硅集成电路工艺基础重点

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1、1 SiO2的结构和性质: 分为结晶形和非结晶形（无定形），均由Si-O四面体组成：中心-硅原子，四个顶角-氧原子，形成O-Si-O键桥，相邻四面体靠此键桥连接。结晶形SiO2由Si-O四面体在空间规则排列所构成。非结晶形SiO2依靠桥键氧把Si-O四面体无规则地连接起来，构成三维的玻璃网络体。热氧化制备SiO2的过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层，到达Si-SiO2界面，与Si反应生成SiO2 ，而不是Si向SiO2外表面运动、在表面与氧化剂反应生成SiO2。2 SiO2的掩蔽作用:按杂质在网络中所处的位置可分为两类：网络形成者和网络改变者。网络形成者（剂）-可以替代SiO2网络中硅的

2、杂质，也就是能代替Si-O四面体中心的硅，并能与氧形成网络的杂质。 特点：离子半径与硅接近。网络改变者（剂）-存在于SiO2网络间隙中的杂质。一般以离子形式存在网络中。特点：离子半径较大，以氧化物形式进入SiO2中，进入网络之后便离化，并把氧离子交给SiO2网络。硅的热氧化的两种极限：一：当氧化剂在中的扩散系数D SiO2 很小时称为扩散控制，二当扩散系数D SiO2很大时称为反应控制。3决定氧化常数的各种因素和影响氧化速率的因素：（1）氧化剂分压，在一定的氧化条件下，通过改变氧化剂分压课达到改变二氧化硅的生长速率的目的。（2）氧化温度，温度对抛物型速率常数的影响是通过氧化剂在SiO2中的扩散

3、系数产生的。（3）硅表面晶向对氧化速率的影响。（4）杂质对氧化速率的影响4 决定热氧化过程中的杂质在分布的因素：a杂质的分凝现象，b杂质通过二氧化硅的表面逸散，c氧化速率的快慢，d杂质在二氧化硅中的扩散速度。5分凝系数与再分布的关系：m=杂志在硅中的平衡浓度/杂质在二氧化硅中的平衡浓度四种分凝现象：m1，SiO2中慢扩散：B；m1, SiO2中慢扩散:P; m1, SiO2中快扩散：Ga；6杂质扩散机构：（1）间隙式扩散杂质在晶格间的间隙运动，（2）替位式扩散 杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位位置。7 菲克第一定律：杂质的扩散密度正比于杂质浓度梯度，比例系数定义为杂质在基体中的扩散

4、系数。8恒定表面元扩散：如果在整个扩散中，硅片表面的浓度始终保持不变，就称为恒定表面源扩散。有限表面源扩散：如果扩散之前在硅片的表面先淀积一层杂质，在整个过程扩散过程中这层杂质做为扩散的杂质源，不再有新源补充，这种扩散交有限表面源扩散。9 两步扩散的工艺：第一步在较低温度（800900）下，短时间得浅结恒定源扩散，即预淀积；第二步将预淀积的晶片在较高温度下（10001200）进行深结扩散，最终达到所要求的表面浓度及结深，即再分布。10 氧化增强型扩散：氧化增强扩散（EOD）实验结果：P、B、As等在氧化气氛中扩散增强。氧化增强机理替位-间隙交替的双扩散：Si-SiO2界面产生的大量间隙Si与替

5、位B、P等相互作用，使替位B、P变为间隙B、P；B、P在近邻晶格有空位时以替位方式扩散，无空位时以间隙方式扩散；B、P的间隙扩散作用更强；因此，其扩散速度比单纯替位方式快。Sb的氧化扩散是减弱的：Sb是替位扩散为主。As氧化增强低于B、P：替位-间隙两种扩散作用相当11 发射区推进（陷落）效应定义（实验现象）：NPN 管的工艺中，发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区外的基区扩散深度，这种现象称为发射区推进效应。推进（陷落）机理： 大量过饱和V-扩散较远，深入基区，增强了B的扩散速度；P+V-2的分解导致大量的间隙Si，也增强了B扩散。12 LSS模型：认为电子是自由电子气，类似黏滞气体。S

6、e(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e-电子阻挡能量损失率 ；V -注入 离子速度；C为常数，ke-与Z1、Z2、M1、 M2有关的常数 13 横向效应：a横向效应和能量成正比；b是结深的30%-50%；c窗口边缘的离子浓度是中心处的50%；沟道效应：沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比晶靶远的多，好处是结较深，晶格损伤小，不利的是难于获得课重复的浓度分布，使用价值小。减小沟道效应的途径是：a注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值是7度。b提高温度。C增大剂量。d淀积非晶表面层。e在表面制造损伤层。14 注入损伤是咋样造成，都有那些损伤？在离子注入的过程

