带试题复习笔记考试版

1、期终考试规范期终考试规范1. （1）：10小题，每小题小题，每小题2分，共分，共20分；分；（2）：8小题，每小题小题，每小题4分，共分，共32分；分；（3）：2小题，第小题，第1小题小题4分，第分，第2小题小题12分，共分，共16分；分；（4）：2小题，第小题，第1小题小题6分，第分，第2小题小题10分，共分，共16分；分；（5）：2小题，每小题小题，每小题8分，共分，共16分。分。2. （1）解释机理、分析实验结果、给出工艺解决方法）解释机理、分析实验结果、给出工艺解决方法3道题目，分属第道题目，分属第6章章、第、第7章章、第、第9章章；（2）缩写中文名称及简要解释问题，分别分布于除第）缩

2、写中文名称及简要解释问题，分别分布于除第1章概述、第章概述、第10章章ic制造和第制造和第11章未来趋势和挑战之外的各章，第章未来趋势和挑战之外的各章，第8章章和第和第9章章的权重略大。的权重略大。黄君凯 教授egs：电子级硅：电子级硅cad：计算机辅助设计：计算机辅助设计car：psm：opc：光学邻近矫正技术：光学邻近矫正技术euv：极短紫外光刻：极短紫外光刻xrl：x射线光刻射线光刻boe：di：去离子水：去离子水rie：hdp：tcp：线圈耦合等离子体刻蚀：线圈耦合等离子体刻蚀ecr：电子回旋共振等离子体刻蚀：电子回旋共振等离子体刻蚀oes：黄君凯 教授rta：simox：soi：cv

3、d：化学气相沉积（气相外延：化学气相沉积（气相外延 vpe）mocvd：金属有机化合物：金属有机化合物 气相沉积气相沉积mbe：分子束外延：分子束外延sls：apcvd：lpcvd：pecvd：psg：磷硅玻璃：磷硅玻璃bsg：硼硅玻璃：硼硅玻璃bpsg：硼磷硅玻璃：硼磷硅玻璃pvd：物理气相淀积：物理气相淀积黄君凯 教授cmp：化学机械抛光：化学机械抛光 ssi：小规模集成电路：小规模集成电路 msi：中规模集成电路：中规模集成电路 lsi：大规模集成电路：大规模集成电路 vlsi：超大规模集成电路：超大规模集成电路ulsi ：特大规模集成电路：特大规模集成电路locos：nvsm：非挥发性

4、存储器：非挥发性存储器dram：sram：mems：微机电系统：微机电系统dof：焦深焦深黄君凯 教授第第2章章 晶体生长晶体生长图图2-1 从初始原料到抛光硅片的基本工艺流程从初始原料到抛光硅片的基本工艺流程黄君凯 教授2.1 从熔体生长硅单晶从熔体生长硅单晶 2.1.1 初始原料初始原料注注1: 纯度为纯度为98%的冶金纯硅。的冶金纯硅。注注2: 纯度为纯度为ppb（十亿分之几）的（十亿分之几）的电子级硅（电子级硅（egs）。）。黄君凯 教授12siosicsisioco 3sihclsihclhcl 322sihclhsihcl 2.1.2 czochralski(切克劳斯基切克劳斯基)

5、法拉单晶法拉单晶2.1.3 杂质分布杂质分布（1）平衡分凝系数平衡分凝系数固固-液界面固体和液体侧的液界面固体和液体侧的杂质平衡浓度杂质平衡浓度的比值定义为的比值定义为平衡分凝系数（平平衡分凝系数（平衡状态下，固液两相中杂质浓度之比）衡状态下，固液两相中杂质浓度之比）。硅中常见杂质大部分具有硅中常见杂质大部分具有 1。黄君凯 教授0k0slckc0k0-1000(1)ksmcc kmk0 1，杂质向尾部集中；，杂质向尾部集中； k0 1，杂质向头部集中；，杂质向头部集中； k0 = 1，分布状态不变。，分布状态不变。黄君凯 教授2.1.4 有效分凝系数有效分凝系数（1）有效分凝系数有效分凝系数

6、固体中的杂质浓度与液体内部杂质浓度的比值定义为固体中的杂质浓度与液体内部杂质浓度的比值定义为有效分凝系数有效分凝系数与的关系与的关系ekselckc000(1)exp()selckkvckkd0kek黄君凯 教授注意注意:n 当生长参数当生长参数 的值较大时的值较大时, 1 ,可在晶体中形成均匀的杂可在晶体中形成均匀的杂质分布。质分布。n 当当 法生长晶体的旋转速度为法生长晶体的旋转速度为 时时,可得出可得出 可见高可见高 低低 易获得易获得 1 。n 在在 1 情况下，在熔炉中不断加入超纯多晶硅，可保持熔炉初始情况下，在熔炉中不断加入超纯多晶硅，可保持熔炉初始杂质浓度不变。杂质浓度不变。vd

7、ek1/3 1/601/21.8dvwek0kvwwcz黄君凯 教授先区熔（尾先区熔（尾端）硅棒中端）硅棒中杂质较少杂质较少后区熔（顶后区熔（顶端）硅棒中端）硅棒中杂质较多杂质较多图图2-11 分布曲线分布曲线scx01 (1)ek xlsecck e黄君凯 教授n 一次悬浮区熔提纯效果比一次悬浮区熔提纯效果比czochralski法差法差n 区熔精炼工艺：多次悬浮区熔法可实现晶体提纯区熔精炼工艺：多次悬浮区熔法可实现晶体提纯2.2.2 晶体提纯：区熔精炼工艺晶体提纯：区熔精炼工艺图图2-12 多次区熔提纯分布多次区熔提纯分布黄君凯 教授（1）常规掺杂）常规掺杂（2）均匀掺杂：中子辐照工艺）均

8、匀掺杂：中子辐照工艺当当 较小时，采用热中子对硅片进行辐照，可获得均匀掺杂较小时，采用热中子对硅片进行辐照，可获得均匀掺杂 2.2.3 区熔法掺杂区熔法掺杂0cnsi黄君凯 教授（1）czochralski (切克劳斯基切克劳斯基)法法 抑制抑制gaas熔体离解方法：熔体离解方法：1atm以下的熔融氧化硼以下的熔融氧化硼 罩子。罩子。（2）bridgman（布里奇曼）法（布里奇曼）法2.3.2 gaas单晶体生长技术单晶体生长技术23b o黄君凯 教授2.4.1 晶片整形晶片整形（1）机械加工）机械加工（2）化学加工）化学加工（3）抛光加工：化学机械抛光）抛光加工：化学机械抛光2.4 材料特征

