集成电路工艺专题复习

期末码一下集成电路工艺知识点，课本是施敏的《半导体器件与物理工艺》，课上只选讲了第三部分工艺。

填空题

在单晶衬底上生长另一单晶半导体层的生长技术叫做外延。
用于生长单晶砷化镓的双温区炉管叫做布里吉曼系统。
有多少分子在单位时间里撞击在单位面积的衬底上的参数叫做分子撞击率。
分子在连续两次碰撞期间，平均经过的距离叫做平均自由程。
合金的熔点比任何一种组成材料的熔点都低，最低熔点称为共晶温度。
先定义介质，再将金属铜填入沟槽内，随后进行化学机械抛光以去除在介质表面多余的金属而仅保留通孔和沟槽内的铜，这种方法叫做嵌入工艺。
目前唯一可进行全面平坦化的技术叫做化学机械抛光。
将掩膜版上的几何图形转移到覆盖半导体的晶圆上的感光薄膜层的技术叫做图形曝光。
光刻需要的四个设备：洁净室、光刻机、掩膜版、光刻胶。
分辨率增强技术：相移技术、光学临近修正、浸没式光刻。
下一代光刻技术：电子束图形曝光、极紫外图形曝光、离子束图形曝光。
影响图形曝光分辨率的因素：光的衍射、电子散射、邻近效应。
杂质掺杂的两种方式：扩散和离子注入。
扩散的三种机制：空位扩散、填隙扩散、推填扩散。
集成电路的电容：MOS电容、P-N结电容。
物理气象淀积的方法：蒸发、电子束蒸发、等离子体喷涂、溅射。

论述题

1、硅的柴可拉斯基法（直拉法）

（1）设备。直拉法使用的设备是晶体拉晶仪。拉晶仪主要有三部分。一是炉子，包括一个熔融石英坩埚、一个石墨基座、旋转装置、加热装置、电源。二是拉晶的机械装置，包括籽晶夹持器和旋转装置。三是气氛控制系统。包括气体的供应源、流量控制和排气系统。

（2）生长过程。在晶体生长过程中，多晶硅被放置在坩埚中，炉管被加热至超过硅熔点1412℃。将一个适当晶向的籽晶放置在籽晶夹持器中悬于坩埚上。将籽晶插入融体中，将籽晶慢慢拉起，黏附于晶体的融体开始固化，熔融硅以籽晶为模板逐渐冷却形成一个大的单晶。

（3）杂质分布。在晶体生长时，将一定数目的杂质加入融体中，以获得所需掺杂浓度。硅常用硼和磷做掺杂剂。固体表面掺杂浓度，。其中，k0为分凝系数，晶体初始掺杂浓度为，在晶体生长过程中，1时，杂质浓度持续增加，1时，杂质浓度持续减少，1时，可以获得均匀的杂质浓度分布。

2、硅的悬浮区熔

（1）工艺过程。将一根底部带有籽晶的高纯度多晶棒固定于垂直方向，并可旋转，密封在充满惰性气体的石英管中。首先使用射频加热器使一个小区域的多晶棒熔融，加热器自底部籽晶向上运动，使得悬浮熔区扫过整个多晶棒。当悬浮熔区上移时，单晶硅凝固于悬浮熔区的尾端，并随籽晶的延伸而生长。

（2）杂质分布。。ke为熔融区尾端晶体中的掺杂浓度。1时，杂质浓度持续增加，1时，杂质浓度持续减少，1时，可以获得均匀的杂质浓度分布。

悬浮区熔法可以生长比直拉法生长的杂质含量更低的硅。易于提纯，且无坩埚污染。

3、砷化镓的晶体生长技术

有两种技术可以生长砷化镓，柴可拉斯基法和布里吉曼技术。大部分砷化镓以布里吉曼技术生长，柴可拉斯基法则用于生长大尺寸砷化镓晶锭。

柴可拉斯基法生长，拉晶设备与硅相同，但采用液体密封法来防止生长过程中融体的分解。液体密封使用厚约1cm的液态氧化硼覆盖在融体上，可以防止砷化镓分解。氧化硼可以溶解二氧化硅，所以要以石墨坩埚代替熔融石英坩埚。掺杂浓度和硅一样。

4、晶圆制备过程

（1）首先是晶体生长。（2）然后移除籽晶和晶锭最后凝固的末端。（3）研磨表面以确定晶圆直径（4）沿着晶锭长度方向磨出一个或数个平坦表面，用于标示晶锭的特定晶向和材料的导电类型。（5）用金刚石锯将晶锭切成晶圆。（6）用氧化铝和甘油的混合液研磨晶圆两面。（7）抛光，提供一个光滑的镜面。

