圖說集成電路製造工藝（簡體書）

本書內容圍繞集成電路製造環節展開，將各個工序流程的關鍵工藝技術囊括其中，通過細致有趣的解讀，使讀者輕鬆了解集成電路是怎麼來的。本書主要具有如下特色： 1.內容豐富全面，基本覆蓋了集成電路製造環節的所有工藝，尤其是光刻、刻蝕等核心工藝，完整勾勒了集成電路從晶圓到芯片的過程。 2.解讀輕鬆有趣，由於集成電路涉及許多專業性較強的知識，因此書中盡可能通過類比的方式進行講解，將複雜的技術用生活中常見的事物來作對比，降低學習難度。 3.彩色圖解，本書採用彩色印刷，各工藝環節均配備大量彩色圖片展示，效果精美細膩，同時能夠幫助激發讀者閱讀興趣，讓讀者更容易理解。

集成電路是國家的支柱性產業，是信息社會運轉的基礎，也是引領新一輪科技革命和產業變革的關鍵因素。現代經濟發展數據表明：1～2元集成電路的產值將帶動10元左右電子產品產值和100元國民經濟的增長，國民經濟總產值增長部分的65%與微電子產業有關。
近年來我國先後推出一系列政策，支持集成電路產業發展，讓半導體產業迎來了加速成長的新階段。我們國家也十分重視人才培養，已將“集成電路科學與工程”設置為一級學科。清華大學、北京大學、華中科技大學等相繼成立集成電路學院，江蘇還專門成立了南京集成電路大學。
集成電路專業正變得熱門，學習集成電路專業的學生不斷增加。如何為對集成電路製造感興趣或初次接觸集成電路行業的人員提供一本通俗易懂的入門讀物是編著者一直思考的問題。本書根據編著者多年教學經驗編撰而成，在編寫過程中以“面向讀者友好”為基本原則，內容具有如下六個特點：
第一，採用通俗易懂的語言深入淺出地講解集成電路工藝，用日常生活中的例子打比方來討論集成電路工藝。
第二，配以大量彩圖和三維圖形進行說明，以便讀者理解、加深印象，並對集成電路的制備產生興趣。
第三，別出心裁地將集成電路工藝歸納為“加”（給硅晶圓“加”東西）、“減”（從硅晶圓上“減”去物質）、“乘”（“乘”了熱後能量增加）、“除”（主要指光刻，掩膜版的圖案尺寸“除”以4得到光刻膠上的圖案）四部分，便於讀者迅速理解並掌握集成電路相關工藝。
第四，既講解了傳統微電子芯片制備中的基本工藝原理，也增加了先進納米集成電路工藝相關的討論，如應變硅技術、絕緣體上硅技術、鰭式晶體管、超低k（介電常數）材料、毫秒級退火、多重曝光技術、極紫外曝光技術、納米壓印技術等。
第五，在注重基礎理論知識的同時，也加強了工藝實踐操作相關的介紹，如工藝實施之後質量如何？有可能出現哪些問題？如何解決這些問題？同時，也加強了工藝安全方面的講解。
第六，本書滿足課程思政的需求，在講述集成電路工藝的過程中融入了一些積極向上的價值觀，通過中國集成電路產業歷史發展和當前面臨的“卡脖子”困境，鼓勵讀者樹立民族自信，為中華振興而努力學習。
全書共分為6篇21章。第1篇　集成電路制備前的準備工作，主要講述微電子行業的歷史、現狀與特點；電子產業的基石——硅，包括硅材料的“脾性”及由硅材料構成的基本半導體器件；芯片製造順利進行所必需的支撐條件，如凈化間、化學試劑、氣體、半導體設備、掩膜版等；集成電路工藝概述，重點給出了典型CMOS的制備流程。第2篇　集成電路工藝中的“加法”，講述氧化、化學氣相澱積、物理法沉積薄膜、擴散、離子注入這五種需要向基底“加料”的工藝，其中前三種都是制備薄膜的方法，後兩種是摻雜的手段。第3篇　集成電路工藝中的“減法”，講述硅片清洗工藝、用來轉移圖案結構的刻蝕工藝及化學機械拋光工藝。第4篇　集成電路工藝中的“乘法”，講述和加熱退火相關的工藝，包括離子注入之後的退火工藝，用於局部平坦化表面的回流工藝，通過退火制備硅合金的工藝。第5篇　集成電路工藝中的“除法”，主要講述各種光刻工藝，包括深紫外（DUV）光刻，極紫外（EUV）光刻，下一代光刻技術—納米壓印技術，以及電子束光刻、離子束光刻、X射線光刻、定向自組裝等其他光刻技術。第6篇　未來的集成電路工藝，從宏觀角度描繪了未來集成電路工藝的發展趨勢，並探討了我國目前面臨的“卡脖子”問題及發展現狀與應對之策。
值得注意的是，由於器件、材料、工藝之間互相關聯以及集成電路各項工藝之間聯繫緊密，因此讀者在使用本書時，可以按照自己的需要或興趣靈活安排學習順序。例如在學習第4章的CMOS流程時對某一項工藝感興趣或感到困惑，完全可以跳到對應章節先行學習。
本書在編寫時參考了大量文獻，尤其是張汝京、蕭宏等行業大咖的經典著作，在此對他們及所有參考文獻作者表示深深的感謝！本書的出版離不開化學工業出版社各位編輯的辛勤工作，對此表示由衷的感謝！感謝俞聖鑫、包婷婷為本書繪製了大量插圖！感謝家人全力支持我的寫作！
希望本書的出版能夠為廣大集成電路專業學生、愛好者和從業人員普及集成電路工藝相關知識，為我國的集成電路產業發展貢獻綿薄之力。
鑒於編著者水平有限，書中如有不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。

