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第1章 导论1

1.1 集成电路发展历史2

1.1.1 世界上第一个晶体管2

1.1.2 世界上第一个集成电路芯片3

1.1.3 摩尔定律5

1.1.4 图形尺寸和晶圆尺寸6

1.1.5 集成电路发展节点7

1.1.6 摩尔定律或超摩尔定律8

1.2 集成电路发展回顾8

1.2.1 材料制备8

1.2.2 半导体工艺设备8

1.2.3 测量和测试工具9

1.2.4 晶圆生产9

1.2.5 电路设计9

1.2.6 光刻版的制造11

1.2.7 晶圆制造13

1.3 小结14

1.4 参考文献14

1.5 习题14

第2章 集成电路工艺介绍15

2.1 集成电路工艺简介15

2.2 集成电路的成品率16

2.2.1 成品率的定义16

2.2.2 成品率和利润16

2.2.3 缺陷和成品率18

2.3 无尘室技术18

2.3.1 无尘室19

2.3.2 污染物控制和成品率19

2.3.3 无尘室的基本结构21

2.3.4 无尘室的无尘衣穿着程序22

2.3.5 无尘室协议规范23

2.4 集成电路工艺间基本结构24

2.4.1 晶圆的制造区24

2.4.2 设备区30

2.4.3 辅助区30

2.5 集成电路测试与封装31

2.5.1 晶粒测试31

2.5.2 芯片的封装32

2.5.3 最终的测试35

2.5.4 3D封装技术35

2.6 集成电路未来发展趋势37

2.7 小结37

2.8 参考文献38

2.9 习题38

第3章 半导体基础39

3.1 半导体基本概念39

3.1.1 能带间隙40

3.1.2 晶体结构41

3.1.3 掺杂半导体41

3.1.4 掺杂物浓度和电导率42

3.1.5 半导体材料概要42

3.2 半导体基本元器件43

3.2.1 电阻43

3.2.2 电容44

3.2.3 二极管46

3.2.4 双载流子晶体管47

3.2.5 MOSFET48

3.3 集成电路芯片50

3.3.1 存储器50

3.3.2 微处理器53

3.3.3 专用集成电路（ASIC）53

3.4 集成电路基本工艺53

3.4.1 双载流子晶体管制造过程54

3.4.2 P型MOS工艺（20世纪60年代技术）55

3.4.3 N型MOS工艺（20世纪70年代技术）57

3.5 互补型金属氧化物晶体管59

3.5.1 CMOS电路59

3.5.2 CMOS工艺（20世纪80年代技术）59

3.5.3 CMOS工艺（20世纪90年代技术）61

3.6 2000年后半导体工艺发展趋势62

3.7 小结64

3.8 参考文献64

3.9 习题65

第4章 晶圆制造66

4.1 简介66

4.2 为什么使用硅材料67

4.3 晶体结构与缺陷68

4.3.1 晶体的晶向68

4.3.2 晶体的缺陷69

4.4 晶圆生产技术70

4.4.1 天然的硅材料70

4.4.2 硅材料的提纯70

4.4.3 晶体的提拉工艺71

4.4.4 晶圆的形成73

4.4.5 晶圆的完成74

4.5 外延硅生长技术75

4.5.1 气相外延76

4.5.2 外延层的生长过程77

4.5.3 硅外延生长的硬件设备78

4.5.4 外延生长工艺79

4.5.5 外延工艺的发展趋势80

4.5.6 选择性外延80

4.6 衬底工程81

4.6.1 绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）81

4.6.2 混合晶向技术（HOT）82

4.6.3 应变硅83

4.6.4 绝缘体上应变硅（Strained Silicon on Insulator,SSOI）84

4.6.5 IC技术中的应变硅84

4.7 小结85

4.8 参考文献85

4.9 习题86

第5章 加热工艺87

5.1 简介87

5.2 加热工艺的硬件设备88

5.2.1 简介88

5.2.2 控制系统88

5.2.3 气体输送系统89

5.2.4 装载系统89

5.2.5 排放系统89

5.2.6 炉管90

5.3 氧化工艺90

5.3.1 氧化工艺的应用92

