纳米集成电路制造工艺（第2版）

再版前言
在20世纪40年代，贝尔实验室的科学先贤们发明了晶体管； 到了20世纪50年代，德州仪器公司和仙童公司的科技大师们分别发明并推展了集成电器的生产技术； 至20世纪6070年代，大规模生产半导体器件的技术在美国、欧洲及亚洲也蓬勃发展开来； 20世纪80年代迄今，超大型集成电路的设计和生产工艺继续不断以惊人的速度，几乎按着“摩尔定律”不断地加大半导体器件的集成度，而超大型芯片在“线宽”(CD)上也以倍数的形式进行着细微化。自2000年起集成电路的线宽也从“微米级”进入了“纳米级”。2010年起我国先进的半导体生产工艺也从45nm延伸至28nm以及更小的线宽。超大规模集成电路的生产工艺，从“微米级”到“纳米级”发生了许多根本的变化。甚至，从45nm缩小至28nm(以及更小的线宽)也必须使用许多新的生产观念和技术。清华大学的王志华教授于2010年就提议由国内熟悉这类工艺的学者、专家、工程师们共同编撰一本较为先进的半导体工艺教科书，同时也可以供半导体厂的工作人员作为参考资料之用，内容要包含45nm、32nm至28nm(或更细微化)的工艺技术。本人非常荣幸有机会来邀请国内该领域的部分学者、专家和工程师们共同编写这本书。本书的初稿是用英文写作的，国内学校的许多老师和半导体业界的先贤、朋友们希望我们能用中文发行这本书，好让更多的研究所学生、工程师及科研同行更容易阅读并使用本书。我们接着邀请清华大学的教授、老师们将全书翻译成中文，同时也与各方联系取得引用外部资料的许可，清华大学出版社的编辑也帮我们进行编辑加工。几经审稿、改订，本书的版历时四年多终于完成编写工作！本书共分19章，涵盖先进集成电路工艺的发展史，集成电路制造流程、介电薄膜、金属化、光刻、刻蚀、表面清洁与湿法刻蚀、掺杂、化学机械平坦化、器件参数与工艺相关性，DFM(Design for Manufacturing)、集成电路检测与分析、集成电路的可靠性、生产控制、良率提升、芯片测试与芯片封装等项目和课题。我们在此要特别感谢每一章的作者，他们将所知道的技术和他们实际工作的经验，尽力地在书中向我们科技界的朋友们一一阐述，也感谢他们为发展祖国的集成电路科技和协助提升同行朋友们的工艺水平做出的贡献！我们在此特别提名感谢各位作者。第1章半导体器件由肖德元、张汝京与陈昱升撰写； 第2章集成电路制造工艺发展趋势由卢炯平撰写； 第3章CMOS逻辑电路及存储器制造流程由季明华、梅绍宁、陈俊、霍宗亮、肖德元与张汝京撰写； 第4章电介质薄膜沉积工艺由向阳辉、何有丰、荆学珍与周鸣撰写； 第5章应力工程由卢炯平撰写； 第6章金属薄膜沉积工艺及金属化由杨瑞鹏、何伟业与聂佳相撰写； 第7章光刻技术由伍强、时雪龙、顾一鸣与刘庆炜撰写； 第8章干法刻蚀由张海洋与刘勇撰写； 第9章集成电路制造中的污染和清洗技术由刘焕新撰写； 第10章超浅结技术由卢炯平撰写； 第11章化学机械平坦化由陈枫、刘东升与蒋莉撰写； 第12章器件参数和工艺相关性由陈昱升撰写； 第13章可制造性设计由张立夫撰写； 第14章半导体器件失效分析由郭志蓉与牛崇实撰写；  第15章集成电路可靠性介绍由吴启熙与郭强撰写； 第16章集成电路测量由高强与陈寰撰写； 第17章良率改善由范良孚撰写； 第18章测试工程由林山本撰写； 第19章芯片封装由严大生等撰写。若不是以上各位学者、专家和朋友们的撰写、审稿和改正，全心全力的投入带来宝贵的成果，这本书将无法完成！也感谢中芯国际集成电路有限公司提供的许多非常宝贵的协助！半导体技术，特别是集成电路技术日新月异。本书自2014年6月出版发行，受到国内从事半导体产业的科技工作者、工程技术人员、高等院校研究生与教师的普遍欢迎，他们提出了许多有益意见与建议，希望本书能够再版。借此机会向他们一并表示感谢！再版时我们加强了半导体器件方面内容，增加了先进的FinFET、3D NAND存储器、CMOS图像传感器以及无结场效应晶体管器件与工艺等内容。我们也要再次感谢清华大学的各位老师(王志华教授、李铁夫、杨轶博士)和清华大学出版社自始至终的鼓励、支持和鼎力相助，正是在他们的帮助下，这本书才能完成并展现在广大读者的面前！希望这本书能够以实际资料来支持国内半导体产业的学者、专家、技术工作者和研究生们独有的创新和发明，让我们的半导体产业与日俱进，从制造到创造，再创华夏辉煌盛世！

