集成電路制造技術(shù)-原理與工藝課后習(xí)題答案

第一單元:3.比較硅單晶錠CZ,MCZ和FZ三種生長(zhǎng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：CZ直拉法工藝成熟，可拉出大直徑硅棒，是目前采用最多的硅棒生產(chǎn)方法。但直拉法中會(huì)使用到坩堝，而坩堝的使用會(huì)帶來(lái)污染。同時(shí)在坩堝中，會(huì)有自然對(duì)流存在，導(dǎo)致生長(zhǎng)條紋和氧的引入。直拉法生長(zhǎng)多是采用液相摻雜，受雜質(zhì)分凝、雜質(zhì)蒸發(fā)，以及坩堝污染影響大，因此，直拉法生長(zhǎng)的單晶硅摻雜濃度的均勻性較差。MCZ磁控直拉法，在CZ法單晶爐上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，高傳導(dǎo)熔體硅的流動(dòng)因切割磁力線而產(chǎn)生洛侖茲力，這相當(dāng)于增強(qiáng)了熔體的粘性，熔體對(duì)流受阻。能生長(zhǎng)無(wú)氧、均勻好的大直徑單晶硅棒。設(shè)備較直拉法設(shè)備復(fù)雜得多，造價(jià)也高得多，強(qiáng)磁場(chǎng)的存在使得生產(chǎn)成本也大幅提高。FZ懸浮區(qū)熔法，多晶與單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)生一懸浮的溶區(qū)，多晶硅連續(xù)通過(guò)熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸的界面處生長(zhǎng)單晶。與直拉法相比，去掉了坩堝，沒(méi)有坩堝的污染，因此能生長(zhǎng)出無(wú)氧的，純度更高的單晶硅棒。6.硅氣相外延工藝采用的襯底不是準(zhǔn)確的晶向,通常偏離[100]或[111]等晶向一個(gè)小角度,為什么?答：在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，外延氣體進(jìn)入反應(yīng)器，氣體中的反應(yīng)劑氣相輸運(yùn)到襯底，在高溫襯底上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的外延物質(zhì)沿著襯底晶向規(guī)則地排列，生長(zhǎng)出外延層。氣相外延是由外延氣體的氣相質(zhì)量傳遞和表面外延兩個(gè)過(guò)程完成的。表面外延過(guò)程實(shí)質(zhì)上包含了吸附、分解、遷移、解吸這幾個(gè)環(huán)節(jié)，表面過(guò)程表明外延生長(zhǎng)是橫向進(jìn)行的，是在襯底臺(tái)階的結(jié)點(diǎn)位置發(fā)生的。因此，在將硅錠切片制備外延襯底時(shí)，一般硅片都應(yīng)偏離主晶面一個(gè)小角度。目的是為了得到原子層臺(tái)階和結(jié)點(diǎn)位置，以利于表面外延生長(zhǎng)。7.外延層雜質(zhì)的分布主要受哪幾種因素影響？答：雜質(zhì)摻雜效率不僅依賴于外延溫度、生長(zhǎng)速率、氣流中摻雜劑的摩爾分?jǐn)?shù)、反應(yīng)室的幾何形狀等因素，還依賴于摻雜劑自身的特性。另外，影響摻雜效率的因素還有襯底的取向和外延層結(jié)晶質(zhì)量。硅的氣相外延工藝中，在外延過(guò)程中，襯底和外延層之間存在雜質(zhì)交換現(xiàn)象，即會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象，主要有自摻雜效應(yīng)和互擴(kuò)散效應(yīng)兩種現(xiàn)象引起。8.異質(zhì)外延對(duì)襯底和外延層有什么要求？答：1.襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的相互溶解現(xiàn)象；2.襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免外延層由生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫時(shí)，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，界面位錯(cuò)，甚至外延層破裂。3.襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。10.比較分子束外延（MBE）生長(zhǎng)硅與氣相外延（VPE）生長(zhǎng)硅的優(yōu)缺點(diǎn)。答：MBE的特點(diǎn)：超高真空度達(dá)10-9~10-11Torr，外延過(guò)程污染少，外延層潔凈。溫度低，(100)Si最低外延溫度470K，所以無(wú)雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。