微电子工艺2011试卷__张建国_答案

微电⼦⼯艺2011试卷__张建国_答案………密………封………线………以………内………答………题………⽆………效……
电⼦科技⼤学2010 - 2011学年第⼆学期期末考试B 卷
课程名称：微电⼦⼯艺考试形式：开卷考试⽇期：20 年⽉⽇考试时长：120 分钟
课程成绩构成：平时10 %，期中%，实验%，期末90 %
本试卷试题由三部分构成，共 4 页。

⼀、简答题（共72分，共12题，每题6 分）
1、名词解释：集成电路、芯⽚的关键尺⼨以及摩尔定律
集成电路：多个电⼦元件，如电阻、电容、⼆极管和三极管等集成在基⽚上形成的具有确定芯⽚功能的电路。

关键尺⼨：硅⽚上的最⼩特征尺⼨
摩尔定律：每隔12个⽉到18个⽉，芯⽚上集成的晶体管数⽬增加⼀倍，性能增加⼀倍
2、MOS器件中使⽤什么晶⾯⽅向的硅⽚，双极型器件呢？请分别给出原因。

MOS：<100> Si/SiO2界⾯态密度低；双极：<111> ⽣长快，成本低
3、倒掺杂⼯艺中，为形成p阱和n阱⼀般分别注⼊什么离⼦？为什么⼀般形成P阱所需的离⼦注⼊能
量远⼩于形成n阱所需的离⼦注⼊能量？PMOS管⼀般做在p阱还是n阱中？
P阱：注B；N阱：注P。

B离⼦远⽐P离⼦要轻，所以同样注⼊深度，注P所需能量低
PMOS管做在n阱中
4、解释质量输运限制CVD⼯艺和反应速度限制CVD⼯艺的区别，哪种⼯艺依赖于温度，为什么LPCVD
淀积的薄膜⽐APCVD淀积的薄膜更均匀？
质量输运限制CVD：反应速率不能超过传输到硅⽚表⾯的反应⽓体的传输速率。

反应速度限制CVD：淀积速度受到硅⽚表⾯反应速度的限制，依赖于温度。

LPCVD⼯作于低压下，反应⽓体分⼦具有更⼤的平均⾃由程，反应器内的⽓流条件不重要，只要控制好温度就可以⼤⾯积均匀成膜。

………密………封………线………以………内………答………题………⽆………效……
5、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？
多晶硅栅⼯艺优点：
1、通过掺杂得到特定电阻
2、和⼆氧化硅更优良的界⾯特性
3、后续⾼温⼯艺兼容性
4、更⾼的可靠性
5、在陡峭的结构上的淀积均匀性
6、能实现⾃对准⼯艺
6、现在制约芯⽚运算速度的主要因素在于RC延迟，如何减少RC延迟？
办法：1、采⽤电导率更⾼的互连⾦属，如Cu取代Al
2、采⽤低K质介质取代SiO2作为层间介质
7、列出引⼊铜⾦属化的五⼤优点，并说明铜⾦属化⾯临的三⼤问题，如何解决这些问题？
优点：1、电阻率减少，RC延迟减少
2、减少功耗
3、更⾼的集成密度
4、良好的抗电迁移特性
5、更少的⼯艺步骤
问题：1、铜的⾼扩散系数，有可能进⼊有源区产⽣漏电
2、不能采⽤⼲法刻蚀
3、低温下很快氧化
办法：采⽤⼤马⼠⾰⼯艺、增加铜阻挡层⾦属
8、解释什么是硅栅⾃对准⼯艺，怎么实现以及有何优势。

提供稳定的⾦属半导体接触结构、减⼩源和漏区接触电阻以及栅极和源极以及漏极的寄⽣交叠电容的⼯艺。

实现过程：侧墙形成—过渡⾦属（如Ti）PVD淀积—低温RTP—氨⽔和双氧⽔混合液湿法化学腐蚀—⾼温RTP。

主要优点在于避免光刻的对准误差。

9、化学放⼤如何在光刻胶中实现？为什么要对化学放⼤深紫外光刻胶进⾏后烘？对化学放⼤深紫外光
刻胶，PHS树脂与显影液之间是否发⽣了化学反应？
实现：采⽤⼀种光酸产⽣剂（PAG），进⾏酸致催化反应⽽增加DNQ酚醛树脂的敏感性。

这种酸仅在曝光区中产⽣。

后烘：化学放⼤光刻胶含有化学保护成分使其不溶解于显影液。

曝光后曝光区域由PAG产⽣酸，在后烘步骤加热时，通过催化反应将保护基团移⾛，曝过光的区域树脂可溶于显影液。

PHS树脂与显影液之间没有发⽣化学反应。

10、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。

沟道效应：单晶硅原⼦为长程有序排列，当注⼊离⼦未与硅原⼦碰撞减速，⽽是穿透了晶格间隙时，
………密………封………线………以………内………答………题………⽆………效……
就发⽣了沟道效应，使预期的设计范围（如掺杂深度和浓度）⼤⼤扩展。

⽅法：1、倾斜硅⽚ 2、掩蔽氧化层 3、预⾮晶化11、列举出3种抑制CMOS 电路中闩锁效应（Latchup ）的⽅法？
⽅法：1、深埋层 2、倒掺杂阱
3、采⽤SOI 基⽚
4、采⽤外延层
12、简述有哪⼏种平坦化⼯艺，为什么CMP 对现今深亚微⽶光刻很关键？要实现铜⾦属化必须要采⽤
CMP ，为什么？
反刻、玻璃回流、旋涂膜层以及化学机械平坦化（CMP ）
表⾯起伏使光刻时对线宽失去控制，⽆法在光刻平⾯内对准；⽽通过CMP 平坦化硅⽚表⾯可以减少焦深从⽽获得较⾼的图形分辨率。

