本书通过介绍最先进的CMOS工艺流程，帮助读者掌握现代半导体集成电路的基础技术，使读者具有全局思维和实用的集成思维。本书首先介绍了现代CMOS技术，然后介绍了半导体材料、半导体制造、光刻、半导体/绝缘体接口、掺杂、离子注入、蚀刻、抛光、沉积等集成电路制造中的技术，最后介绍了后端（互连）处理技术，并通过Silvaco Athena和Victory Process等行业工具，使读者对物理原理有更深入的了解，并为在现实中应用这些工具做好准备。

译者序

前　言

第1章　历史回顾、摩尔定律和未来

技术展望1

1.1　简介1

1.2　集成电路和平面工艺：让一切

成为可能的关键发明2

1.3　MOS晶体管和CMOS电路6

1.4　摩尔定律与MOS器件缩放11

1.5　超越理想缩放：材料与器件创新13

1.6　半导体技术的未来展望16

1.7　本书规划20

1.8　核心观点总结21

1.9　习题22

1.10　参考文献24

第2章　现代CMOS技术26

2.1　简介26

2.2　基本的CMOS工艺与器件

结构26

2.3　选择起始衬底27

2.4　晶体管的衬底准备28

2.5　阱的形成31

2.6　阈值电压调整注入33

2.7　栅氧化层和多晶硅“假”栅34

2.8　轻掺杂漏极形成、晕环注入和

源/漏掺杂36

2.9　为MOSFET沟道区域添加

应变38

2.10　接触形成39

2.11　高K金属栅的形成39

2.12　后端工艺41

2.13　FinFET的引入43

2.14　核心观点总结47

2.15　习题47

2.16　参考文献49

第3章　半导体材料：晶体生长、

晶圆制备和材料属性50

3.1　简介50

3.2　晶体结构50

3.3　晶体缺陷54

3.4　点缺陷57

3.5　硅晶体生长方法：直拉法和

区熔法61

3.6　化合物半导体晶体生长方法65

3.7　晶圆制备67

3.8　晶体生长过程中的掺杂剂和

杂质引入69

3.9　其他晶圆制备方法：SOI和

键合晶圆72

3.10　核心观点总结73

3.11　习题74

3.12　参考文献76

第4章　半导体制造：洁净室、晶圆

清洗、吸杂及芯片良率78

4.1　简介及基本概念78

4.2　第一级去污：洁净工厂81

4.3　第二级去污：晶圆清洗85

4.3.1　光刻胶去除86

4.3.2　前端清洗：RCA清洗87

4.3.3　后端清洗91

4.3.4　化合物半导体清洗程序91

4.4　第三级去污：硅中的吸杂92

4.4.1　碱金属离子的吸杂93

4.4.2　硅中金属杂质的吸杂94

4.4.3　硅中的本征或内部吸杂捕获

位点95

4.4.4　硅中的非本征吸杂捕获位点98

4.4.5　化合物半导体技术中的吸杂100

4.5　间接带隙半导体（Si和SiC）的

少数载流子寿命控制101

4.6　芯片制造中的良率建模102

4.7　参数良率：制造工艺控制104

4.8　核心观点总结106

4.9　习题106

4.10　参考文献108

第5章　光刻111

5.1　简介111

5.2　历史发展与总体概念112

5.2.1　光源115

5.2.2　掩模116

5.2.3　晶圆曝光系统118

5.2.4　光刻胶121

5.3　光学系统基础：光线追踪和

衍射125

5.4　光刻胶基础：性质与处理工艺132

5.5　晶圆曝光系统的建模与仿真

（计算空间像）136

5.5.1　投影式系统137

5.5.2　接触式和接近式系统144

5.6　光刻胶的建模与仿真

（计算并显影潜像）147

5.6.1　光刻胶中的光强分布147

5.6.2　光刻胶的曝光与潜像148

5.6.3　后烘152

5.6.4　光刻胶显影154

5.6.5　坚膜155

5.7　分辨率增强方法155

5.7.1　离轴照明与科勒照明156

5.7.2　浸没式光刻157

