半导体制造技术题库答案Word文档格式.docx
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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
，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
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。
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<
<
D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。
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Qcm-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3Qcm-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<
30Å
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，5500Å
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:
H+H:
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+2Na+
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DSiO2很小时（D<
kstox），则得Ci→0，C0→HPg，氧化剂以扩散方式通过SiO2层运动到SiO2-Si界面处的数量极少，与Si立即发生反应生成SiO2，在界面处没有氧化剂的堆积，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DSiO2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=2DSiO2C0/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DSiO2产生的。
由B＝2DSiO2C0／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ks，ks与温度的关系为：
ks=ks0exp（-Ea/kT）其中，ks0为实验常数，Ea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>
>
ks，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ks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）在1200℃下，采用干氧氧化，增加同样的厚度需要多少时间？
氧化工艺
B
B/A
干氧
C1=7.72*102μm2h-1;
E1=1.23eV
C2=6.23*106μm2h-1;
E2=2.0eV
湿氧
C1=2.14*102μm2h-1;
E1=0.71eV
C2=8.95*107μm2h-1;
E2=2.05eV
H2O
C1=3.86*102μm2h-1;
E1=0.78eV
C2=1.63*108μm2h-1;
E2=2.05eV
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Qm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Qot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
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Qf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Qit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。
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
将所需离子分选出来
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
使离子获得所需的能量。
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
使中性原子束因直线前进不能达到靶室
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
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
收集束流测量注入剂量
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
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