(完整版)集成电路工艺原理期末试题

集成电路工艺原理 课程考试题A卷（120分钟）
一张A4纸开卷 教师：

二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 评卷教师

、 名词解释： (7分)
Moore law：芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月翻一番。

：IC 设计公司，只设计不生产。
：绝缘体上硅。
：快速热退火。

：集成器件制造商。
：既不生产也不设计芯片，设计IP内核，授权给半导体公司使用。
：局部氧化工艺。
：浅槽隔离工艺。
、 现在国际上批量生产IC所用的最小线宽大致是多少，是何家企业生产？请
(7分)
IC所用的最小线宽是Intel公司的32nm。
Low-K材料；金属栅；High-K材

、 集成电路制造工艺中，主要有哪两种隔离工艺？目前的主流深亚微米隔离工
(7分)
LOCOS；浅槽隔离技术－
两种隔离工艺。
STI。STI与LOCOS工艺相比，具有以下优点：
CMP兼容。
、 在集成电路制造工艺中，轻掺杂漏（LDD）注入工艺是如何减少结和沟道区
(7分)
LDD形成，在晶体管正常工作时会在结和沟道区之间形成高
电子在从源区向漏区移动的过程中，将受此电场加速成高能电子，它碰撞
热电子从电场获得能量，造成电性能上的问题，如被栅氧化层
LDD注入在沟道边缘的界面区域产生复杂
LDD降低的杂质浓度减小了结和沟道区间的电场，把

、 解释为什么目前CMOS工艺中常采用多晶硅栅工艺，而不采用铝栅工艺？(7
)
CMOS工艺中常采用多晶硅栅工艺，而不采用铝栅工艺的原因是：
采用自对准方式，减小了晶体管的尺寸和栅电极与源、漏电极间的交叠电
从而提高器件的集成度与工作速度。② 多晶硅可以高温氧化，对多层布
③ 阈值电压低（取决于硅与二氧化硅的功函数差）。④ 有利于
耐击穿时间长。
、 什么是离子注入时的沟道效应？列举出三种控制沟道效应的方法？(7分)

1、倾斜硅片；2、掩蔽氧化层；3、预非晶化。
、 在半导体制造技术中，高k介质和低k介质各自应用在什么地方，为什么？
分)
k材料用于层间介质，因为低k介质减小电容，从而减小RC信号延

k介质用在替代栅氧化层，提高栅氧厚度，抑制栅极隧穿漏电流；还可应
DRAM存储器，提高存储电荷（或能量）密度，简化栅介质结构。
、 阐述铜金属化面临的三大问题，如何解决这些问题？(7分)
铜金属化面临的三大问题：① 扩散到氧化区和有源区；② 刻蚀困难（干
，铜不容易形成图形；③ 铜在较低温度下 (<200℃)

双大马士革中采用CMP，无需刻蚀铜；② 钨填充用作局部
。
、 Si
N4材料在半导体工艺中能否用作层间介质，为什么？请举两例说明Si3N4
(7分)
Si
N4材料在半导体工艺中不能用作层间介质，因为Si3N4材料的

介电常数大，

N4在集成电路工艺中的应用：① 芯片最终的钝化层；② STI工艺中的
的阻止层。
、 化学机械平坦化的工作机理是什么？与传统平坦化方法相比，它有哪些
(7分)
CMP）工作机理：表面材料与磨料发生反应，生成
同时表面层通过磨料中的研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对

CMP优点：全局平坦化；平坦化不同的材料；平

、 MOS器件中常使用什么晶面方向的硅片，双极型器件呢？请分别给出原
(7分)
MOS器件：<100> Si/SiO
界面态密度低；
<111>的原子密度大，生长速度快，成本低。
、 采用提拉法（CZ法，切克劳斯基法）和区熔法制备的硅片，哪种方法质
为什么？那么目前8英寸以上的硅片，经常选择哪种方式制备，为什么？
分)

