微电子工艺作业参考答案
第一次作业（全体交）
1、简单叙述微电子学对人类社会的作用
答：自上世纪40年代晶体管诞生以来，微电子学科技术发展异常迅猛，目前已进入到巨大规模集成电路和系统集成时代，已经成为整个信息时代的标志和基础。可以毫不夸张地说，没有微电子就没有今天的信息社会。
纵观人类社会发展的文明史，一切生产方式的重大变革都是由新的科学发明而引起的。科学技术作为第一生产力，推动者社会向前发展。1774年，英国格拉斯哥大学的修理工瓦特发明了蒸汽机，触发了第一次工业革命，产生了近代纺织业和机械制造业，使人类进入了利用机器延伸和发展人类体力劳动的时代。1866年，德国科学家西门子发明了发发电机，引发了以电气化工业为代表的第二次技术革命。
当前，我们正在经历着一场新的技术革命，虽然第三次技术革命包含了新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航天工程和电子信息技术等等，但影响最大、渗透性最强、最具有新技术革命代表性的仍是以微电子技术为核心的电子信息技术。
信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式，是继材料和能源之后的第三大资源，是人类物质文明与精神文明赖以发展的三大支柱之一。目前，全球正处在一场跨越时空的新的信息技术革命中，它将比人类历史上的任何一次技术革命对社会经济、政治、文化等带来的冲击都更为巨大，它将改变我们人类的生产方式、生活方式、工作方式，以及治理国家的方式。
实现社会信息化的关键是各种计算机和通讯设备，但其基础都是半导体和微电子技术。1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生了世界第一台电子计算机ENIAC，运行速度只有每秒5000次，存储容量只有千位，平均稳定运行时间只有7分钟。当时的专家认为，全世界只要有4台ENIAC就足够了。然而，仅仅过了半多世纪，现在全世界的计算机数量已多达数亿台。造成这个巨大变革的技术基础就是微电子。现在，电子信息产业已经成为全球第一大产业。毫无疑问，21世纪将是信息化的世纪。
微电子产业对国民经济的战略作用首先体现在当代食物链关系上，现代经济发展的数据表明，GDP每增长100元，就需要10元左右电子工业增加值的支撑，而这其中就包含2-3元的集成电路产品。以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，则小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献则高达2000。可以说，谁开控制了超大规模集成电路技术，谁就控制了世界产业。如果哪个国家不掌握半导体技术，哪个国家会立刻加入到不发达国家行列。
2、为什么绝大多数的集成电路都采用了Si半导体？
答：目前，95%以上的集成电路都采用了Si半导体，其原因是：①Si元素占地壳重量的20%-25%，制备Si单晶的石英岩（主要成分是SiO）分布广,开采成本低；②Si单晶的直径在所有半导体晶体最大，目前已达16英吋（400mm）,且按照摩尔定律每3年增加1英吋，这大大降低了芯片的成本；③Si的氧化物SiO2性能稳定，在集成电路制造工艺中有各种用途，例如，掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料等；④Si半导体材料
的另一形态多晶硅（ Poly-Si）在集成电路工艺中也有许多用途，例如，栅极（可实现源漏自对准工艺）、杂质扩散源、局部互连线（比铝布线灵活）等；
2、列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用
答：1）存储器：只读存储器（ROM）和可编程/重写存储器（如DRAM、SRAM、EPROM、Flash等； 2）微处理器（CPU）：Intel的4004、8086（286、386、486）、Pentium（奔腾）、Itanium、Centurino（酷睿）等；
