微电子技术复习重点(经典)

2012201220122012年年年年09090909级《微电子技术》复习重点指导级《微电子技术》复习重点指导级《微电子技术》复习重点指导级《微电子技术》复习重点指导（2012年5月11日）一、填空题1.在半导体技术中，二氧化硅在微电子技术中的作用：表面钝化、表面绝缘层、掩蔽层、阻挡层（要求很厚，1000埃，有时候达3000埃）。2.干氧氧化、湿氧氧化的方程式，其中干氧氧化的过程有两个阶段，氧化的本质原理。干氧氧化的方程式：Si+O2→SiO2特点：速度慢；氧化层致密；表面结构是非极性的硅－氧烷；不易浮胶。干氧氧化的两个阶段：起始氧化：Si+O2→SiO2后续氧化：a.O2先向Si/SiO2扩散；b.再在Si/SiO2继续氧化湿氧氧化（氧气中携带一定量的水汽）的方程式：O2+Si→SiO2，Si+2H2O→SiO2+2H2特点：速率介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；氧化的本质原理：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽化学反应生成SiO2的过程。3.物理气相淀积的真空蒸发与溅射两种方法，二者的区别。物理气相淀积的定义：利用某种物理过程如蒸发或溅射方法实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底(硅)表面上，并淀积成薄膜。真空蒸发法是在真空度不低于10-2Pa的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子蒸发、升华，并直接沉淀在基片上形成薄膜。最常用的是电阻加热法。溅射法是利用气体放电产生的正离子在电场的作用下的高速运动轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀工件的表面，形成所需要的薄膜。真空蒸发法：优点：较高淀积速率，较高薄膜质量(系统真空度高)缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元薄膜时组份难控制溅射法：优点：淀积多元薄膜时组份易控制，淀积薄膜与衬底附着性好溅射法在很大程度上已经取代了真空蒸发法，但真空蒸发法在科研和III-V族化合物半导体工艺中仍被采用。4.化学气相淀积是薄膜淀积的一个主要方法，它主要包括有几种方法？化学气相淀积定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。化学气相淀积几种方法：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）5.光刻技术在微电子技术流程中是费时最长、代价最高的工艺过程，光刻胶的类型与组成。（1）光刻胶的类型：负性光刻胶－负胶：曝光后不可溶解、显影时未曝光的被溶解；便宜。正性光刻胶－正胶：曝光后可溶解、显影时曝光的被溶解；高分辨率。（2）光刻胶的组成：聚合物材料、感光材料、溶剂、添加剂。6.四种不同的光刻机，它们分别是接触式曝光机、接近式曝光机、投影式曝光机和步进式曝光机，四种曝光机各自的特点。（1）接触式曝光机•设备简单•分辨率：可达亚微米•掩膜与晶圆直接接触，掩膜寿命有限•常造成微粒污染（2）接近式曝光机•掩膜与晶圆表面有~10um间距•不直接接触•较长的掩膜寿命•分辨率:3um（3）投影式曝光机•类似于投影仪•掩膜与晶圆图形比例1:1•分辨率：～1um（4）步进式曝光机•现代IC制造中最常用的曝光工具•通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率•分辨率：0.25um或更小•设备很昂贵7.刻蚀的种类，干法刻蚀与湿法刻蚀的特点与区别比较。湿法刻蚀：把硅片放在化学腐蚀液里，有选择地去除表面层材料的过程。（化学刻蚀、电解刻蚀）。干法刻蚀：把硅片放在气体等离子体中，有选择地去除表面层材料的过程。有：等离子体刻蚀（化学作用）、反应离子刻蚀（物理化学作用）、离子束刻蚀（物理作用）。湿法刻蚀特点：是一种纯粹的化学反应过程，反应物必须是气体或能够溶于刻蚀剂的物质；伴有放热和放气过程。干法刻蚀特点：良好的刻蚀选择性；合适的刻蚀速率；好的片内均匀性；工艺稳定，适于工业生产。区别：湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学方法，不能实现图形的精确转移，适用于特征尺寸≥3μｍ的情况。