9、材料特征黄君凯 教授（1）晶体缺陷）晶体缺陷n 点缺陷：间隙原子、空位、杂质点缺陷：间隙原子、空位、杂质n 线缺陷：位错（刃型和螺型）线缺陷：位错（刃型和螺型）n 面缺陷：晶界和层错面缺陷：晶界和层错n 体缺陷：杂质沉淀与固溶度体缺陷：杂质沉淀与固溶度2.4.2 晶体特征晶体特征黄君凯 教授（2）材料特征）材料特征n 单晶硅：单晶硅：czochralski法制备单晶硅中存在法制备单晶硅中存在 杂质杂质 和和 。 碳碳有助于形成缺陷。有助于形成缺陷。 氧氧一方面起施主作用，改变材料的电阻率；另一一方面起施主作用，改变材料的电阻率；另一方面，能增强硅材料的强度。另外，氧的沉淀物方面，能增强硅材料的

10、强度。另外，氧的沉淀物有吸杂作用。有吸杂作用。n 单晶单晶gaas： bridgman法优于法优于czochralski法。法。co第第3章章 硅氧化硅氧化 vlsi制造中，薄膜工艺是核心，包括热氧化膜（含栅氧化膜和制造中，薄膜工艺是核心，包括热氧化膜（含栅氧化膜和场氧化膜）、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。场氧化膜）、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。黄君凯 教授图图3-1 mosfet截面图截面图（2） 膜结构膜结构热氧化生成的热氧化生成的 膜属于非晶态结构。膜属于非晶态结构。湿氧化结构比干氧化结构稀疏。湿氧化结构比干氧化结构稀疏。由于干氧化膜质量远优于湿氧化膜，故制备厚度相当薄的高质量栅氧由于干氧

11、化膜质量远优于湿氧化膜，故制备厚度相当薄的高质量栅氧化层则采用干氧法化层则采用干氧法湿氧化速率远高于干氧化湿氧化速率远高于干氧化 黄君凯 教授2sio2sio黄君凯 教授对应于氧化物生长初期，表面反应速率常数对应于氧化物生长初期，表面反应速率常数 限制了生长速率，出现限制了生长速率，出现线线性型性型生长关系。生长关系。对应于氧化物生长后期，氧化济扩散系数对应于氧化物生长后期，氧化济扩散系数 限制了生长速率，出现限制了生长速率，出现抛物抛物线型线型生长关系。生长关系。d/()xb a t2()xb t（4）结果讨论）结果讨论n 线性率常数线性率常数 具有具有 形式（形式（ 为激活能），并取决为激

12、活能），并取决于单晶硅晶向。于单晶硅晶向。【实验结果实验结果】 具有激活能函数形式，且具有激活能函数形式，且 。 （接近（接近 键能键能 ）【推论推论】由于】由于 与氧原子和硅晶格反应速率与氧原子和硅晶格反应速率 有关，也即与硅表面键结构有关，从而有关，也即与硅表面键结构有关，从而 与晶向有关；由于与晶向有关；由于晶面键密度比晶面键密度比 晶面更高，故晶面更高，故晶面晶面 的值的值 更大。更大。黄君凯 教授/b aexp(/)aektaesisi2aeev1.83ev图图3-6 b/at关系关系/b a/b an 抛物线率抛物线率常数常数 具有具有 形式，并与晶向无关。形式，并与晶向无关。【实

13、验结果实验结果】 具有激活能函数形式，且具有激活能函数形式，且 接近氧在接近氧在 中的扩散激活能中的扩散激活能 ； ，接近水在，接近水在 中的中的 扩散激活能扩散激活能 。【推论推论】 与氧化剂在与氧化剂在 中的随机扩散有关，从而与单晶硅晶向无关。中的随机扩散有关，从而与单晶硅晶向无关。黄君凯 教授exp(/)aekt()=1.24aeev干氧1.18ev2sio()0.71aeev湿氧2sio0.79ev2sio图图3-7 bt关系关系bbb黄君凯 教授3.2 氧化过程中杂质再分布氧化过程中杂质再分布3.2.1 影响的因素影响的因素 （1）杂质在）杂质在 界面附近的界面附近的分凝系数分凝系数

14、 （2）杂质在氧化硅中的扩散系数：）杂质在氧化硅中的扩散系数：快扩散快扩散与与慢扩散慢扩散 （3）氧化过程中）氧化过程中 界面的界面的推进速率推进速率k 硅中杂质的平衡浓度氧化硅中杂质的平衡浓度2/si sio2/si siok黄君凯 教授3.3 二氧化硅掩模特性二氧化硅掩模特性3.3.1 氧化硅膜特性氧化硅膜特性选择性掩模：阻挡高温下杂质离子的扩散（选择性掩模：阻挡高温下杂质离子的扩散（0.51.0 mm0.51.0 mm）3.3.2 掩模特性（温度和时间）掩模特性（温度和时间）a在二氧化硅中是快扩散，所以要采用氮化硅作为选择性掩模材料在二氧化硅中是快扩散，所以要采用氮化硅作为选择性掩模材料

15、快扩散快扩散黄君凯 教授图图3-12 最小氧化硅掩模厚度（跟扩散时间、温度有关）最小氧化硅掩模厚度（跟扩散时间、温度有关）黄君凯 教授3.4 氧化层质量氧化层质量 界面陷阱电荷，起因于二氧化硅硅界面特性；界面陷阱电荷，起因于二氧化硅硅界面特性； 固定电荷，与氧化和退火条件及晶向有关；固定电荷，与氧化和退火条件及晶向有关； 可移动离子电荷，来自金属污染；可移动离子电荷，来自金属污染；氧化层陷阱电荷，与氧化层缺陷有关。氧化层陷阱电荷，与氧化层缺陷有关。mq图图3-13 热氧化硅中电荷热氧化硅中电荷fqitqotq黄君凯 教授3.5 氧化层厚度表征氧化层厚度表征3.5.1 比色法比色法 根据颜色表比

