半导体工艺与制造技术习题答案(第三章)

第三章扩散1.分别简述RVD和GILD的原理，它们的优缺点及应用方向。答：（1）RVD（快速气相掺杂）原理：利用快速热处理过程（RTP）将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生化学反应产生杂质原子，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。优缺点：不受注入所带来的一些效应的影响。如：沟道效应、晶格损伤或使硅片不带电等。然而，需要在较高温度下完成。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。应用方向：DRAM中电容的掺杂、以及CMOS浅源漏结的制造等。（2）GILD（气体浸没激光掺杂）原理：用准分子激光器照射使硅表面变为液体层，气态掺杂源热解或光解产生的杂质原子通过液相扩散进入该液体层，快速并均匀扩散至整个融化层中，激光照射停止后，液体层结晶杂质进入激活的晶格位置，形成均匀掺杂的表面薄层。优缺点：只有表面受到照射且时间较短，表面杂质分布均匀陡峭，硅体内杂质处于低温，杂质分布不受影响。应用方向：突变型分布及超浅结的掺杂。2.集成电路中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么优缺点？答：按原始杂质源在室温下的相态，可分为固态源、液态源和气态源扩散。固态源扩散典型的有开管扩散、箱法扩散和涂源法扩散。其中开管扩散具有良好的稳定性和重复性；箱法扩散具有良好的均匀性；涂源法扩散工艺简单，但表面浓度难以控制，只适用于杂质浓度要求不高的器件制造。液态源扩散相对于固态源扩散来说，系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好，但对源瓶的密封性有较高的要求。气态源扩散系统则更为简洁，但其气态杂质多为氢化物或卤化物，毒性很大，易燃易爆，具有一定的危险性。3.杂质原子的扩散方式有几种？它们各自发生的条件是什么？答：杂质原子的扩散方式主要有替位式和间隙式两大类。其中替位式分为交换式和空位式。交换式是由于相邻两原子有足够高的能量，互相交换位置；空位式是由于有晶格空位，相邻原子能够移动过来。间隙式分为挤出机制和Frank-Turnbull机制，挤出机制中，杂质原子踢出晶格位置上的原子，进入晶格位置；Frank-Turnbull机制中，杂质原子以间隙的方式进行扩散运动，遇到空位可被俘获，成为替位杂质。4.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。氧化增强扩散机理：硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生了大量的间隙Si原子，过剩的间隙Si原子可以和替位B相互作用，从而使原来处于替位的B变为间隙B。当间隙B的近邻晶格没有空位时，间隙B就以间隙方式运动；如果间隙B的近邻晶格出现空位时，间隙B又可以进入空位变为替位B。这样，杂质B就以替位-间隙交替的方式运动，其扩散速度比单纯的替位式扩散要快。氧化阻滞扩散机理：用锑代替硼的扩散实验表明，氧化区正下方锑的扩散结深小于保护区下方的扩散结深，说明在氧化过程中锑的扩散被阻滞。这是因为控制锑扩散的主要机制是空位。在氧化过程中，所产生的过剩间隙硅原子在向硅内扩散的同时，不断地与空位复合，使空位浓度减小，从而降低锑的扩散速度。5.写出菲克第一定律和第二定律的表达式，并解释其含义。答：菲克第一定律表达式为：含义：杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度正比于杂质在基体中的扩散系数D（体现了温度T与扩散流密度J的关系）。菲克第二定律表达式为：针对不同边界条件求出该方程的解，可得出杂质浓度C的分布，即C与x，t的关系。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。答：（1）恒定表面源扩散边界条件：初始条件：扩散杂质的分布函数，服从余误差分布特点：杂质分布形式：表面杂质浓度Cs；时间、温度与扩进杂质总量；结深：温度、时间与结深；杂质浓度梯度：Cs越大或D越小的杂质，扩散后的浓度梯度将越大。（2）有限表面源扩散边界条件：初始条件：扩散杂质的分布函数，服从高斯分布：特点：杂质分布形式：表面杂质浓度Cs与扩散深度成反比；杂质总量不变；结深：扩散长度、衬底杂质浓度；杂质浓度梯度：7.什么是两步扩散工艺，其两步扩散的目的分别是什么？答：由于恒定表面源浓度的扩散，难于制作出低表面浓度的深结；有限源扩散不能任意控制杂质总量，因而难以制作出高表面浓度的浅结。为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺。第一步为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式在硅表面扩散一层杂质原子，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量；第二步为主扩散或再分布，将表面已淀积杂质的硅片在较高温度下扩散即有限表面源扩散，其分布为高斯函数，目的是控制表面浓度和扩散深度。8.什么是方块电阻？简述其常见的测量方法。答：方块电阻指定义为正方形的薄层在电流方向所呈现的电阻，即单位厚度、单位面积上的电阻值，它与所选取得正方形大小无关。常用测量方法有直线四探针法、范德堡法。9.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Qcm2。（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）预淀积后再进行扩散，要求进行推进的杂质足够深，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）prodop，推导出推进扩散过程中（Dt）drive-in的表达式。答：（1）（2）