半导体工艺笔记
● 全书主要内容：硅和硅片的制备、外延、热氧化、扩散、离子注入、化学气相沉积、物理气相沉积、光刻、刻蚀、封装。 1、绪论
1. 芯片制造工艺：由“硅片”到“集成电路结构晶圆”之间的工艺步骤。
2. 硅平面工艺：主要有氧化，光刻，扩散掺杂，蒸镀金属四个基本单项工艺构成。 3. 晶体管芯片工艺流程:外延、氧化、光刻、掺杂（扩散或离子注入）、金属化（CVD、PVD）5个单项工艺按照一定顺序排列构成的。
4. 微电子工艺的特点（超净环境：不同的单项工艺要求的洁净室等级不同，光刻工艺要求的最高；超纯材料：半导体材料（硅、锗）、其他功能性电子材料（Al、Au等金属化材料、掺杂气体、外延用气体高纯度材料）及工艺消耗品（化学试剂是高纯度试剂、石英器皿等杂质低）超纯水等；批量复制（高可靠、高精度、低成本、适合批量化大生产的加工工艺））
5. 简答：微电子器件主要选用硅，因此硅作为常规半导体材料的优势是什么？
(1)硅原料丰富：岩石、砂砾、尘土、水晶、玻璃。
(2)重量轻，密度只有2.33g/cm3。
(3)表面容易氧化。
(4)热学性能好，热膨胀系数小，热导率又高。
(5)工艺性能好。(6)机械性能良好
6. 硅单晶的结构是：金刚石结构。金刚石结构的立方体晶胞含有4*1内部+6*0.5面上+8*1/8角上=8个硅原子，*硅原子密度、*空间利用率。
7. 硅器件与电路中常用的[晶向]和(晶面)，晶向和晶面互相垂直。
常用的[晶向]:[111]、[110]、[100]合成化学
常用的(晶面):(111)、(110)、(100)
晶体管最常使用（111）晶面的晶片来制造，集成电路和器件常使用（110）晶面的晶片来制造、集成电路常采用（100）晶面的硅片来制造。
硅的双层密排面和解理面都是 (111)晶面。
常用晶面原子分布，用来计算原子面密度=原子数/晶面面积
这个可以计算原子线密度=原子数/晶向长度
8. 缺陷与杂质：点缺陷，线缺陷，面缺陷，体缺陷
点缺陷：空位、自填隙、杂质，杂质又有空位杂质和填隙杂质。（空位、自填隙可运动）
线缺陷：位错。对硅晶体来说，位错线多位于(111)晶面之间，因为两层双层密排面。硅晶体的（111）面是滑移面。
面缺陷：层错。
2、单晶硅衬底的制备
1. 直拉法过程：准备→开炉→生长→停炉
单晶硅生长过程分解成5个步骤：引晶→缩颈→放肩→等径生长→收尾
仔晶的作用：一是作为复制样本。 二是作为晶核
缩颈的作用：一、终止仔晶中的错位、表面的划痕向晶锭中延伸。 二、避免仔晶与熔体结合处的缺陷向晶锭中的延伸。
招商嘉铭珑原2. 磁控直拉法
3. 悬浮区熔法
4. 晶体掺杂（硅锭的掺杂方法）：一、液相掺杂（将杂质放在坩埚的多晶中，由熔体掺入硅锭；两种方式：直接掺杂，母合金掺杂；分凝现象是指杂质在不同相中的溶解度不同）二、气相掺杂 三、中子嬗变掺杂
杂质浓度分为三类：
轻掺杂，记为-Si、-Si，中等掺杂，记为n-Si、重掺杂，记为-Si -Si
该点为计算题
5. 硅片加工：（切断→滚磨→定晶向→切面{3°} →倒角→研磨→化学腐蚀→抛光→检验）
6. 外延工艺：指在晶体上用化学或物理方法规则地再排列所需晶体材料。
3、外延
1. 外延工艺的定义：指在晶体上用化学或物理方法规则地再排列所需晶体材料。
2. 外延工艺的种类：
按照工艺方法分为:气相外延、液相外延、固相外延、分子束外延。
按外延层/衬底材料的异同可分为同质外延、异质外延。异质外延中的失配率：失配率表示异质外延衬底与外延层之间的匹配情况
按温度分：高低温外延；电阻分：正反外延；外延层分：普通、选择、多层外延等。
3. 外延的作用
1、作外延双极型晶体管：有高的集电结击穿电压，低的集电极串联电阻
二、作双极型电路的pn结隔离：利用外延技术的pn结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。
三、CMOS电路制作在外延层上：避免闩锁效应；避免硅表面层中氧化物的沉积；硅表面更光滑，损伤最小。
1. 硅的气相外延工艺：
工艺分三大步骤：准备硅片→基座去硅→外延生长
