【经典】半导体制造技术题库答案.pdf

1. 1.分别简述分别简述 RVDRVD 和和 GILDGILD 的原理，它们的优缺点及应用方向。的原理，它们的优缺点及应用方向。快速气相掺杂快速气相掺杂(RVD, Rapid Vapor-phase Doping)(RVD, Rapid Vapor-phase Doping) 利用快速热处理过程利用快速热处理过程(RTP)(RTP)将处在掺杂剂气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原子，杂质原子直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原子，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。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。同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层；同离同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层；同离子注入相比子注入相比( (特别是在浅结的应用上特别是在浅结的应用上) )，RVDRVD 技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效应的影响；对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。另外，快速气相掺杂仍然应的影响；对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。另外，快速气相掺杂仍然要在较高的温度下完成。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。要在较高的温度下完成。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。气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂(GILD: Gas Immersion Laser Doping)(GILD: Gas Immersion Laser Doping) 用准分子激光器用准分子激光器(308nm)(308nm) 产生高能产生高能量密度量密度(0.52.0J/cm2)(0.52.0J/cm2)的短脉冲的短脉冲(20-100ns)(20-100ns)激光，照射处于气态源中的硅表面；硅表面因吸收能激光，照射处于气态源中的硅表面；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；通过液相扩散，杂质原量而变为液体层；同时气态掺杂源由于热解或光解作用产生杂质原子；通过液相扩散，杂质原子进入这个很薄的液体层，溶解在液体层中的杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因子进入这个很薄的液体层，溶解在液体层中的杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因而杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。而杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。由液体变为固当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。由液体变为固态结晶体的速度非常快。态结晶体的速度非常快。 在结晶的同时，在结晶的同时， 杂质也进入激活的晶格位置，杂质也进入激活的晶格位置， 不需要近一步退火过程，不需要近一步退火过程，而且掺杂只发生在表面的一薄层内。而且掺杂只发生在表面的一薄层内。由于硅表面受高能激光照射的时间很短，而且能量又几乎都被表面吸收，硅体内仍处于低温由于硅表面受高能激光照射的时间很短，而且能量又几乎都被表面吸收，硅体内仍处于低温状态，不会发生扩散现象，体内的杂质分布没有受到任何扰动。状态，不会发生扩散现象，体内的杂质分布没有受到任何扰动。硅表面溶化层的深度由激光束的能量和脉冲时间所决定。因此，可根据需要控制激光能量密硅表面溶化层的深度由激光束的能量和脉冲时间所决定。因此，可根据需要控制激光能量密度和脉冲时间达到控制掺杂深度的目的。度和脉冲时间达到控制掺杂深度的目的。2. 2.集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么优缺点？集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么优缺点？扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态源扩散。源扩散。固态源扩散固态源扩散(1).(1). 开管扩散开管扩散优点：开管扩散的重复性和稳定性都很好。