半導(dǎo)體集成電路制造手冊（第二版）

目 錄
部分 半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)
第1章 可持續(xù)性的半導(dǎo)體制造——物聯(lián)網(wǎng)及人工智能的核心 2
1.1 引言 2
1.2 摩爾定律 2
1.2.1 FinFET擴(kuò)展了摩爾定律 3
1.3 集成電路與設(shè)計(jì) 3
1.4 微芯片的制造方法 4
1.4.1 晶圓制造 5
1.4.2 前道工序處理 5
1.4.3 后道工序處理 8
1.5 先進(jìn)技術(shù) 9
1.5.1 IoT、IIoT和CPS 9
1.5.2 物聯(lián)網(wǎng)要素系統(tǒng)或組織結(jié)構(gòu) 9
1.5.3 物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)或使用者 10
1.5.4 物聯(lián)網(wǎng)分類系統(tǒng)或合作伙伴 10
1.6 數(shù)據(jù)分析與人工智能 10
1.7 半導(dǎo)體的可持續(xù)性 11
1.8 結(jié)論 12
1.9 參考文獻(xiàn) 13
1.10 擴(kuò)展閱讀 15
第2章 納米技術(shù)和納米制造：從硅基到新型碳基材料及其他材料 17
2.1 引言 17
2.2 什么是納米技術(shù) 17
2.3 為什么納米技術(shù)如此重要 17
2.4 納米技術(shù)簡史 18
2.5 納米尺度制造的基本方法 19
2.6 納米計(jì)量技術(shù) 24
2.7 納米技術(shù)制造 25
2.8 應(yīng)用和市場 25
2.9 影響力和管理 26
2.10 結(jié)論 26
2.11 參考文獻(xiàn) 27
2.12 擴(kuò)展閱讀 31
第3章 FinFET的基本原理和納米尺度硅化物的新進(jìn)展 32
3.1 引言 32
3.2 FinFET的基本原理 32
3.3 納米尺度硅化物的新進(jìn)展 35
3.3.1 引言 35
3.3.2 納米尺度FinFET的硅化物接觸技術(shù) 36
3.3.3 Si納米線中硅化物的外延生長 42
3.4 結(jié)論 51
3.5 參考文獻(xiàn) 51
第4章 微機(jī)電系統(tǒng)制造基礎(chǔ)：物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù) 54
4.1 微機(jī)電系統(tǒng)和微系統(tǒng)技術(shù)的定義 54
4.2 微系統(tǒng)技術(shù)的重要性 54
4.3 微系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ) 55
4.3.1 微傳感器技術(shù) 55
4.3.2 微驅(qū)動(dòng)器技術(shù) 56
4.3.3 用于微系統(tǒng)的材料 57
4.3.4 MEMS的設(shè)計(jì)工具 58
4.4 MEMS制造原理 58
4.4.1 前段微機(jī)械制造工藝 58
4.5 展望 67
4.6 結(jié)論 68
4.7 參考文獻(xiàn) 68
4.8 擴(kuò)展閱讀 70
第5章 高性能、低功耗、高可靠性三維集成電路的物理設(shè)計(jì) 71
5.1 引言 71
5.1.1 晶體管縮小的根本限制因素 71
5.1.2 導(dǎo)線互連的延遲和功耗的上升 72
5.1.3 什么是三維芯片 72
5.2 三維芯片的設(shè)計(jì)流程 73
5.3 三維芯片的物理設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) 73
5.3.1 三維布局問題 73
5.3.2 三維時(shí)鐘樹 74
5.3.3 三維熱管理 74
5.3.4 三維電源管理 74
5.3.5 三維芯片的可靠性問題 75
5.4 三維芯片的物理設(shè)計(jì)方案 76
5.4.1 三維布局算法 76
5.4.2 三維時(shí)鐘樹綜合 76
5.4.3 三維芯片的散熱方案 77
5.4.4 三維芯片的電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 77
5.4.5 三維電路的可靠性預(yù)測和優(yōu)化 78
5.5 結(jié)論和展望 78
5.6 參考文獻(xiàn) 79
第二部分 前 道 工 序
第6章 外延生長 84
6.1 引言 84
6.1.1 外延生長基礎(chǔ) 84
6.1.2 生長技術(shù)和設(shè)備 85
6.1.3 分子束外延 85
6.1.4 化學(xué)氣相沉積 87
6.1.5 化合物半導(dǎo)體的MOCVD工藝 88
6.1.6 外延工藝：概述 88
