微電子工藝整理doc

1、微電子工藝引論硅片、芯片的概念 硅片：制造電子器件的基本半導(dǎo)體材料硅的圓形單晶薄片 芯片：由硅片生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品*什么是微電子工藝技術(shù)？微電子工藝技術(shù)主要包括哪些技術(shù)？ 微電子工藝技術(shù)：在半導(dǎo)體材料芯片上采用微米級加工工藝制造微小型化電子元器件和微型化電路技術(shù) 主要包括：超精細(xì)加工技術(shù)、薄膜生長和控制技術(shù)、高密度組裝技術(shù)、過程檢測和過程控制技術(shù)等集成電路制造涉及的五個大的制造階段的內(nèi)容 硅片制備：將硅從沙中提煉并純化、經(jīng)過特殊工藝產(chǎn)生適當(dāng)直徑的硅錠、將硅錠切割成用于制造芯片的薄硅片 芯片制造：硅片經(jīng)過各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜步驟，一整套集成電路永久刻蝕在硅片上 芯片測試/揀選：對單個芯

2、片進(jìn)行探測和電學(xué)測試，挑選出可接受和不可接受的芯片、為有缺陷的芯片做標(biāo)記、通過測試的芯片將繼續(xù)進(jìn)行以后的步驟 裝配與封裝：對硅片背面進(jìn)行研磨以減少襯底的厚度、將一片厚的塑料膜貼在硅片背面、在正面沿著劃片線用帶金剛石尖的鋸刃將硅片上的芯片分開、在裝配廠，好的芯片被壓焊或抽空形成裝配包、將芯片密封在塑料或陶瓷殼內(nèi) 終測：為確保芯片的功能，對每一個被封裝的集成電路進(jìn)行電學(xué)和環(huán)境特性參數(shù)的測試IC工藝前工序、IC工藝后工序、以及IC工藝輔助工序 IC工藝前工序：（1）薄膜制備技術(shù)：主要包括外延、氧化、化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積(如濺射、蒸發(fā)) 等（2）摻雜技術(shù)：主要包括擴散和離子注入等技術(shù) （3）圖形

3、轉(zhuǎn)換技術(shù)：主要包括光刻、刻蝕等技術(shù) IC工藝后工序：劃片、封裝、測試、老化、篩選 IC工藝輔助工序：超凈廠房技術(shù) 超純水、高純氣體制備技術(shù) 光刻掩膜版制備技術(shù) 材料準(zhǔn)備技術(shù)微芯片技術(shù)發(fā)展的主要趨勢 提高芯片性能（速度、功耗）、提高芯片可靠性（低失效）、降低芯片成本（減小特征尺寸，增加硅片面積，制造規(guī)模）什么是關(guān)鍵尺寸（CD）？ 芯片上的物理尺寸特征稱為特征尺寸，特別是硅片上的最小特征尺寸，也稱為關(guān)鍵尺寸或CD(2) 半導(dǎo)體材料本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的區(qū)別是什么？ 本征半導(dǎo)體：不含任何雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，其純度在99.999999%（810個9）為何硅被選為最主要的半導(dǎo)體材料？ a) 硅的豐裕度

4、制造成本低 b) 熔點高(1412 OC)更寬的工藝限度和工作溫度范圍 c) SiO2的天然生成GaAs相對Si的優(yōu)點和缺點是什么？ 優(yōu)點： a) 比硅更高的電子遷移率，高頻微波信號響應(yīng)好無線和高速數(shù)字通信 b) 抗輻射能力強軍事和空間應(yīng)用 c) 電阻率大器件隔離容易實現(xiàn) 主要缺點： a) 沒有穩(wěn)定的起鈍化保護(hù)作用的自然氧化層 b) 晶體缺陷比硅高幾個數(shù)量級 c) 成本高(3) 圓片的制備兩種基本的單晶硅生長方法。 直拉法（CZ法）、區(qū)熔法晶體缺陷根據(jù)維數(shù)可分為哪四種？ 點缺陷空位、自填隙等 線缺陷位錯 面缺陷層錯 體缺陷*畫出圓片制備的基本工藝步驟流程圖，并繪出其中任意三個步驟的主要作用。(

