集成电路工艺原理作业[1].doc

集成电路制造技术作业热氧化1、解释名词：自掺杂 外扩散 SOS技术 SOI技术。答：自掺杂：是指在高温外延时，高掺杂衬底中的杂质从基片外表面扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的现象。外扩散：又称为互扩散，是指在高温外延时，衬底和外延层中的杂质互相由浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散的现象。SOS技术：是SOI技术的一种，是在蓝宝石或尖晶石衬底上异质外延硅获得外延材料的技术。SOI技术：是指在绝缘衬底上异质外延硅获得外延材料的技术。2、详述影响硅外延生长速率的因素。答：影响外延生长速率的因素主要有外延温度、硅源种类、反应剂浓度、外延反应器结构类型、气体流速、衬底晶向等。外延温度的影响：外延过程可分为质量传递过程和表面反应过程。在气相质量传递过程中，随着温度升高气相边界层中的气体分子热运动加剧、气体黏度增加、气体密度降低、气相边界层增厚，综合以上效应，气相质量传递速率随温度缓慢升高有所加快。在表面反应过程中，外延剂吸附和气态生长物的解吸过程很快，对外延生长速率影响效果不明显；外延剂化学反应和生成硅原子迁移随着温度升高而明显加快，综合几个过程的综合效果，硅表面反应过程随温度升高速率加快非常明显。因此，外延温度升高，外延生长速率加快。硅源种类的影响：实际测得采用不同硅源，生长速率不同。外延生长速率由高到低对应的硅源依次为：SiH4SiH2Cl2SiHCl3SiCl4。反应剂浓度的影响：一般地，在反应剂浓度较低时，随着反应剂浓度增加，质量传递至衬底表面的外延剂就会增加，外延速度就会加快。但是，随着浓度进一步升高，到达某一临界浓度时，衬底表面生成硅原子速率大于硅原子在衬底表面生成单晶的速度或者反应剂分解形成硅粒堆积，就会生长出多晶硅，此时外延层的生长速率由硅原子形成单晶的速率控制。当采用含氯硅源时，如果反应剂浓度继续增加，到达某一浓度时，外延生长速率反而开始减小。其他影响因素：外延器的结构类型、气体流速的因素对气相质量传递快慢造成影响。不同的衬底晶向由于共价键密度不同，外延生长速率也有所不同。3、用外延生长的过程解释高温区、低温区温度与生长速度的关系。答：外延过程可分为质量传递过程和表面反应过程。在气相质量传递过程中，随着温度升高气相边界层中的气体分子热运动加剧、气体黏度增加、气体密度降低、气相边界层增厚，综合以上效应，气相质量传递速率是温度的缓变化函数。在表面反应过程中，决定生长速率的是外延剂化学反应速率和生成硅原子迁移速率，此二过程变化速率是温度的快变函数，并且硅原子迁移形成单晶必须在高温下进行。因此，在温度较低时，相对于气相质量传递速率而言，表面反应速率较慢，外延生长速率受表面反应过程控制，外延生长速率随温度变化较快；在温度较高时相对于表面外延反应速率而言，气相质量传递速率较慢，外延生长速率受气相质量传递过程控制，外延生长速率随温度变化较为缓慢。4、解释以SiCl4为原料的硅外延为什么随SiCl4浓度的增加会出现负的生长速率？答：用SiCl4反应剂，在浓度较低时，随着反应剂浓度增加，外延生长速度相应增加。随着浓度进一步升高，反应剂浓度超过临界浓度A后，衬底表面生成硅原子速率大于硅原子在衬底表面排列生成单晶的速度，就会生长出多晶硅，此时外延层的生长速率由硅原子形成单晶的速率控制。如果反应剂浓度继续增加，到达某一浓度B后，外延生长速率反而开始减小，特别地，当浓度增加到一定值时，开始出项负生长速率。这是因为SiCl4和H2还原反应是可逆的，当H2中SiCl4摩尔分数增大至0.28时，外延生长的速率小于硅的刻蚀速率，外观上只存在对Si的刻蚀作用，所以外延生长出项负生长速率。5、解释为什么使用外延生长难以得到突变结？答：外延是在高温下进行的，由于自掺杂和互扩散效应导致的杂质再分布，造成在外延和衬底界面处的杂质浓度梯度变化较缓，杂质浓度无法做到陡变分布，因此难以得到突变结。热氧化1、由热氧化机理解释干、湿氧速率相差很大这一现象。答：由二氧化硅基本结构单元可知，位于四面体中心的Si原子与四个顶角上的氧原子以共价键方式结合在一起，Si原子运动要打断四个Si-O键，而桥联O原子的运动只需打断二个Si-O键，非桥联氧原子只需打断一个Si-O键。因此，在SiO2网络结构中，O原子比Si原子更容易运动。氧原子离开其四面体位置运动后，生成氧空位。