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半导体工艺实操100答

微电子工艺引论

  1. 硅片芯片的概念

硅片:制造电子器件的基本半导体材料硅的圆形单晶薄片

芯片:由硅片生产的半导体产品

  1. 什么是微电子工业技术?微电子工业技术主要包括哪些技术?

微电子工艺技术:在半导体材料芯片上采用微米级加工工艺制造微小型化电子元器件和微型化电路技术。

包括超精细加工技术、薄膜生长和控制技术、高密度组装技术、过程检测和过程控制技术等

  1. 集成电路制造涉及的5个大的制造阶段的内容

集成电路制造阶段:硅片制备、芯片制造、芯片测试/拣选、装配与封装、终测

  1. IC工艺前工序,IC工艺后工序,以及IC工艺辅助工序

IC工艺前工序:

薄膜制备技术:主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发)等

掺杂技术:主要包括扩散和离子注入等技术

图形转换技术:主要包括光刻、刻蚀等技术

IC工艺后工序:划片、封装、测试、老化、筛选

IC工艺辅助工序:超净厂房技术;超纯水、高纯气体制备技术;光刻掩膜版制备技术;材料准备技术

  1. 微芯片技术发展的主要趋势

提高芯片性能(速度、功耗)

提高芯片可靠性(低失效)

降低芯片成本(减小特征尺寸,增加硅片面积,制造规模)

  1. 什么是关键尺寸(CD)?

芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸

特别是硅片上的最小特征尺寸,也称为关键尺寸或CD半导体材料

  1. 本征半导体和非本征半导体的区别是什么?

本征半导体:不含任何杂质的纯净半导体,其纯度在99.999999%(8~10个9)

  1. 为何硅被选为最主要的半导体材料?

硅材料:

硅的丰裕度——制造成本低

熔点高(1412OC)——更宽的工艺限度和工作温度范围

SiO2的天然生成

  1. GaAs相对硅的优点和缺点各是什么?

优点:

  1. 比硅更高的电子迁移率,高频微波信号响应好——无线和高速数字通信
  2. 抗辐射能力强——军事和空间应用
  3. 电阻率大——器件隔离容易实现
  4. 发光二极管和激光器

缺点

  1. 没有稳定的起钝化保护作用的自然氧化层
  2. 晶体缺陷比硅高几个数量级
  3. 成本高

圆片的制备

  1. 两种基本的单晶硅生产方法

直拉法(CZ法)、区熔法

  1. 晶体缺陷根据维数可分为哪四种?

a)       点缺陷—空位、自填隙等

b)       线缺陷—位错

c)        面缺陷—层错

d)       体缺陷

3. 画出圆片制备的基本工艺步骤流程图,并给出其任意三个步骤的主要作用

晶体生长、整型、切片、磨片倒角、刻蚀、抛光、清洗、检查、包装

磨片和倒角:切片完成后,传统上要进行双面的机械磨片以除去切片时留下的损伤,达到硅片两面高度的平行及平坦;硅片边缘抛光修整(又叫倒角)可使硅片边缘获得平滑的半径周线

切片:对于200mm的硅片,切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的。

对于300mm的硅片,用线锯来切片,厚度一般在775±25微米。

清洗:半导体硅片必须被清洗使得在发送给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态沾污控制

  1. 净化间污染分类净化间沾污、颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层、静电释放(ESD
  2. 半导体制造中,可以接受的颗粒尺寸的粗略法则必须小于最小器件特征尺寸的一半
  3.  金属污染的主要来源a)       化学溶液b)       半导体制造中的各种工序,如:离子注入c)        化学品与传输管道反应d)       化学品与容器反应
  4. 超净服的目标

超净服系统的目标是满足以下职能标准:

  1. 对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制
  2. 超净服系统颗粒零释放
  3. 对ESD的零静电积累
  4. 无化学和生物残余物的释放
  5. 金属杂质以离子形式出现,且是高度活动性
  6. 危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属。如钠,就是最常见的可移动离子沾污物,而且移动性最强
  7. 也是一种形式的沾污,因为它是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移,可能损坏芯片
  8. 半导体制造中特别容易产生静电释放,因为硅片加工保持在较低的湿度中
  9. 发生在几个纳秒内的静电释放能产生超过1A的峰值电流
  10. 蒸发金属导线和穿透氧化层
  11. 击穿栅氧化层的诱因
  12. 吸附颗粒到硅片表面
  13. 颗粒越小,静电的吸引作用就越明显
  14. 器件特征尺寸的缩小,更需要严格控制硅片放电


