硅集成电路工艺期末复习题目答案.doc

一、名词解释（1）化学气相沉积：化学气体或蒸气和晶圆表面的固体产生反应，在表面上以薄膜形式产生固态的副产品，其它的副产品是挥发性的会从表面离开。（2）物理气相沉积：“物理气相沉积” 通常指满意下面三个步骤的一类薄膜生长技术: a.所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体;b.生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底;c.蒸汽在衬底表面上凝聚，形成薄膜(3)溅射镀膜：溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来的带电离子进行加速，使其获得一定的动能后，轰击靶电极，将靶电极的原子溅射出来，沉积到衬底形成薄膜的方法。(4)蒸发镀膜：加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流并入射到硅片（衬底）表面，凝结形成固态薄膜 。(5)替位式扩散：占据晶格位置的外来原子称为替位杂质。只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较轻易地运动到近邻空位上(6)间隙式扩散：间隙式扩散指间隙式杂质从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置。(7)有限表面源扩散：扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入，此种扩散称为有限源扩散。(8)恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度始终保持不变。(9)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：向硅的内部，横向和重新离开硅片。假如杂质原子沿硅片表面方向迁移，就发生了横向扩散。(10)保形覆盖：保形覆盖是指无论衬底表面有什么样的倾斜图形在所有图形的上面都能沉积有相同厚度的薄膜。二、简述题1、简述两步扩散的含义与目的。答：为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式在硅片表面扩散一层杂质原子，其分布为余误差涵数，目的在于控制扩散杂质总量；第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度，主扩散的同时也往往进行氧化。2、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：杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，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下降，而杂质分布主要是由温度与扩散时间来决定。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。3、简述离子注入工艺中退火的主要作用。答：由于离子注入所造成的损伤区及畸形团，增加了散射中心及陷阱能级，使迁移率和寿命等半导体参数下降。此外，大部分的离子在被注入时并不位于替位位置，未退火之前的注入区域将呈显高阻区。为（）激活被注入的离子（使其变成替位杂质）；（）恢复有序的晶格结构（如果是无定形结构，就谈不上替位杂质与间隙杂质）,其目的是恢复迁移率（减少散射中心）和恢复寿命（减少缺陷能级，减少陷阱），必须在适当的时间与温度下将半导体退火。4、简述沟道效应的含义及其对离子注入可能造成的影响如何避免？ 答：对晶体进行离子注入时，当离子注入的方向与与晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动，受到的核阻止作用很小，而且沟道中的电子密度很低。受到的电子阻止也很小，这些离子的能量损损失率很低，注入深度就会大于无定形衬底中深度，这种现象称为沟道效应。沟道效应的存在，使得离子注入的浓度很难精确控制，因为它会使离子注入的分布产生一个很厂的拖尾，偏离预计的高斯分布规律。沟道效应降低的技巧：（1）、覆盖一层非晶体的表面层、将硅晶片转向或在硅晶片表面制造一个损伤的表层。（2）、将硅晶片偏离主平面5-10度，也能有防止离子进入沟道的效果。（3）、先注入大量硅或锗原子以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层。5、SiO2膜在IC器件中的有哪些应用？答：（1）、用作选择扩散的掩膜；（2）、用作器件表面保护及钝化；（3）、用作器件中的绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质）；(4)离子注入中用作掩蔽层及缓冲介质层等。