16、照晶片颜色确定厚度。根据颜色表比照晶片颜色确定厚度。3.5.2 轮廓法轮廓法 通过轮廓仪拖动精细探针滑过薄膜层，由信号变化记通过轮廓仪拖动精细探针滑过薄膜层，由信号变化记 录膜厚度。录膜厚度。3.5.3 椭圆偏光法（工业上常使用此方法）椭圆偏光法（工业上常使用此方法） 通过光偏振状态差别测出膜厚度及折射率。通过光偏振状态差别测出膜厚度及折射率。黄君凯 教授第第4章章 光光 刻刻：将掩模上的图形转移到覆盖在晶片表面的光致抗蚀剂上的工艺过程。：将掩模上的图形转移到覆盖在晶片表面的光致抗蚀剂上的工艺过程。4.1 光学光刻光学光刻4.1.1 超净间超净间4.1.2 曝光设备曝光设备（1）性能参数）性能

17、参数：不失真转移到晶片上抗蚀剂膜的最小图形尺寸。：不失真转移到晶片上抗蚀剂膜的最小图形尺寸。：掩模之间在晶片上形成图形的套准精度。：掩模之间在晶片上形成图形的套准精度。：对给定的掩模每小时能曝光的晶片数。：对给定的掩模每小时能曝光的晶片数。黄君凯 教授（2）曝光方式）曝光方式n ：接触式接触式复制复制 和和 接近式接近式复制复制：扫描式扫描式复制和（精缩）复制和（精缩）分布重复式分布重复式复制。复制。 图图4-3 遮蔽式复制技术遮蔽式复制技术尘埃引起掩模的尘埃引起掩模的永久缺陷永久缺陷光学衍射和大尺光学衍射和大尺寸尘埃引起的分寸尘埃引起的分辨率下降。辨率下降。黄君凯 教授4.1.3 掩模掩模（

18、1）掩模制备）掩模制备 电路制图电路制图 电子束光刻系统电子束光刻系统 电子抗蚀剂电子抗蚀剂 掩模铬层掩模铬层 cad系统系统 图形发生器图形发生器cad：计算机辅助设计：计算机辅助设计（2）成品率）成品率 成品率成品率 （ ：掩模层数，：掩模层数， ：缺陷密度，：缺陷密度， ：ic 缺陷面积缺陷面积 ）掩模的检查和清洁至关重要，所以光刻制程中的超净工艺区是绝对必要掩模的检查和清洁至关重要，所以光刻制程中的超净工艺区是绝对必要的。的。0cnd ayenca0d黄君凯 教授4.1.4 光致抗蚀剂光致抗蚀剂（1）：由：由感光剂感光剂、树脂树脂和和有机溶剂有机溶剂构成。构成。：曝光部分吸收光能导致化

19、学结构变化，而可溶于显影液，：曝光部分吸收光能导致化学结构变化，而可溶于显影液， 形成与掩模一致的图像。形成与掩模一致的图像。：曝光部分吸收光能导致有机物发生链反应，引起分子间：曝光部分吸收光能导致有机物发生链反应，引起分子间 交联构成分子量很高的聚合物，而难溶于显影液，形成与交联构成分子量很高的聚合物，而难溶于显影液，形成与 掩模相反的图像。掩模相反的图像。注意注意n 负性抗蚀剂能吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。负性抗蚀剂能吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。（car）：由）：由光敏产酸剂光敏产酸剂、树脂树脂和和有机溶剂有机溶剂构成，用于构成，用于 深紫外线曝光。深紫外线曝光。黄君凯 教授4.1

20、.5 图形转移图形转移（1）常规光刻工艺）常规光刻工艺（2）浮脱工艺）浮脱工艺黄君凯 教授4.1.6 分辨率增强工艺分辨率增强工艺（1）（psm）：覆盖在相邻开孔区的移相层反转了辐照光）：覆盖在相邻开孔区的移相层反转了辐照光的相位。的相位。（2）光学邻近矫正技术（）光学邻近矫正技术（opc）：改变图形形状，提高识别能力。）：改变图形形状，提高识别能力。图图4-13 移相技术移相技术厚度厚度(1)2dn4.2 下一代光刻方法下一代光刻方法4.2.1 电子束光刻：生产光学掩模电子束光刻：生产光学掩模（1）装置）装置黄君凯 教授（2）特征）特征 无需掩模在晶片上直接形成图像无需掩模在晶片上直接形成图

21、像 精密化自动控制操控精密化自动控制操控 良好的焦深长度良好的焦深长度 生成亚微米抗蚀剂图形生成亚微米抗蚀剂图形 生产效率较低生产效率较低 ( )【结论】【结论】 采用符合加工器件最小尺寸的最大束径采用符合加工器件最小尺寸的最大束径黄君凯 教授0.25:10/mh块（3）电子束光刻扫描方式：）电子束光刻扫描方式：和和（4）电子束外形）电子束外形 高斯点束流（圆形束流）高斯点束流（圆形束流） 可变形状束流可变形状束流 单元投影单元投影黄君凯 教授图图4-16 电子束外形电子束外形（5）电子抗蚀剂）电子抗蚀剂（pmma，pbs）：聚合物与电子相互作用，引起化学键断裂成）：聚合物与电子相互作用，引起

22、化学键断裂成 小分子段，并溶解于显影液。小分子段，并溶解于显影液。（cop）：电子辐射诱发聚合物交联，形成高分子量材料，而不）：电子辐射诱发聚合物交联，形成高分子量材料，而不 溶解于显影液。溶解于显影液。黄君凯 教授（6）：电子散射导致邻近区域受辐照影响：电子散射导致邻近区域受辐照影响电子束光刻技术的分辨率是受到电子散射的限制。电子束光刻技术的分辨率是受到电子散射的限制。4.2.2 极短紫外光刻（极短紫外光刻（euv）4.2.3 x射线光刻（射线光刻（xrl）：）：1nm【注意】【注意】 xrl的抗蚀剂相当于接收大量二次电子辐照，的抗蚀剂相当于接收大量二次电子辐照，故可使用电子抗蚀剂。故可使用

