《集成电路工艺》复习总结

1 2015集成电路 工艺 思考题 本 文档 仅供参考 1、将硅单晶棒制作成硅片包括哪些工序？ 答：滚圆， x 射线定位，切片，倒角， 硅片 研磨，清洗，化学腐蚀，热处理 2、切片可决定晶片的哪四个参数？ 答 ： 晶向、厚度、斜度、翘度和平行度 3、硅单晶片研磨后为何要清洗？ 答 ： 硅片表面层原子因垂直切片方向的化学键被破坏成为悬挂键，形成表面附近的自由力场，极易吸附各种杂质，如颗粒、有机杂质、无机杂质、金属离子等，造成磨片后的硅片易发生变花发蓝发黑等现象，导致低击穿、管道击穿、光刻产生针孔，金属离子和原子易造成 pn 结软击穿，漏电流增加，严 重影响器件性能与成品率 4、硅片表面吸附杂质的存在形态有哪些？对这些形态按何种顺序进行清洗？ 答 ： 被吸附杂质的存在状态：分子型、离子型、原子型 清洗顺序：去分子去离子去原子去离子水冲洗烘干、甩干 5、硅片研磨及清洗后为何要进行化学腐蚀？腐蚀方法有哪些？ 答 ： 目的 ： 去除表面因加工应力而形成的损伤层及污染 方法 ： 喷淋、浸泡 6、 CMP 包括哪 2 个动力学过程？控制参数有哪些？ 答 ： 首先吸附在抛光布上的抛光液中的氧化剂、催化剂等与单晶片表面的硅原子在表面进行氧化还原的动力学过程（化学作用） 抛光表面 反应物脱离硅单晶表面，即解吸过程，使未反应的硅单晶重新裸露出来的动力学过程（机械作用）。 控制参数：抛光时间：影响磨掉材料的数量、平整性 磨头压力（向下压力）：影响抛光速率、平坦化和非均匀性 转盘速率 ： 影响抛光速率、非均匀性 磨头速度：影响非均匀性 磨料化学成分 ： 材料选择比（同时磨掉几种材料）、抛光速率 磨料流速：影响抛光垫上的磨料数量和设备的润滑性能 抛光垫修整：影响抛光速率、非均匀性、 CMP工艺的稳定性 硅片 /磨料温度：影响抛光速率 硅片背压：影响非均匀性（中央变慢）、碎片 7、集成电路制造过程中常用 的 1 号、 2 号、 3 号清洗液组成是什么？各有 何 用途？ 答 ： 号洗液： NH4OH:H2O2:H2O=1:1:51:2:7 ，去油脂、去光刻胶残膜、去金属离子、去金属原子 号洗液： HCl:H2O2:H2O=1:1:61:2:8 ，去金属离子、去金属原子 号洗液： H2SO4:H2O2=3:1，去油、去光刻胶、去腊、去金属离子、去金属原子 2 8、硅气相外延工艺采用的衬底不是准确的晶向，通常偏离（ 100）或（ 111）等晶向一个小角度，为什么？ 答 ：因为不同晶面硅的共价键密度不同，成键能力也就存在差异， 偏离（ 100）或（ 111）等晶向一个小角度 可以 获得较快的外延生长速度 9、外延层杂质的分布主要受哪几种因素影响？ 答 ： 温度； 硅源 ； 反应剂浓度 ； 其它因素：衬底晶向 、 反应室形状 、 气体流速 10、常用的硅源有哪些？其外延温度和生长速度有何不同？ 答 ： 常用的硅源： SiCl4、 SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4 外延温度 ： SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 SiH4 生长速度 ： SiH4 SiH2Cl2 SiHCl3 SiCl4 11、异质外延对衬底和外延层有什么要求？ 答 ： 衬底与 外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象； 衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延层破裂。 衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。 