第一章 半导体产业介绍

1. 什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？ (15 分 )

集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。

集成电路 芯片/元件数 产业周期

无集成 1 1960 年前

小规模(SSI) 2 到 50 20 世纪 60 年代前期

中规模(MSI) 50 到 5000 20 世纪 60 年代到 70 年代前期

大规模(LSI) 5000 到 10 万 20 世纪 70 年代前期到后期

超大规模(VLSI) 10 万到 100 万 20 世纪 70 年代后期到 80 年代后期

甚大规模(ULSI) 大于 100 万 20 世纪 90 年代后期到现在

2. 写出 IC 制造的５个步骤？ (15 分 )

Wafer preparation(硅片准备)

Wafer fabrication (硅片制造)

Wafer test/sort (硅片测试和拣选)

Assembly and packaging (装配和封装)

Final test(终测)

3. 写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？ (15 分 )

发展方向：提高芯片性能——提升速度(关键尺寸降低,集成度提高,研发采用新材料)，降低功耗。

提高芯片可靠性——严格控制污染。

降低成本——线宽降低、晶片直径增加。

摩尔定律指：IC 的集成度将每隔一年翻一番。

1975 年被修改为：IC 的集成度将每隔一年半翻一番。

4. 什么是特征尺寸 CD ？ (10 分 )

最小特征尺寸，称为关键尺寸（Critical Dimension，CD）CD 常用于衡量工艺难易的标志。

5. 什么是 More moore 定律和 More than Moore 定律？ (10 分 )

“More Moore”指的是芯片特征尺寸的不断缩小。

从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩

小。

与此关联的 3D 结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。

“More Than Moore”指的是用各种方法给最终用户提供附加价值，不一定要缩小特征尺寸如

从系统组件级向 3D 集成或精确的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。

6. 名词解释： high-k; low-k; Fabless; Fablite; IDM; Foundry;Chipless(20 分 )

high-k：高介电常数。

low-k：低介电常数。

Fabless：IC 设计公司，只设计不生产。

Fablite：轻晶片厂，有少量晶圆制造厂的 IC 公司。

IDM：集成器件制造商 (IDM-Integrated Device Manufactory Co.)，从晶圆之设计、制造到

以自有品牌 行销全球皆 一 手包办 。

Foundry：标准工艺加工厂或称 专 业代工厂商。

Chipless： 既 不生产 也 不设计芯片， 而 是设计 IP 内核 ， 授权 给半 导体 公司 使 用。

7. 例举出半导体产业的 8 种 不同职业 并简要描述 . (15 分 )

1.硅片制造技 师 ： 负责操作 硅片制造设备。一 些 设备 维护 以 及 工艺和设备的 基 本 故障查询 。

2.设备技 师 ： 查询故障并维护先进 设备系统， 保证 在硅片制造 过程 中设备能 正 确运 行 。

3.设备工 程师 ：从 事 确定设备设计 参 数和 优化 硅片生产的设备性能。

4.工艺工 程师 ： 分析 制造工艺和设备的性能以确定 优化参 数设 置 。

5. 实验室 技 师 ：从 事开 发 实验室 工 作 ， 建立并进行 试 验 。

6：成品 率 / 失效分析 技 师 ：从 事 与 缺陷分析相 关的工 作 ，如准备 待分析 的材料 并操作分析 设备

以确定在硅片制造 过程 中 引起问题 的 根源 。

7.成品 率 提高工 程师 ： 收 集 并分析 成品 率及 测试数 据 以提高硅片制造性能。

8.设 施 工 程师 ：为硅片制造厂的 化 学材料、 净化空气及 常用设备的 基础 设 施 提供工 程 设计 支持 。

第二章 半 导体 材料特性 第五章 半 导体 制造中的 化 学品 第六章 硅片制造中的 玷 污控制

1. 最通常的半导体材料是什么？该材料使用最普遍的原因是什么？（第二章）（ 10 分）

答 ：最 通 常的半 导体 材料是硅。 原因 ：1.硅的 丰裕 度;2. 更 高的 融化温 度 允许更 高的工艺 容限 ;3. 更

宽的工 作温 度 范围 ;4. 氧化 硅的自 然 生成.

