2022《微电子工艺》复习提纲v1

2022《微电子工艺》复习提纲一、衬底制备1.硅单晶两种制备方法及比较。直拉法：该法是在直拉单晶氯内，向盛有熔硅坩锅中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按照籽晶的方向长大。其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触，不受容器限制，因此晶体中应力小，同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。区溶法：使圆柱形硅棒用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴，这两个棒朝相反方向旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步移动，将其转换成单晶。区熔法可用于制备单晶和提纯材料，还可得到均匀的杂质分布。这种技术可用干生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体。2.硅的掺杂和导电特性：包括杂质种类、杂质能级和激活能。掺杂剂可在拉制前一次性加入；也可在拉制过程中分批加入，持续不断地加入高纯度的多晶硅于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变；均匀掺杂分布，可由高拉制速率和低旋转速率获得。硅的p型杂质一般为硼B，n型杂质一般为磷P和砷As。p型/n型杂质的能级在禁带中靠近价带顶和导带底，均为浅能级。3.硅单晶的晶向表示方法和硅的原子密度。晶向—空间点阵中由结点连成的结点线和平行于结点线的方向。实验中确定晶向：光图定向硅的原子密度为5.00x10^22/cm34.硅单晶圆片的制作方法。切：金刚石刀切晶锭成晶圆，沿（100）面或（111）面1/3的原料损耗磨：机械研磨，消除切割留下的划痕。抛：抛光二、外延生长1.外延的定义。在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。2.硅外延方法。四氯化硅（SiCl4）氢气还原法。硅外延层一般采用气相外延的方法制备。3.用Grovel模型分析四氯化硅氢气还原法外延制备硅的外延速率。4.硅外延工艺里温度、反应剂浓度、气体流速对生长速率的影响，会分析图表数据。三、薄膜制备-氧化1.SiO2的原子密度2.3*10^222.SiO2层厚度和原生硅层厚度的关系。生长一个单位厚度的SiO2，需要消耗0.44-0.46个单位厚度的硅层。3.用grove模型分析热氧化速率。4.理解采用干法热氧化和掺氯措施提高栅氧层质量这个工艺。干氧氧化氧化气氛为干燥、纯净的氧气。掺氯工艺对于改善SiO2特性，提高氧化质量有好处；氯可以与硅中的可动金属离子，尤其是钠离子反应，生成可挥发的金属氯化物而排除；氯的引入会使氧化速率增大1%-5%。5.干法氧化，湿法氧化和水汽氧化三种方式的优缺点。四、薄膜制备-化学气相淀积CVD1.工艺中影响台阶覆盖、间隙填充的图形保真度的因素。到达角；反应剂的表面迁移率。2.APCVD,LPCVD和PECVD的特点与区别。APCVD：操作简单，淀积速率高，可超过1000Å/min；台阶覆盖性和均匀性较差LPCVD：台阶覆盖性和均匀性好；可以进行多晶硅，Si3N4，SiO2，PSG、BPSG、钨等薄膜的淀积PECVD：依靠非热能源的射频（RF）等离子体来激活和维持化学反应；突出优点是淀积温度低，淀积速率高；膜表面吸附原子由于不断受到离子和电子轰击，容易迁移，薄膜有良好的均匀性，以及填充小尺寸结构的能力；通常情况下，666.5Pa气压下，使用频率13.56MHz3.CVD工艺中将反应剂的液态源转换为气体源的方法。4.热氧化SiO2，CVD淀积的USG，PSG和BPSG的特点、区别和在IC中的应用。USG：本征非掺杂SiO2薄膜PSG：在淀积二氧化硅的气体中同时掺入PH3，得到PSG，含P2O5和SiO2PSG高温下可以流动，形成更为平坦的表面，更好的台阶覆盖；对水气阻挡能力不强，吸湿性强；可以吸收碱性离子。BPSG：在淀积PSG的反应气体中掺入B2H6，得到BPSG，含B2O3，P2O5和SiO2BPSG的回流温度为850℃；吸湿性强，可以吸收碱性离子5.多晶硅在未掺杂、掺杂和高掺杂时的特性和在IC中的应用。未掺杂多晶硅膜近乎绝缘；一般掺杂浓度下，多晶硅电阻率比单晶硅的电阻率高的多；高掺杂的多晶硅膜导电性非常好，通常作为自对准工艺中的电极材料。用途：MOS集成电路中，高掺杂多晶硅薄膜可作栅电极和互连线；双极和BiCMOS工艺中，高掺杂多晶硅可用来制作发射极；低掺杂多晶硅膜在SRAM中可作高值负载电阻；填充介质隔离技术中的深/浅槽6.金属W和金属TiN的制备方法。五、薄膜制备-物理气相淀积PVD1.真空蒸发与溅射两种方法的特点和区别。真空蒸发：高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行；所加能源（通常为热源）将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得足够能量（汽化热），克服固相（或液相）的原子束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气相原子或分子,一般在0.1~0.2eV左右。