张汝京敬上2016年10月于上海

本书共19章，涵盖先进集成电路工艺的发展史，集成电路制造流程、介电薄膜、金属化、光刻、刻蚀、表面清洁与湿法刻蚀、掺杂、化学机械平坦化，器件参数与工艺相关性，DFM（Design for Manufacturing），集成电路检测与分析、集成电路的可靠性，生产控制，良率提升，芯片测试与芯片封装等内容。 再版时加强了半导体器件方面的内容，增加了先进的FinFET、3D NAND存储器、CMOS图像传感器以及无结场效应晶体管器件与工艺等内容。

张汝京(Richard Chang)，1948年出生于江苏南京，毕业于台湾大学机械工程学系，于布法罗纽约州立大学获得工程科学硕士学位，并在南方卫理公会大学获得电子工程博士学位。曾在美国德州仪器工作20年。他成功地在美国、日本、新加坡、意大利及中国台湾地区创建并管理10个集成电路工厂的技术开发及运营。1997年加入世大集成电路（WSMC）并出任总裁。2000年4月创办中芯国际集成电路制造（上海）有限公司并担任总裁。2012年创立昇瑞光电科技（上海）有限公司并出任总裁，主要经营LED等及其配套产品的开发、设计、制造、测试与封装等。2014年6月创办上海新昇半导体科技有限公司并出任总裁, 承担国家科技重大专项（简称“02专项”）的核心工程——“40—28纳米集成电路制造用300毫米硅片”项目。张博士拥有超过30年的半导体芯片研发和制造经验。2005年4月，荣获中华人民共和国国务院颁发国际科学技术合作奖。2006年获颁中国半导体业领军人物称号。2008年3月，被半导体国际杂志评为2007年度人物并荣获SEMI中国产业卓越贡献奖。2012年成为上海市千人计划专家。2014年于上海成立新昇半导体科技有限公司，从事300毫米高端大硅片的研发、制造与行销。

目录

第1章半导体器件

1．1N型半导体和P型半导体

1．2PN结二极管

1．2．1PN结自建电压

1．2．2理想PN结二极管方程

1．3双极型晶体管

1．4金属氧化物半导体场效应晶体管

1．4．1线性模型

1．4．2非线性模型

1．4．3阈值电压

1．4．4衬底偏置效应

1．4．5亚阈值电流

1．4．6亚阈值理想因子的推导

1．5CMOS器件面临的挑战

1．6结型场效应晶体管

1．7肖特基势垒栅场效应晶体管

1．8高电子迁移率晶体管

1．9无结场效应晶体管

1．9．1圆柱体全包围栅无结场效应晶体管突变耗尽层近似器件模型

1．9．2圆柱体全包围栅无结场效应晶体管完整器件模型

1．9．3无结场效应晶体管器件制作

1．10量子阱场效应晶体管

1．11小结

参考文献

第2章集成电路制造工艺发展趋势

2.1引言

2.2横向微缩所推动的工艺发展趋势

2.2.1光刻技术

2.2.2沟槽填充技术

2.2.3互连层RC延迟的降低

2.3纵向微缩所推动的工艺发展趋势

2.3.1等效栅氧厚度的微缩

2.3.2源漏工程

2.3.3自对准硅化物工艺

2.4弥补几何微缩的等效扩充

2.4.1高k金属栅

2.4.2载流子迁移率提高技术

2.5展望

参考文献

第3章CMOS逻辑电路及存储器制造流程

3.1逻辑技术及工艺流程

3.1.1引言

3.1.2CMOS工艺流程

3．1．3适用于高k栅介质和金属栅的栅后形成或置换金属栅

CMOS工艺流程

3．1．4CMOS与鳍式MOSFET(FinFET)

