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半導體工藝與集成電路制造技術 版權信息
- ISBN：9787030750600
- 條形碼：9787030750600 ; 978-7-03-075060-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
半導體工藝與集成電路制造技術 內容簡介
本書系統地介紹了微電子制造科學原理與工程技術，覆蓋半導體集成電路制造所涉及的晶圓材料、擴散、熱氧化、離子注入、光刻、刻蝕、薄膜淀積、金屬化、測試及封裝等單項工藝；以硅基CMOS集成電路為主線的工藝集成技術，特殊器件集成技術。對單項工藝除了講述相關的物理和化學原理外，還介紹一些相關的工藝設備。
半導體工藝與集成電路制造技術 目錄
目錄
前言
第1章 半導體制造緒論 1
1.1 引言 1
1.2 半導體產業史 1
1.3 晶圓制造廠 5
1.3.1 晶圓制備 5
1.3.2 晶圓制造 7
1.3.3 晶圓測試 8
1.3.4 裝配與封裝 8
1.3.5 終測與考核試驗 9
1.4 集成電路 9
1.4.1 集成電路的功能和性能 11
1.4.2 集成電路的可靠性 11
1.4.3 集成電路的制造成本 12
1.5 小結 12
習題 12
參考文獻 12
第2章 半導體襯底材料 14
2.1 相圖與固溶度 14
2.2 晶體結構 18
2.3 晶體缺陷 19
2.4 晶圓制備及規格 24
2.5 清洗工藝 26
2.5.1 晶圓清洗 26
2.5.2 濕法清洗設備 28
2.5.3 其他清洗方案 31
2.6 小結 32
習題 32
參考文獻 33
第3章 擴散 36
3.1 擴散方程 37
3.2 雜質擴散機制與擴散效應 38
3.3 擴散工藝 43
3.3.1 固態源擴散 43
3.3.2 液態源擴散 45
3.3.3 氣態源擴散 46
3.3.4 快速氣相摻雜 46
3.3.5 氣體浸沒激光摻雜 47
3.4 擴散雜質分布 49
3.4.1 恒定表面源擴散 49
3.4.2 有限表面源擴散 50
3.5 擴散雜質的分析表征 56
3.5.1 薄層電阻 56
3.5.2 遷移率 58
3.5.3 載流子濃度測量 59
3.6 雜質在二氧化硅中的擴散 63
3.7 雜質分布的數值模擬 64
3.8 小結 65
習題 65
參考文獻 65
第4章 氧化 68
4.1 SiO2的結構、性質及應用 68
4.1.1 SiO2的結構 68
4.1.2 SiO2的性質 69
4.1.3 SiO2的應用 71
4.2 氧化工藝 76
4.2.1 干氧氧化 76
4.2.2 水汽氧化 76
4.2.3 濕氧氧化 77
4.2.4 氫氣和氧氣合成氧化 77
4.2.5 快速熱氧化 78
4.2.6 高壓氧化 81
4.2.7 等離子體氧化 82
4.3 熱氧化生長動力學 82
4.3.1 熱氧化動力學模型 82
4.3.2 CMOS技術中對薄氧化層的要求 87
4.4 氧化速率的影響因素 89
4.4.1 氧化劑分壓對氧化速率的影響 89
4.4.2 氧化溫度對氧化速率的影響 89
4.4.3 晶向對氧化速率的影響 91
4.4.4 摻雜影響 92
4.5 熱氧化過程中的雜質再分布 93
4.6 Si-SiO2界面特性 93
4.7 氧化物的分析表征 95
4.7.1 薄膜厚度的測量 95
4.7.2 薄膜缺陷的檢測 98
4.8 小結 98
習題 99
參考文獻 99
第5章 離子注入 101
5.1 離子注入系統及工藝 101
5.2 離子碰撞及分布 110
5.2.1 核碰撞與電子碰撞理論 110
5.2.2 核阻滯本領和電子阻滯本領 111
5.2.3 投影射程 113
5.2.4 離子分布 114
5.3 離子注入常見問題 117
5.3.1 溝道效應 117
5.3.2 陰影效應 119
5.3.3 離子注入損傷 119
5.3.4 熱退火 121
5.3.5 淺結形成 125
5.4 離子注入工藝的應用及*新進展 126
