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1、深圳大学集成电路设计与原理期末试题答案原文地址：http:/ 深圳大学期末考试特殊考试方式电子科学与技术学院微电子科学与工程专业集成电路工艺原理期末成绩考核报告第 1 页 共 40 页姓名：曾荣 学号：2013800527深圳大学考试答题纸(以论文、报告等形式考核专用) 二一五二一六学年度第一学期课程编号 1600730001 2013800527 课程名称 集成电路工艺原理 主讲教师 杨靖 评分学号姓名曾荣专业年级微电子 2013 级-2 班第 2 页 共 40 页教师评语：要求本报告（作业）必须是完全独立完成，没有抄袭或节选选本课程其他同学的作业，如果确认是抄袭 （抄袭和被抄袭）都要承担最
2、终成绩为 F 的结果。完成时间：2016，1，8，17:00 之前请详细解答以下每道问题！ （回答时请每道题之间留有空隙、题之间清晰分开、每题标明题号；字迹 工整、最好打印；图可以手画，但是，必须用规、具，线条清晰规范；坚决杜绝！卷面脏、乱、草）? ? ?1) 举例回答集成电路主要集成了哪些器件?【5 分】 2) 最少给出两个集成电路选用硅半导体的理由。 【5 分】 3) 在清洗过程中用到的进入冲洗池的纯净水的电阻 (率)在出水口处为多大时说明硅片已经 被洗净? 【5 分】? ? ? ?4) 常见的半导体的沾污有哪些种类?【5 分】 5) 说明正光刻胶和负光刻胶在曝光过程中的变化和区别。 【5
3、 分】 6) 为什么要进行曝光前和曝光后烘焙、怎样提高光刻分辨率? 【10 分】7) 请详细回答，硅片在大气中会自然氧化，从洗净工艺的角度，这属于一种沾污，采用什 么工艺即可洗净这种沾污而又不损坏硅?【10 分】?8)在刻蚀工艺中，由于电极附近鞘层领域的存在，电极附近只有正电荷存在，请用泊松方程 解释，在一个周期内电极附近的电场方向总是指向电极。 【10 分】?9) 在电极形成工艺中,用到金属 Ti,请详尽说明金属 Ti 的特性,以及金属 Ti 在集成电路电 极结构中的作用!【15 分】第 3 页 共 40 页?10)以 CMOS 的 nMOS 形成工艺为例来说明，在离子注入工艺中用了多道该工
4、艺步骤，这些步 骤有什么目的或起到什么作用。 【15 分】?11) 等离子体是现代集成电路工艺中不可或缺的加工手段和材料，根据你的理解和掌握，请 就等离子体在集成电路工艺中有哪些应用进行详细的阐述。 【15 分】第 4 页 共 40 页一、 举例回答集成电路主要集成了哪些器件?集成电路，英文为 Integrated Circuit，缩写为 IC；顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如 电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的 电路。下面这个就是一个简单的集成电路板。第 5 页 共 40 页（电流互感器） （电阻） （晶体管）（二极管） （电容）
5、第 6 页 共 40 页二、 最少给出两个集成电路选用硅半导体的 理由。1. 硅（Si）制程是大量生产且便宜的制程。且硅（Si）有较好的物理应力，所以可做成大尺寸的 晶圆（现今，Si 晶圆直径约为 300 mm） 。在地球表面上有大量硅（Si）的原料：硅酸盐矿。硅 工业已发展到规模经济（透过高的产能以降低单位产品的成本）的情形了，60 年的工艺发展， 技术相当成熟。 2. 第二个主要的优点是，硅（Si）很容易就会变成二氧化硅（在电子元件中，这是一种很好的绝 缘体） 。二氧化硅可以轻易地被整合到硅（Si）电路中，且二氧化硅和硅（Si）拥有很好的界面 特性。 3. 大概是最重要的优点，是硅（Si）
6、拥有高很多的空穴移动率。在需要 CMOS 逻辑时，高的空穴 率可以做成高速的 P-沟道场效应晶体管。 4. Si/SiO2 的界面可以通过氧化获得，非常完美。通过后退火工艺可以获得极其完美的界面。三、 在清洗过程中用到的进入冲洗池的纯净 水的电阻 ( 率 ) 在出水口处为多大时说明硅片 已经被洗净?硅片清洗的目的在于清除表面污染杂质，清洗方法包括物理清洗和化学清洗。根据题意，进入冲洗 池的纯净水应该是超纯水。清洗过程应用的是化学清洗的方法。一般方法是将硅片先用成分比为 H2SO4:H2O2=5:1 或 4:1 的酸性液清洗。 清洗液的强氧化性,将有机物分解而除去； 用超纯水冲洗后, 再用成分比
