硅集成复习总结

集成电路的发展历史集成电路（IC）：IntegratedCircuit发展史与代表20世纪60年代兴起：硅基底材料的出现20世纪80年代成熟：基底材料及刻蚀工艺新世纪之后的飞跃：刻蚀工艺的完善和提高主要特征：集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产，装配密度高，设备的稳定工作时间大大提高。集成电路的分类按功能：数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路、射频集成电路、其它；按工艺：半导体集成电路（双极型、MOS型、BiCMOS）、薄/厚膜集成电路、混合集成电路按有源器件：双极型、MOS型、BiCMOS、光电集成电路、CCD集成电路、传感器/换能器集成电路按集成规模：小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、甚大规模（ULSI）、巨大规模（GLSI）IC的基本制造环节：晶片加工一外延生长一介质膜生长一图形加工一局域掺杂一金属合金一封装、测试器件生产基本过程：器件（电路）设计一测试与验证一版图设计与制造一芯片制造一测试、封装、测试如何得到高质量的集成电路用硅片硅片作用：集成电路和各种半导体器件制造中所使用的材料，目前主要是硅、错和砷化镓等单晶体，其中又以硅为最多，硅器件占世界上出售的所有半导体器件的90%以上，硅材料多用来作为衬底材料。制备流程：合成中间化合物SiCl4>SiHClK合成中间化合物SiCl4>SiHClKSiH4等提纯————:A中间化合物多晶硅留1-3高纯多晶硅制备简单流程皆晶体生长：晶体生长大致有形核一长大一完成三过程。80%〜90%的硅单晶用提拉法生长：高纯多晶硅（＞99.999%）放在坩埚内，温度略高于硅的熔点，放入一个硅籽晶，充分熔解后再缓慢提升，坩埚旋转、籽晶旋转。Cz-S直拉法原理：在适当的温度梯度、气压下，熔融的硅在高度完美的籽晶（Seed）的旋转牵引下可控地生长。工艺控制：缩颈（零位错生长）；温度场的分布（缺陷、杂质、二次热缺陷）旋转速率（温度场的均匀、杂质均匀）；提升速率（直径、缺陷、应力）弯月面的控制（生长测控的特征面）；气场的控制（缺陷、杂质）晶片的加工：1、去头、去尾、测试和分段（外观、纵向均匀性）2、滚磨3、定向、磨参考面4、切片5、倒角6、腐蚀与抛光7、识别标记，清洗，吸除超净技术基本要求：器件工艺中能接受的颗粒尺度必须小于最小器件特征尺寸的一半颗粒的来源：空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺用气体、生产设备检测：激光扫描（＞0.1^m）表述方法的新规定：ClassX（atYpm）如：Class100（at0.5pm），即为：每立方英尺中大于0.5pm的微粒数不多于100个。U（X）为每立方米中大于0.02pm的超细微粒不多于X个人污染的控制＜1超净服：高技术聚脂织物，能：1）对身体产生的颗粒和浮质进行总体控制2）超净服系统颗粒零释放3）零静电积累4）无化学和生物残余物的释放＜2严格的净化间操作规范超净厂房的设计与实施要求集成电路工艺中使用的“纯净水”清洗目的：去除残存在表面的尘埃颗粒（抛光）、有机物质、无机非金属玷污（S、各种酸根等）、重金属离子玷污、钠钾离子玷污、天然氧化层等。清洗方法：机械、化学；湿法、干法去离子水（DeionizedWater）：完全或不完全地去除离子物质，主要指采用离子交换树脂处理方法。DIWater还要进行现场超过滤（0.005pm的颗粒）和脱气处理（氧含量＜10ppb）掺杂方法（扩散）扩散掺杂技术、离子注入技术等。扩散掺杂技术：集成电路制造中的固态扩散工艺，简称扩散，是将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。杂质扩散机制：①间隙式扩散：间隙原子从一个间隙位跳到邻近的间隙位，造成原子的移动。②替位式扩散：杂质原子在晶格中移动方式是由一个晶格跳到下一个晶格。