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第一章微电子工艺基础绪论1、描述分立器件和集成电路的区别①分立器件：是由二极管、三极管等独立的元器件组成的，一般只能完成单一功能，体积庞大。②集成电路：把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上，大体上可以分为三类，半导体集成电路，混合集成电路及薄膜集成电路。半导体集成电路又可以分为双极型集成电路和金属－氧化物－半导体集成电路。优点：A:降低互连的寄生效应；B:可充分利用半导体晶片的空间和面积；C:大幅度降低制造成本。2、列举出几种pn结的形成方法并说出平面工艺的特点①合金结方法A接触加热：将一个p型小球放在一个n型半导体上，加热到小球熔融B冷却：p型小球以合金的形式掺入半导体底片，冷却后，小球下面形成一个再分布结晶区，这样就得到了一个pn结。缺点：不能准确控制pn结的位置。②生长结方法半导体单晶是由掺有某种杂质（例如P型）的半导体熔液中生长出来的。缺点：不适宜大批量生产。③扩散结优点：扩散结结深能够精确控制。④二氧化硅薄膜的优点A：作为掩蔽膜，有效的掩蔽大多数杂质的扩散B：提高半导体几何图形的控制精度C：钝化半导体器件表面，提高了器件的稳定性。⑤平面工艺：利用二氧化硅掩蔽膜，通过光刻出窗口控制几何图形进行选择性扩散形成pn结3、制造半导体器件的四个阶段①.材料准备②晶体生长与晶圆准备③.芯片制造④.封装4、解释集成度的概念并根据集成度将集成电路分类概念：指单块芯片上所容纳的允许元件数目。集成度越高，所容纳元件数目越多分类门的个数（集成度）典型的集成电路小规模最多12个逻辑门、触发器中规模12-19计数器、加法器大规模100-9999小型存储器、门阵列超大规模10000-99999大型存储器、微处理器甚大规模100000以上可编程逻辑器件、多功能专用集成电路5、微电子工艺的特点①高技术含量：设备先进、技术先进②高精度：光刻图形的最小线条尺寸在亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。③超纯：指工艺材料方面，如衬底材料Si、Ge单晶纯度达11个9。④超净：环境、操作者、工艺三个方面的超净，VLSI在100级超净室、10级超净台中制作⑤大批量、低成本：图形转移技术使之得以实现⑥高温：多数关键工艺是在高温下实现，如：热氧化、扩散、退火6、说明工艺及产品趋势①特征图形尺寸的减小(通常用微米表示)特征尺寸和集成度是集成电路发展的两个共同标志。②芯片和晶圆尺寸的增大③缺陷密度的减小100um―1um不是问题1um―1um致命缺陷④内部连线水平的提高高元件密度减小了连线的空间。解决方案：在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。⑤芯片成本的降低⑥纳电子技术第二章半导体材料和晶圆制备（1）列出三类晶体缺陷并说明其形成的原因①点缺陷：晶体杂志原子挤压晶体结构引起的压力所致②位错：晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏③原生缺陷：滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。（2）说出掺杂半导体的两种特性①通过掺杂浓度精确控制电阻率②通过掺杂元素的选择控制导电类型（电子N型或空穴P型导电）掺杂半导体和金属导电的区别：金属：①电阻率固定，改变电阻只有改变其形状。②只能通过电子的移动来导电，金属永远是N型的。（3）列出三种主要的半导体材料、比较其优缺点①锗缺点A：熔点低（937℃）B：缺少自然形成的氧化物②硅优点A：熔点高（1415℃）B：二氧化硅膜很好的解决了漏电问题③硅作为电子材料的优势：A:原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；B:机械强度高；C:比重小，密度只有2.33g/cm3；D:pn结表面易于生长ＳiＯ2，对结起到保护作用；E:制备的单晶缺陷小；F:能够制造大尺寸基片，硅片直径已达16英寸；G:导热性好④砷化镓A：载流子迁移率高，适合于做超过吉赫兹的高速IC。例如：飞机控制和超高速计算机。B：对辐射所造成的漏电具有抵抗性，即GaAs是天然辐射硬化的。C：GaAs是半绝缘的。使临近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。