干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学方法，能实现图形的精确转移，特征尺寸很小，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。8、扩散的杂质对象不同在扩散时的机制，具体机制分两种，实际生产中常采用两步扩散工艺；扩散和离子注入的特点以及二者的区别。扩散机制：“间隙式”扩散：半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去。“替位式”扩散：半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散。备注：对硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半径较小的杂质原子按间隙式扩散，而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半径较大的杂质原子则按替位式扩散，间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。两步扩散工艺：预淀积（预扩散）、再分布（主扩散、推进扩散）（1）预淀积：较低温度下，采用恒定表面浓度扩散方式，在硅片表面扩散一层薄层杂质原子，目的在于确定进入硅片杂质的总量。（2）再分布：较高温度下，采用恒定杂质总量扩散方式，让淀积在表面的杂质继续在硅片中扩散，目的在于控制扩散深度和表面浓度。扩散和离子注入的特点以及二者的区别扩散：杂质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影响。适合特征尺寸较小的芯片。注入温度较低，常用光刻胶作为掩膜。9.离子注入时的离子束加工方式可分为两种，比较扩散的掺杂方式和离子注入异同点。离子束加工方式：掩模方式（投影方式）、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（FIB）方式）扩散离子注入高温，硬掩膜（氧化物或氮化物）900－1200℃低温，光刻胶掩膜室温或低于400℃各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度10.实验室光刻机的特点与性能实验室光刻机主要用于紫外接近接触式光刻，制造小规模集成电路，半导体器件、红外器件、微机电系统MEMS等，操作方便、稳定、可靠。URE-2000/35型深度光刻机的主要特点是：灯源采用350W交流高压汞灯，曝光波长使用365nm，曝光面积100nm。对准采用双目双视场对准显微镜，对准显微镜有三对目镜和三对物镜可以互换，组合后最大倍数为375倍。对准物镜轴距可在20mm~65mm之间变化。在目镜中科单独观察到一个视场角的像，也可同时观测到两个视场的像。双视场的观察与对准是大直径硅圆片光刻精度和图形合格率达到工艺规范的重要技术措施。光刻机共有三种掩膜架：分别是3英寸、4英寸和5英寸。性能参数：光源：350W球形汞灯；谱线：1线；均匀性：4%（4寸）；分辨率：1.2um11.实验室的清洗方式和过程清洗硅片的一般步骤：去油——去离子——去原子——去离子水冲洗第一步：硅片用1#清洗液（NH4OH:H2O2:H2O=1:2:8）沸腾下煮沸5-8分钟；第二步：倒去1#清洗液，用高纯水漂洗硅片3-5分钟；第三步：硅片用2#清洗液（HCl:H2O2:H2O=1:2:5）煮沸5-8分钟；第四步：倒去2#清洗液，再用高纯水漂洗5分钟；第五步：N2吹干硅片；第六步：100℃烘干硅片；备注：不同的实验清洗硅片侧重点不一样，所以具体清洗过程根据实际情况确定具体方法和步骤。12.真空镀膜机的特点和镀膜方式真空镀膜机的主要功能是对半导体或者其他材料进行金属膜的生长。蒸发镀膜就是通过大功率的电流产生高温融化金属，进而使液态的金属蒸发沉积到基片表面。电子束蒸发镀膜时先将膜料放入水冷坩埚中，电子束自源发出，用磁场线圈使电子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击和加热。主要性能指标：极限真空：3х10-4Pa电子束蒸发源：E型电子枪，功率6KW，加速电压6KV或8KV；电阻蒸发源：两对水冷式电阻蒸发源，功率4KW/个；镀膜方式：电子束蒸发镀膜。