1、微电子工艺原理习题一、填空题1传统集成电路制造工艺的发展以 的出现作为大致的分界线，现代集成电路制造工艺进入超大规模集成电路后又以工艺的 作为划分标志。9按照功能和用途进行分类，集成电路可以分为 数字集成电路 和 模拟集成电路 两类。2能提供多余空穴的杂质称为受主杂质，P 型半导体中的多子是空穴。10能提供多余电子的杂质称为 施主杂质 ，N 型半导体中的少子是 空穴 。6目前常用的两种掺杂技术是 扩散 和 离子注入 。3多晶硅转变成单晶硅的实质是 原子按统一规则进行重新排列。4单晶硅拉制过程中引晶阶段的温度选择非常重要，温度过高时会造成 籽晶会被融化，温度过低时会形成 多晶 。12单晶硅的性能
2、测试涉及到 物理性能 的测试、 电气参数 的测试和缺陷检验等多个方面。注：单晶：由分子、原子或离子按统一规则周期性排列构成的晶体。多晶：由若干个取向不同的小单晶构成的晶体从多晶硅制备单晶的三个条件：单晶硅的制备方法：直拉法(Czochralski，CZ 法)和悬浮区熔法(Float-Zone，FZ)多晶硅的制备： 三氯氢硅还原法直拉硅单晶的工艺步骤：引晶缩颈（收颈）放肩收肩（转肩） 等径生长收尾。直拉法拉制较大直径的单晶，但氧碳含量高，悬浮区熔法拉制直径小，但纯度高。5SiO 2网络中氧的存在有两种形式，其中 桥联氧 原子浓度越高，网络的强度越强； 非桥联氧原子浓度越高，网络的强度越弱。13S
3、iO 2中掺入杂质的种类对 SiO2网络强度的影响表现在：掺入族元素如硼时，网络强度 增强 ；掺入族元素如磷时，网络强度 减弱 。注：SiO2 网络中的氧：桥联氧：Si-O-Si 和非桥联氧：Si-O-7完整的光刻工艺应包括 光刻 和 刻蚀 两部分，随着集成电路生产在微细加工中的进一步细分，后者又可独立成为一个工序。8伴随刻蚀工艺实现的图形转换发生在 光刻胶层 和 晶圆层 之间。15光刻胶又叫 光致抗蚀剂 ，常用的光刻胶分为 正胶 和 负胶 两类。注：光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质，这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合(polymerization)。相反，光刻胶被曝
4、光的部分由非溶性物质变成了可溶性物质，这种光刻胶类型被称为正胶。11固溶体分为替位式固溶体和间隙式固溶体，两类大部分施主和受主杂质都与硅形成替位式 固溶体。注：固溶体：元素 B 溶入元素 A 中后仍保持元素 A 的晶体结构固溶度：杂质在晶体中的最大溶解度固溶体分类： 替位式固溶体 杂质占据格点位置形成替位式固溶体必要条件：溶质原子半径的大小接近溶剂原子半径，若溶质原子半径与溶剂原子半径相差大于 15%，则可能性很小。 （几何有利因素）大部分施主和受主杂质都与硅形成替位式固溶体 间隙式固溶体 杂质存在间隙中14常用的芯片封装方法有 金属封装 、 塑料封装 和陶瓷封装。二、选择题1下列有关集成电路
5、发展趋势的描述中，不正确的是 B 。（A）特征尺寸越来越小 （B）晶圆尺寸越来越小（C）电源电压越来越低 （D）时钟频率越来越高2下面几种薄膜中，不属于半导体膜的是 B 。（A）SiO 2膜 （B）单晶硅膜 （C）多晶硅膜 （D）GaAs 膜8下面几种材料的薄膜中，不属于介质膜的是 C 。（A）SiO 2膜 （B）Si 3N4膜 （C）多晶硅膜 （D）Al 2O3膜注：制作薄膜的材料很多，其中半导体材料有硅和砷化镓；金属材料有金和铝；无机绝缘材料有二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、三氧化二铝；半绝缘材料有多晶硅和非晶硅等。此外，还有目前广泛应用于生产的聚酰亚胺类有机绝缘树脂材料等。介质膜在半导体生产
