半导体工艺原理作业题集

集成电路工艺作业第一章半导体衬底1、列举生产半导体级硅的三个步骤，给出反应方程式。说明半导体级硅有多纯？2、为什么要用单晶进行硅片制造？3、CZ单晶生长法定义Czochralski（CZ）—查克洛斯基法生长单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。CZ法特点：a.低功率IC的主要原料。b.占有〜80%的市场。c.制备成本较低。d.硅片含氧量高。4、影响CZ法直拉工艺的两个主要参数是什么？拉伸速率和晶体旋转速率。5、区熔法的特点是什么？a.硅片含氧量低、纯度高。b.主要用于高功率IC。c.制备成本比CZ法低。d.难生长大直径硅晶棒。e.低阻值硅晶棒掺杂均匀度较差。7、使用更大直径硅片的主要原因是什么？300mm硅片比200mm硅片面积大2.25倍，这样就会在一块硅片上生产更多的芯片。每块芯片加工和处理时间都减少了，设备生产效率提高了。使用300mm直径的硅片可以把每块芯片的成本减少30%。节省成本是驱使半导体业转向使用更大直径硅片的主要原因。8、硅中的晶体缺陷：点缺陷、位错、层错。第二章氧化1、半导体器件生产中使用的介质材料有二氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物。2、二氧化硅的基本性质有哪些？a、可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移、b、可以作为多数杂质掺杂的掩蔽、c、优秀的绝缘性能、d、很高的击穿电场（＞107V/cm）、e、体电学性能稳定、f、稳定、可重复制造的Si/SiO2界面3、金属层间绝缘阻挡层目的：用于金属连线间的保护层。4、热生长SiO2的各种运用对厚度有不同要求栅氧（0.18pm工艺）：20~60埃；STI隔离氧化物：150埃；场氧：2500〜15000埃5、有几种类型的电荷存在于氧化层内部或在SiO2和Si/SiO2界面附近？a）界面陷阱电荷;b）固定氧化层电荷;c）移动离子电荷;d）大量氧化层陷阱电荷6、干氧和湿氧氧化反应方程式及氧化层的特点？这两种反应都在700°C〜1200°C之间进行，湿氧氧化比干氧氧化反应速率约高皿倍。在实际工艺应用中，对于SiO2膜厚度需要几千A以上的情况，一般采用干氧+湿氧+干氧的方式，既保证了所需的厚度，又改善了表面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。7、1即厚SiO2消耗0.46pmSi8、Deal-Grove迪尔―格罗夫模型适用于：氧化温度700〜1200度；局部压强0.1〜25个大气压；氧化层厚度为20〜2000nm的湿氧和干法氧化9、压强对氧化速率的影响a、如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低b、如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。10、氯对氧化速率的影响：氯的介入会使二氧化硅增加许多物质特性，已经报道过的这些增加的特点有：a）二氧化硅中移动电荷减少；b）底层硅少数载流子寿命延长；c）氧化层缺陷数量减少，使得二氧化硅击穿强度增大；d）界面电荷以及固定电荷浓度减小；e）由于氧化导致底层硅的层错数量减少，所以在VLSI中通常就采取这样的措施，即故意在干氧的过程加氯。氯存在的潜在不良影响是在低氧气流情况下对Si进行各向异性刻蚀。11、晶向对氧化速率的影响：（111）晶向氧化最快，（100）最慢11、等离子体对氧化速率的影响：一个等离子体环境能够加快氧化速率。12、光子对氧化速率的影响：在氧化环境中对硅是直接进行光照（光子），硅片的氧化速率会增加，这种效应被称为光子辅助氧化。13、氧化层厚度的测量：许多技术适用于氧化厚度的测量，最重要的有：a）光学干涉法；B）椭圆对称法；c）电容法；d）色谱的应用。14、生长氧化层与淀积氧化层之间的区别是什么？p21015、为什么栅氧要用热生长？p21317、说明干法氧化的化学反应式，通常发生反应的温度范围。P21518、说明干法氧化的化学反应式，与干法相比是快还是慢，为什么？p21519、如果热生长氧化层厚度为2000A，那么51消耗多少？p21520、列举氧化工艺中掺氯的两个优点。21、描述氧化物的生长速率，影响这种速率的参数是什么？23、等离子体对氧化物生长的影响是什么？p21924、LOCOS是什么？热氧化中如何使用？鸟嘴效应是什么？为什么它不受欢迎？补充：25、氧化工艺迪尔―格罗夫模型的抛物线速率常数8与晶向无关，线性速率常数B/A与晶向有关。第三章扩散作业1、短沟道效应(ShortChannelEffect)：短沟道效应主要是指阈值电压与沟道相关到非常严重的程度。源-漏两极的p-n结将参与对位于栅极下的硅的耗尽作用，同栅极争夺对该区电荷的控制。栅长Lg越短，被源-漏两极控制的这部分电荷所占的份额比越大，直接造成域值电压Vt随栅长的变化。VG起十Lxdcj（理+qXj