2. 砷化镓相对于硅的优点是什么？（第二章）（ 5 分）

答 ： 砷化镓具 有 比 硅 更 高的电子 迁 移 率 ， 因 此多数 载流 子 也 移 动得比 硅中的 更快 。 砷化镓也 有 减

小 寄 生电 容 和 信号损 耗的特性。 这些 特性 使得 集成电路的速度 比由 硅制成的电路 更快 。 G aAs 器

件增 进 的 信号 速度 允许它们 在 通信 系统中响 应 高 频微波信号并 精确 地把它们 转 换 成电 信号 。硅 基

半 导体 速度 太慢 以 至 于不能响 应微波频率 。 砷化镓 的材料电 阻率更 大， 这使得砷化镓 衬底上制造

的半 导体 器件之 间很容 易 实 现隔 离 ，不 会 产生电学性能的 损失 。

3. 描述在硅片厂中使用的去离子水的概念。（第五章）（ 5 分）

答 ： 去离 子水 : 在半 导体 制造 过程 中 广泛使 用的 溶剂 ，在 它里面没 有 任 何 导 电的 离 子。DI Water

的 P H 值为 7， 既 不是 酸也 不是 碱 ，是中性的。 它 能 够溶解其他物质 ， 包括许 多 离 子 化合物 和供

价 化合物 。 当 水 分 子（ H 2 O ) 溶解离 子 化合物时 ， 它们通过克服离 子 间离 子键 使离 子 分离 ， 然 后

包围离 子，最后 扩散 到 液体 中。

4. 例举出硅片厂中使用的五种通用气体。（第五章）（ 5 分）

答 ： 氧气 （ O 2)、 氩气 （Ar)、 氮气 （ N 2）、 氢气 （ H 2）和 氦气 （ H e)

