2022年硅集成设计电路-杨正春-考试题库.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆1. 请描述晶圆的主要晶向和类型,画出主切变与副切边的关系示意图,并指出 Bipolar 答：和 CMOS最常用的晶圆类型； 5 分 （c）P型 （d）N型 Bipolar 主要采纳 晶圆,而 CMOS主要采纳 P型 晶圆；2. 请将常用 IC 制造工艺归纳为四大基本工艺,艺；（5 分）答：并指出各包含详细工（1）Adding：Doping, layer growth, and deposition （2）Removing：Etch, clean, and CMP （3）Patterning：photolithogra

2、phy （4）Heating ：Annealing, alloying, and reflow 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆3. 简述扩散和离子注入的概念,并对比两者的特点；（5 分）答：扩散是一种材料通过另一种材料的运动,是一种化学过程； 扩散发生需要两个条件：浓度差；能量；离子注入是将要扩散的杂质转换为高能离子的形式,然后注入到硅体内的一种扩散方法；离子注入与扩散的比较扩散 离子注入较高的温度下进行, 且需要坚硬的掩模 掺杂区是各向同性的 不能够独立的掌握掺杂的浓度和掺杂较低温度

3、下即可进行,对掩模的要求较低,一般的光刻胶就可以满意要求 掺杂区是各向异性的 能够独立的掌握掺杂的浓度和掺杂的结的的结的深度 深度只能用于成批的工艺生产中即可用于成批的生产工艺也可以用于单个 晶片的生产工艺中4. 说明离子注入中的沟道效应,并给出排除或削减沟道效应的工艺 方法；（10）答：在单晶靶中, 原子的排列是有规律和周期性的,因此靶原子对入射离子的阻止作用是各向异性的, 取决于晶体的取向, 因而入射离子入射方向不同将得到不 同的射程；当入射离子沿某些低指数轴向的方向注入时,入 射离子有可能沿晶 轴方向穿透的比较深, 这种现象称为离子注入的沟道效应；入射离子进入沟道并 不意味着肯定发生沟道

4、效应, 只有当入射离子的入射角小于某一角度 时才会发生,这个角称为临界角； 离子以小于临界角的角度注入,子核的碰撞,显现沟道效应；它在沟道中很少受到原在实际生产过程中, 为了使掺杂物质在器件中的分布尽量匀称,常实行肯定的措施来防止沟道效应的产生；常用的方法有：（1）使注入离子入射方向与硅晶片的晶面取向之间形成肯定的角度；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆（2）在 Si 表面镀上一层非晶硅；（3）将硅晶片表面预先用Ar 离子处理使之形成非晶层或用光掩模胶涂覆；5. 请描述集成电路制造中的三种

5、扩散类型及各自的特点,并画出不同扩散方式对应杂质分布示意图；答：扩散类型及特点如下：（1）恒定表面源扩散：表面浓度肯定下,扩散时间越长,杂质扩散距离就 越深,扩散到硅片的杂质数量就越多；（2）有限表面源扩散：扩散时间越长,杂质扩散得也就越深,表面浓度越 低；扩散时间相同时,扩散温度越高,杂质扩散越深；（3）两步扩散：包括预扩散和再分布两个过程, 预扩散为恒定表面源扩散,而再分布过程为有限表面源扩散,实际生产应用主要采纳方法；各种扩散方法对应杂质分布是示意图如下：（a）恒定表面源扩散（b）有限表面源扩散名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - -

6、- - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆（c）两步扩散发的预扩散和再分布6. 请描述氧化的三种方法及其特点（5 分）答：依据氧化剂的不同可以将氧化分为三种：（1）干氧氧化,干氧氧化是指在高温下,氧气与硅反应产生二氧化硅；其特点是所得的二氧化硅重复性好,掩蔽性好,结构致密；（2）水汽氧化,水汽氧化是指在高温下,硅与高纯水产生的蒸汽反应生 成二氧化硅；其特点是所得二氧化硅匀称性和重复性较好,结构较为致 密,掩蔽性基本满意；由于氢氧根在硅中扩散速度大于氧气在硅中的扩 散速度,故其氧化速度比干氧氧化速度快；（3）湿氧氧化,湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧气,这些氧气会带 有肯定量的水蒸气,最终是

