集成电路作业参考答案

14091平时作业参考答案

第一次作业

1、比较CZ法与FZ法制备Si单晶的优缺点。

答：直拉法在Si单晶的制备中更为常用，占75％以上。直拉法制备Si单晶的优点是：1）成本低；2）能制备更大的圆片尺寸，6英吋（150mm）及以上的Si单晶制备均采用直拉法，目前直拉法已制备出400mm（16英吋）的商用Si单晶；3）制备过程中的剩余原材料可重复使用；4）直拉法制备的Si单晶位错密度低，0～104cm-2。直拉法制备Si单晶的主要缺点是，由于使用坩埚，Si单晶的纯度不如区熔法。

区熔法制备Si单晶的主要优点是，由于不使用坩锅，可制备高纯度的硅单晶，电阻率高达2000Ω-mm，因此区熔法制备的Si单晶主要用于功率器件及电路。区熔法制备Si单晶的缺点是：1）成本高；2）可生产Si单晶的尺寸较小，最大为150mm直径；3）位错密度较直拉法高，在103～105cm-2之间。

2、为什么绝大多数的集成电路都采用了Si半导体？

答：目前，95%以上的集成电路都采用了Si半导体，其原因是：①Si 元素占地壳重量的20%-25%，制备Si单晶的石英岩（主要成分是SiO）分布广,开采成本低；②Si单晶的直径在所有半导体晶体最大，目前已达16英吋（400mm）,且按照摩尔定律每3年增加1英吋，这大大降低了芯片的成本；③Si的氧化物SiO2性能稳定，在集成电路制造工艺中有各种用途，例如，掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多

层布线）、绝缘栅、MOS 电容的介质材料等；④Si 半导体材料的另一

形态多晶硅（ Poly-Si ）在集成电路工艺中也有许多用途，例如，栅

极（可实现源漏自对准工艺）、杂质扩散源、局部互连线（比铝布线

灵活）等；

第二次作业

3. 证明硅热氧化时，生成厚度为z ox 的二氧化硅膜，约需消耗0.45z ox

厚的硅层（二氧化硅的密度为2.24g/cm3；硅的密度为2.33g/cm 3）。

4. 某npn 硅晶体管在1200℃下进行基区氧化，氧化过程为：15min

干氧加45min 湿氧（T H2O =95 ℃）再加15min 干氧，试求所生成的氧

化层厚度。

解：1）第一次是干氧氧化，T=1200℃,查表得()m A μ04.01=，

()

1241m in 105.7--?=m B μ，()m in 62.11=τ。根据氧化公式， ???? ??-++=14/121211111B A t A x τ

则第一次干氧氧化层厚度为，()nm x 4.931=；

2）第二次是湿氧氧化，T=1200℃，查表得()m A μ05.02=，

()

1222m in 102.1--?=m B μ。 根据氧化公式，第一次干氧氧化所对应的时间常数为

()min 12.1212212=+=B x A x τ

故，第二次湿氧氧化后氧化层的厚度为

???? ??-++=14/12222222

2B A t A x τ，()nm x 3.7192=；

3）第三次又是干氧氧化，T=1200℃，()m A μ04.01=，

()

1241m in 105.7--?=m B μ。 同理，第二次氧化后的氧化层厚度所对应的时间常数为

()min 22.728121223=+=B x A x τ， 故，根据氧化公式，第三次干氧氧化后氧化层的厚度为

???? ??-++=14/121213313B A t A x τ，()nm x 87.7263=。

答：最终的氧化层厚度为726.87nm （0.727μm ）。

第三次作业

5.现有若干硅片，分别用干氧、湿氧（T H2O =95℃）和水汽进行氧化，

氧化温度为1200 ℃。如果它们所要求的氧化层厚度是50nm ，试求

它们各自需要的氧化时间（精确到分）。 答：根据01124A t t x A B *

??+ ?=+- ??

