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, Rapid Vapor-phase Doping) 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: Gas Immersion Laser Doping) 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eC/ex，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< 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Q cm-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3Q cm-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<30? 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，5500?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。 以P2O5杂质源为例来说明SiO2的掩蔽 过程：当P2O5与SiO2接触时，SiO2就 转变为含磷的玻璃体。 (a) 扩散刚开始，只有靠近表面的SiO2 转变为含磷的玻璃体。 (b) 大部分SiO2层已转变为含磷的玻璃 体。 (c) 整个SiO2层都转变为含磷的玻璃 体。 (d) 在SiO层完全转变为玻璃体后，又 经 过一定时间，SiO2层保护的硅中磷已经 扩进一定深度。 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网络间隙的杂质为网络改变者。一般以离子形式存在，离子半径较大，替代硅的可能性很小。例如Na、K、Pb、Ba等都是网络改变者。 网络改变者往往以氧化物形式进入SiO2中。进入网络之后便离化，并把氧离子交给SiO2网络。Na2O+ ΞSi-O-SiΞ →Si –O- + O—SiΞ+ 2 Na+ 网络中氧的增加，使非桥键氧的浓度增大，SiO2网络的强度减弱。 13. 简述常规热氧化办法制备SiO2介质薄膜的动力学过程，并说明在什么情况下氧化过程由反 应控制或扩散控制。 迪尔-格罗夫氧化模型可以很好地预测氧化层厚度，热氧化过程主要分为以下三个过程: (1)氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞留层运动到气体-SiO2界面，其流密度用J1表示。 (2)氧化剂以扩散方式穿过SiO2层，到达SiO2-Si界面，其流密度用J2表示。 (3)氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度用J3表示。 当氧化剂在SiO2中的扩散系数D SiO2很小时(D< 如果扩散系数D SiO2很大，Ci=C0 =HPg/(1+ks/h)。此时，进入SiO2中的氧化剂快速扩散到SiO2-Si界面处，在界面处氧化剂与Si反应生成SiO2的速率很慢，造成氧化剂在界面处堆积，趋向于SiO2表面处的浓度。此时，SiO2生长速率由Si表面的化学反应速率控制，称为反应控制。 14.说明影响氧化速率的因素。 1）氧化剂分压因为平衡情况下，SiO2中氧化剂的浓度C0=HPg，而抛物型速率常数 B=2D SiO2C0/N1，所以气体中的氧化剂分压Pg是通过氧化剂的浓度对速率常数B产生影响，B与Pg成正比关系。A与氧化剂分压无关。 因为B、B/A均与Pg成正比，那么在一定氧化条件下，通过改变氧化剂分压可达到改变二氧化硅生长速率的目的。 2）氧化温度对抛物线性速率系数B的影响是通过氧化剂在SiO2中扩散系数D SiO2产生的。由B＝2D SiO2C0／N1可知，B与温度之间也是指数关系。 对线性速率系数B/A的影响线性速率常数B/A与温度的关系如图，对于干氧氧化和水汽氧化都是指数关系，激活能分别为2.00eV和1.96eV，其值接近Si-Si键断裂所需要的 1.83eV的能量值，说明支配线性速率常数B/A的主要因素是化学反应常数k s，k s与温度的关 系为：k s=k s0exp(-E a/kT) 其中，k s0为实验常数，E a为化学激活能。 3）晶向抛物型氧化速率常数B，与硅衬底晶向无关，这是因为在氧化剂压力一定的条件下，B的大小只与氧化剂在SiO2中的扩散能力有关. 线性氧化速率常数B/A则强烈地依赖于晶面的取向，因为在氧化剂分压不是很低时气相质量输运系数h>>k s，在这种情况下线性氧化速率常数的大小主要由化学反应常数k s决定，即由硅表面处的原子经化学反应转变为SiO2的速率决定。表面化学反应速率是与硅表面的原子密度，也就是与表面的价键密度有关。(111)面上的硅原子密度比(100)面上大。因此，(111)面上的线性氧化速率常数应比(100)面上大。 4）杂质影响掺磷/硼 掺氯在干分子氧中加入少量（1%~3%）卤素能够显著改善SiO2特性: ①加速反应Si-O键能为4.25eV，Si-Cl键能为0.5eV。氯气与Si反应生成的SiCl4可以与氧气反应生成SiO2，这里氯气起到了催化剂的作用。②Cl-能够中和积累在表面的电荷。③氯气能够与大多数重金属原子反应生成挥发性的金属氯化物，起到清洁作用。 15.简述在热氧化过程中杂质再分布的四种可能情况。 如果假设硅中的杂质分布是均匀的，而且氧化气氛中又不含有任何杂质，则再分布有四种可能。 ①分凝系数m＜l，且在SiO2中是慢扩散的杂质，也就是说在分凝过程中杂质通过SiO2表 面损失的很少，硼就是属于这类。再分布之后靠近界面处的SiO2中的杂质浓度比硅中高，硅表面附近的浓度下降。 ②m＜1，且在SiO2中是快扩散的杂质。因为大量的杂质通过SiO2表面跑到气体中去，杂 质损失非常厉害，使SiO2中的杂质浓度比较低，但又要保证界面两边的杂质浓度比小于1，使硅表面的杂质浓度几乎降到零，在H2气氛中的硼就属于这种情况。 ③m＞1，且在SiO2中慢扩散的杂质。再分布之后硅表面附近的杂质浓度升高，磷就属于这 种杂质。 ④m＞l，且在SiO2中快扩散的杂质。在这种情况下，虽然分凝系数大于1，但因大量杂质 通过SiO2表面进入气体中而损失，硅中杂质只能不断地进入SiO2中，才能保持界面两边杂质浓度比等于分凝系数，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低，镓就是属于这种类型的杂质。 对于m＝1，而且也没有杂质从SiO2表面逸散的情况，热氧化过程也同样使硅表面杂质浓度降低。这是因为一个体积的硅经过热氧化之后转变为两个多体积的SiO2，由此，要使界面两边具有相等的杂质浓度(m＝1)，那么杂质必定要从高浓度硅中向低浓度SiO2中扩散，即硅中要消耗一定数量的杂质，以补偿增加的SiO2体积所需要的杂质。 16.一片硅片由0.3um厚的SiO2薄膜覆盖。所需数据见下表，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23。（1）在1200℃下，采用H2O 氧化，使厚度增加0.5um 需要多少时间？。 （2 10. Si-SiO2界面电荷有哪几种？简述其来源及处理办法。 可动离子电荷Q m来源：主要来源于Na+等网络改变者。 解决办法：为了降低Na+的玷污，可以在工艺过程中采取预防措施包括 ①使用含氯的氧化工艺； ②用氯周期性地清洗管道、炉管和相关的容器； ③使用超纯净的化学物质； ④保证气体及气体传输过程的清洁。另外保证栅材料不受玷污也是很重要的。 氧化层陷阱电荷Q ot 来源：在氧化层中有些缺陷能产生陷阱，这些缺陷有：①悬挂键； ②界面陷阱；⑤硅-硅键的伸展；④断键的氧原子(氧的悬挂键)；⑤弱的硅-硅键(它们很容易破 裂，面表现电学特性)。⑥扭曲的硅-氧键；⑦Si-H和Si-OH键。产生陷阱电荷的方式主要有电离辐射和热电子注入等 解决办法：减少电离辐射陷阱电荷的主要方法有三种： ①选择适当的氧化工艺条件以改善SiO2结构。为抗辐照，氧化最佳工艺条件，常用1000℃ 干氧氧化。 ②在惰性气体中进行低温退火(150-400℃)可以减少电离辐射陷阱。 ③采用对辐照不灵敏的钝化层，例如A12O3，Si3N4等。 氧化层固定电荷Q f 来源：通常是由Si-SiO2之间过渡区的结构改变引起的。该区中存在有过剩的硅离子，在氧化过程中与晶格脱开但还未完全与氧反应。 处理办法：快速退火能有效地减小氧化层固定电荷密度。右图为Deal三角，说明了这种效应。 界面陷阱电荷Q it 来源：界面处存在的不完整化合价及不饱和键，使得电子和空穴可以很容易地被俘获。 处理办法：界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件和退火条件密切有关。在相同的工艺条件下、(111)晶向的硅衬底产生的界面态密度最高，(100)晶向的最低。通过采用特殊的退火工艺可以有效减少界面态密度。 11．下图为一个典型的离子注入系统。