5、4) 沾污控制凈化間污染分類 顆粒、金屬雜質(zhì)、有機物沾污、自然氧化層、靜電釋放（ESD）。半導(dǎo)體制造中，可以接受的顆粒尺寸粗略法則 必須小于最小器件特征尺寸的一半。金屬污染的主要來源 化學(xué)溶液、導(dǎo)體制造中的各種工序，如:離子注入、學(xué)品與傳輸管道反應(yīng)、學(xué)品與容器反應(yīng)*超凈服的目標(biāo)： （1）對身體產(chǎn)生的顆粒和浮質(zhì)的總體抑制 （2）超凈服系統(tǒng)顆粒零釋放 （3）對ESD的零靜電積累 （4）無化學(xué)和生物殘余物的釋放什么是可動離子污染？ 金屬雜質(zhì)以離子形式出現(xiàn)，且是高度活動性；危害半導(dǎo)體工藝的典型金屬雜質(zhì)是堿金屬。如鈉，就是最常見的可移動離子沾污物，而且移動性最強靜電釋放的概念及帶來的問題 概念：靜電釋放

6、也是一種形式的沾污，因為它是靜電荷從一個物體向另一個物體未經(jīng)控制地轉(zhuǎn)移，可能損壞芯片帶來的問題：（1）發(fā)生在幾個納秒內(nèi)的靜電釋放能產(chǎn)生超過1A的峰值電流 蒸發(fā)金屬導(dǎo)線和穿透氧化層 擊穿柵氧化層的誘因 （2）吸附顆粒到硅片表面 顆粒越小，靜電的吸引作用就越明顯 器件特征尺寸的縮小，更需要嚴(yán)格控制硅片放電芯片生產(chǎn)廠房的七種污染源空氣、廠房、水、工藝用化學(xué)品、工藝氣體、生產(chǎn)設(shè)備芯片表面的顆粒數(shù)與工藝步驟數(shù)之間的關(guān)系圖。硅片清洗目標(biāo)： 去除所有表面沾污（顆粒、有機物、金屬、自然氧化層）(4) 工藝腔內(nèi)的氣體控制工藝用氣體通常分為哪兩類？ a) 通用氣體：氧氣(O2)、氮氣(N2)、氫氣(H2)、氦氣(

7、He)和氬氣(Ar)，純度要控制在7個9（99.99999%）以上 b) 特殊氣體：指一些工藝氣體以及其它在半導(dǎo)體集成電路制造中比較重要的氣體，純度要控制在4個9 （99.99%）以上常見的初級泵和高級泵。 常見的兩種初級泵： a) 干性機械泵 b) 增壓/調(diào)壓泵：可處理大量氣體而不需要潤滑劑，增壓器通常被稱為羅茨增壓泵 常見的兩種高真空泵： a) 加速分子泵（渦輪泵）：是一種多用途、可靠的潔凈泵，運作機理是機械化的壓縮 b) 冷凝泵：是一種俘獲式泵，它通過使氣體凝結(jié)并俘獲在泵中的方式去除工藝腔體中的氣體質(zhì)量流量計（MFC）的概念 利用氣體的熱傳輸特性，直接測量進(jìn)入腔體的質(zhì)量流量比率，來控制進(jìn)

8、入腔體的氣流殘氣分析器（RGA）最常見的用途和基本構(gòu)成。用途：a)用來檢驗殘留在已清空系統(tǒng)中的氣體分子的類型 b)檢漏 c)工藝中的故障查詢 基本構(gòu)成：氧化氧化物的兩種產(chǎn)生方式 熱氧化生長、淀積氧化層在芯片制備中有哪幾方面的應(yīng)用？ （1）保護(hù)器件免受劃傷和隔離污染 （2）限制帶電載流子場區(qū)隔離（表面鈍化） （3）柵氧或儲存器單元結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)材料 （4）摻雜中的注入掩蔽 （5）金屬導(dǎo)電層間的介質(zhì)層表面鈍化的概念 SiO2可以通過束縛Si的懸掛鍵，從而降低它的表面態(tài)密度，這種效果稱為表面鈍化；能防止電性能退化，并減少由潮濕、離子或其他外部污染物引起的漏電流的通路關(guān)于氧化的兩種化學(xué)發(fā)應(yīng) 干氧氧化 S

