超迈光电细分半导体制造技术问题C部

第十章 氧化

1． 二氧化硅薄膜在集成电路中具有怎样的应用？（15分）

①器件保护（避免划伤和污染），因sio2致密；

②表面钝化（饱和悬挂键，降低界面态；需一定厚度，降低漏电流等）；

③用作绝缘介质和隔离（LOCOS,STI）如：隔离（如场氧，需要一定的厚度）、④绝缘栅（膜厚均匀，无电荷和杂质，需干氧氧化）、多层布线绝缘层、电容介质等；

⑤选择性扩散掺杂的掩膜

2.说明水汽氧化的化学反应，水汽氧化与干氧氧化相比速度是快还是慢？为什么？（15分）

化学反应：Si+2H2O->SiO2+2H2

水汽氧化与干氧氧化相比速度更快，因为水蒸气比氧气在二氧化硅中扩散更 快、溶解度更高

3.描述热氧化过程。（20分）

①干氧：Si＋O2 SiO2

氧化速度慢，氧化层干燥、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶

的粘附性好

②水汽氧化：Si+H2O SiO2（固）+H2(气)

氧化速度快，氧化层疏松，均匀性差，与光刻胶的粘附性差

③湿氧：氧气携带水汽，故既有Si与氧气反应，又有与水汽反应

氧化速度、氧化质量介于以上两种方法之间

4.影响氧化速度的因素有哪些？(15分)

掺杂物、晶体晶向、压力、温度、水蒸气

5. 例举并描述热生长SiO2 – Si系统中的电荷有哪些？（15分）

界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷

6.立式炉系统的五部分是什么？例举并简单描述(20分)

工艺腔、硅片传输系统、气体分配系统、尾气系统、温控系统

 

第十一章 淀积

1.什么是薄膜？例举并描述可接受的薄膜的8个特性。(15分)

薄膜：指某一维尺寸远小于另外两维上的尺寸的固体物质。

好的台阶覆盖能力 、高的深宽比填隙能力(>3:1)

厚度均匀(避免针孔、缺陷）、高纯度和高密度、受控的化学剂量

结构完整和低应力、好的粘附性（避免分层、开裂致漏电）

2.例举并描述薄膜生长的三个阶段。（10分）

（1）晶核形成

分离的小膜层形成于衬底表面，是薄膜进一步生长的基础。

（2）凝聚成束

形成(Si)岛，且岛不断长大

（3）连续成膜

岛束汇合并形成固态的连续的薄膜 淀积的薄膜可以是单晶（如外延层）、多晶（多晶硅栅）和无定形（隔离介质，金属膜）的

3.什么是多层金属化？它对芯片加工来说为什么是必需的？（10分）

多层金属化：用来连接硅片上高密度器件的金属层和绝缘层

关键层：线条宽度被刻蚀为器件特征尺寸的金属层。

对于ULSI集成电路而言，特征尺寸的范围在形成栅的多晶硅、栅氧以及距离硅片表面最近的金属层。

ILD－1：隔离晶体管和互连金属层；隔离晶体管和表面杂质。采用低k介质作为层间介质，以减小时间延迟，增加速度。

 

4.例举淀积的5种主要技术。（10分）

a.APCVD(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition) b.LPCVD

c.等离子体辅助CVD：HDPCVD(High-Density Plasma CVD)、PECVD(Plasma enhanced CVD) d.VPE和金属有机化学气相淀积

电化学淀积（ECD）、化学镀层 物理方法：（1）PVD

（2）蒸发(含MBE) （3）旋涂( SOG, SOD)

5.描述CVD反应中的8个步骤（15分）。

1) 质量传输 2) 薄膜先驱物反应 3) 气体分子扩散 4) 先驱物吸附

5) 先驱物扩散进衬底 6) 表面反应 7) 副产物解吸 8) 副产物去除

6.例举高k介质和低k介质在集成电路工艺中的作用。（10分）

 

（1）低k介质须具备

低泄漏电流、低吸水性、低应力、高附着力、高硬度、 高稳定性、好的填隙能力，便于图形制作和平坦化、耐 酸碱以及低接触电阻。

研究较多的几种无机低介电常数

（二）高k介质

应DRAM存储器高密度储能的需要，引入了高 k介质，在相同电容（或储能密度）可以增加 栅介质的物理厚度，避免薄栅介质隧穿和大的 栅漏电流。同时，降低工艺难度。

有潜力的高k介质：Ta2O5, (BaSr)TiO3.