8英吋以上的硅片，选择CZ法制备，晶圆直径大。
、 为什么硅片热氧化结束时通常还要进行氢气或氢－氮混合气体退火？(7
)
距Si/SiO
界面2nm以内的Si的不完全氧化是带正电的固定氧化物电荷
通过在氢气或氢
450℃退火，可以减少这种不可接受的电荷。
、 比较投影掩模版和光学掩模版有何异同？说明采用什么技术形成投影掩
(7分)

很难形成亚微米图形；曝光场是整个硅片；掩膜与硅片有相同的


、 在大规模集成电路中，闩锁效应来自于MOS器件有源区PN结与衬底之
请举出3种微电子工艺中利用离子注入或别的手段抑制
(7分)
CMOS电路中闩锁效应（Latchup）的方法有：① SOI衬底技术；
大剂量离子注入形成深埋层；③ 用离子注入产生倒掺杂阱；④ 硅片表面外

、 为什么栅介质层的厚度减少有一个大致的极限？为什么现在需要高K值
低K介质用在什么地方？ 为什么？(7分)
随着特征尺寸的缩小，栅氧化层越来越薄，栅极隧穿漏电流指数性增加，
高k介质用在替代栅氧化层，提高栅氧厚度，抑制栅极隧穿

k材料用于层间介质，因为低k介质减小电容，从而减小RC信号延迟，

、 解释质量输运限制CVD工艺和反应速度限制CVD工艺的区别，哪种工
LPCVD和APCVD各属于哪种类型？(7分)
质量传输限制淀积速率：淀积速率受反应物传输速度限制，即不能提供
CVD）。
淀积速率受反应速度限制，这是由于反应温度或压
(传输速率快)，提供驱动反应的能量不足，反应速率低于反应物传输速度。
属于：反应速度限制淀积速率；
属于：质量传输限制淀积速率。
、 铝互连复合金属膜由哪几层金属组成？每层的作用是什么？(7分)
Ti/TiN；Al/AlCu；TiN。
：接触层金属和阻挡层金属。
：导电层；
：阻挡层金属和抗反射涂层。
、 离子注入后为什么要退火，高温退火和快速热处理哪个更优越，为什么？
分)
离子

注入会将原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格。如果注入的剂量很
这些间隙杂质只有经过高温退火过程才能被激活。退火能够加

度退火，导致杂质的再扩散；快速热退火只是1000℃下短暂时间退火，

共10分）
、在一块N型Si衬底上，通过离子注入方式形成一个PN结二极管，其纵向剖

1）分别画出采用负胶和正胶工艺形成这个PN结二极管时所采用的掩模板的
P区、N+区和P+区的形成。（6分）
2）如果制作小尺寸的PN结二极管，采用负胶还是正胶，为什么？（4分）
N-Si掩模板透光区域的表示方法掩模板不透光区域的表示方法PN+P+N+
（1）正胶工艺的掩模板：
型离子注入： ；
+离子注入：；
+离子注入：

型离子注入： ；
+离子注入：；
+离子注入：
（2）采用正胶。因为负胶容易被显影液泡胀变形，线宽不易控制。
、简单示意画出制作在P+硅衬底的P-外延层上的nMOS管的剖面结构示意图，
(5分) 。并简要说明阱注入与
(5分)
P+硅衬底的P-外延层上的nMOS管的剖面结构示意图如下图所

+ substratep- epip welln+n+GateDrainSource
阱注入通常采用倒掺杂技术，浓
而源漏区的离子注入通常为浅结注入，浓度的峰值在表
阱注入通常采用质量比较大的原子，如磷、硼等；而源漏区的离子注入

