微电子加工工艺总结

1、分立器件和集成电路的区别分立元件：每个芯片只含有一个器件；集成电路：每个芯片含有多个元件。2、平面工艺的特点平面工艺是由Hoerni于1960年提出的。在这项技术中，整个半导体表面先形成一层氧化层，再借助平板印刷技术，通过刻蚀去除部分氧化层，从而形成一个窗口。P-N结形成的方法：①合金结方法A、接触加热：将一个p型小球放在一个n型半导体上，加热到小球熔融。B、冷却：p型小球以合金的形式掺入半导体底片，冷却后，小球下面形成一个再分布结晶区，这样就得到了一个pn结。合金结的缺点：不能准确控制pn结的位置。②生长结方法半导体单晶是由掺有某种杂质（例如P型）的半导体熔液中生长出来的。生长结的缺点：不适宜大批量生产。扩散结的形成方式与合金结相似点：表面表露在高浓度相反类型的杂质源之中与合金结区别点：不发生相变，杂质靠固态扩散进入半导体晶体内部扩散结的优点扩散结结深能够精确控制。平面工艺制作二极管的基本流程：衬底制备——氧化——一次光刻（刻扩散窗口）——硼预沉积——硼再沉积——二次光刻（刻引线孔）——蒸铝——三次光刻（反刻铝电极）——P-N结特性测试3、微电子工艺的特点高技术含量设备先进、技术先进。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。超纯指工艺材料方面，如衬底材料Si、Ge单晶纯度达11个9。超净环境、操作者、工艺三个方面的超净，如VLSI在100级超净室10级超净台中制作。大批量、低成本图形转移技术使之得以实现。高温多数关键工艺是在高温下实现，如：热氧化、扩散、退火。4、芯片制造的四个阶段固态器件的制造分为4个大的阶段（粗线条）：①材料制备②晶体生长/晶圆准备③晶圆制造、芯片生成④封装晶圆制备：（1）获取多晶（2）晶体生长----制备出单晶，包含可以掺杂（元素掺杂和母金掺杂）（3）硅片制备----制备出空白硅片硅片制备工艺流程（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→打包封装芯片制造的基础工艺增层——光刻——掺杂——热处理5、high-k技术High—K技术是在集成电路上使用高介电常数材料的技术，主要用于降低金属化物半导体（MOS）晶体管栅极泄漏电流的问题。集成电路技术的发展是伴随着电路的元器件（如MOS晶体管）结构尺寸持续缩小实现的。随着MOS晶体管结构尺寸的缩小，为了保持棚极对MOS晶体管沟道电流的调控能力，需要在尺寸缩小的同时维持栅极电容的容量，这通常需要通过减小棚极和沟道之间的绝缘介质层厚度来实现，但由此引起的棚极和沟道之间的漏电流问题越来越突出。High—K技术便是解决这一问题的优选技术方案。因为，MOS器件栅极电容类似于一个平板电容，由于MOS器件面积、绝缘介质层厚度和介电常数共同决定，因此MOS器件栅极电容在器件面积减小的前提下，采用了High—K材料后，可以在不减小介质层厚度（因此栅极泄漏电流而不增加）的前提下，实现维护栅极电容容量不减小的目标。High—K材料技术已被英特尔和IBM应用到其新开发的45mm量产技术中。目前业界常用的High—K材料主要是包括HfO2在内的Hf基介质材料。6、拉单晶的过程装料——融化——种晶——引晶——放肩——等径——收尾——完成7、外延技术的特点和应用外延特点：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结的特点外延分类：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）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。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外延按材料异同分类同质外延：外延层和衬底为同种材料，例如硅上外延硅。异质外延：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)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硅的气相外延的原理：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掺杂有意掺杂：按器件对外延导电性和电阻率的要求，在外延的同时掺入适量的杂质，这称为有意掺杂。自掺杂：衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层。杂质外扩散:重掺杂衬底中的杂质通过热扩散进入外延层。外延的应用1、双极型电路：n/n+外延,在n型外延层上制作高频功率晶体管。n/p外延：双极型传统工艺在p衬底上进行n型外延通过简单的p型杂质隔离扩散，实现双极型集成电路元器件的隔离。2、MOS电路:外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极。外延膜在MOS集成电路中的较新应用是利用重掺杂外延减小闩锁效应（寄生闸流管效应）。8、分子束外延（MBE）的原理及其应用在超高真空下，热分子束由喷射炉喷出，射到衬底表面，外延生长出外延层。9、二氧化硅膜的用途表面钝化：保护器件的表面及内部，禁锢污染物。掺杂阻挡层：作为杂质扩散的掩蔽膜，杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度。绝缘介质：IC器件的隔离和多层布线的电隔离，MOSFET的栅电极，MOS电容的绝缘介质。10、二氧化硅膜的获得方法A：热氧化工艺B：化学气相淀积工艺C：溅射工艺D：阳极氧化工艺11、热氧化机制①线性阶段，②抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）影响氧化速率的因素有：氧化剂、晶向、掺杂类型和浓度、氧化剂的分压。