5.7.3　多层光刻胶和抗反射涂层159

5.7.4　设计规则限制161

5.7.5　光学邻近效应修正、相移掩模

和计算光刻161

5.7.6　多重图形化164

5.7.7　侧墙间隔方法

（自对准双重图形化）166

5.8　纳米压印光刻168

5.9　核心观点总结171

5.10　习题171

5.11　参考文献175

第6章　半导体/绝缘体界面179

6.1　简介179

6.2　氧化生长的基本模型180

6.3　干氧环境中的薄氧化层生长

动力学187

6.4　生长动力学与压力的关系188

6.5　不同晶向的生长动力学188

6.6　衬底掺杂效应189

6.7　与氧化过程相关的点缺陷190

6.8　氧化物流动、应力和二维生长192

6.9　Si/SiO2体系中的电学缺陷195

6.10　硅/绝缘体界面的特性分析198

6.11　高K介电材料205

6.12　碳化硅的氧化208

6.13　核心观点总结211

6.14　习题212

6.15　参考文献217

第7章　半导体中的掺杂219

7.1　简介及基本概念219

7.2　掺杂剂的固溶度222

7.3　宏观视角下的扩散223

7.4　扩散方程的解析解225

7.4.1　稳态解［C≠f（t）］225

7.4.2　无限介质中的高斯解225

7.4.3　表面附近的高斯解226

7.4.4　无限介质中的误差函数解226

7.4.5　表面附近的误差函数解228

7.5　硅中掺杂剂的本征扩散系数228

7.6　连续扩散步骤的影响230

7.7　扩散层的设计与评估230

7.8　模型与数值模拟232

7.9　修改菲克定律以适用电场效应234

7.10　浓度依赖性扩散的菲克定律

修正235

7.11　偏析和界面掺杂剂堆积237

7.12　原子尺度上扩散的物理基础240

7.13　间隙原子和空位共同辅助的

掺杂剂扩散241

7.14　点缺陷（间隙原子-空位）

复合247

7.15　为什么硅的自扩散很重要248

7.16　多晶硅中的扩散248

7.17　化合物半导体中的掺杂剂

扩散250

7.17.1　GaAs中的扩散250

7.17.2　GaAs中P型掺杂剂的

扩散251

7.17.3　GaAs中N型掺杂剂的

扩散252

7.17.4　SiC中的扩散与激活254

7.18　掺杂方法255

7.19　核心观点总结255

7.20　习题256

7.21　参考文献263

第8章　离子注入265

8.1　简介265

8.2　历史发展与基本概念265

8.3　更准确的一维注入分布分析270

8.4　多层注入273

8.5　二维和三维注入275

8.6　核阻止与电子阻止277

8.6.1　核阻止278

8.6.2　电子阻止280

8.6.3　总阻止本领280

8.7　蒙特卡罗注入分布281

8.8　损伤产生与损伤退火283

8.9　瞬态增强扩散289

8.10　闪烁退火298

8.11　非硅半导体材料的注入和

损伤299

8.12　离子注入的其他应用300

8.13　等离子体浸没离子注入301

8.14　核心观点总结302

8.15　习题302

8.16　参考文献308

第9章　刻蚀技术与化学机械

抛光312

9.1　简介312

9.2　湿法刻蚀313

9.2.1　定向湿法刻蚀314

9.3　干法或等离子体刻蚀基础315

9.3.1　等离子体鞘层与离子能量316

9.3.2　等离子体鞘层的形成317

9.4　等离子体化学319

9.4.1　选择等离子体化学反应320

9.5　等离子体刻蚀机制320

9.5.1　纯化学等离子体刻蚀

（各向同性等离子体刻蚀）321

9.5.2　纯物理等离子体刻蚀

（离子铣）322

9.5.3　离子增强化学刻蚀

（1+1≠2）322

9.5.4　离子增强抑制剂刻蚀324

9.6　高密度等离子体326