p' depletionregion2、方块电阻(薄层电阻)定义：方块电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量。sXsXGxjj1 _1q^Nx q闻Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量3、体电阻与方块电阻的关系:wxj方块时，l=w,R=RS。所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。4、固溶度(solidsolubility)：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。5、扩散定义：材料中元素分布的不均匀会导致扩散行为的进行，使得元素由浓度高处向浓度低处移动，从而产生的一种使浓度或温度趋于均匀的定向移动。6、扩散的微观机制都有哪些？给出相关扩散方式的定义及扩散杂质的种类。①间隙式扩散：杂质进入晶体后，仅占据晶格间隙，在浓度梯度作用下，从一个原子间隙到另一个相邻的原子间隙逐次跳跃前进。每前进一个晶格间距，均必须克服一定的势垒能量。势垒高度Ei约为0.6~1.2eV间隙式扩散杂质包括Au,Ag,Cu,Fe,Ni,Z叫Mg,O等，这些杂质均属于快扩散杂质。②替位式扩散：杂质进入晶体后，占据晶格原子的原子空位(空格点)，在浓度梯度作用下，向邻近原子空位逐次跳跃前进。每前进一步，均必须克服一定的势垒能量。替位式原子必须越过的势垒高度为Es约3〜4eV。替位式扩散杂质包括B,P,As,Sb,Ga,Al,Ge等，这些杂质均属于慢扩散杂质。8、费克第二定律的推导描述扩散运动的基本方程是费克第一定律:FQ,t)=一D江叱d.x推导费克第二定律的最简单的方法可从一段横截面积为A的长条材料开始。考虑其中长度为dx的一小段体积，有J2—J1_dJAx dx式中，J2是流出这一段体积的流量，J1是流入这一段体积的流量。如果这两个流量的值不同，就表示在这一小段体积中扩散物质的浓度一定发生了变化。而这一体积元中杂质的数量正是浓度和微分体积元(A.dx)的乘积，因此连续性方程可以表示为TOC\o"1-5"\h\zdC_f) dJAdx—=—A\J—J)=—Adx—dt 21 d.x或dC\x,t) dJ 二—— dt d.x根据费克第一定律，上式可写成士=afd些］St ISx)上式是费克定律最通用的表达式，如果假设扩散系数和位置无关的话，则该式可以简化为SCQt)“S2\z,t) =D St Sz2式中的位置变量已改写为z,这是因为沿硅片(深度)方向的扩散是主要因素。对于各向同性的三维介质，费克第二定律可写成=DV2C10、扩散工艺包括气态相源扩散、液态源扩散、固态源扩散、旋涂源扩散等12、恒定表面源扩散扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布。13、有限表面源扩散扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化。这种类型的扩散称为有限表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布。14、横向扩散由于光刻胶无法承受高温过程，扩散的掩膜都是二氧化硅或氮化硅。当原子扩散进入硅片，它们向各个方向运动：假如杂质原子沿硅片表面方向迁移，就发生了横向扩散。16、扩散掺杂与离子注入掺杂所形成的杂质浓度分布各自的特点是什么？与扩散掺杂相比离子注入掺杂的优势与缺点各是什么？答：扩散杂质所形成的浓度分布：杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。离子注入杂质所形成的浓度分布：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。(1).离子注入掺杂的优势：相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更正确地控制掺杂原子数目、掺杂深度、横向扩散效应小和较低的工艺温度，较低的温度适合对化合物半导体进行掺杂，因为高温下化合物的组分可能发生变化，另外，较低的温度也使得二氧化硅、氮化硅、铝、光刻胶、多晶硅等都可以用作选择掺杂的掩蔽膜，热扩散方法的掩膜必须是耐高温材料。(2)离子注入掺杂的缺点主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退化处理用来去除这些损伤。17、恒定表面源扩散的杂质分布服从余误差函数分布。18、有限表面源扩散的杂质分布服从高斯函数分布。第四章离子注入作业1、离子注入定义：离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质。2、离子注入工艺相比扩散工艺具有以下优点：(1)、可以在较低的温度下，将各种杂质掺入不同的半导体中。(2)、能精确地控制掺入硅片内部杂质的浓度分布和注入深度。(3)、可以实现大面积的均匀掺杂，而且重复性好。(4)、掺入杂质纯度高。(5)、由于注入杂质的直射性，杂质的横向扩散小。(6)、可以得到理想的杂质分布。(7)、工艺条件容易控制。(8)、没有固溶度极限。注入杂质含量不受硅片固溶度限制。4、一般横向扩散结深=(0.75〜0,85)XXj(Xj为纵向结深)7、阻止机制：材料对入射离子的阻止能量的大小用阻止机制来衡量。阻止机制表示离子在靶内受到阻止的概率。1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。LSS理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程电子阻止机制：来自原子之间的电子阻止，属于非弹性碰撞。核阻止机制：来自原子核之间的碰撞，属于原子核之间的弹性碰撞。总能量损失为两者的和9、核碰撞特点：入射离子与晶格原子的原子核发生碰撞，散射显著、引起晶格结构的损坏。电子碰撞特点：入射电子与晶格原子的电子发生碰撞，入射离子的路径几乎不变、能量传输小、晶格结构的损坏可以忽略不计。11、非局部电子阻止不改变入射离子要点方向；局部电子阻止电荷/动量交换导致入射离子运动方向的改变(核间作用)。电子阻止本领和入射离子的能量的平方根成正比。核阻止机制在低能量下起主要作用；电子阻止机制在高能量下起主要作用。12、入射离子的浓度分布理论计算表明，在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯函数形式。13、什么是横向效应？