硅集成电路专业考试基础知识
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1.常用的半导体材料为何选择硅
(1)硅的丰裕度。消耗更低的成本;
(2)更高的熔化温度允许更宽的工艺容限。硅1412℃>锗937℃
(3)更宽的工作温度。增加了半导体的应用围和可靠性;
(4)氧化硅的自然生成,高质量、稳定的电绝缘材料
si,金刚石110面(线)密度最大,111面(线)密度最小
2.缺陷:原生缺陷(生长过程)、有害杂质(加工过程)
(1)点缺陷:自间隙原子、空位、肖特基缺陷(原原子跑到表面)、弗伦克尔缺陷(原原子进入间隙)、外来原子(替位式、间隙式)
(2)线缺陷:位错(刃位错(位错线垂直滑移方向)、螺位错(位错线平行滑移方向)、扩展位错(T增大,位错迁移))
(3)面缺陷:层错(分界面上的缺陷,与原子密堆积结构次序错乱有关)
(4)体缺陷:杂质沉积析出
(5)有害杂质:
1)杂质条纹:电活性杂质的条纹状缺陷,造成晶体电阻率的微区不均匀性
2)有害杂质(三类):非金属、金属和重金属
非金属:O,C
重金属:铁、铜(引入复合中心,减小载流子寿命;易在位错处沉积)
金属:Na,K(引入浅能级中心,参与导电;Al引入对N型材料掺杂起补偿作用)
3.对衬底材料要求:
通过单晶生长过程中的质量控制和后续处理来提高单晶的质量,使之趋于完美。减少单晶材料缺陷和有害杂质的后续处理方法通常采用吸除技术。吸除技术主要有物理吸除、溶解度增强吸除和化学吸除。
1)物理:本征,背面损伤,应力,扩散
2)溶解度增强:T增加,固溶度增加,杂质运动能力增加,难以沉积
3)化学:含氮气体与硅表金属杂质反应,产生挥发性产物
缺陷要求,参数均匀性要求,晶片平整度要求
4.
将籽晶与多晶棒紧粘在一起,利用分段熔融多晶棒,在熔区由籽晶移向多晶另一端的过程中,使多晶转变成单晶体。
1)水平区熔法(布里吉曼法)---GaAs单晶
2)悬浮区熔法(FZ)可制备硅、锗、砷化镓等多种半导体单晶材料
5.单晶整形:
单晶棒存在细径、放肩部分和尾部。从晶片等径和电阻率均匀性要求出发,必须去掉这些部分,保留等颈部分。将单晶棒分段分割,分割下的不合要求的单晶可作为冶金级硅回收。
硅单晶存在外表面毛刺、直径偏差等现象, 需对单晶棒外圆进行滚磨整形,使单晶棒直径达到要求外圆滚磨包括两个步骤:用液体研磨料研磨去除表面毛刺,再用砂轮研磨使直径符合规格要求。
6.晶体定向:晶体定向的方法主要有光图像法(基于硅晶体各向异性的特点)、X射线法(劳埃法和转动晶体法)和解理法。
7.晶面标识
主定位面:用来识别晶向和导电类型
8.晶片加工
(1)切片:是将已整形、定向、标识的单晶材料,按晶片晶向要求切割加工成符合一定规格要求的薄片。包括:切片、边缘倒角。
1)切片的方法:固定磨粒法、游离磨粒法、加热升华法。
切割设备:圆切割法、外圆切割法、带式往复切割法、导丝切割法、超声波切割法和电子束切割法
2)必须研磨去除晶片边缘棱角,这一过程称之为边缘倒角。
(2)由于切片后的晶片存在表面损伤层及形变,为了去除损伤层,并使晶片厚度、翘曲度等得到修正。常采用研磨方法进行进一步加工,这一过程称之为磨片。
1)行星磨片法,它有单面磨片和双面磨片两种方式。行星磨片法要求磨板材料具有较高硬度、很高的平行度和较高的光洁度。
2)研磨料有氧化铝、碳化硅、氧化锆和二氧化硅
形状:研磨料过于锋利,研磨表面光洁度差、损伤大,但过于圆滑则磨削速度慢;研磨料粒径应尽可能均匀,少量过大粒径颗粒的混入会造成表面损伤。