5.3.2 氧化前的清洗工艺94

5.3.3 氧化生长速率95

5.3.4 干氧氧化工艺97

5.3.5 湿氧氧化工艺99

5.3.6 高压氧化工艺101

5.3.7 氧化层测量技术101

5.3.8 氧化工艺的发展趋势104

5.4 扩散工艺104

5.4.1 沉积和驱入过程106

5.4.2 掺杂工艺中的测量107

5.5 退火过程108

5.5.1 离子注入后退火108

5.5.2 合金化热处理108

5.5.3 再流动过程110

5.6 高温化学气相沉积110

5.6.1 外延硅沉积110

5.6.2 选择性外延工艺111

5.6.3 多晶硅沉积111

5.6.4 氮化硅沉积114

5.7 快速加热工艺（RTP）系统116

5.7.1 快速加热退火（RTA）系统117

5.7.2 快速加热氧化（RTO）119

5.7.3 快速加热CVD120

5.8 加热工艺发展趋势121

5.9 小结122

5.1 0参考文献123

5.1 1习题123

第6章 光刻工艺125

6.1 简介125

6.2 光刻胶126

6.3 光刻工艺129

6.3.1 晶圆清洗129

6.3.2 预处理过程131

6.3.3 光刻胶涂敷132

6.3.4 软烘烤134

6.3.5 对准与曝光135

6.3.6 曝光后烘烤140

6.3.7 显影工艺141

6.3.8 硬烘烤工艺143

6.3.9 图形检测143

6.3.1 0晶圆轨道-步进机配套系统147

6.4 光刻技术的发展趋势147

6.4.1 分辨率与景深（DOF）147

6.4.2 I线和深紫外线149

6.4.3 分辨率增强技术150

6.4.4 浸入式光刻技术154

6.4.5 双重、三重和多重图形化技术154

6.4.6 极紫外线（EUV）光刻技术157

6.4.7 纳米压印159

6.4.8 X光光刻技术159

6.4.9 电子束光刻系统160

6.4.10 离子束光刻系统161

6.5 安全性161

6.6 小结162

6.7 参考文献163

6.8 习题164

第7章 等离子体工艺165

7.1 简介165

7.2 等离子体基本概念165

7.2.1 等离子体的成分165

7.2.2 等离子体的产生166

7.3 等离子体中的碰撞167

7.3.1 离子化碰撞167

7.3.2 激发-松弛碰撞167

7.3.3 分解碰撞168

7.3.4 其他碰撞169

7.4 等离子体参数170

7.4.1 平均自由程170

7.4.2 热速度171

7.4.3 磁场中的带电粒子172

7.4.4 玻尔兹曼分布173

7.5 离子轰击173

7.6 直流偏压174

7.7 等离子体工艺优点177

7.7.1 CVD工艺中的等离子体177

7.7.2 等离子体刻蚀179

7.7.3 溅镀沉积179

7.8 等离子体增强化学气相沉积及等离子体刻蚀反应器179

7.8.1 工艺的差异性179

7.8.2 CVD反应室设计180

7.8.3 刻蚀反应室的设计180

7.9 遥控等离子体工艺181

7.9.1 去光刻胶181

7.9.2 遥控等离子体刻蚀182

7.9.3 遥控等离子体清洁182

7.9.4 遥控等离子体CVD（RPCVD）183

7.10 高密度等离子体工艺183

7.10.1 感应耦合型等离子体（ICP）183

7.10.2 电子回旋共振184

7.11 小结185

7.12 参考文献185

7.13 习题185

第8章 离子注入工艺186

8.1 简介186

8.1.1 离子注入技术发展史186

8.1.2 离子注入技术的优点188

8.1.3 离子注入技术的应用189

8.2 离子注入技术简介192

8.2.1 阻滞机制192

8.2.2 离子射程192

8.2.3 通道效应193

8.2.4 损伤与热退火195

8.3 离子注入技术硬件设备197

8.3.1 气体系统197

8.3.2 电机系统198

8.3.3 真空系统198

8.3.4 控制系统198

8.3.5 射线系统198

8.4 离子注入工艺过程203

8.4.1 离子注入在元器件中的应用204

8.4.2 离子注入技术的其他应用207

