半导体考试重点Word下载.docx

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清洗技术。

沾污类型：

颗粒（危害检测）、金属杂质（可动离子沾污MIC，典型的有Na+）、有机物沾污、自然氧化层、静电释放（击穿，电荷累积吸引污染颗粒）。

污染源：

空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体、生产设备

超净间净化级别：

标定了净化间的空气质量级别，由颗粒尺寸和密度来表征。

参考标准：

ISO标准14644FS-209E

超净间的净化控制：

人员、厂房材料及布局、空气过滤及换气、气流和压力（层状单向流，高于外界压力）、温度和湿度、静电释放（采用静电消耗材料，接地，空气电离等方法消除）、噪声和振动、照明、工艺设备

超净服设备的净化：

工作台（穿壁式）、硅片自动化处理、微环境（硅片隔离技术）

（7）硅片清洗技术：

1）.清洗工艺：

湿法清洗（改进的RCA清洗工艺）

干法清洗（利用热化学气体或等离子态反应气体与硅片表面产生化学反应，生成易挥发性反应物而去除）

螯合剂、臭氧、低温喷雾清洗等其他清洗技术

2）.湿法清洗办法：

兆声清洗、喷雾清洗、刷洗器、水清洗、溢流清洗、排空清洗、喷射清洗、加热去离子水清洗

3）.硅片甩干

第二章晶体结构

一、非晶材料和晶体材料

⏹非晶材料（无定形材料）：

原子排列杂乱无章

⏹晶体材料：

原子排列有序，规则，从宏观上看：

具有规则的几何外形，固定的熔点，解理性，各向异性

二、晶体材料

⏹晶胞：

晶体结构中最简单，最基本的单元

⏹按晶胞的排列方式，晶体结构分为：

多晶和单晶

三、晶向和晶面

⏹晶向决定了硅片中晶体结构的物理排列

⏹不同晶向的硅片的化学，电学，机械性质不同，影响工艺制造和器件性能

⏹密勒指数：

用来标定晶向和晶面

四、晶体缺陷

⏹理想的晶体：

完美的结构，而实际的晶体：

存在缺陷结构

⏹晶体缺陷类型：

点缺陷线缺陷面缺陷体缺陷

⏹硅中的晶体缺陷一般产生于晶体生长和后面硅锭和硅片加工中。

1.点缺陷

⏹原子尺寸上的局部缺陷，会造成晶格畸变。

⏹造成点缺陷的因素：

晶体的生长速率，生长时的温度梯度，加工中的热处理，外来杂质的引入等

2.线缺陷：

位错

刃形位错、螺形位错

3.面缺陷：

层错

⏹面缺陷是二维缺陷，由于原子层错排，产生层错缺陷

五、单晶硅制备

（1）、半导体级硅（多晶硅）

⏹高温碳还原：

加热含碳的硅石来制备冶金级硅

SiO2+C→Si+CO2

沙子MGS纯度98%到99%

⏹高温氯化：

通过化学反应将冶金级硅生成三氯硅烷（低纯度），并提纯成高纯度的三氯硅烷。

Si+3HCl→SiHCl3+H2

⏹高温还原：

通过三氯硅烷和氢气反应生产半导体级的硅

SiHCl3+H2→Si+3HCl

SGS纯度99.9999999%

晶体结构：

多晶

（2）、单晶硅锭的制备

⏹半导体级硅（多晶）→单晶生长后的单晶硅称为硅锭

⏹方法：

CZ法（直拉法）

FZ法（区熔法）

CZ法：

85%以上的单晶硅是用CZ法生长的，可生长大直径的单晶硅锭

FZ法：