6、中用途广泛，主要用于杂质扩散的掩蔽膜、绝缘膜，金属层间介质膜、钝化膜等。主要的介质膜有 SiO2、Si3N4、Al2O3、PSG、BPSG 等。3下列有关芯片封装的描述中不正确是 C 。（A）金属封装热阻小有良好的散热性能 （B）塑料封装机械性能差，导热能力弱（C）金属封装成本低，塑料封装成本高 （D）陶瓷封装的气密性好，但脆性较高注：金属封装：特点：坚固耐用，热 阻小有良好的散热性能，有电磁屏蔽作用，但成本高，重量重，体积大塑料封装：特点：重量轻，体积小，有利于微型化，节省大量的金属和合金，成本降低（一般可降低 30%-60%）适合于自动化生产，提高了生产效率，但机械性能差，导热能力弱，对电
7、磁不能屏蔽，一般适用于民品。陶瓷封装：特点：于集成电路封装，特别是目前用于要求具有气密性好、高可靠性或者大功率的情况4下列选项中属于光刻工艺三要素之一的是 B 。（A）曝光 （B）光刻胶 （C）显影 （D）刻蚀注：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机5下列有关扩散的几种描述中不正确的是 。（A）扩散是一种掺杂技术。 （B）扩散有气态扩散、液态扩散和固态扩散三种。（C）替位型杂质在硅中的扩散方式有替代扩散、空位扩散以及间隙扩散三种。（D）替位型杂质的掺入不会改变材料的电学性质。注：杂质在硅中的扩散运动通过空位机制、间隙机制实现。6下列关于光刻胶的描述中正确的是 C 。（A）负胶具有较高的固有分辨率
8、 （B）正胶成本低，适合大批量生产（C）正胶的分辨率高，抗干法腐蚀能力强 （D）负胶粘附性差，抗湿法腐蚀能力弱注： 7硅片中同时有浅施主和浅受主时，导电类型和载流子浓度由 A 决定。（A）杂质浓度差 （B）施主杂质 （C）受主杂质 （D）杂质浓度和9下列因素中对扩散系数大小不会造成影响的是 。（A）温度 （B）杂质种类 （C） 扩散环境 （D）杂质浓度变化率注：硅、锗中的、族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能及很接近于导带底。通常将这些杂质能级称为浅能级，将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质施主杂质和受主杂质间有相互抵消的作用，即为杂质的补偿作用10关于干法刻蚀的正确描述是 B
9、 。（A）化学性刻蚀选择比高且是各向异性刻蚀；（B）反应离子刻蚀（RIE）兼具各向异性与高选择比等优点；（C）化学性刻蚀方向性好，可获得接近垂直的刻蚀侧墙；（D）物理性刻蚀的选择性好。注：刻蚀工艺分类：湿法刻蚀（ WET ETCHING ）：利用液态化学试剂或溶液与待刻材料反应生成可溶性化合物，达到刻蚀的效果。干法刻蚀（ DRY ETCHING）：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的选择比：两种不同材料的刻蚀速率比值。选择比要高是指刻蚀时待刻材料的刻蚀速率要远远大于不需刻蚀材料的刻蚀速率
10、。实际上，光刻胶和衬底在刻蚀过程中也会被小部分的刻蚀，因此刻蚀过程中，要求膜材料与光刻胶以及衬底的选择比很高。湿法刻蚀的特点： 设备简单，工艺操作方便，一般的常规生产均能满足要求； 对下层材料有较高的选择比，对器件不会造成等离子体损伤； 各向同性刻蚀性太强，难以控制线宽，分辨率低； 刻蚀剂大多为腐蚀性较强的试剂，安全性较差物理性刻蚀：利用辉光放电使气体电离，再通过偏压使正离子加速，溅击在待刻膜层表面，将待刻材料的原子击出。特点： 刻蚀方向性好，可获得接近垂直的刻蚀侧墙； 离子的溅击面太广，掩蔽层也会遭到刻蚀，使得刻蚀选择性降低； 被击出的是非挥发性物质，容易再次淀积，从而使刻蚀速率降低化学性刻
