半导体干蚀刻技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　日本生产工程权威奖项得主力作，图解与表格详实，带领工程师掌握半导体干蚀刻技术的全貌，提升现场即战力。

　　◎作者于1989年，以「有磁场微波电浆蚀刻技术的开发与实用化」受奖大河内纪念赏。1994年，以「低温干蚀刻设备的开发」受奖机械振兴协会赏通产大臣赏。
　　◎图解干蚀刻技术的原理与实务，让你一读即懂。
　　◎由制程直到设备、新技术，更进一步设置有关电浆损伤的章节，以便理解全貌并了解干蚀刻今后的课题与展望。

　　针对半导体干蚀刻技术涉及的电浆物理、化学、材料、电磁等复杂现象，循序解析，详解各环节的连带影响，提升现场即时应变的作战能力，为优秀工程师养成必备的工具书！

　　非等向性蚀刻是如何实现？为何Si的蚀刻使用Cl2及HBr，而SiO2的蚀刻则使用氟碳系列的气体？为何Poly-Si及Al的蚀刻使用ICP（电感耦合式电浆）之类的高密度电浆，而SiO2的蚀刻则使用中密度电浆于间距狭窄的平行板型蚀刻机？

　　本书告诉你这些连现场资深干蚀刻工程师都不见得充分理解的知识。
从干蚀刻技术的基础讲到应用，让初学者容易理解与整理；对于已有程度、经验的工程师而言，读之更加能理解、掌握干蚀刻技术的全貌。

