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　　 硅积体电路制程的特征尺寸缩小到深次微米(deep submicron meter)，经历几个阶段，0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm，现阶段以达到0.10μm0.07μm。相关的制程、设备、材料或场务设施，都有革命性的更新和进步。微影照像是受到影响最大的制程。DRAM的电晶体的闸极结构和材料、工程。高介电常数材料使电容量保持够大。金属化制程、阻障层、内嵌、快闪、铁电记忆体结构等。高深宽比的干蚀刻制程需要高密度电浆；降低阻容延迟(RC delay)使用低介电常数材料和铜制程。新制程有双大马士革(dual damascene)、电镀(electro plating)、无电极电镀(electroless plating)和∕或金属有机化学气相沉积(MOCVD)。21世纪－奈米元件更制作出单电子电晶体。晶圆尺寸由8吋扩大到12吋，为的不止是提高良率、提高机器使用率；也考虑到生产力，节省工厂面积、还要兼顾人工学(ergonomics)和减少化学药液以利环保。

　　本书配合拙着电子材料、半导体制程设备、工业电子学构成一完整系列。期望给想从事半导体的同学和研究生，或和半导体制程相关行业的工程师、经理、教授、老师们一项便捷的参考。

作者简介

张劲燕

学历：
交通大学电子工程研究所博士

经历：
明新工专电子科副教授（或兼科主任）
逢甲大学电子系副教授
逢甲大学电机系副教授（或兼系主任）

现职：
逢甲大学电子系副教授

专长
　　半导体元件、物理
　　VLSI制程设备及厂务
　　奈米科技
　　积体电路构装

《半导体制造工艺：从硅片到集成电路的精微之旅》 内容简介 本书深入剖析了现代集成电路（IC）制造领域的核心技术与前沿挑战，旨在为读者提供一个从基础材料到复杂器件构筑的全面、系统的认知框架。我们聚焦于半导体制造的实际流程，详细阐述了微电子领域最关键的物理和化学过程，强调理论理解与工程实践的紧密结合。 第一部分：基础材料与前驱体 本部分首先建立对半导体材料科学的基础认知。重点讨论了硅（Si）作为主流基底材料的物理特性、晶体生长技术，特别是直拉法（CZ）单晶硅的制备过程及其缺陷控制。硅晶圆的准备工作，包括切割、研磨、抛光（CMP）技术，对后续器件性能的至关重要性被细致讲解。此外，我们还探讨了先进衬底技术，如SOI（绝缘体上硅）结构，及其在射频和低功耗应用中的优势。 对于薄膜的沉积，我们系统区分了物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。在PVD部分，详细介绍了溅射（Sputtering）的机理、等离子体特性及其在金属互连层中的应用。CVD部分则深入探讨了热力学控制、反应动力学以及原子层沉积（ALD）的超薄层精确控制能力，特别是在高介电常数（High-k）栅介质材料的应用方面。 第二部分：光刻技术——微缩化的核心驱动力 光刻（Photolithography）被视为决定集成电路特征尺寸和密度的核心技术。本章首先梳理了光刻原理，从掩模（Mask）的设计、光刻胶（Photoresist）的化学成分、涂胶、曝光到显影的全过程。我们深入分析了不同波长光源对分辨率的影响，详述了从G线、I线到深紫外（DUV，如KrF和ArF）系统的演进，并着重探讨了浸没式光刻（Immersion Lithography）如何突破衍射极限，实现亚波长成像。 更为关键的是，本书投入大量篇幅讨论了极紫外光刻（EUVL）的技术瓶颈与突破。这包括光源的产生（激光等离子体）、反射式光学系统的设计、光掩模的缺陷检测与修复（PDR）技术，以及光刻胶对软X射线的响应特性。此外，非光学（Patterning）技术，如电子束直写（E-beam Direct Write）和纳米压印（Nanoimprint Lithography, NIL）作为光刻的有效补充和替代方案，也被进行了比较性分析。 第三部分：刻蚀与介质层处理 刻蚀（Etching）是实现图形转移的关键步骤。