横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。横向效应不但和入射离子的种类有关，还和入射能量有关。横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。15、离子注入的沟道效应沟道效应：当离子沿晶轴方向入射时，大部分离子将沿沟道运动，不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。17、离子注入的晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位一间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。21、损伤程度和下面因素有关：注入剂量和离子的质量数。22、为什么离子注入后要进行损伤退火？损伤退火的目的是什么？注入后的半导体材料：杂质处于间隙n<<ND；p<<NA，离子注入后造成晶格损伤，引起迁移率下降和少子寿命下降。损伤退火的目的：①去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构让杂质进入电活性(electricallyactive)位置一替位位置。恢复电子和空穴迁移率。注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布。第五章光刻作业1、光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。2、光刻胶又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。基于感光树脂的化学结构，光刻胶可以分为三种类型：光聚合型、光分解型、光交联型。3、负胶特点：①曝光前可溶，曝光后不可溶②良好的粘附能力③良好的阻挡作用④感光速度快⑤显影时吸收显影液发生膨胀和变形。所以只能用于2um以上的分辨率4、正胶特点：①曝光前不可溶，曝光后可溶②分辨率高③台阶覆盖好④对比度好⑤粘附性差⑥抗刻蚀能力差⑦高成本6、分辨率定义：《半导体制造技术》p312倒数第二段。8、光刻工艺中的HMDS是什么？它其什么作用？《半导体制造技术》p320后两段。13、列出并描述旋涂光刻胶的4个基本步骤。《半导体制造技术》p33014、陈述软烘的4个原因。《半导体制造技术》p33318、列出并解释两种形式的光波干涉。《半导体制造技术》p34419、光刻中使用的两种UV光源是什么？《半导体制造技术》p34621、哪种激光器用做248nm的光源？193nm的光源是什么？《半导体制造技术》p34823、驻波效应：光线照射到光刻胶与晶圆的界面上会产生部分反射。反射光与入射光会叠加形成驻波，形成驻波效应。驻波效应影响光刻分辨率。后烘烤后会部分消除驻波效应。第六章刻蚀作业1、定义刻蚀，刻蚀的目标是什么？《半导体制造技术》p4045、为什么在刻蚀过程中有时会在图形的侧壁上形成聚合物？这些聚合物在刻蚀完成后是否要去除？《半导体制造技术》p4106、干法刻蚀的目的是什么？列举干法刻蚀同湿法刻蚀相比具有的优点。干法刻蚀的不足之处是什么？《半导体制造技术》p4119、氧化物等离子体刻蚀通常用什么化学气体？举出一种常用的氧化物刻蚀的化学气体。《半导体制造技术》p424第七章化学气相沉积和介质薄膜(CVD)作业1、化学气相淀积定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。其英文原名为“ChemicalVapourDeposition"，简称为“CVD”。5、CVD反应中低压会带来什么好处？《半导体制造技术》p2496、PSG、BPSG、FSG各是什么的缩写？《半导体制造技术》p249-2508、CVD过程中采用等离子体的优点有哪些？《半导体制造技术》p256〜2579、沉积多晶硅采用什么CVD工具？写出掺杂的Poly-Si做栅电极的六个原因。沉积多晶硅采用LPCVD,即低压CVD工艺。.通过掺杂可得到特定的电阻.与SiO2有优良的界面特性.和后续高温工艺的兼容性.比金属电极(如Al)更高的可靠性.在陡峭的结构上沉积的均匀性.实现栅的自对准工艺第八章化学机械平坦化作业1、列举和论述三种传统的平坦化方法及相关的定义。《半导体制造技术》p480~4814、CMP清洗的重点是什么？《半导体制造技术》p4935、列举硅片应用到CMP的6个例子。《半导体制造技术》p495第九章金属化作业1、解释下列名称：互连、接触、通孔和填充塞。《半导体制造技术》p2772、哪种金属已经成为传统的互连金属线？什么是它的取代物？《半导体制造技术》p278第二段4、什么是欧姆接触？它的优点是什么？《半导体制造技术》p281第四段优点是接触电阻小。5、为什么选择铝作为芯片的互连金属？《半导体制造技术》p281第二段6、讨论电迁徙是怎样影响稳定性的。《半导体制造技术》p282第三段8、用铜作为半导体金属所面临的三大主要挑战是什么？《半导体制造技术》p28411、什么是电迁徙？如何防止Al电迁徙产生？在较高的电流密度作用下,互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁徙。本质是导体原子与通过该导体的电流相互作用，对于铝就是铝原子沿着晶粒间界的扩散。改进电迁徙的方法一：采用梳状电极，组成多晶硅的晶粒从下而上贯穿引线截面,晶粒间界垂直电流方向，所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄膜中的扩散系数和单晶体相似,从而可使抗电迁徙能力提高二个数量级。改进电迁徙的方法二：采用铝一铜合金和铝一硅一铜合金，Al-Si(1%~2%)-Cu(4%),杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在铝晶界的扩散系数，从而可使抗电迁徙能力提高一个数量级。改进电迁徙的方法三：采用三层夹心结构，可以在两次铝之间增加大约50nm厚的过度金属层。这三层金属通过400度退火1小时后，在两层铝之间形成金属化合物，可以防止空洞穿越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的扩散系数,从而可使抗电迁徙能力提高二到三个数量级。12、什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们的优点是什么？如何实现？答：Polycide一般是由silicide和polysi组成的多晶硅化物。优点在于：低的电阻，热稳定性好，好的化学稳定性，能与硅形成均匀一致的界面。