23、电子抗蚀剂。4.2.4 离子束光刻离子束光刻黄君凯 教授4.2.5 各种光刻方法比较：各种光刻方法比较： ：衍射效应：衍射效应 ：邻近效应：邻近效应 ：掩模版制备工艺：掩模版制备工艺 ：掩模构造复杂性：掩模构造复杂性 ：空间电荷效应：空间电荷效应黄君凯 教授第第 5 章章 刻刻 蚀蚀（1）刻蚀工艺）刻蚀工艺 将抗蚀剂图形转换到抗蚀剂下面的各层材料的工艺过程，重点将抗蚀剂图形转换到抗蚀剂下面的各层材料的工艺过程，重点 是将每一层材料未掩膜部分是将每一层材料未掩膜部分选择性选择性地去掉。地去掉。（2）表征的物理量）表征的物理量 （）设设 和和 分别是横向和纵向分别是横向和纵向，则各向异性度为：，则

24、各向异性度为： ，（，（5-1）当当 ，称为，称为，这时，这时， ;当当 时，称为时，称为，这时，这时 。黄君凯 教授favrlr1lfvrar lvrr0fa lvrr10fa图图5-1 保真度保真度n 选择比选择比 两种不同材料刻蚀速率之比，描述图形转移中各层材料的相互影响。两种不同材料刻蚀速率之比，描述图形转移中各层材料的相互影响。n 均匀性均匀性 5.1 湿法化学腐蚀湿法化学腐蚀n 湿法化学腐蚀机理：反应物通过扩散输送到反应表面；化学反应发生湿法化学腐蚀机理：反应物通过扩散输送到反应表面；化学反应发生在表面层；表面层的生成物通过扩散除去。在表面层；表面层的生成物通过扩散除去。n 湿法化

25、学腐蚀方式：湿法化学腐蚀方式： 和和黄君凯 教授100%最大刻蚀速率最小刻蚀速率刻蚀速率均匀性(%)=最大刻蚀速率+最小刻蚀速率5.1.1 硅的腐蚀硅的腐蚀5.1.2 氧化硅的腐蚀氧化硅的腐蚀（boe）5.1.3 氮化硅和多晶硅的腐蚀氮化硅和多晶硅的腐蚀5.1.4 铝的腐蚀铝的腐蚀去离子水（去离子水（di）5.1.5 砷化镓的腐蚀砷化镓的腐蚀 黄君凯 教授黄君凯 教授5.2 干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）5.2.1 等离子体原理等离子体原理：一种部分或全部离子化的气体，其中含有等量正负性电荷。：一种部分或全部离子化的气体，其中含有等量正负性电荷。：等离子体中的电子密度

26、与分子密度之比。：等离子体中的电子密度与分子密度之比。5.2.2 等离子体辅助刻蚀机制等离子体辅助刻蚀机制（1）刻蚀步骤（五个基本步骤）刻蚀步骤（五个基本步骤）生成刻蚀微粒生成刻蚀微粒 扩散至反应表面扩散至反应表面 吸附吸附 物理或化学反应物理或化学反应 可挥发可挥发化合物排出化合物排出 图图5-4 干法刻蚀机制干法刻蚀机制黄君凯 教授（2）刻蚀方式）刻蚀方式（物理刻蚀）：等离子体中正性离子高速轰击放置于电极上（物理刻蚀）：等离子体中正性离子高速轰击放置于电极上准备刻蚀的晶片，是一种纯动量转移的物理性离子轰击。准备刻蚀的晶片，是一种纯动量转移的物理性离子轰击。【优点】【优点】各向异性好。各向异

27、性好。【缺点】【缺点】选择性差，轰击带来损伤。选择性差，轰击带来损伤。（化学刻蚀）：等离子体中的中性反应微粒与薄膜发生（化学刻蚀）：等离子体中的中性反应微粒与薄膜发生化学作用形成挥发性物质。化学作用形成挥发性物质。【优点】【优点】选择性好，刻蚀率高。选择性好，刻蚀率高。【缺点】【缺点】各向异性差。各向异性差。图图5-5 刻蚀方式刻蚀方式被刻蚀薄膜被刻蚀薄膜黄君凯 教授（riereactive ion etching）：介于溅射刻蚀和等离子刻）：介于溅射刻蚀和等离子刻蚀之间，以物理上的溅射刻蚀使薄膜表面清洁从而促进等离子刻蚀的化学反蚀之间，以物理上的溅射刻蚀使薄膜表面清洁从而促进等离子刻蚀的化学

28、反应进行。应进行。【特点】【特点】兼具各向异性和选择性优点。兼具各向异性和选择性优点。（hdp）：低压和高有效离化率：低压和高有效离化率n线圈耦合等离子体刻蚀（线圈耦合等离子体刻蚀（tcp）n电子回旋共振等离子体刻蚀（电子回旋共振等离子体刻蚀（ecr）图图5-7 ecr刻蚀刻蚀图图5-6 tcp刻蚀刻蚀黄君凯 教授（3）等离子体诊断与终点检测）等离子体诊断与终点检测n 等离子体中中性和离化微粒诊断等离子体中中性和离化微粒诊断（oes）：测量等离子体反应物和生成物的辐射光特征）：测量等离子体反应物和生成物的辐射光特征 光谱强度诊断该物质。光谱强度诊断该物质。n 刻蚀终点控制刻蚀终点控制：反射光一

29、个变化周期的薄膜厚度改变量：反射光一个变化周期的薄膜厚度改变量 （ : 被刻蚀薄膜折射率）被刻蚀薄膜折射率）/ 2dn图图5-8 oes谱谱图图5-9 激光干涉测量法激光干涉测量法/ 2dnn阻挡层阻挡层tintid黄君凯 教授第六章第六章 扩散扩散掺杂方法：掺杂方法：（形成深结）和（形成深结）和（形成浅结）（形成浅结）6.1 基本扩散工艺基本扩散工艺（2）gaas扩散工艺扩散工艺 解决因砷高蒸汽压造成分解的基本方法：解决因砷高蒸汽压造成分解的基本方法：n 密封管扩散密封管扩散 n 掺杂绝缘层（掺杂绝缘层（ ）覆盖扩散）覆盖扩散34si n黄君凯 教授（3）扩散系数）扩散系数实测结果表明：实测