12、比较分子束外延 (MBE)生长硅与气相外延（ VPE）生长硅的优缺点 答 ： 分子束 外延： 优点 ： 超高真空度，温度低，外延分子易于控制，可生长多层、杂质分布复杂的外延层，可全程监控； 缺点： 设 备复杂、价格昂贵 13、 SiO2按结构特点分为哪些类型？热氧化生长的 SiO2属那一类？ 答 ： SiO2按结构特点分为：结晶形 、 无定形； 热氧化生长的 SiO2属于 无定形体。 14、在 SiO2中何谓桥键氧？何谓非桥键氧？，对 SiO2密度有何影响？ 答 ： SiO2中 两四面体之间的氧原子称桥键氧原子，只与一个四面体相联的氧原子称非桥联氧原子 ；无定形 SiO2 网络 的结合强度与桥键氧原子和非桥键氧原子数目之比有关，桥键氧原子的数目越多，网络结合越紧密，反之越疏松 15、二氧化硅层的主要作用有哪些？ 答 ： 在 MOS电 路中作为 MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分 扩散时的掩蔽层，离子注入的 (有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用 )阻挡层 作为集成电路的隔离介质材料 作为电容器的绝缘介质材料（二氧化硅击穿电压高，温度系数小） 为多层金属互连层之间的介质材料 作作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料 二氧化硅磨用于其他半导体器件：光探测器、光电池表面防反射层 16、二氧化硅网络中按杂质在网络中所处位置不同可分为哪几类？ 答 ： 网络形成者、网络改变者 3 17、热氧化方法有哪几种？各有何优缺点？ 答 ： 干氧氧化：氧化膜致密 性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥 ； 均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶接触良好、粘附好，光刻时不易 浮胶，但是生长速率最慢； 水蒸汽氧化：生长速率快 ， 但是 氧化膜致密性最差，针孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，易 产生 浮胶； 湿氧氧化：氧化膜较干氧氧化膜疏松，针孔密度大，表面含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，水温越高，水汽就越多，二氧化硅生长速率也就越快 。 18、影响氧化速率的因素有哪些？ 答 ：温度、氧化剂分压、衬底晶向 、 掺杂浓度 19、影响 SiO2 热氧化层电性的电荷来源主要有哪些种类？这些 电荷对器件有何危害？降低这些电荷浓度的措施有哪些？ 答 ： 种类 ：可 动离子 电荷，氧化层固定电荷，界面陷阱电荷，氧化层陷阱电荷； 危害 ： 引起 Si/SiO2界面 P型 硅的反型层，以及 MOS器件 阈值电压不稳定的现象； 可 动离子 电荷 ：使用 含氯的氧化工艺， 用 氯周期性地清洗管道 、 炉管 和 相关容器 ， 使用 超纯净的化学物质， 保证 气体在传输过程中的清洁； 氧化层固定电荷 ： 使用含氯 氧化工艺 ， 选择适当的硅衬底晶向 ， 降低氧化 时 氧 的 分压 界面陷阱电荷 ： 氧化后在低温、惰性气体中退 火， 在（ 100） 的 硅上进行干氧氧化 氧化层陷阱 电荷 ： 选择适当的氧化工艺条件以改善 SiO2结构 ，使 Si O Si 键 不易被打破 ， 在 惰性气体中进行低温退火 20、为何热氧化时要控制钠离子的含量？降低钠离子污染的措施有哪些？ 