外延分子由噴射爐噴出，速率可調(diào)，易于控制，可瞬間開(kāi)/停，能生長(zhǎng)極薄外延層，厚度可薄至?量級(jí)。設(shè)備上有多個(gè)噴射口，可生長(zhǎng)多層、雜質(zhì)分布復(fù)雜的外延層，最多層數(shù)可達(dá)104層。在整個(gè)外延過(guò)程中全程監(jiān)控，外延層質(zhì)量高。MBE多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層薄的異質(zhì)外延。設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴分子束外延與氣相外延相比：1．襯底溫度低，沒(méi)有自摻雜效應(yīng)，因而擴(kuò)散效應(yīng)帶來(lái)的雜質(zhì)再分布現(xiàn)象也很弱。2．外延生長(zhǎng)室真空度超高，非有意摻入的雜質(zhì)濃度也非常低。3．外延生長(zhǎng)雜質(zhì)的摻入與停止是由噴射爐控制的，在外延界面沒(méi)有過(guò)渡區(qū)。第二單元3.欲對(duì)擴(kuò)散雜質(zhì)起有效的屏蔽作用,對(duì)SiO2膜有何要求?答:硅襯底上的SiO2要能夠當(dāng)做掩膜來(lái)實(shí)現(xiàn)定域擴(kuò)散，需要xSiO2滿足下列條件：預(yù)生長(zhǎng)的SiO2膜具有一定的厚度，同時(shí)雜質(zhì)在襯底硅中的擴(kuò)散系數(shù)DSi要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)DSiO2，而且SiO22表面雜質(zhì)濃度與Si/SiO2界面雜質(zhì)濃度之比達(dá)到一定數(shù)值，可保證SiO2膜起到有效的掩膜作用。8.硅芯片為避免芯片沾污，可否最后熱氧化一層SiO2作為保護(hù)膜？為什么？答：不可以。Si的熱氧化是高溫工藝，硅器件芯片完成后再進(jìn)行高溫工藝會(huì)因金屬電極的氧化、雜質(zhì)再分布等原因損害器件性能、甚至使其徹底效。另外，熱氧化需要消耗襯底硅，器件表面無(wú)硅位置生長(zhǎng)不出氧化層。16.在1050°C濕氧氣氛生長(zhǎng)1um厚氧化層，計(jì)算所需要時(shí)間。若拋物線型速率系數(shù)與氧化氣壓成正比，分別計(jì)算計(jì)算5個(gè)、20個(gè)大氣壓下的氧化時(shí)間。P81[100]，[111]，解：氧化層生長(zhǎng)厚度與生長(zhǎng)時(shí)間之間的關(guān)系式為已知，，，所以拋物線型速率BT1=t/5,T2=t/20第三單元1.比較APCVD、LPCVD和PECVD三種方法的主要異同和主要優(yōu)缺點(diǎn)？異同點(diǎn)：APCVD，是最早出現(xiàn)的CVD工藝，其淀積過(guò)程在大氣壓力下進(jìn)行，主要用于二氧化硅薄膜的制備。由質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率。LPCVD，與APCVD相比增加了真空系統(tǒng)，氣壓在1-10-2Torr之間進(jìn)行的CVD?？傻矸e多晶硅、氮化硅、二氧化硅、PSG、BPSG、W等。淀積速率受表面反應(yīng)控制，對(duì)溫度非常敏感，氣體分壓，氣流速對(duì)淀積速率也有影響。LPCVD和APCVD一樣都是以熱激活方式淀積薄膜的CVD工藝方法。PECVD，采用等離子體技術(shù)把電能耦合到氣體中，激活并維持化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行薄膜的一種工藝方法。等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積就是利用等離子體來(lái)增強(qiáng)較低溫度下化學(xué)反應(yīng)速率的。淀積速率是表面反應(yīng)控制，精確控制襯底溫度：溫度變化對(duì)薄膜厚度均勻性影響很大。優(yōu)缺點(diǎn)：5.等離子體是如何產(chǎn)生的？答：通常情況下，氣體處于中性狀態(tài)，只有極少的分子受到高能宇宙射線的激發(fā)而電離。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，這些電離的帶點(diǎn)粒子與氣體分子一樣，作雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有外加電場(chǎng)時(shí)，氣體中的自然產(chǎn)生的離子和電子做定向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度隨著電壓增加而加快，電流也就隨著電壓的增加而線性增大。