7、中，衬底的晶体结构收到损伤是不可避免的，在进入靶内的离子，通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子，不断的损失能量，最后停止在靶里的某一位置。损伤有以下几种：散射中心：使迁移率下降；缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，漏电流增加；杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。15 热退火：如果将注有离子的硅片在一定的温度下，经过适当的时间热处理，则硅片中的损伤就可能部分或绝大不分消除，少数载流子的寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活，这样的处理过程称为热退火。退火机理：复杂的损伤分解为简单的缺陷：空位，间隙原子；简单缺陷可因复合而消失；（3）损伤由单晶区向非单晶区通过固相

8、外延再生长得到恢复。快速退火(RTA，rapid thermal annealing) 的机理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入层在短时间内达到高温，以到消除损伤的目的。 常规热退火的缺点：a激活率低；b二次缺陷；c导致明显的杂质再分布，d硅片变形16 物理气相淀积PVD(physical vapor deposition)利用某种物理过程（蒸发或溅射），实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，淀积成薄膜。淀积特点：物理过程；技术：真空蒸发：早期工艺制备金属薄膜；优点：淀积速率较高，相对高的真空度，薄膜质量较好；缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时，组分难以控制

9、。 溅射：已取代蒸发。优点：化学成分易控制，淀积薄层与衬底附着性好。17 1辉光放电定义：气体在低气压状态下的一种自持放电。对玻璃圆柱状放电管两端施加电压，当压力处于10.1托的范围时，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离和光电离，此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉，其颜色因气体而异，故称辉光放电。2放电通道：八个区域 阿斯顿暗区、阴极暗区、负辉光区、法拉第暗区、等离子区、阳极辉光区、阳极暗区。3产生原因：这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关，4主要应用：利用它的发光效应（如霓虹灯）和正常辉光放电的稳压特性(如氖稳压管)。利用辉光放电的正柱

10、区产生激光的特性，制做氦氖激光器 等离子体：具有一定导电能力的气体。由正离子、电子、光子及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。（电子是其导电过程中的主要载流子）特点：正、负带电粒的数目相等，宏观呈现电中性。辉光放电属于等离子体中粒子能量和密度较低、放电电压较高类型。其特点：质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于电子的能量，是一种非热平衡状态的等离子体。18 溅射原理：气体辉光放电产生等离子体，具有能量的离子轰击靶材，靶材原子获得能量从靶表面逸出-被溅射出，溅射原子淀积在表面。优点：台阶覆盖好（迁移能力强），附着力得到改善。 溅射的方法：直流、射频、磁控、反应、

11、离子束、偏压等溅射；19 化学气相淀积（CVD）定义：指使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。其英文原名为 “Chemical Vapour Deposition”，简称为 “CVD”。 CVD工艺特点：（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成; 设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。Grove模型：Grove模型

12、是一个简化的模型：忽略了1.反应产物的流速； 2.温度梯度对气相物质输运的影响；认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。但成功预测了：薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提供了从淀积速率数据中对hg和ks 值的有效估计。20 CVD系统的分类 ：化学淀积方法: 1.常压化学气相淀积APCVD，2. 低压化学气相淀积LPCVD，3.等离子化学气相淀积PCVD21 硅的三种形态：单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅（SCS）：晶格规则排列。加工方法：1）通过高温熔融/再结晶生长单晶硅圆片；2）外延生长硅薄膜；3）通过全部加热或局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。多晶

13、硅（Polysi）：有多种晶畴。每个晶畴里，晶格规则排列。但相邻区域晶向不同。晶界（畴壁）对于决定电导率、机械刚度和化学刻蚀特性很重要。加工方法：1）通过LPCVD生长；2）通过全部加热或局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。非晶硅：晶格不规则排列。加工方法：1）通过CVD生长。 22 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响：淀积温度、压力、掺杂类型、浓度及随后的热处理过程：580 C 非晶态薄膜； 580 C 多晶薄膜。晶向优先方向：580- 600 C ，晶向的晶粒占主导；625 C 左右，晶向的晶粒占主导；675 C 左右，晶向的晶粒占主导； 675 C ，晶向的晶粒占主导。低温下淀积的非晶态

