半导体工艺制造论文

请回答以下问题：

题目：（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!

题目：（2）在电极形成或布线工艺中,用到金属Ti,请详尽说明金属Ti的特性、金属Ti 的相关工艺、以及金属Ti在电路中的作用!

题目：（3）在化学气相淀积反应中低压会带来什么好处?

题目：（4）在光刻胶工艺中要进行，软烘，曝光后烘焙和坚膜烘焙，请详细说明这三步工艺的目的和条件。

题目：（5）请对Si（以一种刻蚀气体为例）和SiO2（以一种刻蚀气体为例）刻蚀工艺进行描述，并给出主要的化学反应方程式。

（每题20分，满分100分）

（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!

答：轻掺杂漏区（LDD）注入用于定义MOS晶体管的源漏区。这种区域通常被称为源漏扩展区。注入使LDD杂质位于栅下紧贴沟道区边缘，为源漏区提供杂质浓度梯度。LDD在沟道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。nMOS和pMOS的LDD 注入需用两次不同的光刻和注入。在源漏区浅结形成的同时MOSFET的栅也被注入。

LDD结构用栅作为掩膜中低剂量注入形成（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。如果没有形成LDD，在正常的晶体管工作时会在结和沟道区之间形成高电场。电子在从源区向漏区移动的过程中（对n沟道器件）将受此高电场加速成为高能电子，它碰撞产生电子—空穴对。热电子从电场获得能量，造成电性能上的问题，如被栅氧化层陷阱捕获，影响器件的阀值电压控制。

随着栅氧厚度、结深、沟道长度的减小,漏端最大电场强度增大,热载流子效应的影响变大,它对器件的寿命、可靠性等有很大影响。通过分析我们可以看到：LDD结构通过两条途径来抑制热载流子效应：弱化漏端电场和使得漏端最大电场离开栅极。增大注

入剂量对于提高电流驱动能力有好处,但在剂量达到约132

?以后,驱动电流的增加

110cm-

就显得困难。最后我们得出n-区掺杂浓度132

?附近,注入能量定为30keV时器件性

110cm-

能最佳。

LDD在高浓度源漏区和低浓度沟道区间形成渐变的横向浓度梯度。LDD降低的杂质浓度减小了结和沟道区间的电场。这项技术把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防止产生热载流子。

（2）在电极形成或布线工艺中,用到金属Ti,请详尽说明金属Ti的特性、金属Ti的相关工艺、以及金属Ti在电路中的作用!

答：一、金属钛的特性

钛是一种银白色的金属，在金属分类中被划归为稀有轻金属，在元素周期表中属ⅣB族元素，原子序数为22，原子量为47.9，原子半径为0.145nm。钛有两种同素异构体，其相转变温度为882.5℃。在转变温度以下为密排六方的α-Ti，在转变温度以上直到熔点之间为体心六方β-Ti。熔点为1668±5℃。

1、密度小、强度高

钛的密度为4.507g/cm2（20℃），与常用金属相比，介于铁（7.8）、铝（2.7）之间，相当于铁的57%，约为不锈钢、钴、铬等合金的一半，比黄金的16.3更是轻了许多。

2、耐腐蚀性能

钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。

这是因为钛和氧的亲和力很大，在空气中或含氧介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

3、吸气性能

钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下可与许多元素和化合物反应。钛吸气主要与C、H、N、O发生反应，使其性能裂化。掌握钛的吸气性能对钛的加热、机械加工、加工成型、铸造和焊接和使用，具有重要意义。钛在热加工中要在保护性气氛中进行。钛在400℃以上大量吸氢，要引起氢脆。一般认为，钛基体中的含氢量超过90 ~150ppm时，就会沿着晶界或由晶界向晶内方向析

），类似在钛基体中有微裂纹，在应力出针状、片状或块状等氢化物的沉淀相（TiH

2

作用下扩展直至破裂。

4、耐热性能

钛在500℃一下长期使用，其物理性能、机械性能和工艺性能稳定。飞机发动机的理想材料。

5、耐低温性能

钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）、TC4和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温合金，其强度随温度降低而提高而塑性却变化不大。低温下保持较好的延性和韧性。避免了金属的冷脆性，是低温容器的理想材料。

