半导体集成电路制造手册（第二版）

目 录
部分 半导体制造基础
第1章 可持续性的半导体制造——物联网及人工智能的核心 2
1.1 引言 2
1.2 摩尔定律 2
1.2.1 FinFET扩展了摩尔定律 3
1.3 集成电路与设计 3
1.4 微芯片的制造方法 4
1.4.1 晶圆制造 5
1.4.2 前道工序处理 5
1.4.3 后道工序处理 8
1.5 先进技术 9
1.5.1 IoT、IIoT和CPS 9
1.5.2 物联网要素系统或组织结构 9
1.5.3 物联网生态系统或使用者 10
1.5.4 物联网分类系统或合作伙伴 10
1.6 数据分析与人工智能 10
1.7 半导体的可持续性 11
1.8 结论 12
1.9 参考文献 13
1.10 扩展阅读 15
第2章 纳米技术和纳米制造：从硅基到新型碳基材料及其他材料 17
2.1 引言 17
2.2 什么是纳米技术 17
2.3 为什么纳米技术如此重要 17
2.4 纳米技术简史 18
2.5 纳米尺度制造的基本方法 19
2.6 纳米计量技术 24
2.7 纳米技术制造 25
2.8 应用和市场 25
2.9 影响力和管理 26
2.10 结论 26
2.11 参考文献 27
2.12 扩展阅读 31
第3章 FinFET的基本原理和纳米尺度硅化物的新进展 32
3.1 引言 32
3.2 FinFET的基本原理 32
3.3 纳米尺度硅化物的新进展 35
3.3.1 引言 35
3.3.2 纳米尺度FinFET的硅化物接触技术 36
3.3.3 Si纳米线中硅化物的外延生长 42
3.4 结论 51
3.5 参考文献 51
第4章 微机电系统制造基础：物联网新兴技术 54
4.1 微机电系统和微系统技术的定义 54
4.2 微系统技术的重要性 54
4.3 微系统技术基础 55
4.3.1 微传感器技术 55
4.3.2 微驱动器技术 56
4.3.3 用于微系统的材料 57
4.3.4 MEMS的设计工具 58
4.4 MEMS制造原理 58
4.4.1 前段微机械制造工艺 58
4.5 展望 67
4.6 结论 68
4.7 参考文献 68
4.8 扩展阅读 70
第5章 高性能、低功耗、高可靠性三维集成电路的物理设计 71
5.1 引言 71
5.1.1 晶体管缩小的根本限制因素 71
5.1.2 导线互连的延迟和功耗的上升 72
5.1.3 什么是三维芯片 72
5.2 三维芯片的设计流程 73
5.3 三维芯片的物理设计面临的挑战 73
5.3.1 三维布局问题 73
5.3.2 三维时钟树 74
5.3.3 三维热管理 74
5.3.4 三维电源管理 74
5.3.5 三维芯片的可靠性问题 75
5.4 三维芯片的物理设计方案 76
5.4.1 三维布局算法 76
5.4.2 三维时钟树综合 76
5.4.3 三维芯片的散热方案 77
5.4.4 三维芯片的电源网络设计 77
5.4.5 三维电路的可靠性预测和优化 78
5.5 结论和展望 78
5.6 参考文献 79
第二部分 前 道 工 序
第6章 外延生长 84
6.1 引言 84
6.1.1 外延生长基础 84
6.1.2 生长技术和设备 85
6.1.3 分子束外延 85
6.1.4 化学气相沉积 87
6.1.5 化合物半导体的MOCVD工艺 88
6.1.6 外延工艺：概述 88
6.1.7 氮化镓(GaN)的MOCVD工艺 91
6.1.8 GaN外延层材料的表征和分析 93
6.1.9 外延制造 96
6.1.10 管理程序 96
6.2 安全和环境健康 97
6.3 展望 97
6.4 结论 98
6.5 参考文献 98
6.6 扩展阅读 99
第7章 热处理工艺——退火、RTP及氧化 100
7.1 引言 100
7.2 热处理 100
7.2.1 热输运 100
7.2.2 退火 103
7.2.3 扩散 103
7.2.4 致密/回流 104
7.2.5 硅化物 105
7.2.6 钝化 105
7.2.7 缺陷 105
7.3 快速热处理 106
7.3.1 RTP装置 106
7.3.2 辐射性 107
7.3.3 加工效应 107
7.4 氧化 107
7.4.1 硅蚀坑 109
7.4.2 SiO2薄膜质量 109
7.4.3 湿氧氧化方法 109
7.4.4 激子氧化 109
7.4.5 缺陷 110
7.5 制造要点 111
7.5.1 拥有成本 111
7.5.2 统计过程控制 111
7.5.3 良率 112
7.6 结论 112
7.7 致谢 112
7.8 参考文献 113
7.9 扩展阅读 114
第8章 光刻工艺 115
8.1 光刻工艺 115
8.1.1 衬底准备 115
8.1.2 光刻胶旋涂 116
8.1.3 涂胶后烘烤 116
8.1.4 对准和曝光 117
8.1.5 曝光后烘烤 118
8.1.6 显影 119
8.2 光学光刻中图像的形成 119
8.2.1 衍射 120
8.2.2 成像 121
8.2.3 部分相干性 122
8.2.4 像差与失焦 123
8.2.5 浸没式光刻 124
8.3 光刻胶化学 125
8.3.1 曝光反应动力学 125
8.3.2 化学增强胶 125
8.3.3 溶解 127
8.4 线宽控制 129
8.5 套刻控制 131
8.6 光学光刻的限制 131
8.7 扩展阅读 134
第9章 刻蚀工艺 135
9.1 引言 135
9.2 湿法刻蚀 136
9.2.1 硅的各向同性湿法刻蚀 136
9.2.2 硅的各向异性湿法刻蚀 137
9.2.3 氧化硅和氮化硅的湿法刻蚀 138