7、名词解释：CVD、LPCVD、PECVD、VPE、BPSG。（将这些名词翻译成中文并做出解释）（10分）

（1）CVD、化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）是指利用热 能、辉光放电等离子体或其它形式的能源，使气态物质在固体 的热表面上发生化学反应并在该表面上淀积，形成稳定的固态 物质的工艺过程。

（2）低压CVD（LPCVD）装片；炉子恒温并对反应室抽真空到1.3 Pa ；充N2 气或 其它惰性气体进行吹洗；再抽真空到1.3 Pa ；完成淀积；关闭所有气流，反应室重新抽到1.3 Pa ；回充N2 气到常压，取出硅片。

（3）等离子体增强CVD（PECVD）淀积温度低，冷壁等离子体反应，产生颗粒少，需要 少的清洗空间等等离子体辅助CVD的优点。

（4）VPE气相外延：硅片制造中最常用的硅外延方法是气相外延，属于CVD范畴。在温度为800-1150℃的硅片表面通过含有所需化学物质的气体化合物，就可以实现气相外延。

（5）BPSG：硼磷硅玻璃（boro-phospho-silicate-glass，BPSG）：这是一种掺硼的SiO2玻璃。可采用CVD方法（SiH4+O2+PH3+B2H6，400oC~450oC）来制备。BPSG与PSG（磷硅玻璃）一样，在高温下的流动性较好，广泛用作为半导体芯片表面平坦性好的层间绝缘膜

8、质量输运限制CVD和反应速度限制CVD工艺的区别？（10分）

 

1、质量传输限制淀积速率 淀积速率受反应物传输速度限制，即不能提供足够的反应物到衬底表面，速率对温度不敏感（如高压CVD）。

2、反应速度限制淀积速率

淀积速率受反应速度限制，这是由于反应温度或压力过低(传输速率快)，提供驱动反应的能量不足，反应速率低于反应物传输速度。可以通过加温、加压提高反应速度。

9、采用LPCVD TEOS淀积的是什么膜？这层膜的优点是什么？（10分）

多晶硅薄膜

用TEOS(正硅酸乙酯）-臭氧方法淀积SiO2 Si（C2H5O4）＋8O3 SiO2＋10H2O＋8CO2 优点：a、低温淀积；

b、高的深宽比填隙能力；c、避免硅片表面和边角损伤；

第十二章 金属化 第十八章 化学机械平坦化

1.解释下列名词：互连、接触、通孔和填充塞（第十二章）（10分）

（1）互连:由导电材料，如铝、多晶硅和铜制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分。互连也被用于芯片上器件和器件整个封装之间的金属连接。（2）接触:硅芯片内部的器件与第一金属层间在硅片表面的连接。（3）通孔:穿过各种介质从某一金属层到毗邻金属层形成电通路的开口。（4）填充薄膜:用金属薄膜填充通孔以便在两层金属间形成电连接

2.例举并描述金属用于硅片制造的7种要求。（第十二章）（10分）

答：金属用于硅片制造的七个要求：1.导电率：为维持电性能的完整性，必须具有高电导率，能够传导高电流密度。2.粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连接。与半导体和金属表面连接时接触电阻低。3.淀积：易于淀积并经相对的低温处理后具有均匀的结构和组分（对于合金）。能够为大马士革金属化工艺淀积具有高深宽比的间隙。4.刻印图形/平坦化：为刻蚀过程中不刻蚀下层介质的传统铝金属化工艺提供具有高分辨率的光刻图形；大马士革金属化易于平坦化。5.可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度循环变化，金属应相对柔软且有较好的延展性。6.抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及下层器件区具有最小的化学反应。7.应力：很好的抗机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材料失效，比如断裂、空洞的形成和应力诱导腐蚀。

 

3.解释铝已经被选择作为微芯片互连金属的原因（第十二章）（10分）

答：（1）铝与P型硅及高浓度N型硅均能形成低欧姆接触；（2）电阻率低 (3）与SiO2粘附性强，无需粘附层-----铝很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝；（4）能单独作为金属化布线，工艺简单；（5）能用电阻丝加热蒸发，工艺简单；（6）铝互连线与内引线键合容易；（7）能轻易淀积在硅片上，可用湿法刻蚀而不影响下层薄膜。综上所述，在硅IC制造业中，铝和它的主要过程是兼容的，电阻低，可不加接触层、粘附层和阻挡层等，工艺简单，产品价格低廉。