?，可得 t+t *=( Z ox 2

+ A ·Z ox )/ B ，或222114OX Z A t t B A *????+=+-?? ???????。 ①干氧，T=1200℃，A=0.04(μm)，B=7.5×10-4(μm 2·min -1)，t *=1.62

根据上述公式，可得t 1+t *=6min ，故，

干氧氧化时间t 1=6-1.62=4.38min 。

②湿氧，T=1200℃，T H2O =95℃，A=0.05(μm)，B=1.2×10-2(μm 2·min -1)，

t *=0

根据上述公式，可得t 2+t *=0.42min ，故

湿氧氧化时间t 2=0.42-0=0.42min 。

③水汽，T=1200℃，A=0.017(μm)，B=1.457×10-2(μm 2·min -1)，t *=0

根据上述公式，可得t 3+t *=0.23min ，故、

水汽氧化时间t 3=0.23-0=0.23min 。

6.某一硅片上面已覆盖有0.2μm 厚的二氧化硅，现需要在1200 ℃

下用干氧再生长0.1μm 厚的氧化层，问干氧氧化的时间需要多少？

解：查表，可得A=0.04μm ，B=7.5×10-4。

根据公式B

Ax x i i +=2τ，可得初始氧化层x i =0.2μm 所对应的时间常数为

B

Ax x i i +=2τ=（0.22+0.04x0.2）/7.57.5×10-4=64min(分钟) 氧化层的总厚度为x 0=0.2+0.1=0.3μm ，故根据氧化公式，

???

? ??-++=14/1220B A t A x τ ， 可得干氧氧化时间t 为

τ-???

? ??-??? ??+=∴1124202A x B A t =120-64=56min （分钟） 答：干氧氧化的时间需要56分钟。

第四次作业

7、在实际工艺中，扩散为什么要采取两步工艺法？两步扩散工艺的

最终浓度是哪知分布？

答：根据扩散杂质的浓度分布，若采用一步扩散，其表面浓度N S始终是其在Si中的固溶度，不能改变。若采用两步扩散工艺，则其表面浓度可在第二步的再分布扩散中进行调整，从而达到设计的要求。

两步扩散工艺的最终浓度分布要根据两步扩散工艺的具体情况而定，若第二步再分布工艺的扩散时间远大于第一步预淀积扩散，即D1t1 << D2t2，则最终浓度由再分布起决定作用，是高斯分布，；若第二步再分布工艺的扩散时间远小于第一步预淀积扩散，即D2t2 << D1t1，则最终浓度由预淀积起决定作用，是余误差分布。

8、什么是氧化增强扩散？为什么As的氧化增强扩散比B、P小？为什么Sb的氧化扩散不是增强，反而减弱了？

答：在进行氧化气氛下的扩散工艺时， P、B掺杂剂的扩散速率比没有氧化气氛时明显增大，这就是氧化增强扩散效应。P和B的氧化增强机理是替位-间隙交替的双扩散机理，即Si-SiO2界面产生的大量间隙Si与替位B、P相互作用，使原来替位机理的B、P变为间隙B、P，B、P的间隙扩散作用更强；B、P在近邻晶格有空位时以替位方式扩散，无空位时以间隙方式扩散；因此，其扩散速度比单纯替位方式快。

As的氧化扩散增强效应低于B、P，这是因为As的替位扩散与间隙扩散的作用相当，故无论是否有氧化气氛，其扩散速率不受影响。

Sb的氧化扩散是减弱的，这是因为Sb的扩散无论有无氧化气氛，其扩散机理都是替位扩散为主，而氧化气氛下生成的间隙Si与空位复合，减小了空位浓度，从而降低了以替位扩散为主的Sb的扩散速率，出现了氧化减弱的效应。

?第五次作业

9、简述离子注入的LSS模型。

答：LSS模型认为，离子注入的机理是注入离子与晶格原子的原子核及核外电子发生碰撞，从而引起注入离子的能量损失及散射，直至能量为零，注入离子停下。

1）注入离子的核阻挡：注入离子与晶格原子的原子核发生弹性碰撞，由于核的质量较大（离子与靶原子质量同数量级），因而造成了注入离子的大角度散射，并将其能量传递给晶格原子，使晶格原子脱离其晶格点阵的位置，形成空位，自身成为间隙原子，并进一步与下一层的晶格原子发生级联碰撞，形成更多的间隙原子和空位，从而引起更多、更深的晶格损伤。

