导图社区 集成电路工艺原理
集成电路工艺原理课程思维导图，PPT总结，教材是《微电子制造科学原理与工程技术》
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材料的力学性能
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一级闭合导线
建筑学建筑材料思维导图
第二章土的物理性质及工程分类
人工智能的运用与历史发展
电池拆解
集成电路工艺原理
前言
硅主导IC发展
器件尺寸下降，芯片尺寸增加
互连层数增加
掩模版数量增加
工作电压下降
等比例缩小原则Scaling Down
器件的几何尺寸
1/k
衬底的掺杂浓度
k
电压
器件速度
芯片密度
k^2
基本器件
MOS器件
高密度
更低功耗
更大的设计灵活性
BJT
模拟电路
高速驱动
摩尔定律Moore's Law
硅集成电路三年为一代，集成度翻两番（18个月翻一番），工 艺线宽约缩小30%，芯片面积约增1.5倍，IC工作速度提高1.5倍
More than Moore
More Moore
硅Si成为IC主流的优势
Si/SiO2界面的理想性能
地壳丰富的Si含量
单晶的简单工艺
平面工艺的发展
净化与硅片清洗
控制沾污的三道防线
净化环境
净化级别：每立方英尺空气中含有尺度 大于0.5um的粒子的总数少于X个。
硅片清洗
颗粒：所有可以落在硅片表面的都称作颗粒
颗粒来源
空气
超级净化空气
人体
风淋吹扫
防护服、面罩、手套等
机械手/人
设备
特殊设计
材料的定期清洗
化学品
超纯化学品去离子水
粒子附着机理
静电力
范德华
化学键
粒子去除机理
溶解
氧化分解
对硅片表面轻微的腐蚀去除
粒子和硅片表面的电排斥
去除方法
Piranha
SC-1
SC-2 & Megasonic
……
沾污
金属沾污
使金属变为可溶离子
有机物沾污
强氧化
自然氧化层
HF+H2O
清洗液
有机物/光刻胶
Piranha（SPM）
氧等离子体干法刻蚀
RCA标准清洗
SC-1（APM）
SC-2（HPM）
DHF
清洗设备 & 方法
超声清洗
喷雾清洗
清洗&干燥方法
清洗
溢流清洗
排空清洗
喷射清洗
加热去离子水清洗
干燥
旋转式甩干
IPA异丙醇蒸汽干燥
吸杂
将重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要的区域
三个步骤
杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子
杂质元素扩散到吸杂中心
杂质元素被吸杂中心俘获
基本思路
高扩散系数+间隙扩散方式+聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置
两种激活机制
踢出机制
分离机制
三种生成陷阱的方法
高浓度磷扩散
离子注入损伤
SiO2的凝结析出
具体方式
碱金属离子的吸杂
PSG
超净工艺+Si3N4钝化保护
从源头抵挡碱金属离子的进入
其他金属离子的吸杂
本征吸杂
氧扩散形成SiO2，制造凝结中心
非本征吸杂
多晶硅表面效应
扩散原理
掺杂（doping）
预淀积
气/固相扩散
优点
无损伤掺杂
产率高
缺点
长时间驱入退火
低剂量预淀积困难
收到固溶度限制
离子注入
室温掩蔽
精确计量控制
精确深度控制
高浓度浅结
灵活
损伤位错导致漏电流
沟道效应影响杂质分布
注入损伤增强扩散
退火
（）
结深
电荷共享效应（Charge Sharing Effect)
短沟道效应(Short Channel Effect)
漏致势垒降低（Drain Induced Barrier Lowing)
薄层电阻（Sheet Resistance）
杂质固溶度（Dopant Solid Solubility）
扩散的微观机制
间隙式扩散（Interstitial）
替位式扩散（Substitutional）
扩散动力学
热预算
影响杂质分布的其他因素
电场效应（Field Effect）
扩散系数与杂质浓度的关系
（氧化时）杂质分凝效应
（氧化时）杂质界面堆积效应
氧化增强/抑制扩散（Oxidation Enhanced/Retarded Diffusion)
发射极推进效应（Emitter Push Effect）
扩散掺杂工艺
气态相源扩散（Gas Source）
液态源扩散（Liquid Source）
固态源扩散（Solid Source）
旋涂源扩散（Spin-on-glass）
扩散层质量检验
薄层电阻测量
四探针
结深测量
磨角染色法
掺杂分布测量
C-V测量
二次离子质谱
扩展电阻测量
热氧化原理
消耗硅的氧化生长
体积膨胀2.2倍
1um厚SiO2消耗0.45um Si
SiO2 生长动力学
Deal-Grove模型（硅的热氧化模型）
Linear-Parabolic Modal
对于超薄热干氧化
对于超薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实 验表明，在20nm之内的热氧化生长速度和厚度 比G-D模型的结果大很多。 修正方法：附加一个随厚度增加而指数衰减项。