9.7　使用氯化物和溴化物进行刻蚀326

9.8　等离子体刻蚀异常328

9.9　刻蚀模拟328

9.9.1　移动边界329

9.9.2　离子和中性粒子分布330

9.9.3　黏附系数330

9.9.4　观察角度与遮蔽331

9.9.5　各向同性和各向异性刻蚀的

线性组合331

9.9.6　离子增强化学刻蚀332

9.9.7　深宽比依赖性刻蚀334

9.9.8　模拟注意事项334

9.10　原子层刻蚀334

9.10.1　ALE表面改性335

9.10.2　ALE刻蚀机制336

9.11　平坦化方法：化学机械抛光337

9.11.1　CMP建模与仿真339

9.12　核心观点总结343

9.13　习题344

9.14　参考文献348

第10章　沉积技术350

10.1　简介350

10.2　沉积系统的热分类350

10.2.1　化学气相沉积350

10.2.2　异质外延356

10.2.3　横向外延过生长359

10.2.4　低压化学气相沉积360

10.2.5　金属有机化学气相沉积361

10.2.6　等离子体增强化学气相

沉积364

10.2.7　原子层沉积366

10.2.8　物理沉积系统：溅射系统367

10.2.9　蒸发371

10.2.10　分子束外延372

10.3　沉积模型与仿真373

10.3.1　基于物理的沉积模拟374

10.3.2　二维与三维沉积模拟比较375

10.4　核心观点总结375

10.5　习题376

10.6　参考文献380

第11章　后端（互连）工艺技术382

11.1　简介382

11.2　互连速度限制：对低R和低C

的需求383

11.3　历史发展和基本概念386

11.3.1　接触结构的演变387

11.3.2　多层互连的平坦化方法390

11.3.3　从Al到Cu的过渡392

11.3.4　向低K介电材料的过渡396

11.4　关键工艺技术和后端问题399

11.4.1　金属-半导体接触399

11.4.2　硅化物结构与技术402

11.4.3　Cu电镀技术408

11.4.4　电迁移411

11.5　后端结构的未来演变414

11.6　硅CMOS后端工艺技术

回顾416

11.7　化合物半导体的后端工艺419

11.8　多芯片模块、芯粒、中介层和

三维集成电路421

11.9　核心观点总结423

11.10　习题424

11.11　参考文献425

附　录A430

半导体器件塑造了现代人类的生活方式。硅集成电路是信息时代计算机和通信系统的核心组件，也是从汽车到洗衣机等几乎所有现代工业产品的关键组成部分。现代电子系统的建立正是基于能够将数百万甚至数十亿个独立半导体器件集成在同一基板上的能力。

1945—1970年间的重大基础发现与发明奠定了硅集成电路的技术基础。在过去的50年里，硅基芯片的复杂度呈指数级增长，这主要归功于器件几何尺寸的不断缩小、制造工艺的不断改进，以及那些能够更高效实现特定功能的发明。这一增长源于三个相互促进的因素：不断缩小的几何尺寸允许在单位面积上布置更多器件；不断改进的制造工艺大大降低了芯片的生产成本；那些巧妙的发明则使复杂功能得以在更小面积内实现。20世纪70年代，单个硅基芯片只有几十个晶体管；如今，最复杂的单个芯片集成了超过500亿个晶体管。

在这一时期的大部分芯片是以在硅片中构建的单层器件为基础的，器件上方布置多达15层的金属互连层，使晶体管得以连接成复杂电路。近十年来，由于缩小器件的横向尺寸变得越来越困难，“三维集成”的重要性日益凸显，成为在不单纯依赖缩小器件二维横向尺寸的情况下持续提升电路复杂度的一种手段。芯片堆叠、封装技术以及有源器件多层垂直集成等方面的创新，推动了芯片的持续进步。业界广泛认为，这种趋势将至少持续十年，届时单个芯片可以集成数千亿个晶体管，使芯片的性能变得更加强大。作为参照，人脑中大约有1000亿个通过数万亿个突触相互连接的神经元。

