深圳大学集成电路半导体制造期末论文

第1页共25页深圳大学期末考试特殊考试方式电子科学与技术学院集成电路工艺原理期末成绩考核报告姓名：学号：第2页共25页深圳大学考试答题纸(以论文、报告等形式考核专用)二○一四～二○一五学年度第一学期课程编号1600730001课程名称集成电路工艺原理主讲教师评分学号姓名专业年级教师评语：要求本报告（作业）必须是完全独立完成，没有抄袭或节选选本课程其他同学的作业，如果确认是抄袭（抄袭和被抄袭）都要承担最终成绩为F的结果。完成时间：2015，1，9，17:00之前请详细解答以下每道问题！（回答时请每道题之间留有空隙、题之间清晰分开、每题标明题号；字迹工整、最好打印；图可以手画，但是，必须用规、具，线条清晰规范；坚决杜绝！纸面脏、乱、草）1)在离子注入工艺中,有一道工艺是”沟道器件轻掺杂源(漏)区”,其目的是减小电场峰值和热电子效应!请详尽解释其原理。【10分】答：1.1轻掺杂漏区（LDD）定义：注入用于定义MOS晶体管的源漏区（见图17.35）。这种区域通常被称为源漏扩展区。注入使LDD杂质位于栅下紧贴沟道区边缘，为源漏区提供杂质浓度梯度。LDD在沟道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。nMOS和pMOS的LDD注入需用两次不同的光刻和注入。在源漏区浅结形成的同时MOSFET的栅也被注入。1.2减小电场峰值的原理：LDD结构用栅作为掩膜中低剂量注入形成（n-或p--注入），随后是大剂量的源漏注入（n+或p+注入）。源漏注入用栅氧化物侧墙作为掩膜（见图17.35）。如果没有形成LDD，在正常的晶体管工作时会在结和沟道区之间形成高电场。电子在从源区向漏区移动的过程中（对n沟道器件）将受此高电场加速成为高能电子，它碰撞产生电子-空穴对（称为热载流子或热电子）30。热电子从电场获得能量，造成电性能上的问题，如被栅氧化层陷阱捕获，影响器件的阈值电压控制。1.3减小热电子效应原理：LDD在高浓度源漏区（1020到1021个原子每立方厘米）和低浓度沟道区（1016到1017个原子每立方厘米）间形成渐变的横向浓度梯度31.LDD降低的杂质浓度减少了结和沟道区间的电场。这项技术把结中最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防产生热载流子。第3页共25页2)在电极形成工艺中,用到金属Ti,请详尽说明金属Ti的相关工艺,以及金属Ti在相关电极结构中的作用。【10分】答：2.1金属Ti的相关工艺：2.1.1制备电极：（1）热分解法热分解法通常是将金属的盐类化合物溶于有机溶剂或者水溶液中，将溶液涂覆在钛基体上，通过加热使溶剂挥发，然后再高温烧结使盐类分解、氧化，得到氧化物涂层。涂覆的方法包括喷涂、滚涂或刷涂等。喷涂和滚涂机械化程度高，适用于工业化大生产，劳动环境好，制得涂层比较均匀，但涂液浪费量比较大。刷涂一般适用于小规模生产，该法需要设备简单，涂液损失少，但是劳动强度大，劳动环境差，而且制得的涂层往往不够均匀。采用热分解法，通过控制涂层配方容易制得多组分且性能优良的氧化物电极[2,3]。（2）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是根据胶体化学原理制备涂层的一种新兴方法，可以制得超细晶粒的电极涂层，使电极表面的比表面积大大提高[4,5]。采用该法制备钛电极的大致过程是，将金属的有机化合物（例如金属醇盐）或无机化合物分散在溶剂中，通过水解反应生成活性单体，活性单体聚合生成溶胶，将溶胶涂覆在钛基体上，溶胶膜经过干燥得到凝胶膜，然后在一定的温度下烧结即可制得涂层。相对于传统的热分解法，该法制备的电极涂层均匀、晶粒更细、几乎无裂纹，近年来备受关注。（3）电沉积法电沉积法制备涂层钛电极，一般是以不溶性电极作阳极，经过预处理的金属钛作阴极，在含有相应金属离子的溶液中电解，金属离子沉积在金属钛阴极上，经过干燥，再高温烧结即制得涂层钛电极。该法制得的镀层通常比较均匀致密。该法的缺点是工序复杂，而且不容易制成均匀的大面积电极。（4）溅射法溅射法制备的膜层致密，与基体结合力强。