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华中科技大学光学与电子信息学院2013—2014学年第二学期《微电子工艺学》试卷A(开卷)题号一二三四总分得分一、判断下列说法的正误，正确的在后面括号中划“√”，错误的在后面括号中划“×”(每小题2分，共20分)1、历史上著名的“八叛逆(TraitorousEight)”是指1955年因“仙童半导体公司(FairchildSemiconductor)”决定不再继续硅半导体研究的时候，八位年轻人忍无可忍，在诺依斯(N.Noyce)带领下，向公司递交辞职书，集体辞职来到“晶体管之父”威廉·肖克利创建的肖克利半导体实验室的事件。(×)2、一般金属的导电能力随温度上升稍有上升，变化不明显。但硅的导电能力随温度上升而下降，且变化非常明显。(×)3、砷化镓高温氧化一般会导致薄膜不能按合理的化学计量比生成，电绝缘作用和对半导体表面的保护作用较差。因此与硅工艺不同，在砷化镓工艺中很少用其氧化物。(√)4、在半导体的热扩散掺杂中，杂质掺杂主要由高温扩散方式完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调上升，杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。(×)5、离子注入仅是离子对物体表面轰击时可能发生的四种物理过程之一，其中每种物理过程发生的几率取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固体表面的不同作用过程，不仅可以实现对材料的离子注入掺杂，还可以实现对于物质原子的溅射及离子的卢瑟福背射等过程。(×)6、在硅外延淀积中，硅的淀积往往是在高温下进行，以确保所有硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层，该过程为质量输运控制过程。此时对温度控制要求高，但是对气流要求不高。而多晶硅薄膜生长是大多在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度不是很高。(×)7、对比度是光刻胶区分掩模版亮区与暗区能力的度量。特定光刻胶的对比度是一个常数，在很大程度上决定了曝光后图形的倾角和线宽。(×)8、反应离子刻蚀(RIE)同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制，可以灵活地选取工作条件以获得最佳刻蚀效果。例如，可以改变刻蚀的化学或等离子条件，控制侧壁抑制物淀积与刻蚀的相对速率，实现侧壁倾角不同的刻蚀结构。(√)9、随着特征尺寸的不断缩小，微电子器件的性能和寿命受到一系列二级物理效应，如短沟效应和热载流子效应的影响。通常，我们通过降低源漏区的掺杂浓度使电场降低，消除热载流子效应。同时，通过减小源漏区的结深，抑制短沟效应。(√)10、CMOS中，阱可为单阱(singlewell)、双阱(twinwell)或是倒退阱(retrogradewell)。单阱工艺有一些缺点，如要达到2～3μm的深度，需要超过1050ºC的高温及长达8h的扩散时间。这种工艺中，表面掺杂浓度最高，掺杂浓度随着深度递减。为了降低工艺温度和时间，可利用高能离子注入将离子直接注入到想要的深度而不需通过表面扩散。深度由离子注入的能量来决定，因此可用不同的注入能量来设计不同深度的阱。阱中的杂质浓度峰值位于硅衬底表面，因而被称为倒退阱。(×)二、在给出的选项中选择一个正确的序号填在题后括号中。(每小题2分，共20分)1、德州仪器公司的科学家被视为微电子时代的先行者之一。他发明了第一块单片集成电路，为半导体器件的微型化和集成化奠定了基础，目前这个趋势仍然在继续。因在发明集成电路方面所取得的成就，他于2000年获得诺贝尔物理奖。(D)A.GordonMooreB.RobertNoyceC.WilliamShockleyD.ClairKilby2、热氧化制备SiO2层时，在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大改善，并可以增大氧化速率。