半导体制造技术题库答案

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(0.5—2.0J/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ðC/ðx，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。