半导体工艺试卷及答案.pdf

杭州电子科技大学研究生考试卷杭州电子科技大学研究生考试卷（B B 卷）卷）考试课程半导体工艺与技术半导体工艺与技术考 试 日 期学院电子信息学院学号年月日成绩姓名1、什么是 CMOS 器件的闩锁效应？描述三种阻止闩锁效应的制造技术。（12 分）2、为什么要用区熔法生长硅晶体？比较FZ 和 CZ 优缺点。（10 分）3、什么是 LOCOS 和 STI？为什么在高级 IC 工艺中，STI 取代了 LOCOS？（12 分）4、描述双大马士革铜布线（图示）。（12 分）5、列举光刻工艺流程。（12 分）6、列出并阐述刻蚀多晶硅的三个步骤。（10 分）7、列举离子注入和扩散的优缺点。（10 分）8、什么是 CMP？列举 CMP 的优缺点。（10 分）9、列举并阐述三种以上未来32nm CMOS 制造新工艺？（12 分）共页第页1 1、什么是、什么是 CMOSCMOS 器件的闩锁效应？描述三种阻止闩锁效应的制造技术。（器件的闩锁效应？描述三种阻止闩锁效应的制造技术。（1212 分）分）答：答：闩锁效应就是指 CMOS 器件所固有的寄生双极晶体管（又称寄生可控硅，简称SCR）被触发导通，在电源和地之间形成低阻抗大电流的通路，导致器件无法正常工作，甚至烧毁器件的现象。这种寄生双极晶体管存在CMOS 器件内的各个部分，包括输入端、输出端、内部反相器等。当外来干扰噪声使某个寄生晶体管被触发导通时，就可能诱发闩锁，这种外来干扰噪声常常是随机的，如电源的浪涌脉冲、静电放电、辐射等。闩锁效应往往发生在芯片中某一局部区域，有两种情况：一种是闩锁只发生在外围与输入、输出有关的地方，另一种是闩锁可能发生在芯片的任何地方，在使用中前一种情况遇到较多。2 2、为什么要用区熔法生长硅晶体？比较、为什么要用区熔法生长硅晶体？比较 FZFZ 和和 CZCZ 优缺点。（优缺点。（1010 分）分）答：答：（1 1）原因：）原因：因为区熔法可以得到低至1011cm-1 的载流子浓度。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为单晶。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内（2 2）CZCZ 和和 FZFZ 区别：区别：CZ 是直拉法，就是首先把多晶硅置于坩埚内加热熔化，然后采用小的结晶“种子”籽晶，再慢慢向上提升、结晶，获得大的单晶锭。（3 3）CZCZ 和和 FZFZ 优缺点比较：优缺点比较：FZ 是水平区域熔化生长法，就是水平放置、采用感应线圈加热、并进行晶体生长的技术。直拉法在Si 单晶的制备中更为常用，占75以上。直拉法制备Si 单晶的优点是：1）成本低；2）能制备更大的圆片尺寸，6 英吋（150mm）及以上的 Si 单晶制备均采用直拉法，目前直拉法已制备出 400mm（16 英吋）的商用 Si 单晶；3）制备过程中的剩余原材料可重复使用；4）直拉法制备的 Si 单晶位错密度低，0104cm-2。直拉法制备 Si 单晶的主要缺点是，由于使用坩埚，Si 单晶的纯度不如区熔法。区熔法制备 Si 单晶的主要优点是，由于不使用坩锅，可制备高纯度的硅单晶，电阻率高达2000-mm，因此区熔法制备的 Si 单晶主要用于功率器件及电路。区熔法制备Si 单晶的缺点是：1）成本高；3 3、什么是、什么是 LOCOSLOCOS 和和 STISTI？为什么在高级？为什么在高级 ICIC 工艺中，工艺中，STISTI 取代了取代了 LOCOSLOCOS？（？（1212 分）分）答：（答：（1 1）LOCOSLOCOS：即“硅的局部氧化”技术（Local Oxidation of Silicon）CMOS 工艺最常用的隔离技术就是 LOCOS（硅的选择氧化）工艺，它以氮化硅为掩膜实现了硅的选择氧化，在这种工艺中，除了形成有源晶体管的区域以外，在其它所有重掺杂硅区上均生长一层厚的氧化层，称为隔离或场氧化层。-常规的 LOCOS 工艺由于有源区方向的场氧侵蚀（SiN 边缘形成类似鸟嘴的结构，称为“鸟喙效应”bird beak)和场注入的横向扩散，使LOCOS 工艺受到很大的限制。STISTI：浅沟槽隔离(STI)是用于隔绝活动区域的制造方法，它会使实际电流不同于模拟结果。具体情况取决于电晶体位置。（2 2）取代原因：取代原因：LOCOS 结构影响了有源区长度，为了减小鸟嘴，出现了改进的 LOCOS结构，PBL 和 PELOX 结构。PBL（poly buffer LOCOS 多晶衬垫 LOCOS）结构是在掩蔽氧化层的 SiN 和衬底 SiO2 之间加入一层薄多晶，这样减小了场氧生长时 SiN 薄膜的应力，也减小了鸟嘴。