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填空题( 30分=1分*30) (只是答案)
半导体级硅 、 GSG 、 电子级硅 。CZ法 、 区熔法、 硅锭 、 wafer 、 硅 、 锗、 单晶生长、 整型、 切片、 磨片倒角、 刻蚀、 ( 抛光) 、 清洗、 检查和包装。 100 、 110 和111 。融化了的半导体级硅液体、 有正确晶向的、 被掺杂成p型或n型、 实现均匀掺杂的同时而且复制仔晶的结构, 得到合适的硅锭直径而且限制杂质引入到硅中 、 拉伸速率 、 晶体旋转速率 。 去掉两端、 径向研磨、 硅片定位边和定位槽。 制备工业硅、 生长硅单晶、 提纯) 。卧式炉 、 立式炉 、 快速热处理炉 。干氧氧化、 湿氧氧化、 水汽氧化。工艺腔、 硅片传输系统、 气体分配系统、 尾气系统、 温控系统。 局部氧化LOCOS、 浅槽隔离STI。 掺杂阻挡、 表面钝化、 场氧化层和金属层间介质。热生长 、 淀积 、 薄膜 。石英工艺腔、 加热器、 石英舟。 APCVD常压化学气相淀积、 LPCVD低压化学气相淀积、 PECVD等离子体增强化学气相淀积。晶核形成、 聚焦成束 、 汇聚成膜。同质外延、 异质外延。膜应力、 电短路、 诱生电荷。导电率、 高黏附性、 淀积 、 平坦化、 可靠性、 抗腐蚀性、 应力等。CMP设备 、 电机电流终点检测、 光学终点检测。平滑、 部分平坦化、 局部平坦化、 全局平坦化。 磨料、 压力。使硅片表面和石英掩膜版对准并聚焦, 包括图形) ; ( 经过对光刻胶曝光, 把高分辨率的投影掩膜版上图形复制到硅片上) ; ( 在单位时间内生产出足够多的符合产品质量规格的硅片) 。化学作用、 物理作用、 化学作用与物理作用混合。介质、 金属 。在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。 被刻蚀图形的侧壁形状、 各向同性、 各向异性。气相、 液相、 固相扩散。间隙式扩散机制、 替代式扩散机制、 激活杂质后。一种物质在另一种物质中的运动、 一种材料的浓度必须高于另一种材料的浓度 ) 和( 系统内必须有足够的能量使高浓度的材料进入或经过另一种材料。 热扩散 、 离子注入。预淀积 、 推进、 激活。时间、 温度 。扩散区、 光刻区 、 刻蚀区、 注入区、 薄膜区、 抛光区。硅片制造备 ) 、 ( 硅片制造 ) 、 硅片测试和拣选、 ( 装配和封装 、 终测。 微芯片。第一层层间介质氧化物淀积、 氧化物磨抛、 第十层掩模、 第一层层间介质刻蚀。 钛淀积阻挡层、 氮化钛淀积、 钨淀积 、 磨抛钨。
1． 常见的半导体材料为何选择硅? ( 6分)
( 1) 硅的丰裕度。硅是地球上第二丰富的元素, 占地壳成分的25%; 经合理加工, 硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本;
( 2) 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限。硅1412℃>锗937℃
( 3) 更宽的工作温度。用硅制造的半导体件能够用于比锗更宽的温度范围, 增加了半导体的应用范围和可靠性;
( 4) 氧化硅的自然生成。氧化硅是一种高质量、 稳定的电绝缘材料, 而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污; 氧化硅具有与硅类似的机械特性, 允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲;
2． 晶圆的英文是什么? 简述晶圆制备的九个工艺步骤。( 6分)
Wafer。
（1） 单晶硅生长: 晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅锭。可用CZ法或区熔法。
（2） 整型。去掉两端, 径向研磨, 硅片定位边或定位槽。
（3） 切片。对200mm及以上硅片而言, 一般使用内圆切割机; 对300mm硅片来讲都使用线锯。
（4） 磨片和倒角。切片完成后, 传统上要进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤, 达到硅片两面高度的平行及平坦。硅片边缘抛光修整, 又叫倒角, 可使硅片边缘获得平滑的半径周线。
（5） 刻蚀。在刻蚀工艺中, 一般要腐蚀掉硅片表面约20微米的硅以保证所有的损伤都被去掉。
（6） 抛光。也叫化学机械平坦化( CMP) , 它的目标是高平整度的光滑表面。抛光分为单面抛光和双面抛光。
（7） 清洗。半导体硅片必须被清洗使得在发给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态。
（8） 硅片评估。
（9） 包装。
3． 硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm增加到现在的300mm甚至更大, 其原因是什么? ( 6分)
