电子科大微电子工艺复习提纲课件.ppt
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1、复习提纲,复习提纲,第一章 绪论,学习内容:1.半导体产业概况2.器件技术3.硅和硅片制备4.硅片清洗学习要求:1.了解半导体产业及其发展情况;2.了解集成电阻、集成电容、集成BJT、集成CMOS等无源和有源器件的结构;3.了解硅晶体结构、单晶硅生长技术、硅片制备工艺、硅片清洗工艺;4.掌握集成电路的概念、集成度的概念、特征尺寸的概念、摩尔定律,会描述多晶和单晶。,第一章 绪论学习内容:,1. 什么时间、什么地点、由谁发明了固体晶体管?答:1947年,贝尔实验室,肖克莱、巴丁、布拉顿。2. 什么是集成电路?什么时间、由谁发明?答:集成电路是把电阻、电容、二极管、晶体管等多个元器件制造在一个衬底
2、晶片上并具有一定功能的电路。 1959年,由诺伊思、基尔比发明。3. 列出5个集成时代,指出每个时代的时间段,并给出每个时代每个芯片上的元件数。,1. 什么时间、什么地点、由谁发明了固体晶体管?,4. 列出集成电路制造的5个重要步骤,简要描述每个步骤。答:硅片准备、硅片制造、硅片测试和拣选、装配和封装、终测。硅片准备是经过硅提纯、拉单晶、切片、磨片、抛光等工序制备成IC制造所需硅片的过程。硅片制造是经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等一系列复杂的单项工艺制作成芯片的过程。硅片测试和拣选:晶圆片中每个芯片经过探针测试,功能和电参数不合格的打点标记以区分合格芯片。装配和封装:晶圆片经过划片,拣选
3、出的合格IC芯片被焊接到IC管壳中,再经内引线键合、封盖形成成品电路。终测:成品电路的功能和性能测试,4. 列出集成电路制造的5个重要步骤,简要描述每个步骤。,5. 什么是芯片的关键尺寸?这种尺寸为何重要?答:关键尺寸常称为最小特征尺寸,它是衡量工艺难度的标志,代表集成电路的工艺水平。6. 什么是摩尔定律?它预测了什么?这个定律基本正确吗?答:1964由摩尔提出,IC 的集成度将每隔一年翻一番。1975年被修改为: IC 的集成度将每一年半(18个月)翻一番。摩尔定律预测硅片的加工能力不断提高。这个定律基本正确。7. 什么是无源元件?举出两个无源元件的例子。答:无论电源怎样连接,它们都能传输电
4、流,这类元件称为无源元件。例如:电阻、电容。8. 什么是有源元件?举出两个有源元件的例子。答:用于控制电流方向、放大信号、并产生复杂电路的元件称为有源元件。例如:二极管、双极晶体管等。,5. 什么是芯片的关键尺寸?这种尺寸为何重要?,9. 什么是当前最流行的集成电路技术?答:CMOS技术10. nMOSFET中的多数载流子是什么?它的沟道类型是什么?答:电子,n型11. pMOSFET中的多数载流子是什么?它的沟道类型是什么?答:空穴,p型12. 列举得到半导体级硅的三个步骤。半导体级硅有多高纯度,能否直接用来制造半导体器件 ?答:得到半导体级硅(SGS)的三个步骤:用碳加热硅石来制备冶金级硅
5、通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯硅烷利用西门子方法,通过三氯硅烷和氢反应生产SGSSGS的纯度:9个9不能直接用来制造半导体器件,因为此时的硅没有按照希望的晶体结构排列原子。,9. 什么是当前最流行的集成电路技术?,13. 生长单晶硅锭的两种方法分别是什么,哪种制备方法质量更高,为什么? 8英吋以上的硅片,经常选择哪种方式制备,为什么?答:直拉法(CZ法)和区熔法。区熔法制备的硅片质量更高,因为不使用坩埚,单晶硅纯度高、含氧量低。 8英吋以上的硅片,选择CZ法制备,晶圆直径大。,13. 生长单晶硅锭的两种方法分别是什么,哪种制备方法质量更,14. 定义晶胞。硅的晶胞是哪些类型?答:晶胞是在三
