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本书对微纳制造技术的各个领域都给出了一个全面透彻的介绍，覆盖了集成电路制造所涉及的所有基本单项工艺，包括光刻、等离子体和反应离子刻蚀、离子注入、扩散、氧化、蒸发、气相外延生长、溅射和化学气相淀积等。对每一种单项工艺，不仅介绍了它的物理和化学原理，还描述了用于集成电路制造的工艺设备。本书新增了制作纳米集成电路及其他半导体器件所需的各种基本单项工艺，还介绍了22 nm 的FinFET 器件、氮化镓LED 及薄膜太阳能电池、新型微流体器件的制造工艺流程。

目    录
第1篇  综述与题材
第1章  微电子制造引论	2
1.1  微电子工艺：一个简单的实例	3
1.2  单项工艺与工艺技术	5
1.3  本课程指南	7
1.4  小结	7
第2章  半导体衬底	8
2.1  相图与固溶度°	8
2.2  结晶学与晶体结构°	12
2.3  晶体缺陷	13
2.4  直拉法(Czochralski法)单晶生长	19
2.5  Bridgman法生长GaAs	26
2.6  悬浮区熔法及其他单晶生长方法	27
2.7  晶圆片制备及其规格	29
2.8  小结与未来发展趋势	30
习题	31
参考文献	32
第2篇  单项工艺I：热处理与离子注入
第3章  扩散	36
3.1  一维费克扩散方程	36
3.2  扩散的原子模型	37
3.3  费克定律的解析解	42
3.4  常见杂质的扩散系数	45
3.5  扩散分布的分析	48
3.6  SiO2中的扩散	54
3.7  扩散分布的数值模拟	56
3.8  小结	60
习题	60
参考文献	62
第4章  热氧化	65
4.1  迪尔-格罗夫氧化模型	65
4.2  线性与抛物线速率系数	67
4.3  初始阶段的氧化	71
4.4  SiO2的结构	73
4.5  氧化层的特性	74
4.6  硅衬底及多晶硅氧化过程中掺杂剂的影响	80
4.7  硅的氮氧化物	83
4.8  其他可选的栅绝缘层+	84
4.9  氧化系统	86
4.10 氧化工艺的数值模拟+	88
4.11 小结	90
习题	90
参考文献	93
第5章  离子注入	97
5.1  理想化的离子注入系统	97
5.2  库仑散射°	103
5.3  垂直投影射程	103
5.4  沟道效应与横向投影射程	109
5.5  注入损伤	110
5.6  浅结的形成+	114
5.7  埋层介质+	116
5.8  离子注入系统的问题和关注点	118
5.9  注入分布的数值模拟+	119
5.10 小结	121
习题	121
参考文献	123
第6章  快速热处理	127
6.1  灰体辐射、热交换与光吸收	128
6.2  高强度光源与反应腔设计	130
6.3  温度的测量	133
6.4  热塑应力°	136
6.5  杂质的快速热激活	138
6.6  介质的快速热处理	140
6.7  金属硅化物与接触的形成	141
6.8  其他可选的快速热处理系统	143
6.9  小结	144
习题	144
参考文献	145
第3篇  单项工艺2：图形转移
第7章  光学光刻	152
7.1  光学光刻概述	152
7.2  衍射°	156
7.3  调制传输函数与光学曝光	158
7.4  光源系统与空间相干性	161
7.5  接触式与接近式光刻机	166
7.6  投影式光刻机	168
7.7  先进掩模概念+	175
7.8  表面反射与驻波	178
7.9  对准	179
7.10 小结	180
习题	181
参考文献	182
第8章  光刻胶	185
8.1  光刻胶类型	185
8.2  有机材料与聚合物	185
8.3  DQN正性光刻胶的典型反应	187
8.4  对比度曲线	189
8.5  临界调制传输函数	192
8.6  光刻胶的涂敷与显影	192
8.7  二阶曝光效应	197
8.8  先进的光刻胶与光刻胶工艺+	200
8.9  小结	203
习题	204
参考文献	206
第9章  非光学光刻技术+	209
9.1  高能射线与物质之间的相互作用°	209
9.2  直写电子束光刻系统	212
9.3  直写电子束光刻：总结与展望	218
9.4  X射线与EUV光源°	219
9.5  接近式X射线系统	221
9.6  接近式X射线光刻的薄膜型掩模版	223
9.7  EUV光刻	225
9.8  投影式电子束光刻(SCALPEL)	226
9.9  电子束与X射线光刻胶	228
9.10  MOS器件中的辐射损伤	230
9.11 软光刻与纳米压印光刻	232
9.12 小结	235
习题	235
参考文献	236
第10章  真空科学与等离子体	241
10.1  气体动力学理论	241
10.2  气体的流动及其传导率	244
10.3  压力范围与真空泵	246
10.4  真空密封与压力测量	252
10.5  直流辉光放电°	253
10.6  射频放电	255
10.7  高密度等离子体	257
10.8  小结	260
习题	260
参考文献	262
第11章  刻蚀	264
11.1  湿法刻蚀	265
11.2  化学机械抛光	270
11.3  等离子体刻蚀的基本分类	272
11.4  高压等离子体刻蚀	273
11.5  离子铣	280
11.6  反应性离子刻蚀	283
