论文期末问题

1、深圳大学期末考试特殊考试方式电子科学与技术学院集成电路工艺原理期末总结报告姓名：李诗婷学号：2011160079深圳大学考试答题纸(以论文、报告等形式考核专用)二一三二一四学年度第 一 学期课程编号23163101课程名称集成电路工艺原理主讲教师杨靖评分学 号2011160079姓名 李诗婷专业年级11级微电子一班教师评语：要 求本报告（作业）必须是完全独立完成，没有抄袭或节选选本课程其他同学的作业，如果确认是抄袭（抄袭和被抄袭）都要承担最终成绩为F的结果。 完成时间：2014，1，3下班之前请详细解答以下每道问题！（回答时请每道题之间留有空隙、题之间清晰分开、每题标明题号；字迹工整、最好打印

2、；图可以手画，但是，必须用规、具，线条清晰规范；坚决杜绝！纸面脏、乱、草）1， 现在先进集成电路光刻工艺中曝光光源的波长为193nm或157nm，根据现代光学理论，曝光光刻胶的分辨率大约等于波长。然而，现在，在45nm器件工艺中，使用的曝光光源仍然是193nm光源，请详细回答（可以附加图形），在此工艺中使用了什么特殊技术成功解决了用193nm光源曝光45nm器件的难题（写出，波长和分辨率之间的关系式）。 【15分】2， Intel基于HKMG技术实现了45nm、32nm处理器的生产。请通过查阅资料，阐述你对前栅极(gate-first)和后栅极(gate-last)两种新一代栅极堆栈方法的理解

3、。 【20分】3， 如图：在离子注入工艺中，为了简单起见，p阱（或n阱）按密度可以分为这样3个区域，以nMOS为例分为n-,n+和p三个区域，请问形成这样的结构采用了什么工艺技术和那些工艺步骤才能形成，这些步骤有什么目的。请详细解答。 【15分】n-pn+4， 从集成电路发展的历史来看，半导体硅在集成电路工艺中得到了非常深入的研究和应用，请从你所掌握的知识出发，阐述硅在集成电路中的具体应用，以及在应用中的优缺点。 【15分】 5， 如图，在大规模集成电路中为了增大电容量，常把电容的电极制作成立体形式，以增大电容量，请详细叙述（用图和语言）图所示立体电容的形成工艺过程。 【20分】 （图说明：图

4、中电容材料为多晶硅和氧化硅，其中，红线为SiO2，其他为多晶Si）6， 超大规模集成电路工艺中引入了化学机械平坦化工艺，请详细阐述引入平坦化工艺的必要性和平坦化工艺解决的集成电路制造中的问题，以及当前平坦化工艺中存在的问题。 【15分】以下为答题用1.答：在此工艺中使用的是浸入式光刻技术，成功解决了用193nm光源曝光45nm器件的难题。如图1所示，在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓的浸入式光刻技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式光刻技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。图1 浸入式光刻与传统光刻的比较在光刻中，分辨率被

5、定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特殊图形对的能力，其对任何光学系统都是一个重要的参数，对光刻非常关键。分辨率的公式如下所示：其中，k表示特殊应用的因子，范围是0.60.8；是光源的波长；NA是曝光系统的数值孔径。这个公式有三个参数影响分辨光刻胶上几何图形的能力：波长、数值孔径NA、工艺因子k。显而易见，减少曝光光源的波长并增加投影透镜的NA都可以提高分辨率。自从193nm波长成为主攻方向后，增大NA成为了业内人士孜孜不倦的追求。因此，浸入液、光刻设备、和其他相关环节的紧密配合是浸入式光刻技术前进的保证。沉浸式光刻技术是AMD在45nm的Phenom 处理器生产中最新应用的技术之一，在45nm

6、Phenom II的生产中，整个晶圆是浸泡在去离子水中的，这种情况相当于将光刻的分辨率提高了1.44倍，正好满足65/45=1.44的工艺改进幅度。用这种工艺设计生产的SRAM芯片可获得约15%性能提升。2.答：随着晶体管尺寸的不断缩小，HKMG(high-k绝缘层+金属栅极)技术几乎已经成为45nm以下级别制程的必备技术。不过在制作HKMG结构晶体管的工艺方面，业内却存在两大各自固执己见的不同阵营，分别是以IBM为代表的Gate-first（先栅极）工艺流派和以Intel为代表的Gate-last（后栅极）工艺流派。Gate-last是用于制作金属栅极结构的一种工艺技术，这种技术的特点是在对

