电子科大微电子工艺复习提纲教材课件

1、复习提纲第一章 绪论学习内容：1.半导体产业概况2.器件技术3.硅和硅片制备4.硅片清洗学习要求：1.了解半导体产业及其发展情况；2.了解集成电阻、集成电容、集成BJT、集成CMOS等无源和有源器件的结构；3.了解硅晶体结构、单晶硅生长技术、硅片制备工艺、硅片清洗工艺；4.掌握集成电路的概念、集成度的概念、特征尺寸的概念、摩尔定律，会描述多晶和单晶。1. 什么时间、什么地点、由谁发明了固体晶体管？答：1947年，贝尔实验室，肖克莱、巴丁、布拉顿。2. 什么是集成电路？什么时间、由谁发明？答：集成电路是把电阻、电容、二极管、晶体管等多个元器件制造在一个衬底晶片上并具有一定功能的电路。 1959年

2、，由诺伊思、基尔比发明。3. 列出5个集成时代，指出每个时代的时间段，并给出每个时代每个芯片上的元件数。4. 列出集成电路制造的5个重要步骤，简要描述每个步骤。答：硅片准备、硅片制造、硅片测试和拣选、装配和封装、终测。硅片准备是经过硅提纯、拉单晶、切片、磨片、抛光等工序制备成IC制造所需硅片的过程。硅片制造是经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等一系列复杂的单项工艺制作成芯片的过程。硅片测试和拣选：晶圆片中每个芯片经过探针测试，功能和电参数不合格的打点标记以区分合格芯片。装配和封装：晶圆片经过划片，拣选出的合格IC芯片被焊接到IC管壳中，再经内引线键合、封盖形成成品电路。终测：成品电路的功能和

3、性能测试5. 什么是芯片的关键尺寸？这种尺寸为何重要？答：关键尺寸常称为最小特征尺寸，它是衡量工艺难度的标志，代表集成电路的工艺水平。6. 什么是摩尔定律？它预测了什么？这个定律基本正确吗？答：1964由摩尔提出，IC 的集成度将每隔一年翻一番。1975年被修改为： IC 的集成度将每一年半(18个月)翻一番。摩尔定律预测硅片的加工能力不断提高。这个定律基本正确。7. 什么是无源元件？举出两个无源元件的例子。答：无论电源怎样连接，它们都能传输电流，这类元件称为无源元件。例如：电阻、电容。8. 什么是有源元件？举出两个有源元件的例子。答：用于控制电流方向、放大信号、并产生复杂电路的元件称为有源元

4、件。例如：二极管、双极晶体管等。9. 什么是当前最流行的集成电路技术？答：CMOS技术10. nMOSFET中的多数载流子是什么？它的沟道类型是什么？答：电子，n型11. pMOSFET中的多数载流子是什么？它的沟道类型是什么？答：空穴，p型12. 列举得到半导体级硅的三个步骤。半导体级硅有多高纯度，能否直接用来制造半导体器件 ？答：得到半导体级硅（SGS）的三个步骤：用碳加热硅石来制备冶金级硅通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯硅烷利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢反应生产SGSSGS的纯度：9个9不能直接用来制造半导体器件，因为此时的硅没有按照希望的晶体结构排列原子。 13. 生长单晶硅锭的两

5、种方法分别是什么，哪种制备方法质量更高，为什么？ 8英吋以上的硅片，经常选择哪种方式制备，为什么？答：直拉法（CZ法）和区熔法。区熔法制备的硅片质量更高，因为不使用坩埚，单晶硅纯度高、含氧量低。 8英吋以上的硅片，选择CZ法制备，晶圆直径大。 14. 定义晶胞。硅的晶胞是哪些类型？答：晶胞是在三维结构中由原子组成的最简单的重复单元。硅晶胞的类型是面心立方金刚石结构。 15. 什么是晶体？什么是晶格？答：晶胞是在三维结构中由原子组成的最简单的重复单元，晶体就是由一些晶胞非常规则地在三维空间重复排列而形成的阵列。晶体的周期性结构称为晶格16. 描述多晶。答：晶胞无规律地排列，这样的结构叫做多晶。多

6、晶的原子排列短程有序长程无序。17. 描述单晶。答：晶胞在三维空间整齐重复排列，这样的结构叫做单晶。单晶的原子排列长程有序。18. 描述非晶材料。为什么这种硅不能用于硅片？答：非晶材料的内部原子排列杂乱无规则。非晶材料不能用于硅片是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关，这要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。19. MOS器件中用得最多的是哪种方向晶面？ 双极器件用得最多的是哪种？答： MOS器件中用得最多的是（100）晶面或晶向。这是由于（100）面的原子密度低具有低的界面态密度，有利于控制阈值电压，并且表面载流子具有高的迁移率。双极器件用得最多的是（111）晶面或

7、晶向。这是由于（111）面的原子密度大，扩散掺杂时能较好控制结深，此外（111）面容易生长，成本最低。20. 说明五类净化间沾污。答：颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层、静电释放（ESD）。21. 硅片清洗的目标是什么？答：去除硅片表面沾污的颗粒、金属杂质、有机物杂质、自然氧化层等污染物。22. 用在SC1中的化学配比是什么？SC1去除什么污染？答：氢氧化铵/过氧化氢/去离子水1:1:5 1:2:7 去除颗粒和有机物质。23. 用在SC2中的化学配比是什么？SC2去除什么污染？答：盐酸/过氧化氢/去离子水1:1:6 1:2:8 去除硅片表面的金属。第二章 氧化学习内容：1. 二氧化硅结构、

