集成電路制造工藝與原理期末答卷(共12頁(yè))

1、第 PAGE 15頁(yè) 共 NUMPAGES 15頁(yè)深圳大學(xué)期末考試(q m ko sh)特殊考試方式電子科學(xué)(kxu)與技術(shù)學(xué)院微電子科學(xué)與工程(gngchng)專業(yè)集成電路工藝原理期末成績(jī)考核報(bào)告姓名： 學(xué)號(hào)： 深圳大學(xué)考試(kosh)答題紙(以論文(lnwn)、報(bào)告(bogo)等形式考核專用)二一五二一六學(xué)年度第 一 學(xué)期課程編號(hào)1600730001課程名稱集成電路工藝原理主講教師楊靖評(píng)分學(xué) 號(hào)姓 名專業(yè)年級(jí)教師評(píng)語(yǔ)：要 求本報(bào)告（作業(yè)）必須是完全獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲或節(jié)選選本課程其他同學(xué)的作業(yè)，如果確認(rèn)是抄襲（抄襲和被抄襲）都要承擔(dān)最終成績(jī)?yōu)镕的結(jié)果。 完成時(shí)間：2016，1，8，17:0

2、0之前請(qǐng)?jiān)敿?xì)解答以下每道問(wèn)題?。ɑ卮饡r(shí)請(qǐng)每道題之間留有空隙、題之間清晰分開(kāi)、每題標(biāo)明題號(hào)；字跡工整、最好打?。粓D可以手畫，但是，必須用規(guī)、具，線條清晰規(guī)范；堅(jiān)決杜絕！卷面臟、亂、草）1) 舉例回答集成電路主要集成了哪些器件? 【5分】2) 最少給出兩個(gè)集成電路選用硅半導(dǎo)體的理由。 【5分】3) 在清洗過(guò)程中用到的進(jìn)入沖洗池的純凈水的電阻(率)在出水口處為多大時(shí)說(shuō)明硅片已經(jīng)被洗凈? 【5分】4) 常見(jiàn)的半導(dǎo)體的沾污有哪些種類? 【5分】5) 說(shuō)明正光刻膠和負(fù)光刻膠在曝光過(guò)程中的變化和區(qū)別。 【5分】6) 為什么要進(jìn)行曝光前和曝光后烘焙、怎樣提高光刻分辨率? 【10分】7) 請(qǐng)?jiān)敿?xì)回答，硅片在大氣

3、中會(huì)自然氧化，從洗凈工藝的角度，這屬于一種沾污，采用什么工藝即可洗凈這種沾污而又不損壞硅? 【10分】8) 在刻蝕工藝中，由于電極附近鞘層領(lǐng)域的存在，電極附近只有正電荷存在，請(qǐng)用泊松方程解釋，在一個(gè)周期內(nèi)電極附近的電場(chǎng)方向總是指向電極。 【10分】9) 在電極形成工藝中,用到金屬Ti,請(qǐng)?jiān)敱M說(shuō)明金屬Ti的特性,以及金屬Ti在集成電路電極結(jié)構(gòu)中的作用! 【15分】10) 以CMOS的nMOS形成(xngchng)工藝為例來(lái)說(shuō)明(shumng)，在離子注入工藝(gngy)中用了多道該工藝步驟，這些步驟有什么目的或起到什么作用。 【15分】11) 等離子體是現(xiàn)代集成電路工藝中不可或缺的加工手段和材料

4、，根據(jù)你的理解和掌握，請(qǐng)就等離子體在集成電路工藝中有哪些應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 【15分】1) 舉例回答集成電路主要集成了哪些器件? 【5分】答：集成電路主要集成了晶體管、二極管、電阻和電容。2) 最少給出兩個(gè)集成電路選用硅半導(dǎo)體的理由。 【5分】答： （1）硅存量豐富，是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經(jīng)合理加工，能夠提純到半導(dǎo)體制造所需的足夠高的純度而消耗更低的成本。（2）硅熔點(diǎn)高，可以承受更加高溫的工藝，相當(dāng)于放寬了工藝要求。（3）硅表面會(huì)自然生成氧化硅，它是一種高質(zhì)量、穩(wěn)定的電絕緣材料，而且能充當(dāng)優(yōu)質(zhì)的化學(xué)阻擋層以保護(hù)硅不受外部玷污。生長(zhǎng)穩(wěn)定的薄層氧化硅材料的能力是制造高性能