优点：开管扩散的重复性和稳定性都很好。(2).(2). 箱法扩散箱法扩散优点；优点； 箱法扩散的硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，箱法扩散的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。均匀性较好。(3).(3). 涂源法扩散涂源法扩散缺点：这种扩散方法的表面浓度很难控制，而且又不均匀。缺点：这种扩散方法的表面浓度很难控制，而且又不均匀。(4).(4). 杂质源也可以采用化学气相淀积法淀积，这种方法的均匀性、重复性都很好，还可以把杂质源也可以采用化学气相淀积法淀积，这种方法的均匀性、重复性都很好，还可以把片子排列很密，从而提高生产效率，其缺点是多了一道工序。片子排列很密，从而提高生产效率，其缺点是多了一道工序。液态源扩散液态源扩散液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好。扩散过程中应准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等。源瓶的密封性要好，扩都很好。扩散过程中应准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等。源瓶的密封性要好，扩散系统不能漏气。散系统不能漏气。气态源扩散气态源扩散气态杂质源多为杂质的氢化物或者卤化物，气态杂质源多为杂质的氢化物或者卤化物，这些气体的毒性很大，这些气体的毒性很大， 且易燃易且易燃易爆，操作上要十分小心。爆，操作上要十分小心。快速气相掺杂快速气相掺杂(RVD)(RVD)气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂(GILD)(GILD)3. 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。增强扩散和氧化阻滞扩散的机理。交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。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。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。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。上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：替位式扩散；填隙式扩散。以上几种形式主要分成两大类：替位式扩散；填隙式扩散。替位式扩散替位式扩散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。质的近邻晶格上出现空位，替位式扩散才比较容易发生。填隙型扩散填隙型扩散挤出机制：挤出机制：杂质在运动过程中杂质在运动过程中 “ “踢出踢出” ”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，晶格位置上的硅原子进入晶格位置，成为替位杂质，成为替位杂质，被被“ “踢出踢出” ”硅原子变为间隙原子；硅原子变为间隙原子；Frank-TurnbullFrank-Turnbull机制：机制： 也可能被也可能被 “ “踢出踢出” ”的杂质以间隙方式进行扩散运动。的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质。被俘获，成为替位杂质。4. 4.写出菲克第一定律和第二定律的表达式，并解释其含义。写出菲克第一定律和第二定律的表达式，并解释其含义。费克第一定律费克第一定律: :C C杂质浓度杂质浓度; D; D扩散系数扩散系数( (单位为单位为 cm2/s)cm2/s)J J材料净流量（单位时间内流过单位面积的原子个数）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解释：如果在一个有限的基体中杂质浓度 C(x, t)C(x, t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度杂质的扩散流密度 J J 正比于杂质浓度梯度正比于杂质浓度梯度/，比例系数，比例系数 D D 定义为杂质在基体中的扩散系定义为杂质在基体中的扩散系数。数。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。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。当浓度梯度变小时，扩散减缓。当浓度梯度变小时，扩散减缓。D D 依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。菲克第二定律菲克第二定律: :，假设扩散系数，假设扩散系数 D D 为常数为常数5. 5.以以 P P2 2O O5 5为例，多晶硅中杂质扩散的方式及分布情况。