11、蚀：利用等离子将刻蚀气体电离产生化学活性极强的原子（分子）团，扩散至待刻膜层表面，与待刻材料反应生成挥发性物质，被真空设备抽离排出。特点： 具有类似于湿法刻蚀的优缺点：选择比高但却是各向同性刻蚀，线宽控制性差。目前最广泛使用的是将物理性刻蚀与化学性刻蚀结合在一起的反应离子刻蚀（RIE） ，这种刻蚀方法兼具各向异性与高选择比等有点在工业生产中一般以 3 m 线宽为界限，小于 3 m 普遍应用干法刻蚀技术。三、判断题1. 微电子学，即微型电子学，其核心是集成电路。 （ ）2按功能分类，集成电路可以分为双极型、MOS 型和 BiMOS 型。 （ ）3硅片中同时有浅施主和浅受主时，导电类型和载流子浓度
12、数量由杂质浓度差决定。 （ ）4施主杂质的溶解度，将随晶体中的受主杂质含量的增加而增大。 （ ）5在半导体生产中 SiO2膜作为杂质选择性扩散的掩蔽膜适用于任何杂质。 （ ） 注：SiO2 膜在半导体生产中的作用（1）作为杂质选择扩散的掩蔽膜A. 掩蔽作用：膜能阻挡杂质向半导体中扩散的能力。a. 杂质在 SiO2 中并不是不扩散，只是扩散系数较小；b. 并不是所有的杂质都能用 SiO2 来掩蔽（如 Al、GaIn 等杂质在 SiO2 中的扩散系数比在 Si 中大，不能用来掩蔽） 。B. 掩蔽条件：DSiO2DSi， SiO2 有足够的厚度。6方块电阻反映了单位面积扩散进去的杂质的总量，扩散的杂
13、质越多，方块电阻越大。所以可以通过测方块电阻来检测扩散进去的单位面积的杂质量。 （ ）7插塞是用来连接上下两层金属的导电材料，常用插塞为钨插塞。 （ ）注：插塞的定义：用来连接上下两层金属 的导电材料。常用钨材料，因为钨具有 比铝好的通孔填充性。称为钨插塞。8旋涂玻璃法平坦化工艺可实现全局平坦化，化学机械抛光可实现局部平坦化。 （ ）注：玻璃（热熔）回流法旋涂膜层法（SOG）化学机械抛光法（CMP）9被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质的光刻胶称为正胶。 （ ）19被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质的光刻胶称为负胶。 （ ）10光敏度由曝光效率决定，正胶比负胶有更高的曝光效率，故正胶
14、的光敏度大。 （ ）注：光敏度：指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量 光敏度由曝光效率决定，正胶比负胶有更高的曝光效率，故正胶的光敏度大，光敏度大可减小曝光时间。 实际工艺中对光刻胶光敏度的要求是有限制的，如果光刻胶的光敏度过高，室温下就可能发生热反应，这将使光刻胶的存储时间减少。11. 特征尺寸越来越大是集成电路的发展趋势之一。 （ ）12杂质在硅中的溶解度是集成电路制造过程中选择杂质的重要依据。 （ ）18受主杂质的溶解度，将随晶体中的施主杂质含量的增加而增大。 （ ）13在单晶硅的两种拉制方法中，悬浮区熔法较直拉法更易拉制大直径单晶硅。 （ ）注：悬浮区熔法制单晶的特点： 14SiO
