半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南

“半导体工艺工程师”这个标签贯穿于我整个职业生涯。作为研发工程师，我在伊利诺伊大学香槟分校何伦亚克微纳米技术实验室（Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory，HMNTL）工作了近20年。该实验室的核心部分是洁净室，里面布置了不同种类的设备，以用于制造各种各样的半导体器件。这个实验室向整个校园和社会开放。到目前为止，我已培训千余人使用洁净室里的设备，大部分的培训对象是博士研究生。这些培训经历，使我有机会应对各种问题，并帮助不同的使用者解决不同类型的技术难题。
在多年的培训中，我接触到不同背景的学生，他们大部分具有电气工程（EE）或电气计算机工程（ECE）背景，但有些人就没有这些背景。不具备EE或ECE背景的学生缺乏半导体及其制造工艺的基本知识，而具备了EE或ECE背景的学生也需要补充工艺的工作原理和设备的基本结构方面的知识。对工艺和设备理解不足，这不仅发生在许多具备EE或ECE背景的博士研究生们的身上，甚至还发生在一些博士后的身上。这种现象产生的一个重要原因是他们没有从所遵循的物理和化学的原理来理解工艺和设备。对于这些现象的思考和来自学生们的鼓励，促使我写了《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》一书。
我们现在用芯片来描述半导体器件和集成电路（IC）。为了满足不具备EE或ECE背景的读者需求，《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》包含半导体的概念、理论、历史，以及芯片的基本结构。这些内容会给他们理解半导体制造工艺打下基础。为了帮助具备EE或ECE背景的读者更好地理解工艺和设备，《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》努力从物理定律、化学反应和电路的角度来描述工艺原理、设备结构和工艺配方（process recipe）的设计。它不仅告诉读者如何做工艺，还阐述了工艺为何如此设计。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》把半导体制造工艺和大学洁净室里使用的设备结合了起来，所以，《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》会给不同背景的读者带来大的益处。
《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》是以基本概念和生活中的例子来开始讨论，对许多读者来说，这是一本方便使用的图书。它用简单的语言来描述复杂的概念和理论，可满足不同层次读者的需求，这些读者包含本科生、研究生、研究人员、工程师和教授。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》会为读者提供一条通往半导体研究、工艺和制造的成功之路。针对学生或工程师在半导体工艺中常遇到的问题，读者可以从《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》中找到有益的建议和解决的方案，这些建议和方案是基于我几十年的工作经历得到的。而且，读者在《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》中还能看到一些有用的实验结果，这些结果将为他们开展的工艺工作提供帮助。
在当今时代，半导体技术已被广泛用于许多领域。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》也是写给那些虽然其专业不是半导体，但有意在芯片的研发和制造中有所作为的读者。至于那些不太了解半导体及其工艺的读者，只要他们掌握了基本的物理、化学和电路知识，通过阅读《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》，就能容易和快速地掌握半导体的理论、原理和制造工艺。在《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》中，读者能够学到基本的概念和技巧，这些对于开发半导体工艺是必需的。当他们采用半导体技术来改善产品质量或提高项目的研究水平时，也可以将这些概念和技巧运用其中。
没有HMNTL，我不可能完成《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》的写作。在HMNTL，我和同事们有着美好的时光。在此，我想对我这些非凡的同事们表示感谢：John Hughes先生、Mark McCollum博士、Edmond Chow博士、Glennys Mensing博士、Ken Tarman、Hal Romans、Michael Hansen、Lavendra Mandyam、Karthick Jeganathan和Paul Dipippo。从他们那里，我学习了更多的大学洁净室的布局和管理；从他们那里，我还在设备维修、工艺配方设计和参数测试上得到了许多帮助。我很高兴能和他们共事多年。
在《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》的写作过程中，我得到了许多朋友的帮助。在写作的初期，Ruijie Zhao博士给了我很好的建议，Wenjuan Zhu博士审阅了我的初稿，Anming Gao博士鼓励我写作本书，Raman Kumar和Alvin Flores先生帮助我解决了书中一些理论方面的问题。尤其要感谢我的外甥Tianyi Bai—一个宾夕法尼亚大学的研究生，他在本书的一些方面给出了建设性的观点。后，我要感谢诞生于半导体技术的互联网，通过互联网，我能方便地找到我所需要的信息。在这里，我深深感谢允许我使用他们图片的公司和个人。

