集成電路制造 科學與技術

譯者序

前　言

第1章　回顧、摩爾定律和未來

技術展望1

1.1　簡介1

1.2　集成電路和平面工藝：讓一切

成為可能的關鍵發明2

1.3　MOS晶體管和CMOS電路6

1.4　摩爾定律與MOS器件縮放11

1.5　越理想縮放：材料與器件創新13

1.6　半導體技術的未來展望16

1.7　本書規劃20

1.8　核心觀點總結21

1.9　習題22

1.10　參考文獻24

第2章　現代CMOS技術26

2.1　簡介26

2.2　基本的CMOS工藝與器件

結構26

2.3　選擇起始襯底27

2.4　晶體管的襯底準備28

2.5　阱的形成31

2.6　閾值電壓調整註入33

2.7　柵氧化層和多晶矽“假”柵34

2.8　輕摻雜漏形成、暈環註入和

源/漏摻雜36

2.9　為MOSFET溝道區域添加

應變38

2.10　接觸形成39

2.11　高K金屬柵的形成39

2.12　後端工藝41

2.13　FinFET的引入43

2.14　核心觀點總結47

2.15　習題47

2.16　參考文獻49

第3章　半導體材料：晶體生長、

晶圓制備和材料屬性50

3.1　簡介50

3.2　晶體結構50

3.3　晶體缺陷54

3.4　點缺陷57

3.5　矽晶體生長方法：直拉法和

區熔法61

3.6　化合物半導體晶體生長方法65

3.7　晶圓制備67

3.8　晶體生長過程中的摻雜劑和

雜質引入69

3.9　其他晶圓制備方法：SOI和

鍵合晶圓72

3.10　核心觀點總結73

3.11　習題74

3.12　參考文獻76

第4章　半導體制造：潔凈室、晶圓

清洗、吸雜及芯片良率78

4.1　簡介及基本概念78

4.2　第一級去汙：潔凈工廠81

4.3　第二級去汙：晶圓清洗85

4.3.1　光刻膠去除86

4.3.2　前端清洗：RCA清洗87

4.3.3　後端清洗91

4.3.4　化合物半導體清洗程序91

4.4　第三級去汙：矽中的吸雜92

4.4.1　堿金屬離子的吸雜93

4.4.2　矽中金屬雜質的吸雜94

4.4.3　矽中的本征或內吸雜捕獲

位點95

4.4.4　矽中的非本征吸雜捕獲位點98

4.4.5　化合物半導體技術中的吸雜100

4.5　間接帶隙半導體（Si和SiC）的

少數載流子壽命控制101

4.6　芯片制造中的良率建模102

4.7　參數良率：制造工藝控制104

4.8　核心觀點總結106

4.9　習題106

4.10　參考文獻108

第5章　光刻111

5.1　簡介111

5.2　發展與總體概念112

5.2.1　光源115

5.2.2　掩模116

5.2.3　晶圓曝光系統118

5.2.4　光刻膠121

5.3　光學系統基礎：光線追蹤和

衍射125

5.4　光刻膠基礎：性質與處理工藝132

5.5　晶圓曝光系統的建模與

（計算空間像）136

5.5.1　投影式系統137

5.5.2　接觸式和接近式系統144

5.6　光刻膠的建模與

（計算並顯影潛像）147

5.6.1　光刻膠中的光強分布147

5.6.2　光刻膠的曝光與潛像148

5.6.3　後烘152

5.6.4　光刻膠顯影154

5.6.5　堅膜155

5.7　分辨率增強方法155

5.7.1　離軸照明與科勒照明156

5.7.2　浸沒式光刻157

5.7.3　多層光刻膠和抗反射塗層159

5.7.4　設計規則限制161

5.7.5　光學鄰近效應修正、相移掩模

和計算光刻161

5.7.6　多重圖形化164

5.7.7　側墻間隔方法

（自對準雙重圖形化）166

5.8　納米壓印光刻168

5.9　核心觀點總結171

5.10　習題171

5.11　參考文獻175

第6章　半導體/緣體界面179

6.1　簡介179

6.2　氧化生長的基本模型180

6.3　幹氧環境中的薄氧化層生長

動力學187

6.4　生長動力學與壓力的關系188

6.5　不同晶向的生長動力學188

6.6　襯底摻雜效應189

6.7　與氧化過程相關的點缺陷190

6.8　氧化物流動、應力和二維生長192

6.9　Si/SiO2體系中的電學缺陷195

6.10　矽/緣體界面的性分析198

6.11　高K介電材料205

6.12　碳化矽的氧化208

6.13　核心觀點總結211

6.14　習題212

6.15　參考文獻217

第7章　半導體中的摻雜219

7.1　簡介及基本概念219

7.2　摻雜劑的固溶度222

7.3　宏觀視角下的擴散223

7.4　擴散方程的解析解225

7.4.1　穩態解［C≠f（t）］225

7.4.2　無限介質中的高斯解225

7.4.3　表面附近的高斯解226

7.4.4　無限介質中的誤差函數解226

7.4.5　表面附近的誤差函數解228

