微电子工艺复习整理教材Word下载.docx
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超大规模
10000-99999
大型存储器、微处理器
甚大规模
100000以上
可编程逻辑器件、多功能专用集成电路
5、微电子工艺的特点
①高技术含量：
设备先进、技术先进
②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。
③超纯：
指工艺材料方面，如衬底材料Si、Ge单晶纯度达11个9。
④超净：
环境、操作者、工艺三个方面的超净，VLSI在100级超净室、10级超净台中制作
⑤大批量、低成本：
图形转移技术使之得以实现
⑥高温：
多数关键工艺是在高温下实现，如：
热氧化、扩散、退火
6、说明工艺及产品趋势
①特征图形尺寸的减小（通常用微米表示）特征尺寸和集成度是集成电路发展的两个共同标志。
②芯片和晶圆尺寸的增大
③缺陷密度的减小100um―1um不是问题1um―1um致命缺陷
④内部连线水平的提高高元件密度减小了连线的空间。
解决方案：
在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。
⑤芯片成本的降低⑥纳电子技术
第二章半导体材料和晶圆制备
（1）列出三类晶体缺陷并说明其形成的原因
①点缺陷：
晶体杂志原子挤压晶体结构引起的压力所致
②位错：
晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏
③原生缺陷：
滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。
（2）说出掺杂半导体的两种特性
①通过掺杂浓度精确控制电阻率
②通过掺杂元素的选择控制导电类型（电子N型或空穴P型导电）
掺杂半导体和金属导电的区别：
金属：
①电阻率固定，改变电阻只有改变其形状。
②只能通过电子的移动来导电，金属永远是N型的。
（3）列出三种主要的半导体材料、比较其优缺点
①锗缺点A：
熔点低（937℃）B：
缺少自然形成的氧化物
②硅优点A：
熔点高（1415℃）B：
二氧化硅膜很好的解决了漏电问题
③硅作为电子材料的优势：
原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；
机械强度高；
比重小，密度只有2.33g/cm3；
D:
pn结表面易于生长ＳiＯ2，对结起到保护作用；
E:
制备的单晶缺陷小；
F:
能够制造大尺寸基片，硅片直径已达16英寸；
G:
导热性好
④砷化镓A：
载流子迁移率高，适合于做超过吉赫兹的高速IC。
例如：
飞机控制和超高速计算机。
B：
对辐射所造成的漏电具有抵抗性，即GaAs是天然辐射硬化的。
GaAs是半绝缘的。
使临近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。
⑤砷化镓不会取代硅的原因：
大多数产品不必太快B:
没有保护膜C:
砷对人体有害
（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
①直拉法—Czochralski法（CZ法）
准备腐蚀清洗多晶→籽晶准备→装炉→真空操作
开炉升温→水冷→通气
生长引晶（将籽晶与熔体很好的接触）→缩晶（在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm，获得完好单晶）→放肩（将晶体直径放大至需要的尺寸）→等径生长（拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。
直径大小由拉升速度、转速，以及温度控制。
）→收尾（结束单晶生长）
停炉降温→停气→停止抽真空→开炉
可以生长大晶体;
成本低缺点：
坩埚中的氧进入晶体，有些器件高水平氧不能接受
②液体掩盖直拉法（LEC法）用来生长砷化镓晶体。
③掺杂
④区熔法优点：
无坩埚晶体生长方法，纯度更高缺点：
制备大晶体困难
（7）画出晶圆制备的完整工艺流程图（对应芯片制造前两个阶段）
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
晶体生长和晶圆制备
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
有坩埚的：
直拉法、磁控直拉法液体掩盖直拉法；
无坩埚的：
悬浮区熔法。
（8）会求解直拉法生长单晶的掺杂浓度
平衡分凝系数:
k0有效分凝系:
ke
k0=Cs/ClCs和Cl固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度
