微电子工艺基础总结课

1、微电子工艺基础总结课1第1章 绪论1、分立器件和集成电路的区别2、平面工艺的特点3、微电子工艺的特点4、芯片制造的四个阶段 2一、微电子产业1、微电子产业在国民经济中的作用* 2、半导体工业的诞生* 3、分立器件、集成电路* 4、微电子工艺的发展* 5、微电子产业的分类*33、分立器件、集成电路分立器件：每个芯片只含有一个器件。集成电路：每个芯片含有多个元件。按集成成度分： 水平 缩写单位芯片内的器件数小规模集成电路SSI250中规模集成电路MSI505000大规模集成电路LSI5000100000超大规模集成电路VLSI1000001000000特大规模集成电路ULSI1000000 4（1

2、）平面工艺的诞生平面工艺是由Hoerni于1960年提出的。在这项技术中，整个半导体表面先形成一层氧化层，再借助平板印刷技术，通过刻蚀去除部分氧化层，从而形成一个窗口。合金结方法：生长结方法：半导体单晶是由掺有某种杂质（例如P型）的半导体熔液中生长出来的。5扩散结和平面工艺*平面工艺： 利用二氧化硅掩蔽膜，通过光刻出窗口控制几何图形进行选择性扩散形成pn结平面工艺的优点： 兼有固态扩散形成结和利用二氧化硅掩膜精确控制器件几何图形这两方面的优点。6扩散结和平面工艺*7芯片和晶圆尺寸的增大 几个概念： 晶圆（wafer） 器件、芯片（die） 街区、锯切线 晶圆的切面（主切面、副切面）P468（4

3、）微电子工艺的特点高技术含量 设备先进、技术先进高精度 光刻图形的最小线条尺寸在亚微米量级， 制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而 精度更在上述尺度之上。 超纯 指工艺材料方面，如衬底材料Si、Ge单晶 纯度达11个9。 超净 环境、操作者、工艺三个方面的超净，如 VLSI在100级超净室、10级超净台中制作大批量、低成本 图形转移技术使之得以实现高温 多数关键工艺是在高温下实现， 如：热氧化、扩散、退火 9二、芯片制造/生产的几个阶段固态器件的制造分为4个大的阶段（粗线条）：材料制备晶体生长/晶圆准备晶圆制造、芯片生成 （本课程侧重点）封装10第一章作业题1、描述分立器件和集成电路的区别2、列

4、举出几种pn结的形成方法并说出平面工艺的特点3、制造半导体器件的四个阶段4、解释集成度的概念并根据集成度将集成电路分类5、微电子工艺的特点6、说明工艺及产品趋势11第2章 半导体材料和晶圆制备1、掺杂半导体的两种特性2、三种主要的半导体材料及其优缺点3、N型和P型半导体材料在组成电性能方面的不同4、多晶和单晶的不同5、两种重要的晶圆晶向示意图6、常见晶体生长的方法7、晶圆制备的工艺流程12一、半导体材料1、*本征半导体：处于纯净的状态而不是掺杂了其他物质的半导体。 有两类本征半导体： 半导体元素 硅和锗 化合物材料 砷化镓和磷化镓2、*掺杂半导体：（1）掺杂半导体的来源 （2）掺杂半导体和金属

5、导电的区别 （3）载流子的迁移率3、*半导体材料： （1）硅和锗（两种重要的半导体） （2）砷化镓 （3）硅作为电子材料的优势13二、晶圆制备1、*结晶学和晶体结构（1）概述（2）晶体缺陷：半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术 完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。 晶体缺陷的影响： A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。3类重要的晶体缺陷：A：点缺陷 B：位错（单晶里一组晶胞排错位置） C：原生缺陷（3）晶向：硅晶圆中最常使用的晶向是和14二、晶圆制备1）获取多晶（2）晶体

6、生长 （3）硅片制备15二、晶圆制备硅晶圆制备的四个阶段（也是芯片制造的前两个阶段）芯片制造的第一阶段：材料准备A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备16晶体生长*直拉法（CZ法）液体掩盖直拉法（LEC法）区熔法掺杂：直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。 掺杂元素的选择 ： P-型掺杂、N型掺杂 掺杂方式：液相掺杂 直接掺元素 母合金掺杂 气相掺杂 中子辐照（NTD）掺杂中子嬗变掺杂技术。 掺杂分布 ：平衡分凝系数 有效分凝系数17硅片制备晶体准备（直

