硅集成设计电路-杨正春-考试题库.docx

1、1. 请描述晶圆的主要晶向和类型，画出主切变与副切边的关系示意图，并指出 Bipolar和 CMOS最常用的晶圆类型。(5 分)答：（a）P 型 （b）N 型（c）P 型 （d）N 型Bipolar主要采用晶圆，而 CMOS主要采用 P型 晶圆。2. 请将常用 IC制造工艺归纳为四大基本工艺，并指出各包含具体工艺。 （5 分）答：（1）Adding：Doping, layer growth, and deposition（2）Removing：Etch, clean, and CMP（3）Patterning：photolithography（4）Heating ：Annealing, all

2、oying, and reflow3. 简述扩散和离子注入的概念，并对比两者的特点。 （5 分）答：扩散是一种材料通过另一种材料的运动，是一种化学过程。扩散发生需要两个条件：浓度差；能量。离子注入是将要扩散的杂质转换为高能离子的形式，然后注入到硅体内的一种扩散方法。离子注入与扩散的比较扩散 离子注入较高的温度下进行，且需要坚硬的掩模较低温度下即可进行，对掩模的要求较低，一般的光刻胶就可以满足要求掺杂区是各向同性的 掺杂区是各向异性的不能够独立的控制掺杂的浓度和掺杂的结的深度能够独立的控制掺杂的浓度和掺杂的结的深度只能用于成批的工艺生产中 即可用于成批的生产工艺也可以用于单个 晶片的生产工艺中4

3、. 解释离子注入中的沟道效应，并给出消除或减少沟道效应的工艺方法。 （10）答：在单晶靶中，原子的排列是有规律和周期性的，因此靶原子对入射离子的阻止作用是各向异性的，取决于晶体的取向，因而入射离子入射方向不同将得到不同的射程。当入射离子沿某些低指数轴向的方向注入时，入 射离子有可能沿晶轴方向穿透的比较深，这种现象称为离子注入的沟道效应。入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟道效应，只有当入射离子的入射角小于某一角度 时才会发生，这个角称为临界角。离子以小于临界角的角度注入，它在沟道中很少受到原子核的碰撞，出现沟道效应。在实际生产过程中，为了使掺杂物质在器件中的分布尽量均匀，常采取一定的措施来防止

4、沟道效应的产生。常用的方法有：（1）使注入离子入射方向与硅晶片的晶面取向之间形成一定的角度。（2）在 Si表面镀上一层非晶硅。（3）将硅晶片表面预先用 Ar离子处理使之形成非晶层或用光掩模胶涂覆。5. 请描述集成电路制造中的三种扩散类型及各自的特点，并画出不同扩散方式对应杂质分布示意图。答：扩散类型及特点如下：（1）恒定表面源扩散：表面浓度一定下，扩散时间越长，杂质扩散距离就越深，扩散到硅片的杂质数量就越多。（2）有限表面源扩散：扩散时间越长，杂质扩散得也就越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散越深。（3）两步扩散：包括预扩散和再分布两个过程，预扩散为恒定表面源扩散，而再分

5、布过程为有限表面源扩散，实际生产应用主要采用方法。各种扩散方法对应杂质分布是示意图如下：（a）恒定表面源扩散 （b）有限表面源扩散（c）两步扩散发的预扩散和再分布6. 请描述氧化的三种方法及其特点（5 分）答：根据氧化剂的不同可以将氧化分为三种：（1） 干氧氧化，干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应产生二氧化硅。其特点是所得的二氧化硅重复性好，掩蔽性好，结构致密。（2） 水汽氧化，水汽氧化是指在高温下，硅与高纯水产生的蒸汽反应生成二氧化硅。其特点是所得二氧化硅均匀性和重复性较好，结构较为致密，掩蔽性基本满足。由于氢氧根在硅中扩散速度大于氧气在硅中的扩散速度，故其氧化速度比干氧氧化速度快。（3）

6、湿氧氧化，湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧气，这些氧气会带有一定量的水蒸气，最终是参与氧化的氧化剂除了氧气还有水蒸气。其生成的二氧化硅重复性比较差，结构疏松，掩蔽性差。氧化速度介于干氧氧化与水汽氧化之间。7. 请简述基本光刻工艺的过程及各步骤的作用？（10 分）答：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的操作，可以分以下步骤进行：1) 表面准备：清洁和干燥晶圆表面；2) 前烘 :使衬底脱水。3) 打底胶：提高光刻胶的粘附性。4) 涂光刻胶：在晶圆表面建立薄而均匀并且无缺陷的光刻胶膜；5) 软烘焙：加热蒸发掉部分光刻胶溶剂，减少溶剂光敏聚合物中正常的化学反应，并提高光刻胶的粘结能力；