2）注入离子的电子阻挡：注入离子与晶格原子的自由电子及核外电子（束缚电子）发生碰撞，由于电子的质量太轻，注入离子的能量损失很少，晶格损伤可以忽略，且散射角度也很小，注入离子路径基本不变。

10、离子注入与再分布扩散的浓度分布有什么相同之处及不同之处？答：相同之处：1）都是高斯分布（高斯函数）；2）都存在横向分布效应；3）都可控制表面浓度和结深。

不同之处：1）峰值浓度位置不同，再分布在Si表面处，而离子注入在Si体内；2)横向效应大小不同：再分布大，离子注入小；3）再分布的峰值浓度（表面浓度）受其在Si中的固溶度限制，而离子

注入不受固溶度限制；4）再分布的表面浓度与结深不能独立控制，而离子注入对峰值浓度和结深（或平均投影射程R P）可独立控制。11、什么是沟道效应？消除沟道效应的主要方法有哪些？

答：对Si单晶而言，由于其各向异性的特性，当注入离子对准一个主要的晶向并被导向在各排晶体原子之间形成的“沟道”时，注入离子仅发生电子碰撞，不会发生核碰撞。发生沟道效应时，其注入损伤很小，注入的射程很远，但注入射程不可控，难于获得可重复的浓度分布，使用价值小，因而实际工艺时应避免沟道效应。

消除沟道效应的途径有：1）①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值为70；②淀积非晶表面层（SiO2)；③在表面制造损伤层。

第六次作业

12、为什么溅射法淀积薄膜的台阶覆盖性比真空蒸发要好？

答：溅射淀积的原理是气体辉光放电产生等离子体，具有能量的等离子轰击靶材，使靶材原子获得能量和动量从靶表面逸出被溅射出，溅射射出的靶材原子淀积在Si表面，从而实现淀积。溅射的特点是溅射过程既有能量交换，又有动量交换，即被溅射出的原子具有很大的动能，大约为10-50eV。而具有较大动能的原子（或分子）在淀积表面自然有很强的迁移能力，因而其台阶覆盖性很好。而热蒸发的淀积过程仅有能量交换，其蒸发原子的动能很小，仅仅为0.1-0.2eV，其在淀积表面的迁移能力远小于溅射淀积，因此其台阶覆盖性很差。

13、试分析主气体流速和温度对CVD淀积速率的影响。

答：①主气体流速Um 对CVD 淀积速率G 的影响

根据CVD 的Grove 模型，假设反应剂气体在边界层中的浓度梯度

为线性变化，则边界层中的气体扩散流密度F 1为

F 1=hg(Cg-Cs)= Dg(Cg-Cs)/δs （1）

式中，C g 是主气流中的气体浓度，C s 是淀积表面的气体浓度，气相质

量传输系数hg=Dg/δs ，边界层平均厚度δs=2L/3Re ，而雷诺系数

Re 为

Re=ρUL/μ （2）

式中，边界层中的气体流速U ≤0.99Um ，Um 是主气流的流速，L 是反

应室基座的尺寸，ρ是气体密度，μ是气体黏滞系数。

在高温下，由于 hg<< ks ，则淀积受扩散机制控制，淀积速率为

G=（C T h g Y)/N 1， (3)

由式（1）、（2）、（3）可知，G 与Um 1/2与成正比，但当Um 增大到一定

值后，由于hg >> ks ，淀积机制有扩散控制转为反应控制， G 达到饱和。提高G 还可通过减小基座的长度L ，从而降低δs 达到。

②温度对淀积速率的影响

根据CVD 的Grove 理论，在低温下hg>> ks ，淀积过程由表面的

反应控制，而表面化学反应的速率常数与温度遵循阿里尼乌斯关系，

即

0a E kT s s k k e -= （4）

因而，淀积速率G与T呈也指数关系。而当温度变化到高温下，hg<< ks，此时淀积速率由表面反应转为输运控制，而hg对T不敏感，故G趋于平稳。

14、简述三种CVD方法的淀积原理与淀积机理。

答：三种CVD的技术方法是APCVD（常压化学气相淀积）、LPCVD（低压化学气相淀积）和PECVD（等离子体增强化学气相淀积），其淀积原理或机理分别如下所述。

1）APCVD：化学气相淀积在1个大气压下进行，由于是高压，其淀积温度也是高温。根据CVD的Grove理论，其淀积机理应由气相传输过程控制。因此，APCVD对反应室形状尺寸及气体流速很敏感，但对温度不敏感，对其精度控制要求不高。

