集成电路工艺原理答案2-5

第二次作业1． （ 1）随着 MOS 器件尺寸不断缩小，栅氧化层的厚度也必须同时减薄。在此情况下，请问 MOS 器件对 Na＋的玷污的敏感度是增加了还是降低了，为什么？（ 2） 在栅氧化层厚度不断减薄的情况下， 对于硅片衬底的掺杂 （或者器件沟道区的阈值电压的调整注入） ，必须采用什么样的措施才能保证器件的阈值电压不变，为什么？答： （ 1）根据阈值电压2 (2 )2 s A f MTH FB fox oxqN qQV VC Cε φφ= + + +当 tox 减小时， Cox会增加， 所以此时同样的载流子数量 QM对 V TH有更小的影响， 即 MOS器件对 Na＋的玷污敏感度会降低。（ 2）通过上面的分析，可知，在 tox减薄时 ， ， Cox增大 ，为使 V TH保持不变，衬底（或沟道区掺杂浓度 N A必须增大。2． 2、基于使水（ H 2O）中的氧（ O2）含量达到饱和并以此作为氧化剂的方法，目前已经提出了一种新的清洗程序，即采用 H2O/O2取代 H2O2。假定硅片受到了微量的金、铁和铜原子的玷污，这种新清洗工艺能够有效去除杂质吗？为什么？答：如课文所述，清洗硅片表面金属离子包含了下面的化学原理：z eM M z+ -←? → +所以清洗金属离子机理就是使金属离子氧化变成可溶性离子， 从而洗去， 利用氧化剂来实现清洗硅片就要求此氧化剂的标准氧化势要低于被还原的金属离子，从而使金属离子失去电子。从下表可知：O2/H 2O的氧化势大于 Au， 低于 Cu和 Fe， 所以 O2/H2O氧化剂可以去掉 Cu和 Fe， 但无法去除金。第三次作业1． 对于 NA ＝ 0.6 的曝光系统，设 K1 ＝ 0.6， K2＝ 0.5，考虑 100nm－ 1000nm 之间的波长，计算其在不同的曝光波长下的理论分辨率和焦深， 并作图， 图中标出常用的光刻波长 （ i线， g 线， KrF ， ArF ） ， 根据计算和图， 请说明 ArF 对于 0.13um 和 0.1um 技术是否足够？答：根据公式：1 0.6 0.6R k NAλ λ= = 和2 2 20.5( ) (0.6)DOF k NAλ λ= ± = ±对 g 线： λ ＝ 436nm，则 R＝ 436nm， DOF ＝ 605.6nm 对 i 线： λ ＝ 365nm，则 R＝ 365nm， DOF ＝ 506.9nm 对 KrF: λ ＝ 248nm，则 R＝ 248nm， DOF＝ 344.4nm 对 ArF ： λ ＝ 193nm，则 R＝ 193nm， DOF ＝ 268.0nm 所得图如下所示：2． 假定某种光刻胶可以 MTF ＝ 0.3 分辨图形，如果曝光系统 NA ＝ 0.4， S＝ 0.5，则采用 i线光源时光刻分辨的最小尺寸是多少？答：由 ppt讲义上图知： MTF ＝ 0.3， S＝ 0.5 时，对应空间频率 y＝ 0.57yoi 线 λ ＝ 365nm， 0 0.4 1.80/0.61 0.61*365NAy unmλ= = = m即分辨率是每 um 1.80× 0.57＝ 1.02 条所以最小线条的分辨尺寸为 1/2pitch ＝ 0.49um， pitch＝ 0.98um 第四次作业1． 根据表格 1 中给定的值计算光刻胶 Az－ 1450 的 4 个波长的 CMTF 。假定 NA＝ 0.4， S＝ 0.5。应用 MTF/S 空间频率图，求出表格 2 中的其他参数。波长（ nm） 对比度 r 248 0.7 313 3.4 365 3.6 436 3.6 答：根据 0 1 10.61 , ,2R V wNA R Vλ= = =和1110 110 1rrCMTF -=+并根据图空间频率图得出结果如下表所示：2． 对于 157nmF 2准分子曝光系统，假定数值孔径 NA ＝ 0.8， k1＝ 0.75，估算理论分辨率的值。 