答 ：原因： 钠离子在环境中大量存在，在低于 200的温度下在氧化层中就有很高的扩散系数，其迁移能力因氧化层中存在电场而显著提高，对器件参数有重要影响。如引起 MOS晶体管阈值电压 VT不稳定，在 Si SiO2界面分布的不均匀还会引起局部电场的加强，造成 MOS管栅极的局部低击穿 措施 ： 加强工艺卫生避免 Na+沾污 ， 使用含氯的氧化工艺； 用氯 周期性地清洗管道、炉管及相关容器； 用超纯净的化学物质； 保证气体及气体传输过程的清洁； 保证栅材料（多晶硅）不受污染； 用 BPSG和 PSG 玻璃钝化可动离子； 用氮化硅封闭已完成的器件以防止钠离子的渗透。 21、 掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？ 答： 钝化可动离子，尤其是钠离子； 减少 SiO2中缺陷，提高了氧化层的抗击穿能力； 降低了界面态密度和表面固定电荷密度； 减少了氧化导致的堆垛层错，增加了氧化层下面硅中少数载流子的寿命 22、 由热氧化 机理 解释干、湿氧氧化速率相差很大这一现象的原因？ 答 ： 在热氧化的过程中，氧化反应将在 SiO2-Si 界面处进行，而不发生在 SiO2层的外表层 ，热氧化是通过扩散与化学反应来完成的，而 水比氧在二氧化硅中有更高的扩散系数和大得多的溶解度，所以湿氧氧化有较高的氧化速度。 4 23、 薄层工艺（ 10nm 以下氧化层）过程中应注意哪些要求？现采用 哪些 工艺 ？ 答 ： 要求 ： 低缺陷密度 好的抗杂质扩散的势垒特性 具有低的界面态密度和固定电荷的高质量的 Si SiO2界面 在热载流子应力和辐射条件下的稳定性 低的热预算工艺 工艺 ： 装片 ，升温， 快速 热氧化， 快速 退 火， 降温， 取片 24、 氧化层膜厚的测定方法有哪些？ 答： 双光干涉 法，比色法，椭 偏光 法 25、 热氧化时常见的缺陷有哪些？产生的原因有哪些？ 答 ： 氧化层厚度不均匀 原因：硅片表面上气体分布不均匀；炉温不稳定；恒温区太短；硅片表面状态不均匀。 氧化层表面出现斑点 原因：硅片清洗不彻底；反应室有污染杂质，反应气氛不纯；反应前硅片没有烘干或有水珠溅到硅片上，或 DI水不够纯。 氧化层针孔使杂质局部穿透，使器件漏电增大，击穿变坏 原因：硅片表面抛光不够好（有严重损伤）；有严重的位错； 硅片表面有 玷污 26、 什么是掺杂？ 答：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成 PN 结、电阻、欧姆接触 27、 热扩散的机制有哪些？ 答： 间隙失 扩散 ，替位式扩散，间隙 -替位式扩散 28、 扩散源有哪些存在形态？ 答： 固态源， 液态 源，气态源 29、 实际生产中为何采用二步扩散？预扩与主扩的杂质浓度分布各有何特点？ 答 ： 原因 ： 为了得到任意的表面浓度、杂质数量和结深以及满足浓度梯度等要求，需要既能控制扩散的杂质总量，又能控制表面浓度。 预扩散 ： 恒定表面源扩散，杂质浓度服从余误差分布。延 长扩散时间：表面杂质浓度不变；扩入杂质总量增加；结深增加；杂质浓度梯度减小 主 扩散： 有限表面源扩散，杂质浓度服从高斯分布。延长扩散时间：杂质表面浓度迅速减小；杂质总量不变；结深增加；杂质浓度梯度减小。 30、 叙述氧化增强扩散及发射区推进效应及其产生的机理？ 答 ： 氧化增强扩散： 在热氧化过程中原 本 存在 于 硅内的某些掺杂原子显现出更高的扩散性 机理：氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙 Si，间隙 -替位式扩散中的“踢出”机制提高了扩散系数。 发射区推进效应： 在 NPN窄基区晶体管制造中，在基区和发射区分别 掺硼、磷，发现在发射区正下方硼的扩散深度大于不在发射区正下方硼的扩散深度。 