集成電路制造工藝與原理期末答卷

1、深圳大學(xué)期末考試特殊考試方式電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子科學(xué)與工程專業(yè)集成電路工藝原理期末成績考核報告姓名： 學(xué)號： 深圳大學(xué)考試答題紙(以論文、報告等形式考核專用)二一五二一六學(xué)年度第 一 學(xué)期課程編號1600730001課程名稱集成電路工藝原理主講教師楊靖評分學(xué) 號姓 名專業(yè)年級教師評語：要 求本報告（作業(yè)）必須是完全獨立完成，沒有抄襲或節(jié)選選本課程其他同學(xué)的作業(yè)，如果確認是抄襲（抄襲和被抄襲）都要承擔(dān)最終成績?yōu)镕的結(jié)果。 完成時間：2016，1，8，17:00之前請詳細解答以下每道問題！（回答時請每道題之間留有空隙、題之間清晰分開、每題標明題號；字跡工整、最好打??；圖可以手畫，但是，必須用規(guī)

2、、具，線條清晰規(guī)范；堅決杜絕！卷面臟、亂、草） 1) 舉例回答集成電路主要集成了哪些器件? 【5分】 2) 最少給出兩個集成電路選用硅半導(dǎo)體的理由。 【5分】 3) 在清洗過程中用到的進入沖洗池的純凈水的電阻(率)在出水口處為多大時說明硅片已經(jīng)被洗凈? 【5分】 4) 常見的半導(dǎo)體的沾污有哪些種類? 【5分】 5) 說明正光刻膠和負光刻膠在曝光過程中的變化和區(qū)別。 【5分】 6) 為什么要進行曝光前和曝光后烘焙、怎樣提高光刻分辨率? 【10分】 7) 請詳細回答，硅片在大氣中會自然氧化，從洗凈工藝的角度，這屬于一種沾污，采用什么工藝即可洗凈這種沾污而又不損壞硅? 【10分】 8) 在刻蝕工藝中

3、，由于電極附近鞘層領(lǐng)域的存在，電極附近只有正電荷存在，請用泊松方程解釋，在一個周期內(nèi)電極附近的電場方向總是指向電極。 【10分】 9) 在電極形成工藝中,用到金屬Ti,請詳盡說明金屬Ti的特性,以及金屬Ti在集成電路電極結(jié)構(gòu)中的作用! 【15分】 10) 以CMOS的nMOS形成工藝為例來說明，在離子注入工藝中用了多道該工藝步驟，這些步驟有什么目的或起到什么作用。 【15分】 11) 等離子體是現(xiàn)代集成電路工藝中不可或缺的加工手段和材料，根據(jù)你的理解和掌握，請就等離子體在集成電路工藝中有哪些應(yīng)用進行詳細的闡述。 【15分】1) 舉例回答集成電路主要集成了哪些器件? 【5分】答：集成電路主要集成

4、了晶體管、二極管、電阻和電容。2) 最少給出兩個集成電路選用硅半導(dǎo)體的理由。 【5分】答： （1）硅存量豐富，是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經(jīng)合理加工，能夠提純到半導(dǎo)體制造所需的足夠高的純度而消耗更低的成本。（2）硅熔點高，可以承受更加高溫的工藝，相當于放寬了工藝要求。（3）硅表面會自然生成氧化硅，它是一種高質(zhì)量、穩(wěn)定的電絕緣材料，而且能充當優(yōu)質(zhì)的化學(xué)阻擋層以保護硅不受外部玷污。生長穩(wěn)定的薄層氧化硅材料的能力是制造高性能金屬 - 氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件的根本。3) 在清洗過程中用到的進入沖洗池的純凈水的電阻(率)在出水口處為多大時說明硅片已經(jīng)被洗凈? 【5分】 答：在清洗過

