半导体集成电路复习

1、填空，判断，简答，计算一、填空题1.用来做芯片的高纯硅被称为（半导体级硅），英文简称（GSG），有时也被称为（电子级硅）。晶圆的英文是（wafer），其常用的材料是（硅）和（锗）。从半导体制造来讲，晶圆中用的最广的晶体平面的密勒符号是（100）、（110）和（111）。根据氧化剂的不同，热氧化可分为（干氧氧化）、（湿氧氧化）和（水汽氧化）。硅片上的氧化物主要通过（热生长）和（淀积）的方法产生，由于硅片表面非常平整，使得产生的氧化物主要为层状结构，所以又称为（薄膜）。目前常用的CVD系统有：（APCVD）、（LPCVD）和（PECVD）。.缩略语PECVDLPCVDHDPCVD和APCVD的中文

2、名称分别是（等离子体增强化学气相淀积）、（低压化学气相淀积）、高密度等离子体化学气相淀积、和（常压化学气相淀积）。化学气相淀积是通过（气体混合）的化学反应在硅片表面淀积一层（固体膜）的工艺。硅片表面及其邻近的区域被（加热）来向反应系统提供附加的能量。在半导体制造业中，最早的互连金属是（铝），在硅片制造业中最普通的互连金属是（铝），即将取代它的金属材料是（铜）。写出三种半导体制造业的金属和合金（Al）、（Cu）和（铝铜合金）。硅片平坦化的四种类型分别是（平滑）、部分平坦化、（局部平坦化）和（全局平坦化）。光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和（正性光刻），两者的主要区别是所用光刻胶的种类不同，前

3、者是（负性光刻胶），后者是（正性光刻胶）。刻蚀是用（化学方法）或（物理方法）有选择地从硅片表面去除不需要材料的工艺过程，其基本目标是（在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形）。集成电路制造中掺杂类工艺有（热扩散掺杂）和（离子注入）两种，其中（离子注入）是最重要的掺杂方法。杂质在硅晶体中的扩散机制主要有两种，分别是（间隙式扩散机制）扩散和（替代式扩散机制）扩散。.集成电路的发展时代分为：（小规模集成电路SSI）、中规模集成电路MSI、（大规模集成电路LSI）、超大规模集成电路VLSI、（特大规模集成电路ULSI）。扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。主要设备是高温扩散炉，其能完成（氧化）、扩

4、散、（淀积）、（退火）以及合金等多种工艺流程。二、判断题.半导体级硅的纯度为99.9999999%。（V）.冶金级硅的纯度为98%。（V）.西门子工艺生产的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子。（V）.用来制造MOS器件最常用的是（100）面的硅片，这是因为（100）面的表面状态更有利于控制MOS器件开态和关态所要求的阈值电压。（V）5.（111）面的原子密度更大，所以更易生长，成本最低，所以经常用于双极器件。（，）双极型和单极型的差别主要看有几种载流子参与导电。在双极型晶体管中，多子和少子（也就是空穴、电子，两种不同极性的载流子）都参与导电，如BJT，其为电流控制电流。而在单极型晶体管中只有多子

5、（或空穴,或电子，只有一种，单一极性）参与导电，如MOS,场效应管，为电压控制电流。成品率是指在一片晶圆上所有芯片中好芯片所占的百分比。（V）当硅片暴露在空气中时，会立刻生成一层无定形的氧化硅薄膜。（V）暴露在高温的氧气氛围中，硅片上能生长出氧化硅。生长一词表示这个过程实际是消耗了硅片上的硅材料。（V）二氧化硅是一种介质材料，不导电。（V）硅上的自然氧化层并不是一种必需的氧化材料，在随后的工艺中要清洗去除。（V）栅氧一般通过热生长获得。（V）虽然直至今日我们仍普遍采用扩散区一词，但是硅片制造中已不再用杂质扩散来制作pn结,取而代之的是离子注入。（V）.CVD（化学气相淀积）是利用某种物理过程，

6、例如蒸发或者溅射现象实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜。（X）CVD（化学气相淀积）：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程PVD（物理气相淀积）：是利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜。.外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层，即外延层。（，）.在半导体产业界第一种类型的CVD是APCVD（V）外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层，分为同质外延和异质外延两大类。（V）接触是指硅芯片内的器件与第一层金属层之间在硅表面的连接。（V）.溅射是个化学过程，而非物理过程。（x）溅射是

7、物理过程化学机械平坦化，简称CMP,它是一种表面全局平坦化技术。（V）反刻是一种传统的平坦化技术，它能够实现全局平坦化。（x）它不能够实现全局平坦化。最早应用在半导体光刻工艺中的光刻胶是正性光刻胶。（x）是负性光刻胶.对正性光刻来说，剩余不可溶解的光刻胶是掩膜版图案的准确复制。（V）光刻是集成电路制造工艺发展的驱动力。（V）不正确的刻蚀将导致硅片报废，给硅片制造公司带来损失。（V）.在半导体生产中，湿法腐蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。（x）在半导体生产中，干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。在晶片制造中，有两种方法可以向硅片中引入杂质元素，即热扩散和离子注入。（V）.晶体管

8、的源漏区的掺杂采用自对准技术，一次掺杂成功。（V）纯净的半导体是一种有用的半导体。（x）纯净的半导体称为本征半导体，一般都需要掺杂才能导电硅中的杂质只有一部分被真正激活，并提供用于导电的电子或空穴（大约3%5%）,大多数杂质仍然处在间隙位置,没有被电学激活。（V）离子注入会将原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格，高温退火过程能使硅片中的损伤部分或绝大部分得到消除，掺入的杂质也能得到一定比例的电激活。（V）离子注入是唯一能够精确控制掺杂的手段。（V）离子注入是一个物理过程，不发生化学反应。（V）离子注入物质必须以带电粒子束或离子束的形式存在。（V）离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度，因而在几乎所有