6、弹性模量低（表面硬度）

钛的弹性模量常温时为103.4×103Mpa，为钢的57%，这说明钛的抵抗正应变的能力低于钢，所以钛承受外压力，压杆稳定和挠度变形等条件下使用受到限制，不宜做刚性构件，但是对弹性元件有利。钛的弹性模量随温度的升高而下降。

7、导热系数小

钛的导热系数为0.1507J，是低碳钢的1/5，铜的1/25，与不锈钢接近，对外界的温度影响较小。

8、无磁性、无毒

钛是无磁性的金属，在很大的磁场中也不会被磁化。这一特性使钛应用于磁控设备中，钛制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸；钛骨头、钛制心脏起搏器不受雷雨天气的影响；钛无毒，又与人体组织和血液有良好的相容性，因此，钛是一种理想的生物材料。

9、抗拉强度与其屈服强度接近

钛的这一性能说明其屈强比高，表示了金属钛材在成型时塑性变形差，内部有较大的应力，钛不适合于冷成型应该热成型，以免引起应力开裂。温热加工温度不超过315℃。既可避免由于钛的回弹力大和屈强比大引起的应力及应力开裂。

10、抗阻尼性能

金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。

利用这一特性，可制作音叉、超声碎石机的振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

二、金属钛的相关工艺

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：870C

?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900C

?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。

三、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700C

?时，钛个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。

3、金属淀积钛阻挡层：在薄膜区利用物理气相淀积设备在整个硅片表面淀积一薄层钛。

钛衬垫于通孔的底部及侧壁上。钛充当了将钨限制在通孔中的粘合剂。

4、淀积氮化钛：在钛的上表面淀积一薄层氮化钛。在下一步淀积中，氮化钛充当了钨

的扩散阻挡层。

5、金属钛阻挡层淀积：钛是淀积于整个硅片上的第一层金属。它提供了钨塞和下一层

金属铝之间的良好键合。同样它与层间介质材料的结合也非常紧密，提高了金属叠加结构的稳定性。

（3）在化学气相淀积反应中低压会带来什么好处?

答：如果CVD发生在低压下，反应气体通过边界层到达表面的扩散作用会显著增加。这会增加反应物到衬底的输运（也会加强从衬底移除反应副产物的作用）。在CVD反应中低压的作用就是使反应物更快地到达衬底表面。这种情况下，速度限制步骤成为表面的反应，即在较低的温度下CVD工艺是反应速度限制的。这意味着在反应腔中硅片可以间隔很近的纵向叠堆起来，因为反应物从主气流到硅片的输运并不影响整步工艺。

（4）在光刻胶工艺中要进行，软烘，曝光后烘焙和坚膜烘焙，请详细说明这三步工艺的目的和条件。

答：光刻胶软烘的目的有：

1、将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除。

2、增强光刻胶的粘附性以便在显影时光刻胶可以很好地粘附。

3、缓和在旋转过程中光刻胶胶膜内产生的应力。

4、防止光刻胶沾到设备上（保持器械洁净）。

光刻胶软烘的条件：

软烘温度通常在85C

?的范围内。软烘的过程根据不同的光刻胶而变化，

?到120C

但通常的时间为30到60秒。在旋转涂胶前，光刻胶通常包括65%到85%的溶剂。

旋转涂胶后，溶剂减少到10%到20%，但是胶膜仍被认为处于液体状态。软烘后溶剂的理想量约为4%到7%。由于溶剂在软烘过程中减少，光刻胶膜的厚度也将减薄。

曝光后烘焙的目的：

促进关键光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波；为了使曝光的光刻胶能够在显影液中溶解，后烘加热光刻胶，引起酸催化的去保护反应。通过曝光和后烘，光生酸出去了树脂中的保护成分，是光刻胶能溶解于显影液。

曝光后烘焙的条件：

后烘的温度均匀性和持续时间是影响DUV光刻胶质量的重要因素。过量的变化将影响光刻胶中的酸催化反应。通常进行后烘后时，硅片被放在自动轨道系统的一个热板上。典型的后烘温度在90C

?之间，时间约为1到2分钟，通常比软烘

?至130C

温度高10C

?。对于商业化的DUV光刻胶系统，后烘引起的CD变化典型?到15C

值为5nm/C

?。为了减少CD值得不稳定性，热板的温度值通常为130±0.1C?。

坚膜烘焙的目的：

蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬。次处理提高了光刻胶对硅衬底的粘附性，为下一步的工艺加工做好了准备，如提高光刻胶抗刻蚀能力。坚膜也除去了剩余的显影液和水。由于所有的曝光已经完成，坚膜温度可以达到溶剂沸点，以有效蒸发掉溶剂以实现最大的光刻胶增密。