9、i（固）+ O2（氣） SiO2（固） 濕氧氧化 Si（固）+ 2H2O（水汽） SiO2（固）+ 2H2（氣）*氧化物生長的兩個階段及生長厚度的公式： 線性階段氧化物生長厚度 X=(B/A)t 拋物線階段 X=(Bt)1/2 注： X:氧化物生長厚度 B/A:為線性速率系數(shù)，溫度升高系數(shù)增大 B：拋物線速率系數(shù) t：為生長時間用于熱工藝的三種基本設(shè)備 臥式爐、立式爐、快速熱處理（RTP）硅的局部氧化（LOCOS工藝）剖面圖摻雜摻雜的兩種方法 a)熱擴散：利用高溫驅(qū)動雜質(zhì)穿過硅的晶格結(jié)構(gòu)。這種方法受到時間和溫度的影響 b)離子注入：通過高壓離子轟擊把雜質(zhì)引入硅片現(xiàn)代晶片制造中幾乎所有摻雜工藝都

10、是使用離子注入列舉半導(dǎo)體制造中常用的四種雜質(zhì)，并說明是n型還是p型擴散發(fā)生需要的兩個必要條件 a)濃度差 b)過程所必須得能量熱擴散的三個步驟，以及它們的作用 (1)預(yù)淀積： a) 為整個擴散過程建立濃度梯度 b) 爐溫一般8001000 0C(2)推進(jìn)： a)將由預(yù)淀積引入的雜質(zhì)作為擴散源，在高溫下進(jìn)行擴散。目的是為了控制表面濃度和擴散深度 b)10001250 0C(3)激活：稍為升高爐溫，使雜質(zhì)原子與晶格中的硅原子鍵合*離子注入的優(yōu)缺點 優(yōu)點：精確控制雜質(zhì)含量、很好的雜質(zhì)均勻性、對雜質(zhì)穿透深度有很好的控制、產(chǎn)生單一離子束、低溫工藝、注入的離子能穿過薄膜、無固溶度極限 缺點：a)高能雜質(zhì)離

11、子轟擊硅原子將對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷（可用高溫退火進(jìn)行修復(fù)）b)注入設(shè)備的復(fù)雜性（這一缺點被注入機對劑量和深度的控制能力及整體工藝的靈活性彌補）重要的離子注入?yún)?shù) 劑量、射程劑量和能量的公式 劑量的計算公式： Q=(It)/(enA) I為束流，單位是庫侖每秒（安培） t為注入時間，單位是秒 e是電子電荷，等于1.6 x 10-19庫侖 A是注入面積，單位是cm2 描述能量的公式為：KE=nV KE為能量，單位是電子伏特（eV） n為離子電荷 V為電勢差，單位是伏特離子注入設(shè)備的五個主要子系統(tǒng) a)離子源：從氣態(tài)或固態(tài)雜質(zhì)中產(chǎn)生正離子 b)引出電極（吸極）和離子分析器：吸極系統(tǒng)-離子源中產(chǎn)生的所有

12、正離子，并使它們形成離子束，子分析器-將需要的雜質(zhì)離子從混合的離子束中分離出來 c)加速管：為了獲得更高的速度，正離子還要在加速管中的電場下進(jìn)行加速 d)掃描系統(tǒng)：聚束離子束通常很小，必須通過掃描覆蓋整個硅片，掃描的方式有兩種 固定硅片，移動束斑中低電流注入 固定束斑，移動硅片大電流注入 e)工藝室：離子束向硅片的注入發(fā)生在工藝腔中，包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)退火的目的是什么？高溫退火和RTA哪個更優(yōu)越？ 退火的目的：退火能夠加熱被注入硅片，修復(fù)晶格缺陷；還能使雜質(zhì)原子移動到晶格點，將其激活 高溫爐退火：是一種傳統(tǒng)的退火方式，用高溫爐把硅片加熱至8