（1） 更大直径硅片有更大的表面积做芯片, 能够减少硅片的浪费。
（2） 每个硅片上有更多的芯片, 每块芯片的加工和处理时间减少, 导致设备生产效率变高。
（3） 在硅片边缘的芯片减少了, 转化为更高的生产成品率。
（4） 在同一工艺过程中有更多芯片, 因此在一块芯片一块芯片的处理过程中, 设备的重复利用率提高了。
氧化
4.立式炉出现的主要原因, 其主要控制系统分为哪五个部分? ( 6分)
(1) 立式炉更易于自动化、 可改进操作者的安全以及减少颗粒污染。与卧式炉相比可更好地控制温度和均匀性。
(2) 工艺腔, 硅片传输系统, 气体分配系统, 尾气系统, 温控系统。
5.试写出光刻工艺的基本步骤。( 6分)
( 1) 气相成底膜; ( 2) 旋转涂胶; ( 3) 软烘 ; ( 4) 对准和曝光; ( 5) 曝光后烘焙(PEB); ( 6) 显影; ( 7) 坚膜烘焙; ( 8) 显影检查。
4． 已知曝光的波长l为365nm, 光学系统的数值孔径NA为0.60, 则该光学系统的焦深DOF为多少? ( 6分)
5． 简述扩散工艺的概念。( 6分)
扩散是物质的一个基本属性, 描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。扩散的发生需要两个必要的条件: ( 1) 一种材料的浓度必须高于另一种材料的浓度; ( 2) 系统内必须有足够的能量使高浓度的材料进入或经过另一种材料。
气相扩散: 空气清新剂喷雾罐
液相扩散: 一滴墨水滴入一杯清水
固相扩散: 晶圆暴露接触一定浓度的杂质原子( 半导体掺杂工艺的一种)
6． 名词解释: 离子注入。( 6分)
离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质, 以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程, 即不发生化学反应。离子注入在现代硅片制造过程中有广泛应用, 其中最主要的用途是掺杂半导体材料。
四、 综合题: ( 30分=15分*2, 20题) 2题/章
1． 对下图所示的工艺进行描述, 并写出工艺的主要步骤。( 15分)
描述: 图示工艺: 选择性氧化的浅槽隔离( STI) 技术。( 用于亚0.25微米工艺)
STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化物。选择性氧化利用掩膜来完成, 一般是氮化硅, 只要氮化硅膜足够厚, 覆盖了氮化硅的硅表面就不会氧化。掩膜经过淀积、 图形化、 刻蚀后形成槽。
在掩膜图形曝露的区域, 热氧化150~200埃厚的氧化物后, 才能进行沟槽填充。这种热生长的氧化物使硅表面钝化, 而且能够使浅槽填充的淀积氧化物和硅相互隔离, 它还能作为有效的阻挡层, 避免器件中的侧墙漏电流产生。
步骤: 1氮化硅淀积
2氮化硅掩蔽与刻蚀
3侧墙氧化与沟槽填充
4氧化硅的平坦化(CMP)
5氮化硅去除。 浅槽隔离(STI)的剖面
2． 识别下图所示工艺, 写出每个步骤名称并进行描述, 对其特有现象进行描述。( 15分)
答: 一 ) 此为选择性氧化的局部氧化LOCOS ( 0.25微米以上的工艺 )
二 ) 步骤名称及描述:
1 氮化硅淀积。
2 氮化硅掩蔽与刻蚀
3 硅的局部氧化 LOCOS场氧化层的剖面
4 氮化硅去除
用淀积氮化物膜作为氧化阻挡层, 因为淀积在硅上的氮化物不能被氧化, 因此刻蚀后的区域可用来选择性氧化生长。热氧化后, 氮化物和任何掩膜下的氧化物都将被除去, 露出赤裸的硅表面, 为形成器件作准备。
三) 特有现象描述: 当氧扩散穿越已生长的氧化物时, 它是在各个方向上扩散的( 各向同性) 。
一些氧原子纵向扩散进入硅, 另一些氧原子横向扩散。这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚, 因此在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘, 我们称为”鸟嘴效应”
金属化
3． 按照下图, 解释化学机械平坦化工艺。( 15分)
CMP是一种表面全局平坦化的技术, 它经过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面, 在硅片和抛光头之间有磨料, 并同时施加压力。CMP设备——抛光机
光刻
4． 识别下图所示工艺, 写出每个步骤名称并进行描述。( 15分)
答: 1 气相成底膜: 清洗、 脱水, 脱水烘焙后立即用HMDS进行成膜处理, 起到粘附促进剂的作用。
2 采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。
3 软烘: 其目的是除去光刻胶中的溶剂。
4 对准和曝光: 掩模板与涂了胶的硅片上的正确位置对准。然后将掩模板和硅片曝光。
5 曝光后烘焙: 深紫外( DUV) 光刻胶在100-110℃的热板上进行曝光后烘焙。