化合物半导体器件凭借其独特性质实现了硅无法企及的系统性能，并在诸多应用中发挥着关键作用。许多化合物半导体材料能够高效地将电能转换为光能，是发光二极管（LED）和激光器的理想材料，而发光二极管和激光器是现代照明系统和远距离通信系统的核心部件。一些化合物半导体材料由于具有较高的载流子迁移率而广泛应用于高频场景；另一些化合物半导体材料由于能耐高压而应用于电力管理领域。很难想象，如果没有这些半导体器件，我们的世界将会有多么的不同。

50年前，硅基芯片行业尚处于初创阶段，所依赖的只是简单的、凭经验的工艺步骤和简易的手动机器。如今，即便是本科教学实验室都比那些早期的工厂先进。在那个年代，对硅氧化等工艺的理解仅限于简单的化学反应（Si+O2→SiO2），而SiO2的生长通常就在廉价的氧化炉中完成。芯片上的器件图形尺寸达数十微米（μm），可通过光学显微镜轻松观察，并直接通过简单的接触式光刻法制造出来。

如今，高端芯片的自动化生产线投资超过100亿美元。这些工厂使用的设备是所有制造业中最精密的（通常也是最昂贵的）。生产中所用的工艺，其科学基础源自物理学和化学，且已经精确到单原子层面。在晶圆上曝光出微观图形的步进式光刻机，是傅里叶光学原理的最先进应用之一；等离子体刻蚀技术涉及当今制造业中一些最复杂的化学反应过程；离子注入则需要运用高能物理相关的研究理论。如今，用自限制性的复杂化学反应在硅晶圆上已能实现单原子层级的薄膜沉积，对这些膜层的图形化刻蚀也能达到原子级的精确度。当然，硅器件本身的物理尺寸正在接近分子和原子尺度，所涉及的量子力学现象变得越来越重要。

集成电路制造的一大挑战在于需要广泛融合多学科的科学原理和工程发展的成果。在集成电路领域工作的科学家和工程师需要具备广博的知识，并且具有从多个领域探索、整合和运用新理论的能力。本书不仅要阐述半导体制造中使用的工艺方法，还要探讨这些工艺方法所涉及的基础科学

原理。

科学知识通常可以被整合成一个“模型”，这个模型可以是描述某一工艺过程的数学方程，也可以是原子级的图示。模型既是知识的一种系统化形式（如编码），也是表达已知事物的一种优雅方式。它们还为特定领域的研究人员交流思想提供了可行的途径。最后，通过实验测试还可以评估模型的预测能力。

今天，计算机仿真工具中嵌入了大量半导体制造的方法模型，可以模拟芯片制造过程中使用的各种技术。一些模拟器利用成熟的科学原理来预测实验结果。基于傅里叶光学数学描述的光刻模拟器就是一个很好的例子，该类工具能在特定掩模设计和曝光系统下准确计算出晶圆上光刻胶曝光后的图像。但是，仍有一些模拟工具所依据的科学理论不够成熟。例如，描述掺杂剂在硅和化合物半导体中的扩散模型，其使用的科学原理在文献中仍存在争议，且明显无法完全描述所涉及的所有物理现象。尽管如此，这些模型在今天仍然具有很高的应用价值。

在本书的大多数章节中，我们的讨论将基于已经整合了多种模型的计算机仿真程序，并用它们来模拟工艺步骤。我们将广泛使用仿真示例来说明工艺步骤，这有助于将那些通过其他方式很难观察的技术特征可视化。这些仿真工具是强大的教学辅助工具。为了保持全书仿真示例的一致性，我们使用Silvaco公司包括Athena和Victory Process在内的一整套工具。这些工具以及新思科技（Synopsys）等公司的其他仿真工具目前广泛应用于半导体行业，可在开发新一代技术时节省大量成本，并且对解决制造中的问题也非常有用。

