先進芯片材料與高端芯片制造

王琛 博士，清華大學研究員，博士生導師，“國家海外高層次人才計劃” 引進回國。博士畢業於美國加州大學洛杉磯分，曾在包括英特爾，泛林半導體等美國矽谷多個知名芯片公司負責芯片設計和研發，近期研究專註於新興半導體材料，電子學和光電子學，功能半導體器件，集成微系統以及半導體芯片設計和開發，通過對新材料，新結構和新原理器件的研究助力我國半導體材料，微電子器件和集成電路產業的發展。近期在相關領域取得了一系列研究成果，相關成果發表在Nature , Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology, Science Advances, Nature Communicationsn, Nano Letters, ACS Nano 等數十篇高影響力論文，八篇入選高被引和熱點論文，年均引用超過1300次，總引用超過6500次，H因子27，出版劍橋大學出版書籍章節一章，申請中美專利數十項，擔任30余本相關領域SCI雜誌特約審稿人，擔任多個國際會議的分會場主席，在美國材料學會（MRS），美國化學會（ACS），電子與電氣工程師學會（IEEE）等國內外會議做多次報告和邀請報告。近期主持和參與相關領域國家自然基金委課題，科技部國家重點研發計劃等數十項相關領域科研項目。

目錄

第一部分芯 片 簡 介

第1章芯片發展簡史

1.1芯片的概念與分類

1.2芯片的誕生

1.2.1芯片與晶體管的發明

1.2.2器件與技術的改進

1.3集成電路的發展規律與核心指標

1.3.1摩爾定律與集成度水平

1.3.2集成電路的關鍵技術指標

1.4現代芯片發展之難

1.5本章小結

參考文獻

第2章芯片產業演進

2.1芯片的生產與分工

2.2矽谷的誕生

2.2.1矽谷之內的競爭

2.2.2矽谷之外的角逐

2.3集成電路產業鏈與運作模式

2.3.1集成電路產業鏈

2.3.2集成電路運作模式

2.4國產芯片發展之難

2.5本章小結

參考文獻

第3章芯片生產流程

3.1芯片制程

3.1.1制程簡介

3.1.2產量控制

3.2芯片工廠

3.2.1潔凈室

3.2.2生產區

3.3本章小結

參考文獻

第4章芯片發展展望

4.1摩爾定律會終結麼

4.2新材料

4.2.1晶體管新材料

4.2.2化合物半導體材料

4.2.3其他材料

4.3新器件

4.3.1CMOS器件

4.3.2新型器件

4.4新集成體系

4.5新計算架構

4.6本章小結

參考文獻

第二部分芯片中的新材料

第5章半導體材料

5.1第一代半導體材料

5.1.1矽基半導體材料

5.1.2鍺基半導體材料

5.1.3SiGe半導體材料

5.1.4本節小結

5.2第二代半導體材料

5.2.1GaAs基半導體材料

5.2.2InP基半導體材料

5.2.3本節小結

5.3第三代半導體材料

5.3.1SiC基半導體材料

5.3.2GaN基半導體材料

5.3.3本節小結

5.4其他半導體材料

5.4.1超寬禁帶半導體材料

5.4.2非晶半導體材料

5.4.3有機半導體材料

5.4.4二維半導體材料

5.4.5本節小結

5.5本章小結

參考文獻

第6章芯片互連材料

6.1互連材料的基本特征

6.1.1互連材料的定義

6.1.2互連結構

6.1.3互連材料的種類

6.1.4互連材料的基本特征

6.2鋁互連材料

6.2.1鋁互連材料概述

6.2.2鋁互連的優勢與缺陷

6.3鋁銅合金互連材料

6.3.1鋁銅合金材料概述

6.3.2鋁銅合金的優勢與缺陷

6.4銅互連材料

6.4.1銅互連材料概述

6.4.2銅互連大馬士革鑲嵌工藝

6.4.3銅互連的優勢與缺陷

6.5鈷互連材料

6.5.1鈷互連材料概述

6.5.2鈷互連的優勢與缺陷

6.6其他新型互連材料

6.6.1釕、鉬、金屬間化合物

6.6.2石墨烯互連

6.6.3光互連與光芯片

6.7本章小結

參考文獻

第7章介電材料

7.1引言

7.1.1介電材料基礎知識

7.1.2介電材料分類與應用

7.2柵極介電材料

7.2.1柵極介電材料的性能要求

7.2.2常用柵極介電材料

7.2.3其他高κ介電材料

7.2.4鐵電材料

7.3電容器電介質材料

7.3.1電容器電介質的性能要求

7.3.2用於易失性存儲器電容器的介電材料

7.3.3用於非易失性存儲器電容器的介電材料

7.4隔離電介質材料

7.5互連介電材料

7.5.1互連材料性能需求及評估因素

7.5.2低κ互連介電材料