要进行有效的蒸发淀积，蒸发源物质的蒸气压应达到一定数值；大多数金属需加热到熔化然后蒸发，蒸发速率受蒸发温度影响较大膜的特性：设备简单，操作容易；成膜速率快，生长机理简单；薄膜纯度比较高，厚度控制比较精确溅射淀积：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射离子在固体表面原子碰撞过程中将发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为溅射。溅射出的原子沿一定方向射向衬底，淀积在衬底材料上。被溅射材料称为耙材，作为阴极；衬底硅片作为阳极。溅射出的原子一般能获得10-50eV的动能，与蒸发方法相比，可以提高淀积原子在表面的迁移能力，改善台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力六、扩散和离子注入1.掺杂工艺结果的检测标准：结深和方块电阻定义。杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不一致时，在两种杂质浓度相等处形成pn结，结的位置即结深Xj，即杂质浓度Cs等于衬底浓度Cb时所在的位置。方块电阻：定义为正方形的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，单位为欧姆每方公式R=ρL/S，ρ为物质的电阻率，L为长度，S为截面积2.理解两种扩散方式中，时间t和温度T对方块电阻和结深的影响。恒定表面源扩散：温度与时间乘积增大，扩散深度增大，杂质总量增大，方块电阻越小有限表面源扩散：温度与时间乘积增大，扩散深度增大，杂质总量不变3.两步扩散工艺。第一步：预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式在硅片表面扩散一层杂质原子，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量。第二步：主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，其分布为高斯函数，以控制扩散深度和表面浓度，主扩散的同时也往往进行氧化。4.B，P，As的扩散图像。5.离子注入的优势。能够独立的控制掺入杂质的分布情况和杂质浓度。注入离子的能量(energy)：决定射程，决定结深注入离子的剂量(dose)：决定了掺入杂质的浓度6.对离子注入引入的退火工艺的目的和两种方法的对比。普通热退火：使用扩散炉在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。退火时间长，通常为15-30min。清除缺陷不完全、注入杂质激活不高。会出现增强扩散效应。快速热退火：退火时间短，在10-3--102秒之间。先熔化，再结晶，时间快，杂质来不及扩散。可在最小杂质再分布情况下完成杂质激活。7.形成平坦杂质分布的方法。组合不同注入能量的几次离子注入，控制每次的峰值浓度位置，用于形成一平坦的杂质分布七、光刻与刻蚀1.现代光刻工艺的基本步骤。清洗（晶片），脱水烘焙，涂胶，前烘（焙），对准和曝光，显影，后烘（焙），进一步工艺，去胶2.三种曝光方法的优缺点，投影步进光刻机的优势。接触式曝光：掩模版与硅片紧密接触，分辨率在亚微米级；易引入大量的工艺缺陷，成品率低，掩模板寿命短。接近式曝光：掩模版与硅片间约5-10um的间隙，分辨率不高；适于3um以上的工艺，不损伤掩模板。投影式曝光：样品与掩模版不接触，避免引入工艺缺陷；掩模板不易破损；小于3um工艺的主要光刻手段，能做到1um。步进投影系统：IC工艺中普遍使用的曝光方式；设备昂贵；缩小掩模板图形，能获得高的分辨率，小于0.25um的工艺。3.理解光刻的分辨率、特征尺寸和光源波长的关系。特征尺寸F（最小线宽）是光刻中可以达到的最小光刻图形尺寸，指可以清楚看到的最小宽度。分辨率R：指线条和间隔清晰可辨时每mm中的线对数。Rmax=1/2F（mm-1）光源波长λ：Rmax<=1/λ（mm-1）4.刻蚀工艺与带胶剥离工艺刻蚀：把光刻工艺中光刻胶上形成的图像转移到下方材料上，获得器件结构的工艺带胶剥离：光刻胶在待刻蚀层下面（相同光刻板图形）5.湿法腐蚀与干法刻蚀各自的特点。湿法腐蚀：工艺简单；各向同性；反应物为气体，液体或能溶于腐蚀液的物质；控制好腐蚀溶液的浓度，时间，反应温度等；适用于3um以上的工艺；3um以下的工艺需采用干法刻蚀方法；现在多用于试片的腐蚀、清洗和再使用；高的选择性，成本低，产量大；腐蚀液具有腐蚀性，危险性很大。干法刻蚀：利用等离子体激活的化学反应或是利用高能离子束轰击完成去除物质的方法；一种是为等离子刻蚀，具有较好的选择性，但不能保证各向异性；另一种是溅射刻蚀，具有各向异性的优点，但选择性较差。八、金属化1.金属化工艺的主要金属和在IC中常见用途。IC中常使用金属材料：铝Al；铜Cu；钨W；钛Ti金属化应用：栅电极，接触电极，互联2.理解难容金属硅化物，如silicide、Polycide、Salicide的概念。难熔硅化物同铝的接触电阻率比硅同铝的接触电阻率低约一个数量级，硅化物的源、漏结构可以使源、漏区的薄层电阻大大降低；用作电极欧姆接触材料的金属硅化物有：PtSi，PdSi；难熔金属硅化物/多晶硅双层结构在栅和内部互联的应用中可使互联电阻降低约一个量级；用作栅和互联材料的金属硅化物有：TiSi2，TaSi2，WSi2，CoSi2，MoSi2等；3.多层金属互联的一般工艺流程，接触层和互联层通常采用的金属材料和介质材料。金属一般为铝(Al)，铝铜(AlCu)合金，铝硅铜合金(AlSiCu)以及铜(Cu)；介质一般为本征的SiO2，SiN；接触孔填塞材料一般有Ti，TiN和W；4.化学机械抛光CMP介质材料和金属材料对研磨机酸碱度的要求。介质材料CMP：pH值10-12金属材料CMP：pH值2-6九、典型工艺流程1.埋层双极晶体管的制作流程和版图