6 显影: 是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。
7 坚模烘焙: 要求会发掉存留的光刻胶溶剂, 提高光刻胶对硅片表面的粘附性。
8 显影后检查: 目的是找出光刻胶有质量问题的硅片, 描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。
刻蚀
5． 等离子体干法刻蚀系统的主要部件有哪性? 试举出三种主要类型, 并对圆筒式等离子体刻蚀机作出介绍。( 15分)
答: 一个等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括: ( 1) 发生刻蚀反应的反应腔; ( 2) 产生等离子体的射频电源; ( 3) 气体流量控制系统; ( 4) 去除刻蚀生成物和气体的真空系统。
圆桶式反应器是圆柱形的, 在0.1~1托压力下具有几乎完全相同的化学各向同性刻蚀。硅片垂直、 小间距地装在一个石英舟上。射频功率加在圆柱两边的电极上。一般有一个打孔的金属圆柱形刻蚀隧道, 它把等离子体限制在刻蚀隧道和腔壁之间的外部区域。硅片与电场平行放置使物理刻蚀最小。等离子体中的刻蚀基扩散到刻蚀隧道内, 而等离子体中的带能离子和电子没有进入这一区域。
这种刻蚀是具有各向同性和高选择比的纯化学过程。因为在硅片表面没有物理的轰击, 因而它具有最小的等离子体诱导损伤。圆桶式等离子体反应器主要用于硅片表面的去胶。氧是去胶的主要刻蚀机。
离子注入
6． 对下图中的设备进行介绍, 并对其所属的工艺进行描述。( 15分)
离子注入工艺在离子注入机内进行, 它是半导体工艺中最复杂的设备之一。离子注入机包含离子源部分, 它能从原材料中产生带正电荷的杂质离子。离子被吸出, 然后用质量分析仪将它们分开以形成需要掺杂离子的束流。束流中的离子数量与希望引入硅片的杂质浓度有关。离子束在电场中加速, 获得很高的速度( 107cm/s数量级) , 使离子有足够的动能注入到硅片的晶格结构中。束流扫描整个硅片, 使硅片表面均匀掺杂。注入之后的退火过程将激活晶格结构中的杂质离子。所有注入工艺都是在高真空下进行的。
离子注入设备包含以下5 个部分:
( 1) 离子源; ( 2) 引出电极( 吸极) 和离子分析器; ( 3) 加速管; ( 4) 扫描系统; ( 5) 工艺室
离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质, 以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程, 即不发生化学反应。离子注入在现代硅片制造过程中有广泛应用, 其中最主要的用途是掺杂半导体材料。每一次掺杂对杂质的浓度和深度都有特定的要求。离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度, 因而在几乎所有应用中都优于扩散。它已经成为满足亚0.25μm特征尺寸和大直径硅片制作要求的标准工艺。热扩散的5个问题对先进的电路生成的限制: ( 1) 横向扩散( 2) 超浅结( 3) 粗劣的掺杂控制( 4) 表面污染的阻碍( 5) 错位的产生。
亚0.25μm工艺的注入过程有两个主要目标:
( 1) 向硅片中引入均匀、 可控制数量的特定杂质。
( 2) 把杂质放置在希望的深度。
7.离子注入工艺的主要优缺点。( 15分)
答: 优点: ( 1) 精确控制杂质含量。
( 2) 很好的杂质均匀性。( 扫描方法)
( 3) 对杂质穿透深度有很好的控制。( 控制能量)
( 4) 产生单一离子束。( 质量分离技术)
( 5) 低温工艺。( 中等温度小于125℃, 允许使用不同的光刻掩膜, 包括光刻胶)
( 6) 注入的离子能穿过薄膜。
( 7) 无固溶度极限。
缺点: ( 1) 高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤。当高能离子进入晶体并与衬底原子碰撞时, 能量发生转移, 一些晶格上的硅原子被取代, 这个反应被称为辐射损伤。大多数甚至所有的的晶体损伤都能用高温退火进行修复。
( 2) 注入设备的复杂性。然而这一缺点被离子注入机对剂量和深度的控制能力及整体工艺的灵活性弥补
7． 依照下图, 对硅片制造厂的六个分区分别做一个简短的描述, 要求写出分区的主要功能、 主要设备以及显著特点。( 15分)
（1） (1)扩散区。扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。
主要设备: 高温扩散炉: 1200℃, 能完成氧化、 扩散、 淀积、
退火以及合金等多种工艺流程。湿法清洗设备 。
（2） (2)光刻。把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。
主要设备: 涂胶/显影设备, 步进光刻机。