5. 对净化间做一般性描述。（第六章）（ 10 分）

答 ： 净化间 是硅片制造设备与 外部环境 隔 离 ， 免受诸 如 颗粒 、 金属 、有 机分 子和 静 电 释放

（ E SD)的 玷 污。一 般 来 讲 ， 那意味着这些玷 污在最 先进 测试 仪 器的 检 测水平 范围内都检 测不到。

净化间还意味着遵循广泛 的规 程 和 实践 ，以确 保 用于半 导体 制造的硅片生产设 施免受玷 污。

6. 什么是硅片的自然氧化层？由自然氧化层引起的三种问题是什么？（第六章）（ 10 分）

答 ：自 然氧化层: 如 果曝露 于 室温下 的 空气 或 含溶解氧 的 去离 子水中，硅片的 表面 将被 氧化 。 这

一 薄氧化层 称为自 然氧化层 。硅片上最 初 的自 然氧化层 生 长始 于 潮湿 ， 当 硅片 表面暴露 在 空气 中

时 ，一 秒钟内就 有几 十层 水 分 子 吸 附在硅片上 并渗透 到硅 表面 ， 这引起 硅 表面 甚 至 在 室温下就 发

生 氧化 。自 然氧化层引起 的 问题 是： ① 将 妨碍其他 工艺 步骤 ，如硅片上 单 晶 薄膜 的生 长 和超 薄氧

化层 的生 长 。 ②另 一个 问题 在于 金属导体 的 接触区 ，如 果 有 氧化层 的 存 在，将增加 接触 电 阻 ， 减

少甚 至 可能 阻止 电 流流过 。 ③对 半 导体 性能和可靠性有 很 大的影响

7. 例举硅片制造厂房中的 7 种玷污源。（第六章）（ 10 分）

答 ：硅片制造厂 房 中的 七 中 沾 污 源 ：（1） 空气:净化 级 别 标定了 净化间 的 空气质 量级 别 ， 它 是 由

净化室空气 中的 颗粒 尺寸和密度 表 征的 ； （2） 人:人 是 颗粒 的产生 者 ， 人员持 续不断的 进出净化

间 ，是 净化间沾 污的最大来 源； （3）厂 房: 为了是半 导体 制造在一个超 洁净 的 环境 中 进行 ，有 必

要采用系统方法来控制 净化间区域 的 输入 和 输出； （4）水 :需 要大量高 质 量、超 纯去离 子水， 城

市 用水 含 有大量的 沾 污以 致 不能用于硅片生产。 去离 子水是硅片生产中用 得 最多的 化 学品（5）

工艺用 化 学品 : 为了 保证 成功的器件成品 率 和性能，半 导体 工艺 所 用的 液态化 学品 必 须 不 含沾 污 ；

（6）工艺 气体:气体流 经 提 纯 器和 气体过 滤 器以 去 除杂 质 和 颗粒； （7）生产设备 : 用来制造半 导

体 硅片的生产设备是硅片生产中最大的 颗粒 来 源 。

8. 解释空气质量净化级别。（第六章）（ 5 分）

答 ： 净化 级 别 标定了 净化间 的 空气质 量级 别 ， 它 是 由净化室空气 中的 颗粒 尺寸和密度 表 征的。 这

一数 字描绘 了要 怎样 控制 颗粒 以 减 少 颗粒玷 污。 净化 级 别起源 于 美国 联 邦 标准 2009.如 果净化间

级 别 仅 用 颗粒 数来 说明 ， 例 如 1 级 净化间 ， 则 只 接受 1 个 0.5um 的 颗粒 。 这意味着 每 立 方 英 尺

中尺寸等于或大于 0.5um 的 颗粒 最多 允许 一个。

9. 描述净化间的舞厅式布局。（第六章）（ 10 分）

答 ： 净化间 的 舞厅式布局 为大的制造 间具 有 10000 级的级 别 ， 层流 工 作 台则 提供一个 100 级的

生产 环境 。

10. 解释水的去离子化。在什么电阻率级别下水被认为已经去离子化？（第六章）（ 10 分）

答 ：用以制造 去离 子水的 去离 子 化过程 是指，用特制的 离 子 交 换 树脂 去 除 电 活 性 盐类 的 离 子。

18M Ω -cm 电 阻率 级 别下 水被 认 为 已经 去离 子 化 。

11. 描述 R CA 清洗工艺。（第六章）（ 10 分）

答 ：工业标准 湿 法 清洗 工艺称为 R CA 清洗 工艺， 由 美国 无线电公司（ R CA）于 20 世纪 60 年代

提 出 。 R CA 湿 法 清洗 由 一系 列 有 序 的 浸 入 两 种不 同 的 化 学 溶液 组成：1 号 标准 清洗 液 （SC-1）

和 2 号 标准 清洗 液 （SC-2）。SC-1 的 化 学配料为 NH 4 OH / H 2 O 2/ H 2 O 这 三 种 化 学 物 按 1 : 1 : 5

到 1：2：7 的配 比 混 合 ， 它 是 碱 性 溶液 ，能 去 除 颗粒 和有 机物质 ，SC-1 湿 法 清洗主 要 通过氧化

颗粒 或电学 排斥 起作 用。SC-2 的组 分 是 H CL/ H 2 O 2/ H 2 O , 按 1：1：6 到 1：2：8 的配 比 混 合 ，

用于 去 除 硅片 表面 的 金属 。改 进 后的 R CA 清洗 可在低 温下进行 ，甚 至 低到 45 摄氏 度

12. 例出典型的硅片湿法清洗顺序。（第六章）（ 10 分）

硅片 清洗 步骤 ：(1) H 2S O 4/ H 2 O 2(piranha) : 有 机物 和 金属； (2)UPW 清洗 （超 纯 水） : 清洗 ；

(3) H F/ H 2 O （ 稀 H F） : 自 然氧化层； (4)UPW 清洗 : 清洗 ； (5) NH 4 OH / H 2 O 2/ H 2 O (SC-1) :颗粒；