5、金屬 - 氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件的根本。3) 在清洗過(guò)程中用到的進(jìn)入沖洗池的純凈水的電阻(率)在出水口處為多大時(shí)說(shuō)明硅片已經(jīng)被洗凈? 【5分】 答：在清洗過(guò)程中純凈水的電阻率為18M時(shí)說(shuō)明硅片已經(jīng)被洗凈。4) 常見(jiàn)的半導(dǎo)體的沾污有哪些(nxi)種類? 【5分】答： （1）顆粒(kl) （2）金屬(jnsh)雜質(zhì) （3）有機(jī)物沾污 （4）自然氧化層 （5）靜電釋放5) 說(shuō)明正光刻膠和負(fù)光刻膠在曝光過(guò)程中的變化和區(qū)別。 【5分】答：正光刻膠：曝光區(qū)域變得更易溶解，一種正相掩膜版圖形出現(xiàn)在光刻膠上。在曝光過(guò)程中正性光刻膠分解，曝光區(qū)域易在顯影液中被洗去。負(fù)光刻膠：曝光區(qū)域交聯(lián)硬化，這使曝光的光刻

6、膠難溶于顯影液溶劑中，光刻膠沒(méi)有在顯影液中除去。一種負(fù)相的掩模圖形形成在光刻膠上。區(qū)別：負(fù)光刻膠在硅片上形成的圖形與掩膜板上的圖形相反，正光刻膠在硅片上形成的圖形與掩膜板上的圖形相同。6) 為什么要進(jìn)行曝光前和曝光后烘焙、怎樣提高光刻分辨率? 【10分】答： 進(jìn)行曝光前烘焙能解決（1）光刻膠薄膜發(fā)黏并易受顆粒沾污的問(wèn)題，解決（2）光刻膠薄膜來(lái)自于旋轉(zhuǎn)涂膠的內(nèi)在應(yīng)力而導(dǎo)致的粘附性的問(wèn)題，還能（3）區(qū)分曝光和未曝光的光刻膠的溶解差異，最后還有一點(diǎn)就是能夠（4）防止光刻膠散發(fā)的氣體沾污光學(xué)系統(tǒng)的透鏡。進(jìn)行曝光后的烘焙是為了促進(jìn)關(guān)鍵光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)CA DUV光刻膠進(jìn)行后烘是必須的。對(duì)于基于DNQ

7、化學(xué)成分的常規(guī)線膠，進(jìn)行后烘的目的是提高光刻膠的粘附性并減少駐波。提高光刻分辨率的方法：增大成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑(NA) ，縮短曝光波長(zhǎng)()以及，降低光學(xué)系統(tǒng)工藝因子k的參數(shù) 。7) 請(qǐng)?jiān)敿?xì)回答(hud)，硅片在大氣中會(huì)自然氧化，從洗凈工藝的角度，這屬于一種沾污，采用什么工藝即可洗凈這種沾污而又不損壞硅? 【10分】答：硅片在大氣(dq)中自然氧化而生成的沾污叫自然氧化層， 自然(zrn)氧化層需要通過(guò)使用含HF酸的混合液的清洗步驟去除。許多清洗方法都是在最后一步時(shí)把硅片表面暴露于氫氟酸（HF），以去除硅片表面的自然氧化層。硅片表面無(wú)自然氧化層，是生長(zhǎng)高純外延薄膜和MOS電路柵極超薄氧化物（50埃