當(dāng)電壓足夠大到一定時(shí)，出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象，氣體突然發(fā)生擊穿現(xiàn)象，使得氣體具有一定導(dǎo)電能力。此時(shí)的氣體由正離子、電子、光子以及原子、原子團(tuán)、分子及它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體，宏觀上呈現(xiàn)電中性。這種具有一定導(dǎo)電能力的混合氣體就是等離子體。PECVD是如何利用等離子體的？等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積是采用等離子體技術(shù)把電能耦合到氣體中，激活并維持化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行薄膜的一種工藝方法。襯底吸附等離子體內(nèi)活潑的中性原子團(tuán)與游離基，在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜物質(zhì)，并不斷受到離子和電子轟擊，容易遷移、重排，使得淀積薄膜均勻性好，填充小尺寸結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)。16.以鋁互連系統(tǒng)作為一種電路芯片的電連系統(tǒng)時(shí)，若分別采用真空蒸鍍和磁控濺射工藝淀積鋁膜，應(yīng)分別從哪幾個(gè)方面來(lái)提高其臺(tái)階覆蓋特性？真空蒸鍍：通過(guò)襯底加熱和襯底旋轉(zhuǎn)能夠改善真空蒸鍍的臺(tái)階覆蓋特性。P214磁控濺射：充分升高襯底溫度，在襯底上加射頻電壓，采用強(qiáng)迫填充技術(shù)，采用準(zhǔn)直濺射技術(shù)。P224是在高真空濺射時(shí)，在襯底正上方插入一塊高縱橫比孔的平板，稱為準(zhǔn)直器。濺射原子的平均自由程足夠長(zhǎng)，則在準(zhǔn)直器與襯底之間幾乎不會(huì)發(fā)生碰撞。因此，。。。第一單元習(xí)題以直拉法拉制摻硼硅錠，切割后獲硅片，在晶錠頂端切下的硅片，硼濃度為3×1015atoms/cm3。當(dāng)熔料的90％已拉出，剩下10％開(kāi)始生長(zhǎng)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的晶錠上的該位置處切下的硅片，硼濃度是多少?已知：C0B=3×1015atoms/cm3；kB=0.35；由得：硅熔料中硼的初始濃度為： C0l=C0B/kB=3×1015/0.35≈8.57×1015atoms/cm3由得：剩下10％熔料時(shí)，此處晶錠的硼濃度為： C90%B=kBC0l×0.1kB-1=0.35×8.57×1015×0.10.35-1=硅熔料含0.1％原子百分比的磷，假定溶液總是均勻的，計(jì)算當(dāng)晶體拉出10％，50％，90％時(shí)的摻雜濃度。已知：硅晶體原子密度為：5×1022atoms/cm3,含0.1％原子百分比的磷,熔料中磷濃度為：C0p=5×1022×0.1％=5×1019atoms/cm3；kp=0.8由計(jì)算得： C10%p=kPC0p×0.9kp-1=0.8×5×1019×0.9-0.2=4.09×1019atoms/cm3 C50%p=0.8×5×1019×0.5-0.2=4.59×1019atoms/cm3 C90%p=0.8×5×1019×0.1-0.2=6.34×1019atoms/cm3比較硅單晶錠CZ、MCZ和FZ三種生長(zhǎng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)？答： CZ法工藝成熟可拉制大直徑硅錠，但受坩鍋熔融帶來(lái)的O等雜質(zhì)濃度高，存在一定雜質(zhì)分布，因此，相對(duì)于MCZ和FZ法，生長(zhǎng)的硅錠質(zhì)量不高。當(dāng)前仍是生產(chǎn)大直徑硅錠的主要方法。 MCZ法是在CZ技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，生長(zhǎng)的單晶硅質(zhì)量更好，能得到均勻、低氧的大直徑硅錠。但MCZ設(shè)備較CZ設(shè)備復(fù)雜得多，造價(jià)也高得多，強(qiáng)磁場(chǎng)的存在使得生產(chǎn)成本也大幅提高。MCZ法在生產(chǎn)高品質(zhì)大直徑硅錠上已成為主要方法。 FZ法與CZ、MCZ法相比，去掉了坩堝，因此沒(méi)有坩堝帶來(lái)的污染，能拉制出更高純度、無(wú)氧的高阻硅，是制備高純度，高品質(zhì)硅錠，及硅錠提存的方法。但因存在熔融區(qū)因此拉制硅錠的直徑受限。FZ法硅錠的直徑比CZ、MCZ法小得多。直拉硅單晶，晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中摻雜，需要考慮哪些因素會(huì)對(duì)硅錠雜質(zhì)濃度及均勻性帶來(lái)影響？