8、性质。2. 氧化原理以及氧化物生长的模型。3. 氧化硅在集成电路中的用途，包括选择性氧化。4. 氧化设备及其组成部分。5. 快速氧化和热处理的概念及用途。学习要求：1.了解二氧化硅结构、性质以及在集成电路中的用途。2. 理解氧化原理、过程及描述方程。3. 了解氧化方法及特点，包括干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化、掺氯氧化。掌握影响氧化硅生长的因素。4. 解释选择性氧化。5. 识别氧化工艺设备和快速热处理设备。6. 了解快速氧化和热处理的概念及用途。1.热氧化的工艺目的是什么？请描述硅的热氧化。答：热氧化的工艺目的是在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。硅的氧

9、化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。2. 列出热氧化物在硅片制造的6种用途，并给出各种用途的目的。答：a.栅氧化层，用作MOS管栅和源漏之间的介质。b.场氧化层，用于同型MOS管之间的电隔离。c.掺杂阻挡层，作为扩散或注入杂质到硅中的掩蔽材料。d.注入屏蔽氧化层，用于减小注入沟道效应和注入损伤。e.垫氧化层，做氮化硅缓冲层以减小应力。f.阻挡层氧化层，保护有源器件和硅免受后续工艺的影响3. 为什么栅氧要用热生长？答： a. 热生长的氧化层结构致密，质量好。 b. 热生长氧化层的界面态、固定电荷、可动电荷等表面电荷密度低。4. 描述氧化物生长速率，影响这种速

10、率的参数是什么？答：氧化物生长速率用来描述氧化物在硅片上生长的快慢。影响这种速率的参数：温度、压力、氧化方式（干氧或湿氧）、硅的晶向和掺杂。5. 解释晶体晶向对氧化物生长的影响。答：由于硅晶向的晶面原子密度比晶向的大，所以在线性氧化阶段，晶向的硅片生长速率快于晶向。6. 掺氯氧化的作用。答：在氧化工艺中通常在氧化系统中通入少量的含氯气体（浓度在3以下）以改善SiO2的质量。其作用有二： a.氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累； b.氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污。7. 为什么硅片热氧化结束时通常还要进行氢气退火？ 答：降低界面态密度。氢进入界面处和硅组成

11、稳定的H-Si共价键，使悬挂键饱和。8. 压力对氧化物生长的影响是什么？答：压力增大强迫氧原子更快地穿越正在生长的氧化层到达硅表面，使氧化速率增加。9. 什么是快速热处理（RTP）？相比于传统炉其5大优点是什么？答：快速热处理（RTP）是在非常短的时间内（经常是几分之一秒）将单个硅片加热至4001300温度范围的过程。RTP的5大优点： a.减少热预算 b.硅中杂质运动最小 c.冷壁加热减少沾污 d.腔体小气氛洁净 e.更短的加工时间10. 如果热生长氧化层厚度为2000埃，那么硅消耗多少？答：2000埃0.45900埃11. 已知线性抛物线性模型为：t2oxAtoxB(t + )。其中，to

12、x为硅片上生长的SiO2总的厚度(m)；B为抛物线速率系数(m2/h)；B/A为线性速率系数(m/h)；为生成初始氧化层所用的时间(h)。假如硅片在初始状态时已有100nm的氧化层。计算 (1) 在120分钟内，920水汽氧化过程中生长的SiO2的厚度。(2) 在120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度是多少？已知：在920下，A=0.50m，B=0.20m2/h。答：(1)初始状态时已有0.1m的氧化层初始时间 ( t2ox + Atox ) / B = 0.3 h 120分钟氧化后，氧化硅总厚度：t2oxAtoxB(t + )，t=2h， =0.3h代入，得tox=0.473um120分钟氧

13、化的SiO2厚度为：0.473-0.1=0.373um(2) 120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度0.373 0.450.168um第三章 掺杂扩 散学习内容：1. 扩散的概念、分类、机制及工艺目的。2. 扩散杂质浓度分布特征。3. 扩散方块电阻、结深概念及其测量方法。4. 扩散工艺。5. 扩散设备。学习要求：1. 了解扩散的概念、机制，及扩散的工艺目的。2. 掌握杂质在硅中扩散的分布特征。3. 掌握方块电阻的计算公式。4. 了解两步扩散工艺及杂质激活。1. 列举4种常用杂质并说明它们是n型还是p型。答：硼(B)： p型磷(P)、砷(As)、锑(Sb)： n型2. 简要描述热扩散。答：扩散是

14、微观粒子（原子、分子等）的普遍的热运动形式，运动的结果使浓度分布趋于均匀。 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。3. 解释扩散系数。答：扩散系数是表征杂质在硅中扩散的快慢的系数，扩散系数随温度的升高而增大，不同的杂质其扩散系数不同。4. 什么是杂质的固溶极限？答：固溶极限是在一定的温度下，掺入杂质在硅中的最大浓度。5.什么是扩散工艺？扩散的工艺目的是什么？并描述结深。答：扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅片或其它晶体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的工艺过程。 扩散的工艺目的主要是形成PN结。结深是杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺

15、杂浓度曲线的交点的位置。6. 恒定表面源扩散杂质分布特征。恒定表面源扩散，杂质分布满足余误差函数分布a. 杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变b. 扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质总量就越多c. 扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深7. 有限表面源扩散杂质分布特征。有限表面源扩散，杂质分布满足高斯分布a. 在整个扩散过程中，杂质总量 QT 保持不变b. 扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深，表面浓度越低c. 表面杂质浓度可控8. 两步扩散工艺答：第一步，预扩散或预淀积，温度800到1100，持续10到30分钟。

