集成电路基本制造技术

第3章习题及参考答案集成电路基本制造技术是那些？硅片制造中要注意那些问题？其主要的工艺步骤是那些？集成电路制造技术，包括硅材料、薄膜制备、外延、氧化、掺杂、淀积、掩模制造、光刻、切割、封装等技术。随着单晶硅园片直径越来越大，制造集成电路会出现以下问题：(1)硅片电参数径向均匀性质差：在大直径单晶发展过程中，结晶前经受熔硅波动的影响较难保持稳定。(2)硅片平整度的问题：大直径硅片在应力作用下容易翘曲。（3）采用低温加工环境：为了防止因杂质原子的扩散引起结构的退化，在集成电路制造过程中应尽量降低加工温度，如果加工环境温度过高会加速缺陷的产生和重构，因此为了抑制硅片中工艺诱发缺陷的产生，也应当尽可能用低温加工环境进行制造。其主要的工艺步骤：1.单晶生长：用直拉法生长单晶的装置是拉晶炉或单晶炉。2.拉晶过程可以分为：（1）熔硅，熔硅需要一定的时间，熔融硅中掺入杂质挥发量大，故坩埚熔化也严重，坩埚位置调节很重要。需严格控制熔硅过程。（2）引晶，将籽晶与熔硅接触，若熔硅温度合适熔硅很快浸润籽晶，并沿籽晶垂直攀缘而上，籽晶与熔硅长时间接触，既不会进一步熔化，也不会生长。（3）收颈，观察弯曲面形状，如果适当，就开始将籽晶慢慢向上提拉。形成细而长的颈部，有利于抑制错位从籽晶向颈部以下晶体延伸。（4）放肩，根据引颈时的温度变化，随时测量直径，保持温度稳定，尽可能长成平肩。（5）收肩（转肩）。当肩部直径约比需要的单晶直径小3~5mm时，将提拉速度提高，使直径增长速度降低，保持熔硅液面始终在相对固定的位置上。（6）等径生长，当直径达到要求后，在自动控制下开始等直径生长。（7）收尾，当坩埚中剩量达到控制下限时，逐渐升温使尾部生长成形。3.硅片制备从单晶硅锭到硅片抛光需要经过多次机械加工和化学腐蚀，表面抛光以及清洗，检测和若干其他辅助工艺。其主要工艺如下：（1）晶向测定在籽晶切割，定位面研磨和切片操作之前，需要进行定向，使晶向及其偏差范围符合工艺规范要求，用X射线衍射定向法测定。（2）机械加工单晶硅外形整理，切割分段，外圆滚磨和定位面研磨等，然后进行切片。对于大直径单晶硅，应使用带式切割机切断。（3）切片切片是硅片制备中重要工序，其四个重要工艺参数，即晶向、原度、平行度、翘度。将单晶硅锭经清洗后在切割机上切片，经常注意切片质量，不符合质量要求修正刀片。在切片过程中，可能出现划伤，或表面有裂缝。什麽是外延技术？常用的外延技术有几种？它们主要的技术要点是什么？在单晶硅衬底上生长一层新薄层单晶的技术，称为外延生长。外延方法很多，硅半导体器件与集成电路中通常采用硅气相外延法。具体方法有：1.四氯化硅氢还原法，这种方法是目前生产中采用的主要方法。其优点是SiCl4易于纯化，操作安全，对其生长规律也比较了解。但是，由于它要求高的反应温度，同时存在可逆化学反应，引起了显著的杂质扩散与自掺杂效应，因而难以控制外延层的杂质分布，也无法制造杂质分布突变的p-n结。所以当要求薄至1~2µm的外延层，且对图形的漂移与畸变有更苛刻的要求的，此种方法就不适用了。2.硅烷热分解法外延，硅烷热分解法是在较低的分解温度下，分解出硅原子淀积在衬底上，其反应为：>600SiH4=====Si+2H2反应中不存在对杂质起输送作用的氯离子，因而有利于克服杂质的扩散与自掺杂效应，从而能获得杂质分布可控的薄外延层与较徒的杂质分布。此外，硅烷外延时基本上不存在图形漂移与畸变现象。叙述氧化工艺的特点及二氧化硅的结构和性质。氧化工艺是集成电路制造中的基本工艺。为满足集成电路制造的要求，出现了制备二氧化硅膜的多种方法。如高温热氧化，化学气相淀积、阴极溅射，真空蒸发，外延淀积，阴极氧化等等。其中高温热氧化应用最广泛，至今仍然是集成电路制造中二氧化硅膜形成的最主要方法。生长的氧化层主要作用是对硅的表面保护，作为离子注入和扩散的掩膜；电介质薄膜；衬底和其他材料之间的界面层。二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构。这种结构的基本单元是一个由Si—O原子组成的正四面体.硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个顶角，两个相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来，构成无规则排列的三维网络结构。无定形二氧化硅膜不同于石英晶体，从整体来看二氧化硅膜，原子排列是混乱的，不规则的，即所谓“长程无序”。