硅集成電路工藝基礎(chǔ)重點

1、1 SiO2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì): 分為結(jié)晶形和非結(jié)晶形（無定形），均由Si-O四面體組成：中心-硅原子，四個頂角-氧原子，形成O-Si-O鍵橋，相鄰四面體靠此鍵橋連接。結(jié)晶形SiO2由Si-O四面體在空間規(guī)則排列所構(gòu)成。非結(jié)晶形SiO2依靠橋鍵氧把Si-O四面體無規(guī)則地連接起來，構(gòu)成三維的玻璃網(wǎng)絡(luò)體。熱氧化制備SiO2的過程中，是氧或水汽等氧化劑穿過SiO2層，到達Si-SiO2界面，與Si反應(yīng)生成SiO2 ，而不是Si向SiO2外表面運動、在表面與氧化劑反應(yīng)生成SiO2。2 SiO2的掩蔽作用:按雜質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置可分為兩類：網(wǎng)絡(luò)形成者和網(wǎng)絡(luò)改變者。網(wǎng)絡(luò)形成者（劑）-可以替代SiO2網(wǎng)絡(luò)中硅的

2、雜質(zhì)，也就是能代替Si-O四面體中心的硅，并能與氧形成網(wǎng)絡(luò)的雜質(zhì)。 特點：離子半徑與硅接近。網(wǎng)絡(luò)改變者（劑）-存在于SiO2網(wǎng)絡(luò)間隙中的雜質(zhì)。一般以離子形式存在網(wǎng)絡(luò)中。特點：離子半徑較大，以氧化物形式進入SiO2中，進入網(wǎng)絡(luò)之后便離化，并把氧離子交給SiO2網(wǎng)絡(luò)。硅的熱氧化的兩種極限：一：當(dāng)氧化劑在中的擴散系數(shù)D SiO2 很小時稱為擴散控制，二當(dāng)擴散系數(shù)D SiO2很大時稱為反應(yīng)控制。3決定氧化常數(shù)的各種因素和影響氧化速率的因素：（1）氧化劑分壓，在一定的氧化條件下，通過改變氧化劑分壓課達到改變二氧化硅的生長速率的目的。（2）氧化溫度，溫度對拋物型速率常數(shù)的影響是通過氧化劑在SiO2中的擴散

3、系數(shù)產(chǎn)生的。（3）硅表面晶向?qū)ρ趸俾实挠绊?。?）雜質(zhì)對氧化速率的影響4 決定熱氧化過程中的雜質(zhì)在分布的因素：a雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象，b雜質(zhì)通過二氧化硅的表面逸散，c氧化速率的快慢，d雜質(zhì)在二氧化硅中的擴散速度。5分凝系數(shù)與再分布的關(guān)系：m=雜志在硅中的平衡濃度/雜質(zhì)在二氧化硅中的平衡濃度四種分凝現(xiàn)象：m<1，SiO2中慢擴散：B；m<1, SiO2中快擴散：H2氣氛中的B；m>1, SiO2中慢擴散:P; m>1, SiO2中快擴散：Ga；6雜質(zhì)擴散機構(gòu)：（1）間隙式擴散雜質(zhì)在晶格間的間隙運動，（2）替位式擴散 雜質(zhì)原子從一個晶格點替位位置運動到另一個替位位置。7 菲克第

4、一定律：雜質(zhì)的擴散密度正比于雜質(zhì)濃度梯度，比例系數(shù)定義為雜質(zhì)在基體中的擴散系數(shù)。8恒定表面元擴散：如果在整個擴散中，硅片表面的濃度始終保持不變，就稱為恒定表面源擴散。有限表面源擴散：如果擴散之前在硅片的表面先淀積一層雜質(zhì)，在整個過程擴散過程中這層雜質(zhì)做為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充，這種擴散交有限表面源擴散。9 兩步擴散的工藝：第一步在較低溫度（800900）下，短時間得淺結(jié)恒定源擴散，即預(yù)淀積；第二步將預(yù)淀積的晶片在較高溫度下（10001200）進行深結(jié)擴散，最終達到所要求的表面濃度及結(jié)深，即再分布。10 氧化增強型擴散：氧化增強擴散（EOD）實驗結(jié)果：P、B、As等在氧化氣氛中擴散增強。&