粒度:太小则研磨速度慢;粒度过大,造成磨痕过粗过深、研磨片光洁度低,机械损伤大,甚至会出现裂纹。
研磨压力:过大压强则又会造成磨料破碎,从而划伤晶片;压强太小,则研磨效率低。
9.抛光
(1)磨片后的晶片表面仍有10-20微米的损伤层,需要进一步去除,以提高表面光洁度和平整度,这一过程即为抛光。抛光前一般要进行化学腐蚀。
(2)抛光的方法主要有:机械抛光(机械抛光获得的平整度较高,但表面光洁度差,损伤层深)、
化学抛光(抛光速度快、光洁度高, 损伤层小,但平整度差、平行度较差,抛光一致性也较差)、化学机械抛光(获得较完美的表面,又可以得到较高的抛光速率)。
(3)质量监测
聚光灯照射:表面形貌主要涉及表面波纹状起伏、"桔皮"纹、雾状物、划痕
10.加工环境:集成电路加工环境是指集成电路在加工过程中所接触的除单晶材料、加工设备及加工技术之外的一切物质。
工艺的精细化、材料的超纯化、设备的精密化,加工环境的超净化
净化空气,洁净加工工具和传输系统,超纯试剂、气体,低温处理,减少来自加工人员的污染。
11.比较硅单晶锭CZ、MCZ和FZ三种生长方法的优缺点?
答:CZ法工艺成熟可拉制大直径硅锭,但受坩锅熔融带来的O等杂质浓度高,存在一定杂质分布,因此,相对于MCZ和FZ法,生长的硅锭质量不高。当前仍是生产大直径硅锭的主要方法。
MCZ法是在CZ技术基础上发展起来的,生长的单晶硅质量更好,能得到均匀、低氧的大直径硅锭。但MCZ设备较CZ设备复杂得多,造价也高得多,强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。MCZ法在生产高品质大直径硅锭上已成为主要方法。
FZ法与CZ、MCZ法相比,去掉了坩埚,因此没有坩埚带来的污染,能拉制出更高纯度、无氧的高阻硅,是制备高纯度,高品质硅锭,及硅锭提存的方法。但因存在熔融区因此拉制硅锭的直径受限。FZ法硅锭的直径比CZ、MCZ法小得多。
第二章:
1.SiO2性质:
SiO2是一种十分理想的电绝缘材料;化学性质非常稳定;耐击穿能力很强;SiO2对某些杂质具有很好的掩蔽特性,从而可以实现选择性扩散;热氧化法制备的SiO2由于性能好、掩蔽能力强,得到广泛的应用。
密度:无定形SiO2密度一般2.20g/cm3;
折射率:SiO2的折射率为1.46;
电阻率:SiO2是良好的绝缘体,其禁带宽度9ev。
介电强度:用作绝缘介质时,常用介电强度表示SiO2薄膜耐压能力。
介电常数:表征电容性能的参数,MOS电容器
化学性质:SiO2的化学性质稳定,常温下只和HF反应。SiO2与强碱溶液也发生极慢的化学反应,生成硅酸盐。SiO2+6HF→H2(SiF6) +2H2O(刻蚀)
2.SiO2结构:二氧化硅按其结构一般有晶态和非晶态两种。主体结构单元为硅氧四面体构成的三维无序组合的网络结构。
晶态:O-Si-O的键角109°28’
非晶态:O-Si-O的键角110-180°,峰值144°(热氧化法)
3.杂质在SiO2中的存在形式:
(1)氧化硅介质膜可显著地抑制掺杂元素在其体的热迁移,这是硅晶体管和集成电路得以实现选择性扩散的重要因素之一。
(2)存在于氧化硅介质膜中的各类杂质绝大部分处于电离状态,并多数以正离子的形式处于网络形成剂或网络改变剂的状态。
网络形成者(可代替Si):35族网络强度增强
网络改变者(存在于间隙中):半径大网络强度下降,介电常数下降,熔点下降
4.SiO2薄膜在工艺中的作用(掌握)