7、为 H2O:H2O2:NH4OH=5:2:1 或 5:1:1 或 7:2:1 的碱性清洗液清洗,由于 H2O2 的氧化作第 7 页 共 40 页用和 NH4OH 的络合作用，许多金属离子形成稳定的可溶性络合物而溶于水；然后使用成分比为 H2O:H2O2:HCL=7:2:1 或 5:2:1 的酸性清洗液，由于 H2O2 的氧化作用和盐酸的溶解，以及氯离子 的络合性，许多金属生成溶于水的络离子，从而达到清洗的目的。所以根据上述，查阅到超纯水的概念如下，超纯水，电阻率达到 18M*cm（25）的水。常用于集成电路工业中用于半导体原材料和所用器皿的清洗、 光刻掩模版的制备和硅片氧化用的水汽源等。 此外
8、，其他固态电子器件、厚膜和薄膜电路、印刷电路、真空管等的制作也都要使用超纯水。所以电阻率应该是 18M*cm（25） 。一般约为 1518（兆欧厘米） 。四、 常见的半导体的沾污有哪些种类?净化间沾污分为五类： 颗粒颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。悬浮在空气中传播的颗粒被称为浮质。（图颗粒引起的缺陷）第 8 页 共 40 页金属杂质硅片加工厂的沾污也可能来自金属化合物。危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，它们在普通 化学品和工艺都很常见。这些金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制。碱金属来自周期表 中的 IA 族，是极端活泼的元素，因为它们容易失去一个价电子成为阳离子，与非金属的阴离子反
9、应 形成离子化合物。金属杂质导致了半导体杂质中器件成品率的减少，包括氧化物多晶硅栅结构中的结构性缺陷。额 外的问题包括 pn 结上泄露电流的增加以及少数载流子寿命的减少。（图可动离子沾污改变阈值电压）有机物沾污有机物沾污是指那些包含炭的物质，几乎总是同炭自身及氢结合在一起，有时也和其他元素结合在 一起。有机物沾污的一些来源包括细菌、润滑剂、蒸汽、清洁剂、溶剂和潮气等。第 9 页 共 40 页在特定工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性。工艺过程中有机材料给半导体 表面带来的另一问题是表面的清洗不彻底，这种情况使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍完 整保留在硅片表面。自然氧化层如
10、果曝露与室温的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化。这一薄氧化层称为自然氧 化层。硅片表面无自然氧化层对半导体性能和可靠性是非常重要的。自然氧化层将妨碍其他工艺步 骤，如硅片上单晶薄膜的生长和超薄栅氧化层的生长。自然氧化层也包含了某些金属杂质，它们可 以向硅中转移并形成电学缺陷。自然氧化层引起的另一个问题在于金属导体的接触区。接触使得互 连与半导体器件的源区及漏区保持电学连接。如果有自然氧化层存在，将增加接触电阻，减少甚至 可能阻止电流流过。（图自然氧化层）静电释放（ESD）静电释放 （ESD） 也是一种形式的沾污， 因为它是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移， 可能损坏微芯
11、片。ESD 产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。带过剩负电荷的原子被相邻的带 正电荷的原子吸引。这种吸引产生的电流泄放电压可以高达几万伏。 第 10 页 共 40 页尽管 ESD 发生时转移的静电总量通常很小（纳库仑级别） ，然而放电的能量积累在硅片上很小的一 个区域内。发生在几个纳秒的静电释放能产生超过 1A 的峰值电流，简直可以蒸发金属导体连线和 穿透氧化层。放电也可能成为栅氧化层击穿的诱因。ESD 带来的另一个重大问题在于，一旦硅片表 面有了电荷积累，它产生的电场就能吸引带电颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片表面（见图所示） 。 电视屏幕能吸引灰尘就是一个例子。此外，颗粒越小，静电对它的吸