实现:(1).多晶硅的沉积和掺杂，PVD或者CVD沉积。⑵.金属硅化物沉积，PVD或者CVD沉积。.热退火。.栅掩模光刻.RIE刻蚀.S/D离子注入Salicide(SelfAligned5通d4©)是自对准硅化物的简称。优点在于:1.自对准。2.s/d区寄生电阻大大减少3.栅层互联电阻减少,很好的界面，适合应用于短沟道器件。实现过程:.自对准多晶硅生成，。.绝缘介质沉积，RIE刻蚀形成侧墙。.S/D区形成(4).磁(4).磁控溅镀一层金属在整个晶片的表面.低温快速热退火，使淀积的金属膜与源漏极的硅和栅极的多晶硅反应，而形成金属硅化物.未参加反应的金属用湿法刻蚀加以去除。.高温快速热退火，形成高电导的金属硅化区。第十章IC工艺集成1、什么是浅槽隔离STI?(即简要描述浅槽隔离5(11),它取代了什么工艺？为什么？浅槽隔离是在衬底上通过刻蚀槽、氧化物填充及氧化物平坦化等步骤，制作晶体管有源区之间的隔离区的一种工艺。它取代了LOCOS隔离工艺。STI取代LOCOS是因为：LOCOS隔离的缺点：①鸟嘴浪费有源区面积，影响集成度。②横向尺寸不能精确控制。STI的优点：提高电路的集成度，改善电路的抗闩锁性能。所以STI最终取代了LOCOS作为隔离工艺。2、写出早期基本的3.0umCMOSIC工艺技术的工艺流程。.双阱工艺.LOCOS隔离工艺.多晶硅栅结构工艺.源隔(5/0)注入工艺.金属互连的形成.制作压点及合金.参数测试3、在早期基本的3.0umCMOSIC工艺技术中，阱的作用是什么？并描述LOCOS隔离原理。阱的作用：①使PMOS和NMOS管的阈值电压满足要求；②减小寄生的闭锁效应；③PMOS管做在N阱里，NMOS管做在P阱里，用N阱-衬底PN结的反偏实现PMOS管和NMOS管之间的电气隔离。LOCOS隔离原理：通过NMOS场区的硼注入及场区选择氧化，增加场区的表面掺杂浓度及场区氧化层厚度，从而提高寄生NMOS管的阈值电压，使该阈值电压大于Vcc,实现了NMOS管之间的隔离。