13、001000并保持30分鐘在此溫度下，硅原子重新移回晶格位置，雜質(zhì)原子也能替代硅原子位置進(jìn)入晶格 此方法可能會導(dǎo)致雜質(zhì)的擴散 快速熱退火（RTA）：用極快的升溫和在目標(biāo)溫度（一般是1000）短暫的持續(xù)時間對硅片進(jìn)行處理快速的升溫過程和短暫的持續(xù)時間能夠在晶格缺陷的修復(fù)、激活雜質(zhì)和最小化雜質(zhì)擴散三者間取得優(yōu)化描述溝道效應(yīng)，控制溝道效應(yīng)的四種方法 溝道效應(yīng)：當(dāng)注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時，就發(fā)生了溝道效應(yīng) 注入過程中有4種方法控制溝道效應(yīng)：* 傾斜硅片 * 掩蔽氧化層 * 硅預(yù)非晶化 * 使用質(zhì)量較大的原子列舉十個使用離子注入的摻在工藝（1）深埋層（2）倒摻雜阱（3）穿通阻擋層

14、（4）閾值電壓調(diào)整（5）輕摻雜漏區(qū)（LDD）（6）源漏注入（7）多晶硅柵（8）溝槽電容器（9）超淺結(jié)（10）絕緣體上硅（SOI）光刻光刻的概念及本質(zhì)： （1）光刻指的是將圖形轉(zhuǎn)移到一個平面的任一復(fù)制過程 （2）光刻的本質(zhì)是把臨時電路結(jié)構(gòu)復(fù)制到以后要進(jìn)行刻蝕和離子注入的硅片上 在主流微電子制造過程中，光刻是最復(fù)雜、最昂貴和最關(guān)鍵的工藝*光刻工藝的八個基本步驟： 氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對準(zhǔn)和曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜烘焙、顯影檢查光刻膠的概念及目的： 概念：一種有機化合物，受紫外光曝光后，在顯影液中的溶解度會發(fā)生變化 目的：（1）將掩模版圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面頂層的光刻膠中 （2）在后續(xù)工藝中

15、，保護(hù)光刻膠下面的材料（如刻蝕或離子注入的阻擋層）光刻膠顯影參數(shù)：顯影溫度、顯影時間、顯影液量、當(dāng)量濃度、清洗、排風(fēng)、硅片吸盤*正膠和負(fù)膠顯影效果： 正性光刻膠：曝光區(qū)域溶解于顯影液，顯影后圖形與掩模版圖形一樣 負(fù)性光刻膠：曝光區(qū)域不溶解于顯影液，顯影后圖形與掩模版圖形相反常用于光學(xué)光刻的兩種紫外光源 汞燈、準(zhǔn)分子激光反射切口、駐波的概念、抗反射涂層的作用 反射切口：在刻蝕形成的垂直側(cè)墻表面，反射光入射到不需要曝光的光刻膠中就會形成反射切口 駐波：入射光與反射光發(fā)射干涉引起；引起隨光刻膠厚度變化的不均勻曝光 抗反射涂層：減小光反射和阻止光干涉；20200nm*分辨率的概念以及計算概念：分辨率是

16、將硅片上兩個鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力 是光刻中一個重要的性能指標(biāo) 計算從早期硅片制造以來的光刻設(shè)備可分為哪五代？列舉任意兩種的優(yōu)缺點（1）接觸式光刻機 優(yōu)點：圖像失真小，圖形分辨率高 缺點：依賴人為操作、容易沾污 （2）接近式光刻機 優(yōu)點：掩模版不與光刻膠直接接觸，大大減小了沾污 缺點：紫外光線通過空氣時發(fā)散，減小了分辨率 （3）掃描投影光刻機 （4）分步重復(fù)光刻機 （5）步進(jìn)掃描光刻機可以成功代替光學(xué)光刻技術(shù)的四種光刻技術(shù) （1）極紫外（EUV）光刻技術(shù) （2）角度限制投影電子束光刻技術(shù)（SCALPEL） （3）離子束投影光刻技術(shù)（IPL） （4）X射線光刻技術(shù)刻蝕刻蝕的概念及其基本目的