　　《半导体干蚀刻技术》精彩内容请看：www.pressstore.com.tw/freereading/9789863581291.pdf

《晶体管之光：从硅片到数字世界的飞跃》 内容提要： 本书深入探讨了半导体器件的物理基础、制造工艺的演进以及它们如何共同构建了我们今日所依赖的数字世界。全书共分六个部分，从微观的材料科学聊起，逐步扩展到宏观的集成电路设计与系统应用，旨在为读者提供一个全面、深入且富有洞察力的半导体技术图景。我们聚焦于晶体管这一信息时代基石的起源、发展与未来趋势，而非特定的某一制造环节。 --- 第一部分：半导体物理的基石 本部分聚焦于理解半导体材料的本质特性。我们从固体物理学的基本概念出发，详细解析了能带理论在理解导体、绝缘体和半导体中的核心作用。重点阐述了本征半导体与掺杂半导体的区别，以及载流子（电子和空穴）的输运机制，包括漂移和扩散。 书中对杂质的引入——即P型和N型掺杂——进行了细致的数学建模和物理机制的阐述。我们深入分析了费米能级在不同温度和掺杂浓度下的变化规律，这是理解所有半导体器件工作原理的先决条件。此外，还探讨了载流子寿命、复合机制（如俄歇复合、辐射复合和陷阱辅助复合）对器件性能的制约作用。重点讨论了硅（Si）作为主流材料的优势，同时也展望了如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体在特定应用中的潜力。 第二部分：PN结的诞生与二极管的原理 本部分将物理学概念转化为实际器件——PN结。我们详尽分析了PN结的形成过程，从空穴和电子的扩散、漂移到内建电场的产生，最终形成一个动态平衡的耗尽区。书中提供了精确的Shockley二极管方程，并分析了该方程在不同偏置条件下的适用性与局限性。 我们详细研究了二极管的伏安特性曲线，包括正向导通、反向击穿机制（雪崩击穿和齐纳击穿）。随后，本书将理论应用于实际器件，介绍了齐纳二极管、肖特基二极管以及变容二极管等特种二极管的设计原理和典型应用场景，例如稳压、高频整流和混频。对光电二极管和发光二极管（LED）的光电转换机制也进行了专门的探讨，强调了载流子复合与光子发射之间的能量关系。 第三部分：MOS晶体管的结构与工作原理 这是全书的核心部分之一，专注于构成现代集成电路的场效应晶体管（FET）。本书选取金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为主要研究对象，详细剖析了其四层结构：金属栅极（Gate）、绝缘层（Oxide）、半导体衬底（Semiconductor）和反型层。 我们通过二维泊松方程和电荷守恒定律，推导了MOS电容特性曲线（C-V曲线），清晰地解释了阈值电压（$V_{th}$）的确定机制，包括费米能级移动、表面势以及固定氧化物电荷的影响。随后，转向工作状态分析，详细阐述了弱反型、强反型区的工作模式，并推导了晶体管在亚阈值区和线性区、饱和区的电流-电压（I-V）关系。对PMOS和NMOS晶体管的对称性和互补逻辑（CMOS）的优势进行了对比分析。 第四部分：集成电路的设计与优化 本部分将视角从单个器件扩展到数十亿个晶体管组成的复杂系统。我们首先介绍了集成电路制造中的薄膜沉积、光刻技术（不涉及具体蚀刻工艺细节）和掺杂技术在构建复杂电路中的作用，重点在于解释这些技术如何影响器件的几何尺寸和电学参数。 本书深入探讨了电路性能与器件尺寸的关系，分析了短沟道效应（如DIBL、沟道长度调制）对阈值电压和饱和电流的负面影响，并介绍了 FinFET 等新型器件结构在缓解这些效应上的创新思路。在设计层面，我们详细分析了互连线的寄生电阻和电容对信号延迟的影响，并介绍了设计中如何平衡功耗、速度与面积（PPA）的权衡艺术。电路的可靠性问题，如静电放电（ESD）保护和电迁移现象，也在本部分得到了充分讨论。 第五部分：半导体存储器的发展历程 本部分专注于信息存储领域，探讨了半导体技术如何实现数据的持久化和快速存取。我们从动态随机存取存储器（DRAM）的基本存储单元——由一个晶体管和一个电容构成——入手，分析了电荷保持机制、刷新操作的必要性以及高密度存储单元的设计挑战。 随后，转向静态随机存取存储器（SRAM），重点解析了六管SRAM单元的交叉耦合结构，解释了其无需刷新的特性以及读写操作的稳定性条件（如保持比）。最后，本部分展望了新型非易失性存储器，特别是浮栅晶体管（Flash Memory）的编程/擦除机制，以及相变存储器（PCM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）等下一代存储技术的基本工作原理和它们对未来计算架构的潜在影响。 第六部分：未来趋势与超越摩尔定律的探索 最后一部分着眼于半导体技术的未来发展方向，探讨在传统CMOS技术面临物理极限时，如何继续提升计算能力。我们分析了摩尔定律放缓的根本原因，并介绍了“后摩尔时代”的几大关键技术方向。 这包括但不限于：三维集成技术（3D ICs），如硅通孔（TSVs）的应用；新型材料的探索，如二维材料（如石墨烯、二硫化钼）在晶体管中的应用潜力；以及异构集成和系统级封装（SiP）对提升系统性能的意义。此外，我们还探讨了新型计算范式，如量子计算和类脑计算（Neuromorphic Computing）所需的特定半导体器件基础，以期为读者勾勒出半导体产业下一阶段的技术蓝图。 --- 本书特色： 本书的叙事逻辑清晰，从最基本的物理定律出发，层层递进至复杂的系统集成，避免了对单一、具体制造流程（如聚焦于某一类刻蚀技术）的过度描述。内容强调理论的严谨性与工程实现的关联性，旨在培养读者对半导体技术整体的系统性理解和前瞻性思维。全书配备了丰富的插图和数学推导，适合电子工程、材料科学、物理学专业的高年级本科生、研究生以及希望深入了解现代电子工业基础的专业技术人员阅读。

作者简介

野尻一男（Nojiri Kazuo）

　　■1973年　群马大学工学部电子工学科毕业。
　　■1975年　群马大学大学院工学研究科硕士课程修毕。
　　■1975年　进入日立制作所。在半导体事业部从事CVD、元件整合、干蚀刻的研究开发。尤其是关于ECR电浆蚀刻、充电损伤，进行先驱的研究。而且担任技术开发的领导，历任许多经理职务。
　　■2000年　进入Lam Research公司担任董事‧CTO至今。

　　主要受奖
　　■1989年　以「有磁场微波电浆蚀刻技术的开发与实用化」受奖大河内纪念赏。
　　■1994年　以「低温干蚀刻设备的开发」受奖机械振兴协会赏通产大臣赏。

　　主要着作
　　《先端电气化学》（丸善）共着
　　《半导体プロセスにおけるチャージング･ダメージ》(リアライズ社）共着

译者简介

倪志荣（Ni, Chih-Jung)

　　■1988年　国立清华大学毕业
　　■1991年　中日交流协会留日奖学生
　　■1993年　日本东京大学工学院硕士
　　■2014年　中部科学园区模范劳工
　　■曾任地球村美日语中心日语讲师