（1）给出1~6 数字标识部分的名称，简述其作用。 （2）阐述部件 2 的工作原理。 1.离子源 2.分析磁块 3.加速器 4.中性束闸 5.x&y扫描板 6.法拉第杯 1.离子源 作用：产生注入用的离子 原理：高能电子轰击（电子放电）杂质原子形成注入离子 类型：高频，电子振荡，溅射 气体流入一个放电腔室，热灯丝发射的电子与气体分子碰撞，当能量足够大时，气体分子被离化。 2.质量分析器 作用：将所需离子分选出来 原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹发生弯曲 由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，在BF3的例子中，我们需要仅仅拣选出B+，这样的过程通常由一个分析磁铁完成。离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，最后在特定位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。 3.加速器 作用：使离子获得所需的能量。 原理：利用强电场，使离子获得更大的速度 加速器的主要作用是使离子增加离子能量能够达到器件所需要的结深。用一组静电透镜将束聚焦为一个圆斑或长条状，然后束进入一个线性静电加速器，加速器沿加速管的长度方向建立一个电场来改变离子的能量。 4.中性束闸和中性束阱 作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室 原理：用一静电偏转板使离子束偏转5o--8o作用再进入靶室 5.扫描系统 作用：使离子在整个靶片上均匀注入。 方式：①靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。 ②粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。 ③粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。 6.法拉第杯 作用：收集束流测量注入剂量 原理：收集到的束流对时间进行积分得到束流的大小信息 12.离子在靶内运动时，损失能量可分核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻 滞本领与注入离子能量具有何关系？ ①碰撞注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。因注入离子与靶原子的质量一般为同 一数量级，每次碰撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能量。 ②子碰撞注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电 子-空穴对。由于两者的质量相差非常大(104)，每次碰撞中，注入离子的能量损失很小，而且散射角度也非常小，也就是说每次碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。 在一级近似下，核阻止本领与能量无关；电子阻止本领与能量的平方根成正比。 13.采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩蔽膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值浓度的 1/10000，掩蔽膜的厚度应为多少？用注入杂质分布的射程和标准偏差写出表达式。 无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示： 其中，Rp为投影射程，ΔRp为投影射程的标准偏差，φ为剂量。以上为浓度与深度的函数变化关系。由于离子注入过程的统计特性，离子也有穿透掩蔽膜边缘的横向散射，因此分布应考虑为二维的，既有横向也有纵向的标准偏差。 射程估算： 如果注入离子能量比Ec大很多，则离子在靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按下式估算射程：R≈K1E1/2 如果注入离子的能量E< 14.As 注入到轻掺杂的P 型Si 衬底内，能量75eV，剂量为1×1014cm-2。硅片相对于离子束做 7°倾斜，使其貌似非晶。假设对注入区进行快速退火，结果得到了完全的电激活，其峰值电子浓度为多少？所需参数可参考下图。 15. 什么是离子注入的横向效应？同等能量注入时，As 和 B 哪种横向效应更大?为什么？ 横向效应：注入的离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。 横向效应与注入离子的种类和离子能量有关。B 的横向效应更大，因为质量小的离子速度更高，与靶材原子作用时间短。 16. 什么是离子分布的偏斜度和峭度，和标准高斯分布有什么区别？ 非对称性常用偏斜度γ(skewness)表示 ：γ= m 3ΔR p 3，γ为负值表明杂质分布在表面一侧的浓度增加，即x ＜Rp 区域浓度增加。 畸变用峭度β(kurtosis)表示：β=m 4 ΔR p 4，峭度越大，高斯曲线的顶部越平，标准高斯曲线的峭度为3。 LSS 的理论是呈标准的高斯分布，不同的杂质会不同程度地偏离对称的高斯分布。如图中 所示。 17.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍 会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。 ?离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成； ?损伤晶体空位密度大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子和其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强； 故，虽然热退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。 18.什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？怎样避免沟道效应？ 沟道效应：对晶体靶进行离子注入，当离子速度方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。 由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾，对于轻原子注入到重原子靶时，拖尾效应尤其明显。 解决办法： A.偏离轴注入，采用7°的倾斜角，但并不能完全消除沟道效应。 B.注入前破坏晶格结构，使用Si、F或Ar离子注入完成硅的预非晶化。 C.使用薄的屏蔽氧化层，使离子进入晶体前的速度方向无序化，但会将部分氧注入晶体。 （1）偏轴注入：一般选取5?～7?倾角，入射能量越小，所需倾角越大 （2）衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入，使硅表面非晶化 （3）非晶层散射：表面生长200～250?二氧化硅(Screen Oxide) ，使入射离子进入硅晶体前方向无序化 （4）注入杂质的自非晶化效应：重杂质(As)，高剂量注入。 19.什么是固相外延（SPE）及固相外延中存在的问题? 固相外延是指半导体单晶上的非晶层在低于该材料的熔点或共晶点温度下外延再结晶的过程。 固相外延存在问题——射程末端缺陷EOR 高剂量注入促使硅非晶化，而稳定的位错环是高剂量注入的一个突出特点，非晶区以固相外延方式生长后，位错环的最大浓度在非晶和晶体硅的界面。这些位于最初的非晶/单晶（a/c）界面的缺陷称为射程末端(EOR,End-of-Range)缺陷。形成射程末端缺陷的原因在于a/c界面的一侧有大量的非晶化阈值损伤。 若位错环位于PN 结耗尽区附近，会产生大的漏电流。位错环与金属杂质结合时更严重。 选择的退火过程应当能够产生足够的杂质扩散，使位错环处于高掺杂区，同时又被阻挡在器件工作时的耗尽区之外。 20.简述硼和磷的退火特性。 P Si 硼退火特性电激活比例:自由载流子数p和注入剂量Ns的比 对于低剂量的情况，随退火温度上升，电激活比例增大。 对于高剂量情况，可以把退火温度分为三个区域： 在区域I中，随退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增加，自由载流子浓度增大。 当退火温度在500-600℃的范围内，点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。 在区域Ⅲ中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替位位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加。 实际退火条件，要根据注入时靶温、注入剂量及对材料性能的要求来选择。