8、或更?。┑年P(guān)鍵。HF浸泡之后，硅片表面完全被氫原子終止，在空氣中具有很高的穩(wěn)定性，避免了再氧化。氫原子終止的硅表面保持著與體硅晶體相同的狀態(tài)。此外，干洗等離子體技術(shù)也作為工藝設(shè)備中的集成預(yù)處理步驟去處自然氧化層。8) 在刻蝕工藝中，由于電極附近鞘層領(lǐng)域的存在，電極附近只有正電荷存在，請(qǐng)用泊松方程解釋，在一個(gè)周期內(nèi)電極附近的電場(chǎng)方向總是指向電極。 【10分】答：由圖（a）的A區(qū)域可知，A區(qū)域內(nèi)電子跟正電荷都在增加(zngji)，但單子的增長(zhǎng)速度更快，所以對(duì)外顯負(fù)電，所以v0，由式子(sh zi)可得電場(chǎng)(din chng)E0，由式子可得E0所以一個(gè)周期內(nèi)電極附近的電場(chǎng)方向總是指向電極。9) 在

9、電極形成工藝中,用到金屬Ti,請(qǐng)?jiān)敱M說(shuō)明金屬Ti的特性,以及金屬Ti在集成電路電極結(jié)構(gòu)中的作用! 【15分】答： 鈦的特性： 純鈦是銀白色的金屬，在金屬分類中被劃歸為稀有輕金屬。鈦在元素周期表中屬B族元素，原子序數(shù)為22，原子量為47.9，原子半徑為0.145nm。鈦的熔點(diǎn)為166010，其有兩種同素異構(gòu)體，相變點(diǎn)為890 920，在轉(zhuǎn)變溫度以下為密排六方的-Ti，在轉(zhuǎn)變溫度以上直到熔點(diǎn)之間為體心立方的-Ti。 鈦在化學(xué)、物理和機(jī)械性能方面有其自己的特點(diǎn)。與其他金屬相比，鈦的密度小、比強(qiáng)度高，彈性模量低（常溫時(shí)為103.4GPa）, 屈強(qiáng)比高，導(dǎo)熱系數(shù)小（為0.1507J），熱膨脹系數(shù)低，無(wú)磁

10、性、無(wú)毒，耐高、低溫，耐腐蝕、與氧的親和力極強(qiáng)。金屬鈦在電路(dinl)電極結(jié)構(gòu)中的作用：鈦金屬在CMOS制作過(guò)程的接觸形成工藝中可以使硅和隨后淀積的導(dǎo)電材料更加緊密地結(jié)合起來(lái)。鈦的電阻很低，同時(shí)能夠與硅發(fā)生(fshng)充分反應(yīng)。當(dāng)溫度大于700C時(shí)，鈦跟硅發(fā)生反應(yīng)生成鈦的硅化物。鈦和二氧化硅不發(fā)生反應(yīng)，因此這兩種物質(zhì)(wzh)不會(huì)發(fā)生化學(xué)的鍵合或者物理聚合。因此鈦能夠輕易的從二氧化硅表面除去，而不需要額外掩膜。鈦的硅化物在所有有源硅的表面保留了下來(lái)。（1）金屬鈦淀積：一薄阻擋層金屬鈦襯墊于局部互連溝道的底部和側(cè)壁上。這一層鈦充當(dāng)了鎢與二氧化硅間的粘合劑。（2）氮化鈦淀積：氮化鈦立即淀積于鈦

11、金屬層的表面充當(dāng)金屬鎢的擴(kuò)散阻擋層。（3）金屬淀積鈦?zhàn)钃鯇樱涸诒∧^(qū)利用物理氣相淀積設(shè)備在整個(gè)硅片表面淀積一薄層鈦。鈦襯墊于通孔的底部及側(cè)壁上。鈦充當(dāng)了將鎢限制在通孔中的粘合劑。（4）溶性陽(yáng)極和不溶性陽(yáng)極：可溶性陽(yáng)極在電解過(guò)程中起補(bǔ)充金屬離子和導(dǎo)電的作用，不溶陽(yáng)極只起導(dǎo)電作用。最早的不溶性陽(yáng)極是石墨和鉛系陽(yáng)極上世紀(jì)70年代鈦陽(yáng)極作為新技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在電解和電鍍行業(yè)。目前不溶性陽(yáng)極可分為兩大類：析氯陽(yáng)極和析氧陽(yáng)極。析氯陽(yáng)極主要用于氯化物電解液體系，電鍍過(guò)程中陽(yáng)極有氯氣釋放出來(lái)，因此稱為析氯陽(yáng)極;析氧陽(yáng)極主要用于硫酸鹽、硝酸鹽、氫氰酸鹽等電解液體系，電鍍過(guò)程中陽(yáng)極有氧氣釋放出來(lái)，因此稱為析氧陽(yáng)極。鉛