12、引作用就越明显。随着器件关 键尺寸的缩小，ESD 对更小颗粒的吸引变得重要起来，能产生致命缺陷。为减小颗粒沾污，硅片放 电必须得到控制。（图带电硅片吸引颗粒）五、 说明正光刻胶和负光刻胶在曝光过程中 的变化和区别。光刻胶概念光刻胶又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感 光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、 亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像（见图光致抗蚀剂成第 11 页 共 40 页像制版过程） 。正光刻胶和负光刻胶对比1.正性光致抗蚀剂：受光照部分发生降解反应而能为显
13、影液所溶解。留下的非曝光部分的图形与 掩模版一致。正性抗蚀剂具有分辨率高、对驻波效应不敏感、曝光容限大、针孔密度低和无毒 性等优点，适合于高集成度器件的生产。 优点： 在光刻胶的未曝光区域不受显影液的影响，因为光刻胶最初就不溶解，并保持这种性质。这样 在光刻过程中转移到光刻胶上的极细线条的图形会保持线宽和形状，产生良好的线宽分辨率， 有更好的粘附性。正胶具有好的分辨率的原因之一是对比度高。正胶可以更好地分辨掩膜板的 亮区和暗区，在光刻胶上产生陡直的转移图形。正胶具有良好的对比特性，由于光刻胶侧墙陡 直使其产生更好的线宽分辨率（见图 13.21） 。 缺点： 同种厚度的正负胶，在对于抗湿法和腐蚀
14、性方面负胶更胜一筹，正胶难以企及。2.负性光致抗蚀剂：受光照部分产生交链反应而成为不溶物，非曝光部分被显影液溶解，获得的 图形与掩模版图形互补。负性抗蚀剂的附着力强、灵敏度高、显影条件要求不严，适于低集成 度的器件的生产。 优点： 曝光速度快（使得硅片的总处理能力更高） ，对硅片的粘附性也好。 缺点： 就是在显影时曝光区域由溶剂引起的泡胀。这种泡胀使硅片表面的光刻胶图形变形，对于具有 微米和亚微米关键尺寸的极细小图形来说是不能接受的。另一缺点是曝光是光刻胶可与氮气反 第 12 页 共 40 页应从而抑制其交联。正性光刻采用正感光胶,曝光后的区域变得很易在显影液里融化,在显影过程中被从基片上除去
15、,把与 掩膜上相同的图形复制到硅片上;反之,负性光刻是把掩膜上相反的图形复制到硅片表面。 它们的曝光 过程如图所示。第 13 页 共 40 页图 1 负性光刻胶在曝光过程中的变化图 2 正性光刻胶在曝光过程中的变化（图 不同极性的掩膜版和不同极性的光刻胶相结合的结果）第 14 页 共 40 页六、 为什么要进行曝光前和曝光后烘焙、 怎样 提高光刻分辨率?烘培1. 前烘的目的是：将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除；提高光刻胶与衬底的粘附力以便在显影时光 刻胶可以很好地依附；提高胶膜的机械擦伤能力；防止光刻胶玷污设备（保持器械洁净） ；缓和 在旋转过程中光刻胶胶膜内产生的应力。如果光刻胶胶膜在涂胶后没有软烘而直接进行对准和曝光，将可能出现下列问题 1) 2) 3) 4) 光刻胶薄膜发黏并易受颗粒沾污。 光刻胶薄膜来自于旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题。 由于溶剂含量过高导致在显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶。 光刻胶散发的气体（由于曝光时的热量）可能沾污光学系统的透镜。2.后烘(坚膜)的目的：减少驻波效应；经显影以后的胶膜发生了软化、膨胀，胶膜与硅片表面粘附 力下降。为了保证下一道刻蚀工序能顺利进行，使光刻胶和晶圆表面更好地粘结，必须继续蒸 发溶剂以固