30、结果表明： （6-4）式中式中 为温度无限大时的扩散系数，为温度无限大时的扩散系数， 为激活能。为激活能。： 表征了杂质原子移表征了杂质原子移 动所需能量（动所需能量（ ） 例如：图例如：图6-3曲线上部，曲线上部，cu 在在si或或 gaas中的快扩散（中的快扩散（ ）。）。： 表征了杂质原子移动和形成空穴所需能量（表征了杂质原子移动和形成空穴所需能量（ ） 例如：图例如：图6-3曲线下部，曲线下部，as在在si或或gaas中的慢扩散（中的慢扩散（ ） 。 图图6-3 实测结果：实测结果：dt关系关系0exp()aeddkt2aeev3 5evev0d0.5 2evevaeaeae3aeev

31、黄君凯 教授6.1.2 扩散分布扩散分布 恒定表面杂质浓度扩散恒定表面杂质浓度扩散：恒定表面杂质：恒定表面杂质浓度条件浓度条件（恒定杂质总量扩散）（恒定杂质总量扩散） ：有限表面杂质总量：有限表面杂质总量条件条件黄君凯 教授6.2 非本征扩散非本征扩散 在扩散温度下，掺杂浓度在扩散温度下，掺杂浓度n(t)（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）小于（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）小于本征载流子浓度本征载流子浓度 时，半导体依然属于时，半导体依然属于本征型本征型，扩散为，扩散为本征扩本征扩 散散。 扩散系数与掺杂浓度无关。扩散系数与掺杂浓度无关。 在扩散温度下，掺杂浓度在扩散温度下，掺杂浓度n(t)（掺入物

32、质浓度与衬底浓度叠加）超过（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）超过本征载流子浓度本征载流子浓度 时，半导体变成了时，半导体变成了非本征型非本征型，扩散为，扩散为非本征非本征扩散扩散。 扩散系数与掺杂浓度相关。扩散系数与掺杂浓度相关。( )in t( )in t黄君凯 教授图图6-5 本征与非本征扩散本征与非本征扩散黄君凯 教授6.2.1 与浓度相关的扩散系数（以空位机制下的快扩散为例）与浓度相关的扩散系数（以空位机制下的快扩散为例）（1）：单位体积内的空位数目。：单位体积内的空位数目。式中式中 为为本征空位密度本征空位密度， 和和 分别是分别是费米能级费米能级和和本征费米能级本征费米能级。【实验结论

33、】【实验结论】扩散系数正比于空位密度。扩散系数正比于空位密度。【分析】【分析】 当当 时，时， ， 与掺杂浓度无关，故扩散与掺杂浓度无关，故扩散 系数与掺杂浓度无关。系数与掺杂浓度无关。 当当 时，时， （施主型），（施主型）， 而与掺杂浓度有关，而与掺杂浓度有关， 故扩散系数与故扩散系数与 掺杂浓度相关。掺杂浓度相关。innviccviccfieevcicfeexp()fiviteecckieinnfiee黄君凯 教授（2）扩散系数与扩散浓度的关系）扩散系数与扩散浓度的关系n 扩散系数的分布形式扩散系数的分布形式 ,（6-15）式中式中 和和 分别是分别是表面浓度表面浓度和和表面处的扩散系数

34、表面处的扩散系数， 是是相关性参数相关性参数。将式（将式（6-15）代入扩散方程（）代入扩散方程（6-2），可求得掺杂浓度分布的数值解。），可求得掺杂浓度分布的数值解。n 掺杂浓度分布的数值解分析掺杂浓度分布的数值解分析(/)ssdd c c0scsd图图6-6 掺杂浓度分布掺杂浓度分布 （恒定表面浓度扩散）（恒定表面浓度扩散） ： 增大导致浓度增大导致浓度的突变结分布的突变结分布正常的余误正常的余误差函数分布差函数分布 0 ：浓度出现：浓度出现凹陷状分布凹陷状分布黄君凯 教授6.2.2 扩散分布扩散分布（1）硅中的扩散）硅中的扩散n p在硅中的扩散：拖尾分布使扩散系数远大于本征扩散系数。在硅

35、中的扩散：拖尾分布使扩散系数远大于本征扩散系数。图图6-7 磷在硅中的扩散分布磷在硅中的扩散分布2高表面浓度时的突变结分布：高表面浓度时的突变结分布：杂质与空位相互耦合产生杂质与空位相互耦合产生离解，形成快扩散拖尾分离解，形成快扩散拖尾分布（可制造深结）布（可制造深结）低表面浓度时的低表面浓度时的余误差分布余误差分布0.11cfeeev黄君凯 教授（2）锌在）锌在gaas中的扩散：中的扩散： 突变结分布突变结分布【注意】【注意】由于由于 ，因此在较低，因此在较低 时，扩散仍处于非本征区。时，扩散仍处于非本征区。图图6-8 锌在锌在gaas中的扩散分布中的扩散分布sc/gaassi geiinn

36、2sc1.1jsxd tjx2dc结深结深 线性正比线性正比于表面浓度于表面浓度 黄君凯 教授6.3 横向扩散横向扩散二维扩散方程：二维扩散方程：（正常）和（正常）和 （侧面）（侧面）图图6-9 横向扩散影响横向扩散影响黄君凯 教授第第7章章 离子注入离子注入7.1 注入离子的种类范围（离子注入原理）注入离子的种类范围（离子注入原理）（1）基本概念）基本概念 利用高能离子束将掺杂剂离子注入半导体的杂质掺入工艺。利用高能离子束将掺杂剂离子注入半导体的杂质掺入工艺。s 注入半导体表面注入半导体表面 1 面积内的离子数量面积内的离子数量 离子从进入半导体到停止所经历的总行程离子从进入半导体到停止所经

37、历的总行程rp 射程在入射轴上的投影射程在入射轴上的投影 和和 ：在投影射程方向浓度的统计涨落：在投影射程方向浓度的统计涨落 ：在入射轴垂直方向上的统计涨落（小于热扩散中的横向扩散）：在入射轴垂直方向上的统计涨落（小于热扩散中的横向扩散）pp2cm黄君凯 教授7.1.1 离子分布（衬底为多晶硅或非晶硅）离子分布（衬底为多晶硅或非晶硅）（1）沿入射轴分布的）沿入射轴分布的n(x) 类似恒定杂质总量扩散的浓度高斯分布式（类似恒定杂质总量扩散的浓度高斯分布式（6-13）（2）沿入射轴垂直方向）沿入射轴垂直方向 y 分布的分布的n(y) 类似的，有高斯分布类似的，有高斯分布黄君凯 教授图图7-2 射程