本书在组织架构上与其他书籍有两个主要区别。第一个是在全书中大量使用仿真示例。这些示例有多重目的：首先，帮助解释每一章所涉及的科学原理。仿真有助于说明诸如氧化层生长、扩散掺杂形貌或沉积薄膜等随时间演变的过程。由于仿真工具提供了可以直接添加或删除的特定物理模型，因此非常有利于直接展示工艺步骤受特定物理现象的影响。仿真还提供了唯一能够阐释和理解工艺步骤之间复杂相互作用的方式。其次，对将来要从事这一行业的读者来说，在今后的工作中必定会用到这些工具，因此了解其功能与局限性对未来的工作非常有意义。

本书的第二个与众不同之处在于，在第2章就讨论了完整的工艺流程。虽然对于这个领域的新手来说，在学习后面章节之前可能无法完全理解互补金属氧化物半导体（CMOS）硅工艺的诸多复杂性，但是我们发现，提前了解完整的芯片制造工艺流程对于后续章节讨论具体的特定工艺是非常有帮助的。在学习本书的内容时，我们通常会在开始从整体上简单介绍CMOS工艺，然后在最后再讲回整体的工艺流程，这样不仅可以更深入地探讨细节，还能重温完整的工艺流程，对整个内容进行有效的复习。

集成电路制造方向的后续课程可以更广泛地使用本书中所讨论的仿真工具。我们在集成电路制造入门课程的课后作业或实验任务中并未涉及本书描述的仿真工具。我们认为，仿真示例最好仅用作此类课程的教学工具，用来阐释基本概念和物理原理。这些仿真工具的实际操作经验在后续课程中可以轻松获得，这样的安排也是非常可取的。本书使用的计算机仿真工具可以通过付费购得。

本书最初的想法只是为了修订同M. D. Deal合著的Silicon VLSI Technology: Fundamentals， Practice and Modeling（Prentice Hall，2000）一书。然而，当我们真正着手修订时，才意识到自上一本书出版以来20多年间，该领域上已经发生了巨大变化，因此迫切需要编写一本新书。

因此，尽管两者的总体框架相似，但内容基本上是全新的。其中，最大的改动之一是在大多数章节中都加入了关于化合物半导体技术的相关内容。实际上，正是因为硅基产业有足够的资金进行大规模的研发投资，才衍生出化合物半导体的相关核心技术。然而，由于所涉及的材料不同，将硅基技术直接应用于化合物半导体制造时往往会出现一些有趣的差异。因此，讨论化合物半导体制造工艺对认识与硅工艺相关的物理模型的可扩展性和局限性是非常有帮助的。

基于本书的适合课堂教学的讲义幻灯片及章末习题答案均可在剑桥大学出版社官网上获得（www.cambridge.org/plummer-griffin），并且我们计划在未来几年不断更新本书的内容，我们也恳请在教学或研究中引用本书内容的人们恰当地注明材料来源。

本书的内容脱胎于我们在讲授课程时使用的各种讲义草稿。学生们提出的意见和建议使得本书更加完善。多年来，我们一直与斯坦福大学一群充满活力的博士生和教师合作，他们帮助开发了本书中涉及的一些模型和软件工具。我们特别感谢Bob Dutton教授，以及Mark Law教授和Conor Rafferty教授，是他们开发了本书中用到的斯坦福工艺模拟程序—SUPREM。我们还要感谢Heyward Robinson博士、Scott Luning博士和Conor Rafferty博士在他们各自的专业领域提出的宝贵意见和建议。Chris Chidsey教授就原子层沉积相关内容提供了有益的意见。Silvaco公司的Jin（H.J.）Cho博士为许多高级仿真提供了出色的支持。我们还要特别感谢Jim McVittie博士和Ted Kamins博士分别在刻蚀章节和沉积章节所做出的贡献及提出的建议。他们贡献了自己的课程笔记，并对相关章节进行了仔细审阅。为了使本书更加完善，我们热忱欢迎广大科研工作者对本书提出宝贵的意见或建议。