③其它扩散机制：a）直接交换b）Kick-out机制影响扩散运动的因素：浓度差、温度高低、粒子大小、晶体结构、缺陷浓度、粒子运动方式扩散方式：①恒定表面源扩散一一硅片表面的杂质浓度始终不变；②有限表面源扩散一一扩散前在硅片表面先淀积一层杂质作为整个过程的唯一扩散源扩散工艺（按原始杂质源在室温下的相态分类）：固态源、气态源、液态源扩散PN结制造中的扩散工艺（常规工艺）：先在恒定表面源的情况下扩散一短时间tl,使其在近表面处有一杂质总量为Q1的高浓度薄层，这一过程通常在氮气氛中进行，并被称为“预沉积扩散”（predisposition）；再在除去外部杂质源的情况下，在温度稍高的条件下使总量为Q1的杂质继续向内扩散，进行杂质的“再分布”（drive-in），这一过程通常在氧气氛中进行。快速热处理热退火目的：注入离子所造成的硅片中的损伤就可能部分或绝大部分得到消除，少数载流子的寿命以及迁移率也会不同超度得到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活。注入离子的电激活、氧化层缺陷和界面态的消除、消除缺陷和应力、金属化（金属硅化反应）、玻璃介质（磷、硼硅玻璃）的熔流、覆盖层的固化、表面的平坦化快速退火的目的：通过降低退火温度，或者缩短退火时间完成退火要求：升降温速度快，升降温均匀LSI中的光刻技术光刻：是一种将图形复印和腐蚀相结合的精密表面加工技术。在集成电路生产过程中，在介质和金属膜上复印并刻蚀出与设计的掩膜版完全对应的图形，以实现选择性扩散和金属布线的目的。光刻是集成电路微图形结构加工的关键工艺技术，图形加工（光刻）：包括图形转移（复印）和图形刻蚀集成电路的特征尺寸基本上是由光刻技术决定的，因此通常用特征尺寸来评价生产线的技术水平。通常用光刻的套刻次数来表示某种集成电路生产工艺的难易程度。关键技术：套刻（对准）、图形转移（曝光）、刻蚀对光刻的基本要求：①高分辨率；②高灵敏度的光刻胶；③低缺陷；④精密的套刻对准;⑤对大尺寸硅片的加工光刻的基本工艺流程：Wafer增粘T涂胶（光致抗蚀剂）t前烘（软烘）t曝光T后烘T显影和定影T坚膜T检测T（刻蚀）光刻工艺中的质量问题（应在每一道工序后都要进行质量检测和分析）图形畸变：小尺寸光学效应、曝光时间、显影时间浮胶：粘附、前烘时间、曝光时间、显影时间毛刺和钻蚀：清洁、显影时间针孔：膜厚不足、曝光不足、清洁、掩膜版小岛：曝光、清洁、湿法显影、掩膜版离子注入技术物理原理：通过改变高能离子的能量，控制注入离子在靶材料中的位置。离子注入技术：把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。工艺特点（与扩散比较）：总体优于扩散，在当代IC制造中，已基本取代扩散掺杂。杂质总量可控②大面积均匀③深度及分布可控④低温工艺（一般＜673K）快速热退火温度要高些⑤注入剂量范围宽（1011〜1017cm-3），剂量控制精度高（＜1%）©横向扩散小⑦浅结工艺⑧最大掺杂浓度⑨光刻标记问题应用：①掺杂②浅结形成③埋层介质膜的形成④吸杂工艺⑤SmartCutforSOI⑥聚焦离子束技术⑦其它（如：离子束表面处理）存在问题：①离子源：汽化高压电离；多价问题；分子态一原子态问题②选择性掺杂的掩膜③注入损伤设备：最简单的离子注入机包括一个产生离子的离子源和放置待处理物件的靶室。1.质量分析注入机，能注入任何元素。2.氮注入机，只能产生气体束流（几乎只出氮）。主要用于工具的注入。3,等离子源注入机（PIII）常见薄膜制备的方法（一种就好）常见的方法有：PVD物理气相沉积（真空蒸发和溅射）、CVD化学气相沉积、晶体外延生长技术晶体外延生长技术：与热氧化过程不同的是，外延时只有气相质量转移过程和表面吸附（反应）过程。步骤：1）反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面2）反应剂分子在生长层表面吸附；3）被吸附的反应剂分子在生长层的表面完成化学反应，产生硅原子及其它副产物；4）副产物分子丛表面解吸；5）解吸的副产物以扩散的形式转移到气相，随主气流排出反应腔；6）反应所生成的硅原子定位于晶格点阵，形成单晶外延层；汽相外延生长工艺：外延层中的掺杂：掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制、生长速率和温度的影响外延过程中的杂质再分布和自掺杂：衬底杂质的再分布、掺入杂质的再分布自掺杂（autodoping）效应：衬底中的杂质不断地蒸发出来，进入总气流并掺入外延层减小自掺杂效应措施：衬底杂质的选择：（扩散系数小、蒸发速率低）、外延、低温（变温）技术（如选择适当的化学体系、光照、等离子体等）、低压技术、掩蔽技术等清洁技术外延层性能检测：阻率、杂质分布、厚度、缺陷、外延过程中的图形漂移薄膜沉积其生长的过程大致为：晶核形成、晶粒成长、晶粒聚结、逢道填补、积膜成长。