本部分区分了湿法刻蚀（Wet Etching）和干法刻蚀（Dry Etching）。干法刻蚀是现代IC制造的主流，我们重点剖析了反应离子刻蚀（RIE）和深度反应离子刻蚀（DRIE，如Bosch工艺）。详细解释了等离子体中离子轰击的能量控制、各向异性刻蚀的机理，以及如何通过优化工艺窗口来控制侧壁的粗糙度和均匀性。 在介质层处理方面，本书涵盖了氧化（Thermal Oxidation）——二氧化硅的形成过程及其在栅介质中的局限性。针对先进工艺节点对栅氧性能的要求，我们详细分析了High-k/Metal Gate（HKMG）堆栈的引入，包括前驱体选择、ALD沉积、退火工艺（Annealing）对材料电学性能的调控，以及金属栅极的集成挑战。 第四部分：掺杂、退火与薄膜应力控制 掺杂（Doping）是定义半导体器件导电类型的核心手段。离子注入（Ion Implantation）被作为主要技术进行阐述，包括离子源的设计、注入能量对穿透深度的影响，以及高剂量注入带来的晶格损伤。针对浅结（Ultra-shallow Junction）的形成难题，本书详细讨论了快速热退火（RTA）和激光退火（LA）在激活注入杂质、修复损伤和控制结深方面的作用与限制。 在金属互连的构建方面，我们深入研究了铜（Cu）互连技术。由于铜原子的高扩散性，其与硅的隔离至关重要，因此对阻挡层（Barrier Layer，如TaN/Ta）的沉积和电镀（Electroplating）铜工艺进行了详尽的论述。同时，对互连线的平坦化技术——化学机械抛光（CMP）的机理、磨料选择及去除速率的控制进行了深入分析，这是实现多层金属堆叠的关键。 第五部分：先进封装与可靠性挑战 随着芯片尺寸的不断缩小，传统的封装技术面临瓶颈。本部分转向先进封装技术，探讨了芯片尺寸的缩小（Scaling）如何延伸到封装层面。详细介绍了倒装芯片（Flip Chip）、系统级封装（SiP）以及2.5D/3D异构集成（如TSV，硅通孔技术）的制造工艺。TSV的制造涉及深孔刻蚀、介质填充和晶圆键合（Bonding），这些步骤对晶圆的机械强度提出了极高要求。 最后，本书探讨了制造过程中的关键可靠性问题，包括电迁移（Electromigration）、静电放电（ESD）防护设计、以及工艺引入的金属和电介质缺陷对器件寿命的影响，为读者在实际工程中预测和提升产品长期性能提供了理论指导。 本书结构严谨，图文并茂，理论推导辅以实际工程案例，适合微电子、材料科学、物理学等相关专业的高年级本科生、研究生及致力于半导体制造领域工作的工程师阅读。

作者简介
序

第1章　微影照像 1
1.1　绪　论2
1.2　ULSI微影技术的延伸与极限6
1.3　提升光学微影制程的技术12
1.4　深次微米微影照像19
1.5　电子束微影技术30
1.6　光罩和图规35
1.7　阻剂和抗反射覆盖42
1.8　参考文献55
1.9　习　题58

第2章　低介电常数材料及其制程 59
2.1　绪　论60
2.2　低介电常数材料用于ULSI64
2.3　材料种类和演进69
2.4　金属前介电质73
2.5　含二氧化硅的介电质75
2.5.1　掺氟的二氧化硅（SiOF）　75
2.5.2　超微孔硅土　79
2.5.3　掺碳的二氧化硅　80
2.6　其他的无机低介电常数材料80
2.6.1　含氢的硅酸盐（HSQ）　81
2.6.2　含甲基的硅酸盐（MSQ）　82
2.6.3　黑钻石　83
2.6.4　混成有机硅氧烷高分子（HOSP）　84
2.6.5　氮化硼系　84
2.7　有机低介电常数材料85
2.7.1　芳香族碳氢化合物（SiLK）　85
2.7.2　掺氟的聚对二甲苯醚（FLARE）　87
2.7.3　苯并环丁烯（BCB）　88
2.7.4　氟化的非晶相碳（a-C：F）　88
2.7.5　含氟的聚对二甲苯（parylene－F，AF－4）　91
2.7.6　聚四氟乙烯（PTFE）　92
2.7.7　聚亚醯胺（polyimide）　92
2.7.8　聚芳烯醚（PAE）　94
2.8　特性量测、蚀刻96
2.9　参考文献98
2.10　习　题100