3）可编程逻辑器件：FPGA、CPLD等； 4）智能卡IC：银行卡、RFID等；
5）双极IC：RTL、DTL、 TTL、ECL等；
3、写出全球10大著名的Foundry（代工）企业的名称
答：IC Inghts 2010年全球前十大晶圆代工排名出炉，台积电继续稳居第一，联电依然排行第二，合并特许半导体后的全球晶圆（Globalfoundries）挤入第三，但营收与联电才差4亿多美元，三星屈居第十。
IC Insights指出，三星多年以来一直希望成为晶圆代工领域的重要企业，虽然去年获得了苹果、高通和赛灵思等重要客户，仍仅位居全球第十大晶圆代工厂。但三星今年有新的晶圆厂计划，近期还传出三星将跨入模拟晶圆代工，未来三星排名仍有机会攀升。
Top1 台积电，收入133.07亿美元，同比增长48%
台湾集成电路制造股份有限公司 (LSE：TMSD)，简称台积电或台积，英文简写“TSMC”，为世界上最大的独立半导体晶圆代工企业，与联华电子并称“晶圆双雄”。本部以及主要营业皆设于台湾新竹市新竹科学工业园区。台积公司目前总产能已达全年430万片晶圆，其营收约占全球晶圆代工市场的百分之六十。 Top2 台联电，收入 39.65亿美元，同比增长41%
UMC---联华电子公司，简称台联电。是世界著名的半导体承包制造商。该公司利用先进的工艺技术专为主要的半导体应用方案生产各种集成电路（IC）。联华电子拥有先进的承包生产技术，可以支持先进的片上系统（SOC）设计，其中包括 0.13 微米 (micron)铜互连、嵌入式 DRAM、以及混合信号/RFCMOS。 Top3 Globalfoundries，收入35.1亿美元，同比增长219%
GlobalFoundries是从美国AMD公司分拆出的半导体晶圆代工公司，成立于2009年3月2日，母公司分别为AMD及阿布达比的Advanced Technology Investment Company（ATIC），其中ATIC占公司股权65.8%，两公司均享有均等投票权。2010年1月13日，GlobalFoundries收购了新加坡特许半导体。公司除会生产AMD产品外，也会为其它公司（如ARM、Broadcom、NVIDIA、高通公司、意法半导体、德州仪器等）担当晶圆代工。现时投产中的晶圆厂为德国德累斯顿的一厂（Fab 1，即原AMD的Fab 36和Fab 38），而位于美国纽约州的二厂于2009年7月24日动工，预计于2012年投产。 Top4 中芯国际，收入15.55亿美元，同比增长45%
成立于2000年，总部位于中国上海，是世界领先的集成电路芯片代工企业之一，也是中国内地规模最大、技术最先进的集成电路芯片制造企业。主要业务是根据客户本身或第三者的集成电路设计为客户制造集成电路芯片。公司的创立
者为曾在台湾积体电路制造公司工作过的张汝京 。 目前公司的绝大多数高管为台湾籍。
Top5 TowerJazz，收入5.10亿美元，同比增长70%
Tower公司是独立代工服务商，为其他半导体公司提供IC设计、生产及其他服务。公司1993年从NS收购了以色列MigdalHaemek附近的工厂，开始从事代工服务。为了扩充在专业晶圆代工领域的能力，以色列Tower Semiconductor宣布收购美国同业Jazz Technologies。根据双方协议，Tower将收购全数Jazz的已发行股票，总价约4,000万美元。此次交易的总金额(包括债务)，约为1.69亿美元。Tower和Jazz宣称双方可在技术上实现互补；两家公司将把Tower的CMOS影像传感器、非挥发性内存、射频CMOS等技术，与Jazz的混合讯号电路、电源管理和射频等技术相结合。Tower亦将因此扩充其晶圆厂产能规模，该公司的厂房位于以色列，Jazz则在美国加州Newport Beach拥有一座晶圆厂，并与多家中国晶圆代工业者拥有产能合作协议。两家公司结合之后，将拥有每年生产75万片8吋晶圆的总产能。
Top6 Vanguard，收入5.08亿美元，同比增长33%
