半导体制造技术期末题库参考答案

可得
代入第一定律方程则得到第二方程。即杂质在材料
中沿某一方向浓度随时间变化率是由于扩散所引起的。
5、以 P2O5 为例，多晶硅中杂质扩散的方式及分布情况。
由于 P2O5 的晶粒较大，因此主要形成 B 类分
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
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。这些特点对 MOS 器件和其他器件都是至关重要的。 （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。 （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
如果假设扩散系数 D 为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得
解释： 菲克第二定律即为一维扩散方程 沿扩散方向，从 x 到 x+Δx，面积为Δs 的一个小体积元内的杂质数量随时间的 变化情况。设在小体积元Δv=ΔxΔs 内的杂质分布是均匀的。体积元内的杂质 浓 度 为 C(x, t) ， 经 过 Δ t 时 间 ， 该 体 积 元 内 杂 质 变 化 量 为 ，杂质在 x 处的扩散流密度分别为 J(x,t)则 在 Δ t 时 间 内 通 过 x 处 和 x+ Δ x 处 的 杂 质 流 量 差 为 ，假设体积元内的杂质不产生也不消失，
氧化增强扩散(OED)机理 硅氧化时，在 Si-SiO2 界面附近产生了大量的填隙 Si 原子，这些过剩的填隙 Si 原子在向硅内扩散的同时，不断与空位复合，使这些过剩的填隙 Si 原子的浓度 随深度而降低。在表面附近，过剩的填隙 Si 原子可以和替位 B 相互作用，从而 使原来处于替位的 B 变为填隙 B。当填隙 B 的近邻晶格没有空位时，填隙 B 就以 填隙方式运动； 如果填隙 B 的近邻晶格出现空位时，填隙 B 又可以进入空位变为 替位 B。这样，杂质 B 就以替位-填隙交替的方式运动，其扩散速度比单纯的替
有限表面源：
、杂质分布形式：与恒定表面源扩散不同，有限表面源扩散的表面浓度 Cs 随 主要特点（1）
C (t ) C (0, t ) 时间而降低： s
Q Dt
，扩散温度相同时，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。
x 4 Dt ln[ （2）、结深： j
（1） （2）由
，当 Q 变成 3Q 时，t 为 9t
可知，
Cs Q π / 2 (Dt)predop



Cs 与(Dt)drive-in 的关系可表示为
最后表面杂质浓度等于其固溶度 Cs 的 1%， 由上述两式可得： (Dt)drive-in=40000(Dt)predop/π²
9、简述几种常用的氧化方法及其特点。 （第二章 PPT，66-71 页）
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。 （第 二章）
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 主要包括交换式（所需能量高）和空位式（所需能量低，更容易发生） 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 位时质分布形式：在表面浓度 Cs 一定的情况下，扩散时间越长，杂质 主要特点： 扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。
x 2 Dterfc 1 （2）、结深： j
CB A Dt Cs
x2
Cs 4 Dt C ( x, t ) | x ,t e （3）、杂质浓度梯度： x Dt
杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。
7 什么是两步扩散工艺，其两步扩散的目的分别是什么？
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： 按高斯函数分布。 主扩散起决定作用，杂质基本
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。
位式扩散要快。 而在氮化硅保护下的硅不发生氧化，这个区域中的杂质扩散只能 通过空位机制进行扩散，所以氧化区正下方 B 的扩散结深大于氮化硅保护区正 下方的扩散结深。磷在氧化气氛中的扩散也被增强，其机制与硼相同。 氧化阻滞扩散机理 用锑代替硼的扩散实验表明， 氧化区正下方锑的扩散结深小于氮化硅保护区下方 的扩散结深， 说明在氧化过程中锑的扩散被阻滞。这是因为控制锑扩散的主要机 制是空位。在氧化过程中，所产生的过剩间隙硅原子在向硅内扩散的同时，不断 地与空位复合，使空位浓度减小，从而降低了锑的扩散速度。
QT CB Dt
] ，对于有限源扩散来说，扩散时间较短
时，结深 xj 将随(Dt)1/2 的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，CB 越大，结深越 浅。
C ( x, t ) x | C ( x, t ) ( x ,t ) （3）杂质浓度梯度：任意位置的杂质浓度 x 2 Dt
2Cs ln(Cs / CB ) C ( x, t ) | xj PN 结处的杂质浓度： x xj Cs / C B
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 C/ x，比 例系数 D 定义为杂质在基体中的扩散系数。 1、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。 2、当浓度梯度变小时，扩散减缓。 3、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
1． 分别简述
RVD 和 GILD 的原理， 它们的优缺点及应用方向。
答：快速气相掺杂(RVD, Rapid Vapor-phase Doping)是一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、 并能形成超浅结的快速掺杂工艺。 原理是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院子，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。 RVD 技术的优势（与离子注入相比，特别是在浅结的应用上） ：RVD 技术并不受注入所 带来的一些效应的影响，如：沟道效应、晶格损伤或使硅片带电。 RVD 技术的劣势：对于选择扩散来说，采用 RVD 工艺仍需要掩膜。另外，RVD 仍然要在 较高温度下完成。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。 应用方向：主要应用在 ULSI 工艺中，例如对 DRAM 中电容的掺杂，深沟侧墙的掺杂， 甚至在 CMOS 浅源漏结的制造中也采用 RVD 技术。 气体浸没激光掺杂(GILD： Gas Immersion Laser Doping)的工作原理：使用激光器照射处 于气态源中的硅表面，使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，杂质原子通过液相扩散进入很薄的硅液体层，当激光照射停止 后，掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体，从而完成掺杂。 GILD 的优点：杂质在液体中的扩散速度非常快，使得其分布均匀，因而可以形成陡峭的 杂质分布形式。由于有再结晶过程，所以不需要做进一步的热退火。掺杂仅限于表面， 不会发生向内扩散，体内的杂质分布没有任何扰动。可以用激光束的能量和脉冲时间决 定硅表面融化层的深度。在一个系统中相继完成掺杂，退火和形成图形，极大简化了工 艺，降低系统的工艺设备成本。 GILD 的缺点：集成工艺复杂，技术尚不成熟。 GILD 的应用：MOS 与双极器件的制造，可以制备突变型杂质分布，超浅深度和极低的 串联电阻。 2． 集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么特点？ 答：按照原始扩散杂质源在室温下的相态可将扩散分为三类：固态源扩散，液态源扩散 与气态源扩散。 (1) 固态源扩散：常见的主要有开管扩散、箱法扩散和涂源法扩散 a.开管扩散是把杂质源和硅片分开放置在扩散炉管中，通过惰性气体将杂质蒸汽输 运只硅片表面。其特点是温度对杂质浓度和杂质分布有着直接的影响，重复性与稳 定性都很好。 b.箱法扩散是把杂质源和硅片壮在由石英或者硅做成的箱内，在氮气或氩气的保护 下进行扩散。其特点是扩散源多为杂质的氧化物，箱子具有一定的密闭性。含有杂 质的蒸汽与硅表面反应，形成含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。 其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。 c.涂源法扩散是把溶于溶剂的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由遁形 其他保护进行扩散。其特点是杂质源一般是杂质的氧化物或者杂质的氧化物与惰性 氧化物的混合物，当溶剂挥发后在硅表面形成一层杂质源。这种方法的表面浓度难 以控制，且不均匀。可以通过旋转涂源工艺或化学气象淀积法改善 (2) 液态源扩散是使用携带气体通过液态源，把杂质源蒸汽带入扩散炉管。其特点是载 气除了通过携带杂质气体进入扩散炉内之外，还有一部分直接进入炉管，起到稀释