5.4.1 離子注入工藝的應用 126
5.4.2 離子注入的*新進展 131
5.5 離子注入的數值模擬134
5.6 小結 135
習題 135
參考文獻 136
第6章 快速熱處理 142
6.1 快速熱處理工藝機理與特點 142
6.2 快速熱處理關鍵問題 147
6.2.1 光源與反應腔設計 147
6.2.2 硅片受熱不均勻的現象 148
6.2.3 溫度測量 149
6.3 快速熱處理工藝的應用及發展趨勢 150
6.3.1 快速熱處理工藝的應用 150
6.3.2 快速熱處理工藝的發展趨勢 152
6.4 小結 155
習題 155
參考文獻 155
第7章 光學光刻 159
7.1 光刻工藝概述 159
7.2 光刻工藝流程 160
7.2.1 襯底預處理 161
7.2.2 旋轉涂膠 161
7.2.3 前烘 161
7.2.4 對準與曝光 162
7.2.5 曝光后烘焙 162
7.2.6 顯影 162
7.2.7 堅膜 163
7.2.8 顯影后檢測 163
7.3 曝光光源 163
7.3.1 汞燈 164
7.3.2 準分子激光光源 164
7.4 曝光系統 165
7.4.1 接觸式 166
7.4.2 接近式 166
7.4.3 投影式 167
7.4.4 掩模版 170
7.4.5 環境條件 176
7.5 光刻膠 177
7.5.1 光刻膠類型 177
7.5.2 臨界調制傳輸函數 181
7.5.3 DQN正膠的典型反應 181
7.5.4 二級曝光效應 183
7.5.5 先進光刻膠 184
7.6 小結 187
習題 187
參考文獻 187
第8章 先進光刻 190
8.1 先進光刻機曝光系統 190
8.1.1 浸沒式光刻機 190
8.1.2 同軸與離軸照明技術 192
8.2 掩模版工程 195
8.2.1 光學鄰近效應修正 195
8.2.2 相移掩模 196
8.3 表面反射和駐波的抑制 197
8.4 電子束光刻 199
8.4.1 直寫式電子束光刻 201
8.4.2 電子束光刻的鄰近效應 203
8.4.3 多電子束光刻 205
8.4.4 投影式電子束光刻 206
8.5 X射線光刻 206
8.5.1 接近式X射線光刻 207
8.5.2 X射線光刻用掩模版 208
8.5.3 投影式X射線光刻 210
8.6 側墻轉移技術 210
8.7 多重曝光技術 212
8.8 納米壓印 216
8.8.1 模板加工制作技術 216
8.8.2 熱壓印技術 217
8.8.3 紫外納米壓印技術 218
8.8.4 柔性納米壓印技術 220
8.8.5 其他納米壓印技術 221
8.9 定向自組裝光刻技術 221
8.9.1 BCP微相分離原理 222
8.9.2 物理誘導方式 224
8.9.3 化學誘導方式 225
8.9.4 圖形轉移方式 228
8.10 小結 231
習題 232
參考文獻 232
第9章 真空、等離子體與刻蝕技術 238
9.1 真空壓力范圍與真空泵結構 238
9.1.1 活塞式機械泵 239
9.1.2 旋片式機械泵 241
9.1.3 增壓器——羅茨泵 241
9.1.4 油擴散泵 242
9.1.5 渦輪分子泵 243
9.1.6 低溫吸附泵 244
9.1.7 鈦升華泵 244
9.1.8 濺射離子泵 245
9.2 真空密封與壓力測量 246
9.2.1 真空密封方式 246
9.2.2 真空測量 247
9.3 等離子體產生 250
9.3.1 直流輝光放電 251
9.3.2 射頻放電 254
9.4 刻蝕的基本概念 256
9.5 濕法刻蝕 260
9.5.1 二氧化硅的刻蝕 261
9.5.2 硅的刻蝕 263
9.5.3 氮化硅的刻蝕 264
9.5.4 表面預清洗 265
9.5.5 濕法刻蝕/清洗后量測與表征 266
9.6 干法刻蝕 267
9.6.1 濺射與離子銑刻蝕(純物理刻蝕) 268
9.6.2 等離子體刻蝕(純化學刻蝕) 270
9.6.3 反應離子刻蝕(物理+化學刻蝕) 270
9.7 干法刻蝕設備 275