5、晶体缺陷

晶体缺陷分为四种：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

点缺陷：（1）原子进入晶格，处于替代位置，叫做替位杂质。（2）原子进入晶格处于空隙位置，叫做填隙杂质。（3）晶格中由于原子缺失产生空位，称作晶格空位。（4）一个主原子位于规则的晶格位置并邻近一个空位时叫做弗兰克尔缺陷。

线缺陷：亦称位错。（1）晶格中插入一额外的原子平面，位错线垂直于页面，称作刃形位错。（2）把晶格切入一部分，再把上半部分向上推一个晶格间距，称作螺旋位错。

面缺陷：（1）某一晶面两边的晶体取向不同，叫做孪晶。（2）彼此没有固定晶向关系的晶体间过渡区，称作晶粒间界。（3）原子层的堆叠次序被打断，称作堆垛层错。

体缺陷：由在主晶格中固有的杂质溶解度引起的。

6、薄膜的分类及作用。

薄膜分为四类，在传统n沟道MOSFET中全部用到。（1）热氧薄膜：栅极氧化层，其下方形成源/漏之间的导通沟道。场氧化层用来与其他器件隔离。二者均用热氧化工艺生长，因为只有热氧化才能提供具有最低界面陷阱密度的最高质量的氧化层。（2）介质层：如二氧化硅与氮化硅，用于导电层之间的绝缘，或作为扩散及离子注入的掩蔽层，或用于覆盖掺杂薄膜以阻止杂质的损耗，或作为钝化层避免刮伤。（3）多晶硅：用作MOS的栅电极材料、多层金属化的导电材料或浅结器件的接触材料。（4）金属薄膜：如铜或金属硅化物，用于形成低阻值的互连线、欧姆接触以及整流金属-半导体势垒器件。

7、为什么需要磷硅玻璃

在金属层之间，一般需要淀积表面光滑的二氧化硅作为绝缘层。由于低温淀积的磷硅玻璃受热后变的较为柔软且易回流，可以提供一平滑的表面所以常被用于邻近两金属件间的绝缘层，这一工艺被称作磷硅玻璃回流。

在扫描电子显微镜下观察磷硅玻璃横截面，可以看到，没有磷的情况下，不发生回流，薄膜凹陷处，θ角约为120°当磷硅玻璃中磷的含量越高。台阶角度θ越小，回流效果越好，磷硅玻璃回流与退火时间、温度、磷的浓度以及退火的气氛有关。台阶角度θ与磷质量百分比（wt%）间的关系近似为θ≈120°（10-wt0010）。若θ角小于45°，则磷含量须大于6%，担当磷高宇8%时，氧化层中的磷会与水汽结合成磷酸，腐蚀金属膜，因此磷的含量应该控制在6%-8%之间。

8、铝金属化的优缺点

优点：（1）铝及铝合金具有低电阻率，可满足低电阻的需求。（2）铝可以很好的附着二氧化硅。

缺点： IC浅结工艺中使用铝易造成结尖楔和电迁移。（1）结尖楔造成结的短路。减少铝尖楔的两种方法分别是将铝硅共蒸发和在铝硅衬底中引入金属阻挡层。（2）电迁移是指在电流作用下金属原子发生迁移的现象，电迁移会导致局部金属离子的堆积和空洞，堆积导致短路，空洞导致断路。增强铝导体的抗电迁移能力方法有与铜形成合金、用介质将导体包封起来，淀积时加入氧等。

9、光刻机（两大类四小类）

根据两种基本光学曝光方法，光刻机可以分为遮蔽式曝光和投影式曝光。

遮蔽式曝光可分为掩膜版与晶圆直接接触的接触式曝光和二者紧密相连的接近式曝光。接触式曝光可以提供约1um的分辨率，缺点是晶圆上的尘埃和硅渣会造成掩膜版永久性损坏。接近式曝光在曝光时掩膜版与晶圆有一间隙，可以减少掩膜版的损坏，但这一间隙会造成光学衍射，分辨率会降低至2-5um。

投影式曝光将掩膜版上的图案投影至相距好几厘米以外的晶圆上，为了提高分辨率每次只曝光一小部分，最后通过扫描或步进的方式来完成整片晶圆的曝光。扫描式曝光通过一个宽度约1mm的窄弧形像场连续地将掩膜版上图案转移至晶圆上。步进式曝光保持掩膜版不动，利用晶圆二维的平移，通过步进的方式完成曝光。