第3章　高介电常数材料制程 101
3.1　绪　论102
3.2　顺电和铁电材料104
3.3　钛酸锶钡和电容结构107
3.4　钛锆酸铅和钽酸铋锶铁电材料113
3.5　薄膜制作115
3.5.1　氧化钽薄膜的制作　115
3.5.2　钽酸铋锶薄膜的制作　116
3.5.3　铁电薄膜制作　117
3.6　铁电薄膜的可靠度和特性分析119
3.7　蚀刻制程121
3.8　参考文献122
3.9　习　题124

第4章　闸极工程技术 125
4.1　绪　论126
4.2　深次微米制程的闸极129
4.3　金属硅化物131
4.3.1　多晶硅金属硅化物　132
4.3.2　自行对齐金属硅化物制程　133
4.3.3　硅化物在VLSI的应用　137
4.4　闸极结构和技术139
4.4.1　双多晶硅闸极　139
4.4.2　多晶硅锗闸极技术　143
4.4.3　金属闸极制程　144
4.5　闸极介电层147
4.5.1　高介电常数（high K）材料　148
4.5.2　超薄氧化层　149
4.5.3　闸极介电层的量测　154
4.6　浅沟渠隔离156
4.7　浅接面和升起式源极汲极160
4.8　基板工程164
4.9　电浆制程损伤166
4.10　未来展望168
4.11　参考文献170
4.12　习　题171

第5章　金属连线技术 173
5.1　绪　论174
5.2　铝和阻障金属175
5.3　物理气相沉积181
5.3.1　蒸镀　181
5.3.2　溅镀　181
5.4　先进的物理气相沉积183
5.4.1　过泸式的高垂直方向性溅镀　183
5.4.2　离子化的溅镀技术　183
5.4.3　提高薄膜迁移率的溅镀技术　184
5.4.4　活性离子溅镀　186
5.5　化学气相沉积187
5.5.1　低压化学气相沉积　188
5.5.2　电子回旋共振化学气相沉积　193
5.5.3　金属有机化学气相沉积　195
5.6　参考文献199
5.7　习　题200

第6章　铜制程 201
6.1　绪　论202
6.2　铜制程的优缺点204
6.3　铜制程应用于ULSI208
6.4　扩散阻障层及其制作216
6.4.1　离子化金属电浆　219
6.4.2　磁控溅镀　222
6.4.3　金属有机化学气相沉积　223
6.5　铜晶种层及其制作224
6.5.1　离子化金属电浆　224
6.5.2　金属有机化学气相沉积　225
6.5.3　无电极电镀　226
6.6　电镀铜231
6.7　其他沉积铜的方法237
6.7.1　金属有机化学气相沉积　237
6.7.2　选择性沉积　239
6.7.3　指向性溅镀　242
6.7.4　干式填洞法　245
6.7.5　电子回旋共振电浆溅镀混合法　246
6.7.6　雷射退火回流法　246
6.7.7　铜合金化制程　247
6.8　铜的蚀刻249
6.8.1　湿式蚀刻　249
6.8.2　干式蚀刻　249
6.8.3　化学机械研磨　250
6.9　制程难题和化学机械研磨251
6.10　环保对策255
6.11　参考文献262
6.12　习　题264