7、参加氧化的氧化剂除了氧气仍有水蒸气；其 生成的二氧化硅重复性比较差,结构疏松,掩蔽性差；氧化速度介于干名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆氧氧化与水汽氧化之间；7. 请简述基本光刻工艺的过程及各步骤的作用？（10 分）答：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的操作,可以分以 下步骤进行：1 表面预备：清洁和干燥晶圆表面；2 前烘 : 使衬底脱水；3 打底胶：提高光刻胶的粘附性；4 涂光刻胶：在晶圆表面建立薄而匀称并且无缺陷的光刻胶膜；5 软烘焙：加热蒸发掉部分光刻胶溶剂,削减溶

8、剂光敏聚合物中正常的化学反 应,并提高光刻胶的粘结才能；6 对准和曝光：掩膜版和图形在晶圆上的精确对准和光刻胶的曝光；7 后烘：减小驻波效应；8 显影：去除可溶于显影液的部分光刻胶；9 硬烘焙：使溶剂连续蒸发,固化光刻胶,提高其粘结才能,从而增强其耐刻 蚀性；10 显影目检：检查表面的对准情形和缺陷情形检查是否失真；11 刻蚀：在光刻胶的爱护下将光刻胶的开口处晶圆顶层材料刻蚀去除；12 光刻胶去除：去除晶圆表层的光刻胶；13）最终检测：表面检查以发觉刻蚀的不规章和其他问题8. 何谓刻蚀？刻蚀速率？刻蚀的挑选性？湿法刻蚀和干法刻蚀的比较？答：刻蚀是将形成在晶圆表面上的薄膜全部,或特定处所去除至必

9、要厚度的制程；刻蚀速率是单位时间内去除的刻蚀材料厚度或深度；刻蚀的挑选性, 又称刻蚀速率比,是指在刻蚀过程中不同材料的刻蚀速率比；湿法刻蚀主要采纳化学腐蚀进行,是传统的刻蚀工艺； 它具有各向同性的缺名师归纳总结 点,因而精度差,线宽一般在3um以上；而干法刻蚀（又称等离子体刻蚀）是因第 5 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆大规模集成电路生产的需要而开发的精细加工技术,大限度上保证了纵向刻蚀；它具有各向异性特点, 在最Etch Bias Wet Etch m Dry Etch Unacceptable for

10、3Minimum Etch Profile Anisotropic to isotropic, controllable Isotropic Etch rate High Acceptable, controllable Selectivity High Acceptable, controllable Equipment cost Low High Throughput High batch Acceptable, controllable Chemical usage High Low 9.请说明铝布线中的“ 小丘” 及“ 共熔” 现象,它们带来的危害及主要解决方法？答 : 加热时 Al

11、中将产生较大应力,由于紧紧附着在晶片上的 Al 产生的热膨 胀远大于 SiO2,为了释放该应力,部分 Al 被挤压出来形成“ 小丘”；“ 小丘” 的危害：将造成各层互连线之间的短路,同时引起表面的不平整,从而给光刻和刻蚀带来更大的困难；“ 小丘” 的解决方法：在 Al 中添加在 Al 中具有有限溶解度的元素, 例如铜,可以抑制小丘的形成；“ 共熔” 现象是指当两个物质相互接触并进行加热的话,它们的熔点将比各 自的熔点低得多；“ 共熔” 的危害：铝和硅能够相互溶解, 所形成的合金能够溶解进硅晶片内,形成“ 尖刺” 效应,假如其表面有浅结点的话, 合金区域将扩散并进入这些结点,从而造成这些结点的短

12、路；“ 共熔” 的解决方法 : 1 在硅和金属层之间增加一个金属隔离层来隔离金属层和硅,以此来防止 共熔现象的发生；2 采纳含硅 1%-2%的铝合金,在接触加热的处理中,铝合金更倾向于和合 金内部的硅发生作用,而不是晶片中的硅；名师归纳总结 10. 请对比正负光刻胶的主要特点（5 分）第 6 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆正胶 负胶曝光部分可溶解 曝光部分不行溶解曝光速度不够快 曝光速度快粘附性差 粘附性好辨论率高（对比度高）辨论率差 3 m 未曝光的区域不受显影液的显影时曝光区域简单变形和膨影响 胀在 I

