半导体制造技术题库答案

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(0.5—2.0J/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。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。①交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。③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。④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位。以上几种形式主要分成两大类：①替位式扩散；②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𝛛𝐂/𝛛𝐱，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：①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。②晶粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。③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）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℃)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。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。两步扩散后的杂质最终分布形式：D预t预D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。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。8.假设进行一次受固溶度限制的预淀积扩散，从掺杂玻璃源引入的杂质总剂量为Qcm-2。（1）如果这次预淀积进行了总共t分钟，若预淀积温度不变，引入3Qcm-2的杂质需要多长时间？（2）预淀积后再进行推进扩散，要求推进的杂质足够深，使得最后表面杂质浓度等于其固溶度Cs的1%。若已知预淀积过程中的(Dt)predop，推导出推进扩散过程中(Dt)drive-in的表达式。9.简述几种常用的氧化方法及其特点。制备SiO2的方法有很多，热分解淀积、溅射、真空蒸发、阳极氧化法、化学气相淀积、热氧化法等。热生长法制备的SiO2质量好，是集成电路的重要工艺之一。热氧化法：Si与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应生成SiO2。热氧化法制备SiO2的特点：具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质不太受湿度和中等温度热处理的影响；降低Si表面的悬挂键，使表面态密度减小；很好地控制界面陷阱和固定电荷。(1).干氧氧化在高温下，氧气与硅反应生成SiO2。氧化温度为900-1200℃，为了防止外部气体的玷污，炉内气体压力应比一个大气压稍高些，可通过气体流速来控制。优点：结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶黏附好，目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都是采用这种方法。缺点：干氧氧化法的生长速率慢，所以经常同湿氧氧化方法相结合生长SiO2。(2).水汽氧化在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成SiO2。产生的H2分子沿Si-SiO2界面或者以扩散方式通过SiO2层“逃离”。因为水比氧气在SiO2中有更高的扩散系数和大得多的溶解度，所以水汽氧化的生长速率一般比较高。(3).湿氧氧化湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧气，高纯水一般被加热到95℃左右。通过高纯水的氧气携带一定水蒸气，所以湿氧氧化的氧化剂既含有氧，又含有水汽。因此，SiO2的生长速率介于干氧和水汽氧化之间，与氧气流量、水汽的含量有着密切关系。如果水汽含量很少，SiO2的生长速率和质量就越接近于干氧氧化的情况，反之，就越接近水汽氧化情况。水汽含量与水温和氧气流量有关。氧气流量越大，水温越高，则水汽含量就越大。氢气和氧气，H2+O2→H2O采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成的水汽。(4).快速热氧化工艺(RTO)制备深亚微米器件的栅极氧化层，非常薄30Å在实际生产中，根据要求选择干氧氧化、水汽氧化或湿氧氧化。对于制备较厚的SiO2层来说，往往采用的是干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式。这种氧化方式既保证SiO2表面和Si-SiO2界面质量，又解决了生长效率的问题。10.说明SiO2的结构和性质，并简述结晶型SiO2和无定形SiO2的区别。结晶形SiO2——由Si-O四面体在空间规则排列构成每个顶角的O原子与两个相邻四面体中心的Si原子形成共价键。无定形SiO2——Si-O四面体的空间排列没有规律Si-O-Si键桥的角度不固定，在110-180°之间，峰值144°。无定形SiO2的性质：Si-O四面体在空间的排列无规则，大部分O与相邻的两个Si-O四面体的Si形成共价键（称为桥键氧），也有一部分只与一个Si-O四面体的Si形成共价键（称为非桥键氧）；无定形网络疏松、不均匀、有孔洞，SiO2分子约占无定形网络空间体积43%，密度2.15-2.25g/cm3，结晶形SiO2密度为2.65g/cm3；在无定形SiO2网络中，氧的运动(1-2个Si-O键)比Si(4个Si-O键)容易；室温下Si-O键以共价键为主，也含有离子键成份，随温度的升高，离子键成份比例增大。密度：一般为2.20g/cm3（无定形，一般用称量法测量）；折射率：是波长的函数，5500Å左右时为1.46，密度较大则折射率较大；电阻率：高温干氧氧化法制备的SiO2电阻率高达1016Ω·cm；介电强度：单位厚度的SiO2所能承受的最小击穿电压，与致密程度、均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106-107V/cm；化学性质：非常稳定，室温下只与氢氟酸发生反应：11.以P2O5为例说明SiO2的掩蔽过程。12.简述杂质在SiO2的存在形式及如何调节SiO2的物理性质。热氧化层中可能存在各种杂质，某些最常见的杂质是与水有关的化合物，其结构如图所示。如果氧化层在生长中有水存在，一种可能发生的反应是一个氧桥还原为两个氢氧基。Si:O:Si→Si:O:H+H:O:Si网络构成者——一些杂质会被有意掺入热淀积SiO2中，用来改善它的物理性质和电学特性，例如硼、磷，称为网络构成者，它们可以调节有氧桥和无氧桥的比例，使得SiO2的强度上升或者下降。当B替代Si之后，顶角上的四个O只有三个O可以同B形成共价键，剩余的一个O因无法与中心的B形成共价键，而变成了非桥键O，因此SiO2网络中非桥键O增加，强度下降。当P替代Si之后，与原有的四个O形成共价键，还多余一个价电子，这个多余的价电子还可以与近邻的一个非桥键O形成桥键O，因此SiO2网络强度增加。网络改变者——存在于SiO2网络间隙的