半导体制造技术概述Word下载.docx
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（小原子，可以在间隙中移动）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位式扩散要快。
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。
4.写出菲克第一定律和第二定律的表达式，并解释其含义。
菲克第一定律：
其中：
C为杂质浓度；
D为扩散系数（单位为cm2/s）；
J为材料净流量（单位时间内流过单位面积的原子个数）
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。
菲克第二定律：
菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。
菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。
5.以P2O5为例，多晶硅中杂质扩散的方式及分布情况。
多晶硅中杂质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。
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：
边界条件：
扩散开始时的初始条件
表面浓度恒定
无穷远处浓度为零
初始条件：
分布函数：
erfc为余误差函数，
为特征扩散长度
特点：
①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。
②结的位置xj与扩散系数D和扩散时间t的平方根成正比。
D与温度T
是指数关系，所以在扩散过程中，温度对扩散深度和杂质分布的影响
较大。
③在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。
有限表面源扩散：
扩散长度远大于杂质初始分布宽度
杂质总量为QT
无穷远处杂质为0
表面处杂质浓度梯度为0
①有限表面源扩散的表面浓度Cs随时间而降低；
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。
②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。
③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？
两步扩散是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。
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。
第一步的目的是为了控制扩散杂质的数量。
第二步的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。
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。
（1）两步扩散工艺：
预淀积，恒定表面源扩散
（2）
推进扩散，有限表面源扩散
9.简述几种常用的氧化方法及其特点。
（1）干氧氧化：
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；
但是干氧氧化法的生长速率慢。
（2）水汽氧化：
水比氧气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：
其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，其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
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。
结构及性质：
中心是Si原子，四个顶点上是O原子，顶角上的4个O原子正好与Si原子的4个价电子形成共价键。
相邻的Si-O四面体是靠Si-O-Si键桥连接。
其密度一般为2.20g/cm3，熔点1700℃左右，折射率为波长的函数，密度和折射率较大，化学性质十分稳定，室温下只与氢氟酸发生反应。
结晶型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。
Si-O-Si键桥的角度为144o；
无定型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110-180o之间，峰值144o。
相比之下，无定型SiO2网络疏松，不均匀，有孔洞。
11.以P2O5为例说明SiO2的掩蔽过程。
当P2O5与SiO2接触时，SiO2就转变为含磷的玻璃体（PSG），其变化过程如图所示；
（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SiO2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。
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。
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。
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。
常规热氧化制备SiO2介质薄膜的动力学过程分为三个阶段：
（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；
（2）氧化剂也扩散方式穿过SiO2层，到达SiO2-Si界面，表面SiO2层上吸附氧起氧源作用，SiO2-Si界面起氧漏作用，建立起驱动扩散所需的浓度梯度；
（3）氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，反应速率和氧浓度成正比。
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。
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。
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
温度对抛物型速率常数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。
（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，因为线性氧化速率常数由表面化学反应速率决定，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。
（4）杂质影响
在氧化层中掺杂入P、B提供了更多的空位，加快了氧化速率；
掺杂卤素，例如Cl，催化反应的同时还能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。
掺有杂质的硅在热氧化过程中，在Si-SiO2界面上的平衡杂质浓度之比定义为分凝系数。
热氧化过程中杂质再分布有以下四种可能情况：
（1）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。
（2）m＜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。
（3）m＞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。
（4）m＞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。
（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？
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，有
初始氧化需要时间为
增长到0.8
需要
因此，对一个0.3
的薄膜使厚度增加0.5
或者47.1minutes。
（2）在1200℃下，干氧条件下
初始氧化需要时间为2.206hr，增长到0.8
需要14.217hr，因此增长同样的厚度需要12hr。
17.Si-SiO2界面电荷有哪几种？
简述其来源及处理办法。
（1）可动离子电荷Qm，主要来源于碱性金属离子，例如K+，Na+等网络改变者。
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。
（2）氧化层陷阱电荷Qot，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。
（3）氧化层固定电荷Qf，主要由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。
快速退火能有效地减小氧化
层固定电荷密度。
（4）界面陷阱电荷Qit，主要由于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。
18.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）1：
离子源，用于产生诸如用的离子
2：
分析磁块，用于分选所需荷质比的离子
3：
加速器，使离子获得所需能量
4：
中性束闸与中性束阱，使中性原子束因直线前进不能达到靶室
5：
扫描板，使离子在X和Y方向可移动，实现整个靶片的均匀注入
6：
法拉第杯，收集束流测量注入剂量。
（2）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，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，偏转半径由公式
得出
最后在特定半径位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。
19.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？
核阻滞即核碰撞，是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。
因两者质量是一个数量级，一次碰撞可以损失较多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，留下空位，形成缺陷。
电子阻滞即电子碰撞，是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。
因离子质量比电子大很多，每次碰撞离子能量损失很少，且都是小角度散射，且方向随机，故经多次散射，离子运动方向基本不变。
在低能区：
核阻滞本领占主要地位，电子阻滞可以忽略不计；
在中能区：
和阻滞本领和电子阻滞本领同等重要，必须同时考虑；
在高能区：
电子阻滞本领占主导地位，核阻滞本领可以忽略；
核阻滞本领随注入离子能量的增加先增强后减弱；
电子阻滞本领与注入离子能量的平方根成正比，
20.采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩蔽膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值浓度的
1/10000，掩蔽膜的厚度应为多少？
用注入杂质分布的射程和标准偏差写出表达式。
因此，
21.As注入到轻掺杂的P型Si衬底内，能量75eV，剂量为1×
1014cm-2。
硅片相对于离子束做7°
倾斜，使其貌似非晶。
假设对注入区进行快速退火，结果得到了完全的电激活，其峰值电子浓度为多少？
所需参数可参考下图。
由图可得，
因此，
22.什么是离子注入的横向效应？
同等能量注入时，As和B哪种横向效应更大?