12、合金陽(yáng)極析氧陽(yáng)極，鈦陽(yáng)極根據(jù)其表面催化涂層不同分別具有析氧、析氯功能或二者功效兼有。（5）氯堿工業(yè)用鈦陽(yáng)極：與石墨電極相比，隔膜法生產(chǎn)燒堿，石墨陽(yáng)極的工作電壓為8A/DM2涂層陽(yáng)極可成倍增加，達(dá)17A/DM2。這樣在同樣的電解環(huán)境下產(chǎn)品可成倍提高，而且所生產(chǎn)品的質(zhì)量高，氯氣純度高。（6）電鍍用鈦陽(yáng)極：電鍍用不溶性陽(yáng)極是在鈦基體(網(wǎng)狀、板狀、帶狀、管狀等)上涂覆具有高電化學(xué)催化性能的貴金屬氧化物涂層，涂層中含有高穩(wěn)定性的閥金屬氧化物。新型不溶性鈦陽(yáng)極具有高電化學(xué)催化能，析氧過(guò)電位比鉛合金不溶性陽(yáng)極低約0.5V，節(jié)能顯著,穩(wěn)定性高,不污染鍍液,重量輕，易于更換。新型不溶性鈦陽(yáng)極的析氧過(guò)電位也比鍍鉑

13、不溶性陽(yáng)極低，但是壽命卻提高1倍以上。廣泛用于各種電鍍中作為陽(yáng)極或者輔助陽(yáng)極使用，可以替代常規(guī)的鉛基合金陽(yáng)極,在相同的條件下,可以降低槽電壓，節(jié)約電能消耗;不溶性鈦陽(yáng)極在電鍍過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性(化學(xué)、電化學(xué))，使用壽命長(zhǎng)。此陽(yáng)極廣泛用于鍍鎳鍍金、鍍鉻、鍍鋅、鍍銅等電鍍有色金屬行業(yè).10) 以CMOS的nMOS形成工藝為例來(lái)說(shuō)明，在離子注入工藝中用了多道該工藝步驟，這些步驟有什么(shn me)目的或起到什么作用。 【15分】答： 1.外延生長(zhǎng):外延層目的是進(jìn)行輕的P型摻雜(硼)摻雜。硅片在到達(dá)擴(kuò)散區(qū)之前(zhqin)已經(jīng)有了一個(gè)薄的外延層，外延層與襯底有完全相同的晶格結(jié)構(gòu)，只是純度更高，晶

14、格缺陷更少。2.原氧化生長(zhǎng):這一氧化層的主要(zhyo)作用是保護(hù)表面的外延層免受沾污 阻止了在注入過(guò)程中對(duì)硅片的過(guò)度損傷 作為氧化物屏蔽層，有助于控制注入過(guò)程中雜質(zhì)的注入深度3.第一層掩膜，n阱注入：在預(yù)處理的硅片的上表面涂膠、甩膠、烘焙；后將經(jīng)過(guò)涂膠處理的的硅片每次一片地送入對(duì)準(zhǔn)與曝光系統(tǒng)，光刻機(jī)將特定掩膜的圖形直接刻印在涂膠的硅片上；曝光后硅片回到涂膠/顯影機(jī)中進(jìn)行顯影；顯影后再次烘焙，并在轉(zhuǎn)入離子注入?yún)^(qū)前進(jìn)行檢測(cè)。4.n阱注入（高能）：刻印后的硅片來(lái)到離子注入?yún)^(qū)。光刻膠圖形覆蓋了硅片上的特定區(qū)域，將其保護(hù)起來(lái)免于離子注入。未被光刻膠覆蓋的區(qū)域允許高能雜質(zhì)陽(yáng)離子穿透外延層的上表面（結(jié)深約