其生长的单晶硅锭纯度高（氧含量低），但可生长的直径小

⏹单晶硅锭中的掺杂

1）.直拉法（CZ法）

⏹准备阶段：

通入惰性气体，清洗和腐蚀多晶硅，去除其表面污物和氧化层。

准备籽晶，要求晶格完好，无缺陷。

籽晶的晶向和要生长的单晶硅棒的晶向一致。

⏹生长阶段：

引晶→缩颈→放肩→等颈生长→收尾

缩颈是为消除籽晶中的原有缺陷和引晶时由于温度变化引起的新生缺陷

⏹停炉阶段：

先降温，再停止通气，再开炉。

避免单晶棒在较高温度下暴露在空气中，被氧化和污染。

2）.区熔法（FZ法）

3）.单晶硅锭中的掺杂

⏹在单晶生长时，在硅锭中掺入一定量的Ⅲ、Ⅴ族元素，以得到特定导电类型和电阻率的硅片。

⏹掺杂的方法有液相掺杂，气相掺杂

⏹掺杂浓度：

六、硅片加工：

整形处理、切片、倒角、磨片、刻蚀、抛光、清洗、质量检测、包装

1）.整形处理：

径向研磨，定位面（200mm及以下），定位槽（300mm及以上）

2）.切片

⏹硅锭切割方式:

外圆、内圆、线切割

⏹200mm以下的硅片，用带有金刚石切割边缘的内圆切割机

300mm及以上硅片，采用线锯法，用浆料覆盖的线代替金刚石覆盖的锯刀

其具有更薄的切口损失，机械损伤较小等优点，但切片的表面平整度还存在问题

3）.倒角

防止硅片边缘破裂、防止热应力造成的损伤、增加外延层以及光刻胶在硅片边缘的平坦度。

4）.磨片

机械双面研磨，为去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行和平坦。

5）.化学刻蚀

6）.抛光

7）.清洗、质量检测、包装

质量检测参数：

物理尺寸、平整度、微粗糙度、氧含量、晶体缺陷、颗粒尺寸和数量、体电阻率

（3）硅片的规格和用途：

①按直径：

3英寸，4英寸，6英寸，8英寸，12英寸（300mm），18英寸（450mm）

②按生长方式：

CZ硅和FZ硅，外延硅

CZ硅主要用于二极管，太阳能电池，集成电路，外延硅的衬底片，直径在3到12英寸间。

FZ硅主要用于高压大功率可控整流器件，直径在3到6英寸间

外延硅主要用于晶体管和集成电路

③按晶向：

[100]型，[110]型，[111]型

第三章氧化

一、SiO2特性

⏹自然氧化膜，在工艺制造中认为是一种沾污。

工艺中需要的氧化膜（SiO2）可以通过热氧化或淀积的方法得到。

⏹SiO2结构：

结晶型无定型

⏹物理特性：

石英晶体的熔点为1732℃，非晶态的二氧化硅薄膜无熔点，软化点为1500℃。

电阻率在107～1015Ω·

cm，电阻率与制备方法及所含杂质有关。

密度为2～2.2g/cm3

⏹化学特性：

稳定，常温下只溶于HF酸,具有酸性氧化物的性质

二、SiO2的用途

掩蔽杂质、栅氧电介质、表面钝化和保护、器件隔离、金属导电层间的绝缘介质

（1）.掩蔽杂质

⏹选择性掺杂

⏹掩蔽:

某种元素（BPAsSb等）在SiO2扩散的速度比在Si扩散的速度要慢的多，称SiO2对这些元素有掩蔽作用

⏹掩蔽杂质：

（2）.栅氧电介质

⏹栅氧结构：

用薄的氧化膜做介质材料采用热氧化（干氧化法）

⏹质量要求：

规范的厚度高质量膜厚均匀无杂质

（3）.表面钝化和保护

⏹表面钝化:

束缚硅的悬挂键，降低其活性

⏹SiO2坚硬，无孔（致密），可保护硅片免受划伤或工艺损伤

均匀的厚度、无针孔和空隙

（4）.器件隔离

⏹器件隔离

⏹工艺技术：

LOCOS工艺（用热氧化法）、STI工艺（0.25μm以下，用淀积法）

LOCOS工艺（局部氧化工艺）、STI工艺（浅槽隔离工艺）

（5）.金属导电层间的绝缘介质

层间介质：

用化学淀积法

三、热氧化法（热氧化生长）

（1）、氧化方法

⏹干氧法：

Si（固）+O2（气）→SiO2（固）特点：

生长缓慢，结构致密

⏹水汽法：

Si（固）+2H2O（水汽）→SiO2（固）+2H2（气）特点：

生长速度快致密性差

⏹湿氧法：

干氧与水汽按比例混合特点：

湿氧法制备的膜比干氧的密度小

⏹实际氧化工艺采用干、湿氧交替的方法。

一般使用三步氧化法：

干→湿→干。

如：

3DK4的一氧工艺：

干氧15min，再湿氧40min，最后干氧15min。

（2）、氧化生长模式

⏹硅的消耗：

氧化工艺中SiO2的生长都要消耗硅

⏹氧化物形态：

热氧化法生长的SiO2是无定形。

⏹扩散运动：

随着的SiO2生长，SiO2会隔离开氧气和硅片，氧气要通过扩散运动穿过已生长的SiO2层与硅片接触反应

⏹SiO2¡

ª

Si界面：

界面电荷堆积

⏹常见缺陷：

氧化诱生堆垛层错

⏹由于不完全氧化，造成带正电电荷区

原因：

过剩硅离子，产生悬挂键，出现净电荷解决：

H2或H2和N2混合气氛中低温退火

⏹由于沾污引入碱金属离子（如Na+），是可动正离子解决：

热氧化中掺入HCl

⏹是造成SiO2¡

Si界面氧化不完全的原因，导致过多的硅空隙

⏹解决：

掺氯氧化

三、氧化物的生长速度影响参数

温度、氧化剂（O2或H2O）、压力、掺杂水平、硅的晶向

四、工艺与设备

（1）.工艺过程：

⏹氧化前清洗→氧化→检查

⏹湿法清洗：

去除颗粒，可动离子，天然氧化层等

氧化：

含氯干氧清洗石英管干→湿→干交替氧化

检查：

膜厚均匀性颗粒缺陷等

（2）.氧化设备

⏹高温炉（扩散炉）：

可用于热氧化热退火淀积膜热扩散

⏹主要有：

卧式炉、立式炉、快速热处理（RTP）

⏹卧式炉和立式炉特点：

基本工作原理一样、热壁炉体（硅片和炉壁都需要加热）、立式炉占地面积小，便于自动化，颗粒沾污少

⏹RTP特点：

单片处理、冷壁炉体（炉壁不加热，只对硅片加热）、升温快，加工时间短，沾污少、温度均匀性差、最广泛的应用是离子注入后的退火

第四章膜淀积

⏹淀积：

一种材料以物理方式沉积在晶圆表面的工艺过程

⏹与热氧化的区别：

形成膜的来源不同

淀积：

形成膜的物质全部来自外部的源

热氧化：

从硅片表面生长，消耗衬底材料

⏹淀积的膜：

SiO2，Si3N4，多晶硅，金属等

一、薄膜特性（质量参数要求）

⏹高密度：

连续的不含孔隙

⏹厚度一致（均匀性）

⏹对台阶的覆盖好

⏹高的深宽比间隙填充能力

⏹高纯度

⏹合适的化学剂量

⏹低的膜应力

⏹对下层材料的粘附性，台阶覆盖间隙填充能力

⏹用深宽比来描述一个间隙（孔或槽）

⏹深宽比=深/宽

⏹高的深宽比典型值一般为3有时是5或更大

⏹一般膜淀积时槽的底部和边缘比较薄

二、薄膜形成

⏹形成过程：

晶核形成→聚集成束（岛生长）→连续成膜

⏹膜结构控制：

淀积膜可能是无定形、多晶、单晶

工艺设置不当，控制不良，会导致错误的膜结构

三、膜淀积技术

化学化学气相淀积（CVD）电镀

物理蒸发溅射旋涂方法

（1）化学气相淀积特点：

产生化学反应、反应物以气相形式参加反应、膜中的所有材料物质来源于外部的源

（2）反应机理

1.薄膜形成过程

参加反应的气体传输到硅片表面；

反应物扩散至硅片表面并吸附其上；

硅片表面发生化学反应，生成膜分子和副产物；

膜分子沿硅片表面向膜生长区扩散并与晶格结合成膜；