16、此步为整个扩散过程建立了浓度梯度，为恒定表面源扩散，杂质分布满足余误差函数分布；第二步，再扩散或结推进，温度一般较高（1000到1250 ）、时间长（大于120分）。此步在硅片中形成期望的结深，为有限表面源扩散，杂质分布满足高斯分布。9. 为什么杂质需要激活？答：激活使杂质原子与晶格中的硅原子键合，从而改变硅的电导率。第三章 掺杂离子注入学习内容：1. 离子注入概念及目的。2. 离子注入工艺原理、参数及注入浓度分布。3. 离子注入效应。4. 离子注入设备。5.离子注入的应用。学习要求：1. 掌握离子注入的概念及目的，与扩散工艺相比较离子注入的优缺点。2. 理解离子注入参数，注入剂量、注入能量、

17、平均投影射程、平均标准偏差。3. 了解离子注入的沟道效应和注入损伤、高温退火。4. 了解离子注入机系统的组成结构。5. 了解离子注入在集成电路中的应用。1. 列举离子注入优于扩散的7点。答：1）精确地控制掺杂浓度和掺杂深度2）可以获得任意的杂质浓度分布3）杂质浓度均匀性、重复性很好4）掺杂温度低5）沾污少6）注入的离子能穿过薄膜7）无固溶度极限2. 定义剂量，列出并解释剂量公式。答：注入剂量是样品表面单位面积注入的离子总数。公式：=It/qnA ，其中I为束流，单位是库仑每秒（安培）；t为注入时间，单位是秒；q为电子电荷，等于1.61019库仑；n为每个离子的电荷数；A为注入面积，单位为cm2

18、3. 什么是射程？解释能量与射程之间的关系。答：射程即为离子注入过程中穿入硅片的总距离。 注入机的能量越高，则杂质原子穿入硅片越深，射程越大。4. 描述投影射程。答：具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离在入射方向上的投影称为投影射程 Rp。5. 列举离子注入设备的5个主要子系统。答：5个子系统为：1）离子源；2）引出电极（吸极）和离子分析器；3）加速管；4）扫描系统；5） 工艺室。6. 质量分析器磁铁的作用是什么？描述质量分析器的功能。答：质量分析器磁铁的作用是从离

19、子源中将所需要的杂质离子从混合离子束中分离出来。分析器磁铁形成90角，其磁场使离子的轨迹偏转成弧形。不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3 B、BF2等），因而在离子分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子。7. 为什么要冷却硅片？答：离子束轰击硅片的能量转化成热，导致硅片温度升高。当硅片温度超过100，光刻胶会起泡脱落，在去胶时很难清洗干净。而当硅片温度超过300 时，器件的电学特性会受到影响，同时会发生部分退火，改变硅片的方块电阻。8. 退火的目的是什么？高温炉退火和RTA哪一个更优越？答：退火的目的是消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置而实现电激活。 RTA更优越。

20、9. 描述沟道效应。列举并简要解释控制沟道效应的三种机制。答：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。控制沟道效应的三种机制：1）倾斜硅片；2）硅片表面生长掩蔽氧化层；3）硅片表面预非晶化。10. 列举10个使用离子注入的掺杂工艺，并简要解释。答： 1）深埋层：高能量注入控制CMOS的闩锁效应。 2）倒掺杂阱：高能量注入控制CMOS的闩锁效应。3）穿透阻挡层：中等能量的注入，防止沟道很短的亚微米器件源漏穿通，保证源漏耐压。4）阈值电压调整：调整CMOS器件阈值电压的小剂量注入。5）轻掺杂漏区（LDD）：紧贴沟道区边缘的轻掺杂注入，减小源漏穿通和短沟道效应。

21、6）源漏注入：形成CMOS器件的源和漏的大剂量注入。7）多晶硅栅掺杂：使多晶硅导电的N或P注入。8）沟槽电容器：电容下电极多晶硅的掺杂注入。 9）超浅结：对于深亚微米器件的浅结源漏注入（结深为几十纳米）10）绝缘体上的硅（SOI）：在硅片上采用高能氧离子注入并经高温处理后，在硅层和硅衬底之间形成一层SiO2绝缘层，实现表面器件与硅衬底的纵向隔离。 11. 在P型100衬底硅片上，进行As离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为11016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂量：5.0E15cm-2，试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。解：注入能量为100KEV时，R

22、p值为207埃，Rp值为582埃。 Nmax0.4 Rp=0.45.01015/（20710-8） 9.661020 cm-3Xj= Rp Rp2ln（ Nmax/ NB）1/2 =582 2072ln 9.661020 / （11016）1/2 =582 992 Xj= 582+992=1574埃=157.4 nm12. BF3分子中提取两种复合离子BF2+和BF1+分别进行浅结离子注入，实现P型掺杂， 当加速场的电势差为50 kV，束流为20微安，注入扫描面积是20 cm2。计算 （1）离子注入的能量分别为多少？（2）当注入时间为2000秒，注入剂量分别是多少？ 答: (1) KE = n

23、V BF2+ ：50 kV1 = 50 keVBF1+ ：50 kV2 = 100 keV (2) Q It / enA BF2+ ： Q 2010-62000/(1.610-191 20) 原子/cm2第四章 淀积学习内容：1. 薄膜概念，及集成电路对薄膜特性的要求。2. 化学气相淀积原理，生长薄膜的过程，影响CVD生长速率的因素。3. 化学气相淀积工艺，包括APCVD、 LPCVD和PECVD工艺。4. 介质及其性能。5. 外延的概念、分类、工艺及用途。学习要求：1. 了解集成电路对薄膜特性的要求。2. 掌握化学气相淀积CVD的概念，CVD膜生长机理及过程，理解影响CVD生长速率的因素。3