坚膜烘焙的条件：

通常的坚膜温度对于正胶是130C

?。坚膜烘焙通常在硅片轨道

?，对于负胶是150C

系统的热板上或者生产线的炉子中进行。充分加热后，光刻胶变软并发生流动。较高的坚膜温度会引起光刻胶的轻微流动，从而造成光刻图形变形。

（5）请对Si（以一种刻蚀气体为例）和SiO2（以一种刻蚀气体为例）刻蚀工艺进行描述，并给出主要的化学反应方程式。

答：硅的刻蚀工艺：

单晶硅刻蚀：主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或高密度DRAM IC 中的垂直电容的制作。硅槽的制作使得在这些应用中可以占用较小的表面积，对于先进集成电路中特性尺寸不断减小来说是非常重要的。对于在双极和MOS 技术中应用的STI 器件隔离技术，浅硅沟槽中填满氧化硅介质。电容是通过深槽刻蚀、侧壁氧化和用多晶硅填充沟槽制作出来的。通过在气体中加入碳来对侧壁进行钝化，防止侧壁被横向侵蚀。侧壁的形状与硅片的温度有关，增加温度则侧壁钝化较少，而横向刻蚀增加。硅片的温度可通过氦气背冷来控制。对于浅槽的等离子体干法刻蚀，有时使用氟气，因为它的刻蚀速率高并对起掩护作用的光刻胶有足够的选择比。对深槽而言，常使用的是氯基或溴基气体，这些气体有高的硅刻蚀速率和对比氧化硅的高选择比。在高密度等离子体刻蚀中，溴气越来越常用，因为溴气是一种不需要广泛使用碳来对侧壁进行钝化的刻蚀剂。主要方程式：242Si Br SiBr +=。

多晶硅刻蚀：多晶硅栅的刻蚀工艺必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常高的均匀性和可重复性。同时也要求高度的各向异性，因为多晶硅在源\漏的注入过程中起阻挡层的作用。倾斜的侧壁会引起多晶硅栅结构下面部分的参杂。刻蚀多晶硅有三个步骤：

1、 第一步是预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩护层和表面污染物来获得均匀的刻蚀（这减少了刻蚀中作为微掩护层的污染物带来的表面缺陷）。

2、 接下来的是刻至终点的主刻蚀。这一步用来刻蚀掉大部分的多晶硅膜，并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的侧面剖面。

3、 最后一步是过刻蚀，用于去除刻蚀残留物和剩余多晶硅，并保证对栅氧化层的高选择比。这一步应避免在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽。

二氧化硅的刻蚀工艺：

二氧化硅都能够离子体刻蚀工艺通常采用氟碳化合物化学气体。氟碳化合物是氟化的碳氢化合物。在碳氢化合物中有一个或几个氢原子被氟原子替代。许多化学气体都含有氟，常用的化学气体是4CF ,它有高的刻蚀速率但对多晶硅的选择比不好。氟碳化合物气体在它们的非等离子体状态下是化学稳定的，并由于它们之间的键要比SiF 键强，因而不会与硅或硅的氧化物发生反应。也有一些缓冲气体，如Ar 和He 等被加入到刻蚀气体中。氩气具有用于物理刻蚀的相对大的质量。氦气质量小，用于稀释刻蚀气体的浓度从而增加刻蚀的均匀性。在通孔刻蚀中，对TiN 、W 或Al 的高选择比也是必须的。化学方程式：2442SiO CF SiF CO +=+; 24242SiO HF SiF H O +=+

获得对硅的高选择比的一种方法是通过在化学气体中加入氧气来控制氧化物和硅之间的选择比。少量氧气能改善氧化物刻蚀和硅刻蚀的速率。当氧气浓度大致大约20%时，氧化物刻蚀比硅刻蚀要快，增大了选择比，减少了对下层硅的刻蚀。另一种提高选择比的方法是在气体混合物中加入氢气，减少硅的刻蚀速率，当氢气浓度达到大约40%时，硅刻蚀速率几乎为零。同时，氧化物刻蚀速率在氢气浓度低于40%的时候几乎不受什么影响。