为例，多晶硅中杂质扩散的方式及分布情况。在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：主要有三种扩散模式：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，形成如图如图 A A 类分布。类分布。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 B 类分类分布。布。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 C 类分布。类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。6. 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。述这两种扩散的特点。恒定表面源扩散（预淀积扩散，恒定表面源扩散（预淀积扩散，predepositionpredeposition）在表面浓度在表面浓度 CsCs 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。就越多。如果扩散时间为如果扩散时间为 t t，那么通过单位表面积扩散到，那么通过单位表面积扩散到 SiSi 片内部的杂质数量片内部的杂质数量 Q(t)Q(t)为：为：恒定源扩散，其表面杂质浓度恒定源扩散，其表面杂质浓度 CsCs 基本上由该杂质在扩散温度基本上由该杂质在扩散温度(900-1200(900-1200) )下的固溶度所决下的固溶度所决定，在定，在 900-1200900-1200范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度CsCs 的目的，这是该扩散方法的不足之处。的目的，这是该扩散方法的不足之处。有限表面源扩散（推进扩散，有限表面源扩散（推进扩散，drive-indrive-in）杂质分布形式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与恒定表面源扩散不同，有限表面源扩散的表面浓度 CsCs 随时间而降低：随时间而降低：散温度相同时，散温度相同时， 扩散时间扩散时间越长，杂质扩散的越深，越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散时间相同时， 扩散温扩散温度越高，杂质扩散的越度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。深，表面浓度下降越多。7. 7.什么是两步扩散工艺，其两步扩散的目的分别是什么？什么是两步扩散工艺，其两步扩散的目的分别是什么？实际的扩散温度一般为实际的扩散温度一般为 900-1200900-1200，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。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。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。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：两步扩散后的杂质最终分布形式： D D预预t t预预DD主主t t主主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。数分布。8. 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 Q cmQ cm-2-2。（1 1）如果这次预淀积进行了总共）如果这次预淀积进行了总共 t t 分钟，若预淀积温度不变，引入分钟，若预淀积温度不变，引入 3Q cm3Q cm-2-2的杂质需要多长时的杂质需要多长时间？间？（2 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）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度 CsCs 的的 1%1%。若已知预淀积过程中的。若已知预淀积过程中的(Dt)predop(Dt)predop，推导出推进扩散过程中，推导出推进扩散过程中(Dt)drive-in(Dt)drive-in 的表达式。的表达式。9. 9.简述几种常用的氧化方法及其特点。简述几种常用的氧化方法及其特点。制备制备 SiOSiO2 2的方法有很多，热分解淀积、溅射、真空蒸发、阳极氧化法、化学气相淀积、热的方法有很多，热分解淀积、溅射、真空蒸发、阳极氧化法、化学气相淀积、热氧化法等。热生长法制备的氧化法等。热生长法制备的 SiOSiO2 2质量好，是集成电路的重要工艺之一。质量好，是集成电路的重要工艺之一。热氧化法：热氧化法：SiSi 与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应生成与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应生成 SiO2SiO2。