但该法需要使用特殊的设备，制备工艺比较复杂，而且母液浪费比较多，不适合工业化大规模生产。（5）其它方法Kim等采用物理气相沉积法（PVD）制备了IrO2涂层钛电极。该方法制备的涂层表面均匀平滑，电阻率约是刷涂热氧化法制备电极的1/3-1/4。Yao等采用化学气相沉积法(CVD)制备了Ti/SnO2电极。在0.5mol•L-1H2SO4介质中测得电极的析氧电位为2.5V(vsNHE)，而其它方法制备的钛基锡锑电极的析氧电位通常为1.9-2.3V（vsNHE）。Pelegrino等采用激光烧结的方法制备了钌钛涂层钛电极，该方法制备电极仅需要30min，远远小于热分解法等需要的3-10h。该法制得电极的析氧、析氯性能与常规方法制得电极的性能基本一致。G.Foti等采用电磁感应快速加热烧结的方法制备了IrO2涂层电极，加热过程仅需1s。制得的涂层表面成分主要是Ir的氧化物和Ir的氢氧化物，而没有TiO2出现。这可能是由于快速的加热创造出局部的还原性气氛，导致氧气来不及向内部扩散，因此避免了基体被氧化。Huang等采用水热法制备了纳米尺度的Ti/SnO2-Sb电极，在0.1mol•L-1H2SO4介质中测得电极的析氧电位高达3.0V（vsSCE）。第4页共25页2.1.2电化学还原TiO2制备金属钛的工艺：采用熔盐电解法，在900熔盐CaCl2中以烧结TiO2为阴极，石墨棒为阳极制备出金属钛。2.2金属Ti在相关电极结构中的作用：2.2.1原理钛金属在CMOS制作过程的接触形成工艺中可以使硅和随后淀积的导电材料更加紧密地结合起来。钛的电阻很低，同时能够与硅发生充分反应。当温度大于700时，钛个硅发生反应生成钛的硅化物。钛和二氧化硅不发生反应，因此这两种物质不会发生化学的键合或者物理聚合。因此钛能够轻易的从二氧化硅表面除去，而不需要额外掩膜。钛的硅化物在所有有源硅的表面保留了下来。2.2.2作用（1）金属钛淀积：一薄阻挡层金属钛衬垫于局部互连沟道的底部和侧壁上。这一层钛充当了钨与二氧化硅间的粘合剂。（2）氮化钛淀积：氮化钛立即淀积于钛金属层的表面充当金属钨的扩散阻挡层。（3）金属淀积钛阻挡层：在薄膜区利用物理气相淀积设备在整个硅片表面淀积一薄层钛。钛衬垫于通孔的底部及侧壁上。钛充当了将钨限制在通孔中的粘合剂。（4）淀积氮化钛：在钛的上表面淀积一薄层氮化钛。在下一步淀积中，氮化钛充当了钨的扩散阻挡层。（5）金属钛阻挡层淀积：钛是淀积于整个硅片上的第一层金属。它提供了钨塞和下一层金属铝之间的良好键合。同样它与层间介质材料的结合也非常紧密，提高了金属叠加结构的稳定性。（6）溶性阳极和不溶性阳极可溶性阳极在电解过程中起补充金属离子和导电的作用，不溶阳极只起导电作用。最早的不溶性阳极是石墨和铅系阳极上世纪70年代钛阳极作为新技术开始应用在电解和电镀行业。目前不溶性阳极可分为两大类：析氯阳极和析氧阳极。析氯阳极主要用于氯化物电解液体系，电镀过程中阳极有氯气释放出来，因此称为析氯阳极;析氧阳极主要用于硫酸盐、硝酸盐、氢氰酸盐等电解液体系，电镀过程中阳极有氧气释放出来，因此称为析氧阳极。铅合金阳极析氧阳极，钛阳极根据其表面催化涂层不同分别具有析氧、析氯功能或二者功效兼有。（7）氯碱工业用钛阳极与石墨电极相比，隔膜法生产烧碱，石墨阳极的工作电压为8A/DM2涂层阳极可成倍增加，达17A/DM2。这样在同样的电解环境下产品可成倍提高，而且所生产品的质量高，氯气纯度高。（8）电镀用钛阳极电镀用不溶性阳极是在钛基体(网状、板状、带状、管状等)上涂覆具有高电化学催化性能的贵金属氧化物涂层，涂层中含有高稳定性的阀金属氧化物。新型不溶性钛阳极具有高电化学催化能，析氧过电位比铅合金不溶性阳极低约0.5V，节能显著,稳定性高,不污染镀液,重量轻，易于更换。新型不溶性钛阳极的析氧过电位也比镀铂不溶性阳极低，但是寿命却提高1倍以上。广泛用于各种电镀中作为阳极或者辅助阳极使用，可以替代常规的铅基合金阳极,在相同的条件下,可以降低槽电压，节约电能消耗;不溶性钛阳极在电镀过程中具有良好的稳定性(化学、电化学)，使用寿命长。此阳极广泛用于镀镍镀金、镀铬、镀锌、镀铜等电镀有色金属行业.（9）铅及铅合金阳极铅合金阳极属于析氧阳极，析氧反应的电解液为硫酸和硫酸盐，主要用于电解冶金。这种阳极存在电解过程中几何尺寸会有所变化的缺陷。