7.6本章小結

參考文獻

第8章封裝材料

8.1聚合物材料

8.1.1模塑料

8.1.2芯片黏合劑

8.1.3底部填充膠材料

8.1.4有機層壓襯底材料

8.2金屬材料

8.2.1引線框架、散熱片與均熱片

8.2.2鍵合引線

8.2.3芯片焊接材料

8.2.4晶圓凸點材料及工藝

8.3陶瓷與玻璃材料

8.3.1陶瓷材料

8.3.2玻璃材料

8.43D封裝中的材料

8.4.1金屬材料

8.4.2黏合劑材料

8.4.3單片三維集成的二維材料

8.5本章小結

參考文獻

第9章工藝及其他芯片材料

9.1矽晶圓加工材料

9.1.1外延工藝材料

9.1.2熱處理工藝材料

9.1.3摻雜工藝材料

9.2光刻材料

9.2.1光刻膠材料

9.2.2掩模版材料

9.3濕電子化學品

9.3.1通用濕電子化學品

9.3.2功能性濕電子化學品

9.4電子級氣體

9.4.1純氣體

9.4.2電子特氣

9.5研磨材料

9.5.1研磨液

9.5.2研磨墊

9.6濺射靶材

9.6.1純金屬及合金靶材

9.6.2陶瓷靶材

9.7本章小結

參考文獻

第三部分芯片器件設計原理

第10章半導體器件基本原理

10.1固體理論基礎

10.1.1周期性勢場與布裏淵區

10.1.2能帶理論

10.1.3電子在晶體中的運動

10.1.4態密度與分布函數

10.2熱平衡下的載流子濃度

10.2.1載流子濃度方程

10.2.2本征半導體與非本征半導體

10.2.3補償半導體與電中性原理

10.3載流子的輸運現象

10.3.1載流子的漂移運動

10.3.2載流子的擴散運動

10.3.3載流子的產生與復合

10.4本章小結

參考文獻

第11章基礎器件特性

11.1pn結

11.1.1pn結的基本結構

11.1.2零偏與反偏下的pn結

11.1.3正偏下的電壓-電流特性

11.1.4結擊穿

11.2金屬-半導體接觸

11.2.1肖特基勢壘與肖特基二極管

11.2.2歐姆接觸

11.3MOSFET

11.3.1雙端MOS電容結構

11.3.2電容-電壓特性

11.3.3MOSFET基本工作原理

11.3.4CMOS技術

11.3.5非理想效應

11.4本章小結

參考文獻

第12章先進芯片器件

12.1摩爾定律與節點演進

12.1.1摩爾定律

12.1.2幾何演進階段

12.1.3等效演進階段

12.1.4三維功耗演進階段

12.2先進器件工藝

12.2.1應變矽技術

12.2.2HKMG技術

12.2.3SOI技術

12.2.4FinFET技術

12.2.5GAA結構

12.2.6Forksheet結構

12.2.7CFET

12.3本章小結

參考文獻

第13章未來器件展望

13.1CMOS延伸器件

13.1.1CNT-FET

13.1.2二維材料溝道FET

13.1.3TFET

13.2以電荷為信息載體的超越CMOS器件

13.2.1自旋晶體管

13.2.2NCFET

13.2.3納機電開關

13.2.4Mott場效應晶體管

13.2.5拓撲絕緣體電子器件

13.3其他信息載體的超越CMOS器件

13.3.1自旋波器件

13.3.2激子器件

13.3.3晶體管激光器

13.3.4自旋轉矩多輸入邏輯門

13.4本章小結

參考文獻

第四部分芯片關鍵工藝與技術

第14章光刻技術與光刻原理

14.1光刻原理

14.1.1衍射原理

14.1.2對準原理

14.1.3曝光原理 

14.2光刻工藝

14.2.1晶圓清洗

14.2.2預烘與塗膠

14.2.3前烘

14.2.4對準與曝光

14.2.5後烘

14.2.6顯影與堅膜烘焙

14.2.7測試

14.3光刻分辨率

14.3.1分辨率影響因素

14.3.2分辨率提升技術

14.4光刻設備

14.4.1主要組成

14.4.2光刻膠發展

14.4.3光刻機發展 

14.5極紫外光刻技術

14.5.1極紫外光源

14.5.2極紫外光刻技術掩模版

14.5.3極紫外光刻技術分辨率

14.5.4挑戰與展望

14.6下一代光刻技術

14.6.1電子束曝光光刻技術

14.6.2納米壓印光刻技術

14.7本章小結

參考文獻

第15章化學氣相沈積

15.1化學氣相沈積原理

15.1.1基本原理

15.1.2過程控制

15.1.3薄膜表征 

15.2化學氣相沈積技術

15.2.1常壓化學氣相沈積

15.2.2低壓化學氣相沈積

15.2.3等離子體輔助化學氣相沈積

