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电子科学与技术学院
集成电路工艺原理
期末成绩考核报告
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1)在离子注入工艺中,有一道工艺是”沟道器件轻掺杂源(漏)区”,其目的是减小电场峰植和热电子效应!请详尽解释其原理。 【10分】
对于一定沟道掺杂浓度的M o s 器件而言, 当沟道长度减小、源漏结的耗尽宽度可与沟道长度相比拟时
( 沟道长度达到亚微米),沟道中的电位分布由横向电场凡和纵向电场凡同时控制, 因此电位分布是两维的, 长沟道近似( 即Ex>>Ey) 不再有效。由于这种短沟道效应而引起的两维电位分布会引起阂值电压降低且与沟道长度和漏压有关, 源漏发生穿通而使源漏击穿电压下降, 亚阂值电流增大,在饱和区, 电流无法饱和。当电场增加时, 沟道迁移率变小并且变得与电场强度有关, 最后, 载流子速度达过饱和。当电场进一步增加时漏区附近产生载流子多次再生效应, 产生热载流子, 使衬底电流增加和产生寄生的双极晶体管效应. 高电场也使热载流子向栅氧化层中注入, 导至氧化层陷阱电荷和界而陷阱电荷增加, 亚阐值电压漂移, 亚闺值电流增加, 跨导退化。因为这些短沟道效应, 使器件性能变坏, 可靠性下降, 甚至不能正常工作。所以,要研制
短沟道器件, 就必须消除或减小这些效应, 使短沟道器件具有高速、低功耗、高密度的优点。为减小上述效应, 从原理上看, 就要减小漏端电场当然, 减小工作电压也可以减小漏端电场, 但工作电压不能等比例下降.因此, 只有改变器件的结构, 使漏端电场下降以抑制短沟道效应。
轻掺杂漏区（LDD）结构用栅作为掩膜中低剂量在栅下紧贴沟道区边缘注入形成（n-或p-注入），随后是大剂量的源漏注入（n+或p+注入）。源漏注入用栅氧化物侧墙作为掩膜。在高浓度源漏区和低浓度沟道区之间形成渐变的浓度梯度，使本体的+n 漏区离开高场区, 有效的减小了漏端电场的峰值，减少了热载流子，解决了短沟道效应这一难题。
2)在电极形成工艺中,用到金属Ti,请详尽说明金属Ti的相关工艺, 以及金属Ti在相关电极结构中的作用。 【10分】
1、双辉等离子表面冶金Ti-Cu阻燃合金的制备工艺 利用双层辉光离子渗金属技术，在Ti-6Al-4V的表面渗入Cu元素，在其表面形成Ti-Cu阻燃合金层。合适的工艺参数为：
渗铜3.5h，渗层厚度可达到200um以上。阻燃合金层的成分呈梯度分布，显微组织为基体组织加弥散分布的Ti2Cu金属间化合物。 2、电化学还原TiO2制备金属钛的工艺 采用熔盐电解法，在熔盐CaCl2中以烧结TiO2为阴极，石墨棒为阳极制备出金属钛。 3、钛及钛合金熔炼技术工艺
工业化生产中最有历史的并且最常用的钛熔炼设备是VAR炉（真空电弧熔炼炉），今年来发展最快的是电子束冷床熔炼炉和等离子束冷床熔炼炉，首先是用电子束，然后是离子束，随后该技术快速发展并加入到了过去由VAR熔炼主导的工业领域中。 金属钛在电路中的作用：
钛金属在CMOS制作过程的接触形成工艺中可以使硅和随后淀积的导电材料更加紧密地结合起来。钛的电阻很低，同时能够与硅发生充分反应。当温度大于时，钛跟硅发生反应生成钛的硅化物。钛和二氧化硅不发生反应，因此这两种物质不会发生化学的键合或者物理聚合。因此钛能够轻易的从二氧化硅表面除去，而不需要额外掩膜。钛的硅化物在所有有源硅的表面保留了下来。
1、 金属钛淀积：一薄阻挡层金属钛衬垫于局部互连沟道的底部和侧壁上。这一层钛充当了钨与二氧化硅间的粘合剂。
2、 氮化钛淀积：氮化钛立即淀积于钛金属层的表面充当金属钨的扩散阻挡层。
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3)在超大规模集成电路刻蚀工艺中,会出现侧壁的横向钻刻现象,如何在工艺中改善此现象。【10分】
理想的光刻以后的蚀刻工艺希望是单方向、垂直向下的，即希望它是各向异性的。但实际的蚀刻都不仅仅是单向的；还有横向腐蚀。由于刻蚀的各向同性，导致在刻蚀中侧壁会出现横向钻刻的现象。为了改善这种现象我们可以采取以下措施：
图3-1 硅的各向异性刻蚀
1. 在湿法（化学）刻蚀的时候，我们选择的化学腐蚀剂应该对某个晶面的腐蚀速率与其它晶面存
在明显的差异；即具有明显的各向异性腐蚀性能，例如，一种由水与乙烯二胺临苯二酚 （EDA：ethylene diamine pyrocatechol）组成的腐蚀液，在100℃下在垂直于硅的<100>，<110>和<111>晶面方向的腐蚀速率分别是50: 30: 3（mμ/h）。这样，由于 <111>的晶面法线方向的腐蚀速率特别低，由各向异性腐蚀结果，（假设腐蚀出的孔腔的边界就是<111>的晶面，衬底是<110>晶面）如图3-1所示, 则获得很好的垂直向下的蚀刻结构。同时在腐蚀反应之后的产物应该能够溶解于反应溶液里，能轻易的被带走，而不以不溶粒子的形式停留在沟道里，损坏侧壁形成横向钻刻。 2. 除了用溶液刻蚀，还可以用气体腐蚀剂的化学反应来进行刻蚀（气相刻蚀） 。同时要求反应生
成物要是气体，能轻易被带走。虽然在高气压下，气相反应的腐蚀趋向是各向同性的，但我们可通过控制气流喷出的方向对腐蚀的方向性有所控制，从而防止横向钻刻现象。 3. 利用溅射刻蚀（干法刻蚀），利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，当其轰