，在电解过程中，铅阳极基体首先转化成硫酸铅，然后再转化为氧化铅。硫酸铅是一个中间层，它是绝缘体，起着化学阻挡层的作用，可以在硫酸环境中保护内层的铅基体。氧化铅在外层是实际意义上的电极，上面发生析氧反应，氧化铅的析氧电位很高，并且随着电流密度的增加迅速上升，铅合金阳极的这种特征是由它外层物质氧化铅的固有特点—氧化铅是电的不良导体所决定的。此外，在电解过程中，氧化铅阳极结构的电化学性能不断衰减，其内部应力的产生导致氧化物一层层脱落，另外，过氧化铅的生成也导致氧化物不断溶解，作为中间层的硫酸铅再次被转化为氧化铅，成为新的外层氧化物电催化活性物质，内层的铅基体又被氧化，形成新的硫酸铅中间保护层。因此，在电解过程中，铅及其合金元素不断溶解到电解液里并沉淀造成溶液污染(溶液中化学沉淀)和阴极产物的污染(阴极表面的污染物电沉积，电解到铜的纯度不能很好的得到保证)。第5页共25页（10）涂层钛阳极涂层钛阳极,习惯称为DSA(DimensionallyStableAnode尺寸稳定阳极),又称DSE(DimensionallyStableElectrode),是20世纪60年代末发展起来的一种新型不溶性阳极材料。DSA涂层钛阳极主要应用在电化学和电冶金两大部门。DSA涂层钛阳极应用的领域有:氯碱工业、氯酸盐生产、次氯酸盐生产、高氯酸盐生产、过硫酸盐电解、电解有机合成、电解提取有色金属、电解银催化剂的生产、电解法制造铜箔、电解氧化法回收汞、水电解、二氧化氯的制取、医院污水处理、电镀厂含氰废水处理、生活用水和食品用具的消毒、发电厂冷却循环水的处理、毛纺厂染整废水的处理,工业用水的处理、电解法制取酸碱离子水,铜板镀锌、镀铑、镀钯、镀金、镀铅、电渗析法淡化海水、电渗析法制取四甲基氢氧化铵、熔融盐电解、电池生产、阴极保护、生产负极箔、铝箔的阳极氧化等。应用广泛涉及化工、冶金、水处理、环保、电镀、电解有机合成及其它领域。3)在超大规模集成电路刻蚀工艺中,会出现侧壁的横向钻刻现象,如何在工艺中改善此现象。【10分】答：3.1解决方法：（1）通过干法等离子体刻蚀来实现各向异性刻蚀，尽量避免使用湿法各向同性化学腐蚀，如图16.4：对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻蚀剖面是各向异性的，即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行（见图16.5），只有很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在芯片上可制作高密度的刻蚀图形。各向异性刻蚀对于小线宽图形亚微米器件的制作来说非常关键。先进集成电路应用应用上通常需要88到89度垂直度的侧壁。（2）在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀模从而防止横向刻蚀：聚合物的形成有时是有意的，如图16.10，这样做能形成高的各向异性图形，因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。这些聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳转化而来并与可是气体如C2F4，和刻蚀生成物结合在一起形成的。能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。这些侧壁聚合物很复杂，包括刻蚀剂和反应的生成物，例如，铝，阻挡层的钛，氧化物以及其他无机材料。聚合物链有很强的难以氧化和去除的碳氟键。（3）采用物理和化学混合作用机理进行刻蚀：其中离子轰击改善化学刻蚀作用。刻蚀剖面可以通过调节等离子体条件和气体组分从各向同性向各向异性改变。这种物理和化学混合作用机理刻蚀能获得好的线宽控制并有不错的选择比，因此在大多数干法刻蚀工艺中被采用。表16.3总结了化学作用，物理作用和化学/物理结合作用刻蚀中的第6页共25页不同刻蚀参数。（4）另外，还可以采用一些刻蚀设备实现各向异性刻蚀：如平行板式，平面三极，离子铣，反应离子刻蚀（RIE），电子回旋加速振荡（ECR），分布式ECR，感应