6.1.7 氮化鎵(GaN)的MOCVD工藝 91
6.1.8 GaN外延層材料的表征和分析 93
6.1.9 外延制造 96
6.1.10 管理程序 96
6.2 安全和環(huán)境健康 97
6.3 展望 97
6.4 結(jié)論 98
6.5 參考文獻(xiàn) 98
6.6 擴(kuò)展閱讀 99
第7章 熱處理工藝——退火、RTP及氧化 100
7.1 引言 100
7.2 熱處理 100
7.2.1 熱輸運(yùn) 100
7.2.2 退火 103
7.2.3 擴(kuò)散 103
7.2.4 致密/回流 104
7.2.5 硅化物 105
7.2.6 鈍化 105
7.2.7 缺陷 105
7.3 快速熱處理 106
7.3.1 RTP裝置 106
7.3.2 輻射性 107
7.3.3 加工效應(yīng) 107
7.4 氧化 107
7.4.1 硅蝕坑 109
7.4.2 SiO2薄膜質(zhì)量 109
7.4.3 濕氧氧化方法 109
7.4.4 激子氧化 109
7.4.5 缺陷 110
7.5 制造要點(diǎn) 111
7.5.1 擁有成本 111
7.5.2 統(tǒng)計(jì)過程控制 111
7.5.3 良率 112
7.6 結(jié)論 112
7.7 致謝 112
7.8 參考文獻(xiàn) 113
7.9 擴(kuò)展閱讀 114
第8章 光刻工藝 115
8.1 光刻工藝 115
8.1.1 襯底準(zhǔn)備 115
8.1.2 光刻膠旋涂 116
8.1.3 涂膠后烘烤 116
8.1.4 對準(zhǔn)和曝光 117
8.1.5 曝光后烘烤 118
8.1.6 顯影 119
8.2 光學(xué)光刻中圖像的形成 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 像差與失焦 123
8.2.5 浸沒式光刻 124
8.3 光刻膠化學(xué) 125
8.3.1 曝光反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 125
8.3.2 化學(xué)增強(qiáng)膠 125
8.3.3 溶解 127
8.4 線寬控制 129
8.5 套刻控制 131
8.6 光學(xué)光刻的限制 131
8.7 擴(kuò)展閱讀 134
第9章 刻蝕工藝 135
9.1 引言 135
9.2 濕法刻蝕 136
9.2.1 硅的各向同性濕法刻蝕 136
9.2.2 硅的各向異性濕法刻蝕 137
9.2.3 氧化硅和氮化硅的濕法刻蝕 138
9.2.4 金屬薄膜濕法刻蝕 138
9.3 干法刻蝕 138
9.3.1 基本等離子刻蝕系統(tǒng) 138
9.3.2 等離子體刻蝕機(jī)制 140
9.3.3 干法刻蝕系統(tǒng) 141
9.3.4 與干法刻蝕有關(guān)的問題 143
9.3.5 硅、氧化硅和氮化硅的干法刻蝕 144
9.3.6 III-V族半導(dǎo)體的刻蝕 145
9.3.7 其他材料的刻蝕 145
9.4 結(jié)論 146
9.5 致謝 146
9.6 參考文獻(xiàn) 146
9.7 擴(kuò)展閱讀 147
第10章 離子注入 148
10.1 綜述 148
10.1.1 離子注入定義 148
10.1.2 歷史 148
10.1.3 離子注入設(shè)備基本部件 148
10.2 現(xiàn)代離子注入設(shè)備綜述 149
10.2.1 大束流注入機(jī) 150
10.2.2 中束流注入機(jī) 150
10.2.3 高能注入機(jī) 151
10.3 離子注入應(yīng)用 152
10.3.1 應(yīng)用范圍 152
10.3.2 工藝挑戰(zhàn)和測量 154
10.4 展望 154
10.5 參考文獻(xiàn) 155
第11章 物理氣相沉積 158
11.1 使用動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵屬性 158
11.2 PVD工藝的基本原理 158
11.3 真空蒸發(fā) 159
11.4 蒸發(fā)設(shè)備 161
11.4.1 余弦定律 162
11.5 蒸發(fā)沉積層及其性質(zhì) 162
11.6 濺射 163
11.6.1 定義 163
11.6.2 原理 164
11.6.3 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能 164
11.7 濺射設(shè)備 165
11.7.1 直流濺射 166
11.7.2 高頻/射頻濺射 167
11.7.3 自偏壓效應(yīng) 167
11.7.4 偏壓濺射 167
11.7.5 反應(yīng)濺射 168
11.7.6 磁控濺射 169
11.7.7 濺射系統(tǒng)的布局和部件 169