二、问答综合分析题13、薄膜淀积须在高真空度系统中进行的原因（1）防止被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞；（2）残余气体中的氧和水汽会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化；（3）残余气体中所含杂质也会淀积到薄膜中，影响薄膜质量。14PVD制备薄膜的基本过程是什么（1）前处理工艺：1、来料抽检；2、电镀件过碱去油；3、清水清洗；4、过酸表面清洁化，清水清洗；5、丙酮+滑石粉清洗；6、擦洗；（2）上挂；（3）PVD前处理：1、烘烤:80摄氏度2、镀膜：真空抽到4.5-2帕，保持真空度2.8-1帕成膜；（4）出炉；（5）下挂；（6）全检；15、高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的原因是什么（1）防止被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞；（2）残余气体中的氧和水汽会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化；（3）残余气体中所含杂质也会淀积到薄膜中，影响薄膜质量。16、物理气相淀积和化学气相淀积，两种工艺方法的的区别是什么？CVD：衬底表面发生化学反应CVD:更好的台阶覆盖性(50%to~100%)和空隙填充能力强CVD源:气体或蒸汽PVD：衬底表面不发生化学反应PVD:台阶覆盖性差(~15%)和空隙填充能力差PVD源:固态材料17、具体说明热氧化生长氧化层与CVD生长氧化层的区别热生长氧化硅•O来源于气源，Si来源于衬底•氧化物消耗硅衬底•生长温度高•高质量CVD氧化硅•O和Si都来自气态源•淀积在衬底表面•生长温度低•生长速率高18、硅片表面热氧化速率与温度的关系，及其物理机理•氧化速率对温度很敏感，指数规律•温度越高，O与Si的化学反应速率越高；温度越高，O在SiO2中的扩散速率越高。物理机理：氧气分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并在硅表面生长SiO2的过程。19、热氧化过程中的杂质堆积与杂质耗尽；•N型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动，这引起杂质堆积或滚雪球效应•P型杂质倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应20、硅片的氧化一般采用先干氧再湿氧最后干氧的方法，阐述具体原因常采用干氧——湿氧——干氧结合的方法制备氧化层先采用干氧氧化生成一层表面质量高、致密的氧化物，然后再湿氧氧化，速率快，在相对较短时间内获得较厚的氧化层，但是湿氧氧化生长的SiO2薄膜表面存在硅烷醇（Si-OH），同时含有气孔，和光刻胶热生长氧化层裸硅片CVD氧化层热氧化处理CVD粘润不良，光刻时易产生浮胶现象，若再一段时间的干氧，可使硅烷醇转变成硅氧烷（Si-O-Si），成为疏水表面，从而改善SiO2表面与光刻胶的接触，使光刻时不易产生浮胶。另外可以在较短时间内，获得较好的氧化层。21、说明离子注入中的沟道效应及避免方法沟道效应：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，而是将沿沟道运动并且很少受到原子核的碰撞，因此来自靶原子的阻止作用很小，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。在其他条件相同的情况下，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。沟道效应特点：沟道中核阻止很小，电子密度也很低；避免沟道效应的方法：倾斜圆片,7°最常用屏蔽氧化层（无定形）注入前预先无定型处理22、介绍现代工艺光刻的基本步骤（详见PPT第4章）（1）清洗硅片；（2）预烘：脱水烘焙、去除圆片表面的潮气、增加光刻胶与表面的黏附性、通常大约100°C、与底胶涂覆合并进行；（2）'底胶涂覆：增强光刻胶和圆片表面的黏附性；（3）涂胶；圆片放置在真空卡盘上高速旋转，液态光刻胶滴在圆片中心，光刻胶以离心力向外扩展。（4）前烘：蒸发光刻胶中的溶剂；100℃,15-25min；（5）对准、曝光（核心）：实验室采用接触、接近式曝光机；（6）后烘（现代工艺）：平滑光刻胶侧墙，提高分辨率；（7）显影：从掩膜版转移图形到光刻胶上、三个基本步骤:显影、漂洗、干燥；