7、6) 对准和曝光：掩膜版和图形在晶圆上的精确对准和光刻胶的曝光；7) 后烘：减小驻波效应。8) 显影：去除可溶于显影液的部分光刻胶；9) 硬烘焙：使溶剂继续蒸发，固化光刻胶，提高其粘结能力，从而增强其耐刻蚀性；10)显影目检：检查表面的对准情况和缺陷情况检查是否失真；11)刻蚀：在光刻胶的保护下将光刻胶的开口处晶圆顶层材料刻蚀去除；12)光刻胶去除：去除晶圆表层的光刻胶；13）最终检测：表面检查以发现刻蚀的不规则和其他问题8. 何谓刻蚀？刻蚀速率？刻蚀的选择性？湿法刻蚀和干法刻蚀的比较？答：刻蚀是将形成在晶圆表面上的薄膜全部，或特定处所去除至必要厚度的制程。刻蚀速率是单位时间内去除的刻蚀材料厚

8、度或深度。刻蚀的选择性，又称刻蚀速率比，是指在刻蚀过程中不同材料的刻蚀速率比。湿法刻蚀主要采用化学腐蚀进行，是传统的刻蚀工艺。它具有各向同性的缺点，因而精度差，线宽一般在 3um以上。而干法刻蚀（又称等离子体刻蚀）是因大规模集成电路生产的需要而开发的精细加工技术，它具有各向异性特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀。 Wet Ech Dry Etch EtchBias Unacpabl for 3m Minmu Profle IstricAnisotrpic tostrpic, ontrlabe tchat Hgh eabl, tlae Selivy i ctcrEquipmntcost Low H

9、igh Throgu High (batc) Aceptabl,contrlabe Ceical sei Lw 9.请解释铝布线中的“ 小丘”及“共熔”现象，它们带来的危害及主要解决方法？答 :加热时 Al中将产生较大应力，由于紧紧附着在晶片上的 Al产生的热膨胀远大于 SiO2，为了释放该应力，部分 Al被挤压出来形成“小丘” 。“小丘”的危害：将造成各层互连线之间的短路，同时引起表面的不平整，从而给光刻和刻蚀带来更大的困难。“小丘”的解决方法：在 Al中添加在 Al中具有有限溶解度的元素，例如铜，可以抑制小丘的形成。“共熔”现象是指当两个物质相互接触并进行加热的话，它们的熔点将比各自的熔点

10、低得多。“共熔”的危害：铝和硅能够相互溶解，所形成的合金能够溶解进硅晶片内，形成“尖刺”效应，如果其表面有浅结点的话，合金区域将扩散并进入这些结点，从而造成这些结点的短路。“共熔”的解决方法:(1)在硅和金属层之间增加一个金属隔离层来隔离金属层和硅，以此来避免共熔现象的发生。(2)采用含硅 1%-2%的铝合金，在接触加热的处理中，铝合金更倾向于和合金内部的硅发生作用，而不是晶片中的硅。10.请对比正负光刻胶的主要特点（5 分）正胶 负胶曝光部分可溶解 曝光部分不可溶解曝光速度不够快 曝光速度快粘附性差 粘附性好分辨率高（对比度高） 分辨率差(3m)未曝光的区域不受显影液的影响显影时曝光区域容易

11、变形和膨胀在 IC制造中应用更为普遍 曝光时光刻胶可与氮气反应从 而抑制其交联而不能够硬化11.请对比湿法腐蚀与干法刻蚀的主要特点？（5 分）答：在湿法腐蚀的过程中， 通过使用特定的溶液与需要被腐蚀的薄膜材料进行化学反应，进而除去没有被光刻胶覆盖区域的薄膜。干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击完成去除物质的方法。因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称之为干法刻蚀。干法刻蚀 湿法刻蚀刻蚀应用线条 较小 3微米以上刻蚀取向 各向异性 各项同性刻蚀速率 低，可控可调节 高选择性 低，可控 高设备成本 高 低设备产出 高，可控 高化学药品消耗 低 高12.什么是驻波效应？请列出消除

12、驻波效应的工艺方法及消除原理。（10）答：驻波效应是由于入射光与反射光产生干涉使沿胶厚的方向的光强形成波峰和波谷产生的。 消除驻波效应的主要方法：（1）采用热烘烤（PEB）技术消除驻波效应。原理：通过加热，利用分子的热运动平滑驻波效应产生的不平整。（2）利用带染色剂的光刻胶消除驻波效应。原理：带染色剂的光刻胶可将大部分或几乎全部的入射光吸收，防止其反射。这样入射光就不能和反射光产生干涉，所以可消除驻波效应。（3）加抗反射层。原理：通过加入抗反射层可以改变反射光的波长差，使反射光无法和入射光发生干涉，所以可以消除驻波效应。13.请简述 CVD的主要过程（10 分）答：化学气相沉积的主要步骤如下：