3.2存储器技术和制造工艺

3.2.1概述

3.2.2DRAM和eDRAM

3.2.3闪存

3.2.4FeRAM

3.2.5PCRAM

3.2.6RRAM

3.2.7MRAM

3.2.83D NAND

3．2．9CMOS图像传感器

3．3无结场效应晶体管器件结构与工艺

参考文献

第4章电介质薄膜沉积工艺

4.1前言

4.2氧化膜/氮化膜工艺

4.3栅极电介质薄膜

4.3.1栅极氧化介电层氮氧化硅(SiOxNy)

4.3.2高k栅极介质

4.4半导体绝缘介质的填充

4.4.1高密度等离子体化学气相沉积工艺

4.4.2O3TEOS的亚常压化学气相沉积工艺

4.5超低介电常数薄膜

4.5.1前言

4.5.2RC delay对器件运算速度的影响

4.5.3k为2.7~3.0的低介电常数材料

4.5.4k为2.5的超低介电常数材料

4.5.5刻蚀停止层与铜阻挡层介电常数材料

参考文献

第5章应力工程

5.1简介

5.2源漏区嵌入技术

5.2.1嵌入式锗硅工艺

5.2.2嵌入式碳硅工艺

5.3应力记忆技术

5.3.1SMT技术的分类

5.3.2SMT的工艺流程

5.3.3SMT氮化硅工艺介绍及其发展

5.4双极应力刻蚀阻挡层

5.5应力效应提升技术

参考文献

第6章金属薄膜沉积工艺及金属化

6.1金属栅

6.1.1金属栅极的使用

6.1.2金属栅材料性能的要求

6.2自对准硅化物

6.2.1预清洁处理

6.2.2镍铂合金沉积

6.2.3盖帽层TiN沉积

6.3接触窗薄膜工艺

6.3.1前言

6.3.2主要的问题

6.3.3前处理工艺

6.3.4PVD Ti

6.3.5TiN制程

6.3.6W plug制程

6.4金属互连

6.4.1前言

6.4.2预清洁工艺

6.4.3阻挡层

6.4.4种子层

6.4.5铜化学电镀

6.4.6洗边和退火

6.5小结

参考文献

第7章光刻技术

7.1光刻技术简介

7.1.1光刻技术发展历史

7.1.2光刻的基本方法

7.1.3其他图像传递方法

7.2光刻的系统参数

7.2.1波长、数值孔径、像空间介质折射率

7.2.2光刻分辨率的表示

7.3光刻工艺流程

7.4光刻工艺窗口以及图形完整性评价方法

7.4.1曝光能量宽裕度, 归一化图像对数斜率(NILS)

7.4.2对焦深度(找平方法)

7.4.3掩膜版误差因子

7.4.4线宽均匀性

7.4.5光刻胶形貌

7.4.6对准、套刻精度

7.4.7缺陷的检测、分类、原理以及排除方法

7.5相干和部分相干成像

7.5.1光刻成像模型，调制传递函数

7.5.2点扩散函数

7.5.3偏振效应

7.5.4掩膜版三维尺寸效应

7.6光刻设备和材料

7.6.1光刻机原理介绍

7.6.2光学像差及其对光刻工艺窗口的影响

7.6.3光刻胶配制原理

7.6.4掩膜版制作介绍

7.7与分辨率相关工艺窗口增强方法

7.7.1离轴照明

7.7.2相移掩膜版

7.7.3亚衍射散射条

7.7.4光学邻近效应修正

7.7.5二重图形技术

7.7.6浸没式光刻

7.7.7极紫外光刻

参考文献

第8章干法刻蚀

8.1引言

8.1.1等离子刻蚀

8.1.2干法刻蚀机的发展

8.1.3干法刻蚀的度量

8.2干法刻蚀建模

8.2.1基本原理模拟

8.2.2经验模型

8.3先进的干法刻蚀反应器

8.3.1泛林半导体

8.3.2东京电子

8.3.3应用材料

8.4干法刻蚀应用

8.4.1浅槽隔离(STI)刻蚀

8.4.2多晶硅栅刻蚀

8.4.3栅侧墙刻蚀

8.4.4钨接触孔刻蚀

8.4.5铜通孔刻蚀

8.4.6电介质沟槽刻蚀

8.4.7铝垫刻蚀

8.4.8灰化

8.4.9新近出现的刻蚀

8.5先进的刻蚀工艺控制

参考文献

第9章集成电路制造中的污染和清洗技术

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