5、程中純凈水的電阻率為18M時說明硅片已經(jīng)被洗凈。4) 常見的半導(dǎo)體的沾污有哪些種類? 【5分】答： （1）顆粒 （2）金屬雜質(zhì) （3）有機物沾污 （4）自然氧化層 （5）靜電釋放5) 說明正光刻膠和負光刻膠在曝光過程中的變化和區(qū)別。 【5分】答：正光刻膠：曝光區(qū)域變得更易溶解，一種正相掩膜版圖形出現(xiàn)在光刻膠上。在曝光過程中正性光刻膠分解，曝光區(qū)域易在顯影液中被洗去。負光刻膠：曝光區(qū)域交聯(lián)硬化，這使曝光的光刻膠難溶于顯影液溶劑中，光刻膠沒有在顯影液中除去。一種負相的掩模圖形形成在光刻膠上。區(qū)別：負光刻膠在硅片上形成的圖形與掩膜板上的圖形相反，正光刻膠在硅片上形成的圖形與掩膜板上的圖形相同。6)

6、為什么要進行曝光前和曝光后烘焙、怎樣提高光刻分辨率? 【10分】答： 進行曝光前烘焙能解決（1）光刻膠薄膜發(fā)黏并易受顆粒沾污的問題，解決（2）光刻膠薄膜來自于旋轉(zhuǎn)涂膠的內(nèi)在應(yīng)力而導(dǎo)致的粘附性的問題，還能（3）區(qū)分曝光和未曝光的光刻膠的溶解差異，最后還有一點就是能夠（4）防止光刻膠散發(fā)的氣體沾污光學(xué)系統(tǒng)的透鏡。進行曝光后的烘焙是為了促進關(guān)鍵光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，對CA DUV光刻膠進行后烘是必須的。對于基于DNQ化學(xué)成分的常規(guī)線膠，進行后烘的目的是提高光刻膠的粘附性并減少駐波。提高光刻分辨率的方法：增大成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑(NA) ，縮短曝光波長()以及，降低光學(xué)系統(tǒng)工藝因子k的參數(shù) 。7) 請詳細回答

7、，硅片在大氣中會自然氧化，從洗凈工藝的角度，這屬于一種沾污，采用什么工藝即可洗凈這種沾污而又不損壞硅? 【10分】答：硅片在大氣中自然氧化而生成的沾污叫自然氧化層， 自然氧化層需要通過使用含HF酸的混合液的清洗步驟去除。許多清洗方法都是在最后一步時把硅片表面暴露于氫氟酸（HF），以去除硅片表面的自然氧化層。硅片表面無自然氧化層，是生長高純外延薄膜和MOS電路柵極超薄氧化物（50?；蚋。┑年P(guān)鍵。HF浸泡之后，硅片表面完全被氫原子終止，在空氣中具有很高的穩(wěn)定性，避免了再氧化。氫原子終止的硅表面保持著與體硅晶體相同的狀態(tài)。此外，干洗等離子體技術(shù)也作為工藝設(shè)備中的集成預(yù)處理步驟去處自然氧化層。8)

8、在刻蝕工藝中，由于電極附近鞘層領(lǐng)域的存在，電極附近只有正電荷存在，請用泊松方程解釋，在一個周期內(nèi)電極附近的電場方向總是指向電極。 【10分】答：由圖（a）的A區(qū)域可知，A區(qū)域內(nèi)電子跟正電荷都在增加，但單子的增長速度更快，所以對外顯負電，所以v<0，由式子可得電場E<0由圖（a）的B區(qū)域可知，B內(nèi)電子跟正電荷數(shù)量相同，對外不顯電，即v=0，式子可得E=0由圖（a）的C區(qū)域可知，C內(nèi)電子跟正電荷都在減少，但電子減得快，所以對外顯正電，即v>0，由式子可得E>0所以一個周期內(nèi)電極附近的電場方向總是指向電極。9) 在電極形成工藝中,用到金屬Ti,請詳盡說明金屬Ti的特性,以及金

9、屬Ti在集成電路電極結(jié)構(gòu)中的作用! 【15分】答： 鈦的特性： 純鈦是銀白色的金屬，在金屬分類中被劃歸為稀有輕金屬。鈦在元素周期表中屬B族元素，原子序數(shù)為22，原子量為47.9，原子半徑為0.145nm。鈦的熔點為1660±10，其有兩種同素異構(gòu)體，相變點為890 920，在轉(zhuǎn)變溫度以下為密排六方的-Ti，在轉(zhuǎn)變溫度以上直到熔點之間為體心立方的-Ti。 鈦在化學(xué)、物理和機械性能方面有其自己的特點。與其他金屬相比，鈦的密度小、比強度高，彈性模量低（常溫時為103.4GPa）, 屈強比高，導(dǎo)熱系數(shù)?。?.1507J），熱膨脹系數(shù)低，無磁性、無毒，耐高、低溫，耐腐蝕、與氧的親和力極強。金

