集成电路工艺原理课后作业

集成电路工艺原理课后作业第一章1.单晶Si片的制备工艺流程答：a）石英沙冶金硅（粗硅）：SiO2+CSi+CO2；b)冶金硅粉末+HCl三氯硅烷：将冶金硅压碎，制成冶金硅粉，通过与无水HCl反应生成粗三氯硅烷，利用各组分沸点的不同来达到分离杂质的目的，通过气化和浓缩提纯三氯硅烷；c)三氯硅烷+H2多晶电子纯硅：精馏后的三氯硅烷，被高纯度H2带入“西门子反应器”还原。d)熔融的多晶电子纯硅（EGS）单晶硅锭：①直拉法②区熔法e)整型处理：去掉两端、径向研磨、定位边；单晶硅锭切片、磨片倒角、刻蚀、抛光；激光刻号，封装。2.两种拉单晶的方法（CZ、FZ）及其特点答：直拉法：在石英坩埚中将多晶硅熔融，上面用单晶硅籽晶直接拉成单晶硅锭。特点：便宜；大的硅片尺寸（直径300mm）；材料可回收利用。区熔法：将材料局部熔化，形成狭窄的熔区，然后令熔区沿着材料缓慢移动，利用分凝现象来分离杂质，生长单晶体。特点：更纯的单晶硅（无坩埚）；更贵，硅片尺寸小（150mm）；主要用于功率器件。3.单晶硅中硅的原子密度答：8/a3＝5×1022/cm34.在硅半导体中形成替位式杂质的条件，可能的掺杂元素主要哪些？答：形成替位式杂质的条件：（1）原子大小：与原晶格上的原子大小接近。（2）原子外部电子壳层和晶体结构具有相似性。可能元素：Ⅲ、Ⅴ族元素B、P、As。第二章1.热氧化法答：Si与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应生成SiO2。2.SiO2在集成电路中的应用主要哪些？答：①自然层：无用②屏蔽层：离子注入③遮蔽层：扩散④场区氧化层及介局部氧化物：隔离⑤衬垫层：避免氮化物的强应力在Si中缺陷⑥牺牲层：消除Si表面缺陷。⑦栅氧化层：栅极介质层。⑧阻挡层：浅沟隔离STI。3.热氧化法常用的氧化源有哪些？采用不同氧化源制备SiO2，其各自的特点是什么？答：①氧气（干氧氧化，薄膜均匀致密，生长速率慢）②水汽（水汽氧化，生长速率快，薄膜疏松，特性不好）③氢气与氧气（水汽氧化、湿氧氧化，氢气氧气摩尔比不同时，效果介于前两种之间）④含氯气体（掺入其它氧化剂中，使栅氧中可移动离子最小）4.在集成电路工艺中，制备厚的SiO2层主要采用什么氧化方式，其主要优点是什么？答：采用的是干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式。这种氧化方式既保证SiO2表面和Si-SiO2界面质量，又解决了生长效率的问题。5.根据迪尔-格罗夫模型，定性分析在洁净的硅表面热氧化生长SiO2的生长过程。答：(1)先是反应控制，主要控制因素是温度。(2)随温度上升，SiO2厚度上升，转为输运控制。(3)输运控制中，气流速率为主要影响因素。6.决定氧化速率常数的两个重要工艺参数答：氧化温度，氧化剂分压。7.如图，分析氧化速率与晶面取向的关系，并指出氧化温度、氧化时间的影响答：①抛物型氧化速率常数B，与硅衬底晶向无关；②线性氧化速率常数B/A则强烈地依赖于晶面的取向；③当氧化温度升高时，晶面取向对线性氧化速率的影响减小；④如果氧化时间很长，也就是说当氧化层很厚时，氧化速率受抛物线型氧化速率常数控制，晶面取向对线性氧化速率的影响不再起作用。第三章1.描述菲克第一定律,给出扩散流密度的一维表达式,并说明杂质在半导体中的扩散系数与什么因素有关?答：菲克第一定律：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。扩散流密度的一维表达式为：D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等2.杂质原子的扩散方式（两大类）答：xtxCDJ,①间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。②替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。3.简述两步扩散工艺过程及作用答：第一步：预扩散或者预淀积工艺过程：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。作用：控制扩散杂质的数量。第二步：主扩散或者再分布工艺过程：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。作用：控制表面浓度和扩散深度。4.考虑Si中的点缺陷,说明B和P杂质在Si中的扩散机制.答：考虑到点缺陷，B和P是靠空位扩散和间隙扩散两种机制进行扩散运动的。①替位型杂质扩散机制：杂质原子运动到近邻的空位上②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；也可能在运动过程中“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。③最终杂质分布服从高斯分布5.什么是氧化增强扩散?说明B和P的氧化增强扩散机理.答：氧化增强扩散：杂质在氧化气氛中的扩散，与中性气氛相比，存在明显的增强。B：硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生了大量的间隙Si原子，这些过剩的间隙Si原子在向硅内扩散的同时，不断与空位复合，使这些过剩的间隙Si原子的浓度随深度而降低。在表面附近，过剩的间隙Si原子可以和替位B相互作用，从而使原来处于替位的B变为间隙B。当间隙B的近邻晶格没有空位时，间隙B就以间隙方式运动；如果间隙B的近邻晶格出现空位时，间隙B又可以进入空位变为替位B。这样，杂质B就以替位-间隙交替的方式运动，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。P：磷在氧化气氛中的扩散也被增强，其机制与硼相同。6.扩散工艺分类及其特点答：一、固态源扩散①开管扩散：重复性和稳定性都很好。②箱法扩散：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。③涂源法扩散：表面浓度很难控制，而且又不均匀二、液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好。三、气态源扩散特点：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。7.什么是快速气相掺杂与气体浸没激光掺杂？说明他们各自的特点及二者的异同点。答：快速气相掺杂：一种利用快速热处理过程(RTP)将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。气体浸没激光掺杂：用激光器产生高能量密度的短脉冲激光，照射处于气态源中的硅表面，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，通过液相扩散，杂质原子进入这个很薄的液体层，当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。