集成电路工艺复习

1.特征尺寸（C r i t i c a l D i m e n s i o n,C D）的概念

特征尺寸是芯片上的最小物理尺寸，是衡量工艺难度的标志，代表集成电路的工艺水平。①在CMOS技术中，特征尺寸通常指MOS管的沟道长度，也指多晶硅栅的线宽。②在双极技术中，特征尺寸通常指接触孔的尺寸。

2.集成电路制造步骤：

①Wafer preparation(硅片准备)

②Wafer fabrication (硅片制造)

③Wafer test/sort (硅片测试和拣选)

④Assembly and packaging (装配和封装)

⑤Final test(终测)

3.单晶硅生长：直拉法（CZ法）和区熔法（FZ法）。区熔法（FZ法）的特点使用掺杂好的多晶硅棒；优点是纯度高、含氧量低；缺点是硅片直径比直拉的小。

4.不同晶向的硅片，它的化学、电学、和机械性质都不同，这会影响最终的器件性能。例如迁移率，界面态等。MOS集成电路通常用（100）晶面或<100>晶向；双极集成电路通常用（111）晶面或<111>晶向。

5.硅热氧化的概念、氧化的工艺目的、氧化方式及其化学反应式。

氧化的概念：硅热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。

氧化的工艺目的：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。

氧化方式及其化学反应式：①干氧氧化：Si＋O2 →SiO2

②湿氧氧化：Si ＋ H2O ＋O2 → SiO2+H2

③水汽氧化：Si ＋ H2O → SiO2 ＋ H2

硅的氧化温度：750 ℃～1100℃

6.硅热氧化过程的分为两个阶段：

第一阶段：反应速度决定氧化速度，主要因为氧分子、水分子充足，硅原子不足。

第二阶段：扩散速度决定氧化速度，主要因为氧分子、水分子不足，硅原子充足

7.在实际的SiO2 – Si 系统中，存在四种电荷。

①. 可动电荷：指Na＋、K＋离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。

②. 固定电荷：指位于SiO2 – Si 界面2nm以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。

③. 界面态：指界面陷阱电荷(缺陷、悬挂键），可以采用氢气退火降低。

④. 陷阱电荷：由辐射产生。

8.（硅热氧化）掺氯氧化工艺

在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的HCl气体（浓度在3％以下）以改善SiO2 – Si的界面特性。其优点：

①.氯离子进入SiO2－Si界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累。

②.氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污。

9.SiO2-Si界面的杂质分凝（Dopant Segregation）：高温过程中，杂质在两

种材料中重新分布，氧化硅吸引受主杂质（B）、排斥施主杂质（P、As）。

10.SiO2在集成电路中的用途

①栅氧层：做MOS结构的电介质层（热生长）

②场氧层：限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积）

③保护层：保护器件以免划伤和离子沾污（热生长）

④注入阻挡层：局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂（热生长）

⑤垫氧层：减小氮化硅与硅之间应力（热生长）

⑥注入缓冲层：减小离子注入损伤及沟道效应（热生长）

⑦层间介质：用于导电金属之间的绝缘（沉积）

11.硅热氧化工艺中影响二氧化硅生长的因素

①氧化温度；

②氧化时间；

③掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快

④硅片晶向：<111>硅单晶的氧化速率比<100>稍快

⑤反应室的压力：压力越高氧化速率越快

⑥氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快

12.热生长氧化层与沉积氧化层的区别

①结构及质量：热生长的比沉积的结构致密，质量好。

②成膜温度：热生长的比沉积的温度高。可在400℃获得沉积氧化层，在第一层金属布线形成完进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。

③硅消耗：热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。

13.杂质在硅中的扩散机制

①间隙式扩散；②替位式扩散。

14.扩散杂质的余误差函数分布特点（恒定表面源扩散属于此分布）

①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；

②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；

③扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深。

15.扩散杂质的高斯分布特点（有限源扩散属于此分布）

①在整个扩散过程中，杂质总量保持不变；

②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；

③表面杂质浓度可控。

16.结深的定义

杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线交点的位置称为结深。

17.离子注入的概念：

离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。

18.离子注入工艺相对于热扩散工艺的优缺点：

优点：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杂质浓度均匀性、重复性好；④掺杂温度低；⑤沾污少；⑥无固溶度极限。

缺点：①高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤；②注入设备复杂昂贵。

19.离子注入效应

沟道效应：当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时就发生了沟道效应。控制沟道效应的方法：①倾斜硅片；②缓冲氧化层；③硅预非晶化（低能量（1KEV）浅注入应用非常有效）；④使用质量较大的原子。

注入损伤：高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤。消除晶格损伤的方法：

①注入缓冲层；②离子注入退火工艺。

20.离子注入退火

工艺目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置从而实现电激活。

①高温热退火

通常的退火温度：＞950℃，时间：30分钟左右

缺点：高温会导致杂质的再分布。

②快速热退火

采用RTP，在较短的时间（10－3～10－2秒）内完成退火。

优点：杂质浓度分布基本不发生变化

21.在先进的CMOS 工艺中，离子注入的应用

①深埋层注入；②倒掺杂阱注入；③穿通阻挡层注入；④阈值电压调整注入；

⑤轻掺杂漏区（LDD）注入；⑥源漏注入；⑦多晶硅栅掺杂注入；⑧沟槽电容器注入；⑨超浅结注入；⑩绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入。

22.部分离子注入工艺的作用

①深埋层注入：高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用：减小衬底