热氧化法制备热氧化法制备 SiOSiO2 2的特点：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；响；降低降低 SiSi 表面的悬挂键，使表面态密度减小；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。很好地控制界面陷阱和固定电荷。(1).(1).干氧氧化干氧氧化在高温下，氧气与硅反应生成在高温下，氧气与硅反应生成 SiOSiO2 2。氧化温度为氧化温度为 900-1200900-1200，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，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。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，目前制备高质量的量的 SiOSiO2 2薄膜基本上都是采用这种方法。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 SiOSiO2 2。(2).(2).水汽氧化水汽氧化在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成 SiO2SiO2。产生的产生的 H H2 2分子沿分子沿 Si-SiO2Si-SiO2 界面或者以扩散方式通过界面或者以扩散方式通过 SiO2SiO2 层层“ “逃离逃离” ” 。因为水比氧气在。因为水比氧气在 SiO2SiO2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。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).(3). 湿氧氧化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 9595左左右。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。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。 因因此，此，SiO2SiO2 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。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，如果水汽含量很少， SiO2SiO2 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。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。氢气和氧气，氢气和氧气，H H2 2+O+O2 2HH2 2O O采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成的水汽。的水汽。(4).(4).快速热氧化工艺快速热氧化工艺(RTO)(RTO)制备深亚微米器件的栅极氧化层，非常薄制备深亚微米器件的栅极氧化层，非常薄3030在实际生产中，根据要求选择干氧氧化、水汽氧化或湿氧氧化。对于制备较厚的在实际生产中，根据要求选择干氧氧化、水汽氧化或湿氧氧化。对于制备较厚的 SiOSiO2 2层来层来说，往往采用的是干氧说，往往采用的是干氧- -湿氧湿氧- -干氧相结合的氧化方式。这种氧化方式既保证干氧相结合的氧化方式。这种氧化方式既保证 SiOSiO2 2表面和表面和 Si-Si-SiOSiO2 2界面质量，又解决了生长效率的问题。界面质量，又解决了生长效率的问题。10.10. 说明说明 SiOSiO2 2的结构和性质，并简述结晶型的结构和性质，并简述结晶型 SiOSiO2 2和无定形和无定形 SiOSiO2 2的区别。的区别。结晶形结晶形 SiOSiO2 2由由 Si-OSi-O 四面体在空间规则排列构成每个顶角的四面体在空间规则排列构成每个顶角的 O O 原子与两个相邻四面体中原子与两个相邻四面体中心的心的 SiSi 原子形成共价键。原子形成共价键。无定形无定形 SiOSiO2 2Si-OSi-O 四面体的空间排列没有规律四面体的空间排列没有规律 Si-O-SiSi-O-Si 键桥的角度不固定，在键桥的角度不固定，在 110-180110-180之之间，峰值间，峰值 144144。