(6)UPW 清洗 : 清洗 ； (7) H F/ H 2 O: 自 然氧化层； (8)UPW 清洗 : 清洗 ； (9) H CL/ H 2 O 2/ H 2 O (SC-2) :

金属； (10)UPW 清洗 : 清洗 ； (11) H F/ H 2 O: 自 然氧化层； (12)UPW 清洗 : 清洗 ； (13) 干燥 : 干燥

第 三 章 器件技术 基础

1. 按 构成集成电路 基础 的晶 体 管 分 类 可以将集成电路 分 为 哪 些 类型？ 每种 类型 各有 什么 特征 ？

（40 分 ）

答 ： 分 为 三 种， 双极 集成电路，M O S 集成电路， 双极 -M O S（ B iM O S）集成电路。

双极 集成电路：采用的有 源 器件是 双极 晶 体 管 ，特 点 ：速度高， 驱 动 能 力强 ， 但 功耗大，集成能

力 低。

M O S 集成电路：采用的有 源 器件是 M O S 晶 体 管 ，特 点 ： 输入阻 抗 高， 抗干扰 能 力强 ，功耗小，

集成度高。

双极 -M O S（ B iM O S）集成电路： 同 时包含 双极 和 M O S 晶 体 管 ，特 点 ： 综 合 了速度高， 驱 动 能

力强 ， 抗干扰 能 力强 ，功耗小，集成度高的 优 点 ， 但 制造工艺 复杂 。

2. 什么 是无 源 元件 ？例举 出 两 个无 源 元件的 例 子。 什么 是有 源 元件 ？例举 出 两 个有 源 元件的 例

子。（30 分 ）

答 ：无 源 元件：在不 需 要 外 加电 源 的 条 件 下 ， 就 可以 显示 其 特性的电子元件。 这些 元件无 论 如何

和电 源相 连 ， 都 可以 传 输 电 流 。如电 阻 ，电 容 。

有 源 元件： 内部 有电 源存 在，不 需 要能量的来 源而实行它 特定的功能， 而 且 可以控制电 流 方向，

可 放 大 信号 。如 二 极管 ，晶 体 管 。

3. 什么 是 CM O S 技术 ？什么 是 ASIC ？ （30 分

答 ：CM O S（ 互补型 金属氧化物 半 导体 ）技术：将成 对 的 金属氧化物 半 导体 场 效应 晶 体 管

（M O SF E T）集成在一块硅片上。 使 集成电路有功耗低，工 作 电 压 范围 宽， 逻辑摆幅 大， 使 电

路 抗干扰 能 力强 ，隔 离 栅 结构 使 CM O S 器件的 输入 电 阻 极 大，从 而使 CM O S 期 间 驱 动 同类逻辑

门 的能 力 比其他 系 列强 得 多。

ASIC：（Application Specific Integrated Circuits） 专 用集成电路，是指 应 特定用户要 求 或特

定电子系统的 需 要 而 设计、制造的集成电路。 优 点 是： 体 积 小， 重 量轻，功耗低，可靠性 好 ，易

于 获 得 高性能， 保 密性 好 ，大 批 量 应 用 时 显著 降低成本。

第 四 章 硅和硅片制备

1. 例举得到半导体级硅的三个步骤。半导体级硅的纯度能达到多少？（50 分）

第 一 步 ：用 碳 加 热 硅 石 来制备 冶 金 级硅

第二步 ： 通过化 学 反 应 将 冶 金 级硅提 纯 以生成 三氯 硅 烷

第 三 步 ： 利 用 西门 子方法， 通过 三氯 硅 烷 和 氢气 反 应 来生产半 导体 级硅

纯 度能 达 到 99.99999999 %

2. 将圆柱形的单晶硅锭制备成硅片需要哪些工艺流程？（30 分）

整形处理 ， 切 片， 磨 片和 倒 角， 刻蚀 ， 抛光 ， 清洗 ，硅片 评估 ， 包 装

3. 什么是外延层？为什么硅片上要使用外延层？（20 分）

外 延 层 是指在硅的 外 延 中以硅 基 片为 籽 晶生 长 一 薄膜层 ，新的 外 延 层会 复 制硅片的晶 体 结构， 并

且 结构 比原 硅片 更 加规 则 。 外 延 为器件设计 者 在 优化 器件性能方 面 提供了 很 大的 灵活 性， 例 如可

以控制 外 延 层 掺杂厚 度、 浓 度、 轮廓 ， 而这些因 素 与硅片衬底无关的， 这 种控制可以 通过外 延 生

长过程 中的 掺杂 来 实 现。 外 延 层还 可以 减 少 CM O S 器件中的 闩锁 效应 。

第七章 测量学和 缺陷检查 第 八 章 工艺 腔 中的 气体 控制 第十 九 章 硅片测试 第二十章 装配与封

装

1.. 给出半导体质量测量的定义。例出在集成电路制造中 12 种不同的质量测量（第七章）（ 10

分）

半 导体质 量测量定 义 了硅片制造的规 范 要 求 ，以确 保 满足 器件的性能和可靠性。集成电路制造中

的 12 种不 同 的 质 量测量：1. 膜 厚 2.方块电 阻 3. 膜应 力 4. 折射 率 5. 掺杂浓 度 6.无 图形 表面缺陷 7.