11.7  反应性离子刻蚀中的损伤+	287
11.8  高密度等离子体(HDP)刻蚀	289
11.9  剥离技术	290
11.10 小结	292
习题	292
参考文献	293
第4篇  单项工艺3：薄膜
第12章  物理淀积：蒸发和溅射	302
12.1  相图：升华和蒸发	302
12.2  淀积速率	303
12.3  台阶覆盖	307
12.4  蒸发系统：坩锅加热技术	309
12.5  多组分薄膜	311
12.6  溅射简介	312
12.7  溅射物理	313
12.8  淀积速率：溅射产额	314
12.9  高密度等离子体溅射	316
12.10 形貌和台阶覆盖	318
12.11 溅射方法	321
12.12 特殊材料的溅射	323
12.13 淀积薄膜内的应力	325
12.14 小结	326
习题	327
参考文献	328
第13章  化学气相淀积	332
13.1  一种用于硅淀积的简单CVD系统	332
13.2  化学平衡与质量作用定律	333
13.3  气体流动与边界层	337
13.4  简单CVD系统的评价	340
13.5  介质的常压CVD	341
13.6  介质与半导体在热壁系统中的低压CVD	343
13.7  介质的等离子体增强化学气相淀积	348
13.8  金属的CVD+	351
13.9  原子层淀积	354
13.10 电镀铜	356
13.11 小结	358
习题	359
参考文献	360
第14章  外延生长	365
14.1  晶圆片清洗和自然氧化层去除	366
14.2  气相外延生长的热动力学	369
14.3  表面反应	372
14.4  掺杂剂的引入	374
14.5  外延生长缺陷	375
14.6  选择性生长+	376
14.7  卤化物输运GaAs气相外延	377
14.8  不共度和应变异质外延	378
14.9  金属有机物化学气相淀积(MOCVD)	381
14.10 先进的硅气相外延生长技术	386
14.11 分子束外延技术	388
14.12  BCF理论+	392
14.13 气态源MBE与化学束外延+	396
14.14 小结	397
习题	397
参考文献	398
第5篇  工 艺 集 成
第15章  器件隔离、接触与金属化	407
15.1  PN结隔离与氧化物隔离	407
15.2  硅的局部氧化(LOCOS)技术	410
15.3  沟槽隔离	412
15.4  绝缘层上硅隔离技术	415
15.5  半绝缘衬底	416
15.6  肖特基接触	418
15.7  注入形成的欧姆接触	422
15.8  合金接触	425
15.9  多层金属化	426
15.10 平坦化与先进的互连工艺	431
15.11 小结	436
习题	437
参考文献	438
第16章  CMOS工艺技术	443
16.1  基本的长沟道器件特性	443
16.2  早期的MOS工艺技术	445
16.3  基本的3 ?m工艺技术	446
16.4  器件的等比例缩小	450
16.5  热载流子效应与漏工程	458
16.6  闩锁效应	461
16.7  浅源/漏与特定沟道掺杂	463
16.8  通用曲线与先进CMOS工艺	465
16.9  一个纳米尺度CMOS工艺	467
16.10 非平面CMOS	469
16.11 小结	471
习题	471
参考文献	474
第17章  其他类型晶体管的工艺技术	480
17.1  基本的MESFET工作原理	480
17.2  基本的MESFET工艺技术	481
17.3  数字电路工艺技术	482
17.4  单片微波集成电路工艺	486
17.5  调制掺杂场效应晶体管(MODFETs)	489
17.6  双极型器件回顾：理想与准理想特性	491
17.7  双极型晶体管的性能	492
17.8  早期的双极型工艺技术	495
17.9  先进的双极型工艺技术	498
17.10 双极-CMOS兼容工艺技术(BiCMOS)	505
17.11 薄膜晶体管	508
17.12 小结	511
习题	511
参考文献	515
第18章  光电子与光伏器件工艺技术	520
18.1  光电子器件概述	520
18.2  直接带隙的无机材料发光二极管	522
18.3  聚合物/有机发光二极管	526
18.4  激光器	528
18.5  光伏器件概述	529
18.6  硅基光伏器件制造技术	531
18.7  其他光伏器件制造技术	533
18.8  小结	535
参考文献	536
第19章  微机电系统	539
19.1  力学基础知识	540
19.2  薄膜中的应力	542
19.3  机械量到电量的变换	543
19.4  常见MEMS器件力学性质	546
19.5  体微机械制造中的刻蚀技术	549
19.6  体微机械工艺流程	556
19.7  表面微机械制造基础	559
19.8  表面微机械工艺流程	562
19.9  MEMS执行器	565
19.10 大深宽比的微系统技术(HARMST)	568
19.11 微流控器件	570
19.12 小结	574
习题	575
参考文献	576
附录I  缩写词与常用符号	581
附录II  部分半导体材料的性质	588
附录III  物理常数	589
附录IV  单位转换因子	590
附录V  误差函数的一些性质	593