可以利用步进重复投影法进行缩小投影光刻，缩小投影光刻可以不用重新设计系统直接应用于更大的晶圆。1:1的光学系统要比10:1或5:1缩小的系统容易设计制作，但无缺陷的1:1的掩膜版的制作要困难很多。

10、图形转移的流程

（1）将晶圆置于有黄光照射的洁净室中，因为光刻胶对波长大于0.5um的光不敏感。利用增粘剂，为了确保光刻胶的吸附力满足要求，将晶圆表面变为疏水性。（2）将晶圆置于真空吸附的旋转盘上，将2-3ml光刻胶滴在晶圆中心。（3）将晶圆快速加速至设定速度并保持30s，以均与涂布光刻胶。（4）进行晶圆前烘，增加光刻胶对晶圆的吸附力并去除光刻胶中的有机溶剂。（5）利用图形曝光系统将光刻胶曝光。（6）光刻胶显影，用显影液将晶圆浸没，再将晶圆漂洗并甩干。如使用正性光刻胶，将光刻胶溶解于显影液。（7）进行晶圆后烘，增加光刻胶对衬底的附着力。（8）将晶圆置于刻蚀环境，刻蚀暴露的绝缘层。（9）利用有机溶剂或等离子体氧化将光刻胶去除，留下绝缘层图案。

11、恒定表面浓度扩散

恒定表面浓度扩散是指杂质原子由气态源运输至半导体表面，然后扩散进入半导体晶圆，扩散期间气态源维持恒定的额杂质表面浓度。

扩散方程：

起始条件：C（x，0）=0

边界条件：C（0，t）=Cs、C（∞，0）=0

解：

Erfc是余误差函数。Dt是扩散长度。恒定表面浓度的扩散分布是余误差分布。左图表示浓度与扩散深度的关系，扩散时间越长，杂质扩散越深。

12、恒定杂质总量扩散

恒定杂质总量扩散是指固定数量的杂质淀积于半导体表面，接着扩散进入晶圆中。

扩散方程：

起始条件：C（x，0）=0

边界条件：0∞Cx,tⅆx=S、C（∞，0）=0

解：

总掺杂量S恒定，杂质随时间增加而扩散进入半导体内，所以表面浓度必然下降。左图表示服从高斯分布的杂质分布，三个扩散长度依次递增。

13、双极型晶体管的基本制作工艺

n-p-n双极型晶体管，起始材料为p型轻掺杂，<111>或<101>晶向的抛光硅晶圆。

（1）形成埋层。先用热氧化法在晶圆上生长一厚氧化层，再在氧化层上开一窗口，加入精确定量的砷离子，形成n+埋层。目的是减少集电区的串联电阻。（2）淀积n型外延层。去除表面氧化层后，将晶圆置于外延反应炉中进行外延生长。（3）形成横向氧化层隔离区域。首先在外延层上生长一薄的衬垫氧化层，接着淀积氮化硅，然后以光刻胶为掩蔽，刻蚀氮化硅-氧化层和外延层，再将硼离子注入裸露的硅区域，最后去除光刻胶。（4）形成基区。以光刻胶为掩膜保护器件右半边，注入硼离子形成基区。（5）形成发射区。光刻胶掩膜保护，注入砷离子形成n+发射区和n+集电区接触区域，再去除光刻胶。（6）最后一步金属化工序，形成基区、发射区、集电区的接触。

14、MOSFET的基本制作工艺

制作n沟道MOSFET，起始材料为p型轻掺杂，<100>晶向的抛光硅晶圆。

（1）利用LOCOS技术形成氧化层隔离。先生长一层薄的衬垫热氧化层，接着淀积氮化硅。刻蚀未被光刻胶覆盖的氮化硅层。去除光刻胶后，再生长场氧化层，同时推进注入的硼离子。（2）生长栅极氧化层和调整阈值电压。去除覆盖有源区的氮化硅-氧化层，再生长一薄的栅极氧化层。对于增强型（耗尽型）沟道的器件，注入硼离子（砷离子）以增加或（降低）阈值电压至预定值。（3）形成栅极。先淀积一层硅，再用磷扩散或离子注入将多晶硅重掺杂。（4）形成源级和漏极。栅极完成后，用作砷注入的掩蔽以形成源级和漏极。（5）金属化。先淀积掺磷的二氧化硅于整片晶圆上，加热晶圆使其回流形成平坦平面，再在磷硅玻璃上刻蚀接触窗口，然后淀积一金属层并图形化。

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