8.4.3 离子注入的基本问题209

8.4.4 离子注入工艺评估211

8.5 安全性213

8.5.1 化学危险源213

8.5.2 电机危险源214

8.5.3 辐射危险源214

8.5.4 机械危险源214

8.6 离子注入技术发展趋势215

8.7 小结215

8.8 参考文献216

8.9 习题217

第9章 刻蚀工艺218

9.1 刻蚀工艺简介218

9.2 刻蚀工艺基础220

9.2.1 刻蚀速率220

9.2.2 刻蚀的均匀性220

9.2.3 刻蚀选择性221

9.2.4 刻蚀轮廓221

9.2.5 负载效应222

9.2.6 过刻蚀效应222

9.2.7 刻蚀残余物223

9.3 湿法刻蚀工艺224

9.3.1 简介224

9.3.2 氧化物湿法刻蚀225

9.3.3 硅刻蚀225

9.3.4 氮化物刻蚀226

9.3.5 金属刻蚀227

9.4 等离子体（干法）刻蚀工艺227

9.4.1 等离子体刻蚀简介227

9.4.2 等离子体刻蚀基本概念228

9.4.3 纯化学刻蚀、纯物理刻蚀及反应式离子刻蚀228

9.4.4 刻蚀工艺原理230

9.4.5 等离子体刻蚀反应室231

9.4.6 刻蚀终点234

9.5 等离子体刻蚀工艺235

9.5.1 电介质刻蚀235

9.5.2 单晶硅刻蚀240

9.5.3 多晶硅刻蚀244

9.5.4 金属刻蚀247

9.5.5 去光刻胶248

9.5.6 干法化学刻蚀248

9.5.7 整面干法刻蚀249

9.5.8 等离子体刻蚀的安全性249

9.6 刻蚀工艺发展趋势250

9.7 刻蚀工艺未来发展趋势251

9.8 小结252

9.9 参考文献252

9.1 0习题253

第10章 化学气相沉积与电介质薄膜254

10.1 简介254

10.2 化学气相沉积256

10.2.1 CVD技术说明256

10.2.2 CVD反应器的类型258

10.2.3 CVD基本原理259

10.2.4 表面吸附263

10.2.5 CVD动力学266

10.3 电介质薄膜的应用268

10.3.1 浅沟槽绝缘（ST1）268

10.3.2 侧壁间隔层269

10.3.3 ILD0269

10.3.4 ILD1271

10.3.5 钝化保护电介质层（PD）273

10.4 电介质薄膜特性273

10.4.1 折射率273

10.4.2 薄膜厚度275

10.4.3 薄膜应力279

10.5 电介质CVD工艺281

10.5.1 硅烷加热CVD工艺281

10.5.2 加热TEOS CVD工艺281

10.5.3 PECVD硅烷工艺281

10.5.4 PECVD TEOS工艺284

10.5.5 电介质回刻蚀工艺285

10.5.6 O3-TEOS工艺287

10.6 旋涂硅玻璃290

10.7 高密度等离子体CVD（HDP-CVD）290

10.8 电介质CVD反应室清洁292

10.8.1 RF等离子体清洁292

10.8.2 遥控等离子体清洁294

10.9 工艺发展趋势与故障排除295

10.9.1 硅烷PECVD工艺的发展趋势295

10.9.2 PE-TEOS发展趋势296

10.9.3 O3-TEOS发展趋势297

10.9.4 故障解决方法298

10.10 化学气相沉积工艺发展趋势299

10.10.1 低k电介质300

10.10.2 空气间隙300

10.10.3 原子层沉积（ALD）301

10.10.4 高k电介质材料302

10.11 小结304

10.12 参考文献305

10.13 习题306

第11章 金属化工艺307

11.1 简介307

11.2 导电薄膜309

11.2.1 多晶硅309

11.2.2 硅化物309

11.2.3 铝310

11.2.4 钛311

11.2.5 氮化钛312

11.2.6 钨314

11.2.7 铜315

11.2.8 钽316

11.2.9 钴317

11.2.1 0镍317

11.3 金属薄膜特性318

11.3.1 金属薄膜厚度318

11.3.2 薄膜厚度的均匀性321

11.3.3 应力321

11.3.4 反射系数322