24、. 掌握并对比APCVD、LPCVD、PECVD的技术特点。4. 了解LPCVD淀积氧化硅、氮化硅、多晶硅、PECVD淀积氧化硅、氮化硅的用途及工艺方法。5. 了解介质及其性能。6. 掌握外延的概念、工艺分类及其用途。1. 什么是薄膜？列举并描述可接受的薄膜的8个特性。答：薄膜是指在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构中厚度远远小于长和宽。薄膜的8个特性a. 好的台阶覆盖能力b. 填充高的深宽比间隙的能力c. 好的厚度均匀性d. 高纯度和高密度e. 受控制的化学剂量f. 高度的结构完整性和低的应力g. 好的电学特性h. 对衬底材料或下层膜好的粘附性2. 解释ILD层的作用。在芯片中，ILD1层所

25、在的位置是哪里？答：ILD用做器件与金属层之间的电隔离、以及相邻金属层之间的电隔离。 ILD1层位于芯片中器件与第一层金属之间。3. 列举淀积的5种主要技术。答：化学气相淀积、蒸发、溅射、电镀、旋涂。4. 什么是CVD？答： CVD是利用高温加热、等离子体、光辐射等方法使某些气态物质发生化学反应，生成固态物质并淀积在衬底表面上的工艺过程。5. PSG、BPSG、FSG各是什么的缩写？列举在SiO2掺杂的三个优点。 答：PSG、BPSG、FSG分别是磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟硅玻璃的英文缩写。 在SiO2中掺杂的三个优点： a. 固定可动离子杂质改善器件表面 b. 降低玻璃的软化点温度改善易于平坦

26、化 c. 减小薄膜应力6. 生长氧化层与淀积氧化层的区别是什么？答：生长氧化层是通过氧气或水汽与硅衬底直接在高温下发生化学反应所形成的薄膜，淀积氧化层是通过氧气与硅源气体在反应腔发生化学反应在硅衬底上形成的薄膜。a. 热生长的氧化层比淀积的结构致密，质量好。b. 热生长的氧化层比淀积成膜温度高，淀积氧化层可在第一层金属布线形成完进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。c. 热生长的氧化层消耗硅。d. 热生长氧化层的界面态、固定电荷、可动电荷等表面电荷密度都比淀积的低。7. 为什么LPCVD较APCVD更普遍？描述LPCVD的工艺过程。答： LPCVD较APCVD更普遍的原因是设备成本低、产量

27、高、淀积膜的性能好。 LPCVD的工艺过程：在真空反应室，由于低压，反应气体快速地传输至淀积区域 、形成的反应物分子快速地到达硅片表面 、发生表面反应并淀积成膜， LPCVD的淀积速度不受气体传输限制，而受表面反应限制。8. 淀积多晶硅栅材料采用什么CVD工具？列举多晶硅作为栅电极的6个原因。答：采用LPCVD系统。6个原因： a. 通过掺杂可得到特定的电阻 b. 与SiO2有优良的界面特性 c. 和后续高温工艺的兼容性 d. 比金属电极（如Al）更高的可靠性 e. 在陡峭的结构上淀积的均匀性 f. 实现栅的自对准工艺9. CVD过程中采用等离子体的优点有哪些？答：a. 工艺温度低（25045

28、0）应用广泛b. 高深宽比间隙填充能力强（用高密度等离子体）c. 淀积膜与硅片的粘附性好d. 淀积速率高e. 针孔和空洞少膜密度高10. 解释互连延迟。为什么减小ILD的介电常数有好处？答：互连延迟：IC的集成度不断提高，互连线宽度减小，使得传输信号导线电阻（R）增大，且导线间距也缩小使导线间的寄生电容（C）增加，最终增加了RC信号延迟降低芯片速度。减小ILD的介电常数的好处是能减小导线间的寄生电容（C），从而 减小RC信号延迟提高芯片速度。11. 随着器件特征尺寸的缩小，栅氧厚度越来越薄。超薄的栅氧会导致MOS晶体管出现什么问题？用什么方法可以缓解这个问题？答：随着特征尺寸的缩小，薄栅氧会受

29、到隧穿电流的影响，电子会在晶体管开或关时遂穿通过栅介质，导致阈值电压漂移。 用高k介电常数材料可以缓解这个问题，对于相同单位面积的电容值，由于高k 介质的高介电常数，因此采用介质厚度可以较厚。12.什么是LOCOS和STI？为什么在高级IC中，STI取代了LOCOS？答： LOCOS和STI是集成电路制造工艺中的隔离技术， LOCOS是局部氧化，对于特征尺寸0.35m的器件，采用局部氧化技术来隔离。 STI是浅槽隔离，对于特征尺寸0.25m的器件，采用STI技术来隔离。由于局部氧化中的侧向生长，出现鸟嘴现象减小了有源区面积降低了集成度，使得在高级IC中被STI所取代。 STI与LOCOS工艺相

30、比，具有以下优点：更有效的器件隔离；显著减小器件表面积；超强的闩锁保护能力；对沟道无侵蚀；与CMP兼容。 12. 对于介质填充高深宽比的沟槽或通孔而不致在其中产生空洞，一般采用什么工艺技术及其工艺原理？答：HDPCVD高密度等离子体CVD，其工艺特征为同步淀积与刻蚀。原理：加大离化率实现高密度等离子体，并降低了系统气压，增加了自由基或活性基团淀积的方向性；同时利用具有一定能量的Ar离子轰击表面刻蚀掉一部分淀积原子，避免高深宽比的沟槽或通孔没有完全填充而形成空洞。13. 微电子工艺中使用Si3N4的例子，并说明Si3N4材料的作用。1)LOCOS工艺，利用Si3N4材料作为氧化阻挡层实现选择性氧