氯的作用主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子；增加硅中少数载流子的寿命；减少中的缺陷，提高了抗击穿能力；降低界面态密度和固定电荷密度；。(D)A.减少界面陷阱电荷B.减少氧化层固定电荷C.减少热载流子效应D.减少硅中的堆积层错3、传统的隔离工艺有一些缺点，使得其不适合于深亚微米(小于0.25μm)工艺。硅的高温氧化与长氧化时间造成用于沟道阻断的注入离子(对n沟道MOSFET而言，通常为硼)侵入有源区域并导致阈值电压VT偏移。因此，横向氧化会导致有源区域的面积减小。此外，在亚微米隔离间隔中，场氧化层的厚度明显小于生长在宽间隔中的场氧化层。技术可以避免这些问题，且已成为隔离的主流技术。(A)A.沟槽隔离B.化学机械抛光C.形成n+‒p结埋层D.局部氧化4、在n‒p‒n双极型晶体管的基本制作程序中，需要一道光刻工艺规定用于分离基区与发射区接触区域的氧化层区域。这会造成在隔离区域内有一大块不起作用的器件面积，不但会增加寄生电容，也会增加导致晶体管特性衰退的电阻。降低这些不利效应的最佳方法是使用。(D)A.多晶硅填满沟槽B.非晶硅填满沟槽C.双多晶硅层D.自对准(self‒aligned)结构5、磁控溅射通过在靶电极后施加磁场，延长电子在等离子场中的运动轨迹，有效提高电子与气体分子的碰撞几率，是目前应用最广泛的溅射方法。与直流和射频溅射方法相比，下面对其优点的描述不正确的是。(C)A.薄膜致密度提高B.淀积速率提高C.工作气压提高D.薄膜被污染可能性降低6、当杂质掺杂浓度较低时，假设扩散系数与掺杂浓度和位置无关，我们可以在两种不同的边界条件和初始条件（分别称为恒定源或有限源条件）下对费克（Fick）第二定律求分析解，得到杂质的第1页共4页姓名一、密封线内不准答题。二、姓名、学号不许涂改，否则试卷无效。三、考生在答题前应先将姓名、学号、年级和班级填写在指定的方框内。四、试卷印刷不清楚。可举手向监考教师询问。学号所在专业、班级装订注意意：线余误差函数分布和高斯函数分布。在进行扩散层的设计和估算时，通常可以根据对杂质表面浓度的要求不同，确定应该采用哪一种函数分布形式。(B)A.当表面浓度为固溶度时为高斯分布，当表面浓度较低时为余误差分布B.当表面浓度为固溶度时为余误差分布，当表面浓度较低时为高斯分布C.当表面浓度为固溶度或表面浓度较低时，均为余误差分布D.当表面浓度为固溶度或表面浓度较低时，均为高斯分布7、离子束曝光中，由于离子的质量较大，散射作用比电子弱，几乎不存在邻近效应，因此离子束曝光比光学、X射线或电子束曝光技术具有。离子束曝光的另一个特点是，许多光刻胶(如PMMA)对离子比对电子更为灵敏，因此可缩短曝光时间。(D)A.更深的聚焦深度B.更大的数值孔径C.更低的掩模板要求D.更高的分辨率8、为降低金属连线的RC时间延迟，需使用高电导率的导线与低介电常数的绝缘层。对未来新的金属连线工艺，是很好的选择，因为相对于铝，它具有较高的导电性与较强的电迁移抵抗能力；在ULSI电路中，它亦有其缺点。例如，在标准的芯片工艺下，有易腐蚀的倾向、缺乏可行的干法刻蚀方式、不像铝有稳定的自我钝化(self-passivating)氧化物Al2O3以及与介质(如二氧化硅或低介电常数的聚合物)的附着力太差等。(C)A.外延硅B.金属锡C.金属铜D.多晶硅9、拉制大直径单晶硅时，会使液面出现波纹和起伏，从而造成界面杂质过渡区的不平衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀。因此，一般采用晶体旋转方向与热对流方向相反的方法来抑制。(D)A.籽晶承载应力B.一氧化碳的挥发C.杂质的分凝D.熔硅的热对流10、淀积薄膜时，薄膜的表面几何形貌与半导体表面间存在各种不同的台阶形状关系。导致非保形台阶覆盖的主要原因是反应物在吸附、反应时没有显著的。(C)A.晶格匹配B.薄膜体积收缩C.表面迁移D.邻近效应三、回答下列问题(每小题5分，共25分)1、简要描述N阱硅栅CMOS制备工艺流程。答：a.氧化；b.刻蚀阱区窗口；c.离子注入形成n阱；d.缓冲用SiO2、Si3N4淀积；e.