世界先进集成电路股份有限公司（简称「世界先进」）Vanguard在新竹科学园区成立于1994年，是亚微米计划台湾地区工业研究院赞助的一项芯片项目的副产品。最初Vanguard的投资人包括TSMC和其他13家公司。 Vanguard成立之初的主要重心在DRAM的生产和研发。在2000年，公司宣布其从DRAM制造商向代工服务提供商转移的计划。他提供8英寸工厂中的专业工艺，包括：0.18um逻辑、混合信号、模拟、高电压、嵌入式存储器和其他工艺。世界先进目前拥有两座八吋晶圆厂，平均每月约产出110,000片晶圆。 Top7 Dongbu，收入4.95亿美元，同比增长25%
韩国最大的纯晶圆代工厂Dongbu Electronics。 Top8 IBM，收入4.30亿美元，同比增长28%
Top9 MagnaChip，收入4.20亿美元，同比增长 60%
总部位于韩国的MagnaChip半导体(MagnaChip Semiconductor)公司，它作为设计并制造模拟及混合信号半导体产品的领先企业，基于累积30年的技术和约7,000个IP投资组合，以及工程和制造的专业技术， 已拥有各种模拟及混合信号半导体技术。 MagnaChip生产平板电视、电脑及手机所使用的半导体。该公司此前曾于2007年申请公开上市，并希望筹资至多5.75亿美元。但由于经济危机的爆发，该公司被迫于2009年1月取消了这一计划，并于同年6月申请破产保护。2009年11月，该公司走出了破产保护。随着消费电子产品需求的恢复，MagnaChip正重新试图公开上市。该公司计划在中国等“高增长”的市场进行拓展。2004年10月，MagnaChip被私人股权公司Citigroup Venture Capital、Francisco Partners与CVC Asia Pacific从海力士半导体公司(Hynix Semiconductor)手中收购，自那以后，该公司一直未能实现年度盈利。在破产重组期间，MagnaChip的所有权发生变化，Avenue Capital目前拥有其大约70%的股份。2010财年第一季，MagnaChip净盈利3110万美元，营收1.80亿美元。 Top10 三星，收入4亿美元，同比增长38%。
在此之后则是SSMC（新加坡，Systems on Silicon Manufacturing Company）, X-Fab（欧洲德国，X-FAB Semiconductor Foundries AG）,华虹NEC(中国上海，收入2.95 亿美元，同比增长23%)，TI（美国德州仪器），和Grace (宏力，中国上海，收入2.60亿美元，同比增长44%)。
第二次作业（第一组交）
4、载流子的输运有哪些模式？
答：半导体载流子（电子和空穴）的输运模式有两种，一种是扩散模式，另一种是漂移模式。
扩散模式是当两块半导体形成pn结时，由于它们之间存在着载流子的浓度差（浓度梯度），导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的运动，从而产生电流。
漂移模式是指载流子在自建电场中，受电场力的作用，空穴沿电场方向、而电子沿电场反方向作定向运动，从而产生电流。
5、设计一个实验：先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。 答：将一片本征的Si片放置在扩散炉中，在高温下（>1000℃），通入PH3或POCl3作为N型掺杂剂，最终可使本征的Si片变成N型半导体。然后再将这个N型的Si 片再次放入扩散炉中在在高温下（>1000℃），通入B2H6作为P型掺杂剂，最终可使N型Si片反型变成P型Si。为使Si片反型，一定要让B的掺杂浓度高于P的掺杂浓度，进行掺杂补偿，才能最终实现掺杂反型，获得P型Si片。掺杂浓度可由扩散温度和扩散时间控制，温度越高、时间越长，掺杂浓度就越大。
同理，也可采用离子注入的掺杂方式进行上述实验。掺杂浓度由注入剂量决定，剂量越大，浓度越高。
第三次作业（第二组交）