在热氧化过程中，氧离子或水分子能够在已生长的SiO2中扩散进入SiO2/Si界面，与Si原子反应生成新的SiO2网络结构，使SiO2膜不断增厚。与此相反，硅体内的Si原子则不容易挣脱Si共价键的束缚，也不容易在已生长的SiO2网络中移动。所以，在热氧化的过程中，氧化剂通过氧化层扩散至SiO2-Si界面处进行反应，而不发生在SiO2层的外表层。在氧化过程中，氧化反应的速度很快，而扩散速度较慢，因此，在高温氧化时，氧化剂扩散速度决定了氧化速度。同样的氧化层厚度，水分子的扩散速度是氧的几十倍，所以，干氧和湿氧氧化速率差别较大。2、薄层工艺（10nm以下氧化层）过程中应注意哪些要求？现采用的工艺有哪些？答：薄栅氧化层制备应满足以下关键条件：（1）低缺陷密度。（2）好的抗杂质扩散的势垒持性。（3）具有低的界面态密度和固定电荷的高质量的Si-SiO2界面；（4）在热载流子应力和辐射条件下的稳定性。（5）工艺过程中具有较低的热开销，以减少热扩散过程中的杂质再分布。现采用的工艺分为四大类主流方法：（1）各种预氧化清洁工艺；（2）各种氧化工艺；（3）化学改善栅氧化层工艺；（4）沉积氧化层或叠层氧化硅作为栅介质。3、热氧化法生长1000厚的氧化层，工艺条件：1000，干氧氧化，无初始氧化层，试问：（1）氧化工艺需多长时间？解：氧化层厚度与时间的关系：X2+AX=B（t+），因无初始氧化层，故=0，氧化时间为：t= （X2+AX）/B=(0.01+0.10.165)/1.9510-4135.9min（2）在此基础上湿法氧化30min，氧化温度1000，求最终的氧化层厚度。解：初始氧化层厚度为0.1m，则：=（X2+AX）/B=(0.01+0.10.226)/0.4810-26.8min则，氧化层厚度为：X=A/21+(t+)4B/A21/2-1=0.22620.3=0.034m故，最终氧化层厚度为X=0.1+0.034=0.134m。课本练习题第7题：第一步：解：根据氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式：已知初始条件：=0，查表得知：，代入公式解得： 第二步：在此基础上湿法氧化30min，氧化温度为1000，求最终的氧化层厚度。解：此步氧化时已经有了第一步的初始氧化层厚度x0=0.1 ，其中，由公式 可得=7.2min根据氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式： 解得：=0.325，所以最终氧化层厚度为=0.325+0.10 =0.425。第10题：解：（1）有图可知； 由扩散系数公式 预淀积工艺时，主要以恒定表面源扩散为主，所以由杂质总量计算公式得 atoms/cm2预淀积为余误差分布，而；由此得：A6.2； （2）再分布过程应遵循限定表面源扩散规律，所以表面杂质浓度结深为：表面杂质浓度为：atoms/cm2第12题：解：该题为查表题，由表6-19，峰值浓度在0.1m处注入能量大约为30keV。第13题：解：扩散温度导致的扩散深度偏差产生主要来源在于扩散系数差由扩散系数公式 ，以B扩为例，其中D0=10.5 ，Ea=3.69eV（1）温度为+1时：（2）温度为-1时：第16题：答：（1）沟道效应:对晶体靶进行离子注入时，当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，其运动轨迹将不再是无规则的，而是将沿沟道运动并且很少受到原子核的碰撞，因此来自靶原子的阻止作用要小得多，而且沟道中的电子密度很低，受到的电子阻止也很小，这些离子的能量损失率就很低。在其他条件相同的情况下，很难控制注入离子的浓度分布，注入深度大于在无定形靶中的深度并使注入离子的分布产生一个很长的拖尾，注入纵向分布峰值与高斯分布不同，这种现象称为离子注入的沟道效应（Channeling effect）。 （2）减少沟道效应的措施：（1）对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离710o；（2）用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）；（3）增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）；（4）表面用SiO2层掩膜。第18题：解：（1）根据结深计算公式：，推得，而,将D代入中，所以，还要再扩散需要的时间为：117 -13=104min（2）由于1m厚氧化层消耗的硅为：