半导体制造技术期末题库参考答案

1．分别简述RVD和GILD的原理，它们的优缺点及应用方向。答：快速气相掺杂(RVD,RapidVapor-phaseDoping)是一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并能形成超浅结的快速掺杂工艺。原理是利用快速热处理过程(RTP)将处在掺杂剂气氛中的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生反应产生杂质院子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。RVD技术的优势（与离子注入相比，特别是在浅结的应用上）：RVD技术并不受注入所带来的一些效应的影响，如：沟道效应、晶格损伤或使硅片带电。RVD技术的劣势：对于选择扩散来说，采用RVD工艺仍需要掩膜。另外，RVD仍然要在较高温度下完成。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。应用方向：主要应用在ULSI工艺中，例如对DRAM中电容的掺杂，深沟侧墙的掺杂，甚至在CMOS浅源漏结的制造中也采用RVD技术。气体浸没激光掺杂(GILD：GasImmersionLaserDoping)的工作原理：使用激光器照射处于气态源中的硅表面，使硅表面因吸收能量而变为液体层，同时气态掺杂源由于热解或光解作用产生杂质原子，杂质原子通过液相扩散进入很薄的硅液体层，当激光照射停止后，掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体，从而完成掺杂。GILD的优点：杂质在液体中的扩散速度非常快，使得其分布均匀，因而可以形成陡峭的杂质分布形式。由于有再结晶过程，所以不需要做进一步的热退火。掺杂仅限于表面，不会发生向内扩散，体内的杂质分布没有任何扰动。可以用激光束的能量和脉冲时间决定硅表面融化层的深度。在一个系统中相继完成掺杂，退火和形成图形，极大简化了工艺，降低系统的工艺设备成本。GILD的缺点：集成工艺复杂，技术尚不成熟。GILD的应用：MOS与双极器件的制造，可以制备突变型杂质分布，超浅深度和极低的串联电阻。2．集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么特点？答：按照原始扩散杂质源在室温下的相态可将扩散分为三类：固态源扩散，液态源扩散与气态源扩散。(1)固态源扩散：常见的主要有开管扩散、箱法扩散和涂源法扩散a.开管扩散是把杂质源和硅片分开放置在扩散炉管中，通过惰性气体将杂质蒸汽输运只硅片表面。其特点是温度对杂质浓度和杂质分布有着直接的影响，重复性与稳定性都很好。b.箱法扩散是把杂质源和硅片壮在由石英或者硅做成的箱内，在氮气或氩气的保护下进行扩散。其特点是扩散源多为杂质的氧化物，箱子具有一定的密闭性。含有杂质的蒸汽与硅表面反应，形成含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。其硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，均匀性较好。c.涂源法扩散是把溶于溶剂的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由遁形其他保护进行扩散。其特点是杂质源一般是杂质的氧化物或者杂质的氧化物与惰性氧化物的混合物，当溶剂挥发后在硅表面形成一层杂质源。这种方法的表面浓度难以控制，且不均匀。可以通过旋转涂源工艺或化学气象淀积法改善(2)液态源扩散是使用携带气体通过液态源，把杂质源蒸汽带入扩散炉管。其特点是载气除了通过携带杂质气体进入扩散炉内之外，还有一部分直接进入炉管，起到稀释和控制浓度作用。为了保证稳定性和重复性，源温一般控制在零摄氏度。其优点是系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性好。(3)气态源扩散是直接将杂质气体通入炉管进行掺杂，除了气态杂质外，有时还需通入稀释气体或者杂质源进行化学反应所需要的气体。其特点是气态杂质源多为杂质的氢化物或卤化物，毒性很大，且易燃易爆。气态杂质源一般先在硅表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。3、杂质原子的扩散方式有哪几种？它们各自发生的条件是什么？从原子扩散的角度举例说明氧化增强扩散和氧化阻滞扩散的机理。（第二章）①交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。④在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：①替位式扩散；②填隙式扩散。替位式扩散主要包括交换式（所需能量高）和空位式（所需能量低，更容易发生）如果替位杂质的近邻没有空位．则替位杂质要运动到近邻晶格位置上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大的畸变，需要相当大的能量，因此只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位式扩散才比较容易发生。填隙型扩散挤出机制：杂质在运动过程中“踢出”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，成为替位杂质，被“踢出”硅原子变为间隙原子；Frank-Turnbull机制：也可能被“踢出”的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质。氧化增强扩散(OED)机理硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生了大量的填隙Si原子，这些过剩的填隙Si原子在向硅内扩散的同时，不断与空位复合，使这些过剩的填隙Si原子的浓度随深度而降低。在表面附近，过剩的填隙Si原子可以和替位B相互作用，从而使原来处于替位的B变为填隙B。当填隙B的近邻晶格没有空位时，填隙B就以填隙方式运动；如果填隙B的近邻晶格出现空位时，填隙B又可以进入空位变为替位B。这样，杂质B就以替位-填隙交替的方式运动，其扩散速度比单纯的替位式扩散要快。而在氮化硅保护下的硅不发生氧化，这个区域中的杂质扩散只能通过空位机制进行扩散，所以氧化区正下方B的扩散结深大于氮化硅保护区正下方的扩散结深。磷在氧化气氛中的扩散也被增强，其机制与硼相同。氧化阻滞扩散机理用锑代替硼的扩散实验表明，氧化区正下方锑的扩散结深小于氮化硅保护区下方的扩散结深，说明在氧化过程中锑的扩散被阻滞。这是因为控制锑扩散的主要机制是空位。在氧化过程中，所产生的过剩间隙硅原子在向硅内扩散的同时，不断地与空位复合，使空位浓度减小，从而降低了锑的扩散速度。4、写出菲克第一定律和第二定律的表达式，并解释其含义。