微电子工程学复习题.doc

第一章：1、电子器件微型化和大规模集成的含义是什么？其具有怎样的实际意义。答：电子器件微型化主要是指器件的最小尺寸，也就是特征尺寸变小了。大规模集成是指在单个芯片上所继承的电子器件数量越来越多。电子器件微型化和大规模集成的意义：1）提高速度和降低功耗 只有提高集成度，才能减少电子系统内部的连线和最大限度地减少封装管壳对速度的影响。提高速度和提高集成度是统一的，前者必须通过后者来实现。同时采用低功耗、高速度的电路结构（器件结构）2）提高成品率与可靠性 大规模集成电路内部包含的大量元件都已彼此极其紧密地集成在一块小晶片上，因此不像中、小规模集成电路组成的电子系统那样，由于元件与元件，或电路与电路之间装配不紧密，互连线长且暴露在外，易受外界各种杂散信号的干扰，所以说大规模集成电路提高了系统可靠性。为了提高为电子器件的成品率，需要在少增加电路芯片面积的前提下尽可能容纳更多的电子元件，也就是采取提高元件密度的集成方法。3）低成本 大规模集成电路制造成本和价格比中、小规模集成电路大幅度下降是因为集成度和劳动生产率的不断提高。综上所述，大规模和超大规模集成电路的微型化、低成本 、高可靠和高频高速四大特点，正是电子设备长期追求的技术指标和经济指标，而这四大特点中后三个特点皆源于微型化的特点。因此这四大特点是统一的、不可分割的。2、 超大规模集成电路面临哪些挑战？答：首先是大直径的硅材料, 随着集成电路技术的发展，硅单晶直拉生产技术，在单晶尺寸、金属杂质含量、掺杂元素和氧分布的均匀性及结晶缺陷等方面得到了不断的改进。目前，通常使用的硅单晶抛光片的直径已达到300mm，400mm硅单晶片的制造也已经开始。如何控制400mm晶体中点缺陷将是面临的重大挑战。其次是光刻技术：在微电子制造技术中，最为关键的是用于电路图形生成和复制的光刻技术。更短波长光源、新的透镜材料和更高数字孔径光学系统的加工技术，成为首先需要解决的问题；同时，由于光刻尺寸要小于光源波长，使得移相和光学邻近效应矫正等波前工程技术成为光学光刻的另一项关键技术。最后是器件工艺。当器件的沟道长度缩小到0.1um时，已开始逼近传统的半导体物理的极限。随之而来的是栅氧化层不断减薄，SiO2作为传统的栅氧化层已经难以保证器件的性能。同时随着半导体器件工艺的特征尺寸不断地缩小，芯片内部的多层内连线工艺也逐渐成为半导体工艺发展的挑战。3、阐述微电子学概念及其重要性。答：微电子学是研究在固体(主要是半导体)材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支。 微电子学作为电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学。 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的的，故实用性极强。微电子学中所实现的电路和系统又称为集成电路和集成系统。 微电子学是信息领域的重要基础学科，在信息领域中，微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储、处理和输出的科学，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石。其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。 微电子科学技术是信息技术中的关键之所在，其发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要标志。4、简要介绍微电子学特点。答：微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容；涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个领域。 微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向。信息技术发展的方向是多媒体(智能化)、网络化和个体化，要求系统获取和存储海量的多媒体信息、以极高速度精确可靠地处理和传输这些信息、并及时地把有用信息显示出来或用于控制。