圖解芯片技術（簡體書）

針對入門者、應用者及研究開發者的多方面的需求，《圖解芯片技術》在彙集大量資料的前提下，採用圖文並茂的形式，全面且簡明扼要地介紹芯片工作原理，集成電路材料，製作工藝，芯片的新進展、新應用及發展前景等。採用每章之下“節節清”的論述方式，左文右圖，圖文對照，並給出“本節重點”。力求做到深入淺出，通俗易懂；層次分明，思路清晰；內容豐富，重點突出；選材新穎，強調應用。
本書可供微電子、材料、物理、精密儀器等學科本科生及相關領域的工程技術人員參考。

田民波，清華大學，材料學院，教授，博士生導師，長期從事材料學的教學預可研工作，在電子材料、封裝技術、磁性材料、粉體材料等領域取得了原創性成就。已經和現承擔的課題有：(1)國 家級科學基金重大項目“高密度封裝的應用基礎研究”，(2)國際合作項目“零收縮率LTCC研究”，(3)“十五”軍工預研項目“新型疊層LCCC-3D MCM封裝技術研究”，(4)“863”項目“銀摻合型聚合物導體材料的研究和開發”，(5)“985”面上項目“低溫共燒陶瓷多層基板及高密度封裝研究等

第1章 集成電路簡介
1.1 概述2
1.1.1 從分立元件到集成電路2
1.1.2 由矽圓片到芯片再到封裝4
1.1.3 三極管的功能――可以比作通過水閘的水路6
1.1.4 n溝道MOS（nMOS）三極管的工作原理 8
1.1.5 截止狀態下MOS器件中的洩漏電流10
1.2 半導體矽材料――集成電路的核心與基礎12
1.2.1 MOS型與雙極結型晶體管的比較12
1.2.2 CMOS構造的斷面模式圖（p型矽基板）14
1.2.3 快閃存儲器單元三極管“寫入”“擦除”“讀取”的工作原理16
1.3 集成電路元件的分類18
1.3.1 IC的功能及類型18
1.3.2 RAM和ROM20
1.3.3 半導體器件的分類方法22
1.4 半導體器件的製作工藝流程24
1.4.1 前道工藝和後道工藝24
1.4.2 IC芯片製造工藝流程簡介26
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集成電路發展史上的十大里程碑事件28

第2章 從矽石到晶圓
2.1 半導體矽材料36
2.1.1 矽是目前最重要的半導體材料36
2.1.2 單晶矽中的晶體缺陷38
2.1.3 pn結中雜質的能級40
2.1.4 按電阻對絕緣體、半導體、導體的分類42
2.2 從矽石到金屬矽，再到99.999999999%的高純矽44
2.2.1 從晶石原料到半導體元器件的制程44
2.2.2 從矽石還原為金屬矽46
2.2.3 多晶矽的析出和生長48
2.3 從多晶矽到單晶矽棒50
2.3.1 改良西門子法生產多晶矽 50
2.3.2 直拉法（Czochralski，CZ法）拉制單晶矽52
2.3.3 區熔法制作單晶矽54
2.3.4 直拉法中位錯產生的原因及消除措施56
2.4 從單晶矽到晶圓58
2.4.1 晶圓尺寸不斷擴大 58
2.4.2 先要進行取向標誌的加工60
2.4.3 將矽坯切割成一片一片的矽圓片62
2.4.4 矽圓片有各種不同的類型64
2.5 拋光片、退火片、外延片、SOI片66
2.5.1 拋光片和退火片66
2.5.2 外延片68
2.5.3 SOI片70
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“矽是上帝賜予人類的寶物”72

