半导体制造技术题库答案

半导体制造技术题库答

案

Revised as of 23 November 2020

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—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C/x，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。

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。

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<

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，

结晶形SiO2密度为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，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<

没有氧化剂的堆积，浓度趋于零。因扩散速度太慢，而大量氧化剂堆积在SiO2的表面处，浓度趋向于同气相平衡时的浓度C。此时，SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散速度决定，称为扩散控制。

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，激活能分别为和，其值接近Si-Si键断裂所需要的的能量值，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%）卤素能够显着改善SiO2特性: ①加速反应 Si-O键能为，Si-Cl键能为。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。

16.一片硅片由厚的 SiO2薄膜覆盖。所需数据见下表，玻尔兹曼常数 k=×10-23。

（1）在 1200℃下，采用 H2O 氧化，使厚度增加需要多少时间。

（2

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 &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。

28. 常用溅射技术有哪几种，简述它们的工作原理和特点。

直流溅射——惰性气体，如氩，送入低压下的溅射腔体，电压加在电极上产生等离子体。加

负直流电压的的是顶电极为需要淀积的源材料，例如铝或铝压板，作为靶材。硅片放置于底电极上，高能粒子撞击靶材，溅射出靶原子，这些原子以蒸汽形式自由走过等离子体撞击到硅片表面， 凝聚并形成薄膜。

射频溅射——直流溅射方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。

射频溅射是一种能适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法。

在两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入淀积室，不

必要求电极一定是导电体。

射频方法可以在靶材上产生自偏压效应．即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一

个负电位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。

在实际应用中，射频溅射的交流辉光放电是在下进行的。

反应溅射——采用以纯金属作为溅射靶材，但在工作气体中通入适量的活性气体，使其在溅

射淀积的同时生成特定的化合物，这种在淀积的同时形成化合物的溅射技术被称为反应溅射方法。

偏压溅射：溅射刻蚀和偏压溅射淀积

溅射刻蚀：在淀积前的一个短时间内，将衬底和靶的电学连接相颠倒，可以使得衬底发生溅

射而不是靶材，这样可以从晶圆片表面去除自然氧化物和残留的玷污。

对于简单的磁控系统，如果衬底和淀积材料是导体，可以调节加于衬底上的相对于等离子体

的偏压。因为溅射刻蚀的薄膜，在低偏压下可以重新淀积于晶圆片上，因而得到台阶覆盖的净改善。

29.下图是硅烷反应淀积多晶硅的过程，写出发生反应的方程式，并简述其中1～5各步的含义。

（1）反应气体从腔体入口向晶圆片附近输运；

（2）这些气体反应生成系列次生分子；

（3）这些反应物输运到晶圆片表面；

（4）表面反应释放出硅；

（5）气体副产物解吸附；

（6）副产物离开晶圆片表面的输运；

（7）副产物离开反应器的输运。

30.对于某种薄膜的 CVD 过程，淀积温度为 900℃，质量传输系数 hG=10cm s-1，表面反应速率系

数 ks=1×107expkT)cm s-1。现有以下两种淀积系统可供选择(1)冷壁，石墨支座型； (2)热壁，堆放硅片型。应该选用哪种类型的淀积系统并简述理由。

