微电子工艺复习提纲

分凝现象 Segregation ：假设某种杂质在晶体中的浓度处处相同，当晶体逐段溶化和凝固后，固相和液相晶体中可容纳的杂质浓度并不相同，这种杂质浓度在固液相界面两边重新分布的现象，称分凝现象。

Chapter2氧化二氧化硅的性质和用途——二氧化硅的掩蔽作用和厚度估算(masking properties of thermal growth SiO2) 物理性质：密度：无定型2.15-2.25g/cm2结晶型2.65g/cm2；折射率:密度大的薄膜具有大的折射率；电导率:与制备方法以及所含杂质数量等因素有关；介电强度:单位厚度的SiO2所承受的最小击穿电压106-107V/cm ；介电常数:相对介电常数为3.9。

化学性质:酸性氧化物,是硅最稳定的氧化物,不溶于水,耐多种强酸,但能与氢氟酸反应；在一定温度下,能和强碱(如氢氧化钠 氢氧化钾)反应,也有可能被铝 氢等还原。

用途:对杂质扩散的掩蔽作用；对器件的绝缘隔离层；用作电容器的介质材料；用作MOS 器件的绝缘栅材料；用于其他半导体器件；热氧化原理（硅消耗问题、D-G 模型重点结论）？2s io 的制备方法：热氧化法：干氧氧化、水蒸汽氧化、湿氧氧化、干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法、氢氧合成氧化干氧氧化:高温下，氧气直接通向高温氧化炉与硅反应。

特点：质量最佳，结构致密，均匀性和重复性好，掩蔽能力强；但生长速度慢。

适合MOS 器件中栅极氧化中低于0.1微米的薄氧化层的生长。

水汽氧化：在高温下，硅片表面硅原子与高纯水产生的蒸汽反应生成SiO2，N2作携带气体。

特点：质量差，稳定性不好，对磷扩散掩蔽能力弱湿氧氧化：在高温下，O2携带高纯水产生的蒸汽，到达硅片表面与硅原子反应生成SiO2。

特点：氧化剂是氧气和水蒸汽。

所得氧化膜各项特性（质量和生长速度等）都介于干氧氧化和水汽氧化之间。

通过调节氧气和水汽的比例可调节生长速率。

氧化层厚度和时间的关系式021124A t A B τχ⎡⎤+⎢⎥=+-⎢⎥⎢⎥⎣⎦，当氧化时间很短时，即B A t 4/)(2<<+τ时，此时Tox 与t 为线性关系反应限制氧化区，主要受反应限制，当，B A t 4/)(2<<+τ，Tox 与t 为抛物线关系，此时的抛物线性氧化区也称扩散限制氧化区，主要受扩散限制。

Chapter3 扩散菲克扩散定律（原理与公式）两种扩散形式（两步扩散法的步骤和作用，计算！）间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动。

替位式扩散：替位杂质从一个晶体位置运动到另一个晶格位置上。

包括直接交换扩散和空位扩散。

掺杂doping ——将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定区域，以达到改变材料导电类型或电学性质的过程。

掺杂的方法很多：合金法、扩散法、离子注入法。

在IC 制造中主要采用扩散和离子注入法。

扩散掺杂——依赖杂质的浓度梯度形成扩散掺杂的过程。

杂质扩散系数与扩散方程 菲克第一定律：杂质的扩散流密度J 正比于杂质浓度梯度c e ∂∂，比例系数D 定义为杂质在基体中的扩散系数。

表达式为:C(x,t)J=Dx-∂∂ 菲克第二定律：C(x,t)D C(x,t)x t x ∂⎡⎤∂⎢⎥∂∂⎣⎦=∂∂ 恒定表面源扩散（菲克定律的第一类解）：杂质源通常为气相源，原子自源蒸气输运到硅片表面，并扩散到硅内，在扩散过程中源蒸气保持恒定的表面浓度，又称为预淀积扩散 时间t=0时，初始条件：C(x,0)=0边界条件：C(0,t)=Cs 以及：C(∞,t)=0 (,)2s x C x t C erfc Dt ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ 式中：Cs —恒定表面浓度 D —扩散系数 Dt —特征扩散长度恒杂质总量扩散：在硅片的扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有外来杂质补充，仅限于扩散前积累在硅片表面无限薄层内的有限数量的杂质，向硅片体内扩散，又称“限定源”。

2exp 4B Q x C Dt Dt π⎛⎫-= ⎪⎝⎭two-steps diffusion 两步扩散法：在实际工艺中，往往用“预淀积”+“再分布”的两步扩散法。

第一步：在较低的温度下进行短时间的恒定表面源扩散，扩散深度很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量，称（预淀积）。

第二步：以预扩散杂质分布作为掺杂源，高温下进行有限表面源的推进扩散，使杂质向硅片内部推进，重新分布，通过控制扩散温度和时间以获得预期的表面浓度和结深（分布），又称“再分布”、主扩散。

作用：较好地解决了表面浓度、结深与扩散温度、时间之间的矛盾。

a)预淀积扩散（恒定表面源）初始条件：C(z,0)=0 边界条件：C(0,t)=Cs ，以及：C(∞,t)=0，扩散后的杂质分布服从余误差分布：(,)2S z C z t C erfc Dt ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦扩散后的杂质总量：02(,)s Q C z t dz C Dt π∞==⎰ 假设预淀积扩散的扩散系数为D1,扩散时间t1为, 上式改为：()1102(,)T t s Q C z t dz C D t π∞==⎰b)有限表面源扩散（推进扩散）或限定表面源扩散服从高斯分布 初始条件，边界条件：()0,|0z C z t ≠= 00(,0)C z dz Q ∞=⎰(),0C t ∞=1102()(,)T Cs D t C z t dz Q π∞==⎰ 扩散后的杂质分布：()24(),()z T Dt Q C z t e Dt π-= 假设推进扩散的扩散系数为D2,扩散时间t2为, 上式改为：()222114()1222,,2z D t CsD t C z t t e D t π-=Chapter 4离子注入基本原理及特点离子注入基本原理：将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂的作用。