注入剂量低，不发生逆退火现象，退火温度不需要太高。1012/cm2，800度，几分钟。 室温注入与靶温较高时注入时，产生非晶区的临界剂量不同，退火要求也不同。 磷退火特性 图中虚线所表示的是损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线则表示非晶层的退火性质。 对于1X1015/cm2和5X1015/cm2时所形成的非晶层，退火温度在600℃左右，低于剂量为1014左右没有形成非晶层时的退火温度，这是因为两种情况的退火机理不同。 非晶层的退火效应是与固相外延再生长过程相联系的，在再生长过程中，V族原子实际上与硅原子是难以区分，被注入的V族原子P在再结晶过程中与硅原子一样，同时被结合到晶格位置上。 21.简述RTP设备的工作原理，相对于传统高温炉管它有什么优势？ RTP工艺是一类单片热处理工艺，其目的是通过缩短热处理时间和温度或只缩短热处理时间来获得最小的工艺热预算（Thermal Budget）。 RTP工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对杂质再分布的严格要求；最早的RTP 工艺主要用于注入后的退火。 目前，RTP工艺的应用范围已扩展到氧化、化学气相淀积和外延生长等领域。杂质的再分布问题 随着器件等比例缩小到深亚微米阶段，源、漏区的PN结结深要求做得非常浅。 离子注入后的杂质，必须通过足够高温度下的热处理，才能具有电活性，同时消除注入损伤。 传统的高温炉管工艺，由于升、降温缓慢和热处理时间长，从而造成热处理过程中杂质的再分布问题严重，难以控制PN结结深。 最早的RTP工艺，就是为了离子注入后退火而开发的。 RTP设备与传统高温炉管的区别 ?加热元件：RTP 采用加热灯管，传统炉管采用电阻丝硅片 ?温度控制：传统炉管利用热对流及热传导原理，使硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，温度控制精确；而RTP设备通过热辐射选择性加热硅片，较难控制硅片的实际温 度及其均匀性。 ?升降温速度：RTP设备的升、降温速度为10-200 ℃/秒，而传统炉管的升、降温速度为5-50 ℃/分钟。 ?传统炉管是热壁工艺，容易淀积杂质；RTP 设备则是冷壁工艺，减少了硅片沾污。 ?生产方式：RTP 设备为单片工艺，而传统炉管为批处理工艺。 ?传统炉管的致命缺点是热预算大，无法适应深亚微米工艺的需要；而RTP设备能大幅降低热预算。 22.简述RTP在集成电路制造中的常见应用。 1)杂质的快速热激活 RTP工艺最具吸引力的的热点之一是晶圆片不用达到热平衡状态，意味着电活性的有效掺杂实际上可以超过固溶度限制。 例如，对砷进行数毫秒的退火，它的激活浓度可达到3×1021左右，大约是其固溶度的10倍。因为，在短时间的退火过程中，砷原子没有足够的时间来形成聚团并凝聚成无活性的缺陷。 2)介质的快速热加工 快速热氧化(RTO)可以在合适的高温下通过精确控制的气氛来实现短时间生长薄氧层。 （干氧方法） RTO生长的氧化层具有很好的击穿特性，电性能上坚固耐用。 由于不均匀温度分布产生的晶圆片内的热塑应力影响了RTO的均匀性。 若适当冷却反应腔壁，可以用作冷壁工艺，防止腔壁污染后续工艺。 3)硅化物和接触的形成 快速热处理也经常被用于形成金属硅化物接触，其可以仔细控制硅化反应的温度和环境气氛，以尽量减少杂污染，并促使硅化物的化学配比和物相达到最理想的状态。 形成阻挡层金属也是RTP在Si技术中的一个应用，这些导电的阻挡层金属可以阻止硅衬底和用于器件互联的Al基合金之间的互扩散。 另外RTP还可以在GaAs工艺中用于接触的形成，淀积一层金锗混合物并进行热退火，可以在N型GaAs材料上形成低阻的欧姆接触。 23.对RTP来说，很难在高温下处理大直径晶圆片而不在晶圆片边缘造成热塑应力引起的滑移。 分析滑移产生的原因。如果温度上升速度加快后，滑移现象变得更为严重，这说明晶圆片表面上的辐射分布是怎样的？ 硅片热不均匀的因素 三个因素造成硅片的热不均匀问题（硅片边缘温度比中心低）： 圆片边缘接收的热辐射比圆片中心少 圆片边缘的热损失比圆片中心大 气流对圆片边缘的冷却效果比圆片中心好 边缘效应造成的温度梯度通常在几十甚至上百度，不仅导致热处理工艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅片的翘曲。 24.物理气相淀积最基本的两种方法是什么？简述这两种方法制备薄膜的过程。 物理气相淀积:蒸发Evaporation、溅射Sputtering 热蒸发法：在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜。 溅射概念与机理：基本原理，真空腔中有一个平行板等离子体反应器，非常类似于简单的反应离子刻蚀系统。 将靶材放置在具有最大离子电流的电极上，高能离子将所要淀积的材料从靶材中轰击出来。 靶与晶圆片相距十分近（小于10cm），出射原子大部分能被晶圆所收集。 25. 热蒸发法淀积薄膜的淀积速率与哪些因素有关？淀积速率的测量采用什么办法？简述其工作原 理。 淀积速率与蒸发材料 温度 腔体形状等因素有关。 淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量。所用器件为一个谐振板，它可以在谐振频率下振荡，工作时测量其振荡频率。 原理：因为晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测得的频率移动可得出淀积速率。 淀积足够厚的材料后，谐振频率会移动几个百分点，振荡器便会失效，不再出现尖锐谐振。 将频率测量系统的输出与机械挡板的控制相连，淀积层厚度可以在很宽的淀积速率范围内得到很好的控制。 同时可以将淀积厚度的时间速率变化反馈给坩埚的温度控制，以得到恒定的淀积速率。 26. 什么是溅射产额，其影响因素有哪些？简述这些因素对溅射产额产生的影响。 溅射产额 ： S=平均出射原子数入射离子数 ； 影响因素：离子质量、离子能量、靶原子质量、靶的结晶性 只有当入射离子的能量超过一定能量(溅射阈值)时，才能发生溅射，每种物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。 随着入射离子能量的增加，溅射率先是增加，其后是一个平缓区，当离子能量继续增加时，溅射率反而下降，此时发生了离子注入现象。 溅射产额与入射离子种类的关系： 溅射产额S 依赖于入射离子的原子量，原子量越大，则溅射率越高。 溅射产额也与入射离子的原子序数有密切的关系，呈现出随离子的原子序数周期性变化关 系，凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。 因此，惰性气体的溅射率最高，氩通常被选为工作气体，氩被选为工作气体的另一个原因是可以避免与靶材料起化学反应。 溅射产额与入射角度的关系： 溅射产额对角度的依赖性于靶材料及入射离子的能量密切相关。 金、铂、铜等高溅射产额材料一般与角度几乎无关。 Ta 和Mo 等低溅射产额材料，在低离子能量情况下有明显的角度关系，溅射产额在入射 角度为40°左右时最大。 低能量时，以不完整余弦的形式分布，最小值存在于接近垂直入射处；高能量溅射产额近 似为：S ∝M gas M tar ln E E 1 cos θ，θ为靶的法线与入射离子速度矢量的夹角。 27. 当靶不断远离硅片时，用溅射淀积填充窄沟槽的底部的能力是如何改变的？忽略任何气相碰撞 的影响。 一．填空题 1．能带中载流子的有效质量反比于能量函数对于波矢的_________.引入有效质量的意义在于其反映了晶体材料的_________的作用。（二阶导数.内部势场） 2．半导体导带中的电子浓度取决于导带的_________（即量子态按能量如何分布）和_________（即电子在不同能量的量子态上如何分布）。（状态密度.费米分布函数） 3．两种不同半导体接触后, 费米能级较高的半导体界面一侧带________电.达到热平衡后两者的费米能级________。（正.相等） 4．半导体硅的价带极大值位于空间第一布里渊区的中央.其导带极小值位于________方向上距布里渊区边界约0.85倍处.因此属于_________半导体。（[100]. 间接带隙） 5．间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为_________；形成原子空位而无间隙原子的点缺陷称为________。（弗仑克耳缺陷.肖特基缺陷） 6．在一定温度下.与费米能级持平的量子态上的电子占据概率为_________.高于费米能级2kT能级处的占据概率为_________。（1/2.1/1+exp(2)） 7．从能带角度来看.锗、硅属于_________半导体.而砷化稼属于_________半导体.后者有利于光子的吸收和发射。（间接带隙.直接带隙） 8．通常把服从_________的电子系统称为非简并性系统.服从_________的电子系统称为简并性系统。（玻尔兹曼分布.费米分布） 9. 