半导体制造技术题库答案.doc

1、精心整理精心整理1. 分别简述 RVD 和 GILD 的原理，它们的优缺点及应用方向。快速气相掺杂(RVD,RapidVapor-phaseDoping)利用快速热处理过程 (RTP)将处在掺杂剂气氛中的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层；同离子注入相比(特别是在浅结的应用上)，RVD 技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效应的影响；对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。另外，快速气相掺杂仍然要在

2、较高的温度下完成。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。气体浸没激光掺杂(GILD:GasImmersionLaserDoping)用准分子激光器(308nm)产生高能量密度(0.52.0J/cm2)的短脉冲(20-100ns)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，溶解在液体层中的杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因而杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。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。由液体变为固态结晶体的速度非常快。

3、在结晶的同时，杂质也进入激活的晶格位置，不需要近一步退火过程，而且掺杂只发生在表面的一薄层内。由于硅表面受高能激光照射的时间很短，而且能量又几乎都被表面吸收，硅体内仍处于低温状态，不会发生扩散现象，体内的杂质分布没有受到任何扰动。硅表面溶化层的深度由激光束的能量和脉冲时间所决定。因此，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。2. 集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么优缺点？扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态源扩散。固态源扩散(1).开管扩散 ?优点：开管扩散的重复性和稳定性都很好。(2).箱法扩散优点；箱法扩散的硅表面

4、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).涂源法扩散缺点：这种扩散方法的表面浓度很难控制，而且又不均匀。(4).杂质源也可以采用化学气相淀积法淀积，这种方法的均匀性、重复性都很好，还可以把片子排列很密，从而提高生产效率，其缺点是多了一道工序。液态源扩散液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好。扩散过程中应准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等。源瓶的密封性要好，扩散系统不能漏气。气态源扩散气态杂质源多为杂质的氢化物或者卤化物，这些气体的毒性很大，且易燃易爆，操作上要十分小心。快速气相掺杂(RVD)气体浸没激光掺杂(GILD)3. 杂质原子

5、的扩散方式有哪几种？它们各自发生的条件是什么？从原子扩散的角度举例说明氧化增强扩散和氧化阻滞扩散的机理。交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其精心整理精心整理位。以上几种形式主要分成两大类：替位式扩散；填隙式扩散。替位式扩散如果替位杂质的近邻没有空位则替位杂质要运动到近邻晶格位置上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大的畸变，需要相当大的能量，因此只有

6、当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位式扩散才比较容易发生。填隙型扩散?挤出机制：杂质在运动过程中“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；Frank-Turnbull 机制：也可能被“踢出”的杂质以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。4. 写出菲克第一定律和第二定律的表达式，并解释其含义。费克第一定律: C 杂质浓度;D 扩散系数(单位为 cm2/s)J 材料净流量（单位时间内流过单位面积的原子个数）解释：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

7、，比例系数 D 定义为杂质在基体中的扩散系数。?/?杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。当浓度梯度变小时，扩散减缓。D 依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。菲克第二定律: ，假设扩散系数 D 为常数5. 以 P2O5为例，多晶硅中杂质扩散的方式及分布情况。在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图 A 类分布。晶粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂

8、质原子很少，形成如图 B 类分布。与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图 C 类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。6. 分别写出恒定表面源扩散和有限表面源扩散的边界条件、初始条件、扩散杂质的分布函数，简述这两种扩散的特点。恒定表面源扩散（预淀积扩散，predeposition）精心整理精心整理在表面浓度 Cs 一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。如果扩散时间为 t，那么通过单位表面积扩散到 Si 片内部的杂质数量 Q(t)为：恒定源扩散，其表面杂质浓度 Cs 基本上由该杂质在扩散温度(900-1200)

9、下的固溶度所决定，在 900-1200范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度 Cs 的目的，这是该扩散方法的不足之处。有限表面源扩散（推进扩散，drive-in）杂质分布形式与恒定表面源扩散不同，有限表面源扩散的表面浓度 Cs 随时间而降低：7. 什么是两步扩散工艺，其两步扩散的目的分别是什么？实际的扩散温度一般为 900-1200，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式

10、。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。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的是为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：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。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。精心整理精心整理两步扩散后的杂质最终分布形式：D 预 t 预 ks，在这种情况下线性氧化速率常数的大小主要由化学反应常数 ks决定，即由硅表面处的原子经化学反应转变为 SiO2的速率决定。表面