11.3.5 薄片电阻322

11.4 金属化学气相沉积324

11.4.1 简介324

11.4.2 钨CVD325

11.4.3 硅化钨CVD327

11.4.4 钛CVD328

11.4.5 氮化钛CVD328

11.4.6 铝CVD329

11.5 物理气相沉积330

11.5.1 简介330

11.5.2 蒸发工艺330

11.5.3 溅镀331

11.5.4 金属化工艺过程334

11.6 铜金属化工艺338

11.6.1 预清洗338

11.6.2 阻挡层339

11.6.3 铜籽晶层339

11.6.4 铜化学电镀法（ECP）340

11.6.5 铜CVD工艺341

11.7 安全性342

11.8 小结342

11.9 参考文献343

11.1 0习题343

第12章 化学机械研磨工艺345

12.1 简介345

12.1.1 CMP技术的发展345

12.1.2 平坦化定义347

12.1.3 其他平坦化技术347

12.1.4 CMP技术的必要性350

12.1.5 CMP技术优点351

12.1.6 CMP技术应用352

12.2 CMP硬件设备354

12.2.1 简介354

12.2.2 研磨衬垫354

12.2.3 研磨头355

12.2.4 垫片调整器356

12.3 CMP研磨浆356

12.3.1 氧化物研磨浆356

12.3.2 金属研磨用研磨浆358

12.3.3 钨研磨浆358

12.3.4 铝与铜研磨浆359

12.4 CMP基本理论359

12.4.1 移除速率359

12.4.2 均匀性360

12.4.3 选择性360

12.4.4 缺陷361

12.5 CMP工艺过程364

12.5.1 氧化物CMP过程364

12.5.2 钨CMP过程365

12.5.3 铜CMP过程366

12.5.4 CMP终端监测367

12.5.5 CMP后清洗工艺368

12.5.6 CMP工艺问题369

12.6 CMP工艺发展趋势370

12.7 小结371

12.8 参考文献372

12.9 习题373

第13章 半导体工艺整合374

13.1 简介374

13.2 晶圆准备375

13.3 隔离技术376

13.3.1 整面全区覆盖氧化层376

13.3.2 LOCOS376

13.3.3 STI378

13.3.4 自对准STI380

13.4 阱区形成381

13.4.1 单阱381

13.4.2 自对准双阱381

13.4.3 双阱382

13.5 晶体管制造383

13.5.1 金属栅工艺383

13.5.2 自对准栅工艺383

13.5.3 低掺杂漏极（LDD）384

13.5.4 阈值电压调整工艺385

13.5.5 抗穿通工艺385

13.6 金属高k栅MOS386

13.6.1 先栅工艺386

13.6.2 后栅工艺387

13.6.3 混合型HKMG389

13.7 互连技术389

13.7.1 局部互连390

13.7.2 早期的互连技术391

13.7.3 铝合金多层互连392

13.7.4 铜互连393

13.7.5 铜和低k电介质395

13.8 钝化397

13.9 小结398

13.1 0参考文献398

13.1 1习题398

第14章 IC工艺技术399

14.1 简介399

14.2 20世纪80年代CMOS工艺流程399

14.3 20世纪90年代CMOS工艺流程402

14.3.1 晶圆制备402

14.3.2 浅槽隔离402

14.3.3 阱区形成403

14.3.4 晶体管形成404

14.3.5 局部互连407

14.3.6 钝化和连接垫区412

14.3.7 评论413

14.4 2000～2010年CMOS工艺流程414

14.5 20世纪10年代CMOS工艺流程429

14.6 内存芯片制造工艺439

14.6.1 DRAM工艺流程439

14.6.2 堆叠式DRAM工艺流程440

14.6.3 NAND闪存工艺445

14.7 小结452

14.8 参考文献453

14.9 习题454

第15章 半导体工艺发展趋势和总结455

15.1 参考文献459