9.7.1 筒型刻蝕設備 275
9.7.2 平行板刻蝕設備：反應離子刻蝕模式 276
9.7.3 干法刻蝕設備的發展 276
9.8 常用材料的干法刻蝕280
9.8.1 二氧化硅 280
9.8.2 氮化硅 282
9.8.3 多晶硅 283
9.8.4 干法刻蝕的終點檢測 284
9.9 化學機械拋光 286
9.10 小結 292
習題 292
參考文獻 293
第10章 物理與化學氣相淀積 296
10.1 物理氣相淀積：蒸發和濺射 297
10.1.1 蒸發概念與機理 297
10.1.2 常用蒸發技術 302
10.1.3 濺射概念與機理 306
10.1.4 常用濺射技術 313
10.2 化學氣相淀積 317
10.2.1 簡單的化學氣相淀積系統 317
10.2.2 化學氣相淀積中的氣體動力學 320
10.2.3 淀積速率影響因素 322
10.2.4 化學氣相淀積系統分類 324
10.2.5 常用薄膜的化學氣相淀積 332
10.3 外延生長 340
10.3.1 外延的基本概念 340
10.3.2 硅氣相外延基本原理 341
10.3.3 外延層中雜質分布 345
10.3.4 常用外延技術 348
10.3.5 外延層缺陷與檢測 351
10.4 小結 355
習題 356
參考文獻 356
第11章 CMOS集成技術：前道工藝 360
11.1 CMOS集成技術介紹 360
11.1.1 CMOS集成電路中晶體管的基本結構和工藝參數 361
11.1.2 集成度提升與摩爾定律 363
11.1.3 晶體管特征尺寸微縮與關鍵工藝模塊 364
11.2 關鍵工藝模塊 365
11.2.1 器件參數與溝道注入 365
11.2.2 器件隔離 367
11.2.3 CMOS阱隔離工藝 369
11.2.4 器件中金屬–半導體接觸技術 370
11.2.5 自對準源漏摻雜 372
11.2.6 CMOS器件源漏寄生電阻與自對準硅化物工藝 373
11.2.7 器件微縮和短溝道效應工藝抑制 374
11.2.8 器件溝道熱載流子效應及源漏輕摻雜結構 376
11.2.9 CMOS集成電路閂鎖效應與工藝抑制 376
11.3 CMOS主要集成工藝流程 377
11.3.1 集成電路集成工藝演化 377
11.3.2 傳統CMOS工藝——0.18μm通用集成工藝 379
11.3.3 現代CMOS集成工藝——65nmLP集成工藝 379
11.4 現代先進集成技術 385
11.4.1 先進集成電路工藝發展特點 385
11.4.2 溝道應變工程 386
11.4.3 高k金屬柵 389
11.4.4 FinFET 393
11.5 小結 396
習題 396
參考文獻 397
第12章 CMOS集成技術：后道工藝 398
12.1 引言 398
12.1.1 CMOS集成電路的互連結構 398
12.1.2 摩爾定律和銅/低k互連 399
12.1.3 對后道工藝的技術要求 400
12.2 器件小型化對互連材料的要求 400
12.2.1 金屬互連結構的寄生電阻 401
12.2.2 金屬互連結構的可靠性問題 402
12.2.3 金屬間寄生電容 403
12.2.4 銅/低k互連取代Al/SiO2互連的必要性 404
12.3 銅互連技術需要解決的關鍵問題 407
12.3.1 擴散阻擋層 407
12.3.2 大馬士革工藝 411
12.3.3 低k材料 415
12.4 銅/低k互連工藝 418
12.4.1 擴散阻擋層和銅籽晶層的淀積 418
12.4.2 銅電鍍 420
12.4.3 化學機械平坦化 423
12.5 小結和展望 425
習題 426
參考文獻 427
第13章 特殊器件集成技術 430
13.1 SOI集成電路技
前言
第1章 半導體制造緒論 1
1.1 引言 1
1.2 半導體產業史 1
1.3 晶圓制造廠 5
1.3.1 晶圓制備 5
1.3.2 晶圓制造 7
1.3.3 晶圓測試 8
1.3.4 裝配與封裝 8
1.3.5 終測與考核試驗 9
1.4 集成電路 9