9、应用中都优于扩散。（X）离子注入中高能量意味着注入硅片更深处，低能量则用于超浅结注入。（V）CMOS反相器电路的功效产生于输入信号为零的转换器。（V）CD是指硅片上的最小特征尺寸。（V）集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。简而言之，这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作、刻印、刻蚀和掺杂。（V）39.人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污的最大来源。（V）40.世界上第一块集成电路是用硅半导体材料作为衬底制造的。（x）1958年,TI公司的基尔比研制出了世界上第一块集成电路；该电路是在锗衬底上制作的相移振荡器和触发器，共12个器件；器件之间是介质隔离，器件间互连线采用的是引

10、线焊接方法。三、简答题常用的半导体材料为何选择硅？（6分）（1）硅的丰裕度。硅是地球上第二丰富的元素，占地壳成分的25%；经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本；（2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限。硅1412锗937（3）更宽的工作温度。用硅制造的半导体器件可以用于比锗更宽的温度范围，增加了半导体的应用范围和可靠性；（4）氧化硅的自然生成。氧化硅是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污；氧化硅具有与硅类似的机械特性，允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲；2.硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm增加到现在的300mm

11、甚至更大，其原因是什么？（6分）更大直径硅片有更大的表面积，做芯片，能够减少硅片的浪费。每个硅片上有更多的芯片，每块芯片的加工和处理时间减少，导致设备生产效率变高。在硅片边缘的芯片减少了，转化为更高的生产成品率。在同一工艺过程中有更多芯片，所以在一块芯片一块芯片的处理过程中，设备的重复利用率提高了。综合题1识别下图所示工艺，写出每个步骤名称并进行描述，对其特有现象进行描述。（15分）答：一）此为选择性氧化的局部氧化LOCOS（0.25微米以上的工艺）二）步骤名称及描述：氮化硅淀积。氮化硅掩蔽与刻蚀3硅的局部氧化LOCOS场氧化层的剖面4氮化硅去除用淀积氮化物膜作为氧化阻挡层，因为淀积在硅上的氮

12、化物不能被氧化，所以刻蚀后的区域可用来选择性氧化生长。热氧化后，氮化物和任何掩膜下的氧化物都将被除去，露出赤裸的硅表面，为形成器件作准备。三）特有现象描述：当氧扩散穿越已生长的氧化物时，它是在各个方向上扩散的（各向同性）。一些氧原子纵向扩散进入硅，另一些氧原子横向扩散。这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘，我们称为“鸟嘴效应”2识别下图所示工艺，写出每个步骤名称并进行描述。（15分）时财外的答：1气相成底膜：清洗、脱水，脱水烘焙后立即用HMDS进行成膜处理，起到粘附促进剂的作用。采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材

13、料。软烘：其目的是除去光刻胶中的溶剂。对准和曝光：掩模板与涂了胶的硅片上的正确位置对准。然后将掩模板和硅片曝光。5曝光后烘焙：深紫外（DUV）光刻胶在100-110的热板上进行曝光后烘焙。显影：是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。坚模烘焙：要求会发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。显影后检查：目的是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。离子注入工艺的主要优缺点。（15分）答：优点：（1）精确控制杂质含量。（2）很好的杂质均匀性。（扫描方法）（3）对杂质穿透深度有很好的控制。（控制能量）（4）产生单一离子束。（质量分离技术）（5）低温工艺。（中等温度小

14、于125，允许使用不同的光刻掩膜，包括光刻胶）（6）注入的离子能穿过薄膜。（7）无固溶度极限。缺点：（1）高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤。当高能离子进入晶体并与衬底原子碰撞时，能量发生转移，一些晶格上的硅原子被取代，这个反应被称为辐射损伤。大多数甚至所有的的晶体损伤都能用高温退火进行修复。（2）注入设备的复杂性。然而这一缺点被离子注入机对剂量和深度的控制能力及整体工艺的灵活性弥补五、计算题卜惭口区ViVil=一以二_1卜惭口区N缸布的明口区暗工*窿性区CMOS反相器的噪声容限_2匕皿+后？-Vdd+k/琢1十舟?_+%-底(2匕皿+匕nJ1+0例考虑一个具有如下参数的CMOS,反相

15、器电路：%=至铲=。斫%=1口口小上,二叫山计算电路的噪声容限解：对于CMOS反相器来说Wol=0%Voh=3.3Vv2曦+4v2曦+4二七口+K跖“注，KeK/Kp1+32V-0.7-33+1.5Oiif1+2.5=0.57曦一0.71当UinWl时jnMOS管工作在饱和区,pMOS管工作在线性区则有:92(%-曝则有:92(%-曝-7必口口-*)-(7-*力二舄仁-限4012(33-0.57+0.71-0.7)(33-)-(3.3-Jf);=100(0-57H/-0.71-0.6)206叱/+065%6,65=0-0.05Vo.052+4x0,66x6,65Vbut=2x0.66_-0.054.19-2x0,66匕演=3.14,匕位二3.17F心二0.57%0/71=LOWV+V+K(2V”)t/_DP3R/北工n*m-1+陌OVl+1.17二3.357+05(2无工OVl+1.171+2.5当Vin二Mh时,nMOS管二作在线性区,pMOS管工作在