17、概念：用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程 基本目的：在涂膠的硅片上正確地復(fù)制掩模圖形兩種基本的刻蝕工藝 a)干法刻蝕：干法刻蝕是用等離子體去除硅片表面材料，物理過程、化學(xué)過程、或兩種反應(yīng)的混合 b)濕法腐蝕：用液體化學(xué)試劑去除硅片表面材料等離子體的概念 一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、帶電離子和自由電子選擇比的概念 同一刻蝕條件下一種材料與另一種材料相比刻蝕速率快多少，定義為被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率的比，高選擇比在最先進(jìn)的工藝中為了確保關(guān)鍵尺寸和剖面控制是必須的，關(guān)鍵尺寸越小，選擇比要求越高*負(fù)載和微負(fù)載效應(yīng)的概念 負(fù)載效應(yīng)：要刻蝕硅

18、片表面的大面積區(qū)域，則會耗盡刻蝕劑濃度使刻蝕速率慢下來；如果刻蝕的面積比較小，則刻蝕會快些 微負(fù)載效應(yīng)：深寬比相關(guān)刻蝕（ARDE）具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比具有低深寬比硅槽的刻蝕速率慢干法刻蝕的應(yīng)用 介質(zhì)氧化物和氮化硅 硅多晶硅柵和單晶硅槽 金屬鋁和鎢濕法腐蝕相比干法刻蝕的優(yōu)點（1）對材料具有高的選擇比（2）不會對器件帶來等離子體損傷（3）設(shè)備簡單淀積淀積膜的過程的三種不同階段（1）晶核形成，成束的穩(wěn)定小晶核形成 （2）聚集成束，也稱為島生長 （3）形成連續(xù)的膜化學(xué)氣相淀積（CVD）的概念，有哪五種基本化學(xué)反應(yīng)（1）高溫分解：通常在無氧的條件下，通過加熱化合物分解（2）光分解：利用輻射使化

19、合物的化學(xué)鍵斷裂分解（3）還原反應(yīng)：反應(yīng)物分子和氫發(fā)生的反應(yīng)（4）氧化反應(yīng)：反應(yīng)物原子或分子和氧發(fā)生的反應(yīng)（5）氧化還原反應(yīng)：還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)的組合，反應(yīng)后形成兩種新的化合物CVD中質(zhì)量傳輸限制和表面反應(yīng)控制限制的概念（1）質(zhì)量傳輸限制 CVD反應(yīng)的速率不可能超過反應(yīng)氣體傳輸?shù)焦杵系乃俾薀o論溫度如何，若傳輸?shù)焦杵砻婕铀俜磻?yīng)的反應(yīng)氣體的量都不足。在此情況下，CVD工藝通常是受質(zhì)量傳輸所限制的（2）表面反應(yīng)控制限制 在更低的反應(yīng)溫度和壓力下，驅(qū)動表面反應(yīng)的能量更小，表面反應(yīng)速度會降低 反應(yīng)物到達(dá)表面的速度將超過表面化學(xué)反應(yīng)的速度 這種情況下，淀積速度是受化學(xué)反應(yīng)速度限制的*APCVD、TEO

20、S-O3方法淀積SiO2的反應(yīng)方程式 Si(C2H5O4) + 8O3 SiO2 + 10H2O + 8CO2 用PECVD制備SiO2反應(yīng)方程式 LPCVD淀積多晶硅的化學(xué)反應(yīng)方程式PECVD淀積氮化硅的化學(xué)反應(yīng)方程式HPCVD工藝的五個步驟（1）離子誘導(dǎo)淀積：指離子被托出等離子體并淀積形成間隙填充的現(xiàn)象 （2）濺射刻蝕：具有一定能量的Ar和因為硅片偏置被吸引到薄膜的反應(yīng)離子轟擊表面并刻蝕原子 （3）再次淀積：原子從間隙的底部被剝離，通常會再次淀積到側(cè)壁上 （4）熱中性 CVD：這對熱能驅(qū)動的一些淀積反應(yīng)有很小的貢獻(xiàn)； （5）反射：離子反射出側(cè)壁，然后淀積，是另一種貢獻(xiàn)（1）外延的概念 在單