5、#1048708;氧化增強機理替位-間隙交替的雙擴散：Si-SiO2界面產(chǎn)生的大量間隙Si與替位B、P等相互作用，使替位B、P變?yōu)殚g隙B、P；B、P在近鄰晶格有空位時以替位方式擴散，無空位時以間隙方式擴散；B、P的間隙擴散作用更強；因此，其擴散速度比單純替位方式快。􀂄Sb的氧化擴散是減弱的：Sb是替位擴散為主。􀂄As氧化增強低于B、P：替位-間隙兩種擴散作用相當(dāng)11 發(fā)射區(qū)推進（陷落）效應(yīng)􀂄定義（實驗現(xiàn)象）：NPN 管的工藝中，發(fā)射區(qū)下方的內(nèi)基區(qū)B的擴散深度大于發(fā)射區(qū)外的基區(qū)擴散深度，這種現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)。推進（陷落）機理： 大量過飽

6、和V-擴散較遠，深入基區(qū)，增強了B的擴散速度；P+V-2的分解導(dǎo)致大量的間隙Si，也增強了B擴散。12 LSS模型：認(rèn)為電子是自由電子氣，類似黏滯氣體。Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e-電子阻擋能量損失率 ；V -注入 離子速度；C為常數(shù)，ke-與Z1、Z2、M1、 M2有關(guān)的常數(shù) 13 橫向效應(yīng)：a橫向效應(yīng)和能量成正比；b是結(jié)深的30%-50%；c窗口邊緣的離子濃度是中心處的50%；溝道效應(yīng)：溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進，核阻擋作用小，因而射程比晶靶遠的多，好處是結(jié)較深，晶格損傷小，不利的是難于獲得課重復(fù)的濃度分布，使用價值小。減小溝道效應(yīng)的途徑是：a注入方

7、向偏離晶體的主軸方向，典型值是7度。b提高溫度。C增大劑量。d淀積非晶表面層。e在表面制造損傷層。14 注入損傷是咋樣造成，都有那些損傷？在離子注入的過程中，襯底的晶體結(jié)構(gòu)收到損傷是不可避免的，在進入靶內(nèi)的離子，通過碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子，不斷的損失能量，最后停止在靶里的某一位置。損傷有以下幾種：散射中心：使遷移率下降；缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流增加；雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。15 熱退火：如果將注有離子的硅片在一定的溫度下，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r間熱處理，則硅片中的損傷就可能部分或絕大不分消除，少數(shù)載流子的壽命以及遷移率也會不同程度的得到恢復(fù)，摻入的雜質(zhì)也將得到一定

8、比例的電激活，這樣的處理過程稱為熱退火。退火機理：復(fù)雜的損傷分解為簡單的缺陷：空位，間隙原子；簡單缺陷可因復(fù)合而消失；（3）損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)通過固相外延再生長得到恢復(fù)。快速退火(RTA，rapid thermal annealing) 的機理：利用高功率密度的物質(zhì)作用于晶片表面，使注入層在短時間內(nèi)達到高溫，以到消除損傷的目的。 常規(guī)熱退火的缺點：a激活率低；b二次缺陷；c導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布，d硅片變形16 物理氣相淀積PVD(physical vapor deposition)利用某種物理過程（蒸發(fā)或濺射），實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，淀積成薄膜。淀積特點：

9、物理過程；技術(shù)：真空蒸發(fā)：早期工藝制備金屬薄膜；優(yōu)點：淀積速率較高，相對高的真空度，薄膜質(zhì)量較好；缺點：臺階覆蓋能力差，淀積多元化合金薄膜時，組分難以控制。 濺射：已取代蒸發(fā)。優(yōu)點：化學(xué)成分易控制，淀積薄層與襯底附著性好。17 1輝光放電定義：氣體在低氣壓狀態(tài)下的一種自持放電。對玻璃圓柱狀放電管兩端施加電壓，當(dāng)壓力處于10.1托的范圍時，由陰極逸出的電子在氣體中發(fā)生碰撞電離和光電離，此時放電管的大部分區(qū)域都呈現(xiàn)彌漫的光輝，其顏色因氣體而異，故稱輝光放電。2放電通道：八個區(qū)域 阿斯頓暗區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、等離子區(qū)、陽極輝光區(qū)、陽極暗區(qū)。3產(chǎn)生原因：這些光區(qū)是空間電離過程及電荷分布

