硅集成設(shè)計電路-楊正春-考試題庫

1、1.  請描述晶圓的主要晶向和類型，畫出主切變與副切邊的關(guān)系示意圖，并指出Bipolar和CMOS最常用的晶圓類型。(5分)答： （a）P型<111> （b）N型<111> （c）P型<100> （d）N型<100>Bipolar主要采用<111>晶圓，而CMOS主要采用P型 <100>晶圓。2. 請將常用IC制造工藝歸納為四大基本工藝，并指出各包含具體工藝。（5分）答：（1）Adding：Doping, layer growth, and deposition（2）Removing：Etch, clean, a

2、nd CMP（3）Patterning：photolithography（4）Heating ：Annealing, alloying, and reflow3. 簡述擴散和離子注入的概念，并對比兩者的特點。（5分）答：擴散是一種材料通過另一種材料的運動，是一種化學(xué)過程。擴散發(fā)生需要兩個條件：濃度差；能量。離子注入是將要擴散的雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式，然后注入到硅體內(nèi)的一種擴散方法。離子注入與擴散的比較擴散離子注入較高的溫度下進行，且需要堅硬的掩模較低溫度下即可進行，對掩模的要求較低，一般的光刻膠就可以滿足要求摻雜區(qū)是各向同性的摻雜區(qū)是各向異性的不能夠獨立的控制摻雜的濃度和摻雜的結(jié)的深度能夠獨

3、立的控制摻雜的濃度和摻雜的結(jié)的深度只能用于成批的工藝生產(chǎn)中即可用于成批的生產(chǎn)工藝也可以用于單個晶片的生產(chǎn)工藝中4. 解釋離子注入中的溝道效應(yīng)，并給出消除或減少溝道效應(yīng)的工藝方法。（10）答：在單晶靶中，原子的排列是有規(guī)律和周期性的，因此靶原子對入射離子的阻止作用是各向異性的，取決于晶體的取向，因而入射離子入射方向不同將得到不同的射程。當(dāng)入射離子沿某些低指數(shù)軸向的方向注入時，入 射離子有可能沿晶軸方向穿透的比較深，這種現(xiàn)象稱為離子注入的溝道效應(yīng)。入射離子進入溝道并不意味著一定發(fā)生溝道效應(yīng)，只有當(dāng)入射離子的入射角小于某一角度時才會發(fā)生，這個角稱為臨界角。離子以小于臨界角的角度注入，它在溝道中很少受

4、到原子核的碰撞，出現(xiàn)溝道效應(yīng)。在實際生產(chǎn)過程中，為了使摻雜物質(zhì)在器件中的分布盡量均勻，常采取一定的措施來防止溝道效應(yīng)的產(chǎn)生。常用的方法有： （1）使注入離子入射方向與硅晶片的晶面取向之間形成一定的角度。（2）在Si表面鍍上一層非晶硅。 （3）將硅晶片表面預(yù)先用Ar離子處理使之形成非晶層或用光掩模膠涂覆。5. 請描述集成電路制造中的三種擴散類型及各自的特點，并畫出不同擴散方式對應(yīng)雜質(zhì)分布示意圖。答：擴散類型及特點如下：（1）恒定表面源擴散：表面濃度一定下，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散距離就越深，擴散到硅片的雜質(zhì)數(shù)量就越多。（2）有限表面源擴散：擴散時間越長，雜質(zhì)擴散得也就越深，表面濃度越低。擴散時間相

5、同時，擴散溫度越高，雜質(zhì)擴散越深。（3）兩步擴散：包括預(yù)擴散和再分布兩個過程，預(yù)擴散為恒定表面源擴散，而再分布過程為有限表面源擴散，實際生產(chǎn)應(yīng)用主要采用方法。各種擴散方法對應(yīng)雜質(zhì)分布是示意圖如下： （a）恒定表面源擴散 （b）有限表面源擴散 （c）兩步擴散發(fā)的預(yù)擴散和再分布6. 請描述氧化的三種方法及其特點（5分）答：根據(jù)氧化劑的不同可以將氧化分為三種：（1） 干氧氧化，干氧氧化是指在高溫下，氧氣與硅反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硅。其特點是所得的二氧化硅重復(fù)性好，掩蔽性好，結(jié)構(gòu)致密。（2） 水汽氧化，水汽氧化是指在高溫下，硅與高純水產(chǎn)生的蒸汽反應(yīng)生成二氧化硅。其特點是所得二氧化硅均勻性和重復(fù)性較好，結(jié)構(gòu)較為