1.4.1 集成電路的功能和性能 11
1.4.2 集成電路的可靠性 11
1.4.3 集成電路的制造成本 12
1.5 小結 12
習題 12
參考文獻 12
第2章 半導體襯底材料 14
2.1 相圖與固溶度 14
2.2 晶體結構 18
2.3 晶體缺陷 19
2.4 晶圓制備及規格 24
2.5 清洗工藝 26
2.5.1 晶圓清洗 26
2.5.2 濕法清洗設備 28
2.5.3 其他清洗方案 31
2.6 小結 32
習題 32
參考文獻 33
第3章 擴散 36
3.1 擴散方程 37
3.2 雜質擴散機制與擴散效應 38
3.3 擴散工藝 43
3.3.1 固態源擴散 43
3.3.2 液態源擴散 45
3.3.3 氣態源擴散 46
3.3.4 快速氣相摻雜 46
3.3.5 氣體浸沒激光摻雜 47
3.4 擴散雜質分布 49
3.4.1 恒定表面源擴散 49
3.4.2 有限表面源擴散 50
3.5 擴散雜質的分析表征 56
3.5.1 薄層電阻 56
3.5.2 遷移率 58
3.5.3 載流子濃度測量 59
3.6 雜質在二氧化硅中的擴散 63
3.7 雜質分布的數值模擬 64
3.8 小結 65
習題 65
參考文獻 65
第4章 氧化 68
4.1 SiO2的結構、性質及應用 68
4.1.1 SiO2的結構 68
4.1.2 SiO2的性質 69
4.1.3 SiO2的應用 71
4.2 氧化工藝 76
4.2.1 干氧氧化 76
4.2.2 水汽氧化 76
4.2.3 濕氧氧化 77
4.2.4 氫氣和氧氣合成氧化 77
4.2.5 快速熱氧化 78
4.2.6 高壓氧化 81
4.2.7 等離子體氧化 82
4.3 熱氧化生長動力學 82
4.3.1 熱氧化動力學模型 82
4.3.2 CMOS技術中對薄氧化層的要求 87
4.4 氧化速率的影響因素 89
4.4.1 氧化劑分壓對氧化速率的影響 89
4.4.2 氧化溫度對氧化速率的影響 89
4.4.3 晶向對氧化速率的影響 91
4.4.4 摻雜影響 92
4.5 熱氧化過程中的雜質再分布 93
4.6 Si-SiO2界面特性 93
4.7 氧化物的分析表征 95
4.7.1 薄膜厚度的測量 95
4.7.2 薄膜缺陷的檢測 98
4.8 小結 98
習題 99
參考文獻 99
第5章 離子注入 101
5.1 離子注入系統及工藝 101
5.2 離子碰撞及分布 110
5.2.1 核碰撞與電子碰撞理論 110
5.2.2 核阻滯本領和電子阻滯本領 111
5.2.3 投影射程 113
5.2.4 離子分布 114
5.3 離子注入常見問題 117
5.3.1 溝道效應 117
5.3.2 陰影效應 119
5.3.3 離子注入損傷 119
5.3.4 熱退火 121
5.3.5 淺結形成 125
5.4 離子注入工藝的應用及*新進展 126
5.4.1 離子注入工藝的應用 126
5.4.2 離子注入的*新進展 131
5.5 離子注入的數值模擬134
5.6 小結 135
習題 135
參考文獻 136
第6章 快速熱處理 142
6.1 快速熱處理工藝機理與特點 142
6.2 快速熱處理關鍵問題 147
6.2.1 光源與反應腔設計 147
6.2.2 硅片受熱不均勻的現象 148
6.2.3 溫度測量 149
6.3 快速熱處理工藝的應用及發展趨勢 150
6.3.1 快速熱處理工藝的應用 150
6.3.2 快速熱處理工藝的發展趨勢 152
6.4 小結 155
習題 155
參考文獻 155
第7章 光學光刻 159
7.1 光刻工藝概述 159
7.2 光刻工藝流程 160
7.2.1 襯底預處理 161
7.2.2 旋轉涂膠 161
7.2.3 前烘 161
7.2.4 對準與曝光 162
7.2.5 曝光后烘焙 162
7.2.6 顯影 162
7.2.7 堅膜 163
7.2.8 顯影后檢測 163
7.3 曝光光源 163
7.3.1 汞燈 164
7.3.2 準分子激光光源 164
7.4 曝光系統 165