（3） (3)刻蚀。用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料, 在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。
主要设备: 等离子体刻蚀机, 等离子去胶机, 湿法清洗设备 。
(4)离子注入。主要功能是掺杂。
主要设备: 离子注入机、 等离子去胶机、 湿法清洗设备 。
(5)薄膜生长。介质层和金属层的淀积。
主要设备: CVD工具、 PVD工具、 SOG( spin-on-glass) 系统、 RTP系统、 湿法清洗设备 。
(6)抛光。化学机械平坦化是一种表面全局平坦化技术, 经过化学反应和机械磨擦去除硅片表面层, 以使硅片表面平坦利于后续工艺的展开。
主要设备: 抛光机, 刷片机( wafer scrubber) , 清洗装置, 测量装置 。
复习资料
何为集成电路: 经过一系列特定的加工工艺, 将晶体管、 二极管等有源器件和电阻、 电容等无源器件, 按照一定的电路互连, ”集成”在一块半导体单晶片( 如Si、 GaAs) 上, 封装在一个内, 执行特定电路或系统功能。
关键尺寸: 集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。
它是衡量集成电路设计和制造水平的重要尺度, 越小, 芯片的集成度越高, 速度越快, 性能越好
摩尔定律: 、 芯片上所集成的晶体管的数目, 每隔18个月就翻一番。
High-K材料: 高介电常数, 取代SiO2作栅介质, 降低漏电。
Low-K 材料: 低介电常数, 减少铜互连导线间的电容, 提高信号速度
功能多样化的”More Than Moore”指的是用各种方法给最终用户提供附加价值, 不一定要缩小特征尺寸, 如从系统组件级向3D集成或精确的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。
IC企业的分类: 通用电路生产厂; 集成器件制造; Foundry厂; Fabless: IC 设计公司; Chipless; Fablite
单晶硅结构: 晶胞重复的单晶结构能够制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性能
12、 热生长: 在高温环境里, 经过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应, 得到一层热生长的SiO2 。
13、 淀积: 经过外部供给的氧气和硅源, 使它们在腔体中方应, 从而在硅片表面形成一层
薄膜。
14、 干氧: Si( 固) ＋ O2( 气) －> SiO2(固): 氧化速度慢, 氧化层干燥、 致密, 均匀性、 重复性好, 与光刻胶的粘附性好.
水汽氧化: Si ( 固) ＋ H2O ( 水汽) －>SiO2( 固) + H2 ( 气) : 氧化速度快, 氧化层疏松, 均匀性差, 与光刻胶的粘附性差。
湿氧: 氧气携带水汽, 故既有Si与氧气反应, 又有与水汽反应。氧化速度氧化质量介 于以上两种方法之间。
15、 二氧化硅基本特征: 1、 热SiO2是无定形的(熔融石英 2、 良好的电绝缘材料(作介质层 3、 高击穿电场(不容易被击穿) 稳定和可重复的Si/SiO2界面; 4、 硅表面的生长基本是保形的。5、 对杂质阻挡特性好 6、 硅和SiO2的腐蚀选择特性好( HF等) 7、 硅和SiO2有类似的热膨胀系数
16、 二氧化硅用途: 保护器件免划伤和隔离沾污( 钝化) 氮化硅缓冲层以减小应力(很薄)
氮化硅缓冲层以减小应力(很薄
17、 氧化层厚度与消耗掉的硅厚度的关系
18、 氧化物生长模型是由迪尔( Deal) 和格罗夫( Grove) 发展的线性一抛物线性模型;
tox 为硅片经过t 时间后SiO2的生长厚度(μm ) B 为抛物线速率系数(μ m2/h) B/A 为线性速率系数(μ m/h) t0 为初始氧化层厚度(μ m)为生成初始氧化层to (μm)所用的时间(h) 氧化层足够薄时tox很小氧化层足够厚时tox值大
各种氧化工艺:
19、 局部氧化工艺－LOCOS( Local oxidationof silicon) 工艺; 存在的问题: 1.存在鸟嘴, 氧扩散到Si3N4 膜下面生长SiO2, 有效栅宽变窄, 增加电容; 2. 缺陷增加浅槽隔离技术－STI( Shallow TrenchIsolation) 工艺。
优点: 消除了鸟嘴现象; 表面积显著减少; 超强的闩锁保护能力; 对沟道没有侵蚀; 与CMP兼容
20、 1\化学气相淀积( CVD) : 经过气态物质的化学反应, 在衬底表面上淀积一层薄膜材料的过程。物理淀积( PVD) : 在真空中, 淀积材料由固体或熔化源的蒸发或用等离子体中高能气体离子击打出来, 并在表面凝聚形成薄膜。
2\磷硅玻璃回流在金属层间, 需淀积表面平滑的二氧化硅作为绝缘层。低温淀积的磷硅玻璃受热后容易变得较软易流动, 可提供一平滑的表面, 因此常作为邻近两金属层间的绝缘层, 此工艺称为磷硅玻璃回流