6、致密，掩蔽性基本滿足。由于氫氧根在硅中擴散速度大于氧氣在硅中的擴散速度，故其氧化速度比干氧氧化速度快。（3） 濕氧氧化，濕氧氧化的氧化劑是通過高純水的氧氣，這些氧氣會帶有一定量的水蒸氣，最終是參與氧化的氧化劑除了氧氣還有水蒸氣。其生成的二氧化硅重復(fù)性比較差，結(jié)構(gòu)疏松，掩蔽性差。氧化速度介于干氧氧化與水汽氧化之間。7. 請簡述基本光刻工藝的過程及各步驟的作用？（10分）答：光刻工藝是一種用來去掉晶圓表面層上所規(guī)定的特定區(qū)域的操作，可以分以下步驟進行：1) 表面準備：清潔和干燥晶圓表面；2) 前烘 :使襯底脫水。3) 打底膠：提高光刻膠的粘附性。4) 涂光刻膠：在晶圓表面建立薄而均勻并且

7、無缺陷的光刻膠膜；5) 軟烘焙：加熱蒸發(fā)掉部分光刻膠溶劑，減少溶劑光敏聚合物中正常的化學(xué)反應(yīng)，并提高光刻膠的粘結(jié)能力；6) 對準和曝光：掩膜版和圖形在晶圓上的精確對準和光刻膠的曝光；7) 后烘：減小駐波效應(yīng)。8) 顯影：去除可溶于顯影液的部分光刻膠；9) 硬烘焙：使溶劑繼續(xù)蒸發(fā)，固化光刻膠，提高其粘結(jié)能力，從而增強其耐刻蝕性；10) 顯影目檢：檢查表面的對準情況和缺陷情況檢查是否失真；11) 刻蝕：在光刻膠的保護下將光刻膠的開口處晶圓頂層材料刻蝕去除；12) 光刻膠去除：去除晶圓表層的光刻膠；13） 最終檢測：表面檢查以發(fā)現(xiàn)刻蝕的不規(guī)則和其他問題8. 何謂刻蝕？刻蝕速率？刻蝕的選擇性？濕法刻蝕

8、和干法刻蝕的比較？答：刻蝕是將形成在晶圓表面上的薄膜全部，或特定處所去除至必要厚度的制程?？涛g速率是單位時間內(nèi)去除的刻蝕材料厚度或深度?？涛g的選擇性，又稱刻蝕速率比，是指在刻蝕過程中不同材料的刻蝕速率比。濕法刻蝕主要采用化學(xué)腐蝕進行，是傳統(tǒng)的刻蝕工藝。它具有各向同性的缺點，因而精度差，線寬一般在3um以上。而干法刻蝕（又稱等離子體刻蝕）是因大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的需要而開發(fā)的精細加工技術(shù)，它具有各向異性特點，在最大限度上保證了縱向刻蝕。9.請解釋鋁布線中的“小丘”及“共熔”現(xiàn)象，它們帶來的危害及主要解決方法？答 :加熱時Al中將產(chǎn)生較大應(yīng)力，由于緊緊附著在晶片上的Al產(chǎn)生的熱膨脹遠大于S

9、iO2，為了釋放該應(yīng)力，部分Al被擠壓出來形成“小丘”。“小丘”的危害：將造成各層互連線之間的短路，同時引起表面的不平整，從而給光刻和刻蝕帶來更大的困難。“小丘”的解決方法：在Al中添加在Al中具有有限溶解度的元素，例如銅，可以抑制小丘的形成?！肮踩邸爆F(xiàn)象是指當(dāng)兩個物質(zhì)相互接觸并進行加熱的話，它們的熔點將比各自的熔點低得多?！肮踩邸钡奈：Γ轰X和硅能夠相互溶解，所形成的合金能夠溶解進硅晶片內(nèi)，形成“尖刺”效應(yīng)，如果其表面有淺結(jié)點的話，合金區(qū)域?qū)U散并進入這些結(jié)點，從而造成這些結(jié)點的短路?！肮踩邸钡慕鉀Q方法:(1)在硅和金屬層之間增加一個金屬隔離層來隔離金屬層和硅，以此來避免共熔現(xiàn)象的發(fā)生。(2)