绝大多数平衡分凝系数都小于1。
说明随着晶体的生长，熔融液中的掺杂浓度会越来越高
补充：
硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：
晶体准备（直径滚磨、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
第三章污染控制、芯片制造基本工艺概述
（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
①反渗透（RO）和离子交换系统去除离子（盐分、矿物）
②固态杂质（颗粒）通过沙石过滤器、泥土过滤器与次微米级薄膜从水中去除。
③细菌和真菌可由消毒器去除。
这种消毒器使用紫外线杀菌，并通过水流中的过滤器滤除。
④有机污染物（植物与排泄物）可通过碳类过滤器去除。
⑤溶解的氧气与二氧化碳可用碳酸去除剂和真空消除毒剂去除。
（3）说明RCA清洗硅片的方法，SC-1和SC-2的配方特点
SC-1去除有机残余物，金属
SC-2去除碱金属离子，氢氧根。
根据不同的应用，SC-1和SC-2前后顺序也可颠倒。
如果晶片表面不允许有氧化物存在，则
需加入氢氟酸清洗这一步。
它可以放在SC-1和SC-2之前进行，或者在两者之间，或者在
RCA清洗之后。
（4）列出硅片表面的4种污染物及其相应的清洗措施
①颗粒A:
氮气枪（最简单的方式）B:
晶片刷洗器C:
高压水清洗（去除静电作用附着的颗粒）
②有机残余物：
溶剂浸泡池中被去除，例如丙酮或乙醇
缺点A:
将晶片表面的溶剂完全烘干非常困难，所以如果可能，会尽量避免用溶剂清洗晶片。
溶剂经常会有杂质，从而使其本身成为了污染源。
③无机残余物
④氧化层去除：
HF酸
去除必要性：
硅片很容易氧化
很薄的二氧化硅薄膜足以阻止晶片表面在其它的工艺过程中发生正常的反应。
可成为绝缘体，从而阻挡晶片表面与导电的金属层之间良好的电性接触。
常见的清洗溶液是：
（热硫酸＋氧化剂）（通常的光刻胶去除剂）
（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
①溢流式清洗器②喷洒式冲洗③排放式冲洗
（6）列出最基本的4种工艺方法
①增层②光刻：
光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。
光刻是所有四个基本工艺中最关键的正胶法：
开孔负胶法：
留岛
③掺杂：
掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺制程
方法：
热扩散（thermaldiffusion）和离子注入（implantation）
目的：
掺杂工艺的目的是在晶圆表层内建立兜形区
④热处理：
热处理是简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果的制程。
特点：
在热处理的过程中，在晶圆上没有增加或减去任何物质，另外会有一些污染物汽从晶圆上蒸发。
作用：
a.在离子注入制程后会有一步重要的热处理。
b.金属导线在晶圆上制成后会有一步热处理
c.通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉，从而得到精确的图形。
晶圆生产过程的成绩单。
晶圆电测（wafersort）也就是芯片测试（diesort）。
在测试时，晶圆被固定在真空吸力的卡盘上，并与很薄的探针电测器对准，同时探针与芯片的每一个焊接垫相接触
（7）增层工艺主要包括哪些方式
实现方式分：
生长法（氧化工艺、氮化硅工艺）和淀积法（CVD、蒸发工艺、溅射工艺）
第四章外延工艺
（1）什么叫做外延？
外延有哪些特点？
①定义：
在单晶衬底上新生一层单晶膜的技术。
以气相外延为例，则是含外延层材料的物质以气相形式流向衬底，在高温下发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。
记作：
P/Q（P为外延层）
②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
（2）外延的分类？
①按工艺分类：
A气相外延（VPE）利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽，在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅。
B液相外延（LPE）
衬底在液相中，液相中析出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面的过程。
