微电子工艺学试卷(A卷)及参考答案

华中科技大学2010—2011学年第二学期电子科学与技术专业《微电子工艺学》试卷（A卷）题号一二三四总分题分24163030100得分一、判断下列说法的正误，正确的在后面括号中划“√”，错误的在后面括号中划“×”（本大题共12小题，每小题2分，共24分）1、用来制造MOS器件最常用的是（100）面的硅片，这是因为（100）面的表面状态更有利于控制MOS器件开态和关态所要求的阈值电压。（√）2、在热氧化过程的初始阶段，二氧化硅的生长速率由氧化剂通过二氧化硅层的扩散速率决定，处于线性氧化阶段。（×）3、在一个化学气相淀积工艺中，如果淀积速率是反应速率控制的，则为了显著增大淀积速率，应该增大反应气体流量。（×）4、LPCVD紧随PECVD的发展而发展。由660℃降为450℃，采用增强的等离子体，增加淀积能量，即低压和低温。（×）5、蒸发最大的缺点是不能产生均匀的台阶覆盖，但是可以比较容易的调整淀积合金的组分。（×）6、化学机械抛光(CMP)带来的一个显著的质量问题是表面微擦痕。小而难以发现的微擦痕导致淀积的金属中存在隐藏区，可能引起同一层金属之间的断路。（√）7、曝光波长的缩短可以使光刻分辨率线性提高，但同时会使焦深线性减小。如果增大投影物镜的数值孔径，那么在提高光刻分辨率的同时，投影物镜的焦深也会急剧减小，因此在分辨率和焦深之间必须折衷。（√）8、外延生长过程中杂质的对流扩散效应，特别是高浓度一侧向异侧端的扩散，不仅使界面附近浓度分布偏离了理想情况下的突变分布而形成缓变，且只有在离界面稍远处才保持理想状态下的均匀分布，使外延层有效厚度变窄。（×）9、在各向同性刻蚀时，薄膜的厚度应该大致大于或等于所要求分辨率的三分之一。如果图形所要求的分辨率远小于薄膜厚度，则必须采用各向异性刻蚀。（×）10、热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%~85%。先进的MOS电路不希望发生横向扩散，因为它会导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。（√）11、离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度，因而在几乎所有应用中都优于扩散。（×）12、侧墙用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的源漏注入过于接近沟道以致可能发生源漏穿通。（√）二、选择填空。(本大题共8小题，每小题2分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对得2分，选对但不全的得1分，有选错的得0分)1、微电子器件对加工环境的空气洁净度有着严格的要求。我国洁净室及洁净区空气中悬浮粒子洁净度标准GB50073-2001中，100级的含义是：每立方米空气中大于等于0.1m的悬浮粒子的最大允许个数为（B）A、35；B、100；C、102；D、237。2、采用二氧化硅薄膜作为栅极氧化层，是利用其具有的（A、D）A、高电阻率；B、高化学稳定性；C、低介电常数；D、高介电强度。3、如果淀积的膜在台阶上过度地变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产生不希望的（A）。A.诱生电荷B.鸟嘴效应C.陷阱电荷D.可移动电荷4、浸入式光刻技术可以使193nm光刻工艺的最小线宽减小到45nm以下。它通过采用折射率高的液体代替透镜组件间的空气，达到（D）的目的。A、增大光源波长；B、减小光源波长；C、减小光学系统数值孔径；D、增大光学系统数值孔径。5、刻蚀是用化学方法或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的工艺过程，其基本目标是（B）。A.有选择地形成被刻蚀图形的侧壁形状B.在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形C.变成刻蚀介质以形成一个凹槽D.在大于3微米的情况下，混合发生化学作用与物理作用6、杂质在硅晶体中的扩散机制主要有两种，分别是间隙式扩散机制和替代式扩散机制。杂质只有在成为硅晶格结构的一部分，即（A），才有助于形成半导体硅。A.激活杂质后B.一种物质在另一种物质中的运动C.预淀积D.高温多步退火7、离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有（A）。A.电活性B.晶格损伤C.横向效应D.沟道效应8、对于CMOS晶体管，要得到良好受控的阈值电压，需要控制（A、B、C、D）等工艺参数。A、氧化层厚度；B、沟道中掺杂浓度；C、金属半导体功函数；D、氧化层电荷。姓名一、密封线内不准答题。二、姓名、学号不许涂改，否则试卷无效。三、考生在答题前应先将姓名、学号、年级和班级填写在指定的方框内。四、试卷印刷不清楚。可举手向监考教师询问。学号所在年级、班级装订注意意：线三、简明回答下列问题（本大题共3小题，第1、2小题各9分，第3小题12分，共30分）1、依照右图，对硅片制造厂的六个分区分别做一个简短的描述，要求写出分区的主要功能、主要设备以及显著特点。答：（1）扩散区。扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。主要设备：高温扩散炉：1200℃，能完成氧化、扩散、淀积、退火以及合金等多种工艺流程。湿法清洗设备。（2）光刻。把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。主要设备：涂胶/显影设备，步进光刻机。（3）刻蚀。