3\氮化硅( Si3N4) : 硅片最终的钝化层, 能很好地抑制杂质和潮气的扩;散掩蔽层。在STI工艺中, 因其与Si的晶格常数和热;因其介电系数( 7.5) 较SiO2( 3.9) 大, 故不用于ILD, 以免产生大的电容, 降低芯片的速度。膨胀系数差别比SiO2大, 故需要薄的垫氧; 多晶硅: : 一般见LPCVD方法淀积。在MOS器件中, 掺杂的多晶硅作为栅电极。经过掺杂可得到铁电的电阻;和二氧化硅优良的界面特性;和后续高温工艺的兼容性;比金属电极更高的可靠性;在陡峭的结构上淀积的均匀性;实现栅的自对准工艺
21、 等离子增强CVD－Plasma-Enhanced CVD
1、 设备的组成: 反应室和衬底加热系统、 射频功率源、 供气及抽气系统。
优点: 淀积温度低, 如LPCVD淀积Si3N4温度800－900 ℃, PECVD仅需350℃。冷壁等离子体反应, 产生颗粒少, 需要少的清洗空间等;缺点: 填隙能力不足。HDPCVD具有更好的填隙能力, 因而在0.25μm及以后技术节点取代PECVD
22、 高密度等离子CVD-HDPCVD
优点: 反应温度低: 300 ℃－400℃; 薄膜填充高深宽比间隙能力强;淀积限制的条件: 1、 质量传输限制淀积速率
HDPCVD 工艺的基本步骤: 离子诱导淀积; 溅射刻蚀; 再次淀积;
2、 反应速度限制淀积速率--解决折方法: 能够经过加温、 加压提高反应速度。; 为了获得均匀的淀积速率( 厚度) , 需保证反应区温度均匀分布
23、 介质及其性能－介电常数
遇到的问题: 芯片集成度提高, 互连线宽和导线间距减小, 电阻和寄生电容增大, 导致RC信号延迟增加。
解决的办法: 采用铜作为互连金属减小电阻, 采用低k材料作为层间介质减小电容, 从而减小RC信号延迟。
低k介质作为层间介质优点: 减少相邻导线间的电耦合损失, 提高导线的传输速率。
高k介质;在DRAM存储器中引入高k介质, 以提高存储电荷( 或能量) 密度, 简化栅介质结构;
特征尺寸缩小, 使栅氧厚度减小到几nm,
出现问题:
栅极漏电流增加; 多晶硅内杂质扩散到栅氧甚至衬底; 控制栅氧厚度在几纳米的难度较大
第六章: 金属化
24、 金属化: 在绝缘介质膜上淀积金属膜以及随后刻印图形以形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。
互连: 由导电材料制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分, 也被用于芯片上器件和器件整个封装之间的金属连接。接触: 芯片内部的器件与第一金属层间在硅片表面的连接; 通孔: 穿过各种介质从某一金属层到毗邻金属层形成电通路的开口。充薄膜: 填充通孔以便在两层金属间形成电连接。
24、 纯铝系统
优点: 铝与P 型硅及高浓度N型硅均能形成低欧姆接触; 电阻率低; 与SiO2 粘附性强, 无需粘附层。能单独作金属化布线, 工艺简单; 容易腐蚀, 且在腐蚀铝时对SiO2 和Si 不产生腐蚀
缺点: 铝布线的电迁移现象比较严重; 硅在铝中的溶解和扩散, 会产生铝尖楔现象, 导致浅PN结退化甚至穿通。高温下与SiO2反应, 使铝膜变薄, 电阻变大, SiO2受侵蚀。3SiO2+4Al －> 3Si+2Al2O3 铝是软金属, 容易擦伤;金丝与铝互连线键合会产生黄斑和紫斑, 可靠性差。
25、 电迁移: 外加电场对电子的加速, 而撞击晶格上的原子, 使晶格上的原子离开原来的位置。电迁移在金属中的小丘
改进措施: Al-Cu( 4%) 合金或Al-Si( 1~2%) -Cu( 2~4%) 合金; 采用溅射工艺以确保金属膜合金成分与靶一致。
26、 克服铝系统缺点的措施: 在铝中掺铜( 2~4%) , 能够有效减缓电迁移; 在铝中掺硅( 1~2%) , 使硅在铝膜中达到饱和,
能够克服铝对硅的溶解; 采用铝丝键合技术, 能够克服黄斑和紫斑; 采用钝化层保护, 能够避免铝膜的擦伤; Al –TiW – Pt – Si 互连系统
27、 铜互联的好处: 1. 低电阻率2. 功耗低－减少了线的宽度, 降低了功耗3. 更高的集成密度－更窄的线宽更少的金属层4. 抗电迁移, 比铝高四个数量级, 更高的功率密度( 电流密度) －铜不需要考虑电迁徙问题5. 更少的工艺步骤－用大马士革方法处理铜具有减少工艺步骤20到30%的潜力
28采用铜互连的３个挑战: 1. 扩散到氧化区和有源区。( 重金属杂质) 2. 刻蚀困难( 干法刻蚀难以形成挥发性物质) 铜不容易形成图形。3. 铜在较低温度下(<200°C)极易氧化, 且不能生成保护层来阻止进一步的氧化。
29、 解决办法: 双大马士革中采用CMP, 无需刻蚀铜; 钨填充希望被用作局部互联金属和第一层金属与有源区的接触, 避免铜刻蚀和铜”中毒” ; 用于多层金属中的其它金属连线用铜。双大马士革金属化: sio2沉积; siN刻蚀阻挡层沉积; 确定通孔图形和刻蚀; 沉积保留介质的Sio2; 确定互连图形; 刻蚀互连槽和通孔; 沉积阻挡金属; 沉积铜种子层; 沉积铜填充; 用CMP清除额外的铜; 优点: 避免金属刻蚀; 在刻蚀好的金属线之间不再需要填充介质间隙,