2）LPCVD：化学气相淀积在27－270Pa压力下进行，由于是低压，其淀积温度也是低温。根据CVD的Grove理论，其淀积机理应由表面反应过程控制。因此，LPCVD对温度很敏感，对温度的精度要求很高。但对反应室尺寸及气体流速不敏感，对其要求不高。

3）PECVD：通过RF手段来激活气体分子，使其首先成为具有很强化学活性的等离子体，从而使其在低温（室温）下能够发生化学反应，淀积成膜。由于是低温淀积机理，因此其淀积机理是表面反应控制过程。因次，PECVD对温度的变化很敏感，因而对温度精度要求较高。

第七次作业

15.光刻胶有哪些种类？简述它们的感光机理和特点。

答：光刻胶的类型只有两种，正胶和负胶。正胶的光刻原理是，当受到光照时，正胶分子发生分解反应，显影时受光照的部分易被溶解，未受光照部分不易溶解，被保留下来。负胶的光刻原理是，当受到光照时，负胶分子发生聚合反应，显影时受光照的部分不易被溶解，被保留下来，未受光照部分易溶解。

正胶价格高，但分辨率高，适于特征尺寸3μm以下的工艺。负极便宜，但分辨率低，适于特征尺寸3μm以上的工艺。

16.简述移相掩模的原理、作用、及材料。

答：移相掩膜（PSM：Phase-Shift Mask）的原理是在Mask（掩模板）的透明图形上增加一个透明的介质层-移相器，由于移项器材料的折射率与掩模板透明基材不同，从而使光通过移相器后相位与相邻的透明掩模板基材相位差为1800。根据光的干涉原理，两束相位差为1800的衍射光发生相消干涉，从而可消除衍射效应。所以，PSM的作用是消除图形边缘的光衍射，达到提高图形的分辨率的密度。

根据光学原理，相位差Q与PSM的折射率、厚度及光波长的关系如下。

Q=2πd/λ(n-1 ) (5) 式中，d是PSM的厚度，λ是光波长，n是PSM的折射率。

PSM材料有有两类：1）有机材料：以光刻胶为主，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA胶）；2）无机材料：例如SiO2薄膜。

第八次作业

17.有哪些干法刻蚀方法，它们的主要差别是什么，比较这些技术的优点和局限性。

答：有三类干法刻蚀的方法，等离子体刻蚀，溅射刻蚀和反应离子刻蚀（RIE）。

三种干法刻蚀方法的刻蚀剂都是等离子体气体，主要差别是：①等离子体刻蚀方法是纯化学性的刻蚀，刻蚀气体主要含F和Cl的气体，如CF4、SF6；②溅射刻蚀是纯物理的刻蚀，刻蚀气体主要是惰性气体，如Ar等离子体；③反应离子刻蚀（RIE）：这是结合了等离子体刻蚀和溅射刻蚀的干法刻蚀方法，既有化学性的等离子体刻蚀，又有纯物理的溅射刻蚀，可根据被刻蚀材料调节其比例。

三种干法刻蚀方法的优点和局限性：①等离子体刻蚀：选择性相对好，但各向异性相对差；②溅射刻蚀：各向异性相对好，但选择性相对较差；③反应离子刻蚀（RIE）：选择性和各向异性适中，且可控。

18. 在VLSI中，为什么要采用Cu互连及多层金属化技术？

答：按照摩尔定律，随着器件的特征尺寸不断减小，VLSI的规模（集成度）也不断增加。相应地，VLSI的互连线也不断增加。因而其延迟也将随器件尺寸的缩小而增加。到了亚微米尺寸，其VLSI的互连延迟将远远大于器件的栅（门）延迟，如图9.18所示。