7.4.1 接觸式 166
7.4.2 接近式 166
7.4.3 投影式 167
7.4.4 掩模版 170
7.4.5 環境條件 176
7.5 光刻膠 177
7.5.1 光刻膠類型 177
7.5.2 臨界調制傳輸函數 181
7.5.3 DQN正膠的典型反應 181
7.5.4 二級曝光效應 183
7.5.5 先進光刻膠 184
7.6 小結 187
習題 187
參考文獻 187
第8章 先進光刻 190
8.1 先進光刻機曝光系統 190
8.1.1 浸沒式光刻機 190
8.1.2 同軸與離軸照明技術 192
8.2 掩模版工程 195
8.2.1 光學鄰近效應修正 195
8.2.2 相移掩模 196
8.3 表面反射和駐波的抑制 197
8.4 電子束光刻 199
8.4.1 直寫式電子束光刻 201
8.4.2 電子束光刻的鄰近效應 203
8.4.3 多電子束光刻 205
8.4.4 投影式電子束光刻 206
8.5 X射線光刻 206
8.5.1 接近式X射線光刻 207
8.5.2 X射線光刻用掩模版 208
8.5.3 投影式X射線光刻 210
8.6 側墻轉移技術 210
8.7 多重曝光技術 212
8.8 納米壓印 216
8.8.1 模板加工制作技術 216
8.8.2 熱壓印技術 217
8.8.3 紫外納米壓印技術 218
8.8.4 柔性納米壓印技術 220
8.8.5 其他納米壓印技術 221
8.9 定向自組裝光刻技術 221
8.9.1 BCP微相分離原理 222
8.9.2 物理誘導方式 224
8.9.3 化學誘導方式 225
8.9.4 圖形轉移方式 228
8.10 小結 231
習題 232
參考文獻 232
第9章 真空、等離子體與刻蝕技術 238
9.1 真空壓力范圍與真空泵結構 238
9.1.1 活塞式機械泵 239
9.1.2 旋片式機械泵 241
9.1.3 增壓器——羅茨泵 241
9.1.4 油擴散泵 242
9.1.5 渦輪分子泵 243
9.1.6 低溫吸附泵 244
9.1.7 鈦升華泵 244
9.1.8 濺射離子泵 245
9.2 真空密封與壓力測量 246
9.2.1 真空密封方式 246
9.2.2 真空測量 247
9.3 等離子體產生 250
9.3.1 直流輝光放電 251
9.3.2 射頻放電 254
9.4 刻蝕的基本概念 256
9.5 濕法刻蝕 260
9.5.1 二氧化硅的刻蝕 261
9.5.2 硅的刻蝕 263
9.5.3 氮化硅的刻蝕 264
9.5.4 表面預清洗 265
9.5.5 濕法刻蝕/清洗后量測與表征 266
9.6 干法刻蝕 267
9.6.1 濺射與離子銑刻蝕(純物理刻蝕) 268
9.6.2 等離子體刻蝕(純化學刻蝕) 270
9.6.3 反應離子刻蝕(物理+化學刻蝕) 270
9.7 干法刻蝕設備 275
9.7.1 筒型刻蝕設備 275
9.7.2 平行板刻蝕設備：反應離子刻蝕模式 276
9.7.3 干法刻蝕設備的發展 276
9.8 常用材料的干法刻蝕280
9.8.1 二氧化硅 280
9.8.2 氮化硅 282
9.8.3 多晶硅 283
9.8.4 干法刻蝕的終點檢測 284
9.9 化學機械拋光 286
9.10 小結 292
習題 292
參考文獻 293
第10章 物理與化學氣相淀積 296
10.1 物理氣相淀積：蒸發和濺射 297
10.1.1 蒸發概念與機理 297
10.1.2 常用蒸發技術 302
10.1.3 濺射概念與機理 306
10.1.4 常用濺射技術 313
10.2 化學氣相淀積 317
10.2.1 簡單的化學氣相淀積系統 317
10.2.2 化學氣相淀積中的氣體動力學 320
10.2.3 淀積速率影響因素 322
10.2.4 化學氣相淀積系統分類 324
10.2.5 常用薄膜的化學氣相淀積 332
10.3 外延生長 340
10.3.1 外延的基本概念 340
10.3.2 硅氣相外延基本原理 341
10.3.3 外延層中雜質分布 345