9. 从早期的硅片制造以来光刻设备可分为哪五代?列举任意两种的优越点

接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影光刻机、分步重复光刻机、步进扫描光刻机

接触式光刻机:图像失真小,图形分辨率高

接近式光刻机:掩模版不与光刻胶直接接触,大大减小了沾污

10. 可能成功代替光学光刻技术的4种光刻技术

极紫外(EUV)光刻技术

角度限制投影电子束光刻技术(SCALPEL)

离子束投影光刻技术(IPL)

X射线光刻技术刻蚀

1. 刻蚀的概念及基本目的

刻蚀:用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程

基本目的:在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形

2. 两种基本的刻蚀工艺

干法刻蚀、湿法腐蚀

3. 等离子体的概念

等离子体又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质,它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。

4. 选择比的概念

同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少,定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比。

5. 负载和微负载效益的概念

负载效应:要刻蚀硅片表面的大面积区域,则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来;如果刻蚀的面积比较小,则刻蚀会快些

微负载效应(深宽比相关刻蚀(ARDE))——具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢

6. 干法刻蚀的应用

介质:氧化物和氮化硅

硅:多晶硅栅和单晶硅槽

金属:铝和钨

7. 湿法腐蚀相比干法刻蚀的优点

对材料具有高的选择比

不会对器件带来等离子体损伤淀积

1.  淀积膜的过程的三个不同阶段

a)  晶核形成,成束的稳定小晶核形成

b)  聚集成束,也称为岛生长

c)   形成连续的膜

2. 化学气相淀积(CVD)的概念,有哪五种基本化学反应?

化学气相淀积(CVD)的概念:通过气体混合的化学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺

高温分解、光分解、还原反应、氧化反应、氧化还原反应

3. CVD中质量传输限制和表面反应控制限制的概念

质量传输限制:

a)  CVD反应的速率不可能超过反应气体传输到硅片上的速率

b)  无论温度如何,若传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。在此情况下,CVD工艺通常是受质量传输所限制的

表面反应控制限制:

a)  在更低的反应温度和压力下,驱动表面反应的能量更小,表面反应速度会降低

b)  反应物到达表面的速度将超过表面化学反应的速度

c)   这种情况下,淀积速度是受化学反应速度限制的

4. APCVD  TEOS-O3方法淀积SiO2的反应方程式;用PECVD制备SiO2反应方程式;LPCVD淀积多晶硅和PECVD淀积氮化硅的化学反应方程式

APCVD  TEOS-O3方法:Si(C2H5O4) + 8O3 ——> SiO2 + 10H2O + 8CO2

PECVD:SiH4(气态)+2N2O(气态)——>SiO2    (固态)+2N2(气态)+2H2(气态)

LPCVD:

       多晶硅:SiH4 (气态)——>Si(固态)+2H2(气态)

氮化硅:3SiCl2H2(气态)+4NH3(气态) ——>Si3N4(固态)+6HCl(气态)+6H2(气态)

5.  HDPCVD工艺的五个步骤

a) 离子诱导淀积:指离子被托出等离子体并淀积形成间隙填充的现象

b) 溅射刻蚀:具有一定能量的Ar和因为硅片偏置被吸引到薄膜的反应离子轰击表面并刻蚀原子

c) 再次淀积:原子从间隙的底部被剥离,通常会再次淀积到侧壁上

d) 热中性 CVD:这对热能驱动的一些淀积反应有很小的贡献;

e) 反射:离子反射出侧壁,然后淀积,是另一种贡献

6. 外延的概念,以及IC制作中一般采用的三种外延方法

外延:在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层

三种外延方法:气相外延(VPE)金属有机CVD(MOCVD)分子束外延(MBE)

7.  介质材料的3个主要用途,其中哪个的发展趋势是高K哪个是低K?