10、屬鈦在電路電極結(jié)構(gòu)中的作用：鈦金屬在CMOS制作過程的接觸形成工藝中可以使硅和隨后淀積的導(dǎo)電材料更加緊密地結(jié)合起來。鈦的電阻很低，同時能夠與硅發(fā)生充分反應(yīng)。當溫度大于700C時，鈦跟硅發(fā)生反應(yīng)生成鈦的硅化物。鈦和二氧化硅不發(fā)生反應(yīng)，因此這兩種物質(zhì)不會發(fā)生化學(xué)的鍵合或者物理聚合。因此鈦能夠輕易的從二氧化硅表面除去，而不需要額外掩膜。鈦的硅化物在所有有源硅的表面保留了下來。  （1）金屬鈦淀積：一薄阻擋層金屬鈦襯墊于局部互連溝道的底部和側(cè)壁上。這一層鈦充當了鎢與二氧化硅間的粘合劑。  （2）氮化鈦淀積：氮化鈦立即淀積于鈦金屬層的表面充當金屬鎢的擴散阻擋層。&

11、#160; （3）金屬淀積鈦阻擋層：在薄膜區(qū)利用物理氣相淀積設(shè)備在整個硅片表面淀積一薄層鈦。鈦襯墊于通孔的底部及側(cè)壁上。鈦充當了將鎢限制在通孔中的粘合劑。  （4）溶性陽極和不溶性陽極：可溶性陽極在電解過程中起補充金屬離子和導(dǎo)電的作用，不溶陽極只起導(dǎo)電作用。最早的不溶性陽極是石墨和鉛系陽極上世紀70年代鈦陽極作為新技術(shù)開始應(yīng)用在電解和電鍍行業(yè)。目前不溶性陽極可分為兩大類：析氯陽極和析氧陽極。析氯陽極主要用于氯化物電解液體系，電鍍過程中陽極有氯氣釋放出來，因此稱為析氯陽極;析氧陽極主要用于硫酸鹽、硝酸鹽、氫氰酸鹽等電解液體系，電鍍過程中陽極有氧氣釋放出來，因此稱為析

12、氧陽極。鉛合金陽極析氧陽極，鈦陽極根據(jù)其表面催化涂層不同分別具有析氧、析氯功能或二者功效兼有。 （5）氯堿工業(yè)用鈦陽極：與石墨電極相比，隔膜法生產(chǎn)燒堿，石墨陽極的工作電壓為8A/DM2涂層陽極可成倍增加，達17A/DM2。這樣在同樣的電解環(huán)境下產(chǎn)品可成倍提高，而且所生產(chǎn)品的質(zhì)量高，氯氣純度高。 （6）電鍍用鈦陽極：電鍍用不溶性陽極是在鈦基體 (網(wǎng)狀、板狀、帶狀、管狀等)上涂覆具有高電化學(xué)催化性能的貴金屬氧化物涂層，涂層中含有高穩(wěn)定性的閥金屬氧化物。新型不溶性鈦陽極具有高電化學(xué)催化能，析氧過電位比鉛合金不溶性陽極低約0.5 V，節(jié)能顯著,穩(wěn)定性高,不污染鍍

13、液,重量輕，易于更換。 新型不溶性鈦陽極的析氧過電位也比鍍鉑不溶性陽極低，但是壽命卻提高1倍以上。廣泛用于各種電鍍中作為陽極或者輔助陽極使用，可以替代常規(guī)的鉛基合金陽極,在相同的條件下,可以降低槽電壓，節(jié)約電能消耗;不溶性鈦陽極在電鍍過程中具有良好的穩(wěn)定性(化學(xué)、電化學(xué))，使用壽命長。此陽極廣泛用于鍍鎳鍍金、鍍鉻、鍍鋅、鍍銅等電鍍有色金屬行業(yè). 10) 以CMOS的nMOS形成工藝為例來說明，在離子注入工藝中用了多道該工藝步驟，這些步驟有什么目的或起到什么作用。 【15分】答： 1.外延生長:外延層目的是進行輕的P型摻雜(硼)摻雜。硅片在到達擴散區(qū)之前已經(jīng)有了一個薄的外延層