答： 直拉法生長(zhǎng)單晶時(shí)，通常采用液相摻雜方法，對(duì)硅錠雜質(zhì)濃度及均勻性帶來(lái)影響的因素主要有：雜質(zhì)分凝效應(yīng)，雜質(zhì)蒸發(fā)現(xiàn)象，所拉制晶錠的直徑，坩鍋內(nèi)的溫度及其分布。磁控直拉設(shè)備本質(zhì)上是模仿空間微重力環(huán)境來(lái)制備單晶硅。為什么在空間微重力實(shí)驗(yàn)室能生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)單晶。答： 直拉生長(zhǎng)單晶硅時(shí)，坩堝內(nèi)熔體溫度呈一定分布。熔體表面中心處溫度最低，坩堝壁面和底部溫度最高。熔體的溫度梯度帶來(lái)密度梯度，坩堝壁面和底部熔體密度最低，表面中心處熔體密度最高。地球重力場(chǎng)的存在使得坩堝上部密度高的熔體向下，而底部、壁面密度低的熔體向上流動(dòng)，形成自然對(duì)流。坩堝也就越來(lái)越大，熔體對(duì)流更加嚴(yán)重，進(jìn)而形成強(qiáng)對(duì)流。熔體的流動(dòng)將坩堝表面融入熔體的氧不斷帶離坩堝表面，進(jìn)入熔體內(nèi)；而且熔體強(qiáng)對(duì)流也使得單晶生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性變差，引起硅錠表面出現(xiàn)條紋，這有損晶體均勻性。如果在單晶爐上附加一強(qiáng)磁場(chǎng)，高溫下具有高電導(dǎo)特性的熔體硅的流動(dòng)因載流子切割磁力線而產(chǎn)生洛侖茲力，洛倫茲力與熔體運(yùn)動(dòng)方向及磁場(chǎng)方向相互垂直，磁力的存在相當(dāng)于增強(qiáng)了熔體的粘性，從而熔體的自然對(duì)流受阻。在空間微重力實(shí)驗(yàn)室，地球重力場(chǎng)可以忽略，在坩鍋內(nèi)的熔體就不會(huì)因密度梯度形成自然對(duì)流，因此能生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)單晶。硅氣相外延工藝采用的襯底不是準(zhǔn)確的晶向，通常偏離（100）或（111）等晶向一個(gè)小角度，為什么？答： 從硅氣相外延工藝原理可知，硅外延生長(zhǎng)的表面外延過(guò)程是外延劑在襯底表面被吸附后分解出Si原子，他遷移到達(dá)結(jié)點(diǎn)位置停留，之后被后續(xù)的Si原子覆蓋，該Si原子成為外延層中原子。因此襯底表面“結(jié)點(diǎn)位置”的存在是外延過(guò)程順利進(jìn)行的關(guān)鍵，如果外延襯底不是準(zhǔn)確的（100）或（111）晶面，而是偏離一個(gè)小角度，這在其表面就會(huì)有大量結(jié)點(diǎn)位置，所以，硅氣相外延工藝采用的襯底通常偏離準(zhǔn)確的晶向一個(gè)小角度。外延層雜質(zhì)的分布主要受哪幾種因素影響？外延溫度，襯底雜質(zhì)及其濃度，外延方法，外延設(shè)備等因素影響。異質(zhì)外延對(duì)襯底和外延層有什么要求？對(duì)于B/A型的異質(zhì)外延，在襯底A上能否外延生長(zhǎng)B，外延層B晶格能否完好，受襯底A與外延層B的兼容性影響。襯底與外延層的兼容性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：其一，襯底A與外延層B兩種材料在外延溫度不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大劑量的互溶現(xiàn)象。即A和B的化學(xué)特性兼容；其二，襯底A與外延層B的熱力學(xué)參數(shù)相匹配，這是指兩種材料的熱膨脹系數(shù)接近，以避免生長(zhǎng)的外延層由生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫時(shí)，因熱膨脹產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在B/A界面出現(xiàn)大量位錯(cuò)。當(dāng)A、B兩種材料的熱力學(xué)參數(shù)不匹配時(shí)，甚至?xí)l(fā)生外延層龜裂現(xiàn)象。其三，襯底與外延層的晶格參數(shù)相匹配，這是指兩種材料的晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格結(jié)構(gòu)及參數(shù)的不匹配引起B(yǎng)/A界面附近晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。電阻率為2-3Ωcm的n-Si，雜質(zhì)為磷時(shí)，5千克硅，需摻入多少磷雜質(zhì)？已知：ρp=2-3Ωcm，σp=2.33g/cm3 由圖1-13的ρ~n曲線可得：