15.2.4高密度等離子體化學氣相沈積

15.2.5原子層沈積

15.3新一代化學氣相沈積技術

15.3.1等離子體增強原子層沈積

15.3.2微波增強化學氣相沈積

15.4化學氣相沈積設備

15.4.1基本組成

15.4.2氣相輸送系統

15.4.3反應室

15.4.4能源系統

15.4.5真空系統

15.4.6廢氣處理系統

15.5本章小結

參考文獻

第16章物理氣相沈積

16.1物理氣相沈積原理

16.1.1基本原理

16.1.2過程控制

16.1.3薄膜表征 

16.2物理氣相沈積技術

16.2.1蒸發鍍膜

16.2.2濺射鍍膜

16.2.3電子束鍍膜

16.2.4離子束鍍膜

16.2.5等離子體噴塗

16.3新一代物理氣相沈積技術

16.3.1PVALD

16.3.2新一代物理氣相沈積技術的展望與挑戰

16.4物理氣相沈積設備

16.4.1沈積腔室

16.4.2真空系統

16.5本章小結

參考文獻

第17章刻蝕技術

17.1濕法刻蝕

17.1.1濕法刻蝕原理

17.1.2濕法刻蝕過程

17.1.3濕法刻蝕應用

17.2幹法刻蝕

17.2.1幹法刻蝕原理

17.2.2幹法刻蝕過程

17.2.3幹法刻蝕應用

17.3濕法刻蝕與幹法刻蝕對比

參考文獻

第18章離子註入

18.1基本原理

18.1.1擴散模型

18.1.2碰撞模型

18.1.3溝道註入效應

18.1.4註入損傷與退火

18.2離子註入的應用

18.3離子註入過程

18.3.1三維材料離子註入過程

18.3.2二維材料離子註入過程

18.3.3離子註入過程誤差

18.4離子註入機

18.4.1離子源

18.4.2質量分析器

18.4.3加速管

18.4.4電荷中性化裝置

18.4.5終端臺

18.5離子註入危險源

18.5.1化學危險源

18.5.2電機危險源

18.5.3輻射危險源

18.5.4機械危險源

18.6摻雜檢測技術

18.6.1直接針對雜質的檢測

18.6.2針對電阻的檢測

18.6.3針對損傷的檢測

18.7本章小結

參考文獻

第19章化學機械拋光技術

19.1CMP簡介

19.1.1CMP技術的發展歷程

19.1.2CMP在芯片制造中的應用

19.1.3CMP的必要性

19.1.4平坦化定義及效果

19.2CMP系統

19.2.1CMP系統簡介

19.2.2晶圓載體

19.2.3拋光墊

19.2.4研磨漿

19.3CMP基本理論

19.3.1CMP參數

19.3.2CMP缺陷

19.4CMP過程

19.4.1氧化物CMP過程

19.4.2鎢CMP過程

19.4.3銅CMP過程

19.5其他平坦化技術

19.6本章小結

參考文獻

第20章熱處理技術

20.1熱處理設備

20.1.1控制系統

20.1.2氣體輸送系統

20.1.3排氣系統

20.1.4處理管

20.2氧化過程

20.2.1預氧化清洗

20.2.2幹式氧化

20.2.3濕式氧化

20.2.4高壓氧化

20.2.5氧化膜的質量與檢測

20.3退火過程

20.4快速熱處理

20.4.1RTP系統

20.4.2快速熱退火技術演變

20.4.3快速熱氧化

20.5本章小結

參考文獻

第21章電鍍工藝

21.1電鍍工藝的發展進程

21.2電鍍工藝的原理

21.3影響電鍍的因素

21.3.1溶質、溶劑和沈積電解質

21.3.2電解液的pH

21.3.3沈積溫度

21.3.4沈積電流密度

21.3.5沈積時間和厚度

21.4電鍍工藝的優缺點

21.4.1電鍍的優點

21.4.2電鍍的缺點

21.5全電沈積光伏器件

21.6電鍍工藝在半導體領域的應用

21.6.1大馬士革電鍍銅

21.6.2矽通孔電鍍銅

21.6.3電鍍銅柱

21.7本章小結

參考文獻

第22章清洗

22.1清洗技術介紹

22.2濕式化學清洗過程

22.2.1濕式化學清洗概述

22.2.2濕式化學清洗前端處理

22.2.3濕式化學清洗後端處理

22.2.4濕式化學清洗的缺點

22.3幹式清洗和表面處理過程

22.3.1氣相清洗

22.3.2等離子體清洗

22.3.3低溫氣溶膠清洗

22.4清洗的未來發展

參考文獻

第五部分芯片工藝集成

第23章芯片工藝集成基本原理

23.1芯片集成工藝簡介

23.1.1集成電路發展歷程

23.1.2芯片集成的關鍵流程

23.2晶圓準備

23.2.1晶圓取向