影响氧化速率的因素
压强
晶向
掺杂
掺氯
热氧化时杂质在界面上的再分布
诱因：分凝系数（Segregation Coefficient）
热氧化方法
常规热氧化
掺氯氧化
氢氧合成氧化
高压氧化
Si/SiO2 界面特性
固定氧化物电荷（Fixed Oxxide Charge)
界面陷阱电荷（Interface Trapped Charge)
可动离子电荷（Mobile Ionic Charge)
氧化物陷阱电荷（Oxide Trapped Charge）
氧化膜缺陷检查
氧化膜针孔的检测
氧化导致的层错的检测OISF（Oxidation Induced Stacking Faults)
氧化膜中钠离子含量测定
氧化膜厚度测量
机械法
比色法
光干涉法（Interferometry）
椭偏法（Ellipsometry）
离子注入原理
LSS理论
阻止本领
总阻止
核阻止
低能量
电子阻止
高能量
离子注入的沟道效应（Channeling Effect）
当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子 将沿着沟道运动，几乎不会受到原子核 的散射，方向基本不变，可以走很远。
由于沟道效应的存在，在晶体中注入将 偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布。
减少沟道效应的措施
对大的离子，沿沟道轴向（110）偏离7-10°
用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化， 形成非晶层（Pre-amorphization）
增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成， 沟道离子减少）
表面用SiO2层掩模
注入损伤
损伤退火
非晶化
损伤退火的目的
去除由注入造成的损伤
使杂质进入电活性（Electrically Active）位置-替位位置
恢复电子和空穴迁移率
快速热退火（Rapid Thermal Processing）
方式
高功率激光束辐照
电子束
高强度光照
其他辐射
掺杂的在分布大大降低
对制备浅结器件特别有利
光刻原理
光刻的要求
高分辨率
大曝光视场
高图形对准精度
高产率
低缺陷密度
光刻过程
掩模版制作
曝光系统
接触式
接近式
近场衍射（Fresnel）
投影式（步进式）
远场衍射（Fraunhofer）
投影式
基本参数
分辨率（Resolution）
焦深（Depth of Focus）
视场（Field of View）
调制传递函数（MTF——Modulation Transfer Function）
套刻精度（Alignment Accuracy）
产率（Throughput）
光刻胶
正胶（Positive Photoresist)
负胶（Negative Optical Photoresist）
负胶在显影的时候线条会变粗
对分辨率要求不高的情况的优点
对衬底表面的粘附性比较好
抗刻蚀能力强
曝光时间短
工艺宽容度高
价格较低
DUV深紫外光刻胶
PAG（Photo-Acid Generator）光致酸产生剂
光刻胶的表征参数
对比度
g线和i线胶对比度较DUV胶小
临界调制传递函数（CMTF——Critical Modulation Transfer Function）
光刻胶的问题
表面起伏导致曝光不均
反射波叠加导致驻波降低下层图形分辨率
光学光刻分辨率增强技术（RET）
光学临近修正OPC（Optical Proximity Correction）
在光刻板上进行光学图形修正（内缩外扩类似）
相移掩膜技术PSM（Phase Shift Mask）
相移技术提高图形分辨率
离轴照明技术OAI（Off-Axis Illumination）
可以减小对分辨率的限制、 增加成像的焦深且提高MTF
刻蚀原理
干法刻蚀
气相化学腐蚀
选择性好
物理腐蚀
方向性好
离子增强刻蚀（Ion Enhanced Etching）
湿法刻蚀
在化学溶液中进行
两种刻蚀液
HNA——各向同性
KOH——各向异性
刻蚀的性能参数
刻蚀速率（Etch Rate）
刻蚀均匀性（Etch Uniformity）
选择性（Selectivity）
各向异性度（Anisotropy）
掩膜层下刻蚀（Undercut）
刻蚀要求
1. 得到想要的形状
2. 过腐蚀最小
3. 选择性好
4. 均匀性和重复性好
5. 表面损伤小
6. 清洁，经济，安全
刻蚀过程
反应物质量输运
刻蚀表面腐蚀反应
反应产物从表面向外扩散
薄膜沉积
两类主要的沉积方式
化学气相沉积 CVD
APCVD
主要问题
低产率
LPCVD
啥都好，温度高
PECVD
高密度电浆化学气相沉积（High Density Plasma Chemical Vapor Deposition）HDPCVD
单晶（外延））、多晶、非晶
半导体、介质、金属薄膜
物理气相沉积 PCD
蒸发 Evaporation
真空
溅射 Sputtering
直流溅射
射频溅射
反应溅射
磁控溅射
准直溅射
