：离子束刻蚀n 物理和化学结合的刻蚀：反应离子刻蚀和高密度等离子刻蚀圆桶式刻蚀系统n 属于化学各向同性刻蚀，高选择比，等离子诱导损伤小n 桶式系统用于硅片表面去胶，氧是去胶的主要刻蚀剂。下游式刻蚀系统n 下游刻蚀，减少硅片曝露在等离子体中的时间，从而减少或消除等离子体带来的损伤。n 属于化学各向同性刻蚀。n 下游式系统用于去胶或去

41、除非关键层。离子束刻蚀系统n 具有强方向性等离子体的一种物理刻蚀机理n 能实现小尺寸图形的各向异性，低选择比，低产能n 离子束刻蚀系统通常用于金，铂和铜等难刻蚀的材料反应离子刻蚀系统n 采用化学反应和物理离子轰击去除硅片表面材料的技术n 具有较好的各向异性侧壁图形n 反应离子刻蚀系统通常用于单晶硅槽的刻蚀高密度等离子体刻蚀系统n 先进的IC技术中刻蚀关键层最主要的刻蚀方法是采用单片处理的高密度等离子体刻蚀技术n 高密度等离子体刻蚀技术，可以在高深宽比图形中获得各向异性刻蚀。n 标准等离子体刻蚀，对于0.25m以下尺寸，刻蚀基难以进入高深宽比图形，刻蚀生成物难以从高深宽比图形出来。n 解决：低压

42、，以增加气体分子和离子的平均自由程。但同时由于压力减少而减少了离子密度，从而降低了刻蚀速率，所以采用高密度等离子体技术，以产生足够的离子，从而获得可接受的刻蚀速率。n 传统等离子体，离化度是在0.01%0.1%。而高密度等离子体能产生较大的刻蚀基分解，获得高达10%的离化率。n 高密度的等离子体刻蚀机中等离子体通常处于磁场中。由于：产生的等离子体能更有效的获得进入高深宽比窗口。可减少硅片上得直流偏压，从而减少粒子轰击，产生较低的硅片损伤。等离子密度大，有更多的反应基，可增大刻蚀速率。终点检测n 干法刻蚀对下层材料没有好的选择比，需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减少对下层材料的过度刻蚀n

43、终点检测系统测量一些不同的参数，如刻蚀速率的变化，产物的类型等§6-3材料刻蚀n 需刻蚀的材料有：金属，介质和硅，光刻胶n 介质刻蚀：（如SiO2）接触孔和通孔制作n 硅刻蚀： 如：刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容n 金属刻蚀： 如：金属层上去除铝合金，制作互连线n 光刻胶剥离一、介质刻蚀n 对于200mm以上的硅片，铜互连采用双层大马士革技术，层间介质的沟槽刻蚀和低K介质刻蚀是技术难题。n 介质刻蚀通常是制作接触孔和通孔，要求刻蚀出高深宽比的窗口。n 氧化物的刻蚀困难之一在于难以获得对下层材料（通常是硅、氮化硅或一层抗反射涂层）的高选择比。n 为了防止形成倾斜的侧墙，获得高的氧化硅/光

44、刻胶的选择比很重要二、硅的刻蚀n 主要是制作MOS栅结构的多晶硅栅和制作器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽。n 多晶硅栅的刻蚀工艺必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和可重复性，同时要求高度的各向异性。n 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或DRAM中高密度的垂直电容的制作。在高密度IC中要求数百万个沟槽具有一致的光洁度，接近的垂直侧壁，正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角。三、金属刻蚀n 金属刻蚀主要的应用就是作为金属互连线的铝合金刻蚀。通常采用多步刻蚀工艺刻蚀金属复合膜。n 钨，阻挡层金属，接触金属也是硅片制造中要被刻蚀的金属。钨通常采用反刻法制作钨塞。n 铜不能采用

45、干法刻蚀，因为无法形成挥发性的生成物，使等离子体刻蚀难以进行。n 金属刻蚀要求： 高刻蚀速率（大于1000nm/min）；对下层的高选择比，对掩膜层（4：1）和层间介质（20：1）；高的均匀性，CD控制很好，没有微负载效应 ；没有等离子体诱导充电带来的器件损伤；残留物污染少；不会腐蚀金属；四、光刻胶去除n 湿法去除： 湿法去除是剥离光刻胶的一种基本方法，但由于化学药品需要管理和处理，使用湿法去除不合算。通常干法刻蚀前，光刻胶表面都经过加固处理，使得光刻胶在大部分湿法去胶液中不溶解，需要干法等离子体去胶去掉至少上面的一层光刻胶n 等离子体去胶法： 用氧气来干法去胶，是批量去胶的一种主要工艺，主要

46、使用下游等离子体反应器。使用O2/N2 ，O2与光刻胶（碳氢聚合物）反应生成挥发性的气体，这些生成物被真空系统抽走去除。第七章掺杂§7-1掺杂的概念n 什么是掺杂：把杂质引入半导体材料的晶体结构中，以改变其电学特性（如电阻率）的一种方法。n 掺入的杂质：有A族和A族元素，如B、P、As、Sb等n 掺杂的用途： 掺入B、P等，可以形成硅器件中的多数载流子，形成硅片中的导电层，如：在多晶硅栅电极中掺杂提高其电导率。也可以改变材料的性能，如：SiO2中掺杂形成BPSG。n 掺杂的方法：热扩散和离子注入 热扩散：利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，这种方法受时间和温度的影响，是早期使用的掺杂手