PELOX（poly encapsulated Locol Oxidation 多晶镶嵌LOCOS）结构是在 SiN 层的顶部和侧部嵌如多晶或非晶薄膜，然后在生长场氧，它同样能减小鸟嘴。因为两种结构增加了工艺的复杂性，故 LOCOS 一般用于 0.50.35m 的工艺中。为了更有效的隔离器件的需要，尤其是对于DRAM 器件而言；对晶体管隔离而言，表面积显著减小；超强的闩锁保护能力；对沟道没有侵蚀；与 CMP技术兼容；有源区倾斜角度非常小；线宽减小后仍然可以使用；表面非常平坦，有利于下一步工艺的加工。它的缺点主要是工艺成本更贵，更复杂。但是和它的优点相比，成本的增加是可以接受的。因此，在 0.25m 及以下的工艺，都使用 STI 隔离。故而在更高级的 IC 工艺中 STI 取代了 LOCOS。4 4、描述双大马士革铜布线（图示）。（、描述双大马士革铜布线（图示）。（1212 分）分）答：答：首先硅片覆盖上光阻，曝光显影后干法刻蚀穿过表面硬阻挡层和层间介质停在最底部的氮化硅阻挡层。接下来通光的光阻被去除，重新铺光阻，曝光显影后形成沟槽的光阻，其中一部分留在通孔中，这部分光阻能够防止下半部分的通孔在沟槽干刻过程中被过分刻蚀。最后，进行铜的沉积，并用化学机械抛光将铜平坦化。具体流程如下图所示：5 5、列举光刻工艺流程。（、列举光刻工艺流程。（1212 分）分）答：答：一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准 曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。(1)(1)硅片清洗烘干硅片清洗烘干方法：湿法清洗去离子水冲洗脱水烘焙（热板1502500C,12 分钟，氮 气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是 HMDS-六甲基二硅胺烷）。(2)(2)涂底涂底方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS 蒸汽淀积，2002500C,30 秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS 用量大。目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。（3 3）旋涂光刻胶）旋涂光刻胶方法：a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶 剂（原光刻胶的溶剂约占 6585%,旋涂后约占 1020%）；b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotationper minute）、滴胶、加速 旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光 刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时 间点有关。一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不 同的光刻胶种类和分辨率）（4 4）软烘）软烘方法：真空热板，85120,3060 秒；目的：除去溶剂（47%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶 玷污设备；（5 5）对准并曝光）对准并曝光对准方法：a、预对准，通过硅片上的 notch 或者 flat 进行激光自动对准；b、通过对准标志（AlignMark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关 键尺寸超出要求的范围。曝光方法：a、接触式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用 525 次）；1970 前使用，分辨率 0.5m。b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为 1050m。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970 后适用，但是其最大分辨率仅为 24m。c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的 4 倍制作。优点：提高了分 辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。（6 6）后烘）后烘方法：热板，110130C,1 分钟。