有 图形 表面缺陷 8.关键尺寸 9. 台阶覆盖 10. 套刻 标 记 11.电 容 -电 压 特性 12. 接触 的角度

2. 硅片关键尺寸测量的主要工具是什么？（第七章）（ 5 分）

硅片关键尺寸测量的 主 要工 具 是 扫描 电子 显 微 镜 （S E M）， 它 能 放 大 10 万到 30 万 倍 ， 这 明显

高于 光 学 显 微 镜 ，用 扫描 电子 显 微 镜观 测硅片的 横截 面部分 能提供 缺陷 的 信 息 ，常与 其他分析 技

术结 合使 用，如 E D X 或 FI B 。

3. 解释投射电子能显微镜。（第七章）（ 10 分）

T E M 把 加速和 聚 集的电子 束投射 到非常 薄 的 样 品上，电子与 样 品中的电子 碰撞 而 电子与 样 品中

的 原 子的 碰撞 而 改 变 方向，从 而 产生 立体 角 散 射 ， 散 射 角的大小与 样 品的密度、 厚 度有关， 因 此

可以 形 成 明暗 不 同 的影 像 。T E M 是 惟 一定量测量硅片上一 些 非常小特征尺寸的测量工 具

4. 例出并描述 4 种真空范围。（第八章）（ 5 分）

四 种 真 空范围 ：（1）低级 真 空:气流 主 要是 由分 子 间 碰撞 产生的（ 也 称 滞留 ）， 压强 高 得 足 以 机

械型压力 测量 仪 测量。（2）中级 真 空:范围 是 1 托 到 10e-3 托 。（3）高级 真 空:气体分 子 间很 少

有 碰撞 。（4）超高级 真 空: 是高级 真 空 的 延伸 ， 通过对 真 空 腔 的设计和材料的严格控制 尽 量 减 少

不 需 要的 气体 成 分 。

5. 给出使用初级泵和真空泵的理由。（第八章）（ 5 分）

答 ： 当 真 空里 的 压强 减 低 时 ， 气体分 子 间 的 空间 加大了， 这 成为 气体流过 系统 及 在工艺 腔 内 产生

等 离 子 体 的 重 要 因 素 。 而初 级 泵 可以 去 除腔 内 99.99 % 的 原始空气 或 其他 成 分 ，高级 真 空 泵 用来

获 得 压力 范围 10e-3 托 到 10e-9 托 的高级和超高级 真 空 。

6. 例举并描述 IC 生产过程中的 5 种不同电学测试。（第十九章）（ 5 分）

答 ：IC 生产 过程 中的 5 种不 同 电学测试：（1）IC 设计 验证: 描述 、 调 试和 检验 新的芯片设计，

保证 符 合 规格要 求 ，是在生产前 进行 的。（2）在线 参 数测试 : 为了 监 控工艺，在制 作过程 的 早 期

（前 端 ） 进行 的产品工艺 检验 测试。在硅片制造 过程 中 进行 。（3）硅片拣选测试（ 探针 ） : 产品

功能测试， 验证 每一个芯片是 否符 合 产品规格。在硅片制造后 进行 。（4）可靠性 : 集成电路加电