11.8 濺射沉積層 171
11.8.1 臺(tái)階覆蓋 171
11.8.2 脈沖激光沉積 172
11.8.3 結(jié)論和展望 173
11.9 參考文獻(xiàn) 173
第12章 化學(xué)氣相沉積 174
12.1 引言 174
12.1.1 同相成核和異相成核 174
12.1.2 各種類型的CVD 175
12.1.3 結(jié)論 178
12.2 發(fā)展歷程 178
12.2.1 硅基微電子和其他領(lǐng)域中的CVD應(yīng)用 178
12.2.2 其他材料 179
12.3 保形CVD薄膜及無空隙填充 179
12.3.1 基本問題 179
12.3.2 臺(tái)階覆蓋率 180
12.3.3 表面反應(yīng)概率β 181
12.4 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 181
12.4.1 熱力學(xué)機(jī)制 181
12.4.2 動(dòng)力學(xué)機(jī)制 182
12.5 展望未來：新興電子材料 182
12.5.1 二維材料 182
12.5.2 氧化物和氮化物薄膜 183
12.5.3 結(jié)論 184
12.6 參考文獻(xiàn) 184
第13章 原子層沉積 191
13.1 引言 191
13.1.1 ALD的基本原理 192
13.2 ALD的主要商業(yè)應(yīng)用 192
13.3 ALD在前沿半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用 193
13.4 ALD的發(fā)展過程 193
13.4.1 建立溫度窗口 193
13.4.2 確保足夠的反應(yīng)物輸運(yùn)到表面 193
13.4.3 確保對反應(yīng)區(qū)域進(jìn)行充分的吹掃或抽離 194
13.5 選擇合適的ALD前驅(qū)體和反應(yīng)物 194
13.6 硬件和流程的創(chuàng)新以提高ALD的生長速率 195
13.7 ALD過程中等離子體的應(yīng)用 195
13.8 ALD過程中的硬件要求 196
13.9 原子層化學(xué)沉積的逆向過程：原子層刻蝕 196
13.10 參考文獻(xiàn) 196
13.11 擴(kuò)展閱讀 197
第14章 電化學(xué)沉積 198
14.1 引言 198
14.2 ECD的基本原理 198
14.2.1 電解沉積 198
14.2.2 無電沉積 200
14.3 電化學(xué)沉積的應(yīng)用 201
14.3.1 銅互連 201
14.3.2 硅通孔 202
14.3.3 透膜電鍍 203
14.3.4 無電沉積 204
14.4 展望 205
14.5 結(jié)論 205
14.6 參考文獻(xiàn) 206
第15章 化學(xué)機(jī)械拋光基礎(chǔ) 207
15.1 引言 207
15.2 如何理解化學(xué)機(jī)械拋光基礎(chǔ)的重要性 207
15.3 化學(xué)機(jī)械拋光的誕生 208
15.4 拋光和平坦化 209
15.5 化學(xué)機(jī)械拋光工藝流程 209
15.6 化學(xué)機(jī)械拋光工藝原理 210
15.7 化學(xué)機(jī)械拋光耗材 211
15.7.1 拋光液 211
15.7.2 拋光墊 214
15.7.3 拋光墊調(diào)節(jié)器 215
15.8 化學(xué)機(jī)械拋光與互連 216
15.9 化學(xué)機(jī)械拋光后道清洗 217
15.9.1 過濾器 218
15.9.2 工藝設(shè)備 218
15.10 結(jié)論 219
15.11 致謝 219
15.12 參考文獻(xiàn) 219
第16章 AFM計(jì)量 222
16.1 引言 222
16.2 計(jì)量：基礎(chǔ)和原理 223
16.2.1 測量系統(tǒng)的性能指標(biāo) 223
16.2.2 新的測量系統(tǒng)指標(biāo)和Fleet測量不確定度 224
16.2.3 混合計(jì)量 224
16.3 AFM技術(shù)與基礎(chǔ) 225
16.3.1 AFM掃描儀 225
16.3.2 形貌成像掃描模式 225
16.3.3 其他掃描模式 227
16.4 用于線上計(jì)量的自動(dòng)化AFM 227
16.4.1 用于CD計(jì)量的CD-AFM 229
16.4.2 原子力輪廓儀 229
16.4.3 自動(dòng)缺陷審查 230
16.4.4 用于掩模制造的線上AFM 231
16.5 維護(hù)和校準(zhǔn) 231
16.6 結(jié)論 232
16.7 參考文獻(xiàn) 232
16.8 擴(kuò)展閱讀 235