热氧化生长方法：（1）干氧氧化：干燥氧气，不能有水分；随着氧化层的增厚，氧气扩散时间延长，生长速率减慢；适合较薄的氧化层的生长。氧化剂扩散到SiO2/Si界面与硅反应。（2）水汽氧化:气泡发生器或氢氧合成气源；原理：（3）湿氧氧化：湿氧氧化的各种性能都是介于干氧氧化和水汽氧化之间，其掩蔽能力和氧化质量都能够满足一般器件的要求。（4）掺氯氧化：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。减弱二氧化硅中的移动离子（主要是钠离子）的沾污影响，固定Na+离子；减少硅表面及氧化层的结构缺陷12、SiO2/Si界面特性：热氧化薄膜是由硅表面生长得到的二氧化硅薄膜。高温生长工艺将使SiO2/Si界面杂质发生再分布，与二氧化硅接触的硅界面的电学特性也将发生变化。杂质再分布：有三个因素：①分凝效应②扩散速率③界面移动水汽氧化速率远大于干氧氧化速率，水汽氧化SiO2/Si界面杂质的再分布就远小于干氧氧化；湿氧氧化速率介于水汽、干氧之间，SiO2/Si界面杂质的再分布也介于水汽、干氧之间。二氧化硅层中存在着与制备工艺有关的正电荷，这种正电荷将引起SiO2/Si界面P-Si的反型层，以及MOS器件阈值电压不稳定等现象。可动离子或可动电荷主要是Na+、K+、H+等，这些离子在二氧化硅中都是网络修正杂质，为快扩散杂质。其中主要是Na+。在人体与环境中大量存在Na+，热氧化时容易发生Na+沾污。加强工艺卫生方可以避免Na+沾污；也可采用掺氯氧化，固定Na+离子。固定离子或固定电荷主要是氧空位。一般认为：固定电荷与界面一个很薄的（约30Å）过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完全反应。干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。13、氧化膜厚度的检测劈尖干涉和双光干涉：利用干涉条纹进行测量，因为要制造台阶，所以为破坏性测量。比色法：以一定角度观察SiO2膜，SiO2膜呈现干涉色彩，颜色与厚度存在相应关系。比色法方便迅速，但只是粗略估计。椭圆仪法：入射的椭圆偏振光经氧化膜的多次反射和折射以后，得到了改变椭圆率的反射椭圆偏振光，其改变量和膜厚与折射率相关。高频MOS结构C-V法：测量金属栅极的电容，利用公式测量氧化膜层的厚度。14、化学气相沉积定义化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition）是通过气态物质的化学反应在衬底上淀积薄膜的工艺方法。与之对应的是：PVD（蒸发和溅射），它主要应用于导体薄膜。15、淀积技术包括哪两种？CVD和PVD16、LPCVD和APCVD的主要区别？LPCVD有何优势？APCVD：原料以气相方式被输送到反应器内，原料气体向衬底基片表面扩散，被基片吸附，由于基片的温度高或其它能量提供给原料气体，使其发生表面化学反应，生成物在基片表面形成薄膜，而生成物中的其它物质是气相物质，扩散到气相中被带走。LPCVD：低压情况下，分子自由程较长，薄膜电极的均匀性较高。LPCVD相对APCVD的特点：增加了真空系统，气压在1-10-2Torr之间；压下分子自由程长，可以竖放基片；热系统一般是电阻热壁式。17、PECVD的机理？PECVD有何优势？优势：采用等离子体把电能耦合到气体中，促进化学反应进行,由此淀积薄膜；因此该法可以在较低温度下淀积薄膜。PECVD常常是低温和低压的结合。机理：反应器的射频功率使低压气体（真空度1-10Torr）产生非平衡辉光放电，雪崩电离激发出的高能电子通过碰撞激活气体形成等离子体。衬底基片（具有一定温度，约300℃）吸附活泼的中性原子团与游离基即高能的等离子体发生化学反应，生成的薄膜物质被衬底吸附、重排进而形成淀积薄膜，衬底温度越高形成的薄膜质量越好。18、多晶硅淀积和外延淀积的主要区别。淀积多晶硅薄膜的方法：主要采用LPCVD的方法。掺杂则采用：离子注入；化学气相淀积；扩散。多晶硅的淀积和外延淀积的主要区别：硅烷的使用19、金属薄膜的用途？金属化的作用?（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。金属化的作用：集成电路中金属化的作用是将有源器件按设计的要求连接起来，形成一个完整的电路与系统。20、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。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优点：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。缺点：抗电迁移性差；耐腐蚀性、稳定性差；台阶覆盖性较差。工艺：蒸发，溅射铜膜：用途：新一代的金属化材料，超大规模集成电路的内连线；缺点：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。优点：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21、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22、Al-Si接触的常见问题及解决办法？Al和Si之间不能合成硅化物，但是可以形成合金。Al在Si中溶解度很小，但是相反Si在Al中溶解度很大，这样就形成尖楔现象，从而使P-N结失效。解决尖楔问题：（1）一般采用Al-Si合金代替Al作为Al/Si的接触和互连材料。但是又引入了硅的分凝问题。（2）