10.3.4 常用外延技術 348
10.3.5 外延層缺陷與檢測 351
10.4 小結 355
習題 356
參考文獻 356
第11章 CMOS集成技術：前道工藝 360
11.1 CMOS集成技術介紹 360
11.1.1 CMOS集成電路中晶體管的基本結構和工藝參數 361
11.1.2 集成度提升與摩爾定律 363
11.1.3 晶體管特征尺寸微縮與關鍵工藝模塊 364
11.2 關鍵工藝模塊 365
11.2.1 器件參數與溝道注入 365
11.2.2 器件隔離 367
11.2.3 CMOS阱隔離工藝 369
11.2.4 器件中金屬–半導體接觸技術 370
11.2.5 自對準源漏摻雜 372
11.2.6 CMOS器件源漏寄生電阻與自對準硅化物工藝 373
11.2.7 器件微縮和短溝道效應工藝抑制 374
11.2.8 器件溝道熱載流子效應及源漏輕摻雜結構 376
11.2.9 CMOS集成電路閂鎖效應與工藝抑制 376
11.3 CMOS主要集成工藝流程 377
11.3.1 集成電路集成工藝演化 377
11.3.2 傳統CMOS工藝——0.18μm通用集成工藝 379
11.3.3 現代CMOS集成工藝——65nmLP集成工藝 379
11.4 現代先進集成技術 385
11.4.1 先進集成電路工藝發展特點 385
11.4.2 溝道應變工程 386
11.4.3 高k金屬柵 389
11.4.4 FinFET 393
11.5 小結 396
習題 396
參考文獻 397
第12章 CMOS集成技術：后道工藝 398
12.1 引言 398
12.1.1 CMOS集成電路的互連結構 398
12.1.2 摩爾定律和銅/低k互連 399
12.1.3 對后道工藝的技術要求 400
12.2 器件小型化對互連材料的要求 400
12.2.1 金屬互連結構的寄生電阻 401
12.2.2 金屬互連結構的可靠性問題 402
12.2.3 金屬間寄生電容 403
12.2.4 銅/低k互連取代Al/SiO2互連的必要性 404
12.3 銅互連技術需要解決的關鍵問題 407
12.3.1 擴散阻擋層 407
12.3.2 大馬士革工藝 411
12.3.3 低k材料 415
12.4 銅/低k互連工藝 418
12.4.1 擴散阻擋層和銅籽晶層的淀積 418
12.4.2 銅電鍍 420
12.4.3 化學機械平坦化 423
12.5 小結和展望 425
習題 426
參考文獻 427
第13章 特殊器件集成技術 430
13.1 SOI集成電路技
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半導體工藝與集成電路制造技術 節選
第1章半導體制造緒論 韓鄭生 1.1引言 半導體概念涉及的內容包括半導體物理學、半導體化學、半導體材料、半導體器件、半導體制造技術。 半導體物理學是物理學的一個分支，它包含：半導體理論、半導體性質、非平衡載流子、雜質和缺陷、PN結等。半導體理論又包含：半導體量子理論、半導體統計學、極化與激子理論、半導體晶體物理、半導體能帶結構等。半導體性質又包含：熱學、光學、電學、磁學、力學等性質。 半導體化學是理論化學、化學物理學的一個分支，它包含：半導體晶體結構、半導體表面化學、半導體分析化學、半導體物理化學、化學物理、有機半導體化學等。 半導體器件包含：二極管、雙極晶體管（BJT）、晶閘管、光電器件、熱電器件、熱敏電阻、霍爾器件、光磁電探測器件、發光器件、鐵電及壓電器件、微波器件、場效應器件、體效應器件等。其中場效應器件又包含：金屬-氧化物-半導體（MOS）器件、絕緣柵場效應器件、肖特基勢壘柵場效應器件、硅柵器件、電荷耦合器件、結型場效應晶體管、靜電感應場效應晶體管等。 集成電路（1C）技術包含：理論、設計、結構、制造工藝、可靠性及例行試驗、測試和檢驗、應用等。半導體制造工藝又包含：圖形化技術、薄膜技術、隔離技術、引線技術、互連及多層布線技術、刻蝕工藝等。 本書著重介紹的是半導體制造工藝技術，會涉及大量的半導體物理、半導體化學方面的知識。 