费克第一定律C杂质浓度D扩散系数(单位为cm2/s)J材料净流量（单位时间内流过单位面积的原子个数）解释：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x,t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度C/x，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。1、杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。2、当浓度梯度变小时，扩散减缓。3、D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。菲克第二定律如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得解释：菲克第二定律即为一维扩散方程沿扩散方向，从x到x+Δx，面积为Δs的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。设在小体积元Δv=ΔxΔs内的杂质分布是均匀的。体积元内的杂质浓度为C(x,t)，经过Δt时间，该体积元内杂质变化量为，杂质在x处的扩散流密度分别为J(x,t)则在Δt时间内通过x处和x+Δx处的杂质流量差为，假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得代入第一定律方程则得到第二方程。即杂质在材料中沿某一方向浓度随时间变化率是由于扩散所引起的。5、以P2O5为例，多晶硅中杂质扩散的方式及分布情况。由于P2O5的晶粒较大，因此主要形成B类分6.分别写出恒定表面源扩散和有限表面源扩散的边界条件、初始条件、扩散杂质的分布函数，简述这两种扩散的特点主要特点：（1）、杂质分布形式：在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。（2）、结深：DtACCerfcDtxsBj12（3）、杂质浓度梯度：DtxstxeDtCxtxC4,2|),(有限表面源：主要特点（1）、杂质分布形式：与恒定表面源扩散不同，有限表面源扩散的表面浓度Cs随时间而降低：DtQtCtCs),0()(，扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。（2）、结深：]ln[4DtCQDtxBTj，对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随(Dt)1/2的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。（3）杂质浓度梯度：任意位置的杂质浓度),(2|),(),(txCDtxxtxCtxPN结处的杂质浓度：BsBsjsxCCCCxCxtxCj/)/ln(2|),(杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。7什么是两步扩散工艺，其两步扩散的目的分别是什么？两步扩散：采用两种扩散结合的方式第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的是为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。两步扩散后的杂质最终分布形式：主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。8假设进行一次受固溶度限制的预淀积扩散，从掺杂玻璃源引入的杂质总剂量为Qcm-2。（1）如果这次预淀积进行了总共t分钟，若预淀积温度不变，引入3Qcm-2的杂质需要多长时间？（2）预淀积后再进行推进扩散，要求推进的杂质足够深，使得最后表面杂质浓度等于其固溶度Cs的1%。若已知预淀积过程中的(Dt)predop，推导出推进扩散过程中(Dt)drive-in的表达式。（1），当Q变成3Q时，t为9t（2）由可知，(Dt)predop2/πQCsCs与(Dt)drive-in的关系可表示为最后表面杂质浓度等于其固溶度Cs的1%，由上述两式可得：(Dt)drive-in=40000(Dt)predop/π²9、简述几种常用的氧化方法及其特点。（第二章PPT，66-71页）热氧化法：Si与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应生成SiO2。热氧化法制备SiO2的特点：具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质不太受湿度和中等温度热处理的影响；降低Si表面的悬挂键，使表面态密度减小；很好地控制界面陷阱和固定电荷。这些特点对MOS器件和其他器件都是至关重要的。（1）干氧氧化在高温下，氧气与硅反应生成SiO2。氧化温度为900-1200℃，为了防止外部气体的玷污，炉内气体压力应比一个大气压稍高些，可通过气体流速来控制。优点：结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶黏附好，目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都是采用这种方法。缺点：干氧氧化法的生长速率慢，所以经常同湿氧氧化方法相结合生长SiO2。（2）水汽氧化在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成SiO2。产生的H2分子沿Si-SiO2界面或者以扩散方式通过SiO2层“逃离”。因为水比氧气在SiO2中有更高的扩散系数和大得多的溶解度，所以水汽氧化的生长速率一般比较高。（3）湿氧氧化湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧气，高纯水一般被加热到95℃左右。通过高纯水的氧气携带一定水蒸气，所以湿氧氧化的氧化剂既含有氧，又含有水汽。因此，SiO2的生长速率介于干氧和水汽氧化之间，与氧气流量、水汽的含量有着密切关系。如果水汽含量很少，SiO2的生长速率和质量就越接近于干氧氧化的情况，反之，就越接近水汽氧化情况。水汽含量与水温和氧气流量有关。氧气流量越大，水温越高，则水汽含量就越大。（4）快速热氧化工艺(RTO)制备深亚微米器件的栅极氧化层，非常薄30Å10、说明SiO2的结构和性质，并简述结晶型SiO2和无定形SiO2的区别。（第二章，74-75页）（1）中心是Si原子，四个顶点上是O原子，顶角上的4个O原子正好与Si原子的4个价电子形成共价键。相邻的Si-O四面体是靠Si-O-Si键桥连接。熔融石英中，某些氧原子与两个硅原子形成共价键，称为桥键氧；某些氧原子只与一个硅原子形成共价键，成为非桥