第7章　高密度电浆干蚀刻267
7.1　绪　论268
7.2　高密度电浆源269
7.3　电子回旋共振（ECR）蚀刻276
7.3.1　物理机制　278
7.3.2　微波系统　281
7.3.3　蚀刻机系统　287
7.4　感应耦合式电浆（ICP）蚀刻296
7.4.1　蚀刻机系统　298
7.4.2　静电吸盘　302
7.4.3　电脑模拟和控制　303
7.5　电浆特性检测306
7.5.1　兰牟尔探针　306
7.5.2　毫米波干涉仪　309
7.5.3　离子能量分析仪　309
7.5.4　光谱量测与分析　309
7.5.5　温度量测　319
7.6　制程监督和终点侦测310
7.6.1　雷射干涉仪和雷射反射　311
7.6.2　光发射光谱术　311
7.6.3　质谱仪　313
7.7　晶圆电浆洗净314
7.8　参考文献317
7.9　习　题319

第8章　半导体记忆体元件 321
8.1　绪　论322
8.2　制程技术发展的趋势324
8.3　DRAM的电容器328
8.3.1　沟槽电容　333
8.3.2　堆叠电容　336
8.3.3　制程整合　339
8.4　内嵌式DRAM340
8.5　快闪记忆体349
8.5.1　记忆胞结构　350
8.5.2　记忆体阵列　361
8.6　铁电记忆体369
8.7　参考文献376
8.8　习　题378

第9章　十二吋晶圆 379
9.1　绪　论380
9.2　晶圆的品质规格382
9.3　晶圆切片抛光和清洗383
9.4　晶圆洗净384
9.5　晶圆回收390
9.6　自动化391
9.7　离子植入393
9.8　参考文献397
9.9　习　题398

第10章　半导体奈米元件 399
10.1　绪　论400
10.2　奈米科技在半导体402
10.3　奈米材料405
10.4　奈米电子元件的制作和应用408
10.5　单电子电晶体411
10.6　扫描探针量测419
10.7　参考文献425
10.8　习　题426

第11章　厂务设施 427
11.1　绪　论428
11.2　洁净室430
11.3　化学污染及化学空气过泸器435
11.4　迷你环境和局部洁净化438
11.5　传输设备系统443
11.6　气　体445
11.7　质流控制器447
11.8　超纯水448
11.8.1　高效率逆渗透系统（HERO）　449
11.8.2　电极游离化　450
11.9　地震灾害及对策453
11.10　参考文献459
11.11　习　题460
索　引463

评分☆☆☆☆☆

這本《VLSI概論》真的非常對味！身為一個在業界奮鬥了幾年，但偶爾還是會覺得自己某些地方「懂的不夠深」的工程師，我一直在尋找一本能幫助我串聯起整個VLSI設計流程的書籍。很多書可能專注於某個細節，例如前端設計（Frontend）或後端設計（Backend），但卻忽略了兩者之間的連結。這本書就非常巧妙地填補了這個空白。它從前端的規格定義、邏輯設計，一路講到後端的物理實現，像是佈局（Layout）、繞線（Routing）、時序分析（Timing Analysis），每個環節都介紹得很到位，而且最重要的是，它強調了各個環節之間的相互影響。我特別喜歡書中關於「設計規則檢查」（DRC）和「電氣規則檢查」（ERC）的部分，不只是告訴你這是什麼，而是解釋了為什麼需要這些檢查，以及違反規則可能帶來的災難性後果。這種「知其所以然」的講解方式，對於我們這種需要實際解決問題的人來說，實在是太重要了。而且，書中的圖解都非常清晰，讓人一目了然，不像有些書的圖，看了半天也不知道在畫什麼。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，我對「概論」這類型的書通常是敬而遠之，因為它們經常淪為各種知識點的堆砌，缺乏系統性和深度，讀起來很零散。但這本《VLSI概論》卻顛覆了我這個刻板印象。它以一個非常宏觀的角度，將整個VLSI設計從概念到實現的過程，有機地串聯了起來。作者並沒有過度強調某些特定的技術細節，反而著重於讓讀者建立起對整個生態系的理解。我尤其欣賞它在探討不同製程節點（Process Node）時，不是單純列出各種縮小數字，而是深入分析了不同製程所帶來的優勢與挑戰，以及在實際設計中需要考量的因素。書中關於「功耗優化」的章節，也讓我受益匪淺，它不只介紹了各種功耗降低的技術，更分析了它們在不同應用場景下的適用性，這對我們這種需要平衡效能和功耗的設計人員來說，是非常寶貴的參考。總體而言，這本書提供了一個非常好的框架，讓我在面對日益複雜的VLSI設計時，能夠有一個更清晰的思路和更全面的視野。

