集成电路工艺专题复习
时间：2022-10-09 06:30:00
期末码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》，课堂上只选了第三部分工艺。
填空题
- 在单晶衬底上生长另一个单晶半导体层的生长技术称为外延。
- 用于生长单晶砷化镓的双温区炉管称为布里吉曼系统。
- 单位时间内单位面积衬底上有多少分子冲击的参数称为分子冲击率。
- 在连续两次碰撞中，分子的平均距离称为平均自由程。
- 合金的熔点低于任何组成材料，最低熔点称为共晶温度。
- 首先定义介质，然后将金属铜填充到槽中，然后进行化学机械抛光，以去除介质表面多余的金属，只保留通孔和槽中的铜。这种方法被称为嵌入过程。
- 目前唯一能全面平整化的技术是化学机械抛光。
- 将掩膜版上的几何图形转移到覆盖半导体晶圆的感光膜层的技术称为图形曝光。
- 四种设备：洁净室、光刻机、掩膜版、光刻胶。
- 分辨率增强技术：相移技术、光学修正、浸没式光刻。
- 下一代光刻技术：电子束图形曝光、极紫外线图形曝光、离子束图形曝光。
- 影响图形曝光分辨率的因素：光衍射、电子散射和相邻效应。
- 杂质混合有两种方法：扩散和注入离子。
- 三种扩散机制：空位扩散、填缝扩散、推填扩散。
- 集成电路电容：MOS电容、P-N结电容。
- 物理气象积累方法：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，包括熔融石英坩埚、石墨底座、旋转装置、加热装置和电源。二是拉晶机械装置，包括籽晶夹持器和旋转装置。三是大气控制系统。包括供气源、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，炉管被加热到超过硅熔点1412℃。将适当的晶体方向的籽晶放置在籽晶夹持器中，悬挂在坩埚上。将籽晶插入融体中，慢慢拉起籽晶，粘附在晶体上的融体开始固化。熔融硅以籽晶为模板，逐渐冷却形成大单晶。
（3）杂质分布。在晶体生长过程中，将一定数量的杂质添加到整体中，以获得所需的混合浓度。硼和磷常用作硅的掺合剂。固体表面的混合浓度，
。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，杂质浓度持续增加，杂质浓度持续降低，杂质浓度分布均匀。
二、硅悬浮区熔化
（1）工艺过程。将底部有籽晶的高纯度多晶棒固定在垂直方向，并可旋转并密封在充满惰性气体的石英管中。首先，使用射频加热器熔化一个小区域的多晶棒。加热器从底部向上移动，使悬浮熔区扫描整个多晶棒。当悬浮熔区向上移动时，单晶硅固化在悬浮熔区的末端，并随着籽晶的延伸而生长。
杂质分布。ke熔融区末端晶体中的掺杂浓度。杂质浓度持续增加，杂质浓度持续降低，杂质浓度分布均匀。
悬浮区熔融法比直拉法生长的杂质含量低，能生长硅。易净化，无坩埚污染。
3.砷化镓晶体生长技术
生长砷化镓、柴可拉斯基法和布里吉曼技术有两种技术。大多数砷化镓是用布里吉曼技术生长的，柴可拉斯基法则用于生长大尺寸砷化镓锭。
柴可拉斯基法生长，拉晶设备与硅相同，但在生长过程中采用液体密封法防止融体分解。液体密封厚度约为1cm液体氧化硼覆盖在熔体上，以防止砷化镓分解。氧化硼可溶解二氧化硅，因此用石墨坩埚代替熔融石英坩埚。混合浓度与硅相同。
4.晶圆制备过程
(1)首先是晶体生长。(2)然后去除籽晶和锭最终凝固的末端。(3)研磨表面确定晶圆直径(4)沿晶圆长度方向研磨一个或多个平面表面，以显示晶圆的特定晶向和材料的导电类型。(5)用金刚石锯将锭切成晶圆。(6)用氧化铝和甘油的混合物研磨晶圆两侧。(7)抛光，提供光滑的镜面。