6、维结构中由原子组成的最简单的重复单元。硅晶胞的类型是面心立方金刚石结构。 15. 什么是晶体?什么是晶格?答:晶胞是在三维结构中由原子组成的最简单的重复单元,晶体就是由一些晶胞非常规则地在三维空间重复排列而形成的阵列。晶体的周期性结构称为晶格16. 描述多晶。答:晶胞无规律地排列,这样的结构叫做多晶。多晶的原子排列短程有序长程无序。17. 描述单晶。答:晶胞在三维空间整齐重复排列,这样的结构叫做单晶。单晶的原子排列长程有序。,14. 定义晶胞。硅的晶胞是哪些类型?,18. 描述非晶材料。为什么这种硅不能用于硅片?答:非晶材料的内部原子排列杂乱无规则。非晶材料不能用于硅片是因为器件的许多电学和机
7、械性质都与它的原子级结构有关,这要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。19. MOS器件中用得最多的是哪种方向晶面? 双极器件用得最多的是哪种?答: MOS器件中用得最多的是(100)晶面或晶向。这是由于(100)面的原子密度低具有低的界面态密度,有利于控制阈值电压,并且表面载流子具有高的迁移率。双极器件用得最多的是(111)晶面或晶向。这是由于(111)面的原子密度大,扩散掺杂时能较好控制结深,此外(111)面容易生长,成本最低。,18. 描述非晶材料。为什么这种硅不能用于硅片?,20. 说明五类净化间沾污。答:颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层、静电释放(ESD)。21.
8、硅片清洗的目标是什么?答:去除硅片表面沾污的颗粒、金属杂质、有机物杂质、自然氧化层等污染物。22. 用在SC1中的化学配比是什么?SC1去除什么污染?答:氢氧化铵/过氧化氢/去离子水1:1:5 1:2:7 去除颗粒和有机物质。23. 用在SC2中的化学配比是什么?SC2去除什么污染?答:盐酸/过氧化氢/去离子水1:1:6 1:2:8 去除硅片表面的金属。,20. 说明五类净化间沾污。,第二章 氧化,学习内容:1. 二氧化硅结构、性质。2. 氧化原理以及氧化物生长的模型。3. 氧化硅在集成电路中的用途,包括选择性氧化。4. 氧化设备及其组成部分。5. 快速氧化和热处理的概念及用途。学习要求:1.
9、了解二氧化硅结构、性质以及在集成电路中的用途。2. 理解氧化原理、过程及描述方程。3. 了解氧化方法及特点,包括干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化、掺氯氧化。掌握影响氧化硅生长的因素。4. 解释选择性氧化。5. 识别氧化工艺设备和快速热处理设备。6. 了解快速氧化和热处理的概念及用途。,第二章 氧化学习内容:,1.热氧化的工艺目的是什么?请描述硅的热氧化。答:热氧化的工艺目的是在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。硅的氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应,并在硅片表面生长氧化硅的过程。2. 列出热氧化物在硅片制造的6种用途,并给出各种用途的目的。答:a
10、.栅氧化层,用作MOS管栅和源漏之间的介质。b.场氧化层,用于同型MOS管之间的电隔离。c.掺杂阻挡层,作为扩散或注入杂质到硅中的掩蔽材料。d.注入屏蔽氧化层,用于减小注入沟道效应和注入损伤。e.垫氧化层,做氮化硅缓冲层以减小应力。f.阻挡层氧化层,保护有源器件和硅免受后续工艺的影响,1.热氧化的工艺目的是什么?请描述硅的热氧化。,3. 为什么栅氧要用热生长?答: a. 热生长的氧化层结构致密,质量好。 b. 热生长氧化层的界面态、固定电荷、可动电荷等表面电荷密度低。4. 描述氧化物生长速率,影响这种速率的参数是什么?答:氧化物生长速率用来描述氧化物在硅片上生长的快慢。影响这种速率的参数:温度