13、C 制造中应用更为普遍曝光时间刻胶可与氮气反应从 而抑制其交联而不能够硬化 11.请对比湿法腐蚀与干法刻蚀的主要特点？（5 分）答：在湿法腐蚀的过程中,通过使用特定的溶液与需要被腐蚀的薄膜材料进行化学反应,进而除去没有被光刻胶掩盖区域的薄膜；干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击完 成去除物质的方法；由于在刻蚀中并不使用溶液,所以称之为干法刻蚀；刻蚀应用线条干法刻蚀湿法刻蚀较小3 微米以上刻蚀取向各向异性各项同性刻蚀速率低,可控可调剂高挑选性低,可控高设备成本高低设备产出高,可控高化学药品消耗低高12. 什么是驻波效应？请列出排除驻波效应的工艺方法及排除原理；（10）答

14、：驻波效应是由于入射光与反射光产生干涉使沿胶厚的方向的光强形成波峰和名师归纳总结 波谷产生的；排除驻波效应的主要方法：第 7 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆（1）采纳热烘烤（ PEB）技术排除驻波效应；原理：通过加热,利用分子的热运动平滑驻波效应产生的不平整；（2）利用带染色剂的光刻胶排除驻波效应；原理：带染色剂的光刻胶可将大部分或几乎全部的入射光吸取,干涉,所以可排除驻波效应；防止其反射； 这样入射光就不能和反射光产生（3）加抗反射层；原理：通过加入抗反射层可以转变反射光的波长差,使 反射光无法和入射光发

15、生干涉,所以可以排除驻波效应；13. 请简述 CVD的主要过程（ 10 分）答：化学气相沉积的主要步骤如下：（1） 反应剂（或被惰性气体稀释的反应剂） 气体以合理的流速被输送到反应室 内,气流从 入口进入反应室并以平流形式向出口流淌；（2） 反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底（如硅片） 表面, 边界层是主气流区与硅片表面之间气流速度受到扰动的气体薄层；（3） 反应剂被吸附在硅片的表面,成为吸附原子（分子）；（4） 吸附原子（分子）在衬底表面发生化学反应,生成薄膜的基本元素并淀积成薄；（5）化学反应的气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面,进入主气流区被排除系统；14. 请描述电迁移现

16、象及改进电迁移的方法（10 分）答：金属化引线中电迁移现象是一种大电流密度作用下的质量输运现象；Al薄膜一般情形下多晶材料,由很多单晶粒组成,电流沿Al 线传输时,电子连续地轰击 Al 晶粒,其中的小晶粒在电子流作用下开头移动,这种现象被称为“ 电 迁移” ；质量输运是沿着电子流方向进行,结果在一个方向上形成空洞,在另一 个方向就由于 Al 原子的积累而形成小丘；空洞将导致互连引线的开路和断裂,而小丘会造成光刻的困难和多层布线之间的短路；电迁移的本质： 导体原子与通过该导体电子流之间的相互作用； 当电子风作用力处于主导位置时, 发生电迁移；改进电迁移的主要方法如下：名师归纳总结 - - - -

17、 - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆（1）考虑结构的影响,采纳“ 竹状” 结构,使得晶粒间界垂直于电流方向,晶粒间界的扩散不起作用；（2）采纳能够改善 MTF的合金材料体系,如Al-Cu 合金或 Al-Si-Cu合金；（3）在两层金属之间增加过渡层,形成三明治结构,改善电迁移；（4）采纳抗电迁移特性好的材料 新型的互连材料 -Cu ；15. 请对比薄膜沉积两种主要方法（PVD和 CVD）,并分别列出四种以上的 CVD和 PVD类型；对比各种溅射方法的特点； （10 分）答：化学气相沉积（ CVD）是气相反应物在真空腔体