23.2.2摻雜工藝

23.2.3外延生長

23.3隔離工藝

23.3.1包層場氧化物

23.3.2局部矽氧化

23.3.3淺槽隔離

23.4阱區形成

23.4.1單阱區

23.4.2自對準雙阱區

23.4.3多阱區

23.5晶體管形成

23.5.1早期金屬柵極工藝

23.5.2自對準源/漏工藝

23.5.3微摻雜漏極

23.5.4閾值調節

23.5.5抗穿通註入

23.6HKMG MOSFET

23.6.1柵極先加工

23.6.2柵極後加工

23.7互連

23.7.1局部互連

23.7.2早期互連

23.7.3鋁互連與銅互連

23.7.4低κ電介質

23.7.5互連整體工藝

23.8鈍化處理

23.9本章小結

參考文獻

第24章邏輯芯片工藝集成

24.1邏輯芯片導引

24.1.1邏輯芯片簡介

24.1.2邏輯芯片分類

24.1.3邏輯芯片工作原理

24.2CPU的組成

24.2.1算術與邏輯單元

24.2.2存儲體系與控制器

24.2.3不同存儲的比較

24.3CPU的制作工藝

24.3.1基本單元：互補金屬-氧化物-半導體

24.3.2晶圓準備：絕緣底上矽

24.3.3雙阱工藝與虛擬柵、側壁墊片

24.3.4源/漏工藝

24.3.5HKMG後柵工藝

24.3.6後段工序

24.4本章小結

參考文獻

第25章存儲芯片工藝集成

25.1存儲芯片導引

25.1.1閃存器件基本結構

25.1.2NOR與NAND存儲器

25.1.3陣列區域布局

25.1.4NAND閃存的可靠性分析

25.1.5其他存儲芯片

25.2從平面到立體：3D NAND技術

25.2.13D NAND與平面NAND的比較

25.2.23D NAND的優勢

25.2.33D NAND單元設計與制作

25.2.43D NAND的挑戰

25.33D NAND加工過程

25.3.1移動外圍模塊

25.3.2多層堆積與臺階結構

25.3.3通道模塊

25.3.4隔離模塊

25.3.5互連模塊

25.4本章小結

參考文獻

第26章模擬芯片工藝集成

26.1模擬芯片概述

26.1.1模擬芯片分類與應用

26.1.2模擬芯片與數字芯片的比較

26.1.3模擬集成電路加工工藝簡述

26.2GaAs 異質結雙極型晶體管

26.2.1雙極結型晶體管

26.2.2異質結雙極型晶體管

26.2.3GaAs HBT簡述

26.2.4器件結構

26.2.5GaAs HBT工藝流程

26.3BiCMOS工藝

26.3.1BiCMOS的結構

26.3.2SiGe HBT

26.3.3SiGe BiCMOS

26.4BCD工藝

26.4.1DMOS的基本原理

26.4.2DMOS的器件結構

26.4.3BCD工藝

26.5寬禁帶半導體器件

26.5.1GaN和SiC的基本工藝

26.5.2GaN HEMT

26.5.3SiC 器件

26.6本章小結

參考文獻

第六部分芯片先進封裝與測試技術

第27章芯片封裝技術

27.1封裝工藝要點

27.1.1襯底

27.1.2輸入/輸出

27.1.3矽中介層

27.2封裝工藝步驟

27.2.1傳統封裝

27.2.2晶圓級封裝

27.3芯片封裝技術的評估指標

27.3.1尺寸與密度

27.3.2強度與可靠性

27.3.3寄生參數

27.3.4散熱性

27.4封裝容錯方式

27.4.1硬件冗余

27.4.2時間冗余

27.4.3信息冗余

27.5常見芯片封裝類型

27.5.1雙列直插式封裝

27.5.2小外形封裝

27.5.3方型扁平式封裝

27.5.4針柵陣列封裝

27.5.5球柵陣列封裝

27.5.6多芯片模塊封裝

27.6先進封裝技術

27.6.1倒裝芯片

27.6.22.5D封裝

27.6.33D封裝

27.7封裝測試

27.7.1封裝前測試

27.7.2預燒測試

參考文獻

第28章芯片測試技術

28.1測試環節

28.1.1晶圓接受測試

28.1.2晶圓測試

28.1.3成品測試

28.2常見失效類型和原理

28.2.1常見失效類型

28.2.2常見失效原理

28.3測試原理

28.3.1靜態測試/動態測試

28.3.2IDDQ測試

28.3.3連通性測試

28.3.4IDD/ICC測試

28.3.5漏電測試

28.3.6混合信號測試

28.4可測試性設計

28.4.1常見的可測試性設計方法

28.4.2測試成本優化

28.5測試設備

參考文獻