21、晶襯底上淀積一層薄的單晶層 外延為器件設(shè)計者在優(yōu)化器件性能方面提供了很大的靈活性 外延層可以減少CMOS器件中的閂鎖效應(yīng) 同質(zhì)外延：生長的膜和襯底的材料相同 異質(zhì)外延：生長的膜和襯底的材料不同 （2）IC制造中一般采用的三種外延方法 1、氣相外延（VPE）：常用的硅外延方法，屬于CVD范疇 2、金屬有機CVD（MOCVD）：用來淀積化合物半導(dǎo)體外延層，也被研究用來淀積有機低k絕緣介質(zhì) 3、分子束外延（MBE）：用來淀積GaAs異質(zhì)外延層，也用來在硅襯底上淀積硅并能嚴(yán)格控制外延層厚度和摻雜的均勻性*介質(zhì)材料的三個主要用途，其中哪個的發(fā)展趨勢是高K，哪個是低K？ 層間介質(zhì)（ILD）、柵氧化層、器件

22、隔離 層間介質(zhì)的發(fā)展趨勢是低 k 材料*隨著特征尺寸的減小，門延遲與互連延遲分別怎么變化？金屬化金屬化、互連、接觸、通孔的概念 金屬化：應(yīng)用化學(xué)或物理處理方法在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜 隨后刻印圖形以便形成互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過程 互連（interconnect）：由導(dǎo)電材料，如鋁、多晶硅或銅制成的連線將電信號傳輸?shù)叫酒牟煌糠?接觸（contact）：硅芯片內(nèi)的器件與第一層金屬之間在硅表面的連接 通孔（via）：穿過各種介質(zhì)層從某一金屬層到毗鄰的另一金屬層形成電通路的開口硅芯片制造業(yè)中各種金屬和金屬合金 a)鋁 b)鋁銅合金 c)銅 d)阻擋層金屬 e)硅化物 f)金屬填充物

23、*IC互連金屬化引入銅的優(yōu)點 a)電阻率的減?。涸?0時，互連金屬線的電阻率從鋁的2.65 mW-cm 減小到銅的1.678 mW-cm ；減少RC的信號延遲，增加芯片速度 b)功耗的減少：減小了線的寬度，降低了功耗 c)更高的集成密度：更窄的線寬，允許更高密度的電路集成，這意味著需要更少的金屬層 d)良好的抗電遷徒性能：銅不需要考慮電遷徒問題 e)更少的工藝步驟：用大馬士革 方法處理銅具有減少工藝步驟 20 to 30 %的潛力自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成工藝剖面圖*用雙大馬士革法的銅金屬化的十個步驟器件技術(shù)簡介無源元件和有源元件分別有哪些？無源器件：電阻、電容有源器件：二極管、晶體管增強型和耗盡型MOSFET的區(qū)別*CMOS反相器的頂視圖CMOS集成電路制造工藝亞微米CMOS IC制造廠可分為哪六種獨立的生產(chǎn)區(qū)？ a)擴散（包括氧化、膜淀積和摻雜工藝） b)光刻 c)刻蝕 d)薄膜 e)離子注入f)拋光*以雙阱工藝的CMOS反相器為例，CMOS制作的基本步驟，以及前六個步驟的剖面圖或在完整剖面上表面各個步驟的位置 1）雙阱工藝 2）淺槽隔離工藝 3）多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝 4）輕摻雜漏（LDD）注入工藝 5）側(cè)墻的形成 6）源/漏（S/D）注入工藝 7）接觸孔的形成 8）局部互連工藝 9）通孔1和金屬塞1的形成 10）金屬1互連的形成