11、、压力、氧化方式(干氧或湿氧)、硅的晶向和掺杂。5. 解释晶体晶向对氧化物生长的影响。答:由于硅晶向的晶面原子密度比晶向的大,所以在线性氧化阶段,晶向的硅片生长速率快于晶向。,3. 为什么栅氧要用热生长?,6. 掺氯氧化的作用。答:在氧化工艺中通常在氧化系统中通入少量的含氯气体(浓度在3以下)以改善SiO2的质量。其作用有二: a.氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累; b.氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污。7. 为什么硅片热氧化结束时通常还要进行氢气退火? 答:降低界面态密度。氢进入界面处和硅组成稳定的H-Si共价键,使悬挂键饱和。,6. 掺氯氧化的作用。
12、,8. 压力对氧化物生长的影响是什么?答:压力增大强迫氧原子更快地穿越正在生长的氧化层到达硅表面,使氧化速率增加。9. 什么是快速热处理(RTP)?相比于传统炉其5大优点是什么?答:快速热处理(RTP)是在非常短的时间内(经常是几分之一秒)将单个硅片加热至4001300温度范围的过程。RTP的5大优点: a.减少热预算 b.硅中杂质运动最小 c.冷壁加热减少沾污 d.腔体小气氛洁净 e.更短的加工时间,8. 压力对氧化物生长的影响是什么?,10. 如果热生长氧化层厚度为2000埃,那么硅消耗多少?答:2000埃0.45900埃11. 已知线性抛物线性模型为:t2oxAtoxB(t + )。其中
13、,tox为硅片上生长的SiO2总的厚度(m);B为抛物线速率系数(m2/h);B/A为线性速率系数(m/h);为生成初始氧化层所用的时间(h)。假如硅片在初始状态时已有100nm的氧化层。计算 (1) 在120分钟内,920水汽氧化过程中生长的SiO2的厚度。(2) 在120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度是多少?已知:在920下,A=0.50m,B=0.20m2/h。答:(1)初始状态时已有0.1m的氧化层初始时间 ( t2ox + Atox ) / B = 0.3 h 120分钟氧化后,氧化硅总厚度:t2oxAtoxB(t + ),t=2h, =0.3h代入,得tox=0.473um120
14、分钟氧化的SiO2厚度为:0.473-0.1=0.373um(2) 120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度0.373 0.450.168um,10. 如果热生长氧化层厚度为2000埃,那么硅消耗多少?,第三章 掺杂扩 散,学习内容:1. 扩散的概念、分类、机制及工艺目的。2. 扩散杂质浓度分布特征。3. 扩散方块电阻、结深概念及其测量方法。4. 扩散工艺。5. 扩散设备。学习要求:1. 了解扩散的概念、机制,及扩散的工艺目的。2. 掌握杂质在硅中扩散的分布特征。3. 掌握方块电阻的计算公式。4. 了解两步扩散工艺及杂质激活。,第三章 掺杂扩 散学习内容:,1. 列举4种常用杂质并说明它们是n型
15、还是p型。答:硼(B): p型磷(P)、砷(As)、锑(Sb): n型2. 简要描述热扩散。答:扩散是微观粒子(原子、分子等)的普遍的热运动形式,运动的结果使浓度分布趋于均匀。 热扩散利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构,这种方法受到时间和温度的影响。3. 解释扩散系数。答:扩散系数是表征杂质在硅中扩散的快慢的系数,扩散系数随温度的升高而增大,不同的杂质其扩散系数不同。4. 什么是杂质的固溶极限?答:固溶极限是在一定的温度下,掺入杂质在硅中的最大浓度。,1. 列举4种常用杂质并说明它们是n型还是p型。,5.什么是扩散工艺?扩散的工艺目的是什么?并描述结深。答:扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到