7、径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查）切片研磨化学机械抛光（CMP）背处理双面抛光边缘倒角抛光检验氧化或外延工艺打包封装18第二章作业题（1）列出三类晶体缺陷并说明其形成的原因（2）说出掺杂半导体的两种特性（3）列出三种主要的半导体材料、比较其优缺点（4）解释N型和P型半导体材料在组成电性能方面的不同（5）画出两种重要的晶圆晶向示意图，说明如何根据Wafer 的主副切面确定其导电类型和晶向并指出这种Wafer适 合于何种器件或电路的制作（6）常见晶体生长的方法有哪些，说明直拉法的工作过 程，对比直拉法和区熔法的优缺点（7）画出晶圆制备的完整工艺流程图（8）会求解直拉法生长单晶的掺杂浓度1

8、9第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述掌握晶片的清洗技术重点理解一号和二号溶液的使用方法鉴别和解释四种基本的芯片生产工艺20一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物： a 微粒 b 金属离子 c 化学物质 d 细菌 2、污染来源：（1）空气 （2）厂务设备 （3）洁净室工作人员 （4）工艺使用水 （5）工艺化学溶液 （6）工艺化学气体 （7）静电 3、空气的净化：洁净室的建设21硅片清洗1、概述2、清洗工艺设计：（1）前线（FEOL）清洗特指那些形成有源电性部 件之前的生产步骤（2）后线（BEOL）清洗（3）典型的清洗工艺： HF结尾的 非HF结尾的 3、清洗策略（1） 颗粒去除 （2）

9、有机残余物 （3）无机残余物 （4）氧化层的去除 （5）化学清洗方案： 热硫酸 氧化添加剂 （6）RCA清洗方案： SC-1去除有机残余物，金属 SC-2去除碱金属离子，氢氧根 （7）水冲洗4、其它清洗方式： 喷洒清洗 干法清洗（刻蚀液蒸汽） 低温清洗5、硅片烘干：（1） 旋转淋洗烘干机 （2） 异丙醇蒸汽烘干法 （3） 表面张力烘干法22芯片制造的基础工艺（*）（1）增层（2）光刻（3）掺杂（4）热处理23三个工艺良品率晶圆生产部门良品率：晶圆产出数/晶圆投入数晶圆电测良品率：合格芯片数/晶圆上的芯片总数封装良品率：终测合格的封装芯片数/投入封装生产 线的合格芯片数 24第3章 污染控制、芯

10、片制造基本工艺概述 六、作业题（1）指明进行VLSI和ULSI生产所需的洁净室等级（2）去离子水的规格，如何得到工艺用水（3）说明RCA清洗硅片的方法，SC-1和SC-2的配方特点（4）列出硅片表面的4种污染物及其相应的清洗措施（5）列出三种使用去离子水冲洗硅片的方法， 说明超声波清洗的作用和机理（6）列出最基本的4种工艺方法（7）增层工艺主要包括哪些方式25第4章 外延工艺2、了解外延技术的特点和应用3、掌握外延的分类4、掌握气相外延的原理、步骤5、了解分子束外延的实现方式和优点26外延工艺外延特点：生成的晶体结构良好掺入的杂质浓度易控制可形成接近突变pn结的特点外延分类：A 气相外延B 液

11、相外延C 固相外延（SPE）D 分子束外延（MBE 按工艺分类 按导电类型分类n型外延：n/n, n/p外延p型外延：p/n, p/p外延 按反应室形式卧式立式桶式 按材料异同分类同质外延异质外延 按电阻率高低分类正外延反外延27原理28外延生长速率29掺杂（1）有意掺杂（2）自掺杂（3）杂质外扩散30缺陷种类a 存在于衬底中并连续延伸到外延层中的位错b 衬底表面的析出杂质或残留的氧化物 堆跺层错（参见教材p257最下部分）c 外延层中的析出杂质d 与工艺或表面加工有关形成的表面锥体缺陷e 衬底堆跺层错的延伸31分子束外延（MBE）分子束外延是在超高真空下进行，外延过程污染少，外延层洁净。外延