反应副产物随气流流动至排气口，被排出淀积区

2.速度限制：

最慢的阶段决定整个淀积过程的速度

⏹两个速度：

反应气体传输到硅片表面的速度、在硅片表面处的化学反应速度

⏹质量传输限制CVD：

V传输<

V反应；

不能提供充足的反应物（量不足）；

对温度不敏感；

提高淀积率的途径：

提高反应气体流量

⏹反应速度限制CVD：

V传输>

V反应；

反应物量足，化学反应慢；

提供反应的能量很重要：

温度；

压力（低压有助于反应物扩散，低压CVD属于反应速度限制）

常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）、等离子体辅助CVD（PECVD）

（1）常压CVD（APCVD）属于质量传输限制：

反应速度可以保证反应气体的量不充足

⏹特点：

淀积速度快台阶覆盖能力差气体消耗量大低产出率

⏹应用：

淀积SiO2和掺杂的氧化硅，用于层间绝缘、保护性覆盖物、表面平坦化等功能

（2）低压CVD（LPCVD）

⏹属于反应速度限制：

低压下便于扩散，有足够的反应气体到达硅片表面

反应速度限制了淀积速度（要严格控制温度）

优良的台阶覆盖能力大的硅片容量淀积速率低高维护

多晶硅膜和氮化硅

（3）等离子体辅助CVD（PECVD）

⏹在LPCVD基础上，加高频电场，使反应气体电离成等离子体，发生反应，沉积成膜

低压，可与LPCVD比拟；

低温，快速淀积；

台阶覆盖能力好；

要求RF系统成本高

淀积热稳定性差的材料

五、外延

⏹定义：

在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层

⏹优点：

外延在优化器件性能上提供很大的灵活性。

1、外延工艺：

气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）

（1）气相外延

⏹硅片制造中最常用的外延方法，属于CVD

⏹硅气相外延的生长机理

⏹工艺步骤

清洁、装炉、换气、升温、气相抛光、外延生长、闭源降温、取片

（2）分子束外延

⏹类似于真空蒸发淀积，是用来淀积外延层可达到原子分辨率的一种方法

⏹MBE系统提供电磁场使硅原子蒸发，这些硅原子束离开硅源，流动通过腔体，淀积在单晶硅片上

低温，减少了自掺杂和外扩散；

生长速度慢；

膜形成易控制，可实现单层增量控

制；

产率低，花费高

六、金属化与平坦化

⏹什么是金属化：

集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务的就是金属布线。

金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线的影响。

⏹什么是平坦化：

平坦化就是将硅片表面起伏不平的介电层加以平坦的工艺。

经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。

（1）金属布线

⏹基本概念：

互连、接触、通孔、栓塞

⏹多种金属

互连金属（铝，铝铜合金，铜）、阻挡层（钛，钽等）、硅化物、金属填充塞（钨）

（2）金属淀积方法：

蒸发、溅射、金属CVD、电镀

1）蒸发：

真空蒸发、电子束蒸发。

在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，沉积在晶片上。

早期的金属膜采用蒸发法，20世纪70年代被溅射取代。

特点：

台阶覆盖差沟槽填充能力差淀积合金困难

2）溅射：

高能粒子撞击靶，撞击出原子，沉积在基片上，形成薄膜。

可在大晶圆上控制淀积均匀的薄膜、膜厚均匀，台阶覆盖能力好、保持复杂合金原组分、能淀积高熔点和难溶金属、能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化层（原位溅射）