11、化学反应速率是与硅表面的原子密度，也就是与表面的价键密度有关。(111)面上的硅原子密度比(100)面上大。因此， (111)面上的线性氧化速率常数应比(100)面上大。4）杂质影响掺磷/硼掺氯在干分子氧中加入少量（1%3%）卤素能够显着改善 SiO2特性:加速反应 Si-O 键能为 4.25eV，Si-Cl 键能为 0.5eV。氯气与 Si 反应生成的 SiCl4 可以与氧气反应生成 SiO2，这里氯气起到了催化剂的作用。Cl-能够中和积累在表面的电荷。 氯气能够与大多数重金属原子反应生成挥发性的金属氯化物，起到清洁作用。15. 简述在热氧化过程中杂质再分布的四种可能情况。如果假设硅中的杂质

12、分布是均匀的，而且氧化气氛中又不含有任何杂质，则再分布有四种可能。分凝系数 ml，且在 SiO2中是慢扩散的杂质，也就是说在分凝过程中杂质通过 SiO2表面损失的很少，硼就是属于这类。再分布之后靠近界面处的 SiO2中的杂质浓度比硅中高，硅表面附近的浓度下降。m 1，且在 SiO2中是快扩散的杂质。因为大量的杂质通过 SiO2表面跑到气体中去，杂质损失非常厉害，使 SiO2中的杂质浓度比较低，但又要保证界面两边的杂质浓度比小于 1，使硅表面的杂质浓度几乎降到零，在 H2气氛中的硼就属于这种情况。m 1，且在 SiO2中慢扩散的杂质。再分布之后硅表面附近的杂质浓度升高，磷就属于这种杂质。m l，

13、且在 SiO2中快扩散的杂质。在这种情况下，虽然分凝系数大于 1，但因大量杂质通过 SiO2表面进入气体中而损失，硅中杂质只能不断地进入 SiO2中，才能保持界面两边杂质浓度比等于分凝系数，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低，镓就是属于这种类型的杂质。对于 m1，而且也没有杂质从 SiO2表面逸散的情况，热氧化过程也同样使硅表面杂质浓度降低。这是因为一个体积的硅经过热氧化之后转变为两个多体积的 SiO2，由此，要使界面两边具有相等的杂质浓度(m1) ，那么杂质必定要从高浓度硅中向低浓度 SiO2中扩散，即硅中要消耗一定数量的杂质，以补偿增加的 SiO2体积所需要的杂质。16. 一片硅片由

14、0.3um 厚的 SiO2薄膜覆盖。所需数据见下表，玻尔兹曼常数 k=1.3810-23。（1）在 1200下，采用 H2O 氧化，使厚度增加 0.5um 需要多少时间？。（2）在 1200下，采用干氧氧化，增加同样的厚度需要多少时间？氧化工艺 B B/A干氧 C1=7.72*102m2h-1;E1=1.23eV C2=6.23*106m2h-1;E2=2.0eV湿氧 C1=2.14*102m2h-1;E1=0.71eV C2=8.95*107m2h-1;E2=2.05eVH2O C1=3.86*102m2h-1;E1=0.78eV C2=1.63*108m2h-1;E2=2.05eV10.S

15、i-SiO2 界面电荷有哪几种？简述其来源及处理办法。可动离子电荷 Qm?来源：主要来源于 Na+等网络改变者。解决办法：为了降低 Na+的玷污，可以在工艺过程中采取预防措施包括使用含氯的氧化工艺；用氯周期性地清洗管道、炉管和相关的容器；使用超纯净的化学物质；精心整理精心整理保证气体及气体传输过程的清洁。另外保证栅材料不受玷污也是很重要的。氧化层陷阱电荷 Qot来源：在氧化层中有些缺陷能产生陷阱，这些缺陷有：悬挂键；界面陷阱；硅-硅键的伸展；断键的氧原子 (氧的悬挂键)；弱的硅-硅键(它们很容易破裂，面表现电学特性)。 扭曲的硅-氧键； Si-H 和 Si-OH 键。产生陷阱电荷的方式主要有电

16、离辐射和热电子注入等解决办法：减少电离辐射陷阱电荷的主要方法有三种：选择适当的氧化工艺条件以改善 SiO2结构。为抗辐照，氧化最佳工艺条件，常用 1000干氧氧化。在惰性气体中进行低温退火(150-400)可以减少电离辐射陷阱。采用对辐照不灵敏的钝化层，例如 A12O3，Si 3N4等。氧化层固定电荷 Qf?来源：通常是由 Si-SiO2之间过渡区的结构改变引起的。该区中存在有过剩的硅离子，在氧化过程中与晶格脱开但还未完全与氧反应。处理办法：快速退火能有效地减小氧化层固定电荷密度。右图为 Deal 三角，说明了这种效应。界面陷阱电荷 Qit?来源：界面处存在的不完整化合价及不饱和键，使得电子和