7.5　矽中摻雜劑的本征擴散系數228

7.6　連續擴散步驟的影響230

7.7　擴散層的設計與評估230

7.8　模型與數值模擬232

7.9　修改菲克定律以適用電場效應234

7.10　濃度依賴性擴散的菲克定律

修正235

7.11　偏析和界面摻雜劑堆積237

7.12　原子尺度上擴散的物理基礎240

7.13　間隙原子和空位共同輔助的

摻雜劑擴散241

7.14　點缺陷（間隙原子-空位）

覆合247

7.15　為什麼矽的自擴散很重要248

7.16　多晶矽中的擴散248

7.17　化合物半導體中的摻雜劑

擴散250

7.17.1　GaAs中的擴散250

7.17.2　GaAs中P型摻雜劑的

擴散251

7.17.3　GaAs中N型摻雜劑的

擴散252

7.17.4　SiC中的擴散與激活254

7.18　摻雜方法255

7.19　核心觀點總結255

7.20　習題256

7.21　參考文獻263

第8章　離子註入265

8.1　簡介265

8.2　發展與基本概念265

8.3　更的一維註入分布分析270

8.4　多層註入273

8.5　二維和三維註入275

8.6　核阻止與電子阻止277

8.6.1　核阻止278

8.6.2　電子阻止280

8.6.3　總阻止本領280

8.7　蒙卡羅註入分布281

8.8　損傷產生與損傷火283

8.9　瞬態增強擴散289

8.10　閃爍火298

8.11　非矽半導體材料的註入和

損傷299

8.12　離子註入的其他應用300

8.13　等離子體浸沒離子註入301

8.14　核心觀點總結302

8.15　習題302

8.16　參考文獻308

第9章　刻蝕技術與化學機械

拋光312

9.1　簡介312

9.2　濕法刻蝕313

9.2.1　定向濕法刻蝕314

9.3　幹法或等離子體刻蝕基礎315

9.3.1　等離子體鞘層與離子能量316

9.3.2　等離子體鞘層的形成317

9.4　等離子體化學319

9.4.1　選擇等離子體化學反應320

9.5　等離子體刻蝕機制320

9.5.1　純化學等離子體刻蝕

（各向同性等離子體刻蝕）321

9.5.2　純物理等離子體刻蝕

（離子銑）322

9.5.3　離子增強化學刻蝕

（1+1≠2）322

9.5.4　離子增強抑制劑刻蝕324

9.6　高密度等離子體326

9.7　使用氯化物和溴化物進行刻蝕326

9.8　等離子體刻蝕異常328

9.9　刻蝕模擬328

9.9.1　移動邊界329

9.9.2　離子和中性粒子分布330

9.9.3　黏附系數330

9.9.4　觀察角度與遮蔽331

9.9.5　各向同性和各向異性刻蝕的

線性組合331

9.9.6　離子增強化學刻蝕332

9.9.7　深寬比依賴性刻蝕334

9.9.8　模擬註意事項334

9.10　原子層刻蝕334

9.10.1　ALE表面改性335

9.10.2　ALE刻蝕機制336

9.11　平坦化方法：化學機械拋光337

9.11.1　CMP建模與339

9.12　核心觀點總結343

9.13　習題344

9.14　參考文獻348

第10章　沈積技術350

10.1　簡介350

10.2　沈積系統的熱分類350

10.2.1　化學氣相沈積350

10.2.2　異質外延356

10.2.3　橫向外延過生長359

10.2.4　低壓化學氣相沈積360

10.2.5　金屬有機化學氣相沈積361

10.2.6　等離子體增強化學氣相

沈積364

10.2.7　原子層沈積366

10.2.8　物理沈積系統：濺射系統367

10.2.9　蒸發371

10.2.10　分子束外延372

10.3　沈積模型與373

10.3.1　基於物理的沈積模擬374

10.3.2　二維與三維沈積模擬比較375

10.4　核心觀點總結375

10.5　習題376

10.6　參考文獻380

第11章　後端（互連）工藝技術382

11.1　簡介382

11.2　互連速度限制：對低R和低C

的需求383

11.3　發展和基本概念386

11.3.1　接觸結構的演變387

11.3.2　多層互連的平坦化方法390

11.3.3　從Al到Cu的過渡392

11.3.4　向低K介電材料的過渡396

11.4　關鍵工藝技術和後端問題399

11.4.1　金屬-半導體接觸399

11.4.2　矽化物結構與技術402

11.4.3　Cu電鍍技術408

11.4.4　電遷移411

11.5　後端結構的未來演變414

11.6　矽CMOS後端工藝技術

回顧416

11.7　化合物半導體的後端工藝419

11.8　多芯片模塊、芯粒、中介層和

三維集成電路421

11.9　核心觀點總結423

11.10　習題424

11.11　參考文獻425

附　錄A430