此法广泛应用于III-V族化合半导体的生长。
原因是化合物在高温下易分解，液相外延可以在较低的温度下完成。
C固相外延（SPE）
固体物质通过物理淀积形成的外延层的技术
D分子束外延（MBE）在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。
特点：
生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制。
②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
③按反应室形式：
卧式：
产量大，设备结构简单；
但是生成的外延层的厚度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。
立式：
维护容易，外延层的厚度和电阻率的均匀性及自掺杂效应能得到较好的控制；
但设备大型化，制造难度大。
桶式：
较好的防止外延滑移位错，外延层的厚度和电阻率的均匀性好；
但设备结构复杂，不易维护。
④按材料异同分类：
同质外延（autoepitaxy）：
外延层和衬底为同种材料，例如硅上外延硅。
异质外延（heteroepitaxy）：
外延层和衬底为不同种材料。
例如SOI（（绝缘体上硅）是一种特殊的硅片，其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层———埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接）
⑤按电阻率高低分类：
正外延：
低阻衬底上外延高阻层n/n+
反外延：
高阻衬底上外延低阻层
⑥按温度（1000度界）⑦按压力（常压、低压）
（3）硅气相外延的过程？
在气相外延生长过程中，有两步：
质量输运过程－－反应剂输运到衬底表面
表面反应过程－－在衬底表面发生化学反应释放出硅原子
（4）硅气相外延的原理？
通常用的外延反应剂：
SiCl4（*）、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3
SiCl4外延反应剂：
SiCl4＋2H2<
---->
Si+4HCl（1200度左右）（生长，腐蚀）
H2的作用：
运载稀有气体B：
还原剂
SiCl4＋Si<
2SiCl2（腐蚀硅）
上述两个反应的综合结果外延生长的同时伴随有衬底的腐蚀。
（5）外延有何应用？
①双极型电路A：
n/n+外延B:
n/p外延
②MOS电路外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极。
（6）外延的漂移规律
①{111}面上严重,偏离2~4度,漂移显著减小,常用偏离3度.
②外延层越厚,偏移越大
③温度越高,偏移越小
④生长速率越小,偏移越小
⑤SiCl4SiH2Cl2SiH4硅生长---腐蚀速率的各向异型是发生漂移的根本原因.
（7）外延的工艺多样化
①具有相反导电类型的外延层，在器件工艺中可形成结和隔离区；
②薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路；
③选择外延可取代等平面隔离工艺来发展平面隔离；
④绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三维空间电路
（8）外延的软误差
从封装材料中辐射出的α粒子进入衬底产生大量（约106量级）电子-空穴对，在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对可以扩散50μm，易受电场作用进入有源区，引起器件误动作，这就是软误差。
②方法：
采用低阻衬底上外延高阻层的外延片，则电子-空穴对先进入衬底低阻层，其扩散长度仅1μm，易被复合，它使软误差率减少到原来的1/10。
第五章氧化工艺
（1）硅器件中二氧化硅膜的作用？
①表面钝化：
A保护器件的表面及内部——二氧化硅密度非常高，非常硬，保护器件免于沾污、损伤和化学腐蚀。
B禁锢污染物——落在晶圆上的污染物（主要是移动的离子污染物）在二氧化硅的生长过程中被禁锢在二氧化硅膜中，在那里对器件的伤害最小。
②掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）A杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度B二氧化硅的热膨胀系数与硅接近
③绝缘介质：
SiO2介电性质良好A:
IC器件的隔离和多层布线的电隔离B:
MOSFET的栅电极C:
MOS电容的绝缘介质
（2）二氧化硅膜的获得方法有哪些？