氧化部分习题根据DealGroveModel,当氧化温度介于700摄氏度到1300摄氏度，炉膛压力为0.2Bar到1Bar之间，氧化厚度介于30nm到2000nm之间的湿法氧化和干法氧化，其氧化厚度与时间的关系如下：d0+Ad0=B(t+T) (1.1)求解可得氧化层厚度和时间的关系：(1.2)时间和氧化层厚度的关系是d2d(1.3)t=-9—H(1.3)BB/A当氧化时间较短，满足：t+t<<A2/4B时，有d0^(B/A)(t+t),即氧化层厚度与时间成线性关系，故B/A称为线性速率常数；如果满足:t>>T+t>>A2/4B,则有d0"Bt,即氧化层厚度与时间成抛物线关系，故B称为抛物线速率常数。线性速率常数B/A和抛物线速率常数B的计算公式分别为：湿法氧化：线性速率常数：J//)/u。mRm、 /1.93eV.9/A)=(5.8*107 )exp(一 ) (1.4a)wet hr kT抛物线速率常数为r cqqRm2' /0.71eVB=(188)exp( )wet hr kT(1.4b)干法氧化：(B/A)=(7.88*106整)exp(—201.) (1.5a)dry hr kT /Rm2 1.21eVB=(665 )exp(一 ) (1.5b)dry hr kT其中k为常数，大小为k=8.617X10reV/K,K为绝对温度，计算的时候注意要把摄氏温度换算成绝对温度，即Tk=Tc+273.15。

例题1、计算在1150摄氏度时，在(100)硅片上干法生长1.2微米的氧化硅所需的时间。解题如下：根据公式(1.5),1150度下干法氧化的线性速率常数为:(B/A)dry(B/A)dry(=7.8x106(^m\ (2.01eV——exp hr) (kT(=7.8x106(Rm)(—exP-hr)I2.01eV ]8^17X1O^5ev7KX1423K)=0.5930496微米/小时抛物线速率常数为：Bdry665Rm2

hrexp)IkTBdry665Rm2

hrexp)IkT)665Ihr)(expV1.21eV8.617x10-5eV/Kx1423K)=0.03445498微米2/小时根据公式(1.3),可以计算干法氧化1.2微米所需的时间是:d2d

td2d

t=-9-+-9—BB/A=43.817小时 + 0.034454980.5930496例题2、在1100摄氏度下，在(100)硅片上先进行30分钟干法氧化，再进行30分钟湿法氧化，求最终得到的氧化层厚度是多少