用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料，在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。主要设备：等离子体刻蚀机，等离子去胶机，湿法清洗设备。（4）离子注入。主要功能是掺杂。主要设备：离子注入机、等离子去胶机、湿法清洗设备。（5）薄膜生长。介质层和金属层的淀积。主要设备：CVD工具、PVD工具、SOG（spin-on-glass）系统、RTP系统、湿法清洗设备。（6）抛光。化学机械平坦化是一种表面全局平坦化技术，通过化学反应和机械磨擦去除硅片表面层，以使硅片表面平坦利于后续工艺的展开。主要设备：抛光机，刷片机（waferscrubber），清洗装置，测量装置。（各1.5分）2、右图为铝金属化与铜金属化工艺的比较。识别并描述每个工艺步骤。答：（a）铝金属化工艺下层铝导线层间绝缘介质沉积/平坦化通孔刻蚀通孔填充，形成钨插塞上层铝淀积上层铝导线刻蚀（b）铜金属化工艺下层铜导线层间绝缘介质沉积/平坦化铜导线槽刻蚀通孔刻蚀铜填充（电镀/化学镀）化学机械抛光（CMP），去除多余的铜。3、识别右图所示工艺，写出每个步骤名称并进行描述。答：右图所示工艺每个步骤名称为：1气相成底膜：清洗、脱水，脱水烘焙后立即用HMDS进行成膜处理，起到粘附促进剂的作用。2采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。3软烘：其目的是除去光刻胶中的溶剂。4对准和曝光：掩模板与涂了胶的硅片上的正确位置对准。然后将掩模板和硅片曝光。5曝光后烘焙：深紫外（DUV）光刻胶在100-110℃的热板上进行曝光后烘焙。6显影：是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。7坚膜烘焙：要求会发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。8显影后检查：目的是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。（各1.5分）四、计算题（本大题共3小题，第1小题6分，第2小题9分，第3小题15分，共30分）1、假设某项化学气相淀积工艺受反应速率控制，在700℃和800℃时的淀积速率分别为500Å/min和2000Å/min，请计算在900℃下的淀积速率是多少？实际测量发现900℃下淀积速率远低于计算值，说明什么？怎样证明？（化学气相淀积的反应速率常数0exp/sakkEkT，k＝8.614×10-5eV/K）解：如果淀积工艺受反应速率控制，则反应速率R∝反应速率常数ks，于是有：从而得到：，解出：R900＝6313Å/min如果实际淀积速率远低于计算得到的淀积速率，则很有可能在900℃下，淀积过程已经不是反应速率控制，而是由质量输运控制。证明方法：在900℃下，改变反应气体的流量，如果淀积速率有明显的改变，则证明淀积速率由质量输运控制。姓名一、密封线内不准答题。二、姓名、学号不许涂改，否则试卷无效。三、考生在答题前应先将姓名、学号、年级和班级填写在指定的方框内。四、试卷印刷不清楚。可举手向监考教师询问。学号所在年级、班级装订注意意：线80090090070070020001111exp(),exp()50010739735001173973aaRERRERkRk90011ln500117397311ln41073973R2、最初只知道一个特殊的硅器件掺杂是用离子注入方法制备的，后经过测量得知:表面杂质浓度为4×1013cm－3，峰值在1800Å深处，峰值浓度为5×1017cm－3。假定离子注入服从对称高斯分布，你能估计出它的注入剂量是多少吗？解：51800A1.810pRcm（2分）22max22expexp222ppspppRRSCC（2分）22maxmax2ln2lnppppssRRCCCC（2分）-517maxmax17max13121221.81022510510ln2ln4100.5771.85105.210ppsRSCCCCcm（3分）3、证明对于长时间氧化过程，SiO2生长厚度与时间的关系2()oxoxtAtBt可以简写成：2oxtBt；对于短时间氧化过程，则可以表示为()oxBttA某些工艺需要厚度为1000Å的栅氧化层，如果在1000°C下进行干氧氧化且没有初始氧化层，氧化需进行多长时间？如果在相同条件下分两步生长氧化层，每次生长厚度为500Å，计算每步氧化所需时间。(已知1000°C下干氧氧化速率常数A=0.165µm，B=0.0117µm2/h)(14分)解：证明：tox2+Atox=B)(t22()()24oxAAtBt22()()24oxAAtBtB（3分）当t,tBA42,所以,tox2=Bt（2分）同样当t,tBA42,那么，tox=)(tAB（2分）根据硅氧化公式：其中：因为初始氧化层厚度为0Å，要生长1000Å的氧化层，所以有：τ=0，22+0.1650.0110.10.1==2.37hoxoxtAttB（2分）如果先长500Å的氧化层，则有：22+0.1650.050.05==0.92h0.0117oxoxtAttB（2分）相同条件下继续生长500Å的氧化层，则有：0220+0.10.050.05650.01=92h1=0.7tAtB（2分）则第二步所需时间为：22+0.160.10.150.0-=-0.92=1.3871h1oxoxtAttB（2分）2()oxoxtAtBt120112()2sggoADkhDHPBNtAtB姓名一、密封线内不准答题。二、姓名、学号不许涂改，否则试卷无效。三、考生在答题前应先将姓名、学号、年级和班级填写在指定的方框内。四、试卷印刷不清楚。可举手向监考教师询问。学号所在年级、班级装订注意意：线