5 机理： 由于磷与空位相互作用形成的 PV 对，发生分解带来复合效应，导致 了 B 扩散的增强 31、 与预扩散相比，为什么 B 再扩后表面电阻变大而 P 再扩后表面电阻会变小？ 答：再分布主要是由硅的氧化速率、杂质在 Si/SiO2 中的分凝以及扩散速率决定的。 B 再扩后表面电阻变大而 P 再扩表面电阻变小是因为不同杂质的分凝系数以及杂质在Si/SiO2 中的扩散速率不同导致的。 32、 与热扩散相比，离子注入有哪些优点？ 答 ： 各种杂质浓度分布与注 入浓度可通过精确控制掺杂剂量和能量来达到 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一 低温过程；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩 离子注入通过 Si表面上的薄膜注入到 Si 中，防止了污染，自由度大 33、 什么是沟道效应？如何降低沟道效应？ 答 ： 沟道效应 ： 衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，几乎不会受到原子核的散射，其纵向分布峰 值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。 将晶片对离子注入的运动方向倾斜一个角度 ； 在晶体表面铺上一层非结晶的材质，使入射的离子在进入衬底前在非晶系层里与无固定排列方式的非晶系原子产生碰撞而散射，降低沟道效应的程度 ； 先进行一次轻微的离子注入，将晶片表面的晶体结构破坏成非晶态，再进行真正的离子注入 34、 什么是离子注入损伤？损伤类型有哪些？ 答 ： 注入损伤： 离子注入在固体内 沿 入射离子运动轨迹的周围产生大量的空位、间隙原子、间隙杂质原子、和替位杂质原子等缺陷，衬底的晶体结 构 受到损伤。 损伤 类型： 点缺陷 、 非晶区 、 非晶层 35、 离子注入掺杂后为何要进行退火？其作用是什么？ 答 ： 原因 ： 注入离子造成的晶格损伤会影响材料的电学性质， 此外 ， 被注入的杂质原子大多数存在于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用 作用 ： 消除损伤， 激活杂质 36、 离子注入设备的主要部件有哪些？ 答 ;离子源、质量分析器、加速器、离子束聚焦器、扫描装置、气体供应设备、真空系统、晶片的装卸装置 37、 离子注入工艺技术中须控制的工艺参数及设备参数有哪些？ 答：工艺参数： 离子， 剂量，能量，可重复性和均匀性，温度，流量 设备参数：弧光反应室的工作电 压与电流、热灯丝电流、离子分离装置的分离电压及电流、质量分析器的磁场强度、加速器的加速电压、扫描方式及次数 6 38、 等离子体是如何产生的？ PECVD 是如何利用等离子体的？ 答：等离子体 是在辉光放电中 ， 气体被击穿 而 产生 的 ； PECVD采用射频等离子体把电能耦合到气体中，促进化学反应在较低温度下进行 39、 SiO2作为保护膜时为什么需要采用低温工艺 ?目前低温 SiO2工艺有哪些方法 ?它们降低制备温度的原理是什么？ 答： 原因 ： 保护膜是芯片制造的最后一个工艺步骤，这时芯片上的元件、器件已制作好，如再采用高、中温工艺 制作 SiO2 保护膜，芯片上的金属化系统或器件结构都会受损，如金属被氧化、杂质再分布带来元器件结构的改变，甚至芯片报废。所以，只能采用低温工艺。 方法 ： APCVD、 LPCVD、 PECVD 原理 ： PECVD： 应用等离子体技术将电能耦合到反应气体中，使反应气体形成等离子体，降低了反应淀积 SiO2温度。 40、 比较同等掺杂浓度多晶硅和单晶硅电阻率的大小？