前    言  
本书旨在向广大读者介绍与微电子及纳米尺度制造相关的工艺技术，本书既可以用作大学高年级本科生和/或一年级研究生的教材，也可以作为专业工程技术人员的参考书，写作本书的目的是为读者提供一本易读易懂的书。书中同时覆盖了硅器件工艺技术、砷化镓器件工艺技术及氮化镓器件工艺技术，但是重点仍然放在硅基工艺技术上，在与砷化镓及氮化镓器件工艺相关的章节中还简要介绍了一些有机化合物材料器件和薄膜器件。本书假定读者已经学过一年的物理课程、一年的数学课程(包括简单的微分方程)和一门化学课程。大多数具有机电工程背景的学生也一定学过至少一门包含PN结和MOS晶体管内容的半导体物理与器件课程，这些知识对于本书最后五章是非常有用的。对于那些以前从未接触过这些知识的学生或者那些对上述知识现在已经感到有点生疏的学生，我们在本书第16～18章的第一节中将会复习这些内容。
典型的微电子学教材通常把完整的制造工序划分成一系列单项工艺，重复这些单项工艺就可以制造出集成电路。因此本书具有综述的特点：它包含许多联系并不紧密的题材，每个题材都具有各自不同的背景材料。为此本书每一章中都包含了工程技术所基于的科学原理，这些章节标有符号“ ”，以便区分永远不变的科学定律和这些定律在现有技术中的应用，并附有所有近似及适用范围的说明。例如，任何一种光学光刻技术都具有一个有限的生命周期，而衍射定律却是永远成立的。
讲授这类课程时经常会遇到的第二个问题是，描述各种工艺过程的方程往往无法得到解析解。本书应用了目前普遍采用的Silvaco公司提供的一套商业化模拟工具，这是一套工业化的标准应用软件，它对教育机构的售价非常低廉。截至目前，作者尚未发现有任何其他类似的开源模拟工具。注意，使用这一软件的目的是要扩充而不是完全替代学习描述微电子工艺过程的基本方程。为了进一步丰富本书的基本内容，书中还额外增加了相关章节来介绍多项工艺技术的集成及一些更先进的工艺技术，增加的这些章节都标有符号“+”。如果时间不允许，那么这些章节也可以略去不讲，且不会影响本课程基本内容的完整性。
第四版的新特色
我们在本书第四版中增加了许多新的题材，以反映微纳制造工艺技术的最新研究进展，这些新增加的内容包括：
?  闪烁退火与尖峰退火工艺(第6章)
?  极紫外(EUV)光刻工艺(第9章)
?  氮化镓(GaN)外延生长与掺杂(第14章)
?  应用于35 nm以下光刻工艺的双重曝光技术(第7章)
?  非光学光刻技术中更新的一些章节(第9章)
?  以实际45 nm技术节点为例的一个纳米尺度CMOS工艺结构介绍(第16章)
?  规划用于22 nm及以下技术节点的三栅或FinFET器件CMOS工艺(第16章)
?  单晶硅与薄膜太阳能电池制造技术(第18章)
?  氮化镓发光二极管制造工艺(第18章)
?  微流控器件制造工艺(第19章)
最后，我要向审阅本书第四版的下列人士表示感谢：
?  科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)的Sumit Agarwal教授
?  马萨诸塞大学阿默斯特分校的(University of Massachusetts at Amherst)的Massimo V. Fischetti教授
?  亚利桑那州立大学(Arizona State University)的Trevor Thornton教授
?  西弗吉尼亚大学(West Virginia University)的Xian-An Cao教授
本书第四版的许多改动都来自上述各位审阅者中肯的建议，在此我要向他们认真的工作致以诚挚的谢意。

Stephen A. Campbell

Stephen A. Campbell，美国明尼苏达大学电子与计算机工程系的教授，同时兼任该校纳米制造中心和纳米结构应用中心的主任。无论是在学术界还是在工业界，他在微电子工艺制造领域都有着较高的知名度和广泛的经验。<BR>许军， 清华大学微电子学研究所研究员、博士生导师，参与并负责了多项重点科研项目的研究工作，包括国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金国际合作项目、国家高技术研究发展计划（863）项目、国家重点基础研究发展计划（973）项目、国家科技重大专项等，目前主要从事半导体器件与集成电路领域的教学与科研工作，同时还承担了“半导体器件电子学”及“半导体器件物理进展”等专业核心课程的教学工作。

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微电子制造科学原理与工程技术（第四版）