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
（3）描述热氧化的基本机理和两个阶段。
①机理：
Si（固态）+O2（气态）SiO2（固态）（>
1000℃）
热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散与化学反应实现。
O2或H2O在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO2界面后再与Si反应。
结果：
硅被消耗而变薄，氧化层增厚。
②两个阶段：
A:
线性阶段简记为：
tox=B/At
B：
抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）
（4）影响氧化速率的因素？
①氧化方式（干氧、湿氧或水汽氧化、等离子增强氧化）气氛：
掺氯气氛增加氧化速率。
②气压：
氧化速率与氧化剂分压成正比。
③氧化温度的影响，氧化速率随温度升高而增大④重掺杂比轻掺杂快⑤硅表面晶向的影响：
硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R（111）>
R（110）>
R（100）。
（5）常见的热氧化生长二氧化硅的方法有哪些？
①干氧氧化气源：
干燥氧气，不能有水分适用：
较薄的氧化层的生长，例如MOS器件的栅极原理：
氧化剂扩散到SiO2/Si界面与硅反应。
随着氧化层的增厚，氧气扩散时间延长，生长速率减慢。
②水汽氧化气源：
气泡发生器或氢氧合成气源
气泡发生器缺点：
a：
水温易波动b：
气泡发生器可能成为污染源
氢氧合成氧化优点a：
容易得到干净和干燥的气体b：
气体流量精确可控
因此②是LSI和VLSI中比较理想的氧化技术
易爆炸性（解决办法：
氧气过量）
原理：
Si+2H2O→SiO2+2H2（＞1000度）③湿氧氧化
④掺氯氧化气态气源:
Cl2HCl
液态气源:
三氯乙烯C2HCl3（TCE）氯仿CHCl3（TCA）都为剧毒物；
半导体工业常用HCl，液态也用氯仿
A诱因：
薄的MOS栅极氧化要求非常洁净的膜层，如果在氧化中加入氯，器件的性能和洁净度都会得到改善。
B作用：
a：
减弱二氧化硅中的移动离子（主要是钠离子）的沾污影响
b：
减少硅表面及氧化层的结构缺陷
（6）比较干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点。
干氧氧化和水汽氧化的比较
湿氧氧化各项性能介于干氧氧化和水汽氧化之间，其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的要求
（7）为什么要采用掺氯氧化，作用如何？
若在氧化中加Cl器件性能与洁净度都会改善作用：
A减弱二氧化硅移动离子（主要钠离子）玷污影响B减少硅表面及氧化层结构缺陷
第6章化学气相淀积工艺（CVD）
（1）淀积技术包括哪两种？
①根据压强分：
常压（AP）和低压（LP）
②根据反应室壁冷热分：
热壁和冷壁
CVD系统的两种能量供给源：
热辐射和等离子体
（2）用表格的方式描述二氧化硅、多晶硅、氮化硅的性
质、用途、淀积方法（包括方程式、APCVD、LPCVD
或PECVD等）、淀积温度。
（3）LPCVD和APCVD的主要区别？
LPCVD有何优势？
LPCVD相对APCVD的特点：
①增加了真空系统，气压在1-10-2Torr之间
②低压下分子自由程长，可以竖放基片③加热系统一般是电阻热壁式
（4）PECVD的机理？
PECVD有何优势？
机理：
等离子体由中性原子团、游离基、分子、离子、少量高能电子组成。
优势：
可以较低温度下淀积薄膜，常是低温与低压结合
（5）多晶硅淀积和外延淀积的主要区别。
硅烷的使用
第7章金属淀积工艺
（1）金属薄膜的用途？
金属化的作用？
用途①在微电子器件与电路中金属薄膜最重要的用途是作为内电极（MOS栅极和电容器极板）和各元件之间的电连接。
②在某些存储电路中作为熔断丝。
③用于晶圆的背面（通常是金），提高芯片和封装材料的黏合力。
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。
①铜膜用途：
新一代的金属化材料，超大规模集成电路的内连线
与硅的接触电阻高，不能直接使用；
铜在硅中是快扩散杂质，能使硅中毒，铜进入硅内改变器件性能；
与硅、二氧化硅粘附性差。
电阻率低（只有铝的40-45%），导电性较好；
抗电迁移性好于铝两个数量级；
工艺：
溅射
②铝膜用途:
大多数微电子器件或集成电路是采用铝膜做金属化材料
抗电迁移性差；
耐腐蚀性、稳定性差；
台阶覆盖性较差。
导电性较好；
与p-Si，n+-Si（>