对于同一种半导体材料其电子浓度和空穴浓度的乘积与_________有关.而对于不同的半导体材料其浓度积在一定的温度下将取决于_________的大小。（温度.禁带宽度） 10. 半导体的晶格结构式多种多样的.常见的Ge和Si材料.其原子均通过共价键四面体相互结合.属于________结构；与Ge和Si晶格结构类似.两种不同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成_________和纤锌矿等两种晶格结构。（金刚石.闪锌矿） 11.如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢k不发生变化.则具有这种能带结构的半导体称为_________禁带半导体.否则称为_________禁带半导体。（直接.间接） 12. 半导体载流子在输运过程中.会受到各种散射机构的散射.主要散射机构有_________、 _________ 、中性杂质散射、位错散射、载流子间的散射和等价能谷间散射。（电离杂质的散射.晶格振动的散射） 13. 半导体中的载流子复合可以有很多途径.主要有两大类：_________的直接复合和通过禁带内的_________进行复合。（电子和空穴.复合中心） 第十一章现代制造技术简介 本章主要介绍以下内容： ．概述 1 2．现代制造系统物流技术 3．现代制造生产管理技术 课时分配：1、2、3，共两学时 重点：难点：略 现代科学技术的发展与交叉融合，给制造技术提出了新的要求，也给予了强大支持。因此，涌现了许多先进制造技术。超高速切削、超精密加工、微机械制造等技术近年来有了长足的发展。 制造系统主要由物流、信息流和资金流组成。制造系统的设计主要对这三个系统进行设计。快速响应制造技术主要包括产品的快速设计、快速开发、快速制造及生产系统的快速组成。先进制造技术的许多重要概念都与快速响应密切相关。其中主要有快速成形制造（RP&M，Rapid Prototyping & Manufacturing），并行工程、虚拟制造、CIMS、敏捷制造、动态联盟与虚拟公司等。 可持续发展战略以高技术努力降低自然资源消耗，把环境保护与自然资源统筹考虑地发展11．1制造技术的新发展制造技术的新发展 一、超精密加工 现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。超精密加工。它是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段。精密、超精密加工技术的提高，有力地推动了各种新技术的发展。 精密和超精密加工目前包含三个领域： ①超精密切削。如超精密金刚石切削，可加工各种镜面，它成功地解决了高精度大型抛物面镜的加工，用于激光光核聚变系统和天体望远镜。 ②精密和超精密磨削研磨。可以解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等。 ③精密特种加工。如电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达0.1μm(八十年代水平)。 二、微机械制造技术 在机械装置的小型化过程中出现两类机械，即小型机械和微型机械。可以这样划分：10mm～1mm 为小型机械,用精密加工的方法可以制造出来;1mm～1um为微型机械,需要用硅是分子级的,为纳米机械1nm～1um技术等微细加工方法才能制造出来；LIGA微加工技术或． 零件,需采用生物工程的方法制造。 微型机械不是传统机械的简单微型化，而是指集微型机构、微型传动器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口电路、通讯电路和电源等于一体的微型机电系统。因此，微型机械远远超出了传统机械的概念和范畴，是基于现代科学技术，用崭新的思维方法指导的产物。 第一章半导体中的电子状态 例1.证明:对于能带中的电子，K状态和-K状态的电子速度大小相等,方向相反。即：v(k)= －v(－k)，并解释为什么无外场时，晶体总电流等于零。 解：K状态电子的速度为： （1）同理，－K状态电子的速度则为： （2）从一维情况容易看出： （3）同理 有： （4） （5） 将式（3）（4）（5）代入式（2）后得： （6）利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关，即：E(k)=E(－k)故电子占有k状态和-k状态的几率相同，且v(k)=－v(－k)故这两个状态上的电子电流相互抵消，晶体中总电流为零。 例2.已知一维晶体的电子能带可写成： 式中，a为晶格常数。试求： （1）能带的宽度； （2）能带底部和顶部电子的有效质量。 解：（1）由E(k)关 系 （1） （2） 令得： 当时，代入（2）得： 对应E(k)的极小值。 当时，代入（2）得： 对应E(k)的极大值。 根据上述结果，求得和即可求得能带宽度。 故：能带宽度 （3）能带底部和顶部电子的有效质量： 习题与思考题： 1 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。 2 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。 3 试指出空穴的主要特征。 4 简述Ge、Si和GaAs的能带结构的主要特征。 5 某一维晶体的电子能带为 其中E0=3eV，晶格常数a=5×10-11m。求： （1）能带宽度； （2）能带底和能带顶的有效质量。 6原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？ 7晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？ 8描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念？用电子的惯性质量 描述能带中电子运动有何局限性？ 9 一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么？ 10有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量愈大，能量密度也愈大，因而能带愈窄。”是否如此？为什么？ 11简述有效质量与能带结构的关系？ 12对于自由电子，加速反向与外力作用反向一致，这个结论是否适用于布洛赫电子？ 13从能带底到能带顶，晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同？ 14试述在周期性势场中运动的电子具有哪些一般属性？以硅的本征激发为例，说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系？ 15为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度？16为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述？ 17有两块硅单晶，其中一块的重量是另一块重量的二倍。这两块晶体价带中的能级数是否相等？彼此有何联系？ 18说明布里渊区和k空间等能面这两个物理概念的不同。 19为什么极值附近的等能面是球面的半导体，当改变存储反向时只能观察到一个共振吸收峰？ 第二章半导体中的杂质与缺陷能级 例1.半导体硅单晶的介电常数＝11.8，电子和空穴的有效质量各为＝ 0.97， ＝0.19和＝0.16，＝0.53，利用类氢模型估计： （1）施主和受主电离能; （2）基态电子轨道半径 解：（1）利用下式求得和。 第四章 离子注入与快速热处理 1.下图为一个典型的离子注入系统。 （1）给出1-6数字标识部分的名称，简述其作用。 （2）阐述部件2的工作原理。 答：（1）1：离子源，用于产生注入用的离子； 2：分析磁块，用于将分选所需的离子； 3：加速器，使离子获得所需能量； 4：中性束闸与中性束阱，使中性原子束因直线前进不能达到靶室； 5：X & Y 扫描板，使离子在整个靶片上均匀注入； 6：法拉第杯，收集束流测量注入剂量。 （2）由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，偏转半径由公式： 决定。最后在特定半径位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。 2.离子在靶内运动时，损失能量可分为核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻滞本领与注入离子能量具体有何关系？ 答：核阻滞即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。因两者质量是同一数量级，一次碰撞可以损失很多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，留下空位，形成缺陷。 电子阻滞即电子碰撞，是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的相互碰撞。