击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的，它的方向性很强，可以做到各向异性刻蚀，能够有效的防止横向钻刻现象，但不能进行选择性刻蚀 ，如图3-2所示。
图3-2 溅射的物理过程示意图
4.在刻蚀过程中我们还可以加入侧壁钝化气体，例如，C4F8，通过在刻蚀过程中引入少量的O2,使得在刻蚀Si深槽过程中侧壁形成由氧离子辐照产生的SiO2薄膜和CFx聚合物淀积产生的双层保护层,强烈保护Si槽侧壁不被刻蚀,保证了良好的各向异性刻蚀。
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4)对比说明正性光刻胶和负性光刻胶在曝光过程中各自的优缺点。 【10分】
1. 负性光刻胶
负性光刻胶。树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯；感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，在紫外线的曝光下，产生的自由基在橡胶分子间形成交联,变硬。从而使曝光后的光刻胶不溶解于显影液当中。未曝光的负性光刻，由于未发生交联，因此很软可以溶解于溶剂当中。
负性的光刻胶具有良好的粘附能力、良好的阻挡作用、同时感光速度很快，是最早的光刻胶；但是曝光交联的光刻胶在清洗的过程中会吸收显影液膨胀和变形。所以只能用于2μm的分辨率。
2. 正性光刻胶
正性光刻胶。树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性，它在感光剂重氮萘醌(DNQ)--一种强烈的溶解抑制剂的溶液下，难以溶解于显影液当中。但是在紫外线的曝光后，DNQ在光刻胶中化学分解，成为溶解度增强剂，大幅度提高显影液中的溶解度因子至100或者更高。这种曝光反应会在DNQ中产生羧酸，它在与碱性的显影液进行中和反应迅速的溶解于显影液当中。
正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。它的分辨率高可以达到0.5μm、台阶覆盖好、对比度好，取代了负性光刻胶是当今主要用的光刻胶；但是粘附性差、抗刻蚀能力差、而且成本也比较高。
5)请尽可能详细阐述一般在集成电路工艺中有几种沾污，以及每种沾污对Si集成电路器件特性的影响和相应的洗净工艺技术。 【15分】
一般在集成电路工艺中有五种玷污：1.颗粒2.金属杂质3.有机物玷污4.自然氧化层5.
静电释放
1． 颗粒：颗粒是能够粘附在硅片上的小物体。悬浮在空气中传播的颗粒被称为浮质。如图5-1,为
各种颗粒的相对尺寸分布图。
图5-1 颗粒相对尺寸
在半导体制造中，可以接受的尺寸的粗糙度尺寸的粗略法则是它必须小于最小器件特征尺寸的一半，大于这个尺寸的颗粒会引起致命的缺陷从而器件报废。在集成电路中最小的特征尺寸为0.18μm，人体头发的直径是它的500倍，如图5-2所示。
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图5-2 人类头发对0.18微米颗粒的相对尺寸
它能够造成Si集成电路器件之间的开路以及短路。而且它还很有可能是金属杂质.有机物玷 自然氧化层以及静电释放的玷污来源。在硅片上越高的颗粒密度，越发容易产生这类致命的缺陷。 2． 金属杂质：半导体工艺制作中金属化合物也是一种玷污源。危害半导体工艺的典型金属杂质 碱金属。碱金属普遍存在于我们常见的化学物品和工艺当中，它们来自于IA族，是极端活泼的元素，它们非常容易失去一个电子成为阳离子，与非金属阴离子反应形成离子化合物。如图5-3为典型的金属杂质元素。
图5-3典型的金属杂质元素
一般来说金属玷污有两种来源，第一种是雷子化学溶液或者半导体制造中的各种工序；另一种是化学品同传输管道和容器的反应。例如,CO气体能与不锈钢反应生成镍的四羟基化物颗粒分布在硅表面。这些颗粒可以导致器件的缺陷增加。
金属可以通过两种途径淀积在硅片的表面上。第一种途径，金属通过金属离子与位于硅片表面的氢原子的电荷交换而被束缚在硅表面上，这类金属杂质很难消除。第二种途径，当表面氧化时金属杂质分布于氧化层内，只能通过去除硅片表面的氧化层来去除。所以氧化工艺的洁净度是非常关键的。
金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为可动离子玷污（MIC）。它能够严重损害器件的电学性能和长期可靠性。未经处理的化学品中的钠是典型的,最为普遍的MIC之一，一个食盐单个晶粒足以破坏5000个硅片（150mm直径）表面上的芯片。
金属杂质能够带来许多的问题。它能够导致半导体制造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。同时还包括PN结上泄漏电流的增加以及少数载流子寿命的减少。MIC玷污能够改变开启晶体管所需要的阈值电压。如图5-4。由于MIC性质活泼，它们可以再电学测试和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间失效。
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