三类溅射系统：

RF（射频）、磁控、IMP（离子化的金属等离子体）

3）金属CVD：

CVD法由于台阶覆盖能力强，具有良好的高深宽比接触和无间隙式的填充，广泛应用于金属淀积。

应用：

钨，铜的种子层等

4）铜电镀

（3）平坦化

1）传统平坦化技术：

反刻玻璃回流局部平坦化技术旋涂膜层

2）化学机械抛光（CMP）→全局平坦化技术

平坦化

未平坦化的硅片

不同的平坦化效果

反刻法示意图

玻璃回流示意图

旋涂膜层法

旋涂膜层之后的效果

化学机械平坦化（CMP）

CMP工艺中的图形密度效应

七、铜金属化

（1）信号延迟（互连延迟）成为关键延迟，低K介质和铜互连成为发展的趋势

（2）使用铜的困难：

1）铜在氧化硅和硅中扩散快（铜扩散进硅的有源区，使器件失效）

2）铜难刻蚀

3）低温下（<

200℃）空气中，易氧化，且不会形成保护层阻止铜进一步氧化

第五章光刻

5-1光刻材料

一、概述

制作掩膜版步骤：

将掩膜版上的图形转移到硅片表面的光敏薄膜上，再进行刻蚀或离子注入（掺杂）。

⏹光刻使用光敏光刻胶材料和受控制的曝光形成三维图形

⏹光刻是IC制造中关键步骤

1/3成本、40%—50%生产时间、决定CD

⏹多次光刻

⏹光刻材料：

光刻胶掩膜版

二、光刻胶（PR）

1.光刻胶的特性及作用

⏹是一种光敏材料

⏹通过曝光使光刻胶在显影液中的溶解度发生改变

可溶→不可溶（负胶）

不可溶→可溶（正胶）

⏹光刻胶的作用：

保护下层材料

⏹光刻胶：

负性光刻胶正性光刻胶

2.光刻胶的组成

树脂：

作为沾合剂的聚合物的混合物，给予光刻胶机械和化学性能。

感光剂：

光刻胶材料的光敏成分。

溶剂：

使光刻胶具有流动性。

添加剂：

控制光刻胶材料特殊方法的化学性质。

（1）负性光刻胶

⏹树脂（可溶于显影液）

曝光后感光剂产生自由基，自由基使树脂交联而不溶于显影液

⏹显影后图形与掩膜版相反

（2）正性光刻胶

⏹树脂（本身是可溶于显影液，感光剂是一种强力溶解抑制剂）

曝光后感光剂产生酸，酸提高树脂在显影液中的溶解度

⏹显影后图形与掩膜版相同

（3）对比：

正、负光刻胶

⏹负胶：

显影泡胀而变形，使分辨率下降

曝光速度快，与硅片粘附性好，价格便宜，2μm分辨率

⏹正胶：

无膨胀，良好的线宽分辨率，和基片之间的粘附性差

⏹当前主要使用正胶

3.光刻胶发展

⏹传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.35μmCD）

⏹深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25μmCD）

⏹深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18μmCD）

4.光刻胶的特性

⏹分辨率：

将硅片上两个邻近的特征图形区分开的能力

⏹对比度：

光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度

⏹敏感度：

产生一个良好图形所需的最低能量

⏹粘滞度：

液体光刻胶的流动特性的定量指标

⏹粘附性：

光刻胶粘着衬底的强度

⏹抗蚀性：

在后面的加工工艺中保持化学稳定性

三、掩膜版

⏹掩膜版：

包含整个硅片上所有管芯

投影掩膜版：

包含一个管芯或几个管芯

⏹两个基本部分：

基板（石英版）+不透光材料

⏹基板要求：

低温度膨胀、高光学透射、耐腐蚀、材料表面和内部没有缺陷

⏹超微粒干版：

AgBr（卤化银）

铬版：

Cr（铬）+氧化铬

氧化铁版：

Fe2O3（氧化铁）

⏹投影掩模板

采用电子束光刻直写式

投影掩模板的损伤：

掉铬、表面擦伤、静电放电、灰尘颗粒

§

5-2光刻工艺

光刻的基本步骤：