47、段。 离子注入：通过高压离子轰击把杂质引入，杂质通过与硅片发生原子级的高能碰撞，才能被注入。现代芯片制造几乎所有的掺杂工艺都是离子注入实现的，是唯一能够精确控制掺杂的手段。n 掺杂区： 硅锭生长时，掺入杂质，形成P型或N型硅；硅片制造时，通过掩膜窗口，掺入杂质，形成掺杂区n 掺杂的掩膜： 对离子注入，通常是光刻胶，因低温，也可使用其它掩膜；对扩散，因高温，需要氧化物或氮化物。n 掺杂形式： 可以与衬底相同，但杂质浓度不同，如P型硅中的P+重掺杂区；可以与衬底相反，形成pN结n 掺杂的工艺问题：硅片在一套工艺过程中有多次高温过程，每次高温都会造成杂质在硅中的扩散，杂质的扩散会改变原始掺杂区的参数

48、，并影响器件性能。§7-2扩散一、热扩散运动n 热扩散运动：由浓度梯度或温度梯度所产生的使温度趋于平衡、浓度趋于均匀的定向运动。n 扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差；必须的能量n 扩散分为三种： 气态 液态 固态二、扩散模型1.杂质移动：n 每一种杂质在硅中都有一定的扩散率，扩散率表示杂质在硅片中的移动速度，扩散率越高，杂质移动越快。n 杂质的存在形式：替位杂质和填隙杂质 替位杂质：占据正常的晶格，是硅晶格结构的一部分，具有改变电特性的作用。 填隙杂质：占据间隙位置，未被激活，不会起到杂质掺杂的作用。n 激活： 加热能使杂质移动到正确的晶格上，称为晶格激活。激活发生在高温下，对于

49、扩散，激活发生在扩散过程中，是其中的一部分；对离子注入，激活在退火阶段完成。 注意：硅中的杂质只有一部分被真正激活，并提供用于导电的电子或空穴（大约3%5%）。大多数杂质仍然处于间隙位置，没有被电学激活。2.固溶度n 在一定温度下，硅能够吸收的杂质数量是一定的，被称为固溶度极限。三、扩散工艺n 扩散工艺是将具有电活性的杂质，在一定温度下，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度及掺杂类型。n 两种不同的源扩散形式： 恒定表面源扩散（扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变） 有限表面源扩散（扩散过程中，作为扩散源的杂质总量不变，不再有新源补充）n 两步扩散工艺：预淀积、推进、（激活）预

50、淀积n 设备：高温扩散炉 工艺环境：8001000,10min30minn 杂质原子从源转移到扩散炉内，杂质仅入了硅片的表面很薄的一层，表面浓度是恒定（恒定表面源扩散）。n 温度低，时间短，扩散深度浅，如同淀积在表面上一样，称为预淀积。n 目的是为了控制杂质总量。n 预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度，表面的杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小，从而形成梯度。推进n 工艺环境：10001250n 在高温过程中，使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成期望的结深。在这个过程中以预淀积引入的杂质源作为扩散源，不再向硅片中增加杂质（有限表面源扩散）。n 温度高，时间长。n 目的是控制表面浓度和扩散深度。

51、激活n 工艺环境：温度稍微升高。n 使杂质原子与晶格中的硅原子键合，这个过程激活了杂质原子，改变了硅的电导率。n 杂质源 早期使用纯杂质元素作为杂质源，现在并不适用亚微米IC制造，如，B和P在室温，低蒸气压下是固态的，很难融化或蒸发，用固态杂质源也很难控制杂质浓度，杂质源通常由化合物的气态或液态源提供。 携带气体（如氮气）通过液态源，使其以蒸汽的形式传输到炉子中，氧气用于杂质源能够反应形成氧化物，例如，氧化硼与硅发生二次反应，在硅片表面形成富硼二氧化硅层，作为预淀积的硼源。n 离子注入是将含有掺杂杂质的化合物分子（如BCl3或BF3等）电离为杂质离子后，聚集成束并用强电场加速，使其成为高能电子

52、束，直接轰击半导体材料。在掺杂窗口处，杂质离子被注入衬底材料，以实现选择掺杂的过程。 n 离子注入具有精确的对剂量和深度的控制能力和整体工艺的灵活性。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：高能杂质原子轰击硅原子将对硅晶体结构产生损伤，大多数甚至所有的晶体损伤都能用高温退火进行修复； 注入设备复杂性。一、 离子注入工艺理论：离子碰撞和能量损失、离子射程、离子注入剂量1.离子碰撞和能量损失n 注入离子在穿行硅片过程中与硅原子发生碰撞，导致能量损失，并最终停在某一深度。n 两种主要能量损失机制：电子阻碍

53、和核阻碍n 晶格损伤：杂质在硅原子间穿过，会在晶格中产生一条受损害的路径，损伤的情况决定于杂质离子的轻重。会使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 2.射程n 射程：离子注入过程中，离子穿入硅片的总距离。n 能量：当离子由于电势差加速时，就获得了能量。 公式：E=nU E为能量，单位：电子伏特（eV）、n为离子所带的电荷数 、U为电势差，单位：伏特（V） 入射能量越高，意味着杂质原子能穿入硅片越深，射程越大，控制结深就是控制射程。n 投影射程RP： 注入离子在硅片中穿行的距离，决定于离子质量和能量、靶的质量和离子束相对于硅片晶体结构的方向。 并非所有的离子都恰好停在投影射程上。 由于离子的各种运动状态，产生了注入硅片的杂质原子穿行的距离分布，即偏差RP。 RP表示可以形成多深的结，而RP表示入射离子在RP周围的分布。随着杂质原子的注入能量增加，投影射程将增加，但杂质浓度的峰值将会因偏差的增加而降低。3.剂量n 剂量（Q）:单位面积硅片表面注入的离子数。n 公式：Q=It/enA Q为剂量，单位：个/cm2 I为束流，单位：A t为注入时间，单位：se为电