12、温度较低（400800度），硅分子束外延温度是630，所以通常采用分子束外延少有杂质的再分布现象。外延分子是由喷射炉喷出，喷射速率可调，易于控制，外延可以迅速进行或停止，这样就能生长极薄的外延层，外延层厚度可以薄至量级；32其它外延异质外延： 失配率其中：a外延层参数； a衬底参数。有热膨胀系数失配率和晶格常数失配率33第4章 外延工艺 四、作业题（1）什么叫做外延？外延有哪些特点？（2）外延的分类？（3）硅气相外延的原理？（4）硅气相外延的过程？（5）外延有何应用？34第5章 氧化工艺2、熟悉热氧化的机制3、熟悉干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点4、掺氯氧化的作用5、氧化膜质量的检测方法1 、掌

13、握硅器件中二氧化硅层的用途35二氧化硅膜的用途（1） 表面钝化（2） 掺杂阻挡层（3） 绝缘介质36二氧化硅膜的获得方法A：热氧化工艺（本课程重点）B：化学气相淀积工艺C：溅射工艺D：阳极氧化工艺37热氧化机制热氧化生长方法： （1）干氧氧化（2）水汽氧化（3）湿氧氧化（4）掺氯氧化38氧化膜厚度的检测（1）劈尖干涉和双光干涉（2）比色法（3）椭圆仪法（4）高频MOS结构C-V法39第5章 氧化工艺 四、作业题（1）硅器件中二氧化硅膜的作用？（2）二氧化硅膜的获得方法有哪些？（3）描述热氧化的基本机理和两个阶段。（4）影响氧化速率的因素？（5）常见的热氧化生长二氧化硅的方法有哪些？（6）比较干

14、氧化、湿氧化和水汽氧化的特点。（7）为什么要采用掺氯氧化，作用如何？40第6章 化学气相淀积工艺1、化学气相淀积的分类2、熟悉常见的化学气相淀积形成的绝缘材料3、Si3N4薄膜的作用和淀积机理4、多晶硅薄膜的作用和淀积机理41一、CVD概述1、定义 2、化学方程式（*） 3、CVD工艺的特点（*） 4、CVD工艺系统设计（*） 5、CVD工艺的步骤（*） 6、CVD系统分类（*） 7、CVD工艺的安全问题（*）42第7章 金属淀积工艺1、了解VLSI对金属化的要求2、常见金属特性比较3、Al-Si接触的常见问题及解决办法4、金属化的实现431、金属薄膜的用途 2、金属化工艺 3、抗电迁移性 4

15、、可键合性 5、台阶覆盖性44集成电路对金属化的要求： 对n+硅和p+硅或多晶硅形成低阻欧姆接触，即金属/硅接触电阻小 能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度 抗电迁移性能要好 与绝缘体（如二氧化硅）有良好的附着性 耐腐蚀 易于淀积和刻蚀 易键合，且键合点能经受长期工作 层与层之间绝缘要好，不互相渗透和扩散，即要求有一个扩散阻挡层45三、金属化的实现集成电路对金属化的要求： 对n+硅和p+硅或多晶硅形成低阻欧姆接触，即金属/硅接触电阻小 能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度 抗电迁移性能要好 与绝缘体（如二氧化硅）有良好的附着性 耐腐蚀 易于淀积和刻蚀 易键合，且键合点能经受长期工作 层

16、与层之间绝缘要好，不互相渗透和扩散，即要求有一个扩散阻挡层46真空蒸发的三个过程 蒸发过程 被蒸物质从凝聚相转化为气相。 输运过程 气相物质在真空系统中的输运。 生长过程 气相分子在衬底上淀积和生长。47真空条件的必要性 化学因素（P274最下一段） 真空度低，残余氧气和水汽，气相物质和衬底氧化。 高质量淀积层的需要 真空有利于气相原子的直线运动均匀 杂质淀积在衬底上影响淀积薄膜的质量48真空蒸发设备蒸发源加热器真空泵装片装置检测装置49真空溅射淀积 成分不变，适合于合金膜和绝缘膜的淀积； 改善台阶覆盖性，平面源相对于点源； 溅射形成的薄膜对表面的黏附性有一定提高； 容易控制薄膜特性。溅射淀积

17、相对于蒸发淀积的优点：50第7章 金属淀积工艺 四、作业题（1）金属薄膜的用途？金属化的作用?（2）列表比较常见金属的特性。（3）说明为什么铝作为通常使用的金属薄膜， 说明铜作为新一代金属薄膜的原因。（4） VLSI对金属化的要求是什么？（5） Al-Si接触的常见问题及解决办法？（6）说明难熔金属在金属连线中的作用？（7）金属化的实现方法有几种？请论述真空溅射方法。（8）说明金属CVD的优势和主要用途。51第8章 光刻工艺1、熟悉光刻工艺的流程2、能够区别正胶和负胶3、了解对准和曝光的光学方法4、解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点52光刻工艺步骤概述（*） （2）十步法53光刻胶的组成、分