第七章
光刻是将电路/器件图形转移到半导体的表面形成光刻胶图形;
暗场掩膜版: 其石英版上大部分被铬援盖亮场掩膜版: 有大面积透明的石英, 只有很细的铬图形
30、 数值孔径(NA): 透镜收集衍射光的能力。
31、 分辨率的计算R=K入/NA
31、 影响分辨光刻胶上几何图形的能力的参数: 波长、 数值孔径和工艺因子。
32、 焦深的计算DOF
第十章
刻蚀: 用化学或物理的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。
目的: 在涂胶的硅片上正确复制掩膜图形, 最后实现图形的步骤。
刻蚀工艺的种类: 湿法刻蚀: 采用化学溶液, 借助化学反应腐蚀硅片中无光刻胶覆盖的部分, 要求光刻胶有较强的抗蚀能力。湿法腐蚀具有各向同性, 造成侧向腐蚀。限制了器件尺寸向微细化发展, 用于特征尺寸较大的刻蚀。干法刻蚀: 把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体, 等离子体经过光刻胶中开出的窗口, 与硅片发生物理或化学反应(或这两种反应), 从而去掉曝露的表面材料。 刻蚀的主要材料: Silicon、 Dielectric、 Metal
有图形刻蚀: 采用掩蔽层(有图形的光刻胶)来定义要刻蚀掉的表面材料区域, 只有硅片上被选择的这一部分在刻蚀过程中刻掉。如: 栅、 金属互连线、 通孔、 接触孔和沟槽。无图形刻蚀、 反刻或剥离: 在整个硅片没有掩膜的情况下进行的, 这种刻蚀工艺用于剥离掩蔽层(如STI氮化硅剥离和用于制备晶体管注入侧墙的硅化物工艺后钛的剥离)。
干法刻蚀与湿法刻蚀的比较
优点: 刻蚀剖面各向异性, 具有非常好的侧壁剖面控制; 好的CD 控制( 线宽) ; 最小的光刻胶脱落或粘附问题; 好的片内、 片间、 批次间的刻蚀均匀性; 较低的化学制品使用和处理费用。
缺点: 干法刻蚀对下层材料的差的刻蚀选择比、 等离子体引起器件损伤和昂贵的设备。
扩散: 掺杂总量及浓度分布受扩散时间和温度影响; 形成特征尺寸较大; 扩散温度较高, 需氧化物或氮化物作为掩膜。离子注入: 杂质总量及浓度分布受注入剂量、 能量和推结时间及温度决定。适于小特征尺寸的芯片。注入温度较低, 常见光刻胶作为掩膜。
离子注入的优点: 离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度, 易制作极低浓度和浅结 注入温度一般不超过400℃, 退火温度也较低(650)℃, 避免了高温过程带来的不利( 如结的推移、
热缺陷等) 离子注入可选出单一的杂质离子, 保证了掺杂的纯度离子注入扩大了杂质的选择范围; 掩蔽膜可用SiO2、 金属膜或光刻胶 剂量在1011~1017离子/cm2较宽的范围内, 同一平面内
杂质分布的均匀性无固溶度限制
高温退火: 激活杂质(950℃), 修复晶格损伤(500℃)
退火方法: 高温炉退火: 800-1000度退火30分钟, 导致杂质的再扩散 快速热退火: 1000℃下短暂时间退火, 减小瞬时增强扩散。
沟道效应: 离子沿某些方向渗入的速度比其它方向大, 使离子峰值在Si片更深处或呈现双峰值的杂质分布。
控制沟道效应的方法: 注入时, 倾斜硅片; 掩蔽氧化层; 硅预非晶化; 使用质量较大的原子
倒掺杂阱: 注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深度处, 改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力
穿通: 漏耗尽区向轻掺杂沟道区扩展, 与源耗尽区连通的现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。
LDD: LDD注入在沟道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电场, 把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离, 以防止产生热载流子。
S/D注入: 形成重掺杂区。As注入一般见来形成nMOS的源漏区; B或BF2注入用来形成pMOS的源漏区
多晶硅栅掺杂: 在源漏区注入时, 对多晶硅栅进行掺杂, 以减小电阻。影响光刻线宽控制
方法: 低: 填充高: 去掉( 磨削
传统平坦化技术: 反刻 玻璃回流; 旋涂膜层
CMP技术的优点: 全局平坦化; 平坦化不同的材料; 平坦化多层材料; 减小严重表面起伏; 制作金属图形的方法之一; 改进台阶覆盖不使用危险气体; 减薄表面材料去除表面缺陷。
CMP技术的缺点 新技术, 工艺难度稍大; 引入新缺陷; 设备昂贵。
图形密度效应: 图形间距窄的区域, 即高图形密度区域, 一般比宽图形间距区域的抛光速度快; 侵蚀: 指在图形区域氧化物和金属被减簿, 即抛光前后氧化层厚度的差。
1、 将硅单晶棒制成硅片的过程包括哪些工艺?