这种系统的实际使用表明其分辨 0.07um的能力， 请问系统采用哪些手段可以使实际分辨率超出理论值？请建议三种方案，并做解释。答： 1 0.1570.75 0.1470.8umR k uNA mλ= = =该系统的实际使用表明具有 0.07um 的分辨能力，这一实际值超出理论值的情况可通过以下三种方案实现。（ 1） 光学临近修正（ OPC） ，其原理是在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形，从而提高其实际分辨率。（ 2） 移相掩模技术（ PSM） ，设计一个更复杂的光刻掩模版，在光刻版上施加一种材料，使得光线精确的移相 180o，其所添加的图形周期为初始光栅的一半，所得到的空间质量大大提高，由此提高所印制的空间图像的分辨率。如图所示（ 3） 离轴照明技术（ OAI ） ，理论上 11(1 )R k NA Sλ θ= + + ，因此假如 1 (1 )NA Sθ = + 时，R 可提高一倍。在投影曝光系统中，掩模图形的空间像的对比度（ MTF ）依赖于投影物镜中参与成像的 1 级以上衍射光的比例。由于手机了较多高频信号，离轴照明技术通过降低成像光束中的低频成分来提高高频成分在总光强的比例，从而提高空间像的对比度（ MTF ） 。该技术实现与传统照明方式相同的分辨率，可以用较低的NA ，因此焦深可以增加。其原理如下图所示3． 一个 X 光曝光系统，使用的光子能量是 1Kev ，如果版和硅片间距为 20mm，估算该系统所能达到的理论衍射分辨率。答： hcE hv λ= =15 10 137(4.14*10 sec)(3*10 sec )101.24*10 1.24hc eV cmE eVcm nmλ- --∴ = == =在接近式曝光系统中，可以区分的最小线条尺寸为：min 0.15W gλ= = um第五次作业1、 如果在 1000° C 进行干氧氧化，假设没有初始氧化层，则完成 1000? 栅氧化层需要多长时间？该氧化在线形区域、抛物线区域还是位于二者之间？如果改用湿氧氧化呢？答： （ 1）对干氧氧化T=1000＋ 273=1273K B=0.01042um 2hr-1 B/A=0.04476 umhr -1 t＝ Xo 2/B+XoA/B － τ =2.834hr （ 2）对于湿氧氧化B=0.33.698 um 2hr-1B/A=0.407658 umhr -1 t=Xo 2 /B + XoA/B=0.2755hr 2、 如果将上题中的氧化分两步实现，即先生长 500? 氧化层，然后再进行第二步氧化，实现总厚度 1000?的氧化硅。如果在 1000° C 进行干氧氧化，分别计算两步氧化各需要多长时间。答：由第一题得知： B=0.01042um 2hr-1 B/A=0.04476 umhr-1 t＝ Xo 2/B+XoA/B － τ =2.834hr＝ 0.987hr 第二次氧化时：t= (X o2-X i2)/B+(X o-X i)A/B=1.8373． 在 BJT 中， 需要生长 1um 场氧化来实现晶体管的隔离。 为了减少杂质扩散和堆跺层错的形成，氧化在 1050C 进行。如果在一个大气压下进行湿氧化，计算所需时间。假定抛物线系数和氧化时的压力呈线形关系，计算在 5atm 和 20atm 时所需的氧化时间。答： （ 1） 1 个大气压下湿氧化，根据表 6.2，得到B＝ 0.425 um2hr-1 B/A ＝ 0.840 umhr -1 则 z＝ 0 时，所需时间 t＝ Xo 2/B+XoA/B=1/0.425+1/0.840=3.543hour （ 2）假定抛物线系数与压力呈线性关系，而线性系数应当也与压力呈线性关系5atm： B=(B) i P=0.425*5 B/A=(B/A) i P=0.84*5 得出所需时间 t= Xo 2/B+XoA/B=0.709hour 20atm： B=(B) i P=0.425*20 B/A=(B/A) i P=0.84*20 得出所需时间 t= Xo 2/B+XoA/B=0.177hour 4．