16、硅片或其它晶体中去,以改变电学性质,并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的工艺过程。 扩散的工艺目的主要是形成PN结。结深是杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线的交点的位置。,5.什么是扩散工艺?扩散的工艺目的是什么?并描述结深。,6. 恒定表面源扩散杂质分布特征。恒定表面源扩散,杂质分布满足余误差函数分布a. 杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时,表面杂质浓度维持不变b. 扩散时间越长,扩散温度越高,则扩散进入硅片内的杂质总量就越多c. 扩散时间越长,扩散温度越高,杂质扩散得越深,6. 恒定表面源扩散杂质分布特征。,7. 有限表面源扩散杂质分布特征。有限表面
17、源扩散,杂质分布满足高斯分布a. 在整个扩散过程中,杂质总量 QT 保持不变b. 扩散时间越长,扩散温度越高,则杂质扩散得越深,表面浓度越低c. 表面杂质浓度可控,7. 有限表面源扩散杂质分布特征。,8. 两步扩散工艺答:第一步,预扩散或预淀积,温度800到1100,持续10到30分钟。此步为整个扩散过程建立了浓度梯度,为恒定表面源扩散,杂质分布满足余误差函数分布;第二步,再扩散或结推进,温度一般较高(1000到1250 )、时间长(大于120分)。此步在硅片中形成期望的结深,为有限表面源扩散,杂质分布满足高斯分布。9. 为什么杂质需要激活?答:激活使杂质原子与晶格中的硅原子键合,从而改变硅的
18、电导率。,8. 两步扩散工艺,第三章 掺杂离子注入,学习内容:1. 离子注入概念及目的。2. 离子注入工艺原理、参数及注入浓度分布。3. 离子注入效应。4. 离子注入设备。5.离子注入的应用。学习要求:1. 掌握离子注入的概念及目的,与扩散工艺相比较离子注入的优缺点。2. 理解离子注入参数,注入剂量、注入能量、平均投影射程、平均标准偏差。3. 了解离子注入的沟道效应和注入损伤、高温退火。4. 了解离子注入机系统的组成结构。5. 了解离子注入在集成电路中的应用。,第三章 掺杂离子注入学习内容:,1. 列举离子注入优于扩散的7点。答:1)精确地控制掺杂浓度和掺杂深度2)可以获得任意的杂质浓度分布3
19、)杂质浓度均匀性、重复性很好4)掺杂温度低5)沾污少6)注入的离子能穿过薄膜7)无固溶度极限2. 定义剂量,列出并解释剂量公式。答:注入剂量是样品表面单位面积注入的离子总数。公式:=It/qnA ,其中I为束流,单位是库仑每秒(安培);t为注入时间,单位是秒;q为电子电荷,等于1.61019库仑;n为每个离子的电荷数;A为注入面积,单位为cm2,1. 列举离子注入优于扩散的7点。,3. 什么是射程?解释能量与射程之间的关系。答:射程即为离子注入过程中穿入硅片的总距离。 注入机的能量越高,则杂质原子穿入硅片越深,射程越大。4. 描述投影射程。答:具有一定能量的离子入射靶中,与靶原子和电子发生一系
20、列碰撞(即受到了核阻止和电子阻止)进行能量的交换,最后损失了全部能量停止在相应的位置,离子由进入到停止所走过的总距离在入射方向上的投影称为投影射程 Rp。5. 列举离子注入设备的5个主要子系统。答:5个子系统为: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。,3. 什么是射程?解释能量与射程之间的关系。,6. 质量分析器磁铁的作用是什么?描述质量分析器的功能。答:质量分析器磁铁的作用是从离子源中将所需要的杂质离子从混合离子束中分离出来。分析器磁铁形成90角,其磁场使离子的轨迹偏转成弧形。不同的离子具有不同的质量与电荷(如BF3 B、BF2等),因而在离子
