名师讲科技前沿系列--图解芯片技术

半导体集成电路（IC）元件的核心是芯片，被称为“工业之米”。芯片已渗透到社会生活的各个领域，不仅机器设备，就连我们生活中不可或缺的电子手表、电冰箱、洗衣机、电饭锅、手机等也离不开芯片。

以大数据、云计算为支撑，人们正在逐步实现各种机器的智能化。这些机器具有人的感知，能收集、加工各种信息，主动地行某种目的的操作，经过学习训练（机器学习）还能从事技术含量更高的工作等。而这一切，都是以各种芯片为基础的。

芯片大约以每3年一代（集成度翻两番）的速度日新月异地发展。尽管目前已有减速的迹象，但信息化、多媒体化、数字化、智能化的程仍在继续。所有这些都有赖于电子技术及作为其核心的芯片技术的持续展。

芯片除在装置、设备中扮演“部件”的角色外，其自身作为一个体系也在不断发展、化。从这种意义上讲，将芯片形容为“化中的细胞”或许更确切些。

时至今日，我国口额的物资，不是石油、天然气，也不是粮食，而是芯片。我国每年芯片的口额高达2600多亿美元，约折合1.7万亿元人民币。装备制造业的芯片相当于人的心脏，心脏不强，体量再大也不算强。我国要在芯片技术上加快实现重大突破，勇攀世界半导体科技高峰。

芯片是信息革命的核心技术和主要推动力，可以说，现在每一个信息产业的步，都离不开芯片的发展。特别是当下的移动互联网和人工智能时代，表面上看是苹果手机、谷歌人工智能、互联网公司APP大行其道，但其背后，是许多芯片在支撑海量数据的计算、处理、传输和通信。

没有芯片的安全，就没有信息的安全。核心的技术是买不来的，必须依靠自主创新。经过多年努力，我国芯片研发已取得明显步，一些领域有重大突破，但与西方国家相比，我们的芯片产业依然有很大差距。

目前，一方面芯片技术正日益广泛、深入和快速地应用到现代社会的各个领域，而另一方面，很多人对芯片技术的了解、对其本质的认识却一知半解，人云亦云。由于涉及大量尖端技术，难度极高，且芯片制作封闭于“与世隔绝”的超净工作间，普通人很难了解其中的奥妙。同时，由于多学科交叉，即使某一学科的专家，也难以做到“一专百通”。面对涉及面广、发展快、内容新而又相当深奥的半导体技术和芯片技术，迫切需要深入浅出、通俗易懂、内容广泛、学科交叉，既针对现实又照顾到历史由来和发展前景的科普读物。

《图解芯片技术》是“名师讲科技前沿”系列中的一册，其目的是全方位地介绍半导体及集成电路的基本知识。针对制造现场出现的，生产者和使用者经常考虑的、想要知道的、经常听别人谈起的问题，简要地回答是什么和为什么，不仅能使读者入门，而且对于芯片的前沿领域的现状和发展也有了解。本书可供从事芯片产业或关联领域，以及在芯片工艺、制造装置、制造材料等领域与技术或经营相关的读者学习借鉴。

针对入门者、应用者和研究开发者等多方面的需求，本书在汇集大量资料的前提下，采用图文并茂的形式，全面且简明扼要地介绍芯片工作原理，集成电路材料，制作工艺，芯片的新展、新应用及发展前景等。采用每章之下“节节清”的论述方式，左文右图，图文对照，并给出“本节重点”。力求做到深入浅出，通俗易懂；层次分明，思路清晰；内容丰富，重点突出；选材新颖，强调应用。

本书得到清华大学本科教材立项资助并受到清华大学材料学院的全力支持。原稿承蒙蔡坚、吴华强教授审阅，并采纳了他们的宝贵意见，少部分内容还利用了吴华强教授的讲稿，在此表示衷心感谢。

芯片技术涉及电路设计、制作、封装、测试及材料等各个方面，作者水平有限，不妥之处，恳请读者批评指正。

田民波

针对入门者、应用者及研究开发者的多方面的需求，《图解芯片技术》在汇集大量资料的前提下，采用图文并茂的形式，全面且简明扼要地介绍芯片工作原理，集成电路材料，制作工艺，芯片的新展、新应用及发展前景等。采用每章之下“节节清”的论述方式，左文右图，图文对照，并给出“本节重点”。力求做到深入浅出，通俗易懂；层次分明，思路清晰；内容丰富，重点突出；选材新颖，强调应用。

本书可供微电子、材料、物理、精密仪器等学科本科生及相关领域的工程技术人员参考。

田民波，清华大学，材料学院，教授，博士生导师，长期从事材料学的教学预可研工作，在电子材料、封装技术、磁性材料、粉体材料等领域取得了原创性成就。已经和现承担的课题有：(1)国 家级科学基金重大项目“高密度封装的应用基础研究”，(2)国际合作项目“零收缩率LTCC研究”，(3)“十五”预研项目“新型叠层LCCC-3D MCM封装技术研究”，(4)“863”项目“银掺合型聚合物导体材料的研究和开发”，(5)“985”面上项目“低温共烧陶瓷多层基板及高密度封装研究等