38、及其投影射程及其投影图图7-3 注入离子的二维分布注入离子的二维分布黄君凯 教授7.1.2 离子中止（注入离子进入靶后静止）离子中止（注入离子进入靶后静止）（1）核中止机制）核中止机制 注入离子将能量转移给靶原子核，导致靶格点移位，同时入射注入离子将能量转移给靶原子核，导致靶格点移位，同时入射离子发生偏移。离子发生偏移。：核中止过程的表征物理量：核中止过程的表征物理量 ，（，（7-3） 若质量为若质量为 的入射离子初始能量为的入射离子初始能量为 ，靶核质量为，靶核质量为 ，则，则低能注入粒子的能量损失低能注入粒子的能量损失 ，与入射离子能量呈，与入射离子能量呈线性关系。线性关系。 高能注入离子

39、来不及与靶原子有效交换能量，注入离子的能量高能注入离子来不及与靶原子有效交换能量，注入离子的能量损失随入射离子能量增大而减小，导致损失随入射离子能量增大而减小，导致 变小。变小。( )nse1202124m meemm2m0e( )nse( )ndesedx1m黄君凯 教授（2）电子中止机制）电子中止机制 注入离子将能量转移给靶原子的核外电子，导致核外电子被激发注入离子将能量转移给靶原子的核外电子，导致核外电子被激发或电离，入射离子几乎不发生偏移。或电离，入射离子几乎不发生偏移。 ：电子中止过程的表征物理量：电子中止过程的表征物理量 , （7- 4）式中式中e为为入射离子能量入射离子能量， 为

40、为弱相关系数弱相关系数（与原子质量和原子序数相关）（与原子质量和原子序数相关）ek( )ns e( )nedesekedx黄君凯 教授（4）结果与分析（）结果与分析（ 注入离子能量范围注入离子能量范围 ）n 重离子注入主要是核中止机制起作用。重离子注入主要是核中止机制起作用。：电子中止机制消耗能量。：电子中止机制消耗能量。：核中止机制消耗能量。：核中止机制消耗能量。：当：当 时，核中止机制消耗能量；时，核中止机制消耗能量； 当当 时，电子中止机制消耗能量。时，电子中止机制消耗能量。图图7-4 硅对砷、磷和硼离子的中止能力硅对砷、磷和硼离子的中止能力0130ekev0130ekev11kevmk

41、ev黄君凯 教授n 射程与能量损失关系：能量损失越大则射程越小（如射程与能量损失关系：能量损失越大则射程越小（如as）n 、 和和 与入射离子能量关系：随入射离子能量增大与入射离子能量关系：随入射离子能量增大n 同一入射离子的同一入射离子的 和和 关系：差别不超过关系：差别不超过 20%图图7-5 (a) b、p和和as在在si中中 (b) h、ze和和te在在gaas中中prpp黄君凯 教授7.1.3 离子沟道效应离子沟道效应（1）离子沟道效应）离子沟道效应 当注入离子的运动方向与衬底晶向平行时，入射离子几乎不与晶当注入离子的运动方向与衬底晶向平行时，入射离子几乎不与晶格原子碰撞而只能靠电子

42、中止，导致射程增大，结果使掺杂浓度在尾格原子碰撞而只能靠电子中止，导致射程增大，结果使掺杂浓度在尾区偏离高斯分布，出现具有指数形式分布的区偏离高斯分布，出现具有指数形式分布的。图图7-6 离子沟道效应离子沟道效应黄君凯 教授（2）减小沟道效应的方法）减小沟道效应的方法 ： 薄膜非晶层薄膜非晶层 ：晶片倾斜：晶片倾斜 （ 典型值典型值 ） ：重离子注入形成预损区：重离子注入形成预损区 图图7-7 减小沟道效应减小沟道效应072sio005 10黄君凯 教授7.2 注入损伤和退火（必考）注入损伤和退火（必考）7.2.1 注入损伤（晶格移位）注入损伤（晶格移位）（1） 核中止机制将造成晶体原子移位，

43、这些高能量移位原子依次引核中止机制将造成晶体原子移位，这些高能量移位原子依次引起邻近原子的级联式二次移位，结果沿离子入射路径形成树枝状的注起邻近原子的级联式二次移位，结果沿离子入射路径形成树枝状的注入损伤入损伤 无序区。无序区。（2）（受损区发生在入射离子终端附近）（受损区发生在入射离子终端附近） 注入离子在能量减至核中止机制起作用时才形成损伤，受损区形注入离子在能量减至核中止机制起作用时才形成损伤，受损区形成非晶层所需注入剂量非常大。成非晶层所需注入剂量非常大。（3） 注入离子主要通过核中止机制起作用，在整个射程内引起晶体损注入离子主要通过核中止机制起作用，在整个射程内引起晶体损伤，形成无序

44、簇而变为非晶体。伤，形成无序簇而变为非晶体。图图7-8 注入损伤注入损伤7.2.2 退火退火（1）基本概念）基本概念 将半导体材料置于高温下一段时间，利用热能，一方面可使材料将半导体材料置于高温下一段时间，利用热能，一方面可使材料内的原子进行晶格位置重排以降低材料中缺陷，另一方面激活注入粒内的原子进行晶格位置重排以降低材料中缺陷，另一方面激活注入粒子或载流子以恢复迁移率等材料的电学参数。子或载流子以恢复迁移率等材料的电学参数。 ：将退火材料置于热炉管内，通过长时间高温退火来消除：将退火材料置于热炉管内，通过长时间高温退火来消除 材料损伤和激活电参数。材料损伤和激活电参数。 （rta）：使用各种

45、能源并在极短时间内可完成的退）：使用各种能源并在极短时间内可完成的退 火工艺。火工艺。黄君凯 教授ts 在常规退火的热炉管中退火在常规退火的热炉管中退火30分钟后分钟后90%的注入离子被激活的的注入离子被激活的温度。温度。（2）硼和磷的常规退火）硼和磷的常规退火黄君凯 教授图图7-9 硅衬底内硼离子注入退火分布硅衬底内硼离子注入退火分布图图7-10 硅衬底中中离子注入的硅衬底中中离子注入的ts-s关系关系由于固相外延使大剂量由于固相外延使大剂量注入形成的非晶态表面注入形成的非晶态表面层在较低层在较低ts即可全部再即可全部再结晶而激活结晶而激活（3）快速热退火与常规退火比较）快速热退火与常规退火