編著者

第1篇 集成電路制備前的準備工作
第1章　點石成金的神奇行業 2
1.1　有趣的半導體產業歷史 2
1.1.1　電子管時代 3
1.1.2　晶體管時代 4
1.1.3　集成電路時代 5
1.2　半導體行業現狀 11
1.2.1　半導體行業概況 11
1.2.2　半導體設計業現狀 14
1.2.3　半導體製造業現狀 15
1.2.4　半導體封測行業現狀 18
1.2.5　中國大陸半導體產業現狀 20
1.3　芯片是怎樣煉成的？ 24

第2章　電子產業的基石——硅 27
2.1　煉丹爐裡生長硅 27
2.2　硅的“脾性” 31
2.3　半導體器件的基礎——PN結 34
2.4　雙極型晶體管 37
2.5　MOS管 40
2.6　應力工程-應變硅 43
2.7　鰭式場效應晶體管 46

第3章　芯片製造的戰略支援部隊 47
3.1　比手術室還乾淨的地方——凈化間 47
3.1.1　良率——半導體製造的生命線 47
3.1.2　沾污的類型與來源 48
3.1.3　凈化間的結構 51
3.2　半導體製造中的化學品 52
3.2.1　化學溶液 52
3.2.2　氣體 54
3.3　半導體設備 55
3.4　半導體測量 56
3.5　集成電路設計與製造的橋梁——掩膜版 60

第4章　集成電路工藝概述 62
4.1　Fab的分區 62
4.2　典型CMOS工藝流程 63
4.3　集成電路工藝裡的“加”“減”“乘”“除” 75


第2篇 集成電路工藝中的“加法”
第5章　氧化 78
5.1　二氧化硅的結構與性質 78
5.1.1　二氧化硅的結構 78
5.1.2　二氧化硅的物理性質 79
5.1.3　二氧化硅的化學性質 80
5.2　氧化工藝 81
5.2.1　氧化生長機制 81
5.2.2　幹氧氧化 82
5.2.3　水汽氧化 84
5.2.4　濕氧氧化 86
5.2.5　影響氧化速率的因素 86
5.3　二氧化硅的應用 87
5.3.1　器件保護與表面鈍化 87
5.3.2　器件隔離 87
5.3.3　柵氧電介質 89
5.3.4　摻雜阻擋 89
5.3.5　金屬層間介質層 90
5.3.6　氧化硅的其他應用 90
5.3.7　氧化硅的應用總結 91
5.4　氧化設備 92
5.4.1　臥式爐 92
5.4.2　立式爐 93
5.4.3　快速熱處理（RTP）設備 94
5.5　氧化質量檢查及故障排除 96
5.5.1　氧化質量檢查 96
5.5.2　氧化故障排除 98

第6章　化學氣相澱積 99
6.1　薄膜澱積概述 99
6.2　化學氣相澱積工藝 102
6.2.1　CVD工藝概述 102
6.2.2　CVD澱積系統 104
6.2.3　APCVD 105
6.2.4　LPCVD 107
6.2.5　PECVD 110
6.2.6　HDPCVD 111
6.2.7　CVD過程中的摻雜 112
6.3　介質及其性能 113
6.3.1　介電常數k 113
6.3.2　低k材料 114
6.3.3　超低k材料 115
6.3.4　高k材料 116
6.4　外延 118
6.4.1　外延概述 118
6.4.2　氣相外延 （VPE） 119
6.4.3　分子束外延（MBE） 120
6.4.4　金屬有機CVD（MOCVD） 120
6.5　CVD薄膜質量影響因素及故障排除 121
6.5.1　CVD薄膜質量影響因素 121
6.5.2　CVD故障檢查及排除 121
6.5.3　顆粒清除 122

第7章　物理法沉積薄膜 124
7.1　集成電路工藝中的金屬 124
7.1.1　鋁 125
7.1.2　鋁銅合金 126
7.1.3　銅 127
7.1.4　硅化物 128
7.1.5　金屬填充塞 129
7.1.6　阻擋層金屬 129
7.2　金屬澱積工藝 130
7.2.1　蒸發 130
7.2.2　濺射 131
7.2.3　金屬CVD 134
7.2.4　銅電鍍 134
7.3　旋塗 135
7.4　鋁互連工藝流程 135
7.5　銅互連工藝流程 136
7.5.1　單大馬士革工藝 136
7.5.2　雙大馬士革工藝 138
7.6　金屬薄膜的質量檢查及故障排除 138

