半导体技术期末复习.docx

1.20世纪上半叶对半导体产业发展做出贡献的4种不同产业。P2
答：真空管电子学、无线电通信、机械制表机、固体物理
2. 列出5个集成时代，指出每个时代的时间段，并给出每个时代每个芯片上的元件数。P4
小规模集成电路 20世纪60年代前期 2-50个芯片
中规模集成电路 20世纪60年代到70年代前期 20-5000个芯片
大规模集成电路 20世纪70年代前期到70年代后期 5000-100000个芯片
超大规模集成电路20世纪70年代后期到80年代后期 100000-1000000个芯片
甚大规模集成电路 20世纪90年代后期至今 大于1000000个芯片
3. 列出提高微芯片制造技术相关的三个重要趋势，简要描述每个趋势。P8
1、提高芯片性能:提高速度和降低功耗。1）、器件做的越小，芯片上的器件就越多，芯片的速度就提高；2）、使用材料，通过芯片表面的电路和器件来提高电信号的传输。
2、提高芯片可靠性
3、降低芯片成本
原因：根本原因是得益于CD尺存的减小；半导体产品市场的大幅度增长。
4. 什么是芯片的关键尺寸？这种尺寸为何重要？P9
芯片的物理尺寸特征被称为特征尺寸，最小的特征尺寸称为关键尺寸。
将CD作为定义制造复杂性水平的标准，也就是如果你拥有在硅片上制造某种CD的能力，那你就能加工其他所有特征尺寸，由于这些尺寸更大，因此更容易生产。例如，如果芯片上的最小尺寸是0.18um，那么这个尺寸就是CD。半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用CD .
5.什么是摩尔定律？它预测了什么？这个定律正确吗？P10
1964年摩尔预言在一块芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番（后来在1975年被修正为预计每18个月翻一番）。摩尔定律惊人的准确！
6.以B掺入Si中为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和P型半导体。
在硅晶体中掺入硼，硼是Ⅲ族元素，硼替代原有硅原子位置，由于Ⅲ族元素最外层只有3个价电子，与周围硅原子产生共价键时，产生一个空穴，而本身接受一个电子称为带负电的离子，通常我们称这种杂质为受主杂质。这种半导体主要依靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体称为p型半导体。
7. 以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和N型半导体。
在As中掺入Ge ， Ge 是V族元素杂质， Ge杂质会替代原来硅原子的位置，与周围的硅原子形成共价键，多余的一个电子便成了能够导电的自由电子，本身变成带正电的离子，通常我们称这种杂质为施主杂质。这种半导体依靠施主提供的 电子导电，这种依靠电子导电的半导体称为n型半导体。
8. 半导体内的载流子三种运动：载流子的扩散运动，载流子的热运动和载流子的漂移运动。
9. 双极晶体管有多少个电极、结和类型？电极的名称分别是什么？类型名称分别是什么？P46
有三电极和两个pn结、两种类型。
电极名称：发射极、基极、集电极。
类型名称：pnp、npn.
10.其他电极形成物理的pn结。场效应管（FET）的两种基本类型是什么？他们之间的主要区别是什么？P50
答：结型（JFET）和金属-氧化物型（MOSFET）半导体。
区别是：MOSFET作为场效应晶体管输入端的栅极由一层薄介质与晶体管的其他两极绝缘。JFET的栅极实际上同晶体管
11. 半导体级硅有多纯？P64
9个9
12. 描述非晶材料。为什么这种硅不能用于硅片？P65
非晶材料指的是非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对生产半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关，这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。
13. 多晶：晶胞不是有规律地排列
单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列
14. 什么是晶体缺陷？P73
晶体缺陷指的是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断。研究晶体缺陷是非常重要的，因为它对半导体的电学特性有破坏作用。在硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：
点缺陷：原子层面的局部缺陷，包括空位缺陷、间隙原子缺陷和Frenkel缺陷
位错：错位的晶胞
层错：晶体结构的缺陷
15. 什么是物质的四种形态？试分别描述之。P87
固体、液体、气体和等离子体（电离的气体）
16. 吸收和吸附之间有什么不同？P91-92
吸收:物质吸取其他实物或能量的过程。气体被液体或固体吸取，或液体被固体所吸取。在吸收过程中，一种物质将另一种物质吸进体内与其融和或化合。吸收是气体或液体进入其他材料的主要方式.