14、，外延層與襯底有完全相同的晶格結(jié)構(gòu)，只是純度更高，晶格缺陷更少。2.原氧化生長:這一氧化層的主要作用是保護表面的外延層免受沾污 阻止了在注入過程中對硅片的過度損傷 作為氧化物屏蔽層，有助于控制注入過程中雜質(zhì)的注入深度3.第一層掩膜，n阱注入：在預(yù)處理的硅片的上表面涂膠、甩膠、烘焙；后將經(jīng)過涂膠處理的的硅片每次一片地送入對準與曝光系統(tǒng)，光刻機將特定掩膜的圖形直接刻印在涂膠的硅片上；曝光后硅片回到涂膠/顯影機中進行顯影；顯影后再次烘焙，并在轉(zhuǎn)入離子注入?yún)^(qū)前進行檢測。4.n阱注入（高能）：刻印后的硅片來到離子注入?yún)^(qū)。光刻膠圖形覆蓋了硅片上的特定區(qū)域，將其保護起來免于離子注入。未被光刻膠覆蓋的區(qū)域允許

15、高能雜質(zhì)陽離子穿透外延層的上表面（結(jié)深約為1m）。這一步摻入的雜質(zhì)為磷。離子注入機是注入?yún)^(qū)的主要設(shè)備，其主要目的是離化雜質(zhì)原子，使其加速獲得高能（約為200KeV），選出最恰當?shù)脑刈⑷?，并聚焦離子成為極窄的一束，最后掃描使硅片不受光刻保護的區(qū)域得到均勻摻雜。5.退火:在這里硅片經(jīng)過清洗處理后被放入退火爐。退火的作用是 裸露在硅片表面生長了一層新的阻擋氧化層 高溫使得雜質(zhì)向硅中移動（擴散） 注入引入的損傷得到修復(fù) 雜質(zhì)原子與硅原子間的共價鍵被激活，使得雜質(zhì)原子成為晶格結(jié)構(gòu)中的一部分（電學(xué)激活）。6.第五層掩膜，n-LDD注入：這一步掩膜步驟的目的是刻印硅片，以得到可以使n型晶體管被注入的光刻膠

16、圖形。其他所有的區(qū)域都被光刻膠保護著。7.n-LDD注入（低能量，淺結(jié)）：在未被光刻膠保護的區(qū)域，用砷離子進行選擇注入。能量、劑量和結(jié)深都明顯低于先前的n阱注入步驟。選擇砷而不選擇磷的原因是砷的分子量更大，有利于硅表面非晶化，在注入中能夠得到更均勻的摻雜深度。8.第七層掩膜，n+源/漏注入：這一步掩膜操作目的是定義了要進行注入的n型晶體管區(qū)域。9.n+源/漏注入（中等能量）：這一步中等能量注入進入硅的深度大于LDD的結(jié)深。二氧化硅構(gòu)成的側(cè)墻阻止了砷雜質(zhì)侵入狹窄的溝道區(qū)。11) 等離子體是現(xiàn)代集成電路工藝中不可或缺的加工手段和材料，根據(jù)你的理解和掌握，請就等離子體在集成電路工藝中有哪些應(yīng)用進行詳

17、細的闡述。 【15分】答： 1. 離子注入 離子注入是一種向硅襯底中引入可控制數(shù)量的雜質(zhì)，以改變其電學(xué)性能的方法。離子注入工 在離子注入機內(nèi)進行，它是半導(dǎo)體工藝中最為復(fù)雜的設(shè)備之一（見圖7-4）。注入機包含離子源部分，它能從源材料中產(chǎn)生帶正電荷的雜質(zhì)離子。其中離子源即是產(chǎn)生等離子的部分。通過電子轟擊氣體原子，離子源中會產(chǎn)生離子。電子通常由熱鎢絲源產(chǎn)生Free-man離子源是一種最常用的電子源：棒狀陰極燈絲裝在一個有氣體入口的電弧釋放室內(nèi)。電弧釋放室的側(cè)壁是陽極，當氣體進入時，燈絲通過大電流，并在陰極和陽極之間加100伏電壓，就會在燈絲周圍產(chǎn)生等離子體。高能電子和氣