所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实，超高容量、超小型、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境追求的目标，也是微电子技术迅速发展的动力。 微电子学的渗透性极强，它可以与其它学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如它与机械、光学等结合导致了微机电系统(MEMS)的出现，它与生物科学结合诞生了生物芯片。MEMS和生物芯片都是近年来快速发展起来的具有极其广阔的应用前景的新技术 第二章：1、为什么大规模和超大规模集成电路的加工要求高度洁净的环境？答：由于微电子器件具有非常高的集成度和极为精细的图形，任何细小的尘埃和不可溶的微粒，都足以影响其成品率和可靠性。另外，随着电路芯片面积的增大，遭受外来尘埃或杂质破坏的概率也随之增大。所以制作环境的洁净与否在很大程度上左右大规模和超大规模集成电路的成品率和可靠性。2、什么是超纯水？超纯水的指标有哪些？答：所谓超纯水，就是指已设法将水中各种杂质减少到最低程度的水。指标：电阻率、尘粒含量、总电解质含量、有机物、溶解的气体、微生物。3、微电子工业从哪几方面来检测超纯水是否达标？答：电阻率的测量、微粒的测量、微生物的测量、总有机碳（TOC）的测量、微量金属离子的测量、总二氧化硅的测量、阴离子的测量、化学耗氧量（COD）的测量。4、以硅单晶为代表讨论微电子器件制造对半导体材料的要求有哪些？答：一般来说，大规模和超大规模集成电路对硅单晶材料提出如下要求， 1）增大直径不断增大制作电路芯片的硅圆片直径，这既是微电子技术发展的主要趋向，也是人们为了提高单块芯片的元器件密度而在现代工业技术基础上采取的主要措施。工艺实践表明：硅片面积和电路芯片面积的比值对大规模和超大规模集成电路的成品率是有影响的。在其它条件相同时，比值愈大，成品率愈高。所以使用大直径硅片生产大规模和超大规模集成电路时，不仅可以提高生产效率，而且可以提高成品率。硅片直径愈大，有效使用面积所占的比例也愈大。2）严格控制杂质含量由于超大规模集成电路结构的微细化，硅单晶中的杂质含量更会影响到电路的成品率。已经证明，硅单晶中的氧、碳和氮等杂质含量最严重地影响大规模集成电路的成品率。硅单晶中所含的氧杂质，致使硅单晶的电阻率发生变化。影响硅单晶中的少子寿命，并促使硅中重金属杂质产生快速扩散，引起电路内部各管子耐压性能的退化。硅中的碳杂质有与氧杂质相似的危害性。它可能与硅反应生成碳化硅，可能诱生微缺陷。3）晶体结构的高度完整性和减少微缺陷除了氧、碳杂质外，硅单晶中的金属杂质也是影响成品率和可靠性的重要因素，特别是其中的一些所谓的快扩散重金属杂质，如铜、铁、金、镍等元素，危害性更大。在实践中，人们发现无位错单晶材料中存在的“微缺陷”极其严重地影响大规模，特别是超大规模集成电路的成品率。对于用来制造大规模和超大规模集成电路的硅材料，杂质和缺陷往往很难予以分割开来考虑。在进一步研究微缺陷对微电子器件成品率的影响时，发现只有硅片表面薄层的微缺陷才对电路构成致命的威胁，而硅片内部所存在的微缺陷不仅无害，而且有益。因此问题的关键在于减少或避免硅片表面层内的微缺陷。4）杂质分布和电阻率的均匀性这里所说的杂质是人们为了获得所预期的硅单晶电阻率而掺入的有用杂质。为了使制作在大直径硅片上的各单元电路和各个元器件性能一致，要求片子径向方向的电阻率十分均匀。因为电阻率的不均匀性必然导致电路电性能的离散性和成品率下降。5）硅片的标准化、系列化 大规模集成电路蓬勃发展后，为了加工出规格化、系列化的硅片，国际上制定出各种相关标准5、实现电子器件的微细加工有哪些方面基本条件的要求？为什么超大规模集成电路的制造要求加大硅晶圆的直径？ 答：电子器件的微细加工对环境、超纯水、超纯气体和超纯试剂、对半导体材料等方面有要求。所谓制作环境，这里是指生产过程中的周围环境条件，诸如周围气氛条件（温度、湿度条件），特别是空气中灰尘或其它杂质粒子的浓度。需要超净间。现在有效地消除芯片污染的办法是在每道工序前后都用超纯水冲洗芯片。显然，水的纯度直接决定了冲洗去污染的效果。同超纯水一样，超纯气体也是微电子工业的重要基础材料，因为无论是单晶生长和汽相外延，或是氧化、扩散和光刻等工序，以及化学汽相淀积、合金和表面钝化等工艺，都无一例外地使用多种超纯气体。