1.2半導體產業史 電子工業起源于電真空器件。1883年，美國著名的科學家托馬斯 愛迪生（Thomas Edison）發現了“愛迪生效應”，在點亮的電燈內有電荷從熱燈絲經過空間到達冷板。英國物理學家約翰 弗萊明pohn Fleming）根據“愛迪生效應”在1904年發明了電子二極管[2]。1906年，美國發明家德 福雷斯特（De Forest），在二極管的燈絲和板極之間巧妙地加了一個柵板，從而發明了放大電子信號的**只真空三極管，標志著人類從此進入了電子時代[2]。 上述發明奠定了電子工業發展的基礎。1946年2月14日，在美國賓夕法尼亞大學發布了世界上**臺通用計算機——電子數字積分計算機（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）[3]。其機臺長30m、寬0.9m、高2.4m，占地約167m2，重27t，功率消耗150kW。ENIAC包含17468個真空管、7200個晶體二極管、1500個繼電器、70000個電阻器、10000個電容器和大約5000000個手工焊接接點[4]。ENIAC的誕生是電子工業領域一個重要的里程碑。 1947～1948年美國貝爾實驗室約翰 巴丁（JohnBardeen）、沃爾特 布拉頓（Walter Brattain）和威廉 肖克利（William Shockley）成功研制出半導體晶體三極管，并于1956年獲得諾貝爾物理學獎[5]。由此開創了固體電子時代的新紀元。 1958年美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司杰克 基爾比（JackKilby）研制出**個集成電路（圖1.1），其發明專利中介紹：“因此，本發明首要的目的就是利用一塊包含擴散形PN結的半導體材料，制備一種新穎的小型化電子電路，在其中，所有電路元件全部集成在這塊半導體材料之中。”[6]這是固體電子器件歷史上的一個重要里程碑。為此，杰克 基爾比于2000年獲得諾貝爾物理學獎。 說到集成電路的發明，還不得不提的一位科學家是羅伯特 諾伊斯（Robert Noyce），他在1959年也研制出單片集成電路[7]。可惜的是斯德哥爾摩將諾貝爾獎授予集成電路發明者時，他已經去世了。此外，他還是半導體產業界的領袖級人物，他和戈登 摩爾（Gordon Moore）共同創辦了傳奇的仙童（Fairchild）半導體公司和英特爾（Intel）公司。 人類歷史上很少有哪個行業是在其初期階段就有人為其后幾十年的發展指明方向的。幸運的是半導體集成電路領域有Moore這樣一位導師。1965年4月仙童公司的Moore在《電子學》雜志上發表文章預言：集成電路芯片上集成的晶體管數量將每年翻一番。這就是著名的“摩爾定律”[8]。1975年Moore在國際電子器件會議（IEDM）上，將集成電路集成度的發展趨勢修正為每兩年翻一番。后來半導體業界普遍認為“集成度是每18個月翻一番”。 早期，人們根據“摩爾定律”將集成電路的集成度（每個芯片上集成的器件數）對應的年代做了劃分，并分別按規模命名為小規模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）、大規模集成電路（LSI）等，參見表1.1。后來大概是表示量級的形容詞都用盡了，就不再按此命名法往后排了。但是，集成電路的集成度一直沒有停止其前進的步伐。在2008年每個芯片上的器件數已經超過了全世界的人口數，現在已經到100億的量級了。 圖1.2是兩類*具代表性的集成電路的摩爾定律的表現形式一微處理器和存儲器電路的發展變化趨勢。英特爾的微處理器開始是用數字表示其技術代，例如8086、80286，i386，i486，以及此后的奔騰（Pentium）、安騰（Itanium）等；存儲器是以其存取容量來標記其前進的步伐，如lk表示存儲器容量是1024位（bit）；菱形標識是從集成電路誕生到1965年之間集成度與年度關系的實際數據；星形標識是MOS陣列；花形標識MOS邏輯電路到1975年集成度與年度關系的實際數據；圓圈標識在1975年對集成度與年度關系的預測值；方塊標識存儲器的集成度與年度關系的實際數據；三角標識微處理器的功能與年度關系的實際數據。