⑤砷化镓不会取代硅的原因：A:大多数产品不必太快B:没有保护膜C:砷对人体有害（4）解释N型和P型半导体材料在组成＆电性能方面的不同（5）画出两种重要的晶圆晶向示意图，说明如何根据Wafer的主副切面确定其导电类型和晶向并指出这种Wafer适合于何种器件或电路的制作（6）常见晶体生长的方法有哪些，说明直拉法的工作过程，对比直拉法和区熔法的优缺点①直拉法—Czochralski法（CZ法）准备腐蚀清洗多晶→籽晶准备→装炉→真空操作开炉升温→水冷→通气生长引晶（将籽晶与熔体很好的接触）→缩晶（在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm，获得完好单晶）→放肩（将晶体直径放大至需要的尺寸）→等径生长（拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。直径大小由拉升速度、转速，以及温度控制。）→收尾（结束单晶生长）停炉降温→停气→停止抽真空→开炉优点：可以生长大晶体;成本低缺点：坩埚中的氧进入晶体，有些器件高水平氧不能接受②液体掩盖直拉法（LEC法）用来生长砷化镓晶体。③掺杂④区熔法优点：无坩埚晶体生长方法，纯度更高缺点：制备大晶体困难（7）画出晶圆制备的完整工艺流程图（对应芯片制造前两个阶段）材料准备A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变晶体生长和晶圆制备C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备有坩埚的：直拉法、磁控直拉法液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。（8）会求解直拉法生长单晶的掺杂浓度平衡分凝系数:k0有效分凝系:ke平衡分凝系数:k0=Cs/ClCs和Cl固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度绝大多数平衡分凝系数都小于1。说明随着晶体的生长，熔融液中的掺杂浓度会越来越高补充：硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查）→切片→研磨→化学机械抛光（CMP）→背处理→双面抛光→边缘倒角→抛光→检验→氧化或外延工艺→打包封装第三章污染控制、芯片制造基本工艺概述（1）指明进行VLSI和ULSI生产所需的洁净室等级（2）去离子水的规格，如何得到工艺用水①反渗透（RO）和离子交换系统去除离子（盐分、矿物）②固态杂质（颗粒）通过沙石过滤器、泥土过滤器与次微米级薄膜从水中去除。③细菌和真菌可由消毒器去除。这种消毒器使用紫外线杀菌，并通过水流中的过滤器滤除。④有机污染物（植物与排泄物）可通过碳类过滤器去除。⑤溶解的氧气与二氧化碳可用碳酸去除剂和真空消除毒剂去除。（3）说明RCA清洗硅片的方法，SC-1和SC-2的配方特点SC-1去除有机残余物，金属SC-2去除碱金属离子，氢氧根。根据不同的应用，SC-1和SC-2前后顺序也可颠倒。如果晶片表面不允许有氧化物存在，则需加入氢氟酸清洗这一步。它可以放在SC-1和SC-2之前进行，或者在两者之间，或者在RCA清洗之后。（4）列出硅片表面的4种污染物及其相应的清洗措施①颗粒A:氮气枪（最简单的方式）B:晶片刷洗器C:高压水清洗（去除静电作用附着的颗粒）②有机残余物：溶剂浸泡池中被去除，例如丙酮或乙醇缺点A:将晶片表面的溶剂完全烘干非常困难，所以如果可能，会尽量避免用溶剂清洗晶片。B:溶剂经常会有杂质，从而使其本身成为了污染源。③无机残余物④氧化层去除：HF酸去除必要性：A:硅片很容易氧化B:很薄的二氧化硅薄膜足以阻止晶片表面在其它的工艺过程中发生正常的反应。C:可成为绝缘体，从而阻挡晶片表面与导电的金属层之间良好的电性接触。常见的清洗溶液是：（热硫酸＋氧化剂）（通常的光刻胶去除剂）（5）列出三种使用去离子水冲洗硅片的方法，说明超声波清洗的作用和机理①溢流式清洗器②喷洒式冲洗③排放式冲洗（6）列出最基本的4种工艺方法①增层②光刻：光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。光刻是所有四个基本工艺中最关键的正胶法：开孔负胶法：留岛③掺杂：掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺制程方法：热扩散（thermaldiffusion）和离子注入（implantation）目的：掺杂工艺的目的是在晶圆表层内建立兜形区④热处理：热处理是简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果的制程。