刻蚀有源区，场区硼离子注入；f.场氧化；g.除去Si3N4，栅氧化层生长；h.多晶硅淀积；i.刻NMOS管硅栅，砷离子自对准注入形成NMOS管；j.刻PMOS管硅栅，硼离子自对准注入，形成PMOS管；k.磷硅玻璃淀积；l.磷硅玻璃回流，开接触孔，金属化，钝化2、根据右边的相图说明，在集成电路芯片中形成铝壶连线时一般是将铝与硅共同蒸发，使铝中的硅含量到达固态溶解的要求，其目的是什么？你能否设计另一种实现此目的其他方法？答：由右图知，铝-硅体系有低共熔特性，即将两者互相掺杂时，合金的熔点较两者中任何一种材料都低，Al-Si体系为577℃，相当于硅占11.3％、铝占88.7％的合金熔点。而纯铝与纯硅的熔点分别为660℃及1412℃，基于此特性，淀积铝膜时硅衬底的温度必须低于577℃。因此，铝与硅接触时，硅将会溶解到铝中，其溶解量不仅与退火温度有关，也和铝的体积有关。事实上，硅并不会均匀地溶解，而是发生在某些点上．下图为在p-n结中，铝穿透到硅中的实际情形，可观察到仅有少数几个点有尖锲形成。因此将铝与硅共同蒸发，使铝中的硅含量到达固态溶解的要求，其目的是减少铝尖锲。另外也可以在铝与硅衬底中加入金属阻挡层如TiN。阻挡层必须满足以下的要求：①与硅形成的接触电阻要小；②不会与铝起反应；③淀积及形成方式必须与其他所有工艺相容。3、为了把掩模版上的图形完美转移到光刻胶上，要求曝光系统具有足够的聚焦深度。而对于一个曝光系统，任何分辨率的提高总是伴随着聚焦深度的下降，为什么？我们可以采取哪些技术在这两者之间进行调和，这些技术共同的思路是什么？答：通过缩短曝光波长、增大数值孔径及开发新的光刻胶等可以提高分辨率，但更短的波长往往意味着使用更昂贵的材料，而增大数值孔径则会导致像差增加。要提高聚焦深度必须增大光源波长或减小数值孔径。因此，任何分辨率的提高总是伴随着聚焦深度的下降。我们可以采取相移掩模版、利用光学邻近效应优化掩模图形、采用离轴照明优化光线照射掩模版的角度、控制光线照射的偏振度等技术在这两者之间进行调和，这些技术共同思路是使分辨率得到增强。姓名一、密封线内不准答题。二、姓名、学号不许涂改，否则试卷无效。三、考生在答题前应先将姓名、学号、年级和班级填写在指定的方框内。四、试卷印刷不清楚。可举手向监考教师询问。学号所在专业、班级装订注意意：线4、单晶硅淀积一般采用如右图所示的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要倾斜?答：因为如下图所示，界面层厚度s是x方向平板长度的函数。随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降。沿支座方向反应气体浓度的减少，同样导致淀积速度会下降。由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如APCVD法淀积硅。5、根据D-G氧化动力学模型，二氧化硅薄膜生长厚度x与时间t的关系为x2+Ax=B(t+)，其中B/A为线性速率常数，B为抛物线速率常数，为初始氧化层厚度引起的时间坐标平移。如果实验测得的x-t关系如下图所示，在已知的情况下，请设计从现有实验数据提取B/A和B值的方法。答：按照右图氧化硅厚度与时间的关系曲线，B根据直线的斜率直接提取，A从而B/A可以根据截距提取，如下图。这一方法已广泛用于获取宽范围实验条件下的B和B/A。如果按照题目给的图示形式画出曲线时，实验数据全部落在一条直线上，那么可用先行抛物线定律来描述热氧化过程。四、计算题(共35分)1、(6分)将裸硅晶圆片在1000ºC下进行干氧氧化，目标是生长40nm厚的二氧化硅层。(a)如果忽略干氧氧化初始阶段的快速生长过程，求所需的氧化时间是多少分钟？(b)如果考虑干氧氧化初始阶段的快速生长过程的影响，所需的氧化时间又是多少分钟？已知A=0.165μm，B=0.0117μm2/hr，=0.37hr。解：(a)根据D-G氧化动力学模型，二氧化硅薄膜生长厚度x与时间t的关系为x2+Ax=B(t+)，已知A=0.165μm，B=0.0117μm2/hr，代入上式得：(0.04μm)2+0.165μm×0.04μm=0.0117μm2/hr