气体的纯度直接影响所制作的微电子器件的成品率。超大规模集成电路的制造要求加大硅晶圆的直径的原因：因为与中、小规模电路相比，超大规模集成电路的芯片面积已明显增大，如果仍沿用小直径的硅片，那么一片硅片上所包含的电路芯片数将显著下降。同时使用大直径硅片生产大规模和超大规模集成电路时，不仅可以提高生产效率，而且可以提高成品率。这是因为一块硅晶片的边缘部分由于不平整性和存在大量缺陷，在实际制作电路时，可资利用的部分仅是晶片的中间部分。硅片直径愈大，有效使用面积所占的比例也愈大。第三章：1、 什么叫微电子工程中的薄膜，什么叫薄膜制备技术？答:微电子工程中的薄膜，是指在器件加工制作过程中，在硅片表面生长或淀积的外延膜、各种绝缘薄膜和金属薄膜。薄膜制备技术既包括传统应用的各种绝缘膜的热生长技术，也包括在基片上应用化学汽相淀积薄膜的新技术（简称CVD技术）。2、 简述导电薄膜的作用及分类。并绘出图示。答：导电膜的一个重要的应用领域是在集成电路中器件的触点之间提供互连。包括在单层金属膜和多层金属膜的应用。3、薄膜腐蚀过程中不同薄膜的特点及相应的注意事项。答：1）薄膜比相应的体材料腐蚀得快，因此腐蚀液必须稀释，使腐蚀速度降低到易于控制。2）受过辐照的薄膜一般腐蚀得快。这包括作过离子注入的和电子束蒸发的，甚至前工序曾处于电子束蒸发气氛的薄膜。但某些光刻胶例外，这种材料在辐照条件下通过聚合化而韧化，称为负光刻胶。3）内应力高的薄膜腐蚀得快。通常薄膜中的内应力是由淀积速率，淀积技术及衬底温度控制的。4）微观结构差的薄膜腐蚀得快。这包括多孔、疏松的薄膜。高于生长温度的热处理可使薄膜致密化，其腐蚀速率将比生长态慢。5）化合物薄膜若制备技术使它偏离化学计量成分，则腐蚀得快。氮化硅属于此类。6）混合膜比单元组膜腐蚀得快。这是因为其中一种组元受到腐蚀后薄膜中孔洞迅速增多，腐蚀表面也相应增大，因而它总比单组元薄膜易于腐蚀。磷硅玻璃是这种类型的薄膜材料。4、微电子工程中应用的薄膜有哪些种类？它们的基本制备方法有哪些？它们在工艺加工过程和器件结构中起哪些作用？答：薄膜分为外延膜、绝缘膜和金属薄膜。外延膜是构成电路内部机构的必要组成部分。一般需要外延生长 绝缘膜不仅对电路可起到钝化和保护作用，更主要的是它在电路芯片制作过程中起重要作用。一方面，它起到掩蔽刻蚀的作用，使得下一道工序可以有选择地对晶片上不同的区域进行处理。另一方面，它起到良好的绝缘作用，使电路的多层布线和金属层之间不致相互短路。绝缘膜一般为硅的氧化膜，可以采用热氧化和CVD工艺制备。氮化硅一般采用CVD工艺制造。金属薄膜是为了电路中各单元或各元器件之间互连的需要而引入的。对于金属膜的制备一般采用电子束蒸发或者溅射的工艺。5、微电子工程中，常用的薄膜刻蚀有哪几种，简述其特点。答：微电子工程中薄膜的刻蚀主要有：湿法化学腐蚀、化学机械抛光、等离子刻蚀酸性湿法化学腐蚀通常是各向同性的，即腐蚀液在掩膜下扩展的距离大致等于腐蚀厚度。化学机械抛光(简称CMP)是获取全局平坦化的一种手段。最初它只是开发用于互连平坦化，但今天它也用于像器件隔离这些工艺。最普遍的工艺是，先做一层厚的介质层，通常是先用旋涂或CVD法生长的玻璃，然后被放在一种包含有胶质(二氧化硅颗粒的磨料悬浮液)和腐蚀剂如缓冲HF的碱性膏剂中机械研磨。等离子刻蚀的特点是：首先，干法腐蚀避免了由于液体试剂毛细管作用而引起的光刻胶钻蚀。其次，采用以动量传递为材料腐蚀的主要机理的平板反应器能得到高度的各向异性腐蚀。第三，通入的反应气体量少，因而排出物的量也很少，虽然含有一些有害的或易爆的物质如一氧化碳、活性氧，但由于数量少也易于处理。最后，可采用光谱仪监测一种或几种反应物或排出物，以便及时终止腐蚀。所以配备片架装片、自动抽空及装片锁定装置后，该系统可以实现自动化。第四章：1、概述制版工艺的内容 答：制版工艺包括以下内容：1) 人工绘制原图。在设计的最后用人工方法绘出原图，即绘制版图。2) 分版图和掩模原版。利用人工绘制的版图制出分版图，再进而制出大小为掩模图形10倍的掩模原版。具体制作方法有两种。一是刻图和缩小法，掩模原版的图形大小一般是掩模的10倍。另一种方法是图形编译程序和图形发生器法，现在称为计算机辅助制版。3) 精缩照相机。