无定形无定形 SiO2SiO2 的性质：的性质：Si-OSi-O 四面体在空间的排列无规则，大部分四面体在空间的排列无规则，大部分 O O 与相邻的两个与相邻的两个 Si-OSi-O 四面体的四面体的 SiSi 形成共价键形成共价键（称为桥键氧）（称为桥键氧） ，也有一部分只与一个，也有一部分只与一个 Si-OSi-O 四面体的四面体的 SiSi 形成共价键（称为非桥键氧）形成共价键（称为非桥键氧） ；无定形网络疏松、不均匀、有孔洞，无定形网络疏松、不均匀、有孔洞，SiO2SiO2 分子约占无定形网络空间体积分子约占无定形网络空间体积 43%43%，密度，密度2.15-2.25g/cm32.15-2.25g/cm3，结晶形，结晶形 SiO2SiO2 密度为密度为 2.65g/cm32.65g/cm3；在无定形在无定形 SiO2SiO2 网络中，氧的运动网络中，氧的运动(1-2(1-2 个个 Si-OSi-O 键键) )比比 Si(4Si(4 个个 Si-OSi-O 键键) )容易；容易；室温下室温下 Si-OSi-O 键以共价键为主，也含有离子键成份，随温度的升高，离子键成份比例增键以共价键为主，也含有离子键成份，随温度的升高，离子键成份比例增大。大。密度：一般为密度：一般为 2.20g/cm32.20g/cm3（无定形，一般用称量法测量）（无定形，一般用称量法测量） ；折射率：是波长的函数，折射率：是波长的函数，55005500 左右时为左右时为 1.461.46，密度较大则折射率较大；，密度较大则折射率较大；电阻率：高温干氧氧化法制备的电阻率：高温干氧氧化法制备的 SiO2SiO2 电阻率高达电阻率高达 1016cm1016cm；介电强度：单位厚度的介电强度：单位厚度的 SiO2SiO2 所能承受的最小击穿电压，与致密程度、均匀性、杂质含所能承受的最小击穿电压，与致密程度、均匀性、杂质含量等因素有关，一般为量等因素有关，一般为 106-107V/cm106-107V/cm ；化学性质：非常稳定，室温下只与氢氟酸发生反应：化学性质：非常稳定，室温下只与氢氟酸发生反应：11.11. 以以 P2O5P2O5 为例说明为例说明 SiO2SiO2 的掩蔽过程。的掩蔽过程。以以 P P2 2O O5 5杂质源为例来说明杂质源为例来说明 SiOSiO2 2的掩蔽的掩蔽过程：当过程：当 P P2 2O O5 5与与 SiOSiO2 2接触时，接触时， SiOSiO2 2就就转变为含磷的玻璃体。转变为含磷的玻璃体。(a)(a) 扩散刚开始，只有靠近表面的扩散刚开始，只有靠近表面的 SiOSiO2 2转变为含磷的玻璃体。转变为含磷的玻璃体。(b)(b) 大部分大部分 SiOSiO2 2层已转变为含磷的玻璃层已转变为含磷的玻璃体。体。(c)(c) 整个整个 SiOSiO2 2层都转变为含磷的玻璃层都转变为含磷的玻璃体。体。(d)(d) 在在 SiOSiO 层完全转变为玻璃体后，又层完全转变为玻璃体后，又经经过一定时间，过一定时间，SiOSiO2 2层保护的硅中磷已经层保护的硅中磷已经扩进一定深度。扩进一定深度。12.12. 简述杂质在简述杂质在 SiO2SiO2 的存在形式及如何调节的存在形式及如何调节 SiO2SiO2 的物理性质。的物理性质。热氧化层中可能存在各种杂质，某些最常见的杂质是与水有关的化合物，其结构如图所示。热氧化层中可能存在各种杂质，某些最常见的杂质是与水有关的化合物，其结构如图所示。如果氧化层在生长中有水存在，一种可能发生的反应是一个氧桥还原为两个氢氧基。如果氧化层在生长中有水存在，一种可能发生的反应是一个氧桥还原为两个氢氧基。Si:O:Si Si:O:H + H:O:SiSi:O:Si Si:O:H + H:O:Si网络构成者网络构成者 一些杂质会被有意掺入热淀积一些杂质会被有意掺入热淀积 SiO2SiO2 中，用来改善它的物理性质和电学特中，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 SiO2SiO2 的强度的强度上升或者下降。上升或者下降。当当 B B 替代替代 SiSi 之后，顶角上的四个之后，顶角上的四个 O O 只有三个只有三个 O O 可以同可以同 B B 形成共价键，剩余的一个形成共价键，剩余的一个 O O 因无因无法与中心的法与中心的 B B 形成共价键，而变成了非桥键形成共价键，而变成了非桥键 O O ，因此，因此 SiOSiO2 2网络中非桥键网络中非桥键 O O 增加，强度下增加，强度下降。降。当当 P P 替代替代 SiSi 之后，与原有的四个之后，与原有的四个 O O 形成共价键，还多余一个价电子，这个多余的价电子还形成共价键，还多余一个价电子，这个多余的价电子还可以与近邻的一个非桥键可以与近邻的一个非桥键 O O 形成桥键形成桥键 O O ，因此，因此 SiOSiO2 2网络强度增加。网络强度增加。网络改变者网络改变者存在于存在于 SiO2SiO2 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。例如径较大，替代硅的可能性很小。例如 NaNa、K K、PbPb、BaBa 等都是网络改变者。等都是网络改变者。网络改变者往往以氧化物形式进入网络改变者往往以氧化物形式进入 SiOSiO2 2中。进入网络之后便离化，并把氧离子交给中。进入网络之后便离化，并把氧离子交给 SiOSiO2 2网网络。络。NaNa2 2O+ Si-O-Si Si OO+ Si-O-Si Si O- - + O + OSi+ 2 NaSi+ 2 Na+ +网络中氧的增加，使非桥键氧的浓度增大，网络中氧的增加，使非桥键氧的浓度增大，SiO2SiO2 网络的强度减弱。