7、硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的高温退火工步完成之后再形成金属栅极；与此相对的是Gate-first工艺，这种工艺的特点是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的退火工步完成之前便生成金属栅极。但一般来说，使用Gate-first工艺实现HKMG结构的难点在于如何控制PMOS管的Vt电压(门限电压);而Gate-last工艺的难点则在于工艺较复杂，芯片的管芯密度同等条件下要比Gate-first工艺低，需要设计方积极配合修改电路设计才可以达到与Gate-first工艺相同的管芯密度级别。不管使用Gate-first和Gate-last哪一种工艺，制造出的high-k绝缘层对提升晶体管的

8、性能均有重大的意义。high-k技术不仅能够大幅减小栅极的漏电量，而且由于high-k绝缘层的等效氧化物厚度(EOT:equivalentoxidethickness)较薄，因此还能有效降低栅极电容。这样晶体管的关键尺寸便能得到进一步的缩小，而管子的驱动能力也能得到有效的改善。3.答：由题意得，形成那样的结构制作步骤如下所示：a. p阱的形成b. 浅槽隔离工艺c. 多晶硅栅结构工艺d. 轻掺杂漏（LDD）注入工艺e. 侧墙的形成f. 源/漏（S/D）注入工艺g. 接触孔的形成h. 局部互连工艺a.p阱的形成（1）外延生长（2）原氧化生长目的：保护表面的外延层免受污染；阻止了在注入过程中对硅片过

9、度损伤；作为氧化物屏蔽层，有助于控制注入过程中杂质的注入深度。（3）第一层掩膜，p阱注入（4）p阱注入（高能）目的：离化杂质原子，使其加速获得高能（约为200KeV），选出最恰当的元素注入，并聚焦离子成为极窄的一束，最后扫描使硅片不受光刻胶保护的区域得到均匀掺杂。（5）退火目的：裸露的硅片表面生长了一层新的阻挡氧化层；高温使得杂质向硅中移动（扩散）；注入引入的损伤得到修复；杂质原子与硅原子间的共价键被激活，使得杂质原子成为晶格结构中的一部分（电学激活）。b.浅槽隔离工艺目的：使在衬底上制作的晶体管有源区之间相互隔离。（1） STI槽刻蚀（2） STI氧化物填充（3） STI氧化层抛光-氮化物去

10、除c.多晶硅栅结构工艺（1）栅氧化层的生长（2）多晶硅淀积（3）第三层掩膜，多晶硅栅（4）多晶硅栅刻蚀d.轻掺杂漏注入工艺 n轻掺杂漏注入： （1）第四层掩膜，LDD注入（2）LDD注入（低能量，浅结）在未被光刻胶保护的区域，用砷离子进行选择注入。e.侧墙的形成目的：防止更大剂量的源漏（S/D）注入过于接近沟道以致可能发生源漏穿通。（1）淀积二氧化硅（2）二氧化硅反刻f.源/漏注入工艺 源/漏注入：（1）第五层掩膜，源/漏注入（2）源/漏注入（中等能量）这一步形成的结深比LDD形成的略大。（3）退火注入后的硅在快速退火（RTP）装置中退火。目的：阻止结构的扩展以及控制源/漏区杂质的扩散。g.接

11、触孔的形成目的：在所有硅的有源区形成金属接触。（1）钛的淀积（2）退火（3）刻蚀金属钛h.局部互连工艺（1）形成局部互连氧化硅介质（2）制作局部互连金属4.答：硅及其化合物在集成电路中的具体应用如下：（1） 衬底：目前，对于集成电路来讲，广泛利用硅材料制作衬底（一般为P型半导体），参与集成电路的工作 。优点：a历史的选择；b储量丰富，成本低， 取之不尽，用之不竭；c二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好，且很容易通过热过程生长；d禁带宽度大，工作温度范围宽，增加了半导体的应用范围和可靠性；e电学和机械性能优异。（2） N型半导体和P型半导体：在集成电路生产中，用热扩散法或离子注入法向外延层注入II

12、I族元素（硼）、V族元素（磷、砷）。加III族元素的硅变成P型硅，加V族元素的硅变成n型硅,利用这种结合制作三极管和二级管，还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管。（3） 薄膜：集成电路制造工艺中，需要在硅片表面生长不同膜层。导电薄膜层和绝缘薄膜层对于能否在硅衬底上制作半导体器件是至关重要的。常用的硅薄膜有二氧化硅、氮化硅、多晶硅、氧化氮化硅等。二氧化硅：优点：a二氧化硅是一种坚硬和无孔（致密）的材料，可作为一种有效的阻挡层，用来隔离和保护硅内的灵敏器件；b二氧化硅不能导电，是微芯片金属层有效的绝缘体；c二氧化硅可作为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层；d热生长的二氧化硅可以通过