第1章  集成电路简介

1.1  概述2

1.1.1  从分立元件到集成电路2

1.1.2  由硅圆片到芯片再到封装4

1.1.3  三极管的功能——可以比作通过水闸的水路6

1.1.4  n沟道MOS（nMOS）三极管的工作原理 8

1.1.5  截止状态下MOS器件中的泄漏电流10

1.2  半导体硅材料——集成电路的核心与基础12

1.2.1  MOS型与双极结型晶体管的比较12

1.2.2  CMOS构造的断面模式图（p型硅基板）14

1.2.3  快闪存储器单元三极管“写入”“擦除”“读取”的工作原理16

1.3  集成电路元件的分类18

1.3.1  IC的功能及类型18

1.3.2  RAM和ROM20

1.3.3  半导体器件的分类方法22

1.4  半导体器件的制作工艺流程24

1.4.1  前道工艺和后道工艺24

1.4.2  IC芯片制造工艺流程简介26

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集成电路发展史上的十大里程碑事件28

第2章  从硅石到晶圆

2.1  半导体硅材料36

2.1.1  硅是目前重要的半导体材料36

2.1.2  单晶硅中的晶体缺陷38

2.1.3  pn结中杂质的能级40

2.1.4  按电阻对绝缘体、半导体、导体的分类42

2.2  从硅石到金属硅，再到99.999999999%的高纯硅44

2.2.1  从晶石原料到半导体元器件的制程44

2.2.2  从硅石还原为金属硅46

2.2.3  多晶硅的析出和生长48

2.3  从多晶硅到单晶硅棒50

2.3.1  改良西门子法生产多晶硅 50

2.3.2  直拉法（Czochralski，CZ法）拉制单晶硅52

2.3.3  区熔法制作单晶硅54

2.3.4  直拉法中位错产生的原因及消除措施56

2.4  从单晶硅到晶圆58

2.4.1  晶圆尺寸不断扩大 58

2.4.2  先要行取向标志的加工60

2.4.3  将硅坯切割成一片一片的硅圆片62

2.4.4  硅圆片有各种不同的类型64

2.5  抛光片、退火片、外延片、SOI片66

2.5.1  抛光片和退火片66

2.5.2  外延片68

2.5.3  SOI片70

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“硅是上帝赐予人类的宝物”72

第3章  集成电路制作工艺流程

3.1  集成电路逻辑LSI元件的结构74

3.1.1  双极结型器件的结构74

3.1.2  硅栅MOS器件的结构76

3.1.3  硅栅CMOS器件的结构78

3.1.4  BiCMOS器件和SOI器件的结构80

3.2  LSI的制作工艺流程82

3.2.1  利用光刻形成接触孔和布线层的实例82

3.2.2  曝光，显影84

3.2.3  光刻工程发展梗概86

3.2.4  “负型”和“正型”光刻胶感光反应原理88

3.2.5  光刻工艺流程90

3.2.6   硅圆片清洗、氧化、绝缘膜生长——光刻92

3.2.7  绝缘膜区域刻蚀——栅氧化膜的形成94

3.2.8  栅电极多晶硅生长——向n沟道源-漏的离子注入96

3.2.9  向p沟道的光刻、硼离子注入——欧姆接触埋置98

3.2.10  第1层金属膜生长——电极焊盘形成100

3.2.11  铜布线的大马士革工艺 102

3.2.12  如何发展我们的IC芯片制造产业104

3.3  IC芯片制造工艺的分类和组合106

3.3.1  IC芯片制造中的基本工艺 106

3.3.2  IC芯片制造中的复合工艺108

3.3.3  工艺过程的模块化110

3.3.4  基板工艺和布线工艺112

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世界集成电路产业发展的领军人物114

第4章  薄膜沉积和图形加工

4.1  DRAM元件和LSI元件中使用的各种薄膜120

4.1.1  元件结构及使用的各种薄膜120

4.1.2  DRAM中电容结构的变迁122

4.1.3  DRAM中的三维结构存储单元124

4.1.4  薄膜材料在集成电路中的应用126

4.2  IC制作用的薄膜及薄膜沉积（1）——PVD法128

4.2.1  VLSI制作中应用不同种类的薄膜128

4.2.2  多晶硅薄膜在集成电路中的应用130

4.2.3  IC制程中常用的金属132

4.2.4  真空蒸镀134

4.2.5  离子溅射和溅射镀膜136

4.3  IC制作用的薄膜及薄膜沉积（2）——CVD法138

4.3.1  用于VLSI制作的CVD法分类138

4.3.2  CVD中主要的反应装置140

4.3.3  等离子体CVD（PCVD）过程中传输、 反应和成膜的过程142

4.3.4  晶圆流程中的各种处理室方式144

4.4  IC制作用的薄膜及薄膜沉积（3）——各种方法的比较146

4.4.1  各种成膜方法的比较146

4.4.2  热氧化膜的形成方法148

4.4.3  热氧化膜的形成过程150

4.4.4  用于VLSI的薄膜种类和制作方法 152

4.4.5  用于VLSI制作的CVD法154

4.5  布线缺陷的改和消除——Cu布线代替Al布线156