廉亚光　　
伊利诺伊大学香槟分校　　
美国伊利诺伊州香槟市

《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》是一本实用而优秀的关于半导体芯片理论、制造和工艺设计的书籍。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》对半导体制造工艺和所需设备的解释是基于它们所遵守的基本的物理、化学和电路的规律来进行的，以便读者无论到达世界哪个地方的洁净室，都能尽快了解所使用的工艺和设备，并知道使用哪些设备、采用何种工艺来实现他们的设计和制造目标。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》理论结合实际，大部分的描述均围绕着实际设备和工艺展开，并配有大量的设备图、制造工艺示意图和半导体芯片结构图。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》主要包括如下主题：基本概念，例如等离子设备中的阻抗失配和理论，以及能带和Clausius-Clapeyron方程；半导体器件和制造设备的基础知识，包括直流和交流电路、电场、磁场、谐振腔以及器件和设备中使用的部件；晶体管和集成电路，包括双极型晶体管、结型场效应晶体管和金属?半导体场效应晶体管；芯片制造的主要工艺，包括光刻、金属化、反应离子刻蚀（RIE）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、热氧化和注入等；工艺设计和解决问题的技巧，例如如何设计干法刻蚀配方，以及如何解决在博世工艺中出现的微米草问题。
《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》概念清晰，资料丰富，内容实用，可作为微电子学与固体电子学、电子科学与技术、集成电路工程等专业的研究生和高年级本科生的教学参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。

廉亚光先生是美国伊利诺伊大学香槟分校何伦亚克微纳米技术实验室的研发工程师。在他近20年的工作经历中，他培训了上千名学生使用半导体制造设备。在廉先生来美国之前，他在中国河北半导体研究所工作了13年。在研究所期间，他负责管理一条半导体加工线，从离子注入到封装；与此同时，他还从事一部分集成电路设计工作。在半导体领域30多年的工作经历，使得廉先生对制造工艺中的关键点有着深刻的理解，在理论和设备方面有着深厚的知识。

前言
第1章　基本概念的引入
1.1　什么是芯片
1.2　欧姆定律和电阻率
1.3　导体、绝缘体和半导体
参考文献
第2章　理论简介
2.1　量子力学的产生
2.2　能带
参考文献
第3章　早期无线电通信
3.1　电报技术
3.2　电子管
参考文献
第4章　电路的基本知识
4.1　电路及其元件
4.2　电场
4.3　磁场
4.4　交流电
第5章　半导体的进一步探讨和二极管
5.1　半导体的能带
5.2　半导体掺杂
5.3　半导体二极管
参考文献
第6章　晶体管和集成电路
6.1　双极型晶体管
6.2　结型场效应晶体管
6.3　金属?半导体场效应晶体管
6.4　金属?绝缘层?半导体场效应晶体管
参考文献
第7章　半导体工业的发展历程
7.1　半导体产品及结构简介
7.2　半导体工业发展简史
7.3　晶体管和硅晶圆尺寸的变化
7.4　洁净室
7.5　平面工艺
参考文献
第8章　半导体光子器件
8.1　发光器件和发光原理
8.2　发光二极管
8.3　半导体二极管激光器
8.3.1　谐振腔
8.3.2　光的反射和折射
8.3.3　异质结材料
8.3.4　粒子数反转和阈值电流密度
参考文献
第9章　半导体光探测和光电池
9.1　数字照相机和电荷耦合器件
9.2　光电导器
9.3　晶体管激光器
9.4　太阳能电池
参考文献
第10章　硅晶圆的制造
10.1　从硅石到多晶硅
10.2　化学反应
10.3　拉单晶
10.4　抛光和切片
参考文献
第11章　工艺的基本知识
11.1　集成电路的结构
11.2　光学系统的分辨率
11.3　为什么在工艺中使用等离子体
参考文献
第12章　光刻工艺
12.1　光刻工艺的步骤
12.1.1　清洗
12.1.2　脱水烘干
12.1.3　涂胶
12.1.4　前烘
12.1.5　对位和曝光
12.1.6　显影
12.1.7　检查
12.1.8　坚膜
12.1.9　去胶膜
12.2　光刻掩膜版对位图形的设计
12.3　当代光刻机技术
参考文献
第13章　介质膜的生长
13.1　二氧化硅膜的生长
13.1.1　二氧化硅的热氧化工艺
13.1.2　LTO工艺
13.1.3　二氧化硅PECVD工艺
13.1.4　在APCVD系统中进行TEOS O3的沉积
13.2　氮化硅膜的生长
13.2.1　LPCVD
13.2.2　氮化硅PECVD工艺
13.3　原子层沉积技术
参考文献
第14章　刻蚀和反应离子刻蚀（RIE）系统介绍
14.1　湿法刻蚀
14.2　干法刻蚀中的RIE系统
14.2.1　RIE工艺流程和设备结构
14.2.2　工艺室
14.2.3　真空泵
14.2.4　射频电源和匹配电路
14.2.5　气瓶和质量流量计
14.2.6　加热和冷却
参考文献
第15章　干法刻蚀的进一步探讨
15.1　RIE的刻蚀界面
15.1.1　情形1
15.1.2　情形2
15.2　RIE刻蚀速率
15.3　Ⅲ-Ⅴ族半导体和金属的干法刻蚀
15.4　刻蚀界面的控制
15.4.1　光刻胶窗口的形状对刻蚀界面的影响
15.4.2　碳对刻蚀速率和截面的影响
15.5　其他问题
15.5.1　RIE和PECVD的区别
15.5.2　Si和SiO2干法刻蚀的区别
15.6　电感耦合等离子体（ICP）技术和博世工艺
15.6.1　电感耦合等离子体技术
15.6.2　博世工艺
参考文献
第16章　金属工艺
16.1　热蒸发技术
16.2　电子束蒸发技术
16.3　磁控溅射技术
16.4　热和电子束蒸发与磁控溅射的主要区别
16.5　金属的剥离工艺
16.6　金属的选择和合金工艺
16.6.1　金属的选择
16.6.2　金属的合金
参考文献
第17章　掺杂工艺
17.1　掺杂的基本介绍
17.2　扩散的基本原理
17.3　热扩散
17.4　杂质在SiO2内的扩散和再分布
17.5　最小SiO2掩蔽层厚度
17.6　杂质在SiO2掩蔽膜下的分布
17.7　扩散杂质源
17.8　扩散层的参数
17.9　四探针测试方块电阻
17.10　离子注入工艺
17.11　离子注入的理论分析
17.12　注入后杂质的分布
17.13　注入杂质的种类和剂量
17.14　掩蔽膜的最小厚度
17.15　退火工艺
17.16　埋层注入
17.16.1　通过掩蔽层的注入
17.16.2　SOI制备
参考文献
第18章　工艺控制监测、芯片封装及其他问题
18.1　介质膜质量检测
18.2　欧姆接触检测
18.3　金属之间的接触
18.4　导电沟道控制
18.5　芯片测试
18.6　划片
18.7　封装
18.8　设备使用时的操作范围
18.9　低κ和高κ介质
18.9.1　铜互连和低κ介质
18.9.2　量子隧道效应和高κ介质
18.10　结语
参考文献