网络的强度减弱。13.13. 简述常规热氧化办法制备简述常规热氧化办法制备 SiO2SiO2 介质薄膜的动力学过程，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并说明在什么情况下氧化过程由反应控制或扩散控制。应控制或扩散控制。迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型可以很好地预测氧化层厚度，热氧化过程主要分为以下三个过程格罗夫氧化模型可以很好地预测氧化层厚度，热氧化过程主要分为以下三个过程: :(1)(1)氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞留层运动到气体氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞留层运动到气体-SiO-SiO2 2界面，其流密度用界面，其流密度用 J J1 1表示。表示。(2)(2)氧化剂以扩散方式穿过氧化剂以扩散方式穿过 SiOSiO2 2层，到达层，到达 SiOSiO2 2-Si-Si 界面，其流密度用界面，其流密度用 J J2 2表示。表示。(3)(3)氧化剂在氧化剂在 SiSi 表面与表面与 SiSi 反应生成反应生成 SiOSiO2 2，流密度用，流密度用 J J3 3表示。表示。当氧化剂在当氧化剂在 SiOSiO2 2中的扩散系数中的扩散系数 D DSiO2SiO2很小时很小时(Dkstox)(Dkhks s，在这种情况下线性氧化速率常数的大小主要由化学反应常数，在这种情况下线性氧化速率常数的大小主要由化学反应常数 k ks s决定，即决定，即由硅表面处的原子经化学反应转变为由硅表面处的原子经化学反应转变为 SiOSiO2 2的速率决定。表面化学反应速率是与硅表面的原子的速率决定。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。密度，也就是与表面的价键密度有关。(111)(111)面上的硅原子密度比面上的硅原子密度比(100)(100)面上大。因此，面上大。因此，(111)(111)面面上的线性氧化速率常数应比上的线性氧化速率常数应比(100)(100)面上大。面上大。4 4）杂质影响）杂质影响掺磷掺磷/ /硼硼掺氯掺氯在干分子氧中加入少量（在干分子氧中加入少量（1%3%1%3%）卤素能够显著改善）卤素能够显著改善 SiOSiO2 2特性特性: : 加速反应加速反应Si-OSi-O 键能为键能为 4.25eV4.25eV，Si-ClSi-Cl 键能为键能为 0.5eV0.5eV。氯气与。氯气与 SiSi 反应生成的反应生成的 SiCl4SiCl4 可以与氧气反应生成可以与氧气反应生成SiOSiO2 2，这里氯气起到了催化剂的作用。，这里氯气起到了催化剂的作用。 Cl-Cl-能够中和积累在表面的电荷。能够中和积累在表面的电荷。 氯气能够与大氯气能够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。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。15.15. 简述在热氧化过程中杂质再分布的四种可能情况。简述在热氧化过程中杂质再分布的四种可能情况。如果假设硅中的杂质分布是均匀的，而且氧化气氛中又不含有任何杂质，则再分布有四种可如果假设硅中的杂质分布是均匀的，而且氧化气氛中又不含有任何杂质，则再分布有四种可能。能。分凝系数分凝系数 mml l，且在，且在 SiOSiO2 2中是慢扩散的杂质，也就是说在分凝过程中杂质通过中是慢扩散的杂质，也就是说在分凝过程中杂质通过 SiOSiO2 2表表面损失的很少，硼就是属于这类。再分布之后靠近界面处的面损失的很少，硼就是属于这类。再分布之后靠近界面处的 SiOSiO2 2中的杂质浓度比硅中高，硅中的杂质浓度比硅中高，硅表面附近的浓度下降。表面附近的浓度下降。mm1 1，且在，且在 SiOSiO2 2中是快扩散的杂质。因为大量的杂质通过中是快扩散的杂质。因为大量的杂质通过 SiOSiO2 2表面跑到气体中去，杂表面跑到气体中去，杂质损失非常厉害，使质损失非常厉害，使 SiOSiO2 2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 1，使，使硅表面的杂质浓度几乎降到零，在硅表面的杂质浓度几乎降到零，在 H H2 2气氛中的硼就属于这种情况。气氛中的硼就属于这种情况。mm1 1，且在，且在 SiOSiO2 2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。种杂质。mml l，且在，且在 SiOSiO2 2中快扩散的杂质。在这种情况下，虽然分凝系数大于中快扩散的杂质。在这种情况下，虽然分凝系数大于 1 1，但因大量杂质，但因大量杂质通过通过 SiOSiO2 2表面进入气体中而损失，硅中杂质只能不断地进入表面进入气体中而损失，硅中杂质只能不断地进入 SiOSiO2 2中，才能保持界面两边杂质中，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。