第3章 集成電路製作工藝流程
3.1 集成電路邏輯LSI元件的結構74
3.1.1 雙極結型器件的結構74
3.1.2 矽柵MOS器件的結構76
3.1.3 矽柵CMOS器件的結構78
3.1.4 BiCMOS器件和SOI器件的結構80
3.2 LSI的製作工藝流程82
3.2.1 利用光刻形成接觸孔和佈線層的實例82
3.2.2 曝光，顯影84
3.2.3 光刻工程發展梗概86
3.2.4 “負型”和“正型”光刻膠感光反應原理88
3.2.5 光刻工藝流程90
3.2.6 矽圓片清洗、氧化、絕緣膜生長――光刻92
3.2.7 絕緣膜區域刻蝕――柵氧化膜的形成94
3.2.8 柵電極多晶矽生長――向n溝道源-漏的離子注入96
3.2.9 向p溝道的光刻、硼離子注入――歐姆接觸埋置98
3.2.10 第1層金屬膜生長――電極焊盤形成100
3.2.11 銅佈線的大馬士革工藝 102
3.2.12 如何發展我們的IC芯片製造產業104
3.3 IC芯片製造工藝的分類和組合106
3.3.1 IC芯片製造中的基本工藝 106
3.3.2 IC芯片製造中的複合工藝108
3.3.3 工藝過程的模塊化110
3.3.4 基板工藝和佈線工藝112
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世界集成電路產業發展的領軍人物114

第4章 薄膜沉積和圖形加工
4.1 DRAM元件和LSI元件中使用的各種薄膜120
4.1.1 元件結構及使用的各種薄膜120
4.1.2 DRAM中電容結構的變遷122
4.1.3 DRAM中的三維結構存儲單元124
4.1.4 薄膜材料在集成電路中的應用126
4.2 IC製作用的薄膜及薄膜沉積（1）――PVD法128
4.2.1 VLSI製作中應用不同種類的薄膜128
4.2.2 多晶矽薄膜在集成電路中的應用130
4.2.3 IC制程中常用的金屬132
4.2.4 真空蒸鍍134
4.2.5 離子濺射和濺射鍍膜136
4.3 IC製作用的薄膜及薄膜沉積（2）――CVD法138
4.3.1 用於VLSI製作的CVD法分類138
4.3.2 CVD中主要的反應裝置140
4.3.3 等離子體CVD（PCVD）過程中傳輸、 反應和成膜的過程142
4.3.4 晶圓流程中的各種處理室方式144
4.4 IC製作用的薄膜及薄膜沉積（3）――各種方法的比較146
4.4.1 各種成膜方法的比較146
4.4.2 熱氧化膜的形成方法148
4.4.3 熱氧化膜的形成過程150
4.4.4 用於VLSI的薄膜種類和製作方法 152
4.4.5 用於VLSI製作的CVD法154
4.5 佈線缺陷的改進和消除――Cu佈線代替Al佈線156
4.5.1 影響電子元器件壽命的大敵――電遷移156
4.5.2 斷線和電路缺陷的形成原因以及預防、修補措施158
4.5.3 Cu佈線代替Al佈線的理由160
4.5.4 用電鍍法即可製作Cu佈線162
4.5.5 鋁用於IC芯片的優缺點 164
4.6 曝光光源不斷向短波長進展166
4.6.1 如何由薄膜加工成圖形166
4.6.2 幾種常用的光曝光方法168
4.6.3 光刻對周邊技術的要求170
4.6.4 曝光波長的變遷及相關的技術保證172
4.6.5 光刻系統的發展及展望174
4.7 光學曝光技術176
4.7.1 圖形曝光裝置的分類及變遷176
4.7.2 光曝光方式178
4.7.3 近接曝光和縮小投影曝光180
4.7.4 曝光中的各種位相補償措施182
4.8 電子束曝光和離子束曝光技術184
4.8.1 電子束曝光技術184
4.8.2 低能電子束近接曝光（LEEPL）技術186
4.8.3 軟X射線縮小投影(EUV)曝光技術188
4.8.4 離子束曝光技術190
4.9 幹法刻蝕替代濕法刻蝕192
4.9.1 刻蝕技術在VLSI製作中的應用192
4.9.2 幹法刻蝕與濕法刻蝕的比較194
4.9.3 幹法刻蝕裝置的種類及刻蝕特徵196
4.9.4 幹法刻蝕（RIE模式）反應中所發生的現象198
4.9.5 高密度等離子體刻蝕裝置200
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世界芯片產業的十大領頭企業202