9.2.4 金属薄膜湿法刻蚀 138
9.3 干法刻蚀 138
9.3.1 基本等离子刻蚀系统 138
9.3.2 等离子体刻蚀机制 140
9.3.3 干法刻蚀系统 141
9.3.4 与干法刻蚀有关的问题 143
9.3.5 硅、氧化硅和氮化硅的干法刻蚀 144
9.3.6 III-V族半导体的刻蚀 145
9.3.7 其他材料的刻蚀 145
9.4 结论 146
9.5 致谢 146
9.6 参考文献 146
9.7 扩展阅读 147
第10章 离子注入 148
10.1 综述 148
10.1.1 离子注入定义 148
10.1.2 历史 148
10.1.3 离子注入设备基本部件 148
10.2 现代离子注入设备综述 149
10.2.1 大束流注入机 150
10.2.2 中束流注入机 150
10.2.3 高能注入机 151
10.3 离子注入应用 152
10.3.1 应用范围 152
10.3.2 工艺挑战和测量 154
10.4 展望 154
10.5 参考文献 155
第11章 物理气相沉积 158
11.1 使用动机和关键属性 158
11.2 PVD工艺的基本原理 158
11.3 真空蒸发 159
11.4 蒸发设备 161
11.4.1 余弦定律 162
11.5 蒸发沉积层及其性质 162
11.6 溅射 163
11.6.1 定义 163
11.6.2 原理 164
11.6.3 薄膜的微观结构与力学性能 164
11.7 溅射设备 165
11.7.1 直流溅射 166
11.7.2 高频/射频溅射 167
11.7.3 自偏压效应 167
11.7.4 偏压溅射 167
11.7.5 反应溅射 168
11.7.6 磁控溅射 169
11.7.7 溅射系统的布局和部件 169
11.8 溅射沉积层 171
11.8.1 台阶覆盖 171
11.8.2 脉冲激光沉积 172
11.8.3 结论和展望 173
11.9 参考文献 173
第12章 化学气相沉积 174
12.1 引言 174
12.1.1 同相成核和异相成核 174
12.1.2 各种类型的CVD 175
12.1.3 结论 178
12.2 发展历程 178
12.2.1 硅基微电子和其他领域中的CVD应用 178
12.2.2 其他材料 179
12.3 保形CVD薄膜及无空隙填充 179
12.3.1 基本问题 179
12.3.2 台阶覆盖率 180
12.3.3 表面反应概率β 181
12.4 热力学和动力学分析 181
12.4.1 热力学机制 181
12.4.2 动力学机制 182
12.5 展望未来：新兴电子材料 182
12.5.1 二维材料 182
12.5.2 氧化物和氮化物薄膜 183
12.5.3 结论 184
12.6 参考文献 184
第13章 原子层沉积 191
13.1 引言 191
13.1.1 ALD的基本原理 192
13.2 ALD的主要商业应用 192
13.3 ALD在前沿半导体制造中的应用 193
13.4 ALD的发展过程 193
13.4.1 建立温度窗口 193
13.4.2 确保足够的反应物输运到表面 193
13.4.3 确保对反应区域进行充分的吹扫或抽离 194
13.5 选择合适的ALD前驱体和反应物 194
13.6 硬件和流程的创新以提高ALD的生长速率 195
13.7 ALD过程中等离子体的应用 195
13.8 ALD过程中的硬件要求 196
13.9 原子层化学沉积的逆向过程：原子层刻蚀 196
13.10 参考文献 196
13.11 扩展阅读 197
第14章 电化学沉积 198
14.1 引言 198
14.2 ECD的基本原理 198
14.2.1 电解沉积 198
14.2.2 无电沉积 200
14.3 电化学沉积的应用 201
14.3.1 铜互连 201
14.3.2 硅通孔 202
14.3.3 透膜电镀 203
14.3.4 无电沉积 204
14.4 展望 205
14.5 结论 205
14.6 参考文献 206
第15章 化学机械抛光基础 207
15.1 引言 207
15.2 如何理解化学机械抛光基础的重要性 207
15.3 化学机械抛光的诞生 208
15.4 抛光和平坦化 209
15.5 化学机械抛光工艺流程 209
15.6 化学机械抛光工艺原理 210
15.7 化学机械抛光耗材 211
15.7.1 抛光液 211
15.7.2 抛光垫 214
15.7.3 抛光垫调节器 215
15.8 化学机械抛光与互连 216
15.9 化学机械抛光后道清洗 217
15.9.1 过滤器 218
15.9.2 工艺设备 218
15.10 结论 219
15.11 致谢 219
15.12 参考文献 219
第16章 AFM计量 222
16.1 引言 222
16.2 计量：基础和原理 223
16.2.1 测量系统的性能指标 223
16.2.2 新的测量系统指标和Fleet测量不确定度 224
16.2.3 混合计量 224
16.3 AFM技术与基础 225
16.3.1 AFM扫描仪 225
16.3.2 形貌成像扫描模式 225
16.3.3 其他扫描模式 227
16.4 用于线上计量的自动化AFM 227
16.4.1 用于CD计量的CD-AFM 229
16.4.2 原子力轮廓仪 229
16.4.3 自动缺陷审查 230
16.4.4 用于掩模制造的线上AFM 231
16.5 维护和校准 231
16.6 结论 232
16.7 参考文献 232
16.8 扩展阅读 235