因离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失的能量很少，且都是小角度散射，且方向随机，故经多次散射，离子运动方向基本不变。 在一级近似下，核阻滞本领与能量无关；电子阻滞本领与能量的平方根成正比。 1 2 3 4 5 6 3.什么是离子注入横向效应？同等能量注入时，As和B哪种横向效应更大？为什么？ 答：离子注入的横向效应是指，注入过程中，除了垂直方向外，离子还向横向掩膜下部分进行移动，导致实际注入区域大于掩膜窗口的效应。 B的横向效应更大，因为在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深且标准差更大。 4.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。 答：离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成；损伤晶体空位密度要大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子核其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强；故虽然热退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。 5.什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？怎样避免沟道效应？ 答：沟道效应，即当离子入射方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾；对于轻原子注入到重原子靶内是，拖尾效应尤其明显。 临界角是用来衡量注入是否会发生沟道效应的一个阈值量，当离子的速度矢量与主要晶轴方向的夹角比临界角大得多的时候，则很少发生沟道效应。临界角可用下式表示： 6.什么是固相外延（SPE）及固相外延中存在的问题？ 答：固相外延是指半导体单晶上的非晶层在低于该材料的熔点或共晶点温度下外延再结晶的过程。热退火的过程就是一个固相外延的过程。 高剂量注入会导致稳定的位错环，非晶区在经过热退火固相外延后，位错环的最大浓度会位于非晶和晶体硅的界面处，这样的界面缺陷称为射程末端缺陷。若位错环位于PN结耗尽区附近，会产生大的漏电流，位错环与金属杂质结合时更严重。因此，选择的退火过程应当能够产生足够的杂质扩散，使位错环处于高掺杂区，同时又被阻挡在器件工作时的耗尽区之外。 7.离子注入在半导体工艺中有哪些常见应用？ 答：阱注入、VT调整注入，轻掺杂漏极（LDD），源漏离子注入，形成SOI结构。 8.简述RTP设备的工作原理，相对于传统高温炉管它有什么优势？ 答：RTP设备是利用加热灯管通过热辐射的方式选择性加热硅片，使得硅片在极短的时间内达到目标温度并稳定维持一段时间。相对于传统高温炉管，RTP设备热处理时间短，热预算小，冷壁工艺减少硅片污染。 9.简述RTP在集成电路制造中的常见应用。 答：RTP常用于退火后损失修复、杂质的快速热激活、介质的快速热加工、硅化物和接触的形成等。 10.采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值 1．固体材料可以分为 晶体 和 非晶体 两大类，它们之间的主要区别是 。 2．纯净半导体Si 中掺V 族元素的杂质，当杂质电离时释放 电子 。这种杂质称 施主 杂质；相应的半 导体称 N 型半导体。 3．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是 电离杂质散射 和 晶格振动散射 。前者在 电离施 主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用，后者在 温度高 下起主要作用。 4．当半导体中载流子浓度的分布不均匀时，载流子将做 扩散 运动；在半导体存在外加电压情况下，载 流子将做 漂移 运动。 5．对n 型半导体，如果以E F 和E C 的相对位置作为衡量简并化与非简并化的标准，那末， 为非 简并条件； 为弱简并条件； 简并条件。 6．空穴是半导体物理学中一个特有的概念，它是指： ； 7．施主杂质电离后向 带释放 ，在材料中形成局域的 电中心；受主杂质电离后 带释放 ， 在材料中形成 电中心； 8．半导体中浅能级杂质的主要作用是 ；深能级杂质所起的主要作用 。 9. 半导体的禁带宽度随温度的升高而__________；本征载流子浓度随禁带宽度的增大而__________。 10.施主杂质电离后向半导体提供 ，受主杂质电离后向半导体提供 ，本征激发后向半导体提 供 。 11.对于一定的n 型半导体材料，温度一定时，较少掺杂浓度，将导致 靠近Ei 。 12.热平衡时，半导体中电子浓度与空穴浓度之积为常数，它只与 和 有关，而与 、 无关。 A. 杂质浓度 B. 杂质类型 C. 禁带宽度 D. 温度 12. 指出下图各表示的是什么类型半导体？ 13．n o p o =n i 2标志着半导体处于 平衡 状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积n o p o 改变否？ 不 变 ；当温度变化时，n o p o 改变否？ 改变 。 14．非平衡载流子通过 复合作用 而消失， 非平衡载流子的平均生存时间 叫做寿命τ，寿命 τ与 复合中心 在 禁带 中的位置密切相关，对于强p 型和 强n 型材料，小注入时寿命τn 为 ，寿命τp 为 . 15． 迁移率 是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量， 扩散系数 是反映有浓度梯度时载流子 运动难易程度的物理量，联系两者的关系式是 q n n 0=μ ，称为 爱因斯坦 关系式。 16．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是电离杂质散射 和 晶格振动散射 。前者在 电离施主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用，后者在 温度高 下起主要作用。 17．半导体中浅能级杂质的主要作用是 影响半导体中载流子浓度和导电类型 ；深能级杂质所起的主 要作用 对载流子进行复合作用 。 《先进制造技术》课程教学大纲 一、课程简介 课程名称：先进制造技术 英文名称：Advanced Manufacturing Technology 课程代码：0110993 课程类别：专业课 学分：2 总学时数：32 先修课程：机械基础，机械制造技术，机械CAD/CAM 课程概要： 先进制造技术课程是工科院校机械相关专业的一门重要的专业课。课程主要介绍先进制造技术的内涵、体系结构及发展趋势，以及现代设计技术、先进制造工艺技术、制造自动化技术、现代生产管理技术以及先进制造生产模式，全面介绍了先进制造技术的基本内容和最新技术。 二、教学目的及要求 先进制造技术是学生掌握和了解现代制造技术的发展情况和技术前沿,是机械各专业教学计划中的主干课程。先进制造技术已经成为各国经济发展和满足人民日益增长需要的主要技术支撑，成为高新技术发展的关键技术，通过本课程学习，使学生全面了解制造技术的现状与发展趋势，掌握先进制造技术方法，先进制造工艺，更新制造技术理念。本门课程涉及到计算机技术、自动控制技术、人工智能技术、生物工程技术和现代检测技术等多学科内容。 本课程的主要任务是培养学生： 掌握目前制造业中先进的制造技术和制造工艺; 2．了解国内外先进制造技术的发展趋势; 3．了解先进制造技术的应用情况和场合; 4．了解先进制造技术对推动制造技术发展的重要性; 三、教学内容及学时分配 第一章先进制造技术概论（4学时） 1 制造与制造技术 2 先进制造技术的提出 3 先进制造技术的体系结构和分类 4 先进制造技术的发展趋势 重点掌握：介绍先进制造技术的由来、概念、特点、现状和发展前景 一般掌握：十大先进制造技术简介及其基本发展理念 了解：与课程相关的一些基本概念 第二章先进设计技术（6学时） 1 先进设计技术概述 2 计算机辅助设计技术 3 计算机辅助工艺规程设计 4 模块化设计 5 逆向工程 6 其他先进设计方法 重点掌握：先进设计技术概述、计算机辅助设计技术、计算机辅助工艺规程设计、模块化设计。 