46、比较黄君凯 教授图图7-11 常规与快速退火杂质分布比较常规与快速退火杂质分布比较7.3 与离子注入有关的工艺与离子注入有关的工艺7.3.1 多次注入和掩膜多次注入和掩膜（1） 利用多次注入不同掺杂量和注入能量的组合，可获得所需各种杂质利用多次注入不同掺杂量和注入能量的组合，可获得所需各种杂质分布方法。分布方法。黄君凯 教授图图7-13 多次注入的叠加杂质分布多次注入的叠加杂质分布7.3.2 ：减弱注入离子有效能量：减弱注入离子有效能量黄君凯 教授图图7-15 倾角离子注入：形成浅结分布倾角离子注入：形成浅结分布产生串联电阻产生串联电阻7.3.3 高能注入和大束流注入高能注入和大束流注入（1）

47、（ ） 无需高温下长时间扩散的深层（无需高温下长时间扩散的深层（ 级）掺杂级）掺杂 制备低阻埋层制备低阻埋层（2）（ ） 扩散技术中的预沉积扩散技术中的预沉积 mos器件阈值电压的精确调节器件阈值电压的精确调节（3）（simox）与）与（soi）黄君凯 教授1.5 5mevmevm25 30mevmev 第第 8 章章 薄膜淀积薄膜淀积：热氧化膜、外延膜、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。：热氧化膜、外延膜、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。：在单晶半导体衬底上生长另一层单晶半导体膜层。：在单晶半导体衬底上生长另一层单晶半导体膜层。 ：外延层和衬底材料相同（例：外延层和衬底材料相同（例： ） ：外延层和衬

48、底材料不相同（例：外延层和衬底材料不相同（例： ）： 等绝缘材料、掩模材料、钝化材料。等绝缘材料、掩模材料、钝化材料。：栅电极材料、导电材料、接触材料。：栅电极材料、导电材料、接触材料。：低阻互连及接触材料。：低阻互连及接触材料。黄君凯 教授gaasnsi234/siosi nnsi1xxal gaas8.1 外延生长工艺外延生长工艺：在远低于熔点温度下生长：在远低于熔点温度下生长：在不低于熔点温度下生长：在不低于熔点温度下生长8.1.1 化学气相沉积化学气相沉积cvd（气相外延（气相外延 vpe）：通过气态化合物之间化学反应形成外延层：通过气态化合物之间化学反应形成外延层（2）：杂质在硅表面

49、吸附、分解并运动到生长边缘而掺入生：杂质在硅表面吸附、分解并运动到生长边缘而掺入生长层。长层。3. 金属有机化合物金属有机化合物 cvd（mocvd）：以热分解的方式在衬底上生）：以热分解的方式在衬底上生长多元化合物外延层。长多元化合物外延层。黄君凯 教授8.1.2 分子束外延（分子束外延（ molecular beam epitaxy mbe）（1）mbe工艺工艺 在超高真空条件下，由一种或几种加热原子（或分子）束，在衬在超高真空条件下，由一种或几种加热原子（或分子）束，在衬底表面进行反应生长外延层工艺。底表面进行反应生长外延层工艺。黄君凯 教授8.2 外延层结构和缺陷外延层结构和缺陷 8.

50、2.1 晶格匹配和应变层外延晶格匹配和应变层外延（1）外延层结构）外延层结构 ：晶格匹配外延（：晶格匹配外延（ ，减小衬底串联电阻），减小衬底串联电阻） ：晶格匹配外延（：晶格匹配外延（ ，差异小于，差异小于0.13%） 应变层外延（应变层外延（ ，弹性晶格），弹性晶格） 无应变外延（刚性晶格无应变外延（刚性晶格 失配造成失配造成）黄君凯 教授nsinsigaas1xxal gaasgaas1 xxgain as黄君凯黄君凯 教授教授图图8-7 异质外延层结构异质外延层结构失配层：刃型位错失配层：刃型位错（2）应变层外延）应变层外延 随着应变层增加，处于扭曲应力作用下的原子数增多；达到某随着应

51、变层增加，处于扭曲应力作用下的原子数增多；达到某一临界厚度时，刃型位错将在应变层中形成，以释放应变能。一临界厚度时，刃型位错将在应变层中形成，以释放应变能。黄君凯 教授（sls） ：由不同材料以：由不同材料以10nm厚度构成厚度构成 的人造一维周期性结构。的人造一维周期性结构。 ：以超晶格结构形成失配：以超晶格结构形成失配 层，消除位错获得高质量单晶材料。层，消除位错获得高质量单晶材料。8.2.2 外延层中的缺陷外延层中的缺陷（1）衬底缺陷）衬底缺陷（2）界面缺陷）界面缺陷（3）沉淀物位错环（过饱和掺杂）沉淀物位错环（过饱和掺杂）（4）晶界和孪晶（失序区域界面）晶界和孪晶（失序区域界面）（5）

52、刃型位错）刃型位错黄君凯 教授 图图8-9 由由sls形成失配层形成失配层黄君凯 教授8.3 电介质淀积电介质淀积 电介质电介质cvd淀积工艺和装置淀积工艺和装置（1）：apcvd（2）：lpcvd（3）：pecvd黄君凯 教授8.3.1 二氧化硅（二氧化硅（cvd ） 不掺杂二氧化硅：绝缘膜、掩模膜、加厚场氧化膜不掺杂二氧化硅：绝缘膜、掩模膜、加厚场氧化膜 掺杂二氧化硅：绝缘膜、钝化膜、扩散源掺杂二氧化硅：绝缘膜、钝化膜、扩散源（2）淀积速率）淀积速率n 淀积速率与温度关系：淀积速率与温度关系： 。（。（ 为为2sio225siopopsg 磷硅玻璃223siob obsg硼硅玻璃22523

53、siopob obpsg硼磷硅玻璃exp(/)aektae黄君凯 教授3. 梯次覆盖（台阶覆盖）梯次覆盖（台阶覆盖）： 淀积薄膜表面形貌与半导体表面的各种台阶形状关系淀积薄膜表面形貌与半导体表面的各种台阶形状关系 ：反应淀积物在台阶表面吸附后快速迁移的均匀覆盖：反应淀积物在台阶表面吸附后快速迁移的均匀覆盖 ：不均匀覆盖：不均匀覆盖4. 磷硅玻璃回流：磷硅玻璃回流：psg高温下热熔流会形成光滑表面高温下热熔流会形成光滑表面黄君凯 教授8.3.3 低介质常数材料（低低介质常数材料（低k值材料）值材料）k为相对介电常数为相对介电常数k 小，则电容小，则电容c小小（1）rc延迟延迟低互连低互连rc常数