答: 包括: 切断、 滚磨、 定晶向、 切片、 倒角、 研磨、 腐蚀、 抛光、 清洗、 检验。
2、 切片可决定晶片的哪四个参数/
答: 切片决定了硅片的四个重要参数: 晶向、 厚度、 斜度、 翘度和平行度。
3、 硅单晶研磨清洗的重要性。
答: 硅片清洗的重要性: 硅片表面层原子因垂直切片方向的化学键被破坏成为悬挂键, 形成表面附近的自由力场, 极易吸附各种杂质, 如颗粒、 有机杂质、 无机杂质、 金属离子等, 造成磨片后的硅片易发生变花发蓝发黑等现象, 导致低击穿、 管道击穿、 光刻产生针孔, 金属离子和原子易造成pn结软击穿, 漏电流增加, 严重影响器件性能与成品率
45、 什么是低K材料?
答: 低K材料: 介电常数比SiO2低的介质材料
46、 与Al 布线相比, Cu 布线有何优点?
答: 铜作为互连材料, 其抗电迁移性能比铝好, 电阻率低, 能够减小引线的宽度和厚度, 从而减小分布电容。
4、 硅片表面吸附杂质的存在状态有哪些? 清洗顺序?
答: 被吸附杂质的存在状态: 分子型、 离子型、 原子型
清洗顺序: 去分子－去离子－去原子－去离子水冲洗－烘干、 甩干
5、 硅片研磨及清洗后为什么要进行化学腐蚀, 腐蚀的方法有哪些?
答: 工序目的: 去除表面因加工应力而形成的损伤层及污染
腐蚀方式: 喷淋及浸泡
6、 CMP( CMP-chemical mechanical polishing) 包括哪些过程?
答: 包括: 边缘抛光: 分散应力, 减少微裂纹, 降低位错排与滑移线, 降低因碰撞而产生碎片的机会。表面抛光: 粗抛光, 细抛光, 精抛光
7、 SiO2按结构特点分为哪些类型? 热氧化生长的SiO2属于哪一类?
答: 二氧化硅按结构特点可将其分为结晶形跟非结晶形, 热氧化生长的SiO2为非结晶态。
8、 何谓掺杂?
答: 在一种材料(基质)中, 掺入少量其它元素或化合物, 以使材料(基质)产生特定的电学、 磁学和光学性能, 从而具有实际应用价值或特定用途的过程称为掺杂。
9、 何谓桥键氧, 非桥键氧? 它们对SiO2密度有何影响?
答: 连接两个Si—O四面体的氧原子称桥联氧原子, 只与一个四面体连接的氧原子称非桥联氧原子。桥联的氧原子数目越多, 网络结合越紧密, 反之则越疏松
10、 氧化硅的主要作用有哪些?
答: 1、 作为掩膜, 2、 作为芯片的钙化和保护膜, 3、 作为电隔离膜, 4、 作为元器件的组成部分。
11、 SiO2中杂质有哪些类型?
答: 替代式杂质、 间隙式杂质
12、 热氧化工艺有哪些?
答: 有干氧氧化、 湿氧氧化、 水汽氧化
13、 影响氧化速率的因素有?
答: 温度、 气体分压、 硅晶向、 掺杂
14、 影响热氧化层电性的电荷来源有哪些类型? 降低这些电荷浓度的措施?