而从局部看，原子排列并非完全杂乱，而是有一定规则，既所谓“短程有序”二氧化硅膜并不完全由杂乱的网络组成，相当短的有序区域是存在的。二氧化硅膜的性质与杂质的引入有很大关系，如作为绝缘体的二氧化硅，其导电率一般为10-6~10-20W-2cm二氧化硅膜的化学性质：有极高的化学稳定性，不溶于水，除氢氟酸外，其他酸与其不起作用，可以被HF所腐蚀，其反应式如下：SiO2+4HF=SiF4+2H2O（3-3）SiF4+2HF=H2SiF6什么是掺杂工艺、扩散工艺的特点、方法？掺杂是人为的方法.将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到材料中,以达到改变材料的电学性质，形成半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备p—n结，电阻器、欧姆接触和互连线等。表3.5概括了掺杂技术在集成电路中的主要用途。掺入的杂质种类，数量及其分布对器件性能的影响极大，因此必须加以精确控制，尤其在制造超大规摸集成电路时，对控制精度的要求更加严格。掺杂技术在集成电路制造中主要采用扩散法与离子注入法。应根据实际需要，选择合适的掺杂方法。扩散原理扩散运动是微现粒子热运动的统计结果.在一定温度下杂质原子具有一定的能量，能够克服某种阻力进入半导体,并在其中缓慢的迁物运动.这些杂质原子不是代替硅原子的位置,而是处在晶体的间隙中,因此扩散有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。扩散运动总是从浓度高的地方向浓度低的地方移动,宏观上看,好象有一个力使原子沿着浓度下降的方向运动,运动的快慢与温度,浓度梯度有关。扩散方法在气固扩散中包含液态源扩散。粉状源扩散，气状源扩散；固一固扩散包含乳胶源扩散、CVD掺杂二氧化硅源扩散。什麽是化学气相沉积？化学气相沉积有几种？它们各有什么特点？化学气相淀积（chemicalvapourdesition简称为CVD）是使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。它具有淀积温度低，薄膜成分与厚度易控，膜厚与淀积时间成正比的优点。均匀性与重复性较好，台阶覆盖优良，操作简便，适用范围广泛等一系列特点。常用的化学气相沉积有以下几种：1.常压化学气相淀积（APCVD），目前集成电路制造中，用于掺杂与不掺杂二氧化硅的常压CVD系统。2.低压化学气相淀积广泛用于淀积多晶硅及各种元定形介质膜，本法的最大特点是膜厚均匀性好、装片量大，因此多晶硅与氮化硅膜现已很少采用常压CVD来淀积。3.等离子体化学气相淀积是plasma-enhancedCVD的缩写为PCVD或PECVD。其最大特点是可以降低淀积温度。氮化硅的性质、用途及其制备方法是什么？氮化硅在集成电路制造中用作钝化膜，局部氧比膜，扩散掩膜、绝缘介质膜，以及杂质或缺陷的萃取膜使用。氮化硅重要的性质是对水、氧、钠、铝、镓、铟都具有极强的扩散阻挡能力，因此它是一种较理想的钝化材料。氮化硅的性质CVD氮化硅的结构是以900℃为界，淀积温度超过900℃时，薄膜开始晶化。低于氮化硅的制备方法很多，有热生长法、反应溅射法、蒸发法、CVD法等等。但在器件生产中主要采用CVD法。叙述溅射工艺的要点。溅射工艺：真空蒸镀法的优点是薄膜生长过程容易控制，可用来制备高纯度的薄膜层，但其缺点是薄膜的附着性较差。与真空蒸镀法相比，用溅射方法形成的薄膜牢固，并能制出高溶点的金属（合金）膜和化合膜，其化学组分基本不变，其缺点是设备较复杂，成膜速度较慢。溅射过程是在一个低真空室中，用高压电（通常100V以上）使气体电离而形成等离子体，将待溅射物质制成靶并且置于阴极，等离子体中的正离子以高能量轰击靶面，使靶上待溅射物质的原子离开靶面，淀积到阳极工作台上的基片而形成薄膜。溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等多种，其中射频溅射应用广泛。描述光刻掩膜的主要工艺。光刻掩膜的质量要求有那些？什麽是典型的版图处理流程？光刻掩模的制作工艺，根据掩模版的材料以及把图形光刻到圆片上的方法，或掩模制造设备的种类，可作各种选择。采用玻璃基板的掩模制作步骤如图典型的版图处理流程（1）版图的输入原图数据处理方法，目前有图形数字化仪读入方式和人机交互方式两种。采用图形数字化仪读入方式时，必须先绘出设计原图，原图在数字化仪上经过严格定标后，即可由鼠标器按一定格式逐点读入图形坐标。（2）版图的修改在版图的输入过程中常常会产生操作上的差错，因此版图输入以后常常要用绘图机绘出原图，供设计人员检查。