半導體集成電路制造手冊（第二版）

目 錄
部分 半導體制造基礎
第1章 可持續(xù)性的半導體制造——物聯(lián)網及人工智能的核心 2
1.1 引言 2
1.2 摩爾定律 2
1.2.1 FinFET擴展了摩爾定律 3
1.3 集成電路與設計 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 先進技術 9
1.5.1 IoT、IIoT和CPS 9
1.5.2 物聯(lián)網要素系統(tǒng)或組織結構 9
1.5.3 物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)或使用者 10
1.5.4 物聯(lián)網分類系統(tǒng)或合作伙伴 10
1.6 數(shù)據(jù)分析與人工智能 10
1.7 半導體的可持續(xù)性 11
1.8 結論 12
1.9 參考文獻 13
1.10 擴展閱讀 15
第2章 納米技術和納米制造：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 17
2.3 為什么納米技術如此重要 17
2.4 納米技術簡史 18
2.5 納米尺度制造的基本方法 19
2.6 納米計量技術 24
2.7 納米技術制造 25
2.8 應用和市場 25
2.9 影響力和管理 26
2.10 結論 26
2.11 參考文獻 27
2.12 擴展閱讀 31
第3章 FinFET的基本原理和納米尺度硅化物的新進展 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展 35
3.3.1 引言 35
3.3.2 納米尺度FinFET的硅化物接觸技術 36
3.3.3 Si納米線中硅化物的外延生長 42
3.4 結論 51
3.5 參考文獻 51
第4章 微機電系統(tǒng)制造基礎：物聯(lián)網新興技術 54
4.1 微機電系統(tǒng)和微系統(tǒng)技術的定義 54
4.2 微系統(tǒng)技術的重要性 54
4.3 微系統(tǒng)技術基礎 55
4.3.1 微傳感器技術 55
4.3.2 微驅動器技術 56
4.3.3 用于微系統(tǒng)的材料 57
4.3.4 MEMS的設計工具 58
4.4 MEMS制造原理 58
4.4.1 前段微機械制造工藝 58
4.5 展望 67
4.6 結論 68
4.7 參考文獻 68
4.8 擴展閱讀 70
第5章 高性能、低功耗、高可靠性三維集成電路的物理設計 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 三維芯片的設計流程 73
5.3 三維芯片的物理設計面臨的挑戰(zhàn) 73
5.3.1 三維布局問題 73
5.3.2 三維時鐘樹 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 三維芯片的物理設計方案 76
5.4.1 三維布局算法 76
5.4.2 三維時鐘樹綜合 76
5.4.3 三維芯片的散熱方案 77
5.4.4 三維芯片的電源網絡設計 77
5.4.5 三維電路的可靠性預測和優(yōu)化 78
5.5 結論和展望 78
5.6 參考文獻 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 84
6.1.2 生長技術和設備 85
6.1.3 分子束外延 85
6.1.4 化學氣相沉積 87
6.1.5 化合物半導體的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 結論 98
6.5 參考文獻 98
6.6 擴展閱讀 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 100
7.2.2 退火 103
7.2.3 擴散 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 107
7.4 氧化 107
7.4.1 硅蝕坑 109
7.4.2 SiO2薄膜質量 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 111
7.5.1 擁有成本 111
7.5.2 統(tǒng)計過程控制 111
7.5.3 良率 112
7.6 結論 112
7.7 致謝 112
7.8 參考文獻 113
7.9 擴展閱讀 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 對準和曝光 117
8.1.5 曝光后烘烤 118
8.1.6 顯影 119
8.2 光學光刻中圖像的形成 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 125
8.3.1 曝光反應動力學 125
8.3.2 化學增強膠 125
8.3.3 溶解 127
8.4 線寬控制 129
8.5 套刻控制 131
8.6 光學光刻的限制 131
8.7 擴展閱讀 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 等離子體刻蝕機制 140
9.3.3 干法刻蝕系統(tǒng) 141
9.3.4 與干法刻蝕有關的問題 143
9.3.5 硅、氧化硅和氮化硅的干法刻蝕 144
9.3.6 III-V族半導體的刻蝕 145
9.3.7 其他材料的刻蝕 145
9.4 結論 146
9.5 致謝 146
9.6 參考文獻 146
9.7 擴展閱讀 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 離子注入設備基本部件 148
10.2 現(xiàn)代離子注入設備綜述 149
10.2.1 大束流注入機 150
10.2.2 中束流注入機 150
10.2.3 高能注入機 151
10.3 離子注入應用 152
10.3.1 應用范圍 152
10.3.2 工藝挑戰(zhàn)和測量 154
10.4 展望 154
10.5 參考文獻 155
第11章 物理氣相沉積 158
11.1 使用動機和關鍵屬性 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)設備 161
11.4.1 余弦定律 162
11.5 蒸發(fā)沉積層及其性質 162
11.6 濺射 163
11.6.1 定義 163
11.6.2 原理 164
11.6.3 薄膜的微觀結構與力學性能 164
11.7 濺射設備 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 167
11.7.4 偏壓濺射 167
11.7.5 反應濺射 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 臺階覆蓋 171
11.8.2 脈沖激光沉積 172
11.8.3 結論和展望 173
11.9 參考文獻 173
第12章 化學氣相沉積 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 結論 178
12.2 發(fā)展歷程 178
12.2.1 硅基微電子和其他領域中的CVD應用 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 臺階覆蓋率 180
12.3.3 表面反應概率β 181
12.4 熱力學和動力學分析 181
12.4.1 熱力學機制 181
12.4.2 動力學機制 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 結論 184
12.6 參考文獻 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)應用 192
13.3 ALD在前沿半導體制造中的應用 193
13.4 ALD的發(fā)展過程 193
13.4.1 建立溫度窗口 193
13.4.2 確保足夠的反應物輸運到表面 193
13.4.3 確保對反應區(qū)域進行充分的吹掃或抽離 194
13.5 選擇合適的ALD前驅體和反應物 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用 195
13.8 ALD過程中的硬件要求 196
13.9 原子層化學沉積的逆向過程：原子層刻蝕 196
13.10 參考文獻 196
13.11 擴展閱讀 197
第14章 電化學沉積 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 電化學沉積的應用 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 結論 205
14.6 參考文獻 206
第15章 化學機械拋光基礎 207
15.1 引言 207
15.2 如何理解化學機械拋光基礎的重要性 207
15.3 化學機械拋光的誕生 208
15.4 拋光和平坦化 209
15.5 化學機械拋光工藝流程 209
15.6 化學機械拋光工藝原理 210
15.7 化學機械拋光耗材 211
15.7.1 拋光液 211
15.7.2 拋光墊 214
15.7.3 拋光墊調節(jié)器 215
15.8 化學機械拋光與互連 216
15.9 化學機械拋光后道清洗 217
15.9.1 過濾器 218
15.9.2 工藝設備 218
15.10 結論 219
15.11 致謝 219
15.12 參考文獻 219
第16章 AFM計量 222
16.1 引言 222
16.2 計量：基礎和原理 223
16.2.1 測量系統(tǒng)的性能指標 223
16.2.2 新的測量系統(tǒng)指標和Fleet測量不確定度 224
16.2.3 混合計量 224
16.3 AFM技術與基礎 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 用于線上計量的自動化AFM 227
16.4.1 用于CD計量的CD-AFM 229
16.4.2 原子力輪廓儀 229
16.4.3 自動缺陷審查 230
16.4.4 用于掩模制造的線上AFM 231
16.5 維護和校準 231
16.6 結論 232
16.7 參考文獻 232
16.8 擴展閱讀 235