《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》是一本实用而优秀的关于半导体芯片理论、制造和工艺设计的书籍。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》对半导体制造工艺和所需设备的解释是基于它们所遵守的基本的物理、化学和电路的规律来进行的，以便读者无论到达世界哪个地方的洁净室，都能尽快了解所使用的工艺和设备，并知道使用哪些设备、采用何种工艺来实现他们的设计和制造目标。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》理论结合实际，大部分的描述均围绕着实际设备和工艺展开，并配有大量的设备图、制造工艺示意图和半导体芯片结构图。《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》主要包括如下主题：基本概念，例如等离子设备中的阻抗失配和理论，以及能带和Clausius-Clapeyron方程；半导体器件和制造设备的基础知识，包括直流和交流电路、电场、磁场、谐振腔以及器件和设备中使用的部件；晶体管和集成电路，包括双极型晶体管、结型场效应晶体管和金属?半导体场效应晶体管；芯片制造的主要工艺，包括光刻、金属化、反应离子刻蚀（RIE）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、热氧化和注入等；工艺设计和解决问题的技巧，例如如何设计干法刻蚀配方，以及如何解决在博世工艺中出现的微米草问题。
《半导体芯片和制造——理论和工艺实用指南》概念清晰，资料丰富，内容实用，可作为微电子学与固体电子学、电子科学与技术、集成电路工程等专业的研究生和高年级本科生的教学参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。

廉亚光先生是美国伊利诺伊大学香槟分校何伦亚克微纳米技术实验室的研发工程师。在他近20年的工作经历中，他培训了上千名学生使用半导体制造设备。在廉先生来美国之前，他在中国河北半导体研究所工作了13年。在研究所期间，他负责管理一条半导体加工线，从离子注入到封装；与此同时，他还从事一部分集成电路设计工作。在半导体领域30多年的工作经历，使得廉先生对制造工艺中的关键点有着深刻的理解，在理论和设备方面有着深厚的知识。