Describe the characteristics of Ion implantation.离子注入技术的特点：杂质纯、剂量均匀、温度低、掩蔽方便、杂质分布灵活、杂质不受固溶度的限制、横向扩散小、适合实现化合物半导体的掺杂、缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等射程与注入离子的分布（公式，根据离子注入条件计算杂质浓度的分布）——计算题Ion implantation 离子注入掺杂——杂质通过离化、加速形成高能离子流，靠能量打入半导体材料的规定区域、形成杂质分布的过程。

平均浓度：Sj N N X = 结深j X ：12ln 2S j P P B P N X R R N R π⎛⎫=+∆ ⎪∆⎝⎭某深度P X 处浓度：()()()2max 2exp 2P P P p x R N X N R ⎡⎤-⎢⎥=-⎢⎥∆⎣⎦ ()max 0.42S S P P PN N N x R R R π==≈∆∆ 2. 离子注入设备系统：离子源（产生注入离子的发生器）⇒离子分离器（把离子源弧光反应室当中产生的杂质离子分离出来）⇒质量分析器（选择注入所需的杂质成分离子）⇒加速管（加速离子）⇒聚焦系统⇒扫描部件⇒真空系统⇒电流积分仪⇒注入靶室 质量分析器：12()ext emv m r V B nq B nq == Channel Effect 沟道效应:在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，部分离子可能无阻挡地行进很长距离，造成较深的杂质分布，形成通道。

通道效应的克服办法：1、斜面注入（7°角）将硅晶片偏离主平面5-10度，也能有防止离子进入沟道的效果。

此方法大部分的注入机器将硅晶片倾斜7度并从平边扭转22度以防止沟道效应2、SiO2薄层散射离子n覆盖一层非晶体的表面层、将硅晶片转向或在硅晶片表面制造一个损伤的表层。

常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层（200-250埃），此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入硅晶体沟道。

3、衬底非晶化预处理n先注入大剂量硅或Ar+以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层，这种方法需使用昂贵的离子注入机。

Chapter5 光刻PhotolithographyPhotoLithography光刻的确切含义是图形转移：把（掩膜版上的）图形转移到硅片上。

解释1：指通过曝光和选择性化学腐蚀等工序将掩模版上的集成电路图形印制在硅片上的精密表面加工技术。

解释2：采用照相复印的方法将光刻版上的图案精确地复印在涂有感光胶的待刻蚀材料表面上，然后利用光刻胶的保护作用，对待刻蚀材料层进行选择性化学腐蚀，从而在该材料上得到与光刻版相应的图形。

光刻胶的工作原理、特点Photoresist 负胶——光致抗蚀。

光刻胶未曝光部分能溶于显影液，曝光部分不溶于显影液。

特点：优点：感光速度高，稳定性好，粘附性和抗蚀能力强，成本低，工艺易于控制。

缺点：易膨胀（“泡胀”效应）。

正胶——光致不抗蚀。

光刻胶未曝光部分不溶于显影液，曝光部分能溶于显影液。

特点：优点：分辨率高，边缘整齐，陡直性好，台阶覆盖能力强，图形保真性好，有较强的抗干法腐蚀能力和抗人处理能力；缺点：粘附性和强度较差，成本高。

光刻工艺过程the sequence of Photolithographic process及各步骤作用the function of each step 1.表面处理：清洁、干燥硅片表面；2.涂布增粘剂：提高表面与光刻胶的粘附性；3.涂胶：避免环境气氛对硅片表面产生影响；4.前烘：去除光刻胶中的溶剂、增加粘附性；4.曝光：要用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后获得尽可能高的留膜率，近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线宽；5．曝光后烘烤：将经过曝光的光刻胶结构重新排列，使驻波的现象减轻；6.显影；曝过光的硅片在显影液中处理，用溶剂去除曝光部分（正胶）或未曝光部分（负胶）的光刻胶，在硅片上形成所需要的光刻胶图形；7.后烘:挥发残留溶液，坚膜，增加粘附性、抗蚀性；8.刻蚀/注入等；9.去胶。

典型光源波长Traditional light source wavelength各种光刻胶的感光光谱灵敏度曲线是不同的，但它们都只对紫外光感光，常用的紫外光光源是高压汞灯。

对光刻胶起感光作用和常用的是：g-line （436nm）/i-line（365nm）used for 0.5，0.35um；对于紫外光，将采用准分子激光：KrE准分子光源(248nm) used for 0.25,0.8,0.13um、ArE准分子光源（193nm） used for 0.13,0.09um、F2准分子光源（157nm）正在研发，预计用于90-45nm技术节点光学曝光的3种曝光形式 three forms of optical exposure 1.接触式：掩膜板直接同光刻胶接触，曝光比例1：1；人工对准，整个硅片曝光一次完成；接触形式：真空接触、硬接触和软接触；优点：设备简单、成本低、光的衍射效应小，分辨率高，特征尺寸小；主要缺点：掩膜板同光刻胶直接接触，容易产生颗粒造成掩膜板和光刻胶损伤，因此图形缺陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产（3um 以下）。