5*1019）能形成良好的欧姆接触；
光刻性好；
与二氧化硅黏合性好；
易键合。
工艺：
蒸发，溅射
（4）VLSI对金属化的要求是什么？
①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
②能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度③抗电迁移性能要好
④与绝缘体（如二氧化硅）有良好的附着性⑤耐腐蚀
⑥易于淀积和刻蚀⑦易键合，且键合点能经受长期工作
⑧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
（5）Al-Si接触的常见问题及解决办法？
常见问题：
①铝硅共溶：
铝在硅中溶解度非常小，但硅在铝中溶解度比较高。
退火过程就会共溶
②铝硅共熔：
两种物质相互接触并进行加热的话，它们的熔点将比各自的熔点低得多。
③尖楔现象：
由共溶现象引起的
解决办法：
（6）说明难熔金属在金属连线中的作用？
虽然电迁移问题和共熔合金问题已经通过采用铝合金和隔离层的方法得到了解决，然而接触电阻的问题仍然是一大障碍。
难熔金属及其硅化物有较低的电阻率和接触电阻，常见的有Ti、W、Ta和Mo。
难熔金属硅化物常见的有TiSi2、WSi2、TaSi2和MoSi2
（7）金属化的实现方法有几种？
请论述真空溅射方法。
①物理淀积（*）
A：
真空蒸发淀积（较早，金属铝线）1）蒸发过程
被蒸物质从凝聚相转化为气相。
2）输运过程
气相物质在真空系统中的输运。
3）生长过程
气相分子在衬底上淀积和生长。
必要性：
化学因素和高质量淀积层的需要
蒸发设备：
蒸发源加热器真空泵装片装置检测装置
真空溅射淀积（Al-Si合金或Al-Si-Cu合金）
定义：
溅射淀积是用核能离子轰击靶材，使靶材原子从靶表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。
1）成分不变，适合于合金膜和绝缘膜的淀积；
2）改善台阶覆盖性，平面源相对于点源；
3）溅射形成的薄膜对表面的黏附性有一定提高；
4）容易控制薄膜特性。
②LPCVD（难熔金属）
（8）说明金属CVD的优势和主要用途。
LPCVD可以应用于制作金属薄膜
优势：
①不需要昂贵的高真空泵；
②台阶覆盖性好；
③生产效率较高。
用途：
①难控制金属；
②难熔金属。
③主要是钨
第8章光刻工艺
（1）什么叫做光刻，光刻有何目的？
光刻是图形复印与腐蚀作用相结合，在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术。
目的：
在介质薄膜（二氧化硅、氮化硅、多晶硅等）、金属薄膜或金属合金薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
（2）光刻技术的图形转移分为哪两个阶段？
①图形转移到光刻胶层②图形从光刻胶层转移到晶圆层
（3）列出光刻工艺的十个步骤，并简述每一步的目的。
①表面准备：
清洁和干燥晶圆表面②涂光刻胶：
在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻胶③软烘培：
加热，部分蒸发光刻胶溶剂④对准和曝光：
掩膜版和图形在晶圆上精确对准和光刻胶的曝光，负胶是聚合物⑤显影：
非聚合光刻胶的去除⑥硬烘培：
对溶剂的继续蒸发⑦显影目捡：
检查表面的对准情况和缺陷情况⑧刻蚀：
将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除⑨光刻胶的去除：
将晶圆上的光刻胶层去除⑩最终目检：
表面检查以发现刻蚀的不规则和其他问题
（4）光刻胶的分类，谈谈正胶和负胶的区别。
光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。
分类：
①根据曝光源和用途A光学光刻胶（主要是紫外线）B电子抗蚀剂CX-射线抗蚀剂
②根据胶的极性A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。
B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。
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
（5）掩膜版的对准法则，说明对准误差有哪些？
①把所需图形在晶圆表面上定位或对准
②通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上
对准
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