15、為1m）。這一步摻入的雜質(zhì)為磷。離子注入機(jī)是注入?yún)^(qū)的主要設(shè)備，其主要目的是離化雜質(zhì)原子，使其加速獲得高能（約為200KeV），選出最恰當(dāng)?shù)脑刈⑷耄⒕劢闺x子成為極窄的一束，最后掃描使硅片不受光刻保護(hù)的區(qū)域得到均勻摻雜。5.退火:在這里硅片經(jīng)過(guò)清洗處理后被放入退火爐。退火的作用是 裸露在硅片表面生長(zhǎng)了一層新的阻擋氧化層 高溫使得雜質(zhì)向硅中移動(dòng)（擴(kuò)散） 注入引入的損傷得到修復(fù) 雜質(zhì)原子與硅原子間的共價(jià)鍵被激活，使得雜質(zhì)原子成為晶格結(jié)構(gòu)中的一部分（電學(xué)激活）。6.第五層掩膜，n-LDD注入：這一步掩膜步驟的目的是刻印硅片，以得到可以使n型晶體管被注入的光刻膠圖形。其他所有的區(qū)域都被光刻膠保護(hù)著。7

16、.n-LDD注入（低能量，淺結(jié)）：在未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域，用砷離子進(jìn)行(jnxng)選擇注入。能量、劑量和結(jié)深都明顯低于先前的n阱注入步驟。選擇砷而不選擇磷的原因是砷的分子量更大，有利于硅表面非晶化，在注入中能夠得到更均勻的摻雜深度。8.第七層掩膜，n+源/漏注入：這一步掩膜操作目的是定義了要進(jìn)行(jnxng)注入的n型晶體管區(qū)域。9.n+源/漏注入（中等能量(nngling)）：這一步中等能量注入進(jìn)入硅的深度大于LDD的結(jié)深。二氧化硅構(gòu)成的側(cè)墻阻止了砷雜質(zhì)侵入狹窄的溝道區(qū)。11) 等離子體是現(xiàn)代集成電路工藝中不可或缺的加工手段和材料，根據(jù)你的理解和掌握，請(qǐng)就等離子體在集成電路工藝中有哪些應(yīng)用

17、進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 【15分】答：1.離子注入離子注入是一種向硅襯底中引入可控制數(shù)量的雜質(zhì)，以改變其電學(xué)性能的方法。離子注入工 在離子注入機(jī)內(nèi)進(jìn)行，它是半導(dǎo)體工藝中最為復(fù)雜的設(shè)備之一（見(jiàn)圖7-4）。注入機(jī)包含離子源部分，它能從源材料中產(chǎn)生帶正電荷的雜質(zhì)離子。其中離子源即是產(chǎn)生等離子的部分。通過(guò)電子轟擊氣體原子，離子源中會(huì)產(chǎn)生離子。電子通常由熱鎢絲源產(chǎn)生Free-man離子源是一種最常用的電子源：棒狀陰極燈絲裝在一個(gè)有氣體入口的電弧釋放室內(nèi)。電弧釋放室的側(cè)壁是陽(yáng)極，當(dāng)氣體進(jìn)入時(shí)，燈絲通過(guò)大電流，并在陰極和陽(yáng)極之間加100伏電壓，就會(huì)在燈絲周圍產(chǎn)生等離子體。高能電子和氣體分子發(fā)生碰撞，就產(chǎn)生了正離子

18、。2.刻蝕工藝在一個(gè)等離子干法刻蝕系統(tǒng)的基本部件包括：發(fā)生刻蝕反應(yīng)的反應(yīng)腔、產(chǎn)生等離子體的射頻電源、氣體流量控制系統(tǒng)、去除刻蝕生成物和真空系統(tǒng)。干法等離子體反應(yīng)器有下面不同的類型：（1）圓桶式等離子體反應(yīng)器圓通式反應(yīng)器是圓柱形的，在0.11托壓力下具有幾乎完全的化學(xué)各向同性刻蝕。硅片垂直、小間距地裝在一個(gè)石英舟上。射頻功率加在圓柱兩邊的電極上。通常有一個(gè)打孔的金屬圓柱形刻蝕隧道，它把等離子體限制在刻蝕隧道和腔體壁之間的外部區(qū)域。硅片與電場(chǎng)平行放置使物理刻蝕最小。等離子體重的刻蝕基擴(kuò)散到刻蝕隧道內(nèi)，而等離子體中的帶能離子和電子沒(méi)有進(jìn)入這一區(qū)域。（2）平板(pngbn)反應(yīng)器平板反應(yīng)器有兩個(gè)大小和