10、所造成的結(jié)果，與氣體類別、氣體壓力、電極材料等因素有關(guān)，4主要應(yīng)用：利用它的發(fā)光效應(yīng)（如霓虹燈）和正常輝光放電的穩(wěn)壓特性(如氖穩(wěn)壓管)。利用輝光放電的正柱區(qū)產(chǎn)生激光的特性，制做氦氖激光器 等離子體：具有一定導(dǎo)電能力的氣體。由正離子、電子、光子及原子、原子團、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。（電子是其導(dǎo)電過程中的主要載流子）特點：正、負(fù)帶電粒的數(shù)目相等，宏觀呈現(xiàn)電中性。輝光放電屬于等離子體中粒子能量和密度較低、放電電壓較高類型。其特點：質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團的能量遠遠低于電子的能量，是一種非熱平衡狀態(tài)的等離子體。18 濺射原理：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，具有能量的離子轟

11、擊靶材，靶材原子獲得能量從靶表面逸出-被濺射出，濺射原子淀積在表面。優(yōu)點：臺階覆蓋好（遷移能力強），附著力得到改善。 濺射的方法：直流、射頻、磁控、反應(yīng)、離子束、偏壓等濺射；19 化學(xué)氣相淀積（CVD）定義：指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。其英文原名為 “Chemical Vapour Deposition”，簡稱為 “CVD”。 CVD工藝特點：（1）CVD成膜溫度遠低于體材料的熔點或軟點。因此減輕了襯底片的熱形變，減少了玷污，抑制了缺陷生成; 設(shè)備簡單，重復(fù)性好；（2）薄膜的成分精確可控、配比范圍大；（3）淀積速率一般高于PV

12、D（物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等）；厚度范圍廣，由幾百埃至數(shù)毫米。且能大量生產(chǎn)；（4）淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好。Grove模型：Grove模型是一個簡化的模型：忽略了1.反應(yīng)產(chǎn)物的流速； 2.溫度梯度對氣相物質(zhì)輸運的影響；認(rèn)為 3.反應(yīng)速度線性依賴于表面濃度。但成功預(yù)測了：薄膜淀積過程中的兩個區(qū)域（物質(zhì)輸運速率限制區(qū)域和表面反應(yīng)控制限制區(qū)域），同時也提供了從淀積速率數(shù)據(jù)中對hg和ks 值的有效估計。20 CVD系統(tǒng)的分類 ：化學(xué)淀積方法: 1.常壓化學(xué)氣相淀積APCVD，2. 低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD，3.等離子化學(xué)氣相淀積PCVD21 硅的三種形態(tài)：單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶

13、硅（SCS）：晶格規(guī)則排列。加工方法：1）通過高溫熔融/再結(jié)晶生長單晶硅圓片；2）外延生長硅薄膜；3）通過全部加熱或局部加熱，使多晶硅或非晶硅再結(jié)晶。多晶硅（Polysi）：有多種晶疇。每個晶疇里，晶格規(guī)則排列。但相鄰區(qū)域晶向不同。晶界（疇壁）對于決定電導(dǎo)率、機械剛度和化學(xué)刻蝕特性很重要。加工方法：1）通過LPCVD生長；2）通過全部加熱或局部加熱，使多晶硅或非晶硅再結(jié)晶。非晶硅：晶格不規(guī)則排列。加工方法：1）通過CVD生長。 22 淀積條件對多晶硅結(jié)構(gòu)及淀積速率的影響：淀積溫度、壓力、摻雜類型、濃度及隨后的熱處理過程：580 °C 非晶態(tài)薄膜； 580 °C 多晶薄膜。晶

14、向優(yōu)先方向：580- 600 °C ，<311>晶向的晶粒占主導(dǎo)；625 °C 左右，<110>晶向的晶粒占主導(dǎo)；675 °C 左右，<100>晶向的晶粒占主導(dǎo)； 675 °C ，<110>晶向的晶粒占主導(dǎo)。低溫下淀積的非晶態(tài)薄膜： 900- 1000 °C 重新晶化時，更傾向于<111>晶向結(jié)構(gòu)。淀積的速率隨壓力的上升而加快。23、外延：定義:外延(epitaxy)是在單晶襯底上生長一層單晶薄膜的技術(shù)。新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為外延層。長了外延層的襯底稱為外延片。正向外延