评分☆☆☆☆☆

天啊！我終於等到這本《VLSI概論》了！身為一個在半導體產業打滾多年的老兵，每次要找一本真正能打中要害、又不會過於學術到讓人打瞌睡的VLSI入門書，都像大海撈針一樣。市面上充斥著太多理論派的巨著，翻開來就頭昏眼花，更別提那些寫給博士班學生的進階讀物，簡直是天書。但這本《VLSI概論》不一樣！我翻了一下目錄，那些我實際在工作中遇到的挑戰，像是設計流程的眉角、各種製程技術的取捨、以及為什麼有些電路就是跑得比別人慢，書裡居然都有淺顯易懂的解釋。最讓我驚豔的是，它居然還有針對新手最頭痛的佈局布線（Layout）部分，用非常貼近實際操作的方式去講解，甚至還附帶了一些我看都沒看過的軟體操作建議，雖然我個人比較習慣用自己的工具，但光是看到作者的用心，就覺得值回票價了。總之，這本書絕對是我過去十年來在VLSI領域看到最實用、最有幫助的一本入門教材，推薦給所有想進入半導體領域，或是想釐清一些基本概念的工程師們，絕對不會讓你失望！

评分☆☆☆☆☆

老實說，我一開始對這本《VLSI概論》並沒有抱持太高的期望。畢竟「概論」這兩個字，通常代表著內容會比較廣泛但深度不足，很容易流於表面。而且，市面上關於VLSI的書，我看了不少，很多都寫得像論文一樣，充斥著艱澀的數學公式和複雜的電路圖，對我這種不是科班出身、半路出家進入這行的人來說，簡直是天大的考驗。然而，這本書卻出乎意料地帶來了驚喜。它用了非常生活化、甚至可以說是「講故事」的方式來闡述一些核心概念，例如它在解釋 CMOS 的工作原理時，居然用了一個非常貼切的比喻，讓我瞬間就理解了那種開關的邏輯。還有在講到面積、功耗、效能（Area, Power, Performance, APP）這三個永恆的三角關係時，也不是單純列出公式，而是透過幾個實際的設計案例，讓我們看到設計師在取捨時的考量。最重要的是，它沒有刻意去回避一些新手常犯的錯誤，反而把它們當作學習的契機，引導讀者思考如何避免。這本書讓我覺得，原來學習複雜的技術，也可以這麼有趣且不那麼令人畏懼。

评分☆☆☆☆☆

我必須說，這本《VLSI概論》是我近期讀過最令人感到「踏實」的技術書籍了。在這個瞬息萬變的半導體產業，更新換代的速度之快，常常讓人應接不暇。很多新技術、新名詞不斷出現，但卻缺乏一個好的管道去理解其核心。這本書就扮演了這樣一個角色。它沒有用花俏的術語來包裝，而是用最直白的語言，去解釋 VLSI 設計中最基本、但也最關鍵的原理。我特別欣賞它在介紹「時序約束」（Timing Constraints）和「時序分析」（Timing Analysis）時，不僅僅是給出公式，而是透過一些簡化的時序圖，來模擬訊號傳播延遲的過程，這讓那些原本覺得頭痛的時序問題，變得清晰可見。此外，書中關於「可靠性」（Reliability）和「測試性」（Testability）的討論，也是我之前比較忽略的部分，這本書讓我深刻理解到，一個設計的成功，不只在於功能實現，更在於它的穩定性和可維護性。總之，這是一本能夠幫助你打好基礎，並且對整個 VLSI 設計有全面認識的優秀讀物。