解释不同的原因。 答 ： 在一般掺杂浓度下，同样掺杂情况，比单晶电阻率高；高掺杂时，电阻率与单晶接近 原因：热处理过程中掺杂原子运动到晶界处，不能有效供给自由载流子 ； 晶界处的悬挂键可俘获自由载流子； 晶界内缺陷使载流子迁移率下降 41、 溅射主要有哪几种？特点是什么？ 答 ： 方法 ： 直流溅射 ， 射频溅射 ， 磁控溅射 ， 反应溅射 ， 离子束溅射 ， 偏压溅射 特点 ： 直流溅射：将靶作为阴极，只能制备导电的金属薄膜，溅射速率很慢 射频溅射： 气体被电离为等离子体，可溅射介质薄膜，功率大 磁控溅射：只能制备金属导电薄膜，溅射质量和速率有了很大提高 反应溅射：用化合物作靶可实现多组分薄膜淀积，但得到的薄膜往往与靶的化学组成有很大的差别 42、 如果 一 个工艺过程依靠对硅片的离子轰击，你会将硅片 置于连接腔壁的电极上还是与腔壁隔离的电极上 ? 答：应将硅片置于与腔壁隔离的电极上，这样可以避免离子轰击腔壁，造成材料被溅射出来污染反应室，离子对腔壁的轰击也会使反应室受损。 43、 以铝互连系统作为一种电路芯片的电连系统时，若分别采用真空蒸镀和磁控溅射工艺淀积铝膜，应分别从哪几方面来提高其台阶覆盖特性？ 答：真空蒸镀铝膜通过衬底加热和衬底旋转来改善其台阶覆盖特性。磁控溅射通过提高衬底温度，在衬底上加射频偏压，采用强迫填充技术，采用准直溅射技术。 44、 什么是气缺现象？如何解决气缺现象？ 答： 气 缺现象： 随着 反应剂的消耗，沿着气流方向反应剂浓度逐渐降低，因此衬底硅片上淀积的薄膜厚度也沿着气流方向变薄。 解决 方法： 在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度 ， 采用分布式的气体入口， 增加反应室中的气流速度 7 45、 什么是光刻，光刻系统的主要指标有那些？ 答：光刻 ： 将掩模版上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的 光刻胶 上去的工艺过程。 主要指标：辨率、焦深、对比度、特征线宽控制、对准和套刻精度、产率以及价格。 46、 IC 制造中对光刻技术的基本要求有哪些？ 答 ： 高分辨率， 高灵敏度的光刻胶，低缺陷，精密的套刻对准，对大 尺寸硅片的加工 47、 光刻工艺包括哪些工序？ 答 ： 底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序 48、 什么是分辨率、对比度、光敏度？ 答：分辨率： 单位长度刻出的能分辨的线对 数量 对比度 ： 指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。 光敏度 ： 光刻胶 上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小曝光量 49、 影响显影的主要因素有哪些？ 答 ： 曝光时间 ， 前烘的温度和时间 ， 光刻胶的膜厚 ， 显影液的种类及浓度 ， 显影液的温度 ， 显影液的搅动情况 50、 在光刻技术中为何显影后必须进行检查？检查的内容有 哪些？ 答 ： 因为 显影的好坏决定了 产品 的质量， 如果 发现显影出现问题还可以将硅片进行返工，避免更大的损失， 但如果 在刻蚀后才发现问题， 那么 硅片只能报废 检查 内容： 光刻胶钻蚀，图形尺寸变化，套刻对准不良，光刻胶膜损伤， 线条是否齐、陡，针孔、小岛 51、 什么是正光刻胶？什么是负光刻胶？其组成是什么？光刻胶的作用是什么？ 答： 正胶 ： 曝光 部分溶于显影液的 光刻胶 负胶： 曝光 部分 不溶于显影液的光刻胶 组成 ： 感光剂、聚合物材料、增感剂、溶剂 作用 ： 将掩膜版的图 形 转移到硅片表面顶层的光刻胶中 ， 保护下面的材料 52、 常见的曝光光源有哪些？ 