13、束缚硅的悬挂键，从而减低它的表面态密度；e二氧化硅具有高的电介质强度和电阻率，可作为MOS晶体管栅和源漏之间的介质等。氮化硅：优点：氮化硅能很好地抑制杂质和潮气的扩散，因此通常被用作硅片的最终钝化层；氮化硅还被用作掩膜材料，用于浅槽隔离工艺。多晶硅：优点：多晶硅通过掺杂可得到特定的电阻，和二氧化硅有着优良的界面特性，和后续高温工艺的兼容性强，比金属电极铝有着更高的可靠性，在陡峭的结构上能均匀地淀积，能实现栅的自对准工艺，因此掺杂的多晶硅可作为栅电极。氧化氮化硅：优点：a.氧化氮化硅兼有氧化硅和氮化硅的优点。与氮化硅相比，氧化氮化硅改善了热稳定性、抗断裂性、降低的膜应力，。增加氮氧化硅膜中氧的含

14、量，会减少膜的折射率，使它成为光刻掩膜中有效的抗反射层；b.氧化氮化硅膜中的氮积累在硅界面处减少了拉伸的硅氧键浓度，减少了热载流子的产生，因此对薄栅氧来说，在硅或二氧化硅界面处的氧化氮化硅层可以改进器件的电学性能。（4） 元件的连接配线：元件的链接配线会使用多晶硅、金属硅化物或在铝中掺杂百分之几的硅。 多晶硅优点：多晶硅掺杂后的电阻高度依赖于淀积温度、掺杂浓度以及退火温度对晶粒大小的影响，轻掺杂多晶硅在存储单元、电容、薄膜晶体管可作为电阻。金属硅化物可分为难熔金数硅化物或贵金属和近贵金属硅化物两大类优点：熔点高（大多在1500摄氏度以上），最低共熔温度高（大多在1000摄氏度以上），电阻率低(

15、约为710·m)，硬度高，可用作金属栅、肖特基接触、欧姆接触等。在铝中掺杂百分之几的硅优点：当纯铝和硅界面温度升高时结尖刺发生，并导致硅向铝中扩散，易引起结短路。而在铝中掺杂百分之几的硅后，硅从衬底向铝中溶解的速度会减慢。5.答：如图所示，立体电容形成工艺过程： 用化学气相沉积法在衬底上淀积了一层二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜上再淀积一层氮化硅薄膜。接着，交叉反复在此基础上淀积多晶硅（四层）和二氧化硅（五层），出现类似图中所示结构。光刻胶显影，刻蚀出图中相应的凹槽,形成制作圆筒形电容器的圆孔，露出孔底部的即为圆筒状电容器接触电极处，再除去光刻胶。在此基础上，用化学气相沉积法在包括用

16、于制作圆筒状电容器的圆筒孔内壁和电容器接触电极在内的整个表面，镀制多晶硅薄层。光刻胶显影，刻蚀掉圆孔外的部分，形成图中相应结构，再除去光刻胶。利用热的磷酸溶液腐蚀掉二氧化硅形成图示结构。用热氧化生长法在所示结构上生成一层薄的氧化层，在此基础上再淀积多晶硅。6.答： （1）必要性：多层金属技术在20世纪70年代就已经出现，它使单个集成电路中上百万晶体管和支持元件的内部互连成为可能，但是随之而来的较大的表面起伏成为亚微米图形制作的不利因素，因为更多层的加入使硅片表面变得不平整。不平整的硅片表面形貌是不理想的，它导致了一些其他的问题，其中最严重的是无法在硅片表面进行图形制作，因为它受到光学光刻中步进

17、透镜焦距深度的限制。先进的IC需要至少6层祸根更多的金属布线层，但层数增加时，硅片的表面起伏将更加显著，而一个可接受的台阶覆盖和间隙填充对于芯片的成品率和长期可靠性是至关重要的。（2）解决的问题：传统的平坦化技术有：反刻、玻璃回流、旋涂膜层。而目前，主要的平坦化工艺是化学机械平坦化。反刻它解决了原先硅片表面很近的台阶不平滑的问题，实现了局部平坦化，但是不能实现全局的平坦化。玻璃回流它解决了原来硅片表面台阶覆盖处不平坦和硅片上有缝隙的问题，实现了部分平坦化，但不足以满足深亚微米IC的多层金属布线技术的要求。旋涂膜层它解决了在0.35微米及以上器件的制造中的平坦化和填充缝隙问题，但由于在先进集成电路多层布线技术中的全局平坦化能力而受到限制。化学机械平坦化它解决了硅器件