特点：在热处理的过程中，在晶圆上没有增加或减去任何物质，另外会有一些污染物汽从晶圆上蒸发。作用：a.在离子注入制程后会有一步重要的热处理。b.金属导线在晶圆上制成后会有一步热处理c.通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉，从而得到精确的图形。目的：晶圆生产过程的成绩单。晶圆电测（wafersort）也就是芯片测试（diesort）。方法：在测试时，晶圆被固定在真空吸力的卡盘上，并与很薄的探针电测器对准，同时探针与芯片的每一个焊接垫相接触（7）增层工艺主要包括哪些方式实现方式分：生长法（氧化工艺、氮化硅工艺）和淀积法（CVD、蒸发工艺、溅射工艺）第四章外延工艺（1）什么叫做外延？外延有哪些特点？①定义：在单晶衬底上新生一层单晶膜的技术。以气相外延为例，则是含外延层材料的物质以气相形式流向衬底，在高温下发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。记作：P/Q（P为外延层）②特点：A:生成的晶体结构良好B:掺入的杂质浓度易控制C:可形成接近突变pn结的特点（2）外延的分类？①按工艺分类：A气相外延（VPE）利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽，在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅。B液相外延（LPE）衬底在液相中，液相中析出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面的过程。此法广泛应用于III-V族化合半导体的生长。原因是化合物在高温下易分解，液相外延可以在较低的温度下完成。C固相外延（SPE）固体物质通过物理淀积形成的外延层的技术D分子束外延（MBE）在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制。②按导电类型分类：n型外延：n/n,n/p外延p型外延：p/n,p/p外延③按反应室形式：卧式：产量大，设备结构简单；但是生成的外延层的厚度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。立式：维护容易，外延层的厚度和电阻率的均匀性及自掺杂效应能得到较好的控制；但设备大型化，制造难度大。桶式：较好的防止外延滑移位错，外延层的厚度和电阻率的均匀性好；但设备结构复杂，不易维护。④按材料异同分类：同质外延（autoepitaxy）：外延层和衬底为同种材料，例如硅上外延硅。异质外延（heteroepitaxy）：外延层和衬底为不同种材料。例如SOI((绝缘体上硅)是一种特殊的硅片，其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层———埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接)⑤按电阻率高低分类：正外延：低阻衬底上外延高阻层n/n+反外延：高阻衬底上外延低阻层⑥按温度（1000度界）⑦按压力（常压、低压）（3）硅气相外延的过程？在气相外延生长过程中，有两步：质量输运过程－－反应剂输运到衬底表面表面反应过程－－在衬底表面发生化学反应释放出硅原子（4）硅气相外延的原理？通常用的外延反应剂：SiCl4(*)、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3SiCl4外延反应剂：SiCl4＋2H2----Si+4HCl（1200度左右）(生长，腐蚀)H2的作用：A:运载稀有气体B：还原剂SiCl4＋Si----2SiCl2（腐蚀硅）上述两个反应的综合结果外延生长的同时伴随有衬底的腐蚀。（5）外延有何应用？①双极型电路A：n/n+外延B:n/p外延②MOS电路外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极。（6）外延的漂移规律①{111}面上严重,偏离2~4度,漂移显著减小,常用偏离3度.②外延层越厚,偏移越大③温度越高,偏移越小④生长速率越小,偏移越小⑤SiCl4SiH2C