答: 1) 可动离子电荷( Qm) : 加强工艺卫生方能够避免Na+沾污; 也可采用掺氯氧化, 固定Na+离子; 高纯试剂2) 固定离子电荷Qf : ( 1) 采用干氧氧化方法( 2) 氧化后, 高温惰性气体中退火 3) 界面陷阱电荷Qit: 在金属化后退火( PMA) ; 低温、 惰性气体退火可降低
4) 氧化层陷阱电荷Qot: 选择适当的氧化工艺条件; 在惰性气体中进行低温退火; 采用对辐照不灵敏的钝化层可降低
15、 为何热氧化时要控制钠离子含量? 降低钠离子污染的措施有哪些?
答: 因为氧化层中如含有高浓度的钠, 则线性和抛物型氧化速率常数明显变大。
措施有: 加强工艺卫生方能够避免Na+沾污; 也可采用掺氯氧化, 固定Na+离子; 高纯试剂。
16、 热氧化常见的缺陷有?
答: 表面缺陷、 结构缺陷 、 氧化层中的电荷
17、 氧化膜厚度的测定方法?
答: 双光干涉法、 比色法
18、 热扩散机制有哪些?
答: 替位式扩散、 填隙式扩散、 填隙—替位式扩散
19、 扩散源有哪些存在形态?
答: 扩散源有气态、 液态、 固态三种有存在形式。
20、 与扩散源相比, 离子注入有哪些优点?
答: 1.可在较低的温度下,将各种杂质掺入到不同的半导体中; 2.能够精确控制晶圆片内杂质的浓度分布和注入的深度; 3.可实现大面积均匀性掺杂,而且重复性好; 4.掺入杂质纯度高; 5.由于注入粒子的直射性,杂质的横向扩散小; 6.可得到理想的杂质分布;7.工艺条件容易控制.
21、 什么是沟道效应? 如何降低沟道效应?
答: 对晶体靶进行离子注入时, 当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时, 其运动轨迹将不再是无规则的, 而是将沿沟道运动而且很少受到原子核的碰撞, 因此来自靶原子的阻止作用要小得多, 而且沟道中的电子密度很低, 受到的电子阻止也很小, 这些离子的能量损失率就很低。在其它条件相同的情况下, 很难控制注入离子的浓度分布, 注入深度大于在无定形靶中的深度并使注入离子的分布产生一个很长的拖尾, 注入纵向分布峰值与高斯分布不同, 这种现象称为离子注入的沟道效应。
减少沟道效应的措施: ( 1) 对大的离子, 沿沟道轴向(110)偏离7－10o; ( 2) 用Si, Ge, F, Ar等离子注入使表面预非晶化, 形成非晶层( 3) 增加注入剂量; ( 4) 表面用SiO2层掩膜。
22、 什么是离子注入损伤? 有哪些损伤类型?
答: 离子注入损伤, 是指获得很大动能的离子直接进入半导体中造成的一些晶格缺陷。
损伤类型: 空位、 间隙原子、 间隙杂质原子、 替位杂质原子等缺陷和衬底晶体结构损伤。
23、 离子注入后为何退火? 其作用是什么?
答: 因为大部分注入的离子并不是以替位形式处在晶格点阵位置上, 而是处于间隙位置, 无电活性, 一般不能提供导电性能, 因此离子注入后要退火。
其作用是激活注入的离子, 恢复迁移率及其它材料参数。
24、 离子注入主要部件有哪些?
答: 有离子源、 磁分析器、 加速器、 扫描器、 偏束板和靶室。
25、 离子注入工艺需要控制的工艺参数及设备参数有哪些?
答: 工艺参数: 杂质种类、 杂质注入浓度、 杂质注入深度
设备参数: 弧光反应室的工作电压与电流、 热灯丝电流、 离子分离装置的分离电压及电流、 质量分析器的磁场强度、 加速器的加速电压、 扫描方式及次数
26、 何为分辨率、 对比度、 IC制造对光刻技术有何要求?
答: 分辨率: 是指一个光学系统精确区分目标的能力
对比度: 是评价成像图形质量的重要指标
要求: 分辨率越来越高、 焦深越来越大、 对比度越来越高、
特征线宽越来越小、 套刻精度越来越高
27、 光刻工艺包括哪些工艺?
答: 底膜处理、 涂胶、 前烘、 曝光、 显影、 坚膜、 刻蚀、 去胶、 检验
28、 影响显影的主要因素?
答: 曝光时间、 前烘的温度和时间、 光刻胶的膜厚、 显影液的浓度、 显影液的温度、 显影液的搅动情况
29、 显影为何要进行检查? 检查内容有哪些?
答: 区分哪些有很低可能性经过最终掩膜检验的衬底, 提供工艺性能和工艺控制数据, 以及分拣出需要重做的衬底
检查内容: 掩膜版选用是否正确、 光刻胶层得质量是否满足要求、 图形的质量、 套刻精度是否满足要求
30、 什么是正光刻胶, 负光刻胶? 其组成是?
答: 正光刻胶: 胶的曝光区在显影中除去, 当前常见正胶为DQN
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