并 在高 温下 测试，以发现 早 期 失效 （有 时 候 ， 也 在在线 参 数测试中 进行 硅片级的可靠性测试）。

在封装的 IC 进行 。（5）终测 :使 用产品规格 进行 的产品功能测试。在封装的 IC 进行 。

7. 例举并解释 5 个进行在线参数测试的理由。（第十九章）（ 5 分）

答 ： 五 个 进行 在线 参 数测试的 理 由 为：(1） 鉴 别 工艺 问题: 硅片制造 过程 中工艺 问题 的 早 期 鉴 定

（ 而 不是等到 已经 完成了硅片制造 才 发现有 问题进行 测试。（2） 通过 / 失效 标准 : 依 据通过 / 失效

标准 决 定硅片是 否 继续后 面 的制造 程 序 。（3）数 据收 集 : 为了改 进 工艺， 收 集硅片数 据 以 评估 工

艺 倾 向（如 沟道 长 度的改 变 ）。（4）特 殊 测试 : 在 需 要的 时 候评估 特 殊 性能 参 数（如特 殊客 户 需

求 ）。（5）硅片级可靠性 :需 要确定可靠性与工艺 条 件的联系 时 ， 进行 随 机 的硅片级可靠性测试

8. 什么是 IC 可靠性？什么是老化测试？（第十九章）（ 10 分）

IC 可靠性是指器件在 其 预 期 寿命 内 ，在 其使 用 环境 中 正 常工 作 的 概 率 ， 换 句话说 就 是集成电路

能 正 常 使 用多 长时间 。 老 化 测试在 很 苛刻 的 环境 中（如 吧 温 度提高到 85 ℃ ，提高 偏 置 电 压 ）给

芯片加电 并 测试， 使 不 耐 用的器件 失效 ，从 而 避 免它们 被 交 给 客 户）， 这 种测试能 够 产生 更 可靠

的集成电路， 但往往 需 要 长时间 的测试， 十 几甚 至 数 百 小 时 ， 这 是一种 费钱 耗 时 的工 作

9. 例举在线参数测试的 4 个主要子系统。（第十九章）（ 5 分）

在线 参 数测试的 4 个 主 要子系统为：（1） 探针卡 接 口 : 是自 动 测试 仪 与 待 测器件之 间 的 接 口 。

（2）硅片定 位 : 为测试硅片， 首 先 要确与 探针 接触 的硅片的 探针 仪 位 置 。（3）测试 仪 器 : 高级集

成电路 需 要能 够 在测试结构上 快 速、准确、 重复 地 测量 亚 微 安 级电 流 和 微 法级电 容 的自 动 测试设

备， 它 控制测试 过程 （4） 作 为 网络主 机 或 客 户 机 的计 算 机: 指 导 测试系统 操作 的计 算 机包括 测试

软 件 算 法、自 动 测试设备、用于硅片定 位 的 探 查 控制 软 件、测试数 据 的 保存 和控制、系统 校 准和

故障 诊 断。

10. 例举并描述硅片拣选测试中的三种典型电学测试（第十九章）（ 5 分）