精缩照相机是将掩模原版按照缩小10倍的要求在干版上分步重复曝光，制作出掩模（称为主掩模或原掩模）的装置。 用分步重复（即精缩）照相机曝光后的干版，经过显影、定影处理后，即成为正式掩模版。4) 工作掩模的复制。一般用主掩模版按照照相复印的方法复制出多个工作掩模版供生产时使用。5) 光刻掩模版的检查。光刻掩模版的检查可分为尺寸测量、套刻精度测量及缺陷检查。2、简述非接触式曝光技术的内容答：非接触式曝光法又分为接近式曝光和投影曝光两种方法。接近式曝光法就是在曝光时使掩模版与基片（硅片）不直接接触，两者之间间隔1030微米的间隙。接近式曝光方法的关键是设计配备一个良好的光源系统。接近式曝光的最显著优点是延长了掩模版的使用寿命。投影式曝光是通过光学系统，将掩模图形反射或透射到硅片或其它涂敷感光材料的基片上成像。按照投影成像倍数的不同，投影式曝光可分成1:1投影曝光和缩小投影曝光两种方法。1:1投影曝光分为1:1全反射投影曝光和1:1透射投影曝光。应用缩小投影曝光方法，在硅片上所形成的投影图形比掩模图形缩小了，可以获得很好的掩模反差和掩模尺寸精度，简化了掩模的制造工艺。3、简述移相掩膜技术的内容答：移相掩模的基本原理是在光掩模的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称移相器，使光波通过这个介质层后产生 180。的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，抵消图形边缘的光衍效应，提高图形曝光分辨率。移相层材料有两类。一类是有机膜，以抗蚀剂为主。另一类是无机膜，如二氧化硅。移相掩模的移相方式与类型：各种移相方式有很多，主要有自对准边缘增锐方式；交变移相方式；衰减移相边缘增锐方式；全透明移相方式。第五章：1、 简单说明热扩散，以及其主要包括哪几种扩散方式，简述其中一种热扩散机理 答：热扩散是基本的掺杂技术，指的是在高温下，杂质原子在热力学的作用下从源运动到硅片表面并再分布的过程。扩散方式：主要包括替位式扩散和间隙式扩散。 替位式扩散是指扩散杂质占据原来硅原子的位置，间隙式扩散是指扩散杂质位于晶格间隙中。III、V族元素在硅中的扩散均为替位式扩散， Na、Cu、Au等元素在硅中的扩散为间隙式扩散。 热扩散机理：主要包括空位交换模式和填隙扩散机制。 在此介绍空位交换模式的机理:杂质原子从一个晶格位置往右移动。根据对称性原理，这种移动不需要消耗能量。然而，当一个替位型原子在晶体中移动时，它必须要有足够的能量来克服它所处的势阱。对于直接交换模式，至少要打破6个键，才能使本体原子与杂质原子交换位置。但是，如果相邻的晶格位置是一个空位，这时只需要打破3个键，原子间的交换就会相当容易。2、既然有热扩散技术存在，为什么还需要离子注入掺杂技术？简单叙述离子注入技术，及其有什么特点（列举三种）？ 答：离子注入技术适应了电路图形不断微细化的需要。 相对于热扩散，应用离子注入掺杂技术，可以比较随心所欲地精密控制掺杂层的杂质浓度、掺杂深度和掺杂图形几何尺寸。 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量（50-500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。 离子注入的特点主要有以下几个方面：1）可以用质量分析系统获得单一能量的高纯杂质原子束，没有沾污。2）通过靶的剂量可在很宽的范围（10111017离子/cm2）内变化，且在此范围内精度可控制到1。3）离子注入时，衬底一般是保持在室温或不高的温度（400），因此，可用各种掩模（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。4）用离子注入也可在半导体的特定区域淀积一定量的带电物质。5）离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。3、离子注入过程对器件性能有何损伤，通过什么方法可以减弱离子注入过程对器件性能的损害？答：离子注入过程，高能离子与靶原子核发生碰撞，可使靶原子发生位移，从而在靶中形成无数空位与间隙原子。这些缺陷的存在使半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，从而影响制成器件的性能。