CVD二氧化硅应用：钝化层；浅沟槽绝缘(STI)；侧壁空间层；金属沉积前的介电质层(PMD)；金属层间介电质层(IMD)6、简述干氧氧化与湿氧氧化各自的特点，通常用哪种工艺制备较厚的二氧化硅层？ 答：干氧氧化：（优）结构致密，表面平整光亮；对杂质掩蔽能力强；钝化效果好；生长均匀性、重复性好；表面对光刻胶的粘附好，（缺）生长速率非常慢。湿氧氧化：（优）生长速率介于干O2与水汽氧化之间；可由水温、炉温调节生长速率，工艺灵活性大；对杂质的掩蔽能力、钝化效果能满足工艺要求，（缺）表面存在羟基使其对光刻胶的粘附不好。通常用湿氧氧化工艺制备较厚的二氧化硅层。在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二氧化硅层表面和Si-SiO2界面的质量,有解决了生长效率的问题。7、采用热氧化法制备二氧化硅层最容易引入哪种污染物，它会对MOS管造成何种影响，如何减少这种污染？答：最容易引入的污染物是Na+。Na+离子很容易进入SiO2中,它不仅扩散系数大,而且迁移率大,最主要的影响是引起MOS晶体管的阈值电压不稳定, 因此,Na+离子含量成为SiO2质量好坏的重要标志，如何钝化可动Na离子就成为一个重要课题进入SiO2的Na离子数量依赖于氧化过程中的清洁度,为了降低Na离子的污染,可以采取一些预防措施,包括:(1)使用含氯的氧化工艺,(2)用氯周期性地清洗管道炉管和相关的容器(3)采用超纯净的化学试剂,保证气体及气体传输过程的清洁.8、与普通溅射法相比，磁控溅射的特点是什么？答：普通溅射法有两个缺点：一是溅射方法淀积薄膜的速率低；二是所需的工作气压较高，这两者综合效果是气体分子对薄膜产生的污染的可能性提高。 磁控溅射：使电子的路径不再是直线，而是螺旋线，增加了与气体原子发生碰撞的几率，在同样的电压和气压下可以提高电离的效率，提高了沉积速率该方法淀积速率可比其他溅射方法高出一个数量级，薄膜质量好。这是磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率，因而工作气压可以明显下降，较低的气压条件下溅射原子被散射的几率减小。这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，因而可以很到程度上改善薄膜质量。9、说明APCVDLPCVDPECVD各自的含义及特点。 含义：APCVD 常压化学气相沉积法；LPCVD低压化学气相沉积法；PECVD 等离子体增强型化学气相沉积法。特点：APCVD制程发生在大气压力常压下,适合在开放环境下进行自动化连续生产。APCVD易于发气相反应，沉积速率较快，可超过1000A/min，适合沉积厚介质层。但由于反应速度较快,两种反应气体在还未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生成物颗粒,这些生成物颗粒落在硅片表面,影响硅片表面的薄膜生长过程,比较容易形成粗粗糙的多孔薄膜,使得薄膜的形貌变差.低气压(133.3Pa)下的CVD较长的平均自由路径可减少气相成核几率,减少颗粒,不需气体隔离,成膜均匀性好；晶圆垂直装载和提高生产力；但是反应速率较低,需要较高的衬底温度。APCVD 通常使用稀释的硅烷 (在氮中占3%) 和 LPCVD 使用纯硅烷。PECVD低温下有高的沉积速率；射频在沉积气体中感应等离子体场；表面所吸附的原子不断受到离子与电子的轰击容易迁移使成膜均匀性好台阶覆盖性好；射频控制沉积薄膜的应力；反应室可用等离子体清洗。10、CVD工艺中主要有哪两种硅源?各自的性质与特点是什么?CVD工艺中主要有硅烷、四乙氧基硅烷 (TEOS)。硅烷：硅烷分子完全对称的四周体；不会形成化学吸附或物理吸附；硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎片 SiH3 SiH2 or SiH 很容易与基片表面形成化学键，黏附系数大；表面迁移率低，通常会产生悬突和很差的阶梯覆盖。四乙氧基硅烷 (TEOS)：四乙氧基硅烷 (Si(OC2H5)4) ，也称正硅酸四乙酯，室温下为液态，化学性能不活泼，很安全。大型有机分子，TEOS分子不是完整对称的，可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面，表面迁移率高，好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充，广泛使用在氧化物的沉积上。主要特点：硅烷成本低，沉积速率快好；因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很强,台阶覆盖性较好.11、IC工艺中常用的间隙填充方法有哪些?简述各种方法的原理间隙填充方法：1)沉积/蚀刻/沉积，硅烷和臭氧-四乙氧基硅烷氧化物薄膜2)保形性沉积，O3-四乙氧基硅烷和钨CVD3)高密度等离子体 CVD原理：1)沉积/蚀刻/沉积：先沉积一层SiO2膜，然后在沉积的间隙处进行蚀刻成一个“V”字形，最后在进行间隙填充。