10、采用含硅1%-2%的鋁合金，在接觸加熱的處理中，鋁合金更傾向于和合金內(nèi)部的硅發(fā)生作用，而不是晶片中的硅。10.請對比正負光刻膠的主要特點（5分）正膠負膠曝光部分可溶解曝光部分不可溶解曝光速度不夠快曝光速度快粘附性差粘附性好分辨率高（對比度高）分辨率差(3µm)未曝光的區(qū)域不受顯影液的影響顯影時曝光區(qū)域容易變形和膨脹在IC制造中應(yīng)用更為普遍曝光時光刻膠可與氮氣反應(yīng)從而抑制其交聯(lián)而不能夠硬化 11.請對比濕法腐蝕與干法刻蝕的主要特點？（5分）答：在濕法腐蝕的過程中， 通過使用特定的溶液與需要被腐蝕的薄膜材料進行化學(xué)反應(yīng)，進而除去沒有被光刻膠覆蓋區(qū)域的薄膜。干法刻蝕是指利用等離子體激活的化

11、學(xué)反應(yīng)或者是利用高能離子束轟擊完成去除物質(zhì)的方法。因為在刻蝕中并不使用溶液，所以稱之為干法刻蝕。干法刻蝕濕法刻蝕刻蝕應(yīng)用線條較小3微米以上刻蝕取向各向異性各項同性刻蝕速率低，可控可調(diào)節(jié)高選擇性低，可控高設(shè)備成本高低設(shè)備產(chǎn)出高，可控高化學(xué)藥品消耗低高12.什么是駐波效應(yīng)？請列出消除駐波效應(yīng)的工藝方法及消除原理。（10）答：駐波效應(yīng)是由于入射光與反射光產(chǎn)生干涉使沿膠厚的方向的光強形成波峰和波谷產(chǎn)生的。 消除駐波效應(yīng)的主要方法：（1）采用熱烘烤（PEB）技術(shù)消除駐波效應(yīng)。原理：通過加熱，利用分子的熱運動平滑駐波效應(yīng)產(chǎn)生的不平整。（2）利用帶染色劑的光刻膠消除駐波效應(yīng)。原理：帶染色劑的光刻膠可將大部分

12、或幾乎全部的入射光吸收，防止其反射。這樣入射光就不能和反射光產(chǎn)生干涉，所以可消除駐波效應(yīng)。（3）加抗反射層。原理：通過加入抗反射層可以改變反射光的波長差，使反射光無法和入射光發(fā)生干涉，所以可以消除駐波效應(yīng)。13.請簡述CVD的主要過程（10分）答：化學(xué)氣相沉積的主要步驟如下：（1） 反應(yīng)劑（或被惰性氣體稀釋的反應(yīng)劑）氣體以合理的流速被輸送到反應(yīng)室內(nèi)，氣流從 入口進入反應(yīng)室并以平流形式向出口流動。（2） 反應(yīng)劑從主氣流區(qū)以擴散方式通過邊界層到達襯底（如硅片） 表面， 邊界層是主氣流區(qū)與硅片表面之間氣流速度受到擾動的氣體薄層。（3） 反應(yīng)劑被吸附在硅片的表面， 成為吸附原子（分子）。（4） 吸附原

13、子（分子） 在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成薄膜的基本元素并淀積成薄。（5）化學(xué)反應(yīng)的氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑離開襯底表面，進入主氣流區(qū)被排除系統(tǒng)。14.請描述電遷移現(xiàn)象及改進電遷移的方法（10分）答：金屬化引線中電遷移現(xiàn)象是一種大電流密度作用下的質(zhì)量輸運現(xiàn)象。Al薄膜一般情況下多晶材料，由許多單晶粒組成，電流沿Al線傳輸時，電子連續(xù)地轟擊Al晶粒，其中的小晶粒在電子流作用下開始移動，這種現(xiàn)象被稱為“電遷移”。質(zhì)量輸運是沿著電子流方向進行，結(jié)果在一個方向上形成空洞，在另一個方向則由于Al原子的堆積而形成小丘?？斩磳?dǎo)致互連引線的開路和斷裂，而小丘會造成光刻的困難和多層布線之間的短路。電遷移的本質(zhì)

14、：導(dǎo)體原子與通過該導(dǎo)體電子流之間的相互作用。當(dāng)電子風(fēng)作用力處于主導(dǎo)地位時，發(fā)生電遷移。改進電遷移的主要方法如下：（1）考慮結(jié)構(gòu)的影響，采用“竹狀”結(jié)構(gòu)，使得晶粒間界垂直于電流方向，晶粒間界的擴散不起作用。（2）采用能夠改善MTF的合金材料體系，如Al-Cu合金或Al-Si-Cu合金。（3）在兩層金屬之間增加過渡層，形成三明治結(jié)構(gòu)，改善電遷移。 （4）采用抗電遷移特性好的材料(新型的互連材料-Cu)。15.請對比薄膜沉積兩種主要方法（PVD和CVD），并分別列出四種以上的CVD和PVD類型；對比各種濺射方法的特點。（10分）答：化學(xué)氣相沉積（CVD）是氣相反應(yīng)物在真空腔體中反應(yīng)生成薄膜的沉積工藝