21、分析器磁场中偏转的角度不同,由此可分离出所需的杂质离子。7. 为什么要冷却硅片?答:离子束轰击硅片的能量转化成热,导致硅片温度升高。当硅片温度超过100,光刻胶会起泡脱落,在去胶时很难清洗干净。而当硅片温度超过300 时,器件的电学特性会受到影响,同时会发生部分退火,改变硅片的方块电阻。,6. 质量分析器磁铁的作用是什么?描述质量分析器的功能。,8. 退火的目的是什么?高温炉退火和RTA哪一个更优越?答:退火的目的是消除晶格损伤,并且使注入的杂质转入替位位置而实现电激活。 RTA更优越。9. 描述沟道效应。列举并简要解释控制沟道效应的三种机制。答:沟道效应:当注入离子未与硅原子碰撞减速,而是穿
22、透了晶格间隙时就发生了沟道效应。控制沟道效应的三种机制:1)倾斜硅片;2)硅片表面生长掩蔽氧化层;3)硅片表面预非晶化。,8. 退火的目的是什么?高温炉退火和RTA哪一个更优越?,10. 列举10个使用离子注入的掺杂工艺,并简要解释。答: 1)深埋层:高能量注入控制CMOS的闩锁效应。 2)倒掺杂阱:高能量注入控制CMOS的闩锁效应。3)穿透阻挡层:中等能量的注入,防止沟道很短的亚微米器件源漏穿通,保证源漏耐压。4)阈值电压调整:调整CMOS器件阈值电压的小剂量注入。5)轻掺杂漏区(LDD):紧贴沟道区边缘的轻掺杂注入,减小源漏穿通和短沟道效应。6)源漏注入:形成CMOS器件的源和漏的大剂量注
23、入。7)多晶硅栅掺杂:使多晶硅导电的N或P注入。8)沟槽电容器:电容下电极多晶硅的掺杂注入。 9)超浅结:对于深亚微米器件的浅结源漏注入(结深为几十纳米)10)绝缘体上的硅(SOI):在硅片上采用高能氧离子注入并经高温处理后,在硅层和硅衬底之间形成一层SiO2绝缘层,实现表面器件与硅衬底的纵向隔离。,10. 列举10个使用离子注入的掺杂工艺,并简要解释。,11. 在P型100衬底硅片上,进行As离子注入,形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为11016cm-3,注入能量:100KEV,注入剂量:5.0E15cm-2,试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。解:注入能量为100KE
24、V时,Rp值为207埃,Rp值为582埃。 Nmax0.4 Rp=0.45.01015/(20710-8) 9.661020 cm-3Xj= Rp Rp2ln( Nmax/ NB)1/2 =582 2072ln 9.661020 / (11016)1/2 =582 992 Xj= 582+992=1574埃=157.4 nm,11. 在P型100衬底硅片上,进行As离子注入,形成P,12. BF3分子中提取两种复合离子BF2+和BF1+分别进行浅结离子注入,实现P型掺杂, 当加速场的电势差为50 kV,束流为20微安,注入扫描面积是20 cm2。计算 (1)离子注入的能量分别为多少?(2)当注
25、入时间为2000秒,注入剂量分别是多少? 答: (1) KE = nV BF2+ :50 kV1 = 50 keVBF1+ :50 kV2 = 100 keV (2) Q It / enA BF2+ : Q 2010-62000/(1.610-191 20) 原子/cm2,12. BF3分子中提取两种复合离子BF2+和BF1+分别,第四章 淀积,学习内容:1. 薄膜概念,及集成电路对薄膜特性的要求。2. 化学气相淀积原理,生长薄膜的过程,影响CVD生长速率的因素。3. 化学气相淀积工艺,包括APCVD、 LPCVD和PECVD工艺。4. 介质及其性能。5. 外延的概念、分类、工艺及用途。学习要
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