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，称为替代杂质。(2)原子进入晶格处于间隙位置，称为间隙填充杂质。(3)晶格中由于缺乏原子而产生的空位称为晶格空位。(4)当主原子位于规则的晶格位置并靠近空位时，称为弗兰克尔缺陷。
线缺陷：也被称为位错。（1）在晶格中插入一个额外的原子平面，位错线垂直于页面，称为叶片位错。（2）将晶格切入部分，然后将晶格间距推到上部，称为螺旋位错。
表面缺陷：（1）晶体表面两侧的晶体取向不同，称为双胞胎晶体。（2）晶体间过渡区域没有固定的晶体关系，称为晶粒间界。（3）原子层的堆叠顺序被打断，称为堆叠层错误。
主晶格中固有杂质格中固有的杂质溶解引起。
6.薄膜的分类和作用。
在传统的n沟中，薄膜分为四类MOSFET全部使用。(1)热氧膜:栅极氧化层，其下方形成源/漏之间的导通沟。场氧化层用于与其他设备隔离。两者都是通过热氧化工艺生长的，因为只有热氧化才能提供最高质量的氧化层，具有最低界面陷阱密度。（2）介质层：如二氧化硅和氮化硅，用于导电层之间的绝缘，或作为扩散和离子注入的覆盖层，或覆盖混合膜，防止杂质损失，或作为钝化层避免划伤。(3)多晶硅:用作MOS格栅电极材料、多层金属导电材料或浅结器件接触材料。(4)金属膜:如铜或金属硅化物，用于形成低阻值的互连线、欧姆接触和整流金属-半导体势垒装置。
7.为什么需要磷硅玻璃？
在金属层之间，表面光滑的二氧化硅通常需要作为绝缘层积累。由于低温积累的磷硅玻璃在加热后变得柔软，易于回流，因此通常用于相邻两个金属部件之间的绝缘层。该过程称为磷硅玻璃回流。
在扫描电子显微镜下观察磷硅玻璃横截面，可以看出，无磷，无回流，膜凹陷，θ角约为120°磷含量越高。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磷质量百分比（wt%)之间的关系是近似的θ≈120°（10-wt0010）。若θ角小于45°，磷含量必须大于6%。当磷高于8%时，氧化层中的磷会与水蒸气结合成磷酸，腐蚀金属膜，因此磷含量应控制在6%-8%之间。
8.铝金属化的优缺点
优点:(1)铝及铝合金电阻率低，能满足低电阻的需要。(2)铝能很好地附着二氧化硅。
缺点： IC铝在浅结工艺中的使用容易导致结尖楔和电迁移。(1)结尖楔导致短路。减少铝尖楔的两种方法是将铝硅共蒸发，并将金属阻挡层引入铝硅衬底。(2)电迁移是指金属原子在电流作用下迁移的现象。电迁移会导致局部金属离子的积累和空洞，导致短路和断路。提高铝导体抗电迁移能力的方法有与铜形成合金、用介质包裹导体、积累时加氧等。
9.光刻机(两类四类)
光刻机可分为遮蔽曝光和投影曝光两种基本的光学曝光方法。
屏蔽曝光可分为屏蔽版与晶圆直接接触的接触曝光和紧密相连的接近曝光。接触曝光可提供约1um分辨率的缺点是晶圆上的灰尘和硅渣会对掩膜版本造成永久性损坏。当接近曝光时，掩膜版本与晶圆有间隙，可以减少掩膜版本的损坏，但这个间隙会导致光学衍射，分辨率会降低到2-5um。
投影曝光将掩膜版本上的图案投影到几厘米外的晶圆上。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完成整个晶圆的曝光。扫描曝光通过大约1个宽度mm窄弧像场连续将掩膜版上的图案转移到晶圆上。步进曝光保持掩膜版不动，晶圆二维平移通过步进完成曝光。
可采用步进重复投影法缩小投影光刻，缩小投影光刻可直接应用于更大的晶圆，无需重新设计系统。1:1的光学系统比10:1或5:1的系统更容易设计和生产，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。