31、化；2)STI工艺，在后续CMP工艺中作为抛光的阻挡层材料；3)局部互联工艺，将硅有源区保护起来，使之与随后的掺杂SiO2层隔绝。4)钝化层，防止金属线划伤、表面吸潮、表面沾污。14. 什么是外延？解释自掺杂和外扩散。答：外延是在单晶衬底上生长一薄层与衬底晶格结构、晶向完全相同的单晶的工艺过程。新淀积的这层称为外延层。自掺杂：轻掺杂外延层通常生长在重掺杂衬底上，在外延过程中，从衬底蒸发的杂质进入气流导致不希望的外延掺杂，这种现象称为自掺杂现象。外扩散：在外延过程中，衬底作为掺杂的杂质源扩散到外延层，这种现象称为外扩散。 自掺杂和外扩散使杂质浓度在衬底和外延层之间形成过渡，导致杂质浓度分布不如预

32、想的那样陡。第五章 光刻学习内容：1光刻的概念、本质及相关参数。2光刻工艺原理及8个基本步骤。3光学光刻及相关参数。4光刻设备分类，五代光刻机的结构及性能特点。学习要求：1. 掌握光刻基本概念。2. 重点学习光刻的8个基本步骤，掌握不同步骤的工艺方法，理解不同工艺步骤的作用，会辨认光刻质量的好坏，理解对准标记，认识对准在光刻中的重要性。3. 了解光刻胶的成分、用途、物理特性以及光刻胶溶解于显影液的过程。4. 掌握投影光学系统的数值孔径、分辨率、焦深及套准精度的概念、公式以及对光刻质量的影响。5. 了解驻波效应与抗反射涂层的作用。6. 了解光刻机的分类及五种光刻机的结构特点及工作方式。1. 什么

33、叫光刻？答：光刻是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过程。光刻是集成电路制造的关键工艺，光刻是产生关键尺寸的工序。 2. 定义分辨率答：分辨率是将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。分辨率是光刻中一个重要的性能指标。3. 什么是套准精度？它对掩模版的套准容差有什么作用？答：套准精度是掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指标。套准容差描述要形成的图形层和前层的最大相对位移。提高套准精度能减小光刻版的套准容差。 4. 列出光刻的

34、八个步骤，并对每一步骤做出简要解释。答：1）气相成底膜，增加光刻胶与硅片的粘附性。2）旋转涂胶，在硅片上涂一层光敏光刻胶。3）软烘，去除光刻胶中的溶剂。4）对准和曝光，将掩膜板上的图形与硅片上的图形对准并曝光。5）曝光后烘培（PEB），在100110的热板上烘，适于深紫外（DUV）光刻胶。6）显影，溶解硅片上曝光的区域形成精密的光刻胶图形。7）坚膜烘培， 使存留的光刻胶溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘附性和抗蚀性。8）显影检查，检查显影图形的质量分析原因。 5. HMDS是什么？起到什么作用？答：HMDS是六甲基二硅氨烷，起到提高粘附力的作用。6. 给出硅片制造中光刻胶的两种目的。答：1）将掩模版

35、图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中。2）在后续工艺中，保护下面的材料。（例如刻蚀或离子注入阻挡层）。 7. 列出并描述I线光刻胶的四种成分。答：1）树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻 胶的机械和化学特性，如粘附性、胶膜厚度等）2） 感光剂（光刻胶材料的光敏成分）3）溶剂（使光刻胶具有流动性）4）添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）8. 列出I线正胶分解的四个步骤。答：1）树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（线性酚醛树脂）2）感光剂化合物（常为DNQ）作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚醛树脂中3）在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羧酸4）羧酸提高光刻胶曝

36、光区域的线性酚醛树脂的溶解度9. 给出I线正胶具有良好分辨率的原因。答：1）正胶的未曝光区不受显影液的影响，这样在光刻过程中转移到光刻胶上的极细线条会保持线宽和形状，产生良好的线宽分辨率。2）正胶具有对比度高的优点。它可以更好的分辨掩模版的亮区和暗区，在光刻胶上产生陡直的转移图形。10. 曝光后烘焙的工艺目的。答：对常规I线光刻胶，使得曝光后的光敏感物质在光刻胶内部进行一定的扩散，可以有效地防止产生驻波效应。 对DUV深紫外光刻胶，曝光后烘焙使光酸产生剂（PAG）在光刻胶的曝光区产生酸，引起酸致催化反应加速反应速率，除去树脂中的保护成分，使光刻胶能溶解于显影液。11.描述光酸产生剂的目的。答：

37、光酸产生剂（PAG）增加光刻胶的敏感性。经过DUV曝光，PAG产生酸，未曝光区中没酸，酸致催化反应加速反应速率，从而增强光刻胶的光化学反应。除去树脂中的保护成分，使光刻胶能溶解于显影液。12.为什么化学放大深紫外光刻胶（CA DUV光刻胶）在曝光后要进行烘焙？如果曝光后烘延迟，会发生什么问题？ 答：化学放大深紫外光刻胶（CA DUV光刻胶）在曝光后通过烘焙，从而使光酸产生剂（PAG）在光刻胶的曝光区产生酸，引起酸致催化反应加速反应速率，除去树脂中的保护成分，使光刻胶能溶解于显影液。 如果曝光后烘延迟，光生酸由于周围环境空气中胺的污染就会发生中和。中和反应发生在光刻胶的顶层，产生一层薄的不溶解的