54、：（常数：（1）低阻互连材料（）低阻互连材料（2）低电容夹层结构）低电容夹层结构8.3.4 高介质常数材料（高高介质常数材料（高 k 值材料）值材料） dram中的存储电容器（需要大电容）中的存储电容器（需要大电容）0ackd8.4 多晶硅淀积多晶硅淀积 利用多晶硅作利用多晶硅作mos器件的栅极是器件的栅极是mos电路工艺的最大发电路工艺的最大发展。一个重要原因是，在可靠性方面多晶硅电极优于金属展。一个重要原因是，在可靠性方面多晶硅电极优于金属铝。多晶硅作电极时铝。多晶硅作电极时 电容的最大电容的最大击穿电压击穿电压比铝的高，并比铝的高，并且不随栅氧化层的厚度减小而减小。且不随栅氧化层的厚度减

55、小而减小。黄君凯 教授黄君凯 教授8.5 金属化金属化8.5.1 物理气相淀积（物理气相淀积（pvd）：）：与与（1）基本概念）基本概念：加热蒸镀物体，利用被蒸物在接近熔点高温下的饱和蒸气压：加热蒸镀物体，利用被蒸物在接近熔点高温下的饱和蒸气压 来淀积薄膜，如电子束蒸发。来淀积薄膜，如电子束蒸发。：使用高能粒子从某种物质表面撞击出原子的物理过程，如离子：使用高能粒子从某种物质表面撞击出原子的物理过程，如离子 束溅射。束溅射。黄君凯 教授8.5.2 化学气相淀积化学气相淀积 ： cvd比比pvd能形成一致性更好的台阶覆盖层，能形成一致性更好的台阶覆盖层， 且适用于大批量淀积。且适用于大批量淀积。

56、1. cvd钨（金属层及钨（金属层及）2. cvd tin（pvd 或或cvd: 金属扩散金属扩散和和）黄君凯 教授8.5.3 铝的金属化铝的金属化1. 结的尖锲现象结的尖锲现象 al 不能熔于不能熔于si，但，但si 则能完全熔于则能完全熔于al。 由于由于si 被消耗，被消耗，al 填入填入si 中的深度为中的深度为b; 实际的实际的a很小很小, 故故b远大于上式，远大于上式，si 中形成中形成al 的尖锲引起结短路。的尖锲引起结短路。2alsihzbdtsa （3）预防方法）预防方法n al/si 合金金属化引线（共蒸发）：合金金属化引线（共蒸发）： 在纯在纯al 中加入中加入si，使合

57、金中含硅量满足固熔度要求。但会造成，使合金中含硅量满足固熔度要求。但会造成硅在多晶硅在多晶al 分凝而形成硅单晶分凝而形成硅单晶“结瘤结瘤”。n al/si 之间增添金属阻挡层（之间增添金属阻挡层（tin、tiw ）黄君凯 教授图图8-26 铝尖锲铝尖锲图图8-27 al/si 之之间的阻挡层间的阻挡层黄君凯 教授2. 电迁移电迁移（1）物理机制）物理机制 引线引线原子原子与其中的电子流之间相互作用，结果形成金属导体层的空与其中的电子流之间相互作用，结果形成金属导体层的空洞或积累，导致引线开路（断裂）或引线与邻近引线之前的短路。洞或积累，导致引线开路（断裂）或引线与邻近引线之前的短路。原子质量

58、越大，抗电迁移性能越好。原子质量越大，抗电迁移性能越好。8.5.4 铜的金属化铜的金属化 （电阻率（电阻率1.7 ）1. 镶嵌技术（双嵌工艺）镶嵌技术（双嵌工艺）黄君凯 教授图图8-30 双嵌工艺制备双嵌工艺制备cu 引线引线金属阻挡层金属阻挡层/cm2. 化学机械抛光化学机械抛光cmp（1）平坦化工艺）平坦化工艺 部分平坦化部分平坦化 局部平坦化局部平坦化 全面平坦化全面平坦化黄君凯 教授图图8-31 平坦化工艺平坦化工艺第第9章章 工艺集成工艺集成黄君凯 教授 小规模集成电路小规模集成电路ssi 中规模集成电路中规模集成电路msi 大规模集成电路大规模集成电路lsi 超大规模集成电路超大规

59、模集成电路vlsi 特大规模集成电路特大规模集成电路ulsi9.1 无源元件无源元件9.1.1 集成电路电阻器集成电路电阻器（1）工艺方法）工艺方法 淀积有阻抗作用的膜层，再经光刻和刻蚀形成电阻器。淀积有阻抗作用的膜层，再经光刻和刻蚀形成电阻器。 在衬底上掺杂导电类型相反的杂质，形成电阻器。在衬底上掺杂导电类型相反的杂质，形成电阻器。9.1.2 集成电路电容器集成电路电容器 ：重掺杂材料构成电容器的下电极，顶层金属作为另一：重掺杂材料构成电容器的下电极，顶层金属作为另一个极板，中间的氧化层作为介质层。既减少串联电阻，又使个极板，中间的氧化层作为介质层。既减少串联电阻，又使mos电电容量与外加电

60、压无关。容量与外加电压无关。 ：反偏作用导致电容量随偏压变化，且串联电阻较高。：反偏作用导致电容量随偏压变化，且串联电阻较高。黄君凯 教授9.1.3 集成电路电感器集成电路电感器（1）工艺方法）工艺方法黄君凯 教授图图9-5 螺旋电感器螺旋电感器工艺方法：薄膜螺旋电感器。工艺方法：薄膜螺旋电感器。具体步骤：首先在硅补底上沉积或热生长一层厚氧化具体步骤：首先在硅补底上沉积或热生长一层厚氧化 层，然后沉积层，然后沉积第一层金属并确定出电感器的一端，接下来在第一层金属上沉积氧化第一层金属并确定出电感器的一端，接下来在第一层金属上沉积氧化介质层，在该氧化层上进行光刻与刻蚀确定出所需穿孔，沉积第二层介质