购买的一批硅片， p型杂质均匀掺杂浓度为 1016/cm 3 ,电阻率为 5 .硅片清洗后进行热氧化。在热氧化结束并去除氧化鬼后，发现硅片表层呈 n型，而体硅仍保持为 p型。1cm-Ω1）假定热氧化炉没有施主杂质污染，上述现象如何解释？2）下图给出的是纯硅中的掺杂浓度和电阻率之间的关系。参照该图，说明你的上述解释是否合理答： 1）氧化时杂质再分布，表面分凝。假如内部有 n 型杂质，在表面分凝；而 B（ p 型杂质）在表面耗尽。2）如果硅片是纯 p 型的，那么根据此图，有电阻率为 1.6ohm.cm;但是所给硅片的电阻率为5ohm.cm，所以体内除了供应商声称的 1016P 型杂质外，还有 N 型杂质 (比如磷 )，两者相补偿，使得总浓度减小，从而使电阻率增大。5：根据 D－ G 模型，热氧化动力学的进行开始是线性的，然后变成抛物线型的。推导发生在过渡段的氧化硅的厚度（ 1atm） ，并以干法氧化和水汽氧化为例，画出该厚度与氧化温度（ 800C－ 1200C）的关系图。如果氧化的压力为 20atm，而非前面的 1atm，从线性到抛物线性的过渡段内，厚度有什么变化？答：过渡段内 t= X o2/B+X oA/B ， 以初始氧化厚度为 0 计算认为当 X o ≥ A/10 时，且 X o≤ 10A时认为是过渡段的氧化层厚度 Xo 则 X 1=0.1A, X t＝ 9.9A B=C 1exp(-E 1/K oT) B/A=C 2exp(-E 2/K oT)/1.68 得出 A=C 1/C2*1.68*exp[(E 2-E1)/K oT] 1) 干氧氧化时， C1=7.72*10 2um2/hr, E=1.23ev, C 2=6.23*10 6um/hr, E2=2.0ev 得出 X 1=2.06*10 3exp(0.73ev/KT) X t=2.06*10 5exp(0.73 ev/KT) 2）湿法氧化时， C1=3.86*10 2um2/hr, E=0.78ev, C 2=1.63*10 8um/hr, E2=2.05ev 得出 X 1=3.94*10 -7exp(1.27ev/KT) X t=3.94*10 -5exp(1.27ev/KT) 若压力变为 20atm，在氧气中氧化， A 值会小于 1atm 时的值，故过滤段厚度会增大，而水汽氧化时，过滤段厚度无明显变化。6．将一硅片氧化（ X＝ 200nm） ，然后使用标准大额光刻和刻蚀工艺去掉中心部位的 SiO2，接着使用 n+掺杂工艺从÷形成如下图所示的结构。将此结构放入热氧化炉，在 900C下进行水汽氧化。在 n+区域的氧化硅比轻掺杂衬底要快得多。假定 n+区域的 B/A 是轻掺杂衬底的 4倍。在 n+区域的氧化硅厚度是否会达到衬底同样的厚度？如果会，何时达到相同厚度？该相同厚度为多少？请使用 D－ G模型计算。答：首先假设能达到衬底相同的厚度，用时为 t 则 T=1173.15k ， C1＝ 3.86× 102um2/hr， E1=0.78ev， C2=1.63*10 8um/hr ， E2=2.05ev 则 B=C 1exp(-E 1/KT)=0.173um 2/hr B/A=C 2exp(-E 2/KT)/1.68=0.154um/hr 设最终 n+区域厚度为 yum，衬底此时消耗 xum，则 y＝ x/0.45+0.2 又 y2/0.173+y/0.616=t=(y 2-0.22)/0.173+(y-0.2)/0.154 得到 y=0.314um 此时 t=y2/0.173+y/0.616=1.09hr 即此时相同厚度为 0.314um，用时 1.09hr