质。对于对于 mm1 1，而且也没有杂质从，而且也没有杂质从 SiOSiO2 2表面逸散的情况，热氧化过程也同样使硅表面杂质浓度表面逸散的情况，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 SiOSiO2 2，由此，要使界面两，由此，要使界面两边具有相等的杂质浓度边具有相等的杂质浓度(m(m1)1)，那么杂质必定要从高浓度硅中向低浓度，那么杂质必定要从高浓度硅中向低浓度 SiOSiO2 2中扩散，即硅中中扩散，即硅中要消耗一定数量的杂质，以补偿增加的要消耗一定数量的杂质，以补偿增加的 SiOSiO2 2体积所需要的杂质。体积所需要的杂质。16.16. 一片硅片由一片硅片由 0.3um0.3um 厚的厚的 SiOSiO2 2薄膜覆盖。所需数据见下表，玻尔兹曼常数薄膜覆盖。所需数据见下表，玻尔兹曼常数 k=1.3810-23k=1.3810-23。（1 1）在）在 12001200下，采用下，采用 H H2 2O O 氧化，使厚度增加氧化，使厚度增加 0.5um0.5um 需要多少时间？。需要多少时间？。（2 2）在）在 12001200下，采用干氧氧化，增加同样的厚度需要多少时间？下，采用干氧氧化，增加同样的厚度需要多少时间？B BB/AB/A氧化工艺氧化工艺C C1 1=7.72*10=7.72*102 2mm2 2h h-1-1; ;E E1 1=1.23eV=1.23eVC C2 2=6.23*10=6.23*106 6mm2 2 h h-1-1; ;E E2 2= 2.0eV= 2.0eV干氧干氧C C1 1=2.14*10=2.14*102 2mm2 2 h h-1-1; ;E E1 1=0.71 eV=0.71 eVC C2 2=8.95*10=8.95*107 7mm2 2 h h-1-1; ;E E2 2=2.05eV=2.05eV湿氧湿氧H H2 2O OC C1 1=3.86*10=3.86*102 2mm2 2 h h-1-1; ;E E1 1=0.78 eV=0.78 eVC C2 2=1.63*10=1.63*108 8mm2 2 h h-1-1; ;E E2 2=2.05 eV=2.05 eV10.10.Si-SiO2Si-SiO2 界面电荷有哪几种？简述其来源及处理办法。界面电荷有哪几种？简述其来源及处理办法。可动离子电荷可动离子电荷 Q Qmm来源：主要来源于来源：主要来源于 Na+Na+等网络改变者。等网络改变者。解决办法：为了降低解决办法：为了降低 Na+Na+的玷污，可以在工艺过程中采取预防措施包括的玷污，可以在工艺过程中采取预防措施包括使用含氯的氧化工艺；使用含氯的氧化工艺；用氯周期性地清洗管道、炉管和相关的容器；用氯周期性地清洗管道、炉管和相关的容器；使用超纯净的化学物质；使用超纯净的化学物质；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。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。氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷 Q Qotot来源：在氧化层中有些缺陷能产生陷阱，这些缺陷有：悬挂键；来源：在氧化层中有些缺陷能产生陷阱，这些缺陷有：悬挂键；界面陷阱；硅界面陷阱；硅- -硅键的伸展；断键的氧原子硅键的伸展；断键的氧原子( (氧的悬挂键氧的悬挂键) )；弱的硅；弱的硅- -硅键硅键( (它们很容易破它们很容易破裂，面表现电学特性裂，面表现电学特性) )。扭曲的硅。扭曲的硅- -氧键；氧键；Si-HSi-H 和和 Si-OHSi-OH 键。产生陷阱电荷的方式主要有键。产生陷阱电荷的方式主要有电离辐射和热电子注入等电离辐射和热电子注入等解决办法：减少电离辐射陷阱电荷的主要方法有三种：解决办法：减少电离辐射陷阱电荷的主要方法有三种：选择适当的氧化工艺条件以改善选择适当的氧化工艺条件以改善 SiOSiO2 2结构。为抗辐照，氧化最佳工艺条件，常用结构。为抗辐照，氧化最佳工艺条件，常用 10001000干氧氧化。干氧氧化。在惰性气体中进行低温退火在惰性气体中进行低温退火(150-400(150-400) )可以减少电离辐射陷阱。可以减少电离辐射陷阱。采用对辐照不灵敏的钝化层，例如采用对辐照不灵敏的钝化层，例如 A1A12 2O O3 3，SiSi3 3N N4 4等。等。氧化层固定电荷氧化层固定电荷 Q Qf f来源：通常是由来源：通常是由 Si-SiOSi-SiO2 2之间过渡区的结构改变引起的。该区中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。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。处理办法：快速退火能有效地减小氧化层固定电荷密度。右图为处理