微电子工艺作业参考答案(第1-第10次)-副本

1、微电子工艺作业参考答案第一次作业（全体交）1、简单叙述微电子学对人类社会的作用答：自上世纪40年代晶体管诞生以来，微电子学科技术发展异常迅猛，目前已进入到巨大规模集成电路和系统集成时代，已经成为整个信息时代的标志和基础。可以毫不夸张地说，没有微电子就没有今天的信息社会。纵观人类社会发展的文明史，一切生产方式的重大变革都是由新的科学发明而引起的。科学技术作为第一生产力，推动者社会向前发展。1774年，英国格拉斯哥大学的修理工瓦特发明了蒸汽机，触发了第一次工业革命，产生了近代纺织业和机械制造业，使人类进入了利用机器延伸和发展人类体力劳动的时代。1866年，德国科学家西门子发明了发发电机，引发了以电

2、气化工业为代表的第二次技术革命。当前，我们正在经历着一场新的技术革命，虽然第三次技术革命包含了新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航天工程和电子信息技术等等，但影响最大、渗透性最强、最具有新技术革命代表性的仍是以微电子技术为核心的电子信息技术。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式，是继材料和能源之后的第三大资源，是人类物质文明与精神文明赖以发展的三大支柱之一。目前，全球正处在一场跨越时空的新的信息技术革命中，它将比人类历史上的任何一次技术革命对社会经济、政治、文化等带来的冲击都更为巨大，它将改变我们人类的生产方式、生活方式、工作方式，以及治理国家的方式。实现社会信息化的关键是各种计算

3、机和通讯设备，但其基础都是半导体和微电子技术。1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生了世界第一台电子计算机ENIAC，运行速度只有每秒5000次，存储容量只有千位，平均稳定运行时间只有7分钟。当时的专家认为，全世界只要有4台ENIAC就足够了。然而，仅仅过了半多世纪，现在全世界的计算机数量已多达数亿台。造成这个巨大变革的技术基础就是微电子。现在，电子信息产业已经成为全球第一大产业。毫无疑问，21世纪将是信息化的世纪。微电子产业对国民经济的战略作用首先体现在当代食物链关系上，现代经济发展的数据表明，GDP每增长100元，就需要10元左右电子工业增加值的支撑，而这其中就包含2-3元的集成电路产

4、品。以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，则小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献则高达2000。可以说，谁开控制了超大规模集成电路技术，谁就控制了世界产业。如果哪个国家不掌握半导体技术，哪个国家会立刻加入到不发达国家行列。2、为什么绝大多数的集成电路都采用了Si半导体？答：目前，95%以上的集成电路都采用了Si半导体，其原因是：Si元素占地壳重量的20%-25%，制备Si单晶的石英岩（主要成分是SiO）分布广,开采成本低；Si单晶的直径在所有半导体晶体最大，目前已达16英吋（400mm）,且按照摩尔定律每3年增加1英吋，这大大降低了芯片的成本；Si的氧化物SiO2性能稳定

5、，在集成电路制造工艺中有各种用途，例如，掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料等；Si半导体材料的另一形态多晶硅（ Poly-Si）在集成电路工艺中也有许多用途，例如，栅极（可实现源漏自对准工艺）、杂质扩散源、局部互连线（比铝布线灵活）等；2、列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用答：1）存储器：只读存储器（ROM）和可编程/重写存储器（如DRAM、SRAM、EPROM、Flash等；2）微处理器（CPU）：Intel的4004、8086（286、386、486）、Pentium（奔腾）、Itanium、Centurino（酷睿）等；3）可编

6、程逻辑器件：FPGA、CPLD等；4）智能卡IC：银行卡、RFID等；5）双极IC：RTL、DTL、 TTL、ECL等；3、写出全球10大著名的Foundry（代工）企业的名称答：IC Inghts 2010年全球前十大晶圆代工排名出炉，台积电继续稳居第一，联电依然排行第二，合并特许半导体后的全球晶圆（Globalfoundries）挤入第三，但营收与联电才差4亿多美元，三星屈居第十。英特尔公司、三星电子公司、德州仪器公司、东芝公司、意法半导体公司、瑞萨科技公司、英飞凌公司、飞利浦公司、现代半导体公司和 NEC公司。Top1 台积电，收入133.07亿美元，同比增长48%Top2 台联电，收入

7、 39.65亿美元，同比增长41%Top3 Globalfoundries，收入35.1亿美元，同比增长219%Top4 中芯国际，收入15.55亿美元，同比增长45%Top5 TowerJazz，收入5.10亿美元，同比增长70%Top6 Vanguard，收入5.08亿美元，同比增长33%Top7 Dongbu，收入4.95亿美元，同比增长25%韩国最大的纯晶圆代工厂Dongbu Electronics。Top8 IBM，收入4.30亿美元，同比增长28%Top9 MagnaChip，收入4.20亿美元，同比增长 60%Top10 三星，收入4亿美元，同比增长38%。第二次作业（第一组交）