38、阻止层，从而导致光刻胶显影后形成T型。 13. 什么是光强和曝光剂量，它们有什么联系？为什么曝光剂量很重要？ 答：光强是单位面积的功率，并在光刻胶的表面测量。光强也是单位面积的光亮或亮度，单位毫瓦每平方厘米。 曝光剂量又称曝光能量，它等于光强乘以曝光时间（单位毫焦每平方厘米） 曝光剂量决定了光刻胶反应的充分性。14. 描述曝光波长和图像分辨率的关系。答：分辨率（R）是将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。分辨率是光刻中一个重要的性能指标。R=KNA=Knsinm其中k为工艺因子，为光源的波长，NA为曝光系统的数值孔径，一般k和NA都在0.60.8。所以波长近似为分辨率的值。所以要提高曝光

39、系统的分辨率即减小关键尺寸，就要降低光源的波长 。15. 什么是数值孔径？陈述它的公式，包括近似公式。答：透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，把透镜收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径，用NA 表示。 NA（n）Sinm（n）透镜半径/透镜焦长 其中 n为图像介质的折射率，m为主光轴和透镜边缘光线的最大夹角。透镜半径越大数值孔径越大成像效果越好。但受到镜头成本的限制。16. 什么是抗反射涂层，它是怎样减少驻波的？ 答：抗反射涂层（ARC）：当光刻胶下面的底层是反光的衬底（如金属和多晶），光线将从衬底反射并可能损害临近未曝光的光刻胶，这种反射现象会造成反射切入和驻波。在反光衬底上增加一层抗反射涂层

40、（如TiN）可消除反射切入和驻波现象。17. 陈述分辨率公式。影响光刻分辨率的三个参数是什么？答：分辨率（R）：R=KNA 影响光刻分辨率的三个参数分别k为工艺因子，为光源的波长，NA为曝光系统的数值孔径。18. 给出焦深和焦面的定义。写出计算焦深的公式。答：焦深（DOF）是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像连续保持清晰。焦深也是照相的景深，集成电路光刻中的景深很小。焦点所在的平面称为焦面。 焦深的公式： 19.随着微电子加工器件的尺寸越来越小，所使用的光刻胶厚度一般如何变化？为什么？ 答：光刻胶厚度会变薄。器件加工尺寸越小，光刻的分辨率越高，而焦深DOF却变小，对于焦深应该穿越光刻胶层上下

41、表面(焦深范围内曝光能量相对为常量)， 因此光刻胶厚度会变薄。20. 列出光学光刻中影响图像质量的两个重要参数。答：分辨率和焦深。21. 解释分步重复光刻机的基本功能。答：每次只投影一个曝光场，然后步进到硅片上另一个位置重复曝光。22. 什么是对准？什么是套准精度？答：对准：为了成功地把掩膜版图形转移到硅片上，必须把掩膜版上的图形与硅片上的图形对准。 套准精度：掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。23. 给出套准精度的定义。什么是套准容差？大约关键尺寸的多少是套准容差？答：套准精度：掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确对准。套准精度也是光刻中一个

42、重要的性能指标。套准容差描述要形成的图形层和前层的最大相对位移。一般套准容差是关键尺寸的 1/3。 24. 什么是对准标记？描述RA、GA和FA对准标记。答：对准标记：是置于掩模版和硅片上用来确定他们的位置和方向的可见图形。投影掩膜版的对位标记(RA) ：在版的左右两侧， RA与步进光刻机上的基准标记对准整场对准标记(GA)：第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，用于每个硅片的粗对准精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准 25. 列出并讨论步进光刻机和步进扫描光刻机必须控制的五个环境条件。答：1）温度：对掩膜版架、光学系统、承片台等都有影响。2）湿度：对胶粘

43、附性、数值孔径、聚焦等有影响3）振动：对定位、对准、聚焦、曝光等有影响4）大气压力：对空气折射率、激光干涉计等有影响5）颗粒污染：形成图形缺陷 26. 解释光刻胶显影，其目的是什么？答：光刻胶显影：用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶区域。目的：把掩膜版图形准确复制到光刻胶中。27. 说明TMAH(正胶显影液)对常规线正胶的作用。答：TMAH中的碱和线正胶中的羧酸发生中和反应（曝光的胶产生羧酸）。未曝光的胶不与显影液反应。28. 列举两种光刻胶显影方法。 答：1）连续喷雾显影（continuous spray） 2）旋转浸没显影（puddle）29. 解释为什么要进行坚膜。答：蒸发掉剩余的

44、溶剂使光刻胶变硬。提高光刻胶的粘附性、抗刻蚀能力。坚膜也除去剩余的显影液和水 。 第六章 刻 蚀学习内容：1. 刻蚀的概念、工艺及目的。2. 刻蚀参数。3. 干法刻蚀原理、过程。4. 等离子体概念、电势分布，反应离子刻蚀系统。5. 干法刻蚀的方法及应用。6. 湿法刻蚀的方法及应用。学习要求：1. 掌握刻蚀的概念及工艺目的。2. 了解干法刻蚀相对于湿法腐蚀的优点，对比各向同向刻蚀和各向异性刻蚀的区别。3. 掌握刻蚀的相关刻蚀参数。4. 了解等离子体的电势分布，理解自偏置电压的形成。5. 了解干法刻蚀的种类，掌握反应离子刻蚀（RIE）的机理，了解高密度等离子体刻蚀。6. 了解氧化硅、氮化硅、多晶硅

45、、单晶硅以及金属铝的干法刻蚀工艺目的、工艺方法及刻蚀机理。1. 定义刻蚀、刻蚀目的是什么？答：刻蚀是通过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工艺过程。刻蚀目的：把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制掩膜版图形的目的。2. 列举九个重要的刻蚀参数。答： 1). 刻蚀速率；2). 刻蚀剖面；3). 刻蚀偏差；4). 选择比；5). 均匀性；6). 残留物；7). 聚合物；8). 等离子体诱导损伤；9). 颗粒沾污和缺陷3. 干法刻蚀的剖面是各向同性、各向异性的，还是两者都有？湿法腐蚀的剖面是怎样的？答：干法刻蚀的剖面两种都有。 湿法腐蚀的剖面是各向同性的。4. 定义选择比。干