第8章　擴散 139
8.1　擴散原理 139
8.2　擴散工藝步驟 142
8.3　擴散應用 145

第9章　離子注入 146
9.1　離子注入工藝 146
9.2　離子注入機 148
9.3　離子注入中的溝道效應 149
9.4　離子注入的應用 150
9.5　離子注入後的質量測量 152
9.6　離子注入中的安全問題 154


第3篇 集成電路工藝中的“減法”
第10章　清洗硅片 156
10.1　清洗目的 156
10.2　清洗硅片的標準流程 157
10.3　幹法清洗工藝 158
10.4　硅片清洗設備 159

第11章　刻蝕 160
11.1　刻蝕概述 160
11.1.1　刻蝕原理 160
11.1.2　刻蝕分類 160
11.1.3　刻蝕參數 162
11.2　濕法刻蝕 164
11.3　幹法刻蝕 165
11.3.1　幹法刻蝕概述 165
11.3.2　二氧化硅的幹法刻蝕 167
11.3.3　多晶硅的幹法刻蝕 167
11.3.4　氮化硅的幹法刻蝕 169
11.3.5　金屬的幹法刻蝕 169
11.3.6　光刻膠的幹法刻蝕 171
11.3.7　幹法刻蝕終點檢測 171
11.4　刻蝕質量檢查 172

第12章　化學機械拋光 173
12.1　平坦化概述 173
12.2　傳統平坦化工藝 174
12.3　化學機械拋光 175
12.3.1　CMP機理 175
12.3.2　CMP優缺點 177
12.3.3　CMP主要參數 177
12.3.4　CMP設備組成 178
12.3.5　CMP終點檢測 179
12.3.6　CMP後清洗 180
12.4　CMP應用 181


第4篇 集成電路工藝中的“乘法”
第13章　離子注入退火 184
13.1　摻雜離子注入之後的退火 184
13.2　離子注入制備SOI時的退火 186
13.3　制備高k介質時的退火 188
13.4　退火方式 188

第14章　回流 191
14.1　PSG回流 191
14.2　BPSG回流 192

第15章　制備合金 195
15.1　制備多晶硅金屬硅化物（polycide） 195
15.2　制備自對準金屬硅化物（salicide） 196
15.2.1　制備Ti硅化物 197
15.2.2　制備Co硅化物 198
15.2.3　制備NiPt硅化物 199
15.3　自對準硅化物阻擋層（SAB）技術 199


第5篇 集成電路工藝中的“除法”
第16章　深紫外（DUV）光刻 202
16.1　光刻概述 202
16.1.1　光刻原理 202
16.1.2　光刻參數 204
16.1.3　光刻成本 204
16.2　光刻工藝流程 205
16.3　氣相成底膜處理 209
16.4　旋塗光刻膠 210
16.4.1　光刻膠的組成 210
16.4.2　光刻膠的特性 211
16.4.3　對光刻膠的要求 212
16.4.4　光刻膠的塗敷 212
16.5　軟烘 213
16.6　對準曝光 214
16.6.1　光刻光源 214
16.6.2　曝光關鍵參數 216
16.6.3　相移掩膜技術 218
16.6.4　光學臨近修正 219
16.6.5　浸沒式光刻技術 220
16.7　曝光後烘焙 220
16.8　顯影 222
16.9　堅膜烘焙 223
16.10　圖案檢查 224
16.11　光刻設備 224
16.11.1　接觸式光刻機 225
16.11.2　接近式光刻機 225
16.11.3　掃描投影光刻機 226
16.11.4　分步重復光刻機 226
16.11.5　步進掃描光刻機 227
16.12　硬掩膜技術 228
16.13　雙重圖案曝光與多重圖案曝光技術 229
16.14　光刻質量檢查 230
16.14.1　光刻膠質量檢查 230
16.14.2　對準和曝光質量檢查 231
16.14.3　顯影質量檢查 232
16.15　光刻安全 234

第17章　極紫外（EUV）光刻 235
17.1　EUV光刻原理 235
17.2　EUV光刻優點 236
17.3　EUV光刻面臨的挑戰 237
17.4　EUV光刻設備 239
17.5　EUV光刻技術展望 241

第18章　納米壓印——下一代光刻技術 243
18.1　納米壓印技術的原理 243
18.2　納米壓印技術的發展 245
18.3　納米壓印技術的應用 249
18.4　納米壓印設備 250

第19章　其他光刻技術 252
19.1　電子束光刻技術 252
19.2　離子束光刻技術 253
19.3　X射線光刻技術 254
19.4　定向自組裝技術 255


第6篇 未來的集成電路工藝
第20章　集成電路工藝發展趨勢 258
20.1　未來集成電路的應用領域 258
20.2　未來的集成電路工藝發展趨勢 258

第21章　集成電路產業中的“卡脖子”問題 264
21.1　集成電路製造領域 264
21.2　集成電路設計領域 265


附錄 267

參考文獻 272