反应室类型

热壁：反应室腔壁与硅片及支撑件同时加热。一般为电阻丝加热，可精确控制反应腔温度和均匀性。适合对温度控制要求苛刻的化学反应控制淀积系统，腔内各处都发生薄膜生长。

冷壁：仅对硅片和支撑件加热，一般采用辐照加热和射频加热，升降温快速，但温度均匀性差，适合对温度要求不高的质量输运控制。

冷壁系统能够降低在侧壁上的淀积，减小了反应剂的损耗，也减小壁上颗粒剥离对淀积薄膜质量的影响。

31.CVD淀积过程中两个主要的限制步骤是什么它们分别在什么情况下会支配整个淀积速率

CVD过程包括两个部分：

一、反应剂在边界层中的输运

二、反应剂在衬底表面的化学反应

存在两种极限情况：

①h g>>k s，C s趋于C g，淀积速率受表面化学反应速率控制。

反应剂数量：主气流输运到硅片表面的﹥表面化学反应所需要的

②h g﹤﹤k s，C s趋于0，淀积速率受质量输运速率控制。

反应剂数量：表面化学反应所需要的﹥主气流输运到硅片表面的

①低温情况下，表面化学反应速率控制k s=k0e?E A/kT

淀积速率随温度的升高而成指数增加。

②高温情况下，质量输运控制

由于反应速度的加快，输运到表面的反应剂数量低于该温度下表面化学反应所需要的数量，这时的淀积速率将转为由质量输运控制，基本不再随温度变化而变化。

32.简述 APCVD、LPCVD、PECVD 的特点。

APCVD——一些最早的CVD工艺是在大气压下进行的，由于反应速率快， CVD系统简单，适于较厚的介质淀积。

APCVD缺点：台阶覆盖性差；膜厚均匀性差；效率低。

常压下扩散系数小，hg<

一个主要问题是颗粒的形成。在气体注入器处可能发生异质淀积，在淀积了若干晶圆片后，颗粒变大剥落并落在晶圆片表面。为避免这一问题可采用多通道的喷头设计。

LPCVD——低压化学气相淀积系统淀积的某些薄膜，在均匀性和台阶覆盖等方面比APCVD 系统的要好，而且污染也少。另外，在不使用稀释气体的情况下，通过降低压强就可以降低气相成核。

在LPCVD系统中，因为低压使得扩散率增加，因此h g变大使得h g>>k s，生长速率受表面化学反应控制，与气流的均匀性无关，硅片可以竖直紧密排列，容量大。

LPCVD缺点：淀积速率慢，生长温度高

3. PECVD——等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是目前最主要的化学气相淀积系统。

APCVD和LPCVD都是利用热能来激活和维持化学反应，而PECVD是通过射频等离子体来激活和维持化学反应，受激发的分子可以在低温下发生化学反应，所以淀积温度比APCVD和LPCVD低（200-350℃），淀积速率也更高，淀积的薄膜具有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖及电学特性。

反应原理：等离子体中的电子与反应气体的分子碰撞时，这些分子将分解成多种成份：离子、原子以及活性基团(激发态)，这些活性基团不断吸附在衬底表面上，吸附在表面上的活性基团之间发生化学反应生成薄膜元素，并在衬底表面上形成薄膜。活性基团吸附在表面时，不断的受到离子和电子轰击，很容易迁移，发生重新排列。这两个特性保证了所淀积薄膜有良好的均匀性，以及填充小尺寸结构的能力。

由于PECVD与非等离子体CVD相比，淀积过程有更多的非平衡特点，故也可以更容易地改变薄膜性质（组成、密度、应力等），并且对于特定的应用可修正这些性能。然而，这也会使薄膜产生不希望有的组分或者性质，如副产品或气体分子结合进薄膜。

33.简述外延薄膜的生长过程，其最显着的特征是什么

生长过程：

①传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面；

②吸附：反应物吸附在Si表面；

③化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物；

④脱吸：副产物脱离吸附；

⑤逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室；

⑥加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶向

生长特征：横向二维的层层生长。

晶面的构造可用三个密切联系的特征表示：平台、扭转、台阶

如果吸附原子A保持不动，其他硅原子可以被吸附过来，形成硅串或硅岛。大量的硅串在合并时，必定会产生严重的缺陷或形成多晶薄膜。

如果吸附原子具有比较高的能量，那么这个原子更倾向于沿着表面迁移，如果迁移到一个台阶边缘的位置，如图B位置，由于Si-Si键的相互作用，位置B比位置A更稳定，吸附原子就有很大的可能性保持在此位置。

吸附原子最稳定的位置是所谓的扭转位置，如图中的位置C。当吸附原子到达一个扭转位置时，形成了一半的Si-Si键，进一步的迁移就不太可能发生了。在继续生长过程中，更多的吸附原子必定会迁移到扭转位置，从而加入到生长的薄膜中。

34.影响外延薄膜的生长速度的因素有哪些

1）温度

高温区B区，生长速率对温度的变化不敏感，生长速率由气相质量输运控制，并且对反应室的几何形状和气流有很大的依赖性。

低温区A区，生长速率对温度的变化非常敏感，生长速率完全由表面化学反应控制。