铜不能利⽤于⼲法刻蚀，⽽要形成铜⾦属互连，只能采⽤CMP 实现⼤马⼠⾰⼯艺。

⼆、作图题（共12分）
1、简单⽰意画出制作在P +硅衬底的P -外延层上的PMOS 管的剖⾯结构⽰意图，并标注出电极以及阱、
源区和漏区的掺杂类型。

（3分）
2、从LOCOS ⼯艺和STI ⼯艺这两种隔离⼯艺中任选⼀种画出形成隔离氧化硅的⼯艺流程图，包括基本
的介质层⽣长（氧化和淀积）、光刻（请注明正胶、负胶）、以及刻蚀⼯艺。

（9分） LOCOS 隔离⼯艺
………密………封………线………以………内………答………题………⽆………效……
STI隔离⼯艺
………密………封………线………以………内………答………题………⽆………效……
三、计算题（共16分）
1、硅⽚热氧化⽣长遵从如下公式：t2ox＋At ox＝B(t + τ)，其中t ox为硅⽚经过t时间后SiO2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(µm/h)；τ为⽣成初始氧化层（同⼀⼯艺参数）所⽤的时间(h)。

我们希望通过对⼀初始表⾯氧化层厚度为0的硅⽚进⾏⼀2段氧化过程：⼲氧(0.5 h)—湿氧(2 h)来⽣成厚的SiO2薄膜作为隔离场氧层。

⼲氧温度为1100℃，湿氧⽔汽氧化温度为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；1100℃下⼲氧氧化相关⼯艺参数分别为：A=0.09µm，B=0.03µm2/h。

试计算：
a、0.5 h内⼲氧⽣成的SiO2厚度（µm）；（2分）
b、2 h内湿氧⽔汽氧化所⽣成的SiO2厚度（µm）；（4分）
c、整个氧化过程所消耗的硅层的厚度（µm）。

（2分）
提⽰：在计算a、b时请注意，需要通过之前的初始SiO2层厚度来确定对应氧化步骤的初始SiO2层⽣长时间τ（⾮真实⽣长时间，令t=0即得）。

解：(a) ∵t2ox + At ox＝B(t + τ)，⼜∵初始氧化层厚度为0；
∴τ1＝( t2ox + At ox ) / B = 0 h
∵t2ox＋At ox＝B(t +τ1)，⼜∵t1=0.5 h；
∴t2ox＋0.09t ox＝0.03×(0.5 +0)；即t ox＝0.0855 µm
答：0.5 h内⼲氧⽣成的SiO2厚度为0.0855µm。

(b) ∵t2ox + At ox＝B(t +τ2)，⼜∵湿氧时初始氧化层厚度为0.0855µm；
∴τ2＝( t2ox + At ox ) / B = 0.25 h
∵t2ox＋At ox＝B(t2+τ2)，⼜∵t2=2 h；
∴t2ox＋0.5t ox＝0.2×(2 +0.25)；即t ox＝0.4659µm
答：2 h内湿氧⽔汽氧化所⽣成的SiO2厚度为0.4659µm。

(c) 总的硅⽚氧化⽣成的⼆氧化硅厚度t ox＝0.0855 +0.4659 =0.5514µm
∴消耗的硅层厚度为t Si＝0.5514×0.45=0.2481µm
答：整个氧化过程所消耗的硅层的厚度为0.2481µm。

2、绝缘层上硅（SOI）材料现在在抗辐照超⼤规模集成电路中得到⼴泛的应⽤。

我们希望采⽤⼤束流氧
离⼦注⼊机制备12英⼨SOI材料，注⼊时扫描⾯积为30 cm×30 cm，Si相对原⼦质量A rSi为28，单晶Si体密度ρSi为2.30
g/cm3，阿伏伽德罗常数N A=6.02×1023/mol，e=1.6×10-19C。

假定注⼊前后体积不变，注⼊离⼦的浓度在注⼊深度范围内均匀分布。

试计算：
a、注⼊前单晶Si中Si原⼦的体密度，即每⽴⽅厘⽶体积有多少Si原⼦？（2分）（提⽰：Si原⼦体
密度N Si=(ρSi/A rSi) ×N A）（2分）
b、要形成SOI材料，注⼊O原⼦的体密度为多少？（提⽰：要通过O离⼦注⼊形成SiO2埋层，O原
⼦体密度应该为Si原⼦体密度⼏倍？）（2分）
c、形成单⽚SOI基⽚时O+离⼦注⼊时间控制在1⼩时，SiO2层厚度为100nm，那么所需要的注⼊束
流是多少毫安（mA）？（提⽰：剂量=注⼊原⼦的⾯密度，⽽⾯密度=体密度×厚度）（4分）
解：(a) ∵N Si=(ρSi/A rSi) ×N A；………密………封………线………以………内………答………题………⽆………效……
∴N Si=(2.3/28) ×6.02×1023=4.9449×1022/ cm3
答：注⼊前单晶Si中Si原⼦的体密度为4.9449×1022/ cm3。

(b) ∵要通过O离⼦注⼊形成SiO2埋层，O原⼦体密度应该为Si原⼦体密度的2倍
∴N O=4.9449×1022×2=9.8898×1022/cm3
答：要形成SOI材料，注⼊O原⼦的体密度N O为9.8898×1022/cm3。

(c) ∵剂量=注⼊原⼦的⾯密度，⽽⾯密度=体密度×厚度
∴注⼊剂量Q= N O×100×10-7=9.8898×1017/cm2
∵剂量
It Q
enA =
∴
1719
9.889810 1.61013030
0.03955939.559
6060
QenA
I A mA
t
-
====
答：所需要的注⼊束流是39.559 mA。