几种物理沉积（PVD）方法1）热阻加热蒸发镀膜：优点与缺点：系统简单、可蒸镀各种材料、易做厚膜、纯度不够高、镀膜速率不易控制、均匀性较差（星型夹具）2）电子束蒸发：纯度高、膜速率易控制3）溅射沉积PVD技术主要用于金属膜的制备（也可以用于非金属薄膜材料的生长）主要金属材料：连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu）阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等）硅化物（Pt、W、Ti等）金属填充物（W等）其它真空蒸发法：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。在蒸发真空条件下，加热蒸发源使原子或分子从蒸发源表面逸出，现成蒸汽流并入射到硅片（衬底）表面，凝结形成固态薄膜。优点：设备比较简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚度控制比较精确，成膜速度快，生长机理简单等。缺点：形成的薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够理想，台阶覆盖的能力差等。设备（三大部分）：（1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境；（2）蒸发系统：防止蒸发源以及加热和测温装置；（3）基板与加热系统：放置硅片衬底，对衬底加热测温等操作过程：（1）加热蒸发过程：对蒸发源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，则固态表面的原子容易逸出，转变为蒸汽；（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程:原子或分子在真空环境中，由源飞向硅片，飞行过程中可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到硅片之间的距离；（3）被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底表面的原子在表面上凝结成核、生长和成膜过程。由于衬底温度低于蒸发源温度，同时被蒸发的原子或分子只有极低的能量，在衬底表面不具有移动拄能力，因此，到达后将直接发生从气相到固相的相转变过程，立即凝结在衬底表面上。化学汽相淀积（CVD）原理薄膜生长的基本过程（与外延相似）、外延是一特殊的薄膜生长1）参加反应的气体混合物被输运到沉积区2）反应物分子由主气流扩散到衬底表面3）反应物分子吸附在衬底表面4）吸附物分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，生成化学反应产物和副产物，并沉积在衬底表面（或原子迁移到晶格位置）5）反应副产物分子从衬底表面解吸6）副产物分子由衬底表面外扩散到主气流中，然后排出沉积区CVD反应室气相沉积的反应控制模式主要为质量输运控制和表面反应控制。质量输运控制：工艺容易控制；反应温度较高，生成膜的质量较好，但容易引入污染和外延时的自掺杂，可能存在工艺上的不兼容；设备简单；生长与气流有关，厚度均匀性不易控制。表面反应控制：生长反应与气流无关，因而均匀性好，产量高；生长速率与温度有关，较难控制；生长温度低，污染小，但容易产生缺陷。通过降低反应时的总气压，可以使DG（HG）增加，从而实现表面反应控制。在这种情况下，生长速率降低，即使在进一步降低反应温度，也能较好地控制厚度和缺陷。常压CVD（APCVD）特点：温度高，不适宜生长某