吸附是气体或液体被束缚在固体表面，被吸附的分子通过化学束缚或者物理吸引这样的弱束缚黏在物体表面。
17. 什么是酸？列出在硅片厂中常用的三种酸。P95
酸是一种包含氢并且氢在水中裂解形成水合氢离子H3O+的溶液。硅片厂中常用的酸有HF,HCL, H2SO4, HNO3, H3PO4
18. 什么是碱？列出在硅片厂中常用的三种碱。P96
碱是一类含有OH根的化合物，在溶液中发生水解生成氢氧根离子OH-。硅片厂中常用的碱有NaOH, NH4OH, KOH
19. 什么是溶剂？列出在硅片厂中常用的三种溶剂。P97
溶剂是一种能够溶解其他物质形成溶液的物质。硅片厂中常用的溶剂有：去离子水，异丙醇、三氯乙烯、丙酮、二甲苯
20. 说明五类净化间沾污。P107
沾污指的是半导体制造过程中引入半导体硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。
净化间沾污有：颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层、静电释放。
21. 什么是等离子体？它对工艺腔有什么益处？P181
等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、带电离子和自由电子。
等离子体可以提供发生在硅表面的气体反应所需要的大部分能量，因此被广泛应用于晶片制造的各个步骤；另一个应用是通过等离子体刻蚀选择性的去除金属。
22. 硅片中氧化膜的用途
1、器件保护和隔离2、表面钝化3、栅氧电介质4、掺杂阻挡5、金属层间的介质层
23. 如果热生长氧化层厚度为20000A，那么硅消耗多少？9200A. P215
2000×0.46=920（A）
24. 氧化生长模式P251
（参考，暂时不考）
25. 化学气相淀积 P246
26. 什么是快速热处理（RTP）？相比于传统炉其6大优点是什么？P228
快速热处理是在非常短的时间内将单个硅片加热至400~1300℃温度范围内的一种方法；
1、温度均匀性好2、杂质运动最小3、硅片间的重复性4、产量高5、由于快速加热产生应力，增加了强度6、有利于绝对温度的测量
27. 什么是薄膜？列举并描述可接受的薄膜的8个特征。P242
薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一种固体物质具有三维尺寸，那么薄膜是指某一维（通常是厚度）远远小于另外两维上的尺寸。
1、好的台阶覆盖能力2、填充高的深宽比间隙能力3、好的厚度均匀性4、高纯度和高密度
5、受控制的化学剂量6、高度的结构完整性和低的膜应力7、好的电学特性
8、对衬底材料或下层膜好的粘附性
28. 列举并描述薄膜生长的三个阶段。P244
晶核形成，成束的稳定小晶核形成
聚集成束，也称为岛生长
形成连续的膜。
29. 并描述CVD反应中的8个步骤。P247
1、气体传输至淀积区域：反应气体充反应腔入口区域流动到硅片表面的淀积区域；
2、膜先驱物的形成：气相反应导致膜先驱物和副产物的形成；
3、膜先驱物附着在硅片表面：大量膜先驱物运输到硅片表面；
4、膜先驱物粘附：膜先驱物粘附在硅片表面
5、膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面扩散；
6、表面反应：表面化学反应导致膜淀积和副产物的生成；
7、副产物从表面移除：吸附表面反应的副产物；
8、副产物从反应表面腔移除：反应的副产物从淀积区域随气流流动到反应腔出口并排出。
30. 什么是外延？解释自掺杂和外扩散。P267
外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层，新淀积的这层称为外延层。
自掺杂：掺杂杂质从衬底蒸发，或者是由于淀积过程中氯对硅片表面的腐蚀而自发进行的一种掺杂不均匀的现象。
外扩散：衬底作为掺杂杂质源扩散到外延层的一种不规则掺杂形式，称为外扩散。
31. 定义分辨率。P312
分辨率：光刻中的一个重要的性能指标，是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力。