层间介质(ILD)   低K

栅氧化层         高K

器件隔离

8. 随着特征尺寸的减少,门延迟与互连延迟分别怎么变化?

门延迟降低、互连延迟增大金属化

1. 金属化,互连,接触,通孔的概念

金属化:

应用化学或物理处理方法在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜

随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程

互连(interconnect):

由导电材料,如铝、多晶硅或铜制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分

接触(contact)

硅芯片内的器件与第一层金属之间在硅表面的连接

通孔(via)

穿过各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层形成电通路的开口

2.  硅芯片制造业中各种金属和金属合金

铝、铝铜合金、铜、阻挡层金属、硅化物、金属填充塞

3.  IC互连金属化引入铜的优点

a) 电阻率的减小:在20℃时,互连金属线的电阻率从铝的2.65 mW-cm 减小到铜的1.678 mW-cm ;减少RC的信号延迟,增加芯片速度

b) 功耗的减少:减小了线的宽度,降低了功耗

c)  更高的集成密度:更窄的线宽,允许更高密度的电路集成,这意味着需要更少的金属层

d) 良好的抗电迁徒性能:铜不需要考虑电迁徒问题

e)  更少的工艺步骤:用大马士革 方法处理铜具有减少工艺步骤 20% to 30 %的潜力

4. 自对准金属硅化物的形成工艺剖面图

器件技术简介

1.  无源元件和有源元件分别含哪些?

无源元件:电阻、电容

有源元件:二极管、晶体管

2.  增强型和耗尽型MOSFET的区别

CMOS集成电路制造工艺

1. 亚微米CMOS  IC制造厂可分成哪六个独立的生产区

扩散(包括氧化、膜淀积和掺杂工艺)、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入、抛光

2. 以双阱工艺的CMOS反相器为例,CMOS制作的具体步骤,以及前六个步骤的剖面图;或在完整剖面图上表示各个步骤的位置

3. STI工艺的三个步骤及剖面图

槽刻蚀

氧化物填充

氧化物平坦化硅片测试

1.  各种薄膜厚度的典型测试技术

椭偏仪:非破坏、非接触的光学薄膜厚度测试技术,主要用于测透明的薄膜

X射线荧光技术:主要用于单层薄膜的测量

光声技术:可用于测量金属薄层

2.  掺杂浓度的典型测量方法

四探针法:最典型的应用是高掺杂浓度

热波系统:可用于监测离子注入剂量浓度

扩展电阻探针(SRP):用于测量掺杂浓度

电容-电压特性测试:也能用于测量掺杂浓度

二次离子质谱仪(SIMS):测量掺杂类型以及杂质浓度

3.  IC产品的不同电学测试

4.  在线参数测试的目标

鉴别工艺问题:硅片制造过程中工艺问题的早期鉴定

通过/失效标准:决定硅片是否继续后面的制造程序

数据收集:为改变工艺,收集硅片数据以评估工艺倾向

特殊测试:在需要的时候评估特殊性能参数

硅片级可靠性:需要确定可靠性与工艺条件的联系时,进行随机的硅片级可靠性测试

5.  硅片拣选测试的目标

芯片功能:检验所有芯片功能的操作,确保只有好的芯片被送到装配和封装的下一个IC生产阶段

芯片分类:根据工作速度特性对好的芯片进行分类

生产成品率响应:提供重要的成品率信息,以评估和改善整体制造工艺的能力

测试覆盖率:用最小的成本得到较高的内部器件测试覆盖率封装

1.  集成电路封装的4个重要功能

a)  保护芯片以免由环境和传递引起损坏

b)   为芯片的信号输入和输出提供互连

c)    芯片的物理支撑

d)    散热

2.  引线键合的概念和三种方法

引线键合:将芯片表面的铝压点和引线框架上或基座上的电极内端进行电连接最常用的方法

三种引线键合的方法:热压键合、超声键合、热超声球键合

3.  先进的集成电路封装设计有哪些?

倒装芯片、球栅阵列(BGA)、板上芯片(COB)、卷带式自动键合(TAB)、多芯片模块(MCM)、芯片尺寸封装(CSP)、圆片级封装

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