一般掌握: 未来精密加工、微型设备制造和精品仪器设备的发展蓝图 了解：逆向工程，其他先进设计方法 第三章先进制造工艺（6学时） 1 先进制造工艺的发展及其内容 2 超精密加工 3 微细/纳米加工技术 4 高速加工技术 5 现代特种加工技术 6 快速原型制造技术 7 绿色制造技术 重点掌握：现代制造业中最新工艺及其发展 一般掌握：世界快速制造的基本原理和方法 了解：市场发展规律和企业自身有效技术改造的方法，培养宏观驾驭能力 第四章制造自动化技术（4学时） 1 制造自动化技术概述 2 现代数控加工技术 3 工业机器人技术 4 柔性制造技术 常用术语翻译 active region 有源区 2.active ponent有源器件 3.Anneal退火 4.atmospheric pressure CVD (APCVD) 常压化学气相淀积 5.BEOL（生产线）后端工序 6.BiCMOS双极CMOS 7.bonding wire 焊线，引线 8.BPSG 硼磷硅玻璃 9.channel length沟道长度 10.chemical vapor deposition (CVD) 化学气相淀积 11.chemical mechanical planarization (CMP)化学机械平坦化 12.damascene 大马士革工艺 13.deposition淀积 14.diffusion 扩散 15.dopant concentration掺杂浓度 16.dry oxidation 干法氧化 17.epitaxial layer 外延层 18.etch rate 刻蚀速率 19.fabrication制造 20.gate oxide 栅氧化硅 21.IC reliability 集成电路可靠性 22.interlayer dielectric 层间介质（ILD） 23.ion implanter 离子注入机 24.magnetron sputtering 磁控溅射 25.metalorganic CVD(MOCVD)金属有机化学气相淀积 26.pc board 印刷电路板 27.plasma enhanced CVD(PECVD) 等离子体增强CVD 28.polish 抛光 29.RF sputtering 射频溅射 30.silicon on insulator绝缘体上硅（SOI） 半导体物理习题解答 1－1．（P 32）设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c （k ）和价带极大值附近能量E v （k ）分别为： E c (k)=0223m k h +022)1(m k k h -和E v (k)= 0226m k h －0 2 23m k h ； m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝0.314nm 。试求： ①禁带宽度； ②导带底电子有效质量； ③价带顶电子有效质量； ④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。 [解] ①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝0232m k h ＋0 12)(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝ 14 3 k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min = 2 10 4k m h ； 由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0； 并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝02126m k h ；∴Eg ＝E min －E max ＝021212m k h ＝2 02 48a m h ＝11 28282 2710 6.1)1014.3(101.948)1062.6(----???????＝0.64eV ②导带底电子有效质量m n 0202022382322 m h m h m h dk E d C =+=；∴ m n ＝022 283/m dk E d h C = ③价带顶电子有效质量m ’ 022 26m h dk E d V -=，∴022 2'61/m dk E d h m V n -== ④准动量的改变量 h △k ＝h (k min -k max )= a h k h 83431= [毕] 1－2．（P 33）晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107V/m 的电场时，试分别计算电子自能带 底运动到能带顶所需的时间。 [解] 设电场强度为E ，∵F =h dt dk =q E （取绝对值） ∴dt =qE h dk 先进制造技术_第七次 教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 教案 讲稿 第三节高速加工技术 一、高速加工的概念与特征 普通加工超过70％是辅助时间（零件的上下料、测量、换刀和调整机床）几十年，主要是减少加工过程的辅助时间。 20世纪50年代美国麻省理工学院发明了数控技术，实现了多品种、小批量生产的柔性自动化，成功解决了形状复杂、重复加工精度高的零件的加工，节省了辅助工时，提高了生产效率。 机床空行程动作（自动换刀、上下料）大大加快，辅助工时也大为缩短。自动换刀时间缩短小于1s，空行程速度提高到30～60m/min。但再减少辅助工时，技术上有难度，经济上不合算。可以减少切削的工时，提高切削速度和进给速度。 高速加工可以成倍提高机床的生产效率，还可以改善加工质量和精度。 高速加工技术：是指采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。 刀具：PCD、CBN、超细晶粒硬质合金、Si3N4陶瓷、TiN基硬质合金，涂层刀具。 高速切削和普通切削的比较 机床价格低高 环境状况噪声、油污、烟尘清洁生产 1. 高速加工切削速度的范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 铝合金：1000-7000 m/min◎铜：900-5000 m/min◎钢：500-2000 m/min◎灰铸铁：800-3000 m/min◎钛：100-1000m/min 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 ◎车削：700-7000 m/min◎铣削：300-6000 m/min◎钻削：200-1100 m/min◎磨削：50-300 m/s 2. 切削理论的提出 泰勒（Frederick W.Taylor）是最早研究金属切削机理的学者之一。提出了传统的切削速度和刀具寿命的关系为线性，即刀具的速度越高，刀具的磨损越快。但在实际生产中出现了违反这一规律的现象。 由德国Carl Salmon 博士,在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。 Carl Salmon萨洛蒙对铝和铸铜等有色金属进行了高速实验，所得结果图中的实线所示。虚线是推算出来的，并没有经过实验验证。 萨洛蒙指出：A 区（常规切削区），切削速度t 随切削温度v 的提高而升高，但是在B 区（不可用切削区），当速度v增大到某一数值v0 后（ v 0的大小同工件材料的种类有关）， v 再增大， t 反而下降了。 由于在这个区域，t 太高，任何刀具材料都无法接受， 切削加工不可能进行，因此，这个区域被称之为“死谷”。 C区，高速切削区。 填空题（30分=1分*30）(只是答案) 半导体级硅 、 GSG 、 电子级硅 。CZ 法 、 区熔法、 硅锭 、wafer 、硅 、锗、单晶生长、整型、切片、磨片倒角、刻蚀、（抛光）、清洗、检查和包装。 100 、110 和111 。融化了的半导体级硅液体、有正确晶向的、被掺杂成p 型或n 型、 实现均匀掺杂的同时并且复制仔晶的结构，得到合适的硅锭直径并且限制杂质引入到硅中 、拉伸速率 、晶体旋转速率 。 去掉两端、径向研磨、硅片定位边和定位槽。 制备工业硅、生长硅单晶、 提纯） 。卧式炉 、立式炉 、快速热处理炉 。干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化。工艺腔、硅片传输系统、气体分配系统、尾气系统、温控系统。 局部氧化LOCOS 、浅槽隔离STI 。 掺杂阻挡、表面钝化、场氧化层和金属层间介质。热生长 、淀积 、薄膜 。石英工艺腔、加热器、石英舟。 APCVD 常压化学气相淀积、LPCVD 低压化学气相淀积、PECVD 等离子体增强化学气相淀积。晶核形成、聚焦成束 、汇聚成膜。同质外延、异质外延。膜应力、电短路、诱生电荷。导电率、高黏附性、淀积 、平坦化、可靠性、抗腐蚀性、应力等。CMP 设备 、电机电流终点检测、光学终点检测。平滑、部分平坦化、局部平坦化、全局平坦化。 磨料、压力。使硅片表面和石英掩膜版对准并聚焦，包括图形）；（通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩膜版上图形复制到硅片上）；（在单位时间内生产出足够多的符合产品质量规格的硅片）。化学作用、物理作用、化学作用与物理作用混合。介质、金属 。在涂胶的硅片上正确地复制 掩膜图形。 被刻蚀图形的侧壁形状、各向同性、各向异性。气相、液相、 固相扩散。间隙式扩散机制、替代式扩散机制、激活杂质后。一种物质在另一种物质中的运动、一种材料的浓度必须高于另一种材料的浓度 ）和（ 系统内必须有足够的能量使高浓度的材料进入或通过另一种材料。 