4.5.1  影响电子元器件寿命的大敌——电迁移156

4.5.2  断线和电路缺陷的形成原因以及预防、修补措施158

4.5.3  Cu布线代替Al布线的理由160

4.5.4  用电镀法即可制作Cu布线162

4.5.5  铝用于IC芯片的优缺点 164

4.6  曝光光源不断向短波长展166

4.6.1  如何由薄膜加工成图形166

4.6.2  几种常用的光曝光方法168

4.6.3  光刻对周边技术的要求170

4.6.4  曝光波长的变迁及相关的技术保证172

4.6.5  光刻系统的发展及展望174

4.7  光学曝光技术176

4.7.1  图形曝光装置的分类及变迁176

4.7.2  光曝光方式178

4.7.3  近接曝光和缩小投影曝光180

4.7.4  曝光中的各种位相补偿措施182

4.8  电子束曝光和离子束曝光技术184

4.8.1  电子束曝光技术184

4.8.2  低能电子束近接曝光（LEEPL）技术186

4.8.3  软X射线缩小投影(EUV)曝光技术188

4.8.4  离子束曝光技术190

4.9  干法刻蚀替代湿法刻蚀192

4.9.1  刻蚀技术在VLSI制作中的应用192

4.9.2  干法刻蚀与湿法刻蚀的比较194

4.9.3  干法刻蚀装置的种类及刻蚀特征196

4.9.4  干法刻蚀（RIE模式）反应中所发生的现象198

4.9.5  高密度等离子体刻蚀装置200

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世界芯片产业的十大领头企业202

第5章  杂质掺杂——热扩散和离子注入

5.1  集成电路制造中的热处理工艺208

5.1.1  IC芯片制程中的热处理工艺（Hot Process）208

5.1.2  热氧化膜的形成技术210

5.1.3  至关重要的栅绝缘膜212

5.2  用于杂质掺杂的热扩散工艺214

5.2.1  LSI制作中杂质导入的目的214

5.2.2  杂质掺杂中离子注入法与热扩散法的比较216

5.2.3  求解热扩散杂质的浓度分布218

5.2.4  热处理的目的——推，平坦化，电气活性化220

5.2.5  硅中杂质元素的行为222

5.3  精准的杂质掺杂技术（1）——离子注入的原理224

5.3.1  离子注入原理224

5.3.2  离子注入装置226

5.3.3  低能离子注入和高速退火228

5.3.4  离子注入的浓度分布230

5.4  精准的杂质掺杂技术（2）——离子注入的应用232

5.4.1  标准的MOS三极管中离子注入的部位232

5.4.2  基本的阱构造及倒梯度阱构造234

5.4.3  单阱形成236

5.4.4  双阱形成238

5.4.5  离子注入在CMOS中的应用240

5.4.6  离子注入用于浅结形成242

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“核心技术是国之重器”244

第6章  摩尔定律能否继续有效

6.1  多层化布线已入第4代246

6.1.1  多层化布线——适应微细化和高集成度的要求246

6.1.2  第1代和第2代多层化布线技术——逐层沉积和玻璃流平248

6.1.3  第3代多层化布线技术——导入CMP250

6.1.4  第4代多层化布线技术——导入大马士革工艺252

6.2  铜布线的单大马士革和双大马士革工艺254

6.2.1  Cu大马士革布线逐渐代替Al布线254

6.2.2  大马士革工艺即中国的景泰蓝金属镶嵌工艺256

6.2.3  从Al布线 W柱塞到Cu双大马士革布线258

6.2.4  Cu双大马士革布线结构及可能出现的问题260

6.3  摩尔定律能否继续有效？262

6.3.1  半导体器件向巨大化和微细化发展的两个趋势262

6.3.2  芯片集成度不断沿摩尔定律轨迹前264

6.3.3 “摩尔定律并非物理学定律”,“而是描述产业化的定律” 266

6.3.4  “踮起脚来，跳起来摘苹果”268

6.4  新材料的导入——“制造材料者制造技术”270

6.4.1  多层布线层间膜，DRAM电容膜，Cu布线材料270

6.4.2  硅材料体系仍有潜力（1）272

6.4.3  硅材料体系仍有潜力（2）274

6.4.4  化合物半导体焕发活力276

6.5  如何实现器件的高性能？278

6.5.1  整机对器件的高性能化要求越来越高278

6.5.2  器件的高性能化依赖于新工艺、新材料280

6.5.3  要同时从基板工艺和布线工艺入手282

6.6  从100nm到7nm——以材料和工艺的创新为支撑284

6.6.1  纯硅基MOS管和多晶硅/high-k基MOS管284

6.6.2  金属栅/high-k基MOS管和鳍式场效应晶体管（FinFET）286

6.6.3  90nm——应变硅288

6.6.4  45nm——high-k绝缘层和金属栅极290

6.6.5  22nm——鳍式场效应晶体管292

6.6.6  7nm —— EUV 光刻和 SiGe-Channel294

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集聚强的力量打好核心技术研发攻坚战296

参考文献297