32. 解释负性和正性光刻的区别。P314
负性光刻：是把与掩膜板上相反的图形复制到硅片表面，曝光后，光刻胶会因交联而变得不可溶解，并会硬化，交联的光刻胶便不能在溶剂中被洗掉，是的光刻胶上图形与投影掩膜板上的图形相反。
正性光刻：是把与掩膜板上相同的图形复制到硅片上，曝光后的区域经历一种光化学反应，使得其在显影液中软化并可以溶解，形成的光刻胶的图形与投影掩膜板上的相同。
两者的区别在于光刻胶的种类不同。
33. 列出光刻的8个步骤，并对每一步做出简要解释。P316
1、气相成底膜处理：目的是增强硅片和光刻胶之间的粘附性；
2、旋转涂胶：采用旋转的方式使得所涂光刻胶较为均匀；
3、软烘：目的是去除光刻胶中的溶剂；
4、对准和曝光：目的是将掩膜板上的图形转移到涂胶的硅片上，且光能激活光刻胶中的光敏成分；
5、曝光后烘培：对紫外光刻胶在100到110度之间进行烘培。紧随在光刻胶曝光之后；
6、显影：硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤，将光刻胶上可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的图形留在硅片表面；
7、坚膜烘培：显影后的热烘指的就是坚膜烘培，目的在于挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性；
8、显影后检查：目的在于去顶光刻图形的质量。
34. 列出并解释两种形式的光波干涉。P344
相长干涉和相消干涉。
35. 什么是空间相干？为什么在光刻中控制它？P348
光是一种电磁波，在传播过程中，具有相同相位的不同光波在交汇点具有空间相干。空间相关可以通过光学系统加以控制，使图像中可能形成的干涉图像最小。如果不控制，在光刻胶上干涉结果看起来可能是亮暗点的粒状图形，被称做斑纹。
36. 什么是数值孔径？陈述它的公式，包括近似公式。P353
透镜收集衍射光的能力称之为透镜的数值孔径。透镜数值孔径越大，其成像质量越高。其公式为，其中n为为图像介质的折射率 为主光轴与透镜边缘线的夹角，
r为透镜的半径，f为透镜的焦距
37. 什么是抗反射涂层，它是怎样减小驻波的？P354
抗反射涂层：曝光光线通过投影掩膜板后再光刻胶上形成图案，在光刻胶下面最终要被刻蚀形成图案的底层薄膜，在这层薄膜上涂上反光的涂层，就称为抗反射涂层。
抗反射涂层通过抑制曝光光束减少不想要的光反射，从而避免了入射光波与反射光波之间的干涉，抑制了驻波的产生。
38. 陈述分辨率公式。影响光刻分辨率的三个参数是什么？计算扫描光刻机的分辨率，假设波长是248nm，NA是0.65，k是0.6。 P358
在光刻中，分辨率定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图像的能力。分辨率对任何光学系统都是一个重要的参数，并且对光刻非常关键，因为我们需要在硅片上制造出极小的器件尺寸。分辨率公式R为：，其中为光源的波长，NA为曝光光学系统的数值孔径。因而，影响光刻分辨率的三个参数为波长、数值孔径和工艺因子。
39. 给出焦深和焦面的定义。写出计算焦深的公式。P359
焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰，这个范围被称为焦深，也称为景深。焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点。焦深是焦点上面和下面的范围，在该范围内能量相对为常量。焦深方程为在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。当数值孔径增加后，透镜就可以捕获更多的光学细节并且系统的分辨能力也增加了，相应地焦深就会减小。增加图像分辨率对亚微米特征尺寸是必须的，然而，焦深减小的结果是严重缩减了光学系统的工艺宽容度。所以在半导体制造中，既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸的图形，又要保持合适的焦深。
40. 刻蚀工艺有哪两种类型？简要描述各类刻蚀工艺。P405