掺杂气体：掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如，磷烷，砷乙烷等；掺杂剂也用氢气稀释10-50倍，以减少掺杂气体的流量误差。
气相外延原理:在外延生长过程中，外延气体进入反应器，气体中的反应剂气象运输到达衬底，在高温衬底上发生化学反应，生成的外延物质沿着衬底晶向规则地排列，生长出外延层。所以，气相外延分为两个过程：气相质量传递和表面质量外延。
气相质量传递：
表面质量外延：外延生长是横向进行的，在衬底台阶结点位置发生；外延用硅衬底，在由晶锭切制成硅片时，为了获得更多的结点位置，应偏离准确晶面一个小角度，如（111）晶面约偏离3°；衬底温度高，可以确保外延剂被吸附，化学反应在表面进行，而且即利于生成的硅迁移、排列，成为与衬底晶向一致的外延层，又利于气相生成物的解吸离开。
1. 影响外延速率的因素：外延温度；硅源种类、外延剂浓度；其他因素。
1. 外延掺杂
自掺杂效应：气相外延过程中，衬底中的杂质反扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的现象。
互扩散效应：高温外延时，衬底与外延层的杂质互相向浓度低的一方扩散。
以上的杂质再分布降低措施:一、N衬底外延前埋层掺杂，使用蒸气压、扩散系数都低的杂质，如锑。二、重掺杂衬底，使用轻掺杂的硅薄层来密封重掺杂衬底的底面和侧面，减少杂质的外逸 三、低压外延，可以抑制自掺杂效应。四、降低气相外延生长温度。
2. 外延技术：一、低压外延 二、选择外延 三、SOI技术：在绝缘衬底上外延硅获得异质外延材料的技术
3. 分子束外延（MBE）：
工艺原理：一种物理气相外延工艺，在超高真空度下，热分子束由喷射炉喷
出，射到洁净的单晶衬底表面，生长出外延层。只有当外延层很薄，杂质分布很复杂的多层外延才可能考虑采用分子束外延。
工艺流程（硅）：准备→抽真空→原位清晰→外延生长→停机。定位销
外延设备：生长室、喷射炉、监控系统、趁低填装系统、真空系统、控制系统。
工艺特点：超高真空度，外延过程污染少，外延层洁净；二、外延温度低，如硅的外延温
度在650℃，无杂质再分布现象；三、外延过程可控型强，喷射炉速率可调，开停瞬间完成，能生长极薄外延层，厚度可薄至A量级；四、多个喷射炉可以同时或顺序工作，所以适合生长多层，杂质分布复杂的外延层，外延层数可以上万；五、全程监控，外延层质量高，适合用于新材料外延机理的研究；六、设备复杂，生产价格高，是单片工艺生产效率低。
4. 其他外延方法：液相外延、固相外延
四、氧化
1. 的用途：一、作为腌膜；二、作为芯片的钝化和保护膜；三、作为电隔离膜；四、作为元器件的组成部分。茅广军
2. 在集成电路中的用途：
(1) MOS结构的电介质层（栅氧化层）
(2) 限制带电载流子的场区隔离（场氧化层）
俾斯麦
(3) 保护器件以免划伤和离子沾污（保护层/钝化层）
(4) 掺杂过程中的注入阻挡层（掺杂阻挡层）
(5) 减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层（垫氧层）
(6) 减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层（注入屏蔽氧化层）
(7) 导电金属之间的层间介质（金属间的绝缘层）
1. 热氧化机理（重点掌握）：热氧化模型
稳定生长氧化层时，氧化剂的气相输运、固相扩散和化学反应三个流密度相等
热氧化生长速率及推导
该点为计算题
2. 氧化层中的电荷
一、可动离子电荷：钠，钾，氢等，荷正电的碱金属离子福柯知识考古学
2、固定电荷：位于氧化层距硅界面3nm范围内荷正电子的氧空位
3、界面陷阱电荷：是由能量处于硅禁带中，可与价带或导带交换电荷的陷阱能级，或电荷状态引起的。
4、氧化层陷阱电荷：这种陷阱俘获电子或空穴后分别带负电或正电。
1. 热应力：在结束氧化退火，高温过程后会产生很大的热应力。氧化层(SiO2)是受压应力(来自Si)，严重时，氧化层会产生龟裂，硅片发生弯曲，并在界面产生缺陷。 措施：热氧化时，加热或冷却过程中要是硅片受热均匀，同时，升温和降温速度不能太大。