同时，杂质也进入激活的晶格位置。特点：RVD：它并不受注入所带来的一些效应的影响。GILD：体内的杂质分布没有受到任何扰动，可根据需要控制激光能量密度和脉冲时间达到控制掺杂深度的目的。相同：掺杂源均为气态，都形成浅结。不同：掺杂后，杂志分布均匀程度不同。RVD杂质分布为指数形式，形成缓变结。GILD杂质分布较均匀，形成突变结。第四章1.离子注入的概念答：离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。2.离子注入如何控制掺杂浓度和深度？答：离子注入深度通过控制离子束能量来控制，而掺杂浓度的控制可通过控制注入离子剂量来实现。3.说明离子注入深度与入射离子能量和入射离子种类（质量）的关系。答：①入射离子能量越大，深度越大。②在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深。4.什么是沟道效应，如何避免沟道效应？答：沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向，使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。5.对于轻杂质，形成浅结非常困难，可以采取哪些措施？答：①降低注入离子能量：注入离子能量几个keV；但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显，需要增大偏离角度。在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应，离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。②预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。6.离子注入掺杂后，热退火的目的是什么？答：使硅片中的损伤,部分或绝大部分消除，少子寿命和迁移率得到恢复，掺入的杂质被激活。7.快速退火技术的主要优点是什么？答：退火区域受热时间非常短，因而损伤区中杂质几乎不扩散，衬底材料中的少数载流子寿命及其他电学参数基本不受影响。避免杂质再分布。8.离子注入的特点答：①离子注入深度通过控制离子束能量来控制，而掺杂浓度的控制可通过控制注入离子剂量来实现。是两个独立控制过程。②由于离子注入的直进性，横向效应比热扩散小很多，这一特点有利于器件特征尺寸的缩小。③离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400℃，可选掩蔽膜很多，如光刻胶、SiO2、Si3N4和Al等。而扩散必须是能耐高温的材料。④注入离子是通过质量分析器选取，纯度高，能量单一，保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。⑤可以精确控制掺杂原子数目，注入剂量的范围较宽，同一平面内的杂质均匀性和重复性可精确控制在±1％以内。⑥离子注入时的衬底温度低，避免了高温扩散所引起的热缺陷。第五章1.物理气相沉积答：PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:①所生长的材料以物理方式由固体转化为气体；②生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底；③蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。2.采用蒸发工艺进行薄膜沉积时，蒸发源的加热方式主要有几种？各自的特点是什么？答：①电阻加热蒸发：欧姆热，最简单、常用。②电子束蒸发源：高能聚集电子束，微区，虚坩埚避免交叉污染。③脉冲激光源蒸发：高能聚集激光束，高熔点材料，局部区域，入射深度小，蒸发只发生在靶材表面。④高频感应源蒸发：蒸发速率大，温度均匀，价格贵，需屏蔽。3.什么是溅射？答：一定能量的入射离子对固体表面进行轰击，在与表面原子碰撞过程中发生能量和动量转移，将固体表面的院子溅射出来。4.离子对物体表面轰击时可能发生几种情况，溅射和离子注入都是可能发生的物理过程之一，这主要取决于什么？答：四种情况。取决于入射粒子能量。5.溅射主要分为几种溅射方式？各自的特点是什么？答：①直流溅射：工作气压对溅射率以及薄膜的质量都有很大的影响。靶材应具有较好的导电性②射频溅射：适用于各种金属和非金属材料，可使气体离子对其产生自发的轰击和溅射。优点，电子利用率高，反复加速，自发低电位。①②缺点：淀积速率较低；溅射所需工作气压高。③磁控溅射：这种方法淀积速率可以比其他溅射方法高一个数量级，工作气压可以明显降低，一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面也将提高入射到衬底表面原子的能量，在很大程度上改善薄膜的质量。④反应溅射：采用以纯金属作为溅射靶材，生成特定的化合物；随着活性气体压力和溅射功率的增加，靶材表面也可能形成一层化合物，这可能会降低材料的溅射和淀积速率。6.两种PVD技术（蒸发和溅射）的特点各是什么？答：溅射特点：①溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递。因此，溅射出的原子从溅射过程中获得很大的动能。由于能量的增加，可以提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力、改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。②在沉积多元合金薄膜时，化学成分容易控制。蒸发特点：①优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。②缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。第六章1.化学气相沉积答：化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition)，简称CVD，是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的蒸气，以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应并在衬底上淀积薄膜。是制备薄膜的一种重要方法。2.根据Grove模型，分析化学气相沉积中Cg、T、Um对薄膜沉积速率的影响，并指出不同条件下生长速率的控制机制。答：①Cg：沉积速率与反应剂浓度Cg成正比。在反应剂浓度Cg为常数时，薄膜淀积速率由ks和hg中较小的一个决定。当hgks时，淀积速率受表面化学反应速率控制。当