答：紫外光源、深紫外光源、 电子束、离子束、 X射线 53、 常见的光刻对准曝光设备有哪些？ 答： 接触式光刻机 ， 接近式光刻机 ， 扫描投影光刻机 ， 分步重复投影光刻机 ， 步进扫描 投影 光刻机 54、 光刻工艺条件包括哪些方面？ 答 ： 光刻胶种类、光刻胶厚度、曝光参数（曝光能量、焦距）以及光学路径上的设定（数值孔径 NA）等 8 55、 什么是驻波效应？如何减少驻波效应？ 答：驻波效应是当用单色光进行曝光时，入射光会在光刻胶与衬底的界面上反射，由于入射光与反射光是相干光，在界面处又存在 180 度的相移，在光刻胶内形成驻波。 如何减少： 在光刻胶内加入染色剂，降低干涉现象； 在光刻胶的上下表面增加抗反射涂层； 后烘和硬烘 56、 影响线宽控制的因素有哪些？ 答 ： 设备（曝光光源、曝光对准，光刻胶工艺等）， 材料（光刻胶、显影液等）， 前站工艺（薄 膜厚度、反射率等）， 当层次光刻工艺条件最佳化的过程 57、 什么是湿法刻蚀？什么是干法刻蚀？各有何优缺点？ 答 ： 湿法刻蚀： 晶片放在腐蚀液中（或喷淋），通过化学反应去除窗口薄膜，得到晶片表面的薄膜图形 优点 ： 工艺简单，无需复杂设备；选择比高；均 匀性好； 缺点 ： 清洁性较差；保真度差，腐蚀为各向同性，图形分辨率低 干法 刻蚀： 是应用等离子技术的腐蚀方法，刻蚀气体在反应器中等离子化，与被刻蚀材料反应（或溅射），生成物是气态物质，从反应器中被抽出 优点 ： 保真度好，图形分辨率高；湿法腐蚀难的薄膜可以进行干法刻蚀；清洁性好 缺点 ： 设备复杂；选择比不如湿法 58、 常见的干法刻蚀方法有哪些？各有何优缺点？ 答：物理性刻蚀：保真度高，选择比低 化学性刻蚀：保真度低，选择比高 物理化学性刻蚀：保真度优于化学性刻蚀，但不如物理性刻蚀；选择比优于物理性刻蚀，但不如化学 性刻蚀；刻蚀后在衬底上留有残余损伤。 59、 光刻技术中的常见问题有那些？ 答：浮胶、毛刺、钻蚀、针孔和小岛等缺陷 60、 光刻工艺对掩模版有那些质量要求？ 答 ： 构成图形阵列的每一个微小图形要有高的图像质量，即图形尺寸要准确，尽可能接近设计尺寸的要求，且图形不发生畸变。 图形边缘清晰、锐利，无毛刺，过渡区要小，即充分光密度区（黑区）应尽可能陡直地过渡到充分透明区（白区）。 整套掩模中的各块掩模能很好地套准，对准误差要尽量地小。 图形与衬底要有足够的反差（光密度差）， 同时透明区 应无灰雾。 掩模应尽可能做到无 “ 针孔 ” 、 “ 小岛 ” 和划痕等缺陷。 版面平整、光洁、结实耐用。版子要坚固耐磨，不易变形。图形应不易损坏。 61、 简述集成电路的常规掩模版制备的工艺流程。 答 原图 绘制，初缩，精缩兼分步重复，复印阴版，复印阳版，成品包装 9 62、 光学分辨率增强技术主要包括那些？ 答 ： 移相掩模技术 、 离轴照明技术 、 光学邻近效应校正技术、光瞳滤波技术 63、 简述表征光刻胶特性、性能和质量的参数。 答 ： 响应波长； 灵敏度； 抗蚀性； 粘滞性 ； 粘附性； 光刻胶的膨胀 ； 微粒数 量和金属含量 ； 储存寿命 64、 理想的刻蚀工艺应具有哪些特点？ 答 ： 各向异性刻蚀 ， 良好的刻蚀选择性， 加工批量大，控制容易，成本低，对环境污染少，适用于工业生产。 65、 影响刻蚀工艺的因素有那些？ 答 ： 工作压力的选择； RF 功率的选择； ICP 功率； 衬底温度和反应室温度； 反应气体的选择和配比。 66、 集成电路对金属化材料特性的要求有哪些？ 答： 金属化材料包括互连材料、接触材料、 MOSFET栅电极材料 对 互连材料： 电阻率 要小，易于淀积和刻蚀，有好的 抗 电迁移特性 对