6、PN结二极管的特性是什么？PN结的空间电荷区与内建电场是如何形成的？空间电荷区为什么是高阻的？
答：二极管的电学特性是正向导通，即正向电流随偏压的增加而指数性增大；反向截止，即反向电流很小，且趋于饱和。或者说，二极管的电学特性是单向导电性或具有整流特性。
当两块半导体形成pn结时，由于它们之间存在着载流子的浓度差（浓度梯度），导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。由于载流子的扩散，在pn结附近p区一侧留下了不能运动的带负电荷的电离受主，形成一个负电荷区；而在pn结附近n区一侧则留下了不能运动的带正电荷的电离施主，形成一个正电荷区。这两个正负电荷区也称为空间电荷区，或耗尽区。空间电荷区产生了从正电荷区指向负电荷区，即从n区指向p区的自建电场。内建电场对载流子的漂移运动起着增强作用的，但对其扩散运动是起着阻碍作用的。
由于平衡时空间电荷区内的载流子（电子和空穴）几乎被耗尽，因此空间电荷区呈现高电阻态。
7、双极晶体管（BJT）的双极是什么意思？BJT有哪几种类型？BJT主要应用在哪些方面？
答：BJT的双极是指参与器件电流输运的载流子是两个，即电子和空穴。
BJT有四种类型，分别是NPN的耗尽型和增强型、PNP的耗尽型和增强型。 BJT的重要应用在高频和高速器件与电路、功率器件与电路、模拟电路等。
第四次作业（第三组交）
8、电子级poly-Si的纯度是多少？比较CZ法与FZ法制备Si单晶的优缺点。 答：电子级poly-Si的纯度是9N，即99.9999999%。
直拉法在Si单晶的制备中更为常用，占75％以上。直拉法制备Si单晶的优点是：1）成本低；2）能制备更大的圆片尺寸，6英吋（150mm）及以上的Si单晶制备均采用直拉法，目前直拉法已制备出400mm（16英吋）的商用Si单晶；3）制备过程中的剩余原材料可重复使用；4）直拉法制备的Si单晶位错密度低，0～104cm-2。直拉法制备Si单晶的主要缺点是，由于使用坩埚，Si单晶的纯度不如区熔法。
区熔法制备Si单晶的主要优点是，由于不使用坩锅，可制备高纯度的硅单晶，电阻率高达2000Ω-mm，因此区熔法制备的Si单晶主要用于功率器件及电路。区熔法制备Si单晶的缺点是：1）成本高；2）可生产Si单晶的尺寸较小，
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最大为150mm直径；3）位错密度较直拉法高，在10～10cm之间。
9、Si片定位边或定位槽的作用是什么？
答：Si片定位边或定位槽有三个主要的作用：①识别晶向、导电类型及划片方向；②硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；③硅片装架的接触位置。
第五次作业（第1组交）
8、为什么氧化层厚度越厚，热氧化生长的速率越慢？
答：根据热氧化的生长机理，氧化剂（O2或H2O）若要与衬底Si反应生成SiO2，应首先要穿过已生成的SiO2层，即在SiO2层中扩散至Si表面。而氧化剂在SiO2层中扩散的快慢（时间）与厚度成反比，厚度越厚，扩散的越慢。因而，相应的热氧化速率就越慢。
9、实际氧化工艺为什么要采用先干氧、再湿氧、最后再干氧的氧化方法？ 答：干氧的氧化速率最慢，但其氧化层质量最好。湿氧的氧化速率快，但其氧化层质量不如干氧工艺。实际氧化工艺多采用干氧-湿氧-干氧步骤，就是为了解决单个氧化方法质量与速率的矛盾。前后采用干氧是为了保证氧化层与Si衬底及后续光刻胶结合的质量，中间采用湿氧是为了提高生长速率。
第六次作业（的2组交）
12、请阐述扩散的局限性。
答：与离子注入工艺相比，扩散工艺的局限性在于：1）扩散是各向同性的，其掩膜下方会有严重的横向扩散效应，因而不适于小尺寸器件与电路；2）由于掺杂浓度与结深有关，因而扩散不能独立控制结深和掺杂浓度；3）扩散工艺需要高温，其掩膜必须是像SiO2这样的硬掩膜，其结深较深，不适于深亚微米器件及电路。高温也会对衬底与薄膜中的原有掺杂浓度进行再分布。