15、2网络中氧的存在有两种形式（桥联氧和非桥联氧） ，其中桥联氧原子浓度越高，网络的强度越强。 （ ）15菲克扩散定律 中的负号表示扩散方向与杂质浓度的增加方向相反。 （ xNDJ ）16光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。 （ ）17刻蚀工艺实现的图形转换发生在掩膜版和光刻胶层之间。 （ ）20. 磨料、抛光垫、抛光压力和选择比是影响 CMP 抛光质量的重要因素。 （ ）注：影响 CMP 质量的因素为：磨料、抛光垫环境调节器、抛光垫、抛光压力和选择比四、简答题5简述由多晶硅制备单晶硅的三个具体条件；目前由多晶硅制备单晶硅的主要方法有哪两种，两种方法各有什么特点？答：从多晶硅制备
16、单晶的三个条件：单晶硅的制备方法：直拉法(Czochralski，CZ 法和悬浮区熔法(Float-Zone，FZ)悬浮区熔法制单晶的特点：2简述半导体生产中常用薄膜的种类及用途。薄膜的制备方法分哪两类？并举例说明两类制备方法各自的特点。答：半导体器件制备过程中要使用多种薄膜，例如：起表面保护、钝化和隔离作用的绝缘介质膜；作为器件工作区的外延膜；实现定域工艺的掩蔽膜；作为电极引线和栅电极的金属膜及多晶硅膜等。制作薄膜的材料很多，其中半导体材料有硅和砷化镓；金属材料有金和铝；无机绝缘材料有二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、三氧化二铝；半绝缘材料有多晶硅和非晶硅等。此外，还有目前广泛应用于生产的聚酰亚胺
17、类有机绝缘树脂材料等。制备薄膜的方法概括起来可分为间接生长法和直接生长法两大类。(1) 间接生长法。间接生长法是指制备薄膜所需要的原子或分子是由含其组元的化合物通过氧化、还原或热分解等化学反应而得到的。这种方法设备简单、容易控制、重复性好、适宜大批量生产，工业上应用广泛，如气相外延、热生长氧化和化学气相淀积等。(2) 直接生长法。直接生长法是指将源直接转移到衬底上形成薄膜，不经过中间化学反应，如液相外延、分子束外延、真空蒸发、溅射和涂敷等3双极型集成电路制造中常用的隔离技术有哪些？说明各自的优缺点。答： PN 结隔离的方法：利用反向偏置的 PN 结具有高阻的特性来达到元件之间相互绝缘的目的。优
18、点：这种方法较简单方便缺点：制成的元件和芯片尺寸较大，寄生效应严重，不耐高压和辐射，从而影响电路性能的提高，它仅能适用于一般的场合当对电路的性能和使用要求较高时可采用以下隔离方法：介质隔离方法：如电路元件之间的绝缘是依靠二氧化硅等介质层来实现的等平面隔离方法：它的底壁仍是 PN 结隔离，而侧壁采用了介质隔离。4什么是小岛？简述小岛产生的原因。答：小岛是指残留在光刻窗口上的小面积待刻膜层，掺杂时这些小岛会阻挡杂质的进入，影响器件的性能。产生小岛的原因有如下几个方面： 掩膜版：掩膜版上遮光区的小孔（负胶工艺）和透光区的铬点（正胶工艺）会影响光刻胶的曝光而产生小岛； 杂质：光刻胶中颗粒状的不溶性杂质
19、残留在 Wafer 表面，使得被杂质覆盖的二氧化硅未被腐蚀而形成小岛； 曝光：曝光过度，造成显影不净，光刻胶残留在薄膜表面，刻蚀后产生小岛。7什么是溶胶？简述溶胶产生的原因。答：在显影或刻蚀时，Wafer 表面的光刻胶膜会起皱或大面积脱落，这种现象即为溶胶，也叫脱胶。溶胶出现的原因有如下几个方面： 工艺湿度太高； Wafer（晶圆）表面的膜层不干净； 前烘不足或过度； 曝光或显影不合适。8. 什么是键合？键合的具体方法有哪些？键合质量的检查涉及哪几项内容？ 答：定义： 用细金属丝将芯片上的电极 引线和底座外引线互连的过程。键合的方法：热压键合、超声键合和热超声球键合。键合质量的检查涉及短路检查、金球键合中心的偏离和键合强度的检验。