为什么？
离子注入的横向效应是指，注入过程中，除了垂直方向外，离子还向掩膜的横向方向移动，导致实际注入区域大于掩膜窗口的效应。
B的横向效应更大，因为在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深并且标准偏差要大。
23.什么是离子分布的偏斜度和峭度，和标准高斯分布有什么区别？
表征高斯分布是对称的离子分布。
离子分布的非对称性常用偏斜度
表示，有
为负值表明杂质分布在表面一侧的浓度增加，即
区域浓度增加，杂质分布曲线相对于标准高斯分布会向一边（左边）倾斜。
畸变用陡峭
，有
，峭度越大，高斯曲线的顶部越平，标准高斯曲线的峭度为3.
24.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向
分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。
离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成；
损伤晶体空位密度大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子和其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强；
故虽然退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。
25.什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？
怎样避免沟道效应？
沟道效应：
当离子速度方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。
由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾，对于轻原子注入到重原子靶时，拖尾效应尤其明显。
临界角：
，其中，E为入射能量，单位为keV，d为沿离子运动方向上的原子间距，单位为Å
如果离子的速度矢量与主要晶轴方向的夹角Ψ要大得多，则很少
发生沟道效应。
靶内某次的散射结果可能会使入射离子转向某一晶轴方向，但是由于这种事件发生的概率较小，因此对注入离子峰附近的分布并不会产生实质性的影响。
具体解决办法有以下几种：
（1）偏离轴注入，采用7°
的倾斜角，但并不能完全消除沟道效应。
（2）注入前破坏晶格结构，使用Si、F或Ar离子注入完成硅的预非晶化。
（3）使用薄的屏蔽氧化层，使离子进入晶体前的速度方向无序化，但会将部分氧注入晶体。
26.什么是固相外延（SPE）及固相外延中存在的问题?
固相外延：
是指半导体单晶上的非晶层在低于该材料的熔点或共晶点温度下外延再结晶的过程。
热退火的过程就是一个固相外延的过程。
没有外延的再结晶过程不属于固相外延。
高剂量注入促使硅非晶化，而稳定的位错环是高剂量注入的一个突出特点，非晶区以固相外延方式生长后，位错环的最大浓度在非晶和晶体硅的界面。
这些位于最初的非晶/单晶（a/c）界面的缺陷称为射程末端（EOR,End-of-Range）缺陷。
若位错环位于PN结耗尽区附近，
会产生大的漏电流。
位错环与金属杂质结合时更严重。
选择的退火过程应当能够产生足够的杂质扩散，使位错环处于高掺杂区，同时又被阻挡在器件工作时的耗尽区之外。
27.简述硼和磷的退火特性。
对于高剂量情况，可以把退火温度分为三个区域：
Ø
在区域I中，随退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增加，自由载流子浓度增大。
当退火温度在500-600℃的范围内，点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。
因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。
在区域Ⅲ中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。
产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替位位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加
硼退火特性：
电激活比例:
自由载流子数p和注入剂量Ns的比对于低剂量的情况，随退火温度上升，电激活比例增大。
磷退火特性：
图中虚线所表示的是损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线则表示非晶层的退火性质。
对于1
1015/cm2和5
1015/cm2时所形成的非晶层，退火温度在600℃左右，低于剂量为1014左右没有形成非晶层时的退火温度，这是因为两种情况的退火机理不同。
非晶层的退火效应是与固相外延再生长过程相联系的，在再生长过程中，V族原子实际上与硅原子是难以区分，被注入的V族原子P在再结晶过程中与硅原子一样，同时被结合到晶格位置上。
（第二章第四页）
28.简述RTP设备的工作原理，相对于传统高温炉管它有什么优势？
RTP工作原理：
早期RTP设备一般采用改变反射腔形状或灯泡间距的方法；
现在RTP设备设计采用分区加热概念实现：
把灯泡分成多个可独立控制的加热区，可提供多种不同的功率分布。
优势：
1、升降温速度快：
RTP设备的升、降温速度为10-200℃/秒，而传统炉管的升、降温速度为5-50℃/分钟。
2、传统炉管是热壁工艺，容易淀积杂质；
RTP设备则是冷壁工艺，减少了硅片沾污
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