此外，注入离子很大部分并不正好处于晶格点上，它们没有电活性。可以利用退火技术消除离子注入造成的晶格缺陷并激活注入的离子。适当时间的热处理，硅片中的损伤可能部分或全部得到消除，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活。第六章：1、集成电路测试分为哪几类？简单说明各种测试的目的。 答：原型测试和生产测试两大类原型测试用于对版图和工艺设计的验证，这一阶段的测试要求得到详细的电路性能参数，如速度、功耗、温度特性等。生产测试又分为：芯片测试和成品测试、质量测试、可靠性测试、验收测试、研究与开发测试。1）芯片测试（中测），目的是迅速挑出不合格芯片，并统计出芯片合格率、失效芯片在晶片中的物理位置及不同类型失效发生的几率等，供设计、工艺和生产人员参考。2）成品测试（成测） ，目的是确保IC能满足最低电气规范要求，并按不同要求分类，统计出分类结果和不同参数分布，供质量和生产部门参考。3）质量测试，目的是确认IC满足规范及其他工艺标准的程度并保证最低的质量标准。测试需选择恒温条件。对批量取样，采取抽样的方法。4）可靠性测试，目的是验证IC在一定期限内保证质量并具有相应功能的能力。测试时不仅要选择不同电压、定时、速度等不同电气条件的组合，还需要高温、低温、温度循环、机械应力等环境条件的配合，最后提供预计寿命和其他可靠性数据。5）验收测试，目的是确认IC满足供货协议规范（或使用规范）要求的程度，由用户按规范要求进行抽测。6）研究与开发测试，目的是制定或修改规范、支持特定的应用目标。2、什么叫微电子工艺监控？在哪些方面要实施工艺监控？通常采用哪些方式进行工艺监控？答：所谓工艺监控就是借助于一整套检测技术和专用设备，监控整个生产过程，在工艺过程中，连续提取工艺参数，在工艺结束时，对工艺流程进行评估。 工艺监控是集成电路生产的重要组成部分，并且涉及到与整个制造过程相关的各个方面，例如：生产环境：温度、湿度、洁净度、静电积聚等；基础材料：纯水（去离子水）、高纯气体、化学试剂、光刻胶、单晶材料、石英材料等；工艺状态：工艺偏差、设备运行情况、操作人员工作质量等；设计：电路设计、版图设计、工艺设计等。当前，工艺监控一般是同时采用两种方式：工艺检测片和微电子测试图形。第七章：1、 画出大功率管工艺流程图。2、 简述集成电路工艺技术。答：1）硅片特性与生长加工技术2）生产环境净化技术3）氧化和热处理技术4）掺杂技术5）薄膜生长技术6）图形加工技术3、 深亚微米CMOS工艺技术有哪些基本特点？ 答：1）反应离子刻蚀形成侧墙，以形成源漏延伸区结构； 2）浅沟隔离，减少隔离面积和寄生隔离电容； 3）自对准硅化物降低栅、源漏串联电阻，提高驱动能力； 4）双栅电极调整阈值电压，形成表面沟道，抑制短沟效应; 5）超薄的氮化氧化栅，提高驱动能力、热可靠性，抑制短沟效应和硼穿透效应； 6）高表面浓度的超浅源漏延伸区结构，抑制短沟效应，并提高驱动能力； 7）非均匀沟道掺杂剖面抑制短沟效应，调整阈值，并减少结电容，提高表面沟道中载流子迁移率； 8）深注入倒掺杂阱削弱CMOS闩锁效应，并减少阱隔离面积4、器件隔离有哪些？简单说明其原理及优缺点 答：器件隔离的方式主要有局部（域）氧化隔离和浅沟槽隔离两种 1)局部氧化隔离 局部氧化隔离(LOCOS)是传统占据统治地位的器件隔离技术。它利用了氧在氮化硅薄膜中扩散极慢的特性，从而使得被氮化硅覆盖的硅层在氧化过程中极难生成氧化物，由此在硅片上实现了隔离区被选择氧化的结果。局部氧化的主要缺点是存在 “鸟嘴”，“鸟嘴”区属于无用的过渡区，既不能作为隔离区，也不能作为器件区，这对提高集成电路的集成度极其不利；同时局部氧化层的高度对后道工艺中的平坦化也不利。 2)浅沟槽隔离 浅沟槽隔离(STI)是一种全新的器件隔离方法，它可以在全平坦化的条件下使“鸟嘴”区宽度接近零，目前已成为0.25mm以下集成电路生产过程中的标准器件隔离技术。 浅沟槽隔离的具体工艺步骤是先利用高各向异性的干法刻蚀在隔离区腐蚀出深度较浅(0.30.6mm)的沟槽，再用CVD氧化物填充，随之用CMP方法除去多余的氧化层，达到在硅片上选择性保留厚氧化层的目的。第八章：1、简述微电子封装的优点，说说你对微电子