13、（1） 反应剂（或被惰性气体稀释的反应剂）气体以合理的流速被输送到反应室内，气流从 入口进入反应室并以平流形式向出口流动。（2） 反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底（如硅片） 表面， 边界层是主气流区与硅片表面之间气流速度受到扰动的气体薄层。（3） 反应剂被吸附在硅片的表面， 成为吸附原子（分子）。（4） 吸附原子（分子） 在衬底表面发生化学反应，生成薄膜的基本元素并淀积成薄。（5）化学反应的气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面，进入主气流区被排除系统。14.请描述电迁移现象及改进电迁移的方法（10 分）答：金属化引线中电迁移现象是一种大电流密度作用下的质量输运现象。Al薄膜一般情

14、况下多晶材料，由许多单晶粒组成，电流沿 Al线传输时，电子连续地轰击 Al晶粒，其中的小晶粒在电子流作用下开始移动，这种现象被称为“电迁移”。质量输运是沿着电子流方向进行，结果在一个方向上形成空洞，在另一个方向则由于 Al原子的堆积而形成小丘。空洞将导致互连引线的开路和断裂，而小丘会造成光刻的困难和多层布线之间的短路。电迁移的本质：导体原子与通过该导体电子流之间的相互作用。当电子风作用力处于主导地位时，发生电迁移。改进电迁移的主要方法如下：（1） 考虑结构的影响，采用“竹状”结构，使得晶粒间界垂直于电流方向，晶粒间界的扩散不起作用。（2） 采用能够改善 MTF的合金材料体系，如 Al-Cu合金

15、或 Al-Si-Cu合金。（3） 在两层金属之间增加过渡层，形成三明治结构，改善电迁移。（4）采用抗电迁移特性好的材料(新型的互连材料-Cu)。15.请对比薄膜沉积两种主要方法（PVD 和 CVD） ，并分别列出四种以上的 CVD和 PVD类型；对比各种溅射方法的特点。 （10 分）答：化学气相沉积（CVD）是气相反应物在真空腔体中反应生成薄膜的沉积工艺，具有以下特点：保形好，能够很好地沉积化合物薄膜，薄膜沉积时表现为各向同性；而物理气相沉积（PVD）则是物理阵法或轰击靶材，最终在基片表面形成薄膜的沉积方法，PVD 特点在于高真空下有利于形成高质量的薄膜，多表现为各项异性。（1）CVD 的主要

16、类型：APCVD；LPCVD；PECVD；MPCVD；MOCVD； （2）PVD 的主要类型：蒸发和溅射，蒸发包括热蒸发和电子束蒸发等溅射则主要包括：a) 直流溅射：阴极溅射，适用于金属靶材；b) 射频溅射：13.56MHz 高频作用，形成自偏压，非金属靶材也可以；c) 磁控溅射：E、B 垂直加速电子，显著提高薄膜沉积速率，低压下改善了薄膜质量；d) 反应溅射：单质靶材表面反应，形成化合物表面，溅射得到其化合物薄膜；e) 离子束辅助溅射：超薄高质量薄膜的沉积；f) 偏压溅射：利用外加偏压改变入射离子的数量和能量，进而改变薄膜的性能。16.请结合图描述硅外延生长速率与 SiCl4浓度的关系及其原

17、因。（15 分）硅外延生长速率与 SiCl 4浓度的关系答：生成硅的反应方程式：SiCl 4（g）+2H 2（g） Si（s）+4HCl （g）竞争反应：SiCl 4（g）+ Si（s）2SiCl 2（g）随着 SiCl4的浓度的增加，硅薄膜的生长速率逐渐增加；当浓度达到一定程度时，生长速率达到最大值，进一步增加浓度，生长速度减小；当 SiCl4的浓度达到一定大时，生长速率减小到零，再增加浓度，开始负生长，即开始刻蚀。硅外延生长速率主要受两个过程控制，其一是氢还原 SiCl4析出硅原子过程，其二是被释放出来的硅原子在衬底上生成单晶层的过程。也就是说 SiCl4被氢还原析出硅原子的速度，以及析出

18、的硅原子有规则地排列在衬底上的速度中较慢的一个将决定外延生长速率。当 SiCl 4 浓度较小时，SiCl 4 被氢还原析出硅原子的速度远小于被释放出来的硅原子在衬底上生成单晶的速度，因此化学反应速度控制着外延层的生长速率。当增加 SiCl 4 浓度时，化学反应速度加快，即释放硅原子的速度加快，生长速率也就提高了。当 SiCl 4 浓度大到一定程度时，化学反应释放出的硅原子速度大于硅原子在衬底表面的排列生长速度，此时在衬底表面的排列生长速度就控制着外延生长速率。进一步增大 SiCl 4浓度，也就是当 Y 值达到 0.1 时，生长速率最大。高浓度的 SiCl4不仅不能再生成外延硅，而且开始刻蚀刚生成的硅外延层，整体表现为硅生长速度减慢，当 SiCl4 的浓度增长到 0.27 时，刻蚀速度大于生长速度，整体表现为逆生长。17.请比较 IC制造工艺过程中常用的四种平坦化方法，并指出其他平坦化方法相比，CMP 具有的优缺点。 （15 分）