20分）
、硅片热氧化生长遵从如下公式：t2
＋Atox＝B(t + τ)，其中tox为硅片经过t时
SiO
的生长厚度(μm)；B为抛物线速率系数(μm2/h)；B/A为线性速率系数
；τ为生成初始氧化层（同一工艺参数）所用的时间(h)。我们希望通过对
0的硅片进行一2段氧化过程：干氧(0.5 h)—湿氧(2 h)
SiO
薄膜作为隔离场氧层。干氧温度为1100℃，湿氧水汽氧化温度
920℃。已知：920℃下水汽氧化相关工艺参数分别为：A=0.50μm，B=0.20μm2/h；
℃下干氧氧化相关工艺参数分别为：A=0.09μm，B=0.03μm2/h。试计算 ：
、0.5 h内干氧生成的SiO
厚度（μm）；（4分）
、2 h内湿氧水汽氧化所生成的SiO
厚度（μm）；（4分）
、整个氧化过程所消耗的硅层的厚度（μm）。（2分）
在计算a、b时请注意，需要通过之前的初始SiO
层厚度来确定对应氧化
SiO
层生长时间τ（非真实生长时间，令t=0即得）。
a、b时请注意，需要通过之前的初始SiO
层厚度来确定对应氧化
SiO
层生长时间τ（非真实生长时间，令t=0即得）。
(a) ∵ t2
+ Atox＝B(t + τ)，又∵初始氧化层厚度为0；
∴ τ
＝ ( t2ox + Atox ) / B = 0 h
∵ t2
＋Atox＝B(t1 +τ1)，又∵ t1=0.5 h；
∴ t2
＋0.09tox＝0.03×(0.5 +0)；即 tox＝ 0.0855 μm
答：0.5 h内干氧生成的SiO
厚度为0.0855μm。
∵ t2
+ Atox＝B(t +τ2)，又∵湿氧时初始氧化层厚度为0.0855μm；
∴ τ
＝ ( t2ox +

Atox ) / B = 0.25 h
∵ t2
＋Atox＝B(t2 +τ2)，又∵ t2=2 h；
∴ t2
＋0.5tox＝0.2×(2 +0.25)；即 tox＝ 0.4659μm
2 h内湿氧水汽氧化所生成的SiO
厚度为0.4659μm。
总的硅片氧化生成的二氧化硅厚度t
＝ 0.0855 +0.4659 =0.5514μm
∴ 消耗的硅层厚度为t
＝0.5514×0.45=0.2481μm
0.2481μm。
、 假如从气态BF
分子中提取两种复合离子BF21+和BF12+分别进行浅结离子注
P型掺杂， 当加速场的电势差为30 kV，束流为20微安，注入扫描面
20×20 cm2。
（1）离子注入的能量分别为多少？（5分）
2）当注入剂量为3×1015 原子/cm2，注入时间分别是多少？（5分）
(1) ∵ KE = nV
BF
1+：30 kV×1 = 30 keV
BF
2+：30 kV×2 = 60 keV
BF
1+和BF12+离子注入的能量分别为：30 keV和60 keV。
∵ Q ＝ It / enA
BF
1+：t = Q enA / I = 3×1015×20×20×1.6×10-19 / 20×10-6 = 9600S
BF
2+：t = Q enA / I = 3×1015×20×20×2×1.6×10-19 / 20×10-6 = 19200S
3×1015 原子/cm2，BF
1+和BF12+离子注入时间分别是：
和19200S。
、为实现更小的微细加工线宽，最新的光刻技术采用浸没式光刻机以实现更高
6cm，透镜的焦长为10cm，浸没的液
1.44的水溶液，光刻机使用的光源为波长193nm的准分子激光器，k
0.6，试求此镜头的数值孔径NA、焦深和光刻机的分辨率。(10分)
(1) 数值孔径： NA = (n)sinθ
≈(n)透镜半径/透镜的焦长≈6/10≈0.6
焦深： DOF = λ/2(NA)2 = 193/2*(0.6)2 =268 nm
分辨率： R = kλ/NA = 0.6*193/0.6 =193 nm
NA为0.6、焦深为268nm、分辨率为193nm。