（3）版图的验证经过上述处理的版图只能消除操作中引起的差错，它并不能消除设计本身的错误。什麽是光刻工艺？简述光刻工艺质量以及影响光刻质量的主要因素。光刻工艺是一种图象复印同刻蚀(化学的、物理的、或两者兼而有之)相结合的综合性技术。光刻的质量，可以由分辨率、光刻精度（包括线宽尺寸及套刻精度）以及缺陷密度（包括图形完整性、针孔、小岛等）等来衡量。影响光刻质量的主要因素是：光刻胶、曝光方式（曝光系统）及刻蚀方法等。光刻工艺中使用的光刻胶有那两大类？它们的优缺点各是什么？在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶，其未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反；另一类叫正性光刻胶，其感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。采用负性光刻胶制作图形其涂层对环境因素不那么灵敏，且具有很高的感光速度，极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业化大生产。目前刻蚀5m正性光刻胶有较高的固有分辨率（1m，甚至更小）、较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力。正性光刻胶利用溶质的水溶液进行显影，因而可使溶胀现象减至最小。此外，正性光刻胶可涂得很厚（2~3m）而不影响其分辨率，因此具有良好的台阶覆盖。在叙述两类刻蚀方法的优缺点及其主要工艺步骤。刻蚀方法有湿法腐蚀和干法腐蚀两大类。对5m左右的线条可采用低成本、高效率的湿法腐蚀工艺。在刻蚀3m左右的线条时，由于湿法腐蚀工艺存在较严重的侧向腐蚀，条宽控制比较因难，因而常采用干法腐蚀工艺。干法腐蚀具有各向异性的特点，线宽易于控制。另外，用它在1m以上的氧化层上刻蚀2m左右的接触孔时，能产生腐蚀技术的分类及性能比较：腐蚀方法反应粒子或反应种类方向性横向加工尺寸下限浸泡法（浸渍法）湿法化学腐蚀冲击法喷雾法喷射法化学反应各向同性~5μmHCl腐蚀气体腐蚀HF腐蚀等离子腐蚀圆筒形干法腐蚀平行板形反应离子腐蚀棱柱形物理腐蚀（溅射）化学反应化学反应活化反应活化分子与离子活化分子与离子惰性离子各向同性各向同性各向同性各向异性各向异性各向异性—~3μm~4μm~1μm~1μm—光刻工艺的一般工艺步骤是什么？影响显影质量的因素是什么？在硅片上制作器件或电路时，为进行定域掺杂与互连等，需要进行多次光刻，各次光刻的工艺条件略有差异，但一般都要经过涂胶，前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶7个步骤。光刻的每一步骤对最终质量都有直接影响。1.涂胶,就是将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，其质量要求：膜厚符合设计要求，膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹。2.前烘,前烘，光刻的一道关键工序。前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特性、曝光特性、显影特性以及线宽的精确都有较大影响。前烘的主要目的是去除胶层内的溶剂，提高光刻胶与衬底的粘附力及胶膜的抗机械磨擦能力。3.对位与曝光，光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度。4.显影，用溶济除去未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需的光刻胶图形。5.后烘，目的是去除显影后胶层内残留的熔液，充分的后烘可提高光刻胶的粘附力和抗蚀性。后烘又称坚膜。6.腐蚀，为了去除显影扣裸露出来的介质层。7.去胶，当二氧化硅或铝等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起刻蚀掩蔽作用的光刻胶，就必须去除干净。显影时光刻胶的膨胀是影响成象分辨率和线宽的主要原因。显影时间影响条宽控制精度。对于负胶，显影时间越长，光刻胶的膨胀程度越严重，条宽的变化越大，因此负胶显影应合理选择一组既能保证显影充分，又不至于使条宽变化过大的显影条件。影响正胶显影速率的因素：显影液的浓度、液温、显影方式，光刻胶的前