2)保形性沉积：利用保形覆盖的方法在表面沉积相同厚度的薄膜。3)高密度等离子体 CVD：利用重度的离子轰击通常保持间隙开口为倾斜的，而且沉积是由下而上沉积，沉积与蚀刻同时发生。12、多层互联线间的绝缘层通常是哪种介质选择这种介质的依据是什么?能否用热氧化法或高温CVD工艺制备此介质?为什么? 答：多层互联线间的绝缘层通常使用的介质材料包括：以硅烷为源的CVD SiO2用TEOS通过PECVD得到的SiO2 PECVD得到的氮化硅，SOG HDP-CVD SiO2 低k介质。选择上述介质的依据是由于上述介质满足如下特点：(1) 低介电常数;(2)高击穿电压;(3)低泄露电流，体电阻率大于 ；(4)低表面电导，表面电阻率大于 ；(5)不会吸湿；(6)低的薄膜导致的应力；(7)与铝膜的附着性要好，对附着性差的金属，在金属层与介质层之间需要使用衬垫层；(8)与上下介质层的附着性要好；(9)温度承受能力在500摄氏度以上；(10)易刻蚀（湿法或干法刻蚀）；(11)答应氢气氛围下加工没有电荷或偶极矩的聚集区；(12)没有金属离子；(13)好的台阶覆盖且不形成凹角；(14)好的厚度均匀性；(15)对掺杂的氧化层，好的掺杂均匀性；（16）低缺陷密度；(17)无挥发性残余物存在。不能用热氧化法和高温CVD工艺制备此介质。1）热氧化法必须在硅表面才能形成二氧化硅，多层互联线间很少有这样的硅表面。2）多层互联线所用的金属材料大多不能承受过高的温度。如互联线材料铝，铝的熔点较低大约在400摄氏度，温度较高时就破坏了原有的走线。同时，由于工艺中的诸多现象受高温的影响。13、画图说明IC工艺中的接触孔或通孔的金属化系统。接触孔或通孔的金属化系统通常使用CVD钨方法和两步高温溅射铝这两种方法。（1）使用CVD钨方法如图所示，通过沉积钨薄膜，进行回刻除去多余的钨，可以实现对垂直通孔很好的填充。为了增加钨与下层金属的附着能力，通常在CVD沉积钨之前需要生长一层TiN或TiW作为附着层，在回刻完成以后，为了避免钨与铝直接接触，还需要生长一层阻挡层，通常使用TiN。（2）两步高温溅射铝法，利用铝在高温下具有的较高的表面迁移率，可以有很好的台阶覆盖能力的耐性，实现对垂直通孔的完全填充，一般先在较低温度下溅射生长一层钝铝，然后在较高温度（350400）下溅射生长Al、Cu；第一层覆盖通孔的侧壁和底部，并作为第二层的种子层，第二层实现对通孔的完全填充。14、简要说明IC制造的平坦化工艺的作用是什么？主要有哪些方式？并解释各种方式的详细内容。在多层布线立体结构中，把成膜后的凸凹不平之处进行抛光研磨，使其局部或全局平坦化。（a）关于ECMP(电化学机械研磨方法)，其工作步骤如下：首先，用电能使Cu氧化，再用络合剂使之生成Cu的络合物，最终研磨掉Cu络合物。从对加工面进行研磨 加工的原理观察，除了Cu的氧化方法之外，ECMP和CMP是同样的，而且加工面获得的平坦度性能也是同等水平。但是，ECMP的必要条件是底座盘应具备 导电性。 （b）关于电解研磨ECP方法，利用电镀的逆反应。从电场集中之处开始进行刻蚀，可获得平滑的研磨加工表面；但是，它能刻蚀平坦的区域只限于突起部分。 （c）关于化学蚀刻CE构成的平坦化技术，它是把Si的精细加工等领域里使用的各向异性刻蚀用湿式刻蚀法（Wet Etching）实现的。关于湿式刻蚀法虽然对于平坦化无能为力，但是，若把圆片一面旋转一面加工，则产生各向异性，体现出平坦化能力。15、光刻工艺的主要流程有哪几步？什么是光刻工艺的分辨率？从物理角度看，限制分辨率的因素是什么？最常用的曝光光源是什么? 答：光刻的工艺流程共分7步：（1）涂胶，（2）前烘，（3）曝光，（4）显影，（5）坚膜（6）刻蚀，（7）去胶。分辨率是指线条和间隔清晰可辨时每mm中的线对数。从物理的角度看，限制分辨率的因素是衍射。最长用的曝光光源是紫外光。16、氮化硅的主要特点是什么？IC工艺中有哪些地方用到它？ 那为什么不使用氮化物作为PMD层？（1）高介电强度 >1 x 107 V/cm、高介电常数 k = 7.0、对水气与可移动离子的阻挡性佳 (Na+)、氮化物紫外线无法穿透（2）很适合于作钝化层，因为它有非常强的抗扩散能力尤其是纳和水汽在氮化硅中的扩散系数很小;通过PECVD可以制备出具有较低压应力的氮化硅膜;可以对底层金属进行保形覆盖;薄膜中的针孔很少.还可以作PSG 或 BPSG的扩散阻挡层LPCVD氮化硅薄膜需要较高的沉积温度(700800)可用作电容的介质层不适合作钝化层；PECVD氮化硅薄膜沉积温度低(200400)适合作钝化层。在ULSI中的主要应用：（1）集成电路最终钝化层和机械保护层（尤其是塑料封装的芯片）；（2）硅选择性氧化的掩蔽膜；（3）DRAM电容中作为O-N-O叠层介质中的一种绝缘材料；（4）作为MOSFETs的侧墙；（5）作为浅沟隔离的CMP停止层。（3）氮化硅有较高的介电质常数；使用氮化硅当做互连线间的介电质会造成较长的RC 时间延迟，影响电路的速度；薄的氮化物层 ( 200 A)在PMD的应用是当做扩散阻挡层防止磷与硼从BPSG扩散进入源极/漏极。