17、空穴可以很容易地被俘获。处理办法：界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件和退火条件密切有关。在相同的工艺条件下、(111)晶向的硅衬底产生的界面态密度最高，(100)晶向的最低。通过采用特殊的退火工艺可以有效减少界面态密度。11下图为一个典型的离子注入系统。 （1）给出 16 数字标识部分的名称，简述其作用。（2）阐述部件 2 的工作原理。1.离子源 2.分析磁块 3.加速器 4.中性束闸 5.x&y 扫描板 6.法拉第杯1.离子源作用：产生注入用的离子原理：高能电子轰击（电子放电）杂质原子形成注入离子类型：高频，电子振荡，溅射气体流入一个放电腔室，热灯丝发射的电子与气体分子碰撞，当能量足够大时

18、，气体分子被离化。2.质量分析器作用：将所需离子分选出来原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹发生弯曲由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，在 BF3的例子中，我们需要仅仅拣选出 B+，这样的过程通常由一个分析磁铁完成。离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，最后在特定位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。3.加速器作用：使离子获得所需的能量。原理：利用强电场，使离子获得更大的速度精心整理精心整理加速器的主要作用是使离子增加离子能量能够达到器件所需要的结深。用一组静电透镜将束聚焦为一个圆

19、斑或长条状，然后束进入一个线性静电加速器，加速器沿加速管的长度方向建立一个电场来改变离子的能量。4.中性束闸和中性束阱作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室原理：用一静电偏转板使离子束偏转 5o-8o 作用再进入靶室5.扫描系统作用：使离子在整个靶片上均匀注入。方式：靶片静止，离子束在 X,Y 方向作电扫描。粒子束在 Y 方向作电扫描，靶片在 X 方向作机械运动。粒子束静止，靶片在 X,Y 方向作机械运动。6.法拉第杯作用：收集束流测量注入剂量原理：收集到的束流对时间进行积分得到束流的大小信息12. 离子在靶内运动时，损失能量可分核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻滞本领与注

20、入离子能量具有何关系？ 碰撞注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。因注入离子与靶原子的质量一般为同一数量级，每次碰撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能量。 子碰撞注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。由于两者的质量相差非常大(104) ，每次碰撞中，注入离子的能量损失很小，而且散射角度也非常小，也就是说每次碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。在一级近似下，核阻止本领与能量无关；电子阻止本领与能量的平方根成正比。13. 采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩蔽膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值浓度的 1/

21、10000，掩蔽膜的厚度应为多少？用注入杂质分布的射程和标准偏差写出表达式。无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：其中，Rp 为投影射程，Rp 为投影射程的标准偏差， 为剂量。以上为浓度与深度的函数变化关系。由于离子注入过程的统计特性，离子也有穿透掩蔽膜边缘的横向散射，因此分布应考虑为二维的，既有横向也有纵向的标准偏差。射程估算：如果注入离子能量比 Ec 大很多，则离子在靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按下式估算射程：R11/2如果注入离子的能量 EEc，离子在靶内主要以核阻止形式损失能量，则得射程 R 的表达式为：R 214. As 注入到轻掺杂的 P 型 Si 衬底内，能量 75eV

22、，剂量为 11014cm-2。硅片相对于离子束做 7倾斜，使其貌似非晶。假设对注入区进行快速退火，结果得到了完全的电激活，其峰值电子浓度为多少？所需参数可参考下精心整理精心整理图。15. 什么是离子注入的横向效应？同等能量注入时，As 和 B 哪种横向效应更大?为什么？横向效应：注入的离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。横向效应与注入离子的种类和离子能量有关。B 的横向效应更大，因为质量小的离子速度更高，与靶材原子作用时间短。16. 什么是离子分布的偏斜度和峭度，和标准高斯分布有什么区别？非对称性常用偏斜度 (skewness)表示：= ， 为负值表明杂质分布在表面一侧的浓度增加，即33xR

23、p 区域浓度增加。畸变用峭度 (kurtosis)表示： = ，峭度越大，高斯曲线的顶部越平，标准高斯曲线的峭度为 3。44LSS 的理论是呈标准的高斯分布，不同的杂质会不同程度地偏离对称的高斯分布。如图中所示。17. 热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。 离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成； 损伤晶体空位密度大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子和其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强；故，虽然热退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。18. 什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？怎样避免沟道效应？沟道效应：对晶体靶进行离子注入，当离子速度方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。