由此可以看出，集成電路的集成度隨著年度增加是呈指數關系增加的。 后來摩爾定律的表現形式進一步細化，1992年美國半導體行業協會（SIA）發起制定了美國國家半導體技術發展路線圖（National Technology Roadmap for Semiconductors，NTRS）。隨著歐洲、日本、韓國以及中國臺灣相關協會的加入，1999年更名為國際半導體技術路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）。針對半導體制造技術發展所需要的材料、器件結構、工藝及設備等方面，來自企業及科研院所的科學家、工程技術人員參與討論制定ITRS。 再往后《國際半導體技術發展路線圖》（2010）又呈現出如圖1.3所示的形式。一方面繼續沿著摩爾定律指引的方向，通過不斷縮小器件的關鍵尺寸（CD）增大集成度，如圖中縱軸的方向，即所謂的延續摩爾定律（More Moore’s aw）。這一維度的主要功能是進行數字內容的信息處理，可通過片上系統（SoC）的方式來提高集成電路的功能和性能。這類的特點是在工藝上要處理的圖形尺寸特別微細和精準，而且要不斷挑戰物理的和化學的加工極限。目前，半導體產業界量產的特征尺寸已經到了7nm的技術代。現在正在研發的是5nm、3nm等技術代。繼續下去就是所謂的超越（Beyond）互補金屬氧化物半導體（CMOS），將會出現什么替代工藝、結構、材料等方案？可能的候選者有納米管、量子器件、異質集成等。但是從產業量產的角度來評價，正如圖中所繪，目前還都是“浮云”。另一個維度是多樣化（Diversification）的形式，即所謂的超越摩爾定律（More than Moore）。主要是處理與人或環境交互的非數字變量，這類器件包括模擬/射頻（RF）、無源元件、高壓（HV）、功率器件、傳感器、驅動器、生物芯片等。這類的特點是在工藝上要處理的圖形特征尺寸不像數字信息那樣微細和精準，采用的主要措施是系統級封裝（SiP）顯然，將縱向SoC和橫向SiP兩個維度的技術結合就可以通過強強聯合，實現高附加值的系統產品。 2016年3月的報告將ITRS改名為國際器件及系統技術藍圖（IRDS）。它不再像過去那樣偏重如何繼續提升運算速度與效能，而是關注如何讓芯片發展能更符合智能型手機、穿戴式裝置與數據中心機器的需要[14]。標志著半導體集成電路發展從以往技術引領應用，轉向應用驅動技術的發展模式。 1.3晶圓制造廠 半導體集成電路制造可以分為五大制造階段：①晶圓制備，②晶圓制造，③晶圓測試，④裝配與封裝，⑤終測與考核試驗。 1.3.1晶圓制備 晶圓制備階段是從原材料開始，包括硅晶錠的生長、滾圓、切片、拋光、檢驗及包裝，如圖1.4所示。這部分通常是與晶圓制造商分開的。 （1）生長：將化學配比好的雜質（如磷或硼）與多晶桂料放入堝，通過；禍外裝配的電爐絲加熱，使其處于熔融狀態；然后將一個特定晶向的耔晶與熔融桂液面接觸，慢慢旋轉提拉。拉制出滿足晶圓直徑規范的硅單晶錠。 （2）切掉不滿足直徑要求的兩頭，晶圓研磨滾圓使其直徑一致，并嚴格符合國際半導體設備與材料組織（SEMI）規范要求。 （3）研磨為定位使用的平邊（Flat）或凹槽（Notch）。 （4）切片（WaferSlicing）：將晶圓從硅晶錠上切成一定厚度的晶圓片。 （5）倒角（Edge Rounding）：使晶圓邊緣平滑。 （6）晶圓研磨（Lipping）。 （7）晶圓刻蝕（WaferEtch）。 （8）晶圓拋光（Polishing）。 （9）晶圓檢查：晶圓質量檢查依據的是SEMI標準。 晶圓尺寸演變：集成電路制造所用的晶圓尺寸在不斷地增大，晶圓直徑往往代表一個集成電路制造廠（FAB）的水平指標。對應年代與*先進的晶圓直徑有個大致關系，如表1.2所示。有人習慣用英制稱呼，有人喜歡公制的說法，實際上二者是對等的。
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