8、4、载流子的输运有哪些模式？答：半导体载流子（电子和空穴）的输运模式有两种，一种是扩散模式，另一种是漂移模式。扩散模式是当两块半导体形成pn结时，由于它们之间存在着载流子的浓度差（浓度梯度），导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的运动，从而产生电流。漂移模式是指载流子在自建电场中，受电场力的作用，空穴沿电场方向、而电子沿电场反方向作定向运动，从而产生电流。5、设计一个实验：先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。答：将一片本征的Si片放置在扩散炉中，在高温下（>1000），通入PH3或POCl3作为N型掺杂剂，最终可使本征的Si片变成N型半导体。然后再将这个N

9、型的Si 片再次放入扩散炉中在在高温下（>1000），通入B2H6作为P型掺杂剂，最终可使N型Si片反型变成P型Si。为使Si片反型，一定要让B的掺杂浓度高于P的掺杂浓度，进行掺杂补偿，才能最终实现掺杂反型，获得P型Si片。掺杂浓度可由扩散温度和扩散时间控制，温度越高、时间越长，掺杂浓度就越大。同理，也可采用离子注入的掺杂方式进行上述实验。掺杂浓度由注入剂量决定，剂量越大，浓度越高。第三次作业（第二组交）6、PN结二极管的特性是什么？PN结的空间电荷区与内建电场是如何形成的？空间电荷区为什么是高阻的？答：二极管的电学特性是正向导通，即正向电流随偏压的增加而指数性增大；反向截止，即反向电流

10、很小，且趋于饱和。或者说，二极管的电学特性是单向导电性或具有整流特性。当两块半导体形成pn结时，由于它们之间存在着载流子的浓度差（浓度梯度），导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。由于载流子的扩散，在pn结附近p区一侧留下了不能运动的带负电荷的电离受主，形成一个负电荷区；而在pn结附近n区一侧则留下了不能运动的带正电荷的电离施主，形成一个正电荷区。这两个正负电荷区也称为空间电荷区，或耗尽区。空间电荷区产生了从正电荷区指向负电荷区，即从n区指向p区的自建电场。内建电场对载流子的漂移运动起着增强作用的，但对其扩散运动是起着阻碍作用的。由于平衡时空间电荷区内的载流子（电子和空穴）几乎被

11、耗尽，因此空间电荷区呈现高电阻态。 7、双极晶体管（BJT）的双极是什么意思？BJT有哪几种类型？BJT主要应用在哪些方面？ 答：BJT的双极是指参与器件电流输运的载流子是两个，即电子和空穴。BJT有四种类型，分别是NPN的耗尽型和增强型、PNP的耗尽型和增强型。BJT的重要应用在高频和高速器件与电路、功率器件与电路、模拟电路等。第四次作业（第三组交）8、电子级poly-Si的纯度是多少？比较CZ法与FZ法制备Si单晶的优缺点。答：电子级poly-Si的纯度是9N，即99.9999999%。 直拉法在Si单晶的制备中更为常用，占75以上。直拉法制备Si单晶的优点是：1）成本低；2）能制备更大的

12、圆片尺寸，6英吋（150mm）及以上的Si单晶制备均采用直拉法，目前直拉法已制备出400mm（16英吋）的商用Si单晶；3）制备过程中的剩余原材料可重复使用；4）直拉法制备的Si单晶位错密度低，0104cm-2。直拉法制备Si单晶的主要缺点是，由于使用坩埚，Si单晶的纯度不如区熔法。区熔法制备Si单晶的主要优点是，由于不使用坩锅，可制备高纯度的硅单晶，电阻率高达2000-mm，因此区熔法制备的Si单晶主要用于功率器件及电路。区熔法制备Si单晶的缺点是：1）成本高；2）可生产Si单晶的尺寸较小，最大为150mm直径；3）位错密度较直拉法高，在103105cm-2之间。9、Si片定位边或定位槽的作

13、用是什么？答：Si片定位边或定位槽有三个主要的作用：识别晶向、导电类型及划片方向；硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；硅片装架的接触位置。第五次作业（第1组交）8、为什么氧化层厚度越厚，热氧化生长的速率越慢？答：根据热氧化的生长机理，氧化剂（O2或H2O）若要与衬底Si反应生成SiO2，应首先要穿过已生成的SiO2层，即在SiO2层中扩散至Si表面。而氧化剂在SiO2层中扩散的快慢（时间）与厚度成反比，厚度越厚，扩散的越慢。因而，相应的热氧化速率就越慢。9、实际氧化工艺为什么要采用先干氧、再湿氧、最后再干氧的氧化方法？答：干氧的氧化速率最慢，但其氧化层质量最好。湿氧的氧化速率快，但其氧化层质量不

14、如干氧工艺。实际氧化工艺多采用干氧-湿氧-干氧步骤，就是为了解决单个氧化方法质量与速率的矛盾。前后采用干氧是为了保证氧化层与Si衬底及后续光刻胶结合的质量，中间采用湿氧是为了提高生长速率。第六次作业（的2组交）12、请阐述扩散的局限性。答：与离子注入工艺相比，扩散工艺的局限性在于：1）扩散是各向同性的，其掩膜下方会有严重的横向扩散效应，因而不适于小尺寸器件与电路；2）由于掺杂浓度与结深有关，因而扩散不能独立控制结深和掺杂浓度；3）扩散工艺需要高温，其掩膜必须是像SiO2这样的硬掩膜，其结深较深，不适于深亚微米器件及电路。高温也会对衬底与薄膜中的原有掺杂浓度进行再分布。13、什么是离子注入的沟道