五、掺杂
1. 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终保持不变，使硅片一直处于杂质氛围中，表面杂质浓度达到了该扩散温度的固溶度。
恒定源扩散杂质浓度服从余误差函数分布，表面浓度始终为杂质在扩散温度下的固溶度。
特点：表面浓度恒定的情况下，扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散到半导体中的杂质数量就越多。（预淀积）
2. 限定源扩散：杂质源在扩散前淀积于硅片表面极薄层内，单位面积杂质总量Q为常量，硅片外无杂质的环境氛围而进行的扩散
服从高斯分布。（再分布）
特点：扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散越深，表面浓度越低。
3. 两步扩散工艺：
第一步:预沉积或预扩散，是恒定源扩散，目的是在扩散窗口的硅表面扩入总量一定的杂质；第二步，称为再分布或主扩散，是限定源扩散，将预沉积在硅表面的杂质再进一步向片子内部扩散，目的是控制扩散窗口硅表面浓度Cs和结深Xjo。
目的与意义： 第一步：掺入一定总量的杂质，特征是浅结；第二步：一是形成工艺要求的结深，二是激活杂质，三是形成后道工序所需的阻挡层氧化硅。
4. 结深的测量、结深的计算
方块电阻:方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。
方块电阻间接地表征了在半导体中掺入的杂质总量。
六、离子注入
1. 特征量概念：射程分布： 大量入射离子投影射程的统计分布，即靶内入射离子浓度分布； 平均投影射程（Rp） ：正是离子浓度最大值位置；投影射程标准偏差（△Rp）： 是平均投影射程的统计波动；横向标准偏差（△R⊥） ： 是射程的平均横向分量的统计波动。
2. 相关理论，LSS理论认为注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的部分：
入射离子与原子核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；入射离子与电子的碰撞，即电子阻挡的能量损失过程。
3. 阻止本领与能量关系：离子越重，靶核阻滞越大，入射离子能量低，受到的阻滞主要来自靶核；反之则为电子。
4. 注入离子在靶中的分布
纵向分布：该点为计算题
横向效应：不同杂质，在E0 相同，原子量越小，横向效应越大，注入的也越深。
同种杂质，随着E0 增加，横向效应逐渐变大，注入的也逐渐变深。
沟道效应：离子束准确地沿着晶向注入，进入沟道的离子几乎不会受到原子散射，
这部分离子能量损失小，将穿过较大距离，这种现象称为沟道效应。
七、薄膜制备（CVD、PVD）
（一）CVD化学气相淀积
1. 定义：构成薄膜物质的气态反应剂或液态反应剂的蒸气以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应，淀积成膜的工艺方法。（淀积薄膜是非晶或多晶态，衬底不要求是单晶，只要是具有一定平整度，能经受淀积温度即可。）
分类：按反应激活方式分类（常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）
、等离子增强化学气相淀积（PECVD）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）、激光诱 导化学气相淀积（LCVD）、微波等离子体化学气相淀积（MWCVD））；其中按气压分
类 （常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD））
用途：用于制备SiO2、Si3N4等介质薄膜，ploy-Si等半导体薄膜，另外，也用于
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