热扩散 、离子注入。预淀积 、推进、激活。时间、温度 。扩散区、光刻区 、刻蚀区、注入区、薄膜区、抛光区。硅片制造备 ）、（ 硅片制造 ）、硅片测试和拣选、（ 装配和封装 、终测。 微芯片。第一层层间介质氧化物淀积、氧化物磨抛、第十层掩模、第一层层间介质刻蚀。 钛淀积阻挡层、氮化钛淀积、钨淀积 、磨抛钨。 1． 常用的半导体材料为何选择硅？（6分） （1）硅的丰裕度。硅是地球上第二丰富的元素，占地壳成分的25%；经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本； （2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限。硅1412℃>锗937℃ （3）更宽的工作温度。用硅制造的半导体件可以用于比锗更宽的温度范围，增加了半导体的应用范围和可靠性； （4）氧化硅的自然生成。氧化硅是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污；氧化硅具有与硅类似的机械特性，允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲； 2． 晶圆的英文是什么？简述晶圆制备的九个工艺步骤。（6分） Wafer 。 （1） 单晶硅生长: 晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅锭。可用CZ 法或区熔法。 （2） 整型。去掉两端，径向研磨，硅片定位边或定位槽。 （3） 切片。对200mm 及以上硅片而言，一般使用内圆切割 机；对300mm 硅片来讲都使用线锯。 （4） 磨片和倒角。切片完成后，传统上要进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行及平坦。硅片边缘抛光修整，又叫倒角，可使硅片边缘获得平滑的半径周线。 （5） 刻蚀。在刻蚀工艺中，通常要腐蚀掉硅片表面约20微米的硅以保证所有的损伤都被去掉。 （6） 抛光。也叫化学机械平坦化（CMP ），它的目标是高平整度的光滑表面。抛光分为单面抛光和双面抛光。 （7） 清洗。半导体硅片必须被清洗使得在发给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态。 （8） 硅片评估。 （9） 包装。 3． 硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm 增加到现在的300mm 甚至更大，其原因是什么？（6分） （1） 更大直径硅片有更大的表面积做芯片，能够减少硅片的浪费。 （2） 每个硅片上有更多的芯片，每块芯片的加工和处理时间减少，导致设备生产效率变高。 （3） 在硅片边缘的芯片减少了，转化为更高的生产成品率。 （4） 在同一工艺过程中有更多芯片，所以在一块芯片一块芯片的处理过程中，设备的重复利用率提高了。 氧化 4.立式炉出现的主要原因，其主要控制系统分为哪五个部分？（6分） (1) 立式炉更易于自动化、可改善操作者的安全以及减少颗粒污染。与卧式炉相比可更好地控制温度和均匀性。 (2) 工艺腔，硅片传输系统，气体分配系统，尾气系统，温控系统。 5.试写出光刻工艺的基本步骤。（6分） （1）气相成底膜；（2）旋转涂胶；（3）软烘 ；（4）对准和曝光；（ 5）曝光后烘焙(PEB)； （6） 显影； （7）坚膜烘焙； （8）显影检查。 4． 已知曝光的波长 为365nm ，光学系统的数值孔径NA 为0.60，则该光学系统的焦深DOF 为多少？（6分） 5． 简述扩散工艺的概念。（6分） 扩散是物质的一个基本属性，描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。扩散的发生需要两个必要的条件：（1）一种材料的浓度必须高于另一种材料的浓度；（2）系统内必须有足够的能量使高浓度的材料进入或通过另一种材料。 气相扩散：空气清新剂喷雾罐 液相扩散：一滴墨水滴入一杯清水 固相扩散：晶圆暴露接触一定浓度的杂质原子（半导体掺杂工艺的一种） 6． 名词解释：离子注入。（6分） 离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程，即不发生化学反应。离子注入在现代硅片制造过程中有广泛应用，其中最主要的用途是掺杂半导体材料。 四、综合题：（30分=15分*2，20题）2题/章 1． 对下图所示的工艺进行描述，并写出工艺的主要步骤。（15分） 描述：图示工艺：选择性氧化的浅槽隔离（STI ）技术。（用于亚0.25微米工艺） STI 技术中的主要绝缘材料是淀积氧化物。选择性氧化利用掩膜来完成，通常是氮化硅，只要氮化硅膜足够厚，覆盖了氮化硅的硅表面就不会氧化。掩膜经过淀积、图形化、刻蚀后形成槽。 在掩膜图形曝露的区域，热氧化150~200埃厚的氧化物后，才能进行沟槽填充。这种热生长的氧化物使硅表面钝化，并且可以使浅槽填充的淀积氧化物和硅相互隔离，它还能作为有效的阻挡层，避免器件中的侧墙漏电流产生。 步骤：1氮化硅淀积 2氮化硅掩蔽与刻蚀 3侧墙氧化与沟槽填充 4氧化硅的平坦化(CMP) 5氮化硅去除。 浅槽隔离(STI)的剖面 2． 识别下图所示工艺，写出每个步骤名称并进行描述，对其特有现象进行描述。（15分） 答：一 ）此为选择性氧化的局部氧化LOCOS （0.25微米以 上的工艺 ） 二 ）步骤名称及描述： 1 氮化硅淀积。 2 氮化硅掩蔽与刻蚀 3 硅的局部氧化 LOCOS 场氧化层的剖面 4 氮化硅去除 用淀积氮化物膜作为氧化阻挡层，因为淀积在硅上的氮化物 不能被氧化，所以刻蚀后的区域可用来选择性氧化生长。热 氧化后，氮化物和任何掩膜下的氧化物都将被除去，露出赤 裸的硅表面，为形成器件作准备。 三）特有现象描述：当氧扩散穿越已生长的氧化物时，它是 在各个方向上扩散的（各向同性）。 一些氧原子纵向扩散进入硅，另一些氧原子横向扩散。这意 味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层 比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮 化物的边缘，我们称为“鸟嘴效应” 金属化 3． 按照下图，解释化学机械平坦化工艺。（15分） CMP 是一种表面全局平坦化的技术，它通过硅片和一个抛光 头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之间 有磨料，并同时施加压力。CMP 设备——抛光机 光刻 4． 识别下图所示工艺，写出每个步骤名称并进行描述。 （15分） 答：1 气相成底膜：清洗、脱水，脱水烘焙后立即用HMDS 进行成膜处理，起到粘附促进剂的作用。 2 采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。 3 软烘：其目的是除去光刻胶中的溶剂。 4 对准和曝光：掩模板与涂了胶的硅片上的正确位置对准。然后将掩模板和硅片曝光。 5 曝光后烘焙：深紫外（DUV ）光刻胶在100-110℃的热板上进行曝光后烘焙。 6 显影：是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。 7 坚模烘焙：要求会发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。 8 显影后检查：目的是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。 刻蚀 5． 等离子体干法刻蚀系统的主要部件有哪性？试举出三种主要类型，并对圆筒式等离子体刻蚀机作出介绍。（15分） 答：一个等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：（1）发生刻蚀反应的反应腔；（2）产生等离子体的射频电源；（3）气体流量控制系统；（4）去除刻蚀生成物和气体的真空系统。 圆桶式反应器是圆柱形的，在0.1~1托压力下具有几乎完全相同的化学各向同性刻蚀。硅片垂直、小间距地装在一个石英舟上。射频功率加在圆柱两边的电极上。通常有一个打孔的金属圆柱形刻蚀隧道，它把等离子体限制在刻蚀隧道和腔壁之间的外部区域。硅片与电场平行放置使物理刻蚀最小。等离子体中的刻蚀基扩散到刻蚀隧道内，而等离子体中的带能离子和电子没有进入这一区域。 这种刻蚀是具有各向同性和高选择比的纯化学过程。因为在硅片表面没有物理的轰击，因而它具有最小的等离子体诱导损伤。圆桶式等离子体反应器主要用于硅片表面的去胶。氧是去胶的主要刻蚀机。 离子注入 6． 对下图中的设备进行介绍，并对其所属的工艺进行描述。（15分） 离子注入工艺在离子注入机内进行，它是半导体工艺中最复杂的设备之一。离子注入机包含离子源部分，它能从原材料中产生带正电荷的杂质离子。离子被吸出，然后用质量分析仪将它们分开以形成需要掺杂离子的束流。束流中的离子数量与希望引入硅片的杂质浓度有关。离子束在电场中加速，获得很高的速度（107cm/s 数量级），使离子有足够的动能注入到硅片的晶格结构中。