第5章 雜質摻雜――熱擴散和離子注入
5.1 集成電路製造中的熱處理工藝208
5.1.1 IC芯片制程中的熱處理工藝（Hot Process）208
5.1.2 熱氧化膜的形成技術210
5.1.3 至關重要的柵絕緣膜212
5.2 用於雜質摻雜的熱擴散工藝214
5.2.1 LSI製作中雜質導入的目的214
5.2.2 雜質摻雜中離子注入法與熱擴散法的比較216
5.2.3 求解熱擴散雜質的濃度分佈218
5.2.4 熱處理的目的――推進，平坦化，電氣活性化220
5.2.5 矽中雜質元素的行為222
5.3 精准的雜質摻雜技術（1）――離子注入的原理224
5.3.1 離子注入原理224
5.3.2 離子注入裝置226
5.3.3 低能離子注入和高速退火228
5.3.4 離子注入的濃度分佈230
5.4 精准的雜質摻雜技術（2）――離子注入的應用232
5.4.1 標準的MOS三極管中離子注入的部位232
5.4.2 基本的阱構造及倒梯度阱構造234
5.4.3 單阱形成236
5.4.4 雙阱形成238
5.4.5 離子注入在CMOS中的應用240
5.4.6 離子注入用於淺結形成242
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“核心技術是國之重器”244

第6章 摩爾定律能否繼續有效
6.1 多層化佈線已進入第4代246
6.1.1 多層化佈線――適應微細化和高集成度的要求246
6.1.2 第1代和第2代多層化佈線技術――逐層沉積和玻璃流平248
6.1.3 第3代多層化佈線技術――導入CMP250
6.1.4 第4代多層化佈線技術――導入大馬士革工藝252
6.2 銅佈線的單大馬士革和雙大馬士革工藝254
6.2.1 Cu大馬士革佈線逐漸代替Al佈線254
6.2.2 大馬士革工藝即中國的景泰藍金屬鑲嵌工藝256
6.2.3 從Al佈線+W柱塞到Cu雙大馬士革佈線258
6.2.4 Cu雙大馬士革佈線結構及可能出現的問題260
6.3 摩爾定律能否繼續有效？262
6.3.1 半導體器件向巨大化和微細化發展的兩個趨勢262
6.3.2 芯片集成度不斷沿摩爾定律軌跡前進264
6.3.3 “摩爾定律並非物理學定律”,“而是描述產業化的定律”266
6.3.4 “踮起腳來，跳起來摘蘋果”268
6.4 新材料的導入――“製造材料者製造技術”270
6.4.1 多層佈線層間膜，DRAM電容膜，Cu佈線材料270
6.4.2 矽材料體系仍有潛力（1）272
6.4.3 矽材料體系仍有潛力（2）274
6.4.4 化合物半導體煥發活力276
6.5 如何實現器件的高性能？278
6.5.1 整機對器件的高性能化要求越來越高278
6.5.2 器件的高性能化依賴於新工藝、新材料280
6.5.3 要同時從基板工藝和佈線工藝入手282
6.6 從100nm到7nm――以材料和工藝的創新為支撐284
6.6.1 純矽基MOS管和多晶矽/high-k基MOS管284
6.6.2 金屬柵/high-k基MOS管和鰭式場效應晶體管（FinFET）286
6.6.3 90nm――應變矽288
6.6.4 45nm――high-k絕緣層和金屬柵極290
6.6.5 22nm――鰭式場效應晶體管292
6.6.6 7nm ―― EUV 光刻和 SiGe-Channel294
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集聚最強的力量打好核心技術研發攻堅戰296

參考文獻297

作者簡介298