15、效应？消除沟道效应的途径有哪些？答：对Si单晶而言，由于其各向异性的特性，当注入离子对准一个主要的晶向并被导向在各排晶体原子之间形成的“沟道”时，注入离子仅发生电子碰撞，不会发生核碰撞。发生沟道效应时，其注入损伤很小，注入的射程很远，但注入射程不可控，难于获得可重复的浓度分布，使用价值小，因而实际工艺时应避免沟道效应。消除沟道效应的途径有：1）注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值为70；淀积非晶表面层（SiO2)；在表面制造损伤层。 14、试对比分析扩散工艺和离子注入工艺的特征和特点。答：扩散是高温工艺，需要SiO2这样的耐高温硬掩膜，其扩散形成的结深较深。扩散是各向同性的，因此有较大的横向扩散

16、效应。扩散工艺不能独立地控制掺杂浓度和结深。 离子注入是等温工艺，可在室温下进行注入，因而光刻胶就可作为其掩膜。离子注入可以独立控制其掺杂浓度和结深，能形成浅结、高掺杂浓度。离子注入是各向异性的，横向扩散效应远小于高温热扩散工艺，特别适合深亚微米小尺寸器件与电路。第七次作业（第三组交）15、在双极集成电路和MOS集成电路工艺中，为什么都要用外延层？答：在双极集成电路工艺中，采用高阻的外延层可提高集电结的击穿电压，而其低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻。在MOS集成电路工艺中，采用高阻的外延层可减小pnpn寄生闸流管效应和降低漏电流。16、请分析对比PVD与CVD工艺技术的各自特点及应用

17、。答：1）PVD：衬底表面不发生化学反应n CVD：衬底表面发生化学反应n PVD 源: 固态材料n CVD 源: 气体或蒸汽n PVD: 台阶覆盖性差 ( 15%) 和空隙填充能力差n CVD: 更好的台阶覆盖性 (50% to 100%) 和空隙填充能力 17、简述PECVD技术的工艺原理、工艺特征及工艺应用。答：PECVD技术的工艺原理是，利用RF、阴极放电等方法使反应物分子激活，成为具有高活性的等离子体，而受激活的分子在低温、甚至室温下都可以发生化学反应。因此，PECVD技术的工艺特征是淀积温度低、淀积速率高。由于反应物分子受到等离子体离子和电子轰击而具有很好可动性，因此PECVD技术

18、具有淀积薄膜附着性好、台阶覆盖好等优点。PECVD技术主要用于淀积金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）、多层布线的介质膜（Si3N4 、SiO2）等。18、为什么说光刻是IC制造中最重要的工艺？光刻的三个要素是什么？答：因为光刻在IC制造中占芯片制造时间的40 to 50% 占芯片制造成本的1/3 决定芯片的最小特征尺寸光刻三要素：光刻机 光刻版（掩膜版） 光刻胶 19、简要说明正胶和负胶的关光刻原理与特性。 答：原理：临时性地涂覆在硅片表面，通过曝光转移设计图形到光刻胶上。 负胶特性：1曝光后不可溶解2显影时未曝光的被溶解3便宜 正胶特性：1曝光后可溶解2显影时曝光的被溶解3高分辨率 20、什

19、么是分辨率？如何提高分辨率？ 答：（1）分辨率（resolution）就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，所以分辨率是个非常重要的性能指标之一。可以把整个图像想象成是一个大型的棋盘，而分辨率的表示方式就是所有经线和纬线交叉点的数目。（2）提高分辨率的方法：（1）提高凸透镜收集衍射光的能力（2）减小光波长（3）减小系统常数K121.有哪些干法刻蚀方法，它们的主要差别是什么，比较这些技术的优点和局限性。 答：干法刻蚀方法类型： 等离子体刻蚀：化学性刻蚀；溅射刻蚀：纯物

20、理刻蚀；反应离子刻蚀（RIE）：结合 、； 优点和局限性比较： 等离子体刻蚀：选择性好；各向异性差。 溅射刻蚀：各向异性好；选择性差。反应离子刻蚀（RIE）：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控；选择性好且可控。 22. 在VLSI中，为什么要采用Cu互连及多层金属化技术？ 答：因为Cu的互连线电阻率低，介质层介电常数小。 多层互连对VLSI的意义：1提高集成度;2降低互连延迟3降低成本 23、分析比较CMOS工艺中LOCOS和STI两种隔离技术的各自特点。答：局部氧化工艺（LOCOS）优点： 1.可以减小表面的台阶高度； 2.一次光刻完成的。 缺点：1、鸟嘴侵蚀有源区;2、不利于后序工艺中的平坦化；3、杂质重新分布。当技术发展到0.25um以下时，一般要用到STI技术。:/ d- 2 q3 i7 c) bSTI取代LOCOS的原因有