束流扫描整个硅片，使硅片表面均匀掺杂。注入之后的退火过程将激活晶格结构中的杂质离子。所有注入工艺都是在高真空下进行的。 离子注入设备包含以下5 个部分： （1）离子源；（2）引出电极（吸极）和离子分析器；（3）加速管；（4）扫描系统；（5）工艺室 离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程，即不发生化学反应。离子注入在现代硅片制造过程中有广泛应用，其中最主要的用途是掺杂半导体材料。每一次掺杂对杂质的浓度和深度都有特定的要求。离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度，因而在几乎所有应用中都优于扩散。它已经成为满足亚0.25μm 特征尺寸和大直径硅片制作要求的标准工艺。热扩散的5个问题对先进的电路生成的限制：（1）横向扩散（2）超浅结（3）粗劣的掺杂控制（4）表面污染的阻碍（5）错位的产生。 亚0.25μm 工艺的注入过程有两个主要目标： （1）向硅片中引入均匀、可控制数量的特定杂质。 （2）把杂质放置在希望的深度。 7.离子注入工艺的主要优缺点。（15分） 答：优点：（1）精确控制杂质含量。 （2）很好的杂质均匀性。（扫描方法） （3）对杂质穿透深度有很好的控制。（控制能量） （4）产生单一离子束。（质量分离技术） （5）低温工艺。（中等温度小于125℃，允许使用不同的光刻掩膜，包括光刻胶） （6）注入的离子能穿过薄膜。 （7）无固溶度极限。 缺点：（1）高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤。当高能离子进入晶体并与衬底原子碰撞时，能量发生转移，一些晶格上的硅原子被取代，这个反应被称为辐射损伤。大多数甚至所有的的晶体损伤都能用高温退火进行修复。 （2）注入设备的复杂性。然而这一缺点被离子注入机对剂 量和深度的控制能力及整体工艺的灵活性弥补 7． 依照下图，对硅片制造厂的六个分区分别做一个简 短的描述，要求写出分区的主要功能、主要设备以及显著特 点。（15分） （1） (1)扩散区。扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的 区域。 主要设备：高温扩散炉：1200℃，能完成氧化、扩散、淀积、 退火以及合金等多种工艺流程。湿法清洗设备 。 （2） (2)光刻。把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注 入的硅片上。 主要设备：涂胶/显影设备，步进光刻机。 （3） (3)刻蚀。用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需 要材料，在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。 主要设备：等离子体刻蚀机，等离子去胶机，湿法清洗设备 。 (4)离子注入。主要功能是掺杂。 主要设备：离子注入机、等离子去胶机、湿法清洗设备 。 Semiconductor Manufacturing Technology 半导体制造技术 Instructor’s Manual Michael Quirk Julian Serda Copyright Prentice Hall Table of Contents 目录 Overview I. Chapter 1. Semiconductor industry overview 2. Semiconductor materials 3. Device technologies—IC families 4. Silicon and wafer preparation 5. Chemicals in the industry 6. Contamination control 7. Process metrology 8. Process gas controls 9. IC fabrication overview 10. Oxidation 11. Deposition 12. Metallization 13. Photoresist 14. Exposure 15. Develop 16. Etch 17. Ion implant 18. Polish 19. Test 20. Assembly and packaging II. Answers to End-of-Chapter Review Questions III. Test Bank (supplied on diskette) IV. Chapter illustrations, tables, bulleted lists and major topics (supplied on CD-ROM) Notes to Instructors: 1)The chapter overview provides a concise summary of the main topics in each chapter. 2)The correct answer for each test bank question is highlighted in bold. Test bank questions are based on the end-of-chapter questions. If a student studies the end-of-chapter questions (which are linked to the italicized words in each chapter), then they will be successful on the test bank questions. 2 半导体物理学试题及答案 半导体物理学试题及答案(一) 一、选择题 1、如果半导体中电子浓度等于空穴浓度，则该半导体以( A )导电为主;如果半导体中电子浓度大于空穴浓度，则该半导体以( E )导电为主;如果半导体中电子浓度小于空穴浓度，则该半导体以( C )导电为主。 A、本征 B、受主 C、空穴 D、施主 E、电子 2、受主杂质电离后向半导体提供( B )，施主杂质电离后向半导体提供( C )，本征激发向半导体提供( A )。 A、电子和空穴 B、空穴 C、电子 3、电子是带( B )电的( E );空穴是带( A )电的( D )粒子。 A、正 B、负 C、零 D、准粒子 E、粒子 4、当Au掺入Si中时，它是( B )能级，在半导体中起的是( D )的作用;当B掺入Si中时，它是( C )能级，在半导体中起的是( A )的作用。 A、受主 B、深 C、浅 D、复合中心 E、陷阱 5、 MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型( A )。 A、相同 B、不同 C、无关 6、杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是( B )。 A、变大，变小 ; B、变小，变大; C、变小，变小; D、变大，变大。 7、砷有效的陷阱中心位置(B ) A、靠近禁带中央 B、靠近费米能级 8、在热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( D )，当温度大于热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( A )。 A、大于1/2 B、小于1/2 C、等于1/2 D、等于1 E、等于0 9、如图所示的P型半导体MIS结构的C-V特性图中，AB段代表( A)，CD段代表( B )。 A、多子积累 B、多子耗尽 C、少子反型 D、平带状态 10、金属和半导体接触分为：( B )。 A、整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 B、整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 C、非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 D、非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 11、一块半导体材料，光照在材料中会产生非平衡载 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, Rapid Vapor-phase Doping) 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: Gas Immersion Laser Doping) 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)半导体物理学试题库完整
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