46、法刻蚀有高的或低的选择比？高选择比意味着什么？描述并解释选择比公式。答：选择比是指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一种材料的刻蚀速率之比。干法刻蚀有高的选择比。高选择比意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而对其下层材料和光刻胶不刻蚀。5.在RIE干法刻蚀系统中，用CF4刻蚀SiO2，已知SiO2的总厚度为200nm，刻蚀条件不变，图1是刻蚀4min后的剖面图、刻蚀掉SiO2的厚度为100nm，图2是刻蚀10min后的剖面图，已产生了过刻蚀，刻蚀掉硅的厚度为10nm，试计算SiO2的刻蚀速率、Si的刻蚀速率以及刻蚀SiO2对Si的选择比。答：SiO2刻蚀速率：100/4=25nm/min200nm

47、 SiO2经过8分钟刻蚀完，那么刻蚀10分钟内的最后2分钟刻蚀的是Si，Si的刻蚀速率：10/2=5nm/min刻蚀SiO2对Si的选择比：25: 5=5: 16. 什么是刻蚀中的等离子体诱导损伤，以及这些损伤会带来什么问题？答：等离子体诱导损伤是包含能带离子、电子和激发分子的等离子体对硅片上敏感器件的损伤。这些损伤会带来： 1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿；2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。7. 干法刻蚀的目的是什么？列举干法刻蚀同湿法刻蚀相比具有的优点。干法刻蚀的不足之处是什么？答：干法刻蚀的主要目的是完整地把掩

48、膜图形复制到硅片表面上。与湿法腐蚀比干法刻蚀的优点有：1). 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制；2). 好的CD控制；3). 最小的光刻胶脱落或粘附问题；4). 好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性；5). 化学品使用费用低干法刻蚀的缺点有：1). 对下层材料的刻蚀选择比较差；2). 等离子体诱导损伤；3). 设备昂贵8. 如果RF的频率降低，刻蚀结果会如何？RF功率降低，直流偏置增大，电极尺寸减小，刻蚀结果又如何？答：1）RF的频率降低离子能量和刻蚀速率增加、选择比下降，物理刻蚀作用增强。2）RF的功率降低离子能量和刻蚀速率降低、选择比增加，物理刻蚀作用减小。3）直流偏置增大离子能量和刻蚀

49、速率增加、选择比下降，物理刻蚀作用增强。4）电极尺寸减小直流偏置增大离子能量和刻蚀速率增加、选择比下降，物理刻蚀作用增强。9. 描述一个等离子体干法刻蚀系统的基本部件。二氧化硅、铝、硅和光刻胶刻蚀分别使用什么化学气体？答：一个等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：1）发生刻蚀反应的反应腔；2）一个产生等离子体的射频电源；3）气体流量控制系统；4）去除刻蚀生成物和气体的真空系统。二氧化硅使用CF4 H2 Ar He或CHF3 Ar He ；铝使用Cl2BCl3CHF3；硅使用SF6 Ar He ；光刻胶使用O2 。10. 描述反应离子刻蚀RIE。答：反应离子刻蚀系统的反应室被设计成射频电场垂直于被

50、刻蚀样片且射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在阴极暗区产生一较大自偏置电场。等离子体中的正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与样片的化学反应。由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。 11.反应离子刻蚀RIE系统中，电源电极接RF发生器（阴极），另一电极接地作为阳极。请问放置在两个极板上的硅片刻蚀时选择比的情况？答：放置在阴极时硅片刻蚀的选择比要比放置在阳极时小。 原因：等离子体与阴极

51、的电势差远大于与接地电极阳极的电势差，物理刻蚀作用强，因此硅片放置在阴极刻蚀的选择比小；硅片放置在阳极刻蚀时，物理刻蚀作用小，从而选择比大。12. 哪种化学气体通常用来刻蚀多晶硅？为什么这种化学气体替代了氟基化学气体？答：Cl2 或HBr。不用SF6等F基气体是因为Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较高的选择比，并且溴Br基气体的选择比比Cl基还高，而F基气体的选择比低。13. 光刻胶是怎样去除的？答：1）干法：氧等离子体去胶2）湿法：硫酸和双氧水的混合溶液浸泡并加热或发烟硝酸浸泡。14.干法刻蚀也具有化学刻蚀成分，可采用什么方法在干法刻蚀沟槽或通孔时防止横向刻蚀？在刻蚀层间介质形成通孔时

52、，在CF4、C2F6和C3F8中任意选择一种刻蚀气体，哪种刻蚀气体形成的通孔具有更小的横向钻蚀？为什么？答：在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀的聚合物，从而阻挡对侧壁的侵蚀，增强刻蚀的方向性。 选择C3F8刻蚀气体具有更小的横向钻蚀。在这三种刻蚀气体中，C3F8具有最大的C/F原子比，刻蚀时会形成最多的聚合物，因而具有最小的横向钻蚀。 15.描述高密度等离子刻蚀的特点。答：1) 等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率；2)系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获得高深宽比的槽；3)系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小对Si片表面的轰击损伤。第七章 金属化学习内容：1. 金属化的概念及目的。2.