4.例举并讨论引入铜金属化的五大优点（第十二章）（10分）

1.答：1.电阻率的减小。在20℃时，互连金属线的电阻率从铝的2.65μΩ-㎝减小到铜的1.678μΩ-㎝，减少RC延迟，增加芯片速度；2.减少了功耗。减少了线的宽度，降低了功耗；3.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。4.良好的抗电迁徙性能。铜不需要考虑电迁徙问题。5.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%到30%的潜力。

5.什么是阻挡层金属？阻挡层材料的基本特征是什么？哪种金属常被用作阻挡层金属？（第十二章）（15分）

答：阻挡层金属是淀积金属或金属塞，作用是阻止层上下的材料互相混合。可接受的阻挡层金属的基本特征是：①好的阻挡扩散特性；②高电导率具有很低的欧姆接触电阻；③与半导体和金属接触良好；④抗电迁移；⑤膜薄和高温下稳定性好；⑥抗腐蚀和氧化。通常用作阻挡层的金属是一类具有高熔点且被认为是难熔的金属。在硅片制造业中，用于多层金属化的普通难熔金属有钛、钨、钽、钼、钴和铂。难溶金属已经被用于硅片制造业，如双极工艺的肖特基势垒二极管的形成。钛钨和氮化钛也是两种普通的阻挡层金属材料，它们禁止硅衬底和铝之间的扩散。

6.什么是硅化物？难熔金属硅化物在硅片制造业中重要的原因是什么？（第十二章）（10分）

答：硅化物是难熔金属与硅反应形成的金属化合物，是一种具有热稳定性的金属化合物，并且在硅/难熔金属的分界面具有低的电阻率。难熔金属硅化物的优点和其作用：1、降低接触电阻，2、作为金属与有源层的粘合剂。3、高温稳定性好，抗电迁移性能好4、可直接在多晶硅上淀积难熔金属，经加温处理形成硅化物，工艺与现有硅栅工艺兼容。

7.描述RF溅射系统。（第十二章）（15分）

答：在RF溅射系统中，等离子体是由RF场而非DC场产生的。RF频率通常为13.56MHz，加在靶电极的背面并通过电容耦合到前面。等离子体中的电子和离子都处在RF场得作用之下，但由于高频的缘故，电子的响应最强烈。腔体和电极的作用像一个二极管产生大量的电子流，导致负电荷堆积在靶电极上。这些负电荷（自由偏置产生）吸引正的氩离子引起对绝缘或非绝缘靶材料的溅射。硅片能够被电偏置在与氩离子不同的场势。加在硅片上的偏置引起氩原子直接轰击硅片。RF偏置允许露在外面的硅片被刻蚀和清理。实际上，由于RF溅射系统的溅射产额不高，导致它的淀积速率低，因此应用受到限制。有靶发射的许多二次电子穿过放射区，对等离子体的产生没有贡献。如果这些电子被限制与离子碰撞，导致更多的离子产生以轰击靶，那么它的溅射率将高得多。在硅片制造业中为克服低效率，并取得高的金属淀积速率，磁控溅射的概念需要发展

8.例举双大马士革金属化过程的10个步骤。（第十二章）（10分）

答：（1）SiO2淀积:用PECVD淀积内层氧化硅到希望的厚度。（2）SiN刻蚀阻挡层淀积:厚250?的SiN刻蚀阻挡层被淀积在内层氧化硅上。SiN需要致密，没有针孔，因此使用HDPCVD。（3）确定通孔图形和刻蚀:光刻确定图形、干法刻蚀通孔窗口进入SiN中，刻蚀完成后去掉光刻（4）淀积保留介质的SiO2:为保留层间介质，PECVD氧化硅淀积。（5）确定互连图形:光刻确定氧化硅槽图形，带胶。在确定图形之前将通孔窗口放在槽里。（6）刻蚀互连槽和通孔。（7）淀积阻挡层金属:在槽和通孔的底部及侧壁用离子化的PCVD淀积钽和氮化钽扩散层。（8）淀积铜种子层:用CVD淀积连续的铜种子层，种子层必须是均匀的并且没有针孔。（9）淀积铜填充:用ECD淀积铜填充，即填充通孔窗口也填充槽。（10）用CMP清除额外的铜：用化学机械平坦清除额外的铜。

9．描述化学机械平坦化工艺。（第十八章）（10分）

 

CMP：通过比去除低处图形更快的速率去除高处图形以获得均匀表面，是一种化学和机械作用结合的平坦化过程。它通过硅片和一个跑光头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常称为抛光机。在一台抛光机中，硅片放在一个硅片固定器或载片头上，并面向转盘上的抛光垫。硅片和抛光垫之间的相对运动由设备制造商进行不同的控制。