18、类正胶：胶的曝光区在显影中除去。正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形，故称之为正胶。负胶：胶的曝光区在显影中保留，用的较多。具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮）是可溶的，而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形，故称之为负胶。54光刻胶里面有4种基本成分： 聚合物 光刻胶中对光和能量敏感的物质； 溶剂 其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆； 光敏剂 有时也称为增感剂； 添加剂 达到特定效果；55正、负胶的比较掩模板的图形是由不透光的区域决定的在掩膜板上的图形是用相反的方式编

19、码的56正胶、负胶的比较（*）正胶 负胶 不易氧化 易氧化而使光刻胶膜变薄 成本高 成本低 图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象 易吸收显影液而溶涨 分辨率更高 去胶较容易 抗蚀性强于正胶57曝光、显影阶段1、表面准备 2、涂光刻胶 3、前烘 4、对准和曝光 5、显影58对准和曝光曝光光源: 高压汞灯产生紫外光（UV） 准分子激光器 电子束 X射线曝光方法: 光学曝光 A：接触式 B：接近式 C：投影式 D：步进式 非光学曝光 A：电子束 B：X射线制版59显影60显影化学品61显影方法 湿法显影 干法显影（等离子体显影，通常是氧）62刻蚀、去胶阶段1、后烘 2、刻蚀 3、光刻胶去除63刻蚀常见问题

20、不完全刻蚀： 过刻蚀和底切 各向同性刻蚀64刻蚀的分类湿法刻蚀类： 沉浸 喷射干法刻蚀类： 等离子体（桶形、平面） 离子轰击 反应离子刻蚀（RIE）65去胶（1）湿法去胶无金属有金属（2）干法去胶（灰化）（3）离子注入等离子体刻蚀后的去胶66第8章 光刻工艺 五、作业题1）什么叫做光刻，光刻有何目的？（2）光刻技术的图形转移分为哪两个阶段？（3）列出光刻工艺的十个步骤，并简述每一步的目的。（4）光刻胶的分类，谈谈正胶和负胶的区别。（5）掩膜版的对准法则，说明对准误差有哪些？（6）描述并比较接触式光刻、接近式、投影式、步进式 和电子束光刻。（7）刻蚀的方法分类，刻蚀常见有哪些问题？（8）湿法刻蚀

21、的特点；说明二氧化硅和铝膜的湿法刻蚀方法。（9）描述等离子体刻蚀和干法去胶的原理67第9章 掺杂技术1、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点68一、扩散扩散方式:A 填隙式扩散 B 替位式扩散 C 填隙-替位式扩散实际扩散: 横向扩散效应 场助扩散效应扩散源: 液态源 固态源 气态源69扩散流程 预淀积 A 预清洗与刻蚀 B 炉管淀积 C 去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃） D 评估（假片或陪片） 再分布（评估）：（参见P226）70扩散流程扩散工艺有一步工艺和两步工艺：一步工艺 是恒定源扩散，杂质分

22、布服从余误差分布；两步工艺 分为予淀积和再分布两步予淀积是恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量一定的掺杂元素。再分布是限定源扩散，掺杂源总量已在予淀积时扩散在窗口上了，再分布的目的是使杂质在硅中具有一定的分布或达到一定的结深。71离子注入技术离子注入源:主要是气态源和固态源离子注入原理：离子注入是离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止，停留其中，经退火后杂质进入替位、电离成为具有电活性的杂质。这一过程是一非平衡的物理过程（扩散为化学过程） 。影响离子穿透深度的因素有：核阻止、电子阻止 72注入离子剂量QT理论上可以由离子电流大小来量度：其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。73影

23、响注入的两种效应A 侧向效应 与扩散比侧向杂质浓度很小，可以不考虑。 B 沟道渗透效应 衬底为单晶材料，如果粒子束准确的沿着晶格方向注入，注入纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分粒子束穿过较大距离。这就是沟道渗透效应。（P23674注入损伤与退火 晶格损伤 退火： A 修复晶格损伤 B 注入杂质电激活 高温退火 快速退火 激光退火 电子束退火退火方式75注入方法A 直接注入：离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时采用。 B 间接注入法：通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。 C 多次注入：通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。 76注入工艺A 离子化