目的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的 PAG 产生的酸与光刻胶上 的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。（7 7）显影）显影方法：a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持 1030 秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化 了温度梯度。（8 8）硬烘）硬烘方法：热板，1001300C（略高于玻璃化温度 Tg），12 分钟。目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ 酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之 间的黏附性；d、进一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。6 6、列出并阐述刻蚀多晶硅的三个步骤。（、列出并阐述刻蚀多晶硅的三个步骤。（1010 分）分）答：答：刻蚀多晶硅的步骤：1.预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层和表面污染物来获得均匀的刻蚀，这减少了刻蚀中作为微掩蔽层的污染物带来的表面缺陷。2.主刻蚀，用来刻蚀掉大部分的多晶硅膜，并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的侧壁剖面。3.过刻蚀，用于去除刻蚀残留物和剩余多晶硅，并保证对栅氧化层的高选择比，这避免在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽。7 7、列举离子注入和扩散的优缺点。（、列举离子注入和扩散的优缺点。（1010 分）分）答：答：离子注入的优点：各向异性，投射深度与剂量可精确控制；离子注入的缺点：1.表面损伤，2.需要退火与再扩散。离子扩散的优点：比较容易获得高浓度与深结深；表面损伤较小。离子扩散的缺点：各向同性，扩散高温时间长，造成侧向扩散，同时高温时间长对于各步掺杂的相互影响较难控制。8 8、什么是、什么是 CMPCMP？列举？列举 CMPCMP 的优缺点。（的优缺点。（1010 分）分）答：答：CMP 称为多核处理器，是由美国斯坦福大学提出的，其思想是将大规模并行处理器中的SMP（对称多处理器）集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的进程。CMPCMP 的优点：的优点：1.多核处理器可以在处理器内部共享缓存，提高缓存利用率，同时简化多处理器系统设计的复杂度 2.由于 CMP 结构已经被划分成多个处理器核来设计，每个核都比较简单，有利于优化设计。CMPCMP 的缺点：的缺点：功耗较大、需要特定平台支持、需要大容量内存跟进、一般的软件最多支持到两线程（双核）、价格高9 9、列举并阐述三种以上未来、列举并阐述三种以上未来 32nm CMOS32nm CMOS 制造新工艺？（制造新工艺？（1212 分）分）（1）FinFET，FinField-EffectTransistor，即鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体晶体管。具有功耗低，面积小的优点。（2）高性能超薄HfN/HfO2(EOT1nm)栅结构MOSFET器件：利用首次提出的HfN/HfO2栅结构与高温后退火工艺相结合的工艺技术,制备了具有高迁移率和高可靠性的超薄HfN/HfO2(EOT1nm)栅结构的NMOSFET器件。该技术的关键在于采用具有极高热稳定的 HfN/HfO2栅结构和高k栅介质高温后退火工艺。器件可靠性和电子沟道迁移率得到显著提高。（3）局部浸没法：能够解决硅片浸没式和工作台浸没法存在的一些问题，局部浸没法中投影物镜是固定的，最后一个透镜的下表面始终浸在液体中。在步进扫描过程中，硅片的不同部位浸没在液体中。（4）双重图形：它的原理是将一套高密度的电路图形分解成两套分立的、密度低一些的图形，然后将它们印制到目标晶圆上。基本步骤是先印制一半的图形，显影后重新旋涂一层光刻胶，再印制另一半的图形，最后利用硬掩膜或选择性刻蚀来完成整个光刻过程。它主要有两大优势：提高光学临近修正的表现，将一次曝光分二次实现，一次曝光横向线条，另一次曝光纵向线条，线条末端收缩问题可得到明显改善；在某种程度上节省成本，因为二次成像技术中掩膜版的制造难度会下降很多。