互连延迟用RC常数来表征，即

RC=(ρεl)/(t m t OX) (6)

式中，ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数，t m-是栅材料的厚度，t OX是栅介质（SiO2）的厚度。由式（4）可知，若

要降低RC，其中之一就要选取电阻率低的互联线材料，而Cu的ρ=1.72μΩcm，比传统Al互连低得多（Al，ρ=2.82μΩcm）。

由于VLSI的互连线面积占主要，其时延常数RC占主要。采用多层互连结构，可减小每层互连线的长度，也降低了每层互连线的面积，从而达到了降低互连延迟的目的。如图9.13所示，在相同集成度（门数）下，随着互连线层数的增加，互连面积所占百分比有较大幅度的降低。

第九次作业

19.简述电迁移的现象、机理及影响？

答：电迁移现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。

电迁移机理：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。

改进电迁移的方法：1）“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。2）Al-Cu/Al-Si-Cu合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。3）三层夹心结构：两层Al之间加一层约500?的金属过渡

层，如Ti、Hf、Cr、Ta。4）新的互连线：Cu。

20.多晶硅、氧化硅、氮化硅干法刻蚀中采用哪些刻蚀气体，其主要有很强的化学活性的腐蚀基是哪一种？其刻蚀过程的主要反应原理？

答：多晶硅、氧化硅和氮化硅干法刻蚀的刻蚀气体都是含F的刻蚀剂，例如，CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8等。无论是哪种刻蚀剂，其主要的腐蚀成分是F*基，它具有很强的化学活性。其刻蚀过程的主要化学反应如下。

1）多晶硅：F*+Si→SiF4↑

2）氧化硅：F*+SiO2→ SiF4↑+O2↑

CF3*+SiO2→ SiF4↑+CO↑+CO2↑

3）氮化硅： Si3N4＋F*→ SiF4↑+N2↑

?第十次作业

21.分析比较CMOS工艺和双极工艺中各种隔离的优缺点。

答：1）CMOS IC工艺的各种隔离：

a.场氧隔离：这是CMOS工艺最早的隔离，优点是工艺简单，缺点是隔离面积大、台阶高；

b.局部氧化隔离（LOCOS）：这是1980，s的隔离工艺，相比场氧，LOCOS的优点是可以减小表面的台阶高度，并且可一次光刻完成。其缺点是鸟嘴侵蚀有源区、不利于后序工艺中的平坦化、杂质重新分布等。

c.浅槽隔离（STI）：这是1990，s的隔离工艺，是一种全新的隔

离方法，是0.25μm以下工艺的标准隔离技术。相比LOCOS，其优点是隔离面积小、无鸟嘴、无台阶，其缺点是工艺复杂。

2）双极IC工艺的隔离

a.pn结隔离：这是传统双极IC工艺的隔离技术，也是标准埋层标准埋层收集极双极IC工艺的隔离方法。其优点是工艺简单；缺点是：隔离区较宽，使IC的有效面积减少；隔离扩散引入了较大的收集区-衬底和收集区-基区电容，不利于集成电路速度的提高。

b.深槽隔离：这是双极IC工艺的先进隔离技术，其优点是：大大减少了器件面积和发射极-衬底间的寄生电容，可显著提高集成度和速度；可增大收集极之间的击穿电压；其缺点：工艺复杂、成本较高。

22.简述CMOS双阱工艺，画出标准埋层双极工艺流程示意图。

答：（1）CMOS双阱工艺流程：1）硅片准备：一般采用轻掺杂p型硅片，晶向<100>。2）双阱阱的制备：采用离子注入工艺。3）、场区隔离：。4）、CMOS器件形成：（1）阈值调整注入，（2）形成栅，（3）形成LDD区，（4）形成侧墙，（5）非晶化注入：注入Si或Ge，以利于浅结的形成，（6）形成源漏区，（7）形成源漏接触。5）、多层金属互连；6）、后部封装工艺

（2）标准埋层双极工艺流程示意如下各图所示。

图6 标准埋层双极工艺流程示意图

2011-04-06