两种基本刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。
干法刻蚀是把硅片表面暴露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应，从而去掉曝露的表面材料。是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。
湿法腐蚀，利用液体化学试剂（例如酸、碱、溶剂）以化学方式去除硅片表面的材料。一般适用于尺寸较大的情况。
41. 讨论刻蚀残留物，他们为什么产生以及要怎样去除？P410
刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料，主要覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。
它的产生有多种原因，例如被刻蚀膜层中的污染物、选择了不合适的化学刻蚀剂、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂质分布。
刻蚀残留物是IC制造过程中的硅片污染源，并能在去除光刻胶过程中带来一些问题。为了去除刻蚀残留物，有时在刻蚀完成后会进行过刻蚀。在一些情况下，刻蚀残留物可以在去除光刻胶的过程中或用湿法化学腐蚀去掉。
42. 什么是刻蚀中的等离子体诱导损伤，以及这些损伤带来什么问题?P411
包含带能离子、电子和激发分子的等离子体可引起对硅片上的敏感器件引起等离子体诱导损伤。一种主要的损伤是非均匀等离子体在晶体管栅电极产生陷阱电荷，引起薄栅氧化硅的击穿。另一种器件损伤是能量离子对曝露的栅氧化层的轰击。在刻蚀过程中，这种损伤在刻蚀的时候能在栅电极的边缘发生。
43. 倒掺杂 P466
在阱的同一区域内，先采用高能量、大剂量的杂质注入，然后采用低能量、浅结深和小掺杂剂量的注入。
倒掺杂技术使得源漏极在 衬底深处的掺杂浓度较大，而表面掺杂浓度较小，这样既保证了沟道打开时有足够的载流子浓度形成电流，又使沟道关闭时，源漏间漏电流因为表面载流子浓度低而降低。
44. 简述离子注入 P443
离子注入是通过高压离子轰击把杂质引入硅片的过程，杂质通过与硅片发生原子级的高能碰撞，才能被注入，是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程，不发生化学反应。
45. 硅片制造的常用杂质. P442
受主杂质：硼、铝、镓、铟；
施主杂质：氮、磷、砷、锑。
46. 列举并解释扩散的三个步骤.P445
硅中固态杂质的热扩散需要三个步骤：预淀积、推进和激活。
预淀积：在预淀积过程中，硅片被送入高温扩散炉中，杂质原子从源区转移到扩散炉内。然后杂质仅进入了硅片中很薄的一层，且其表面浓度是恒定的。预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。
推进：这是个高温过程，用以使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成期望的节深。
激活：这时的温度要稍微升高一点，使杂质原子与晶格中的硅原子键合。这个过程激活了杂质原子，改变了硅的电导率。
47. 杂质的固溶极限P446
在一定的温度下，硅能吸收的杂质数量是一定的，称之为固溶度极限。
48. 什么是射程？解释能量与射程之间的关系。P450
离子射程指的是离子注入过程中，离子穿入硅片的总距离。注入机的能量越高，意味着杂质原子能穿入硅片越深，射程就越大。
49. 描述注入过程中的两种主要能量损失机制。P451
注入离子在穿行硅片的过程中与硅原子发生碰撞，导致能量损失，并最终停止在某一深度。两个主要能量损失机制是电子阻碍和核阻碍。电子阻碍是杂质原子与靶材料的电子发生反应造成的。核阻碍是由于杂质原子与硅原子发生碰撞，造成硅原子的移位。
50. 离子束扩散和空间电荷中和 P458
由于电荷之间的相互排斥，所以一束仅包含正电荷的离子束本身是不稳定的，容易造成离子束膨胀，即离子束的直径在行程过程中不断增大，最终导致注入不均匀。
离子束扩大可以用二次电子中和正离子的方法缓解，被称为空间电荷中和。