53、 集成电路对金属薄膜的要求。3. 先进的金属化技术。4. 金属薄膜淀积的方法，蒸发和溅射的工艺原理。学习要求：1. 了解金属化概念和技术术语，以及集成电路对金属膜的要求。2. 了解铝和铜的优缺点，了解大马士革工艺铜金属布线工艺。3. 掌握阻挡层金属的作用，常用的阻挡层金属。4. 掌握硅化物的作用，常用的硅化物，及自对准金属硅化物的形成。5. 了解电子束蒸发过程及电子束蒸发的优缺点。6. 了解溅射过程及溅射的优缺点，影响溅射率的因素。1. 解释下列名词：互连、接触、通孔和填充塞。答：互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以传输电信号。 接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接。

54、通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口。 填充塞是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层之间形成电连接。2. 列出并且描述金属用于硅片制造的7个要求。答：1）电阻率低：能传导高电流密度 2）粘附性好：能够粘附下层衬底实现很好的电连接，半导体与金属连接时接触电阻低 3）易于淀积：容易成膜 4）易于光刻与刻蚀：对下层衬底有很高的选择比，易于平坦化 5）可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强 6）抗腐蚀性能好 7）应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线断裂、空洞。3. 什么是欧姆接触？它的优点是什么？答：金属与硅接触时，该系统的IV特性曲线符合欧姆定律，这样的接触被称为欧

55、姆接触。它的优点：接触电阻低，利于器件到金属互连之间的电信号传输。4. 讨论电迁徙是怎样影响稳定性的？答：当金属线流过大电流密度的电流时，电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称为电迁徙现象。如金属铝，铝原子的移动发生原子损耗的地方会产生空洞甚至使铝线断路，发生铝原子堆积的地方会产生小丘使相邻的铝条短路。5. 说明通常控制铝电迁徙的方法。在微电子工艺中，铝金属互联中的复合金属膜通常由4层金属膜组成，简要说明各层的名称及其作用？答：在铝中掺铜（0.54%），铝连线中的电迁徙能得到控制。铝复合金属膜的组成：Ti，粘附层；TiN，阻挡层；Al/AlCu，导

56、电层；TiN，阻挡层和抗反射层。 6. 列出并讨论引入铜金属化的五大优点。答：1）电阻率更低（1.678cm）使相同线宽传导的电流大，减小RC信号延迟增加芯片速度。 2）降低了功耗：减小了线的宽度，降低了功耗。 3）更高的集成度：更窄的线宽允许更高密度的电路集成。 4）良好的抗电迁徙性能：铜不需考虑电迁徙问题。 5）更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20307. 什么是铜使用大马士革方法的主要原因？答：不能干法刻蚀铜。因为铜很难生成挥发性的刻蚀反应物而被真空系统抽走 。8. 什么是阻挡层金属？阻挡层材料的基本特性是什么？哪些金属常被用做阻挡层金属？答：阻挡互连金属（指铜）向填充塞金属（主要

57、是钨）的扩散以及填充塞金属钨与硅之间的扩散，这样的金属称为阻挡层金属。阻挡层材料的基本特性： 1）有很好的阻挡扩散特性 2）低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3）与半导体和金属的粘附性好，接触良好 4）抗电迁徙 5）膜很薄且高温下稳定性好 6）抗腐蚀和氧化常用的阻挡层金属：1）TiTiN； 2）TaTaN（主要用于铜布线）9. 定义硅化物，并解释难熔金属硅化物在硅片制造中重要的原因。答：硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴Co）与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、CoSi2 ）硅化物在硅片制造中非常重要，是因为它减小了源漏和栅区的接触电阻，提高了芯片性能。10. 什么是自对准硅化物工艺

58、，工艺过程以及优势。答：自对准硅化物工艺提供稳定的金属半导体接触结构、减小源和漏区接触电阻以及栅极和源极以及漏极的寄生交叠电容的工艺。工艺过程：利用反刻工艺形成侧墙金属（如Ti）PVD淀积低温RTP氨水和双氧水混合液湿法化学腐蚀高温RTP。自对准硅化物工艺主要优点在于避免光刻的对准误差。 11. 溅射淀积的优点是什么？答：1）台阶覆盖能力好 2）能淀积金属合金（成膜组分与靶材组分相同）12. 列出并解释溅射过程的6个步骤。 答：1）在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速。 2）在加速中离子获得动能，并轰击靶。 3）离子通过物理过程从靶表面撞击出（溅射）原子。 4）被撞击出

59、（溅射）的原子迁移到硅表面。 5）被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜具有与靶相同的材料组分。 6）多余粒子由真空泵抽走。13. 对于金属填充高深宽比的通孔或狭窄沟道时为避免在其中产生空洞，一般采用什么工艺技术及其工艺原理？答：离子化的金属等离子体IMP或LPCVD。 原理：对于IMP，溅射的金属被离子化，同时硅片上加了负偏置电压，金属离子沿着垂直路径朝硅片运动，增强了方向性。 14.为什么纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿通现象，如何解决？答：在纯铝和硅的界面加热合金化过程中(通常450500)， 硅将开始溶解在铝中直到它在铝中的浓度达到0.5为止，硅在铝中的溶解消耗硅且由于硅界面的情

60、况不同，就在硅中形成空洞造成PN穿通现象的发生。结穿通引起PN结短路。解决方法：1) 采用铝硅（12%）合金或铝硅（12%）铜（24%）合金替代纯铝；2) 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。第八章 化学机械平坦化学习内容：1. 集成电路制造中平坦化的概念及目的。2. 传统的平坦化技术。3. 化学机械平坦化CMP概念、原理及优点。4. CMP的应用。学习要求：1. 理解平坦化在集成电路制造中的目的。2. 了解反刻、玻璃回流、旋涂膜层等传统平坦化技术。3. 了解CMP的原理及其应用。 1. 列举并论述硅片平坦化中用到的4个术语。答：1）平滑：台阶角度圆滑和侧壁倾斜，台阶高度未减。2）部分平坦化：平滑且