18、體分子發(fā)生碰撞，就產(chǎn)生了正離子。 2. 刻蝕工藝 在一個等離子干法刻蝕系統(tǒng)的基本部件包括：發(fā)生刻蝕反應(yīng)的反應(yīng)腔、產(chǎn)生等離子體的射頻電 源、氣體流量控制系統(tǒng)、去除刻蝕生成物和真空系統(tǒng)。 干法等離子體反應(yīng)器有下面不同的類型： （1）圓桶式等離子體反應(yīng)器 圓通式反應(yīng)器是圓柱形的，在0.11托壓力下具有幾乎完全的化學(xué)各向同性刻蝕。硅片垂直、小間距地裝在一個石英舟上。射頻功率加在圓柱兩邊的電極上。通常有一個打孔的金屬圓柱形刻蝕隧道，它把等離子體限制在刻蝕隧道和腔體壁之間的外部區(qū)域。硅片與電場平行放置使物理刻蝕最小。等離子體重的刻蝕基擴

19、散到刻蝕隧道內(nèi)，而等離子體中的帶能離子和電子沒有進入這一區(qū)域。 （2）平板反應(yīng)器 平板反應(yīng)器有兩個大小和位置對稱的平行金屬板，一個硅片背面朝下放置于接地的陰極上面，RF信號加在反應(yīng)器的上電極。由于等離子體電勢總是高于地電勢，因而這是一種帶能離子進行轟擊的等離子體刻蝕模式。 （3）順流刻蝕系統(tǒng) 等離子體是在大約0.11托的壓力下，在一個獨立的源中產(chǎn)生的，被傳輸?shù)焦に嚽恢?，并均勻地分布于加熱的硅表面。由于沒有離子進行方向性刻蝕，因為順流刻蝕機采用的是化學(xué)刻蝕，是各向同性的。 （4）三極平面反應(yīng)器 三極平面反應(yīng)器增加第三個電極來達到控制離子

20、轟擊數(shù)量的目的。裝置是帶兩個電源的反應(yīng)器設(shè)置，其中電感耦合的RF源在大約10-13托產(chǎn)生離子和反應(yīng)基。低頻發(fā)生器控制離子的轟擊。 （5）離子銑 也稱為離子束刻蝕，具有強方向性等離子體的一種物理刻蝕機理。等離子體通常是由電感耦合RF源或微波產(chǎn)生。（6）反應(yīng)離子刻蝕 除了硅片是放置于加RF源的淀積上以及該電極比接地淀積尺寸大大減小以為，RIE與標準的平行板等離子體刻蝕機是類似的。 （7）高密度等離子體刻蝕機 前面用到的標準等離子刻蝕體系是在硅片制造中工作于相對直接產(chǎn)生等離子體的幾百毫托的真空度下。但是對于0.25微米級以下尺寸的幾何圖形，它難以使刻

21、蝕基高深寬比圖形并使刻蝕生成物從高深寬比圖形中出來。而高密度等離子體刻蝕機就是為此而發(fā)明的。 3. 淀積 在淀積工藝同樣涉及到等離子體，下面是淀積涉及到的等離子的方法： （1）化學(xué)氣相沉積（CVD）：化學(xué)氣相沉積（CVD）是通過氣體混合的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面沉積 一層固體膜的工藝。硅片表面及其鄰近的區(qū)域被加熱來向反應(yīng)系統(tǒng)提供附加的能量。當化合物 在反應(yīng)腔中混合并進行反應(yīng)時，就會發(fā)生化學(xué)氣相淀積過程。原子或分子會淀積在硅表面形成膜。 .等離子體增強CVD（PECVD）： 等離子體增強CVD過程使用等離子體能量來產(chǎn)生并維持CVD反應(yīng)。在真空腔中施加射頻功率使氣體分子分解，就會發(fā)生等離子增強CVD并淀積形成膜。被激發(fā)的分子具有化學(xué)活性容易與其他原子鍵合形成粘附在硅片表面的膜。.高密度等離子CVD（HDPCVD）： 高密度等離子是等離子輔助CVD的一個最新發(fā)展。正如名字所言，等離子體在低壓下以高密度混合氣體的形式直接接觸到反應(yīng)腔中硅片的表面。他的主要優(yōu)點是可以在300400較低的淀積溫度下，制備出能夠填充高深寬比間隙的膜。 （2）物理氣相沉積(