19、位置對(duì)稱的平行金屬板，一個(gè)(y )硅片背面朝下放置于接地的陰極上面，RF信號(hào)加在反應(yīng)器的上電極。由于等離子體電勢(shì)總是高于地電勢(shì)，因而這是一種帶能離子進(jìn)行轟擊的等離子體刻蝕模式。（3）順流(shn li)刻蝕系統(tǒng)等離子體是在大約0.11托的壓力下，在一個(gè)獨(dú)立的源中產(chǎn)生的，被傳輸?shù)焦に嚽恢?，并均勻地分布于加熱的硅表面。由于沒(méi)有離子進(jìn)行方向性刻蝕，因?yàn)轫樍骺涛g機(jī)采用的是化學(xué)刻蝕，是各向同性的。（4）三極平面反應(yīng)器三極平面反應(yīng)器增加第三個(gè)電極來(lái)達(dá)到控制離子轟擊數(shù)量的目的。裝置是帶兩個(gè)電源的反應(yīng)器設(shè)置，其中電感耦合的RF源在大約10-13托產(chǎn)生離子和反應(yīng)基。低頻發(fā)生器控制離子的轟擊。（5）離子銑也稱為離

20、子束刻蝕，具有強(qiáng)方向性等離子體的一種物理刻蝕機(jī)理。等離子體通常是由電感耦合RF源或微波產(chǎn)生。（6）反應(yīng)離子刻蝕除了硅片是放置于加RF源的淀積上以及該電極比接地淀積尺寸大大減小以為，RIE與標(biāo)準(zhǔn)的平行板等離子體刻蝕機(jī)是類似的。（7）高密度等離子體刻蝕機(jī)前面用到的標(biāo)準(zhǔn)等離子刻蝕體系是在硅片制造中工作于相對(duì)直接產(chǎn)生等離子體的幾百毫托的真空度下。但是對(duì)于0.25微米級(jí)以下尺寸的幾何圖形，它難以使刻蝕基高深寬比圖形并使刻蝕生成物從高深寬比圖形中出來(lái)。而高密度等離子體刻蝕機(jī)就是為此而發(fā)明的。3.淀積在淀積工藝同樣涉及到等離子體，下面是淀積涉及到的等離子的方法：（1）化學(xué)氣相沉積（CVD）：化學(xué)氣相沉積（C

21、VD）是通過(guò)氣體混合的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面沉積一層固體膜的工藝。硅片表面及其鄰近的區(qū)域被加熱來(lái)向反應(yīng)系統(tǒng)提供附加的能量。當(dāng)化合物在反應(yīng)腔中混合并進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生化學(xué)氣相淀積過(guò)程。原子或分子會(huì)淀積在硅表面形成膜。.等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）：等離子體增強(qiáng)CVD過(guò)程使用等離子體能量來(lái)產(chǎn)生并維持CVD反應(yīng)(fnyng)。在真空腔中施加射頻功率使氣體分子分解，就會(huì)發(fā)生等離子增強(qiáng)CVD并淀積形成膜。被激發(fā)的分子具有化學(xué)活性容易與其他原子鍵合形成粘附在硅片表面的膜。.高密度等離子CVD（HDPCVD）：高密度等離子是等離子輔助(fzh)CVD的一個(gè)最新發(fā)展。正如名字所言，等離子體在低壓下以高密度混合氣體的形式直接接觸到反應(yīng)腔中硅片的表面。他的主要優(yōu)點(diǎn)是可以在300400較低的淀積溫度下，制備(zhbi)出能夠填充高深寬比間隙的膜。（2）物理氣相沉積(PhysicalVaporDeposition，PVD)技術(shù)表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分