18、中反应生成薄膜的沉积工艺,具有以下特点：保形好,能够很好地沉积化合物薄膜,薄膜沉积时表现为各向同性；而物理气相沉积（PVD）就是物理阵法或轰击靶材,最终在基片表面形成薄膜的沉积方法, PVD特点在于高真空下有利于形成高质量的薄膜,多表现为各项异性；（1）CVD的主要类型： APCVD；LPCVD；PECVD；MPCVD；MOCVD（2）PVD的主要类型：蒸发和溅射,蒸发包括热蒸发和电子束蒸发等溅射就主要包括：a 直流溅射：阴极溅射,适用于金属靶材；b 射频溅射： 13.56MHz高频作用,形成自偏压,非金属靶材也可以；c 磁控溅射： E、B垂直加速电子,显著提高薄膜沉积速率,低压下改善了薄膜质

19、量；d 反应溅射：单质靶材表面反应,形成化合物表面,溅射得到其化合物薄膜；e 离子束帮助溅射：超薄高质量薄膜的沉积；f 偏压溅射：利用外加偏压转变入射离子的数量和能量,进而转变薄膜的性能；16. 请结合图描述硅外延生长速率与 分）SiCl 4浓度的关系及其缘由；（15名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆硅外延生长速率与 SiCl 4 浓度的关系答：生成硅的反应方程式：SiCl4（g）+2H2（g） . Si （s）+4HCl （g）竞争反应： SiCl 4（g）+ Si （s）. 2SiCl

20、 2（g）随着 SiCl4 的浓度的增加,硅薄膜的生长速率逐步增加；当浓度达到肯定程 度时,生长速率达到最大值,进一步增加浓度,生长速度减小；当 SiCl 4 的浓度 达到肯定大时,生长速率减小到零,再增加浓度,开头负生长,即开头刻蚀；硅外延生长速率主要受两个过程掌握,其一是氢仍原 SiCl 4析出硅原子过程, 其二是被释放出来的硅原子在衬底上生成单晶层的过程；也就是说 SiCl 4被氢仍原析出硅原 子的速度,以及析出的硅原子有规章地排列在衬底上的速度中较慢的一个将打算外 延生长速率；当 SiCl 4 浓度较小时, SiCl 4 被氢仍原析出硅原子的速度远小于被释放 出来的硅原子在衬底上生成单

21、晶的速度,因此化学反应速度掌握着外延层的生长速 率；当增加 SiCl 4 浓度时,化学反应速度加快,即释放硅原子的速度加快,生长速 率也就提高了；当 SiCl 4 浓度大到肯定程度时,化学反应释放出的硅原子速度大于 硅原子在衬底表面的排列生长速度,此时在衬底表面的排列生长速度就掌握着外延 生长速率；进一步增大 SiCl 4 浓度,也就是当 Y 值达到 0.1 时,生长速率最大；高浓度的 SiCl 4不仅不能再生成外延硅, 而且开头刻蚀刚生成的硅外延层,整体表现 为硅生长速度减慢, 当 SiCl 4 的浓度增长到 0.27 时,刻蚀速度大于生长速度, 整体 表现为逆生长；17. 请比较 IC 制

22、造工艺过程中常用的四种平整化方法,并指出其他平坦化方法相比, CMP具有的优缺点；（15 分）答: 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆种类工艺流程特点热回流采纳 BPSG或 PSG进行薄膜沉积,再需要高温进行,有时要求1000,适于在高温下进行热回流实现介质局部PMD 平整化薄膜沉积后通过刻蚀工艺形成广口回蚀法外形,二次薄膜沉积填充后再进行简单进行,但刻蚀成效不易掌握刻蚀实现局部平整化； 或者通过 PR的填充及回蚀实现局部平整化；旋涂玻璃法有机硅烷 SOG 涂布后再对其热处对高低起伏的外观的 “ 填沟才能”较好；但易形成微粒,有鬼裂、剥离现象,存理而使之平整化在残余溶剂释放问题；成本低廉,但膜质疏松不稳固化学机械抛光在化学反应作用下,形成易去除 化学与机械的亲密协作,的反应产物,再在研磨料与抛光垫的机械作用下脱离抛光表面 可以实现全局平整化与其他平整化方法相比,CMP具有以下特点：（1） 是一种全局平整化方法,能够在较大面积内实现高度平整化,是 0.25 微米之后 IC 工艺的关键必需工艺之一；（2） 进一步降低了表面缺陷,提高了器件制作的良率；（3） 设备昂贵,要求掌握精度高；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页