14、薄膜： 900- 1000 C 重新晶化时，更倾向于晶向结构。淀积的速率随压力的上升而加快。23、外延：定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长一层单晶薄膜的技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。正向外延：低阻衬底材料生长高阻外延层的工艺。反之为反向外延层。材料异同 同质外延：生长的外延层与衬底材料相同。 Si-Si 异质外延：生长的外延层与衬底材料不同。SOS技术-蓝宝石上生长硅。外延分类:气相外延(VPE)-常用 液相外延(LPE)-、固相外延(SPE)-熔融在结晶、分子束外延(MBE)-超薄 、化学气相淀积(CVD)-低温,非晶。24、生长

15、速率与温度的关系：影响外延生长速率的主要因素：1.温度：B区高温区（常选用）A区低温区特点：生长率依赖于选用的硅源，依次SiH4/SiH2Cl2/ SiHCl3/SiCl4顺序递减；两个生长区域：B-高温区：生长速率由气相质量输运控制，且对反应室几何形状和气流有依赖性。质量输运或扩散控制过程、A-低温区：生长速率由表面化学反应控制。即由化学反应的快慢决定。25、生长速率与反应剂浓度的关系：26、生长速率与气体流速的关系：气体流速越大，边界层越薄，则在相同时间内转移到单位衬底表面上的反应剂数量越多，即外延层生长速率就越快。当气体流量达到一定程度后，边界层的厚度很薄，输运到衬底表面的反应剂数量超过

16、外延温度下的表面化学反应所需数量，生长速率由化学反应速率决定。27、 扩散效应：衬底中的杂质与外延层中的杂质，在外延生长时互相扩散引起衬底与外界层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。28、 自掺杂效应：衬底和外延层中的杂质因热蒸发或因化学反应的副产物对衬底或外延层的腐蚀，都会使衬底或外延层中的杂质进入到边界层中，改变了边界层中的掺杂成份和浓度，从而导致了外延层中杂质的实际分布偏离理想情况。它是气相外延的本征效应，不能完全避免。29、 外延层中的缺陷与检测：外延层好坏在外延层中分布是否均匀，厚度、掺入杂质的类型和数量是否满足要求。外延层中缺陷，按所在位置分为两大类：1.表面缺陷包括：云雾状表面、脚

17、锥体、划痕、星状体、麻坑等。2.体内缺陷包括：位错和层错。主要内容：层错的产生和利用层错法测量外延层的厚度30、层错堆积层错：产生层错的原因：衬底表面的损伤和沾污，外延温度过低，衬底表面上残留的氧化物，外延过程中掺杂剂不纯，空位或间隙原子的凝聚，外延生长时点阵失配，衬底上的微观表面台阶，生长速度过高等。起源：绝大多数是从衬底与外延层的交界面开始。测量层错法：通过测量缺陷图形的边长，换算出外延层的厚度，达到测量的目的。注意：测量时选择大的腐蚀图形，不能选择靠近外延层边缘的图形；计算厚度时，考虑腐蚀对厚度的影响。31、漂移规律： 晶片，如果晶面没有偏离，漂移最小。片,取向与偏离25度,漂移显著减小

18、,常用偏离3度。外延层越厚,偏移越大。温度越高,偏移越小。生长速率越小,偏移越小发生漂移和畸变的根本原因：硅的生长和腐蚀速率的各向异性必要条件：氯类物质的存在32、光刻的基本步骤：曝光、显影、刻蚀33、光刻的三要素：光刻胶、光刻机、掩膜板。34、光刻的定义：光刻-通过光化学反应，将光刻（mask）上的图形转移到光刻胶上。35、曝光方法：光学曝光、X射线曝光、电子束曝光36、湿法刻蚀：特点：各向同性腐蚀。优点：工艺简单，腐蚀选择性好。缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形。（刻蚀3m以上线条）控制湿法腐蚀的主要参数：腐蚀溶液的浓度、腐蚀时间、反应温度以及溶液的搅拌方式等。刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4。37、干法刻蚀：定义：利用等离子体激活的化学反应或利用高能粒子束轰击完成去除物质的方法。优点：各向异性腐蚀强；分辨率高；刻蚀3m以下线条。类型： 等离子体刻蚀：利用辉光放电产生活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀，化学性刻蚀；溅射刻蚀：通过高能离子轰击需刻蚀的材料表面，使表面产生损伤并去除损伤的过程，纯物理刻蚀；反应离子刻蚀（RIE）：结合 、；38、二极管的制作工艺