硅集成电路专业考试基础知识.docx

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硅集成电路专业考试基础知识

第一章：

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范围和可靠性；

（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.

区熔法:

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：

内圆切割法、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内的热迁移，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）

①杂质扩散的掩蔽膜；②器件薄膜的钝化、保护膜；③IC隔离介质和绝缘介质；④MOS电容介质；⑤MOSFET的绝缘栅介质。

三种方法：

热氧化法、化学气相淀积法、物理气相淀积法（溅射）

5.实现SiO2的扩散掩蔽作用的条件

不但要求杂质的DSi>>DSiO2,，而且要有一定的厚度，最小掩膜厚度ZOX,min：

6.热氧化法

指硅与氧或水汽等氧化剂在高温下经化学反应生成SiO2的过程。

随反应的进行，在干氧40Å，湿氧1000Å时，反应由表面化学反应控制转变为扩散控制。

（1）特点：

重复性好、生成的SiO2薄膜化学稳定性好，物化性质受湿度、中等热处理温度影响小，表面悬挂键少，并且可很好地控制界面陷阱和固定电荷等优点

（2）二氧化硅的厚度：

（3）三种制备方法：

①氧化剂由气体内部传输到气体/氧化物界面；

②通过扩散穿过已经形成的氧化层；

③在氧化层/硅界面发生化学反应。

1）干氧氧化

Si（固体）＋O2→SiO2（固体）

速度慢、均匀重复性好、薄膜致密、掩蔽性好

2）水蒸汽氧化

Si（固体）＋H2O→SiO2（固体）+2H2

速度最快、均匀重复性差、薄膜疏松、掩蔽性较差102℃

3）湿氧氧化

Si（固体）＋O2→SiO2（固体）

Si（固体）＋H2O→SiO2（固体）+2H2

速度快、均匀重复性较好、薄膜中等、掩蔽性基本满足95℃

实际生产：

干氧－－湿氧－－干氧（三明治结构）

4）其他：

氢氧合成氧化掺氯氧化

7.影响表面氧化的三个关键因素

（1）温度（温度越高，反应速度越快）

（2）氧化剂的有效性（主要影响因素）

①扩散系数（水在氧化硅中的扩散系数远大于氧的扩散系数，随氧化硅的厚度增加，生长速率降低）

②溶解度（在氧化硅层中，水的溶解度比氧高约600倍）

③气体压强

（2）硅表面势或表面能（表面势与硅的晶向、掺杂浓度、氧化前的表面处理有关，在所有晶向中，（111）方向氧化速率最高）

第三章：

1.掺杂原理：

就是将所需的杂质，以一定的方式加入到半导体晶片中，并使其在晶片中数量、分布形式和深度的分布符合预定的要求的集成电路制造工艺。

1）掺杂的作用：

制作pn结、欧姆接触区、IC中的电阻器、硅栅和硅互连线等，是改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构的重要手段。

2）掺杂技术包括热扩散、离子注入、合金和中子嬗变等方法。

2.扩散原理：

由温度梯度及某元素在某物体内部存在着不同位置点的数量差异所产生的使温度趋于平衡、浓度趋于均匀的定向运动。

1）本质上：

扩散是微观粒子做无规则热运动的统计结果。

方向上：

高浓度向低浓度扩散。

2）扩散的发生需要两个必要的条件：

浓度差；必须的能量。

3.扩散形式：

（1）间隙式扩散：

1）杂质离子位于晶格间隙，间隙杂质从一个间隙到另一个间隙是通过原子间的缝隙进行的，这种依靠间隙方式而逐步跳跃前进的扩散方式称为间隙式扩散。

2）只有靠热涨落才能获得>Wi的能量,才能跃迁至相邻间隙位置。

跃迁几率为：

（2）替位式扩散：

1）杂质离子占据硅原子的位置，替位式跃迁首先要求存在着能够允许杂质原子迁移进去的空位

2）只有靠热涨落才能获得>Ws的能量,才能跃迁至相邻空位位置;每个格点上出现空位的几率就为

。

跃迁几率

4.扩散系数和扩散方程

（1）菲克第一定律：

1）杂质的扩散流密度J（将单位面积在单位时间内通过的粒子个数定义为流密度）正比于杂质浓度梯度，比例系数D为扩散系数，x为由表面算起的垂直距离（cm），t为扩散时间。

2）浓度差是粒子宏观迁移的外部必要条件，迁移宏观上总是由高浓度向低浓度地方进行。

（2）扩散系数:

1）定义：

表示粒子扩散快慢的物理量:

D=D0exp（-ΔE/kT）ΔE=Ws+Wv或ΔE=Wi

快扩散杂质:

间隙式杂质（原子半径小）慢扩散杂质:

替位式杂质

2）影响因素：

温度：

扩散系数与绝对温度的倒数呈负指数关系。

温度即使只偏差1℃左右，扩散系数偏差5－10％

ΔE：

ΔE增大，D减小

杂质：

慢扩散杂质D受温度影响大

内建电场、衬底掺杂浓度

（2）菲克第二定律

5.扩散杂质的分布：

（1）恒定表面源扩散：

扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散。

（预淀积，箱法扩散）其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布：

（2）有限表面源扩散：

扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化。

（再分布）其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布：

（3）两步扩散工艺

第一步：

较低温度下，预淀积；目的:

准确控制表面杂质总量Q。

第二步：

较高温度下，再分布；目的：

达到所需的N