气相成底膜、旋转涂胶、前烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查

一、气相成底膜

⏹目的：

增强硅片与光刻胶的黏附性

⏹底膜处理的步骤

1.硅片清洗

不良的表面沾污会造成：

光刻胶与硅片的黏附性差，可能会浮胶、钻蚀

颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔

2.脱水烘焙：

使硅片表面呈干燥疏水性

3.底膜处理

HMDS作用：

影响硅片表面形成疏水表面，增强硅片与胶的结合力

成底膜技术：

旋转法和气相法

二、旋转涂胶

⏹质量参数：

厚度、均匀性、颗粒沾污、光刻胶缺陷（如针孔）等

⏹厚度和均匀性

光刻胶厚度通常在1μm数量级，单片厚度变化≤20—50A，大批量的片间厚度＜30A

三、前烘（软烘）

光刻胶中的溶剂部分挥发；

增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力；

缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力；

⏹如果没有前烘，可能带来的问题有：

光刻胶发黏，易受颗粒污染；

光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题；

溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶；

光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜

四、对准和曝光

⏹对准和曝光工艺代表了现代光刻中的主要设备系统

⏹硅片被定位在光学系统的聚焦范围内，硅片的对准标记与掩膜版上匹配的标记对准后，紫外光通过光学系统透过掩膜版进行图形投影，这样就对光刻胶进行曝光。

⏹曝光方式和设备

⏹曝光光源

⏹光学光刻特性

⏹曝光质量

1.曝光方式和设备：

光学：

接触式/接近式光刻机、扫描投影光刻机、步进扫描光刻机

非光学：

电子束光刻机、X射线光刻机、离子束光刻机

接触式光刻机特点：

掩膜版容易损坏、易受颗粒沾污、高分辨率，可以实现亚微米（0.4μm）线宽

接近式光刻机特点：

与接触式相比减少了沾污问题；

掩膜版的寿命也较长；

由于光的衍射而分辨率降低

扫描投影式光刻机

利用反射镜系统把有1:

1图像的整个掩膜板图形投影到硅片表面。

使用1：

1掩膜版。

亚微米尺寸的掩膜版制作困难

步进扫描式光刻机

⏹近年主流设备，用于形成0.25μm及以下尺寸

⏹使用投影掩膜版（1：

1，4：

1，5：

1，10：

1）

高分辨率；

精度易受环境影响（如振动等影响）；

光刻系统复杂，设备昂贵

⏹电子束曝光

利用电子束在电磁场的作用下可以聚焦、偏转一定的角度，将电子与光刻胶发生碰撞，发生化学反应完成曝光。

目前，最有应用前途的是限角度投影式电子束光刻。

电子束曝光，分辨率高、掩膜版制作容易、工艺容限大，生产效率高，但由于电子束在光刻胶膜内的散射，使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响（即临近效应），造成的结果是，显影后，线宽有所变化或图形畸变。

⏹X射线曝光

X射线曝光选用的是特殊材质的X射线掩膜版。

X射线经过专用掩膜版投射到硅片上，与光刻胶作用达到曝光的效果。

X射线的衍射、反射、折射以及散射都很小，很适合亚微米尺寸的曝光。

X射线曝光，分辨率高，可实现纳米工艺。

对于小尺寸工艺，其衍射现象可以忽略，穿透力强，不会污染硅片。

但光刻机以及掩膜版制作麻烦，硅片对准比较困难，X射线能量太高，会使掩膜版热膨胀变形等。

⏹离子束曝光

离子束曝光是将聚焦后的离子束投影到光刻胶上达到曝光的目