15、：低阻襯底材料生長高阻外延層的工藝。反之為反向外延層。材料異同 同質(zhì)外延：生長的外延層與襯底材料相同。 Si-Si 異質(zhì)外延：生長的外延層與襯底材料不同。SOS技術(shù)-藍寶石上生長硅。外延分類:氣相外延(VPE)-常用 液相外延(LPE)-、固相外延(SPE)-熔融在結(jié)晶、分子束外延(MBE)-超薄 、化學(xué)氣相淀積(CVD)-低溫,非晶。24、生長速率與溫度的關(guān)系：影響外延生長速率的主要因素：1.溫度：B區(qū)高溫區(qū)（常選用）A區(qū)低溫區(qū)特點：生長率依賴于選用的硅源，依次SiH4/SiH2Cl2/ SiHCl3/SiCl4順序遞減；兩個生長區(qū)域：B-高溫區(qū)：生長速率由氣相質(zhì)量輸運控制，且對反應(yīng)室?guī)缀涡?/p>

16、狀和氣流有依賴性。質(zhì)量輸運或擴散控制過程、A-低溫區(qū)：生長速率由表面化學(xué)反應(yīng)控制。即由化學(xué)反應(yīng)的快慢決定。25、生長速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系：26、生長速率與氣體流速的關(guān)系：氣體流速越大，邊界層越薄，則在相同時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到單位襯底表面上的反應(yīng)劑數(shù)量越多，即外延層生長速率就越快。當(dāng)氣體流量達到一定程度后，邊界層的厚度很薄，輸運到襯底表面的反應(yīng)劑數(shù)量超過外延溫度下的表面化學(xué)反應(yīng)所需數(shù)量，生長速率由化學(xué)反應(yīng)速率決定。27、 擴散效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)，在外延生長時互相擴散引起襯底與外界層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。28、 自摻雜效應(yīng)：襯底和外延層中的雜質(zhì)因熱蒸發(fā)或因化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物對襯

17、底或外延層的腐蝕，都會使襯底或外延層中的雜質(zhì)進入到邊界層中，改變了邊界層中的摻雜成份和濃度，從而導(dǎo)致了外延層中雜質(zhì)的實際分布偏離理想情況。它是氣相外延的本征效應(yīng)，不能完全避免。29、 外延層中的缺陷與檢測：外延層好壞在外延層中分布是否均勻，厚度、摻入雜質(zhì)的類型和數(shù)量是否滿足要求。外延層中缺陷，按所在位置分為兩大類：1.表面缺陷包括：云霧狀表面、腳錐體、劃痕、星狀體、麻坑等。2.體內(nèi)缺陷包括：位錯和層錯。主要內(nèi)容：層錯的產(chǎn)生和利用層錯法測量外延層的厚度30、層錯堆積層錯：產(chǎn)生層錯的原因：襯底表面的損傷和沾污，外延溫度過低，襯底表面上殘留的氧化物，外延過程中摻雜劑不純，空位或間隙原子的凝聚，外延生

18、長時點陣失配，襯底上的微觀表面臺階，生長速度過高等。起源：絕大多數(shù)是從襯底與外延層的交界面開始。測量層錯法：通過測量缺陷圖形的邊長，換算出外延層的厚度，達到測量的目的。注意：測量時選擇大的腐蝕圖形，不能選擇靠近外延層邊緣的圖形；計算厚度時，考慮腐蝕對厚度的影響。31、漂移規(guī)律：<100> 晶片，如果晶面沒有偏離，漂移最小。<111>片,取向與<100>偏離25度,漂移顯著減小,常用偏離3度。外延層越厚,偏移越大。溫度越高,偏移越小。生長速率越小,偏移越小發(fā)生漂移和畸變的根本原因：硅的生長和腐蝕速率的各向異性必要條件：氯類物質(zhì)的存在32、光刻的基本步驟：曝光、顯影、刻蝕33、光刻的三要素：光刻膠、光刻機、掩膜板。34、光刻的定義：光刻-通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻（mask）上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。35、曝光方法：光學(xué)曝光、X射線曝光、電子束曝光36、濕法刻蝕：特點：各向同性腐蝕。優(yōu)點：工藝簡單，腐蝕選擇性好。