15、，具有以下特點：保形好，能夠很好地沉積化合物薄膜，薄膜沉積時表現(xiàn)為各向同性；而物理氣相沉積（PVD）則是物理陣法或轟擊靶材，最終在基片表面形成薄膜的沉積方法，PVD特點在于高真空下有利于形成高質(zhì)量的薄膜，多表現(xiàn)為各項異性。（1）CVD的主要類型：APCVD；LPCVD；PECVD；MPCVD；MOCVD； （2）PVD的主要類型：蒸發(fā)和濺射，蒸發(fā)包括熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)等濺射則主要包括：a) 直流濺射：陰極濺射，適用于金屬靶材；b) 射頻濺射：13.56MHz高頻作用，形成自偏壓，非金屬靶材也可以；c) 磁控濺射：E、B垂直加速電子，顯著提高薄膜沉積速率，低壓下改善了薄膜質(zhì)量；d) 反應(yīng)濺射：單

16、質(zhì)靶材表面反應(yīng)，形成化合物表面，濺射得到其化合物薄膜；e) 離子束輔助濺射：超薄高質(zhì)量薄膜的沉積；f) 偏壓濺射：利用外加偏壓改變?nèi)肷潆x子的數(shù)量和能量，進而改變薄膜的性能。16.請結(jié)合圖描述硅外延生長速率與SiCl4濃度的關(guān)系及其原因。（15分）硅外延生長速率與 SiCl4濃度的關(guān)系答：生成硅的反應(yīng)方程式：SiCl4（g）+2H2（g） Si（s）+4HCl （g）競爭反應(yīng)：SiCl4（g）+ Si（s）2SiCl2（g）隨著SiCl4的濃度的增加，硅薄膜的生長速率逐漸增加；當(dāng)濃度達到一定程度時，生長速率達到最大值，進一步增加濃度，生長速度減?。划?dāng)SiCl4的濃度達到一定大時，生長速率減小到零

17、，再增加濃度，開始負生長，即開始刻蝕。硅外延生長速率主要受兩個過程控制，其一是氫還原SiCl4析出硅原子過程，其二是被釋放出來的硅原子在襯底上生成單晶層的過程。也就是說SiCl4被氫還原析出硅原子的速度，以及析出的硅原子有規(guī)則地排列在襯底上的速度中較慢的一個將決定外延生長速率。當(dāng) SiCl4 濃度較小時，SiCl4 被氫還原析出硅原子的速度遠小于被釋放出來的硅原子在襯底上生成單晶的速度，因此化學(xué)反應(yīng)速度控制著外延層的生長速率。當(dāng)增加 SiCl4 濃度時，化學(xué)反應(yīng)速度加快，即釋放硅原子的速度加快，生長速率也就提高了。當(dāng) SiCl 4 濃度大到一定程度時，化學(xué)反應(yīng)釋放出的硅原子速度大于硅原子在襯底

18、表面的排列生長速度，此時在襯底表面的排列生長速度就控制著外延生長速率。進一步增大SiCl 4濃度，也就是當(dāng) Y 值達到 0.1 時，生長速率最大。高濃度的SiCl4不僅不能再生成外延硅，而且開始刻蝕剛生成的硅外延層，整體表現(xiàn)為硅生長速度減慢，當(dāng)SiCl4 的濃度增長到 0.27 時，刻蝕速度大于生長速度，整體表現(xiàn)為逆生長。17.請比較IC制造工藝過程中常用的四種平坦化方法，并指出其他平坦化方法相比，CMP具有的優(yōu)缺點。（15分） 答: 種類工藝流程特征熱回流采用BPSG或PSG進行薄膜沉積，再在高溫下進行熱回流實現(xiàn)介質(zhì)局部平坦化需要高溫進行，有時要求1000，適于PMD回蝕法薄膜沉積后通過刻蝕工藝形成廣口形狀，二次薄膜沉積填充后再進行刻蝕實現(xiàn)局部平坦化；或者通過PR的填充及回蝕實現(xiàn)局部平坦化。容