　　现职华邦电子公司模组技术发展部经理，从事DRAM与Flash的制程研发。

序言

译者序

第１章　半导体积体电路的发展与干蚀刻技术
1.1 干蚀刻的概要
1.2 关于干蚀刻的评鑑参数
1.3 在大型积体电路上干蚀刻技术所扮演的角色
参考文献

第２章　干蚀刻的机制
2.1 电浆的基础
1 电浆是什么
2 电浆的各物理量
3 电浆中的碰撞反应过程
2.2 离子鞘以及离子鞘内的离子行为
1 离子鞘与Vdc
2 离子鞘内的离子散射
2.3 蚀刻制程的建构方法
1 干蚀刻的反应过程
2 非等向性蚀刻的机制
3 侧壁保护过程
4 蚀刻率
5 选择比
6 总结
参考文献

第３章　各种材料的蚀刻
3.1 闸极蚀刻
1 Poly-Si闸极蚀刻
2 晶圆面内CD均匀度的控制
3 WSi2／Poly-Si闸极蚀刻
4 W／WN／Poly-Si闸极蚀刻
5 Si基板的蚀刻
3.2 SiO2蚀刻
1 SiO2蚀刻的机制
2 SiO2蚀刻的关键参数
3 孔洞系列的蚀刻
4 SAC蚀刻
5 Spacer蚀刻
3.3 连线蚀刻
1 Al连线蚀刻
2 Al连线的防腐蚀处理技术
3 其它连线材料的蚀刻
3.4 总结
参考文献

第４章　干蚀刻设备
4.1 干蚀刻设备的历史
4.2 圆筒型电浆蚀刻机
4.3 CCP电浆蚀刻机
4.4 磁电管RIE
4.5 ECR电浆蚀刻机
4.6 ICP电浆蚀刻机
4.7 干蚀刻设备的实例
4.8 静电吸盘
1 静电吸盘的种类以及吸附原理
2 晶圆温度控制的原理
参考文献

第５章　干蚀刻损伤
5.1 导入Si表层的损伤
5.2 充电损伤
1 充电损伤的评鑑方法
2 充电的发生机制
3 各种蚀刻设备的充电评鑑与减低方法
4 起因于图形的闸极氧化层破坏
参考文献

第６章　新蚀刻技术
6.1 Cu 镶嵌蚀刻
6.2 Low-k蚀刻
6.3 使用多孔型Low-k的镶嵌连线
6.4 金属闸极／High-k蚀刻
6.5 FinFET蚀刻
6.6 双重图形定义
6.7 用于3D IC的蚀刻技术
参考文献

第７章　干蚀刻技术今后的课题与展望
7.1 关于干蚀刻的技术革新
7.2 今后的课题与展望
7.3 作为工程师的心理准备
参考文献

自序

　　干蚀刻技术作为半导体元件的微缩、高积体化的手段，与微影技术构成双璧的关键技术，所参与的工程师人数也几乎与微影相同的多。微影技术由于解析度取决于光波长和NA（透镜的数值孔径），比较容易理解。相对而言，干蚀刻技术在反应室引起的现象复杂而不容易理解。此外，由于蚀刻是利用电浆的物理、化学反应进行，需要电力、物理、化学的综合知识。演变的结果，实际上从事干蚀刻的工程师在许多场合，仰赖着经验和直觉做事。非等向性蚀刻是如何实现？为何Si的蚀刻使用Cl2及HBr，而SiO2的蚀刻则使用氟碳系列的气体？为何Poly-Si及Al的蚀刻使用ICP（电感耦合式电浆）之类的高密度电浆，而SiO2的蚀刻则使用中密度电浆于间距狭窄的平行板型蚀刻机？关于这样的事，很多初学者在不具备充分的理解及知识的情况下，突然就被送进了现场。而且，即使是干蚀刻的资深工程师，也有并不充分理解这些事的例子。

　　干蚀刻虽然往往处于隐藏在微影背后的地位，但却是如同开头所述与微影技术构成双璧的关键技术。换言之，（l）Si、SiO2、金属等，每种材料有特定的设备与制程技术；（2）Cu镶嵌连线加工、新材料加工等，新的领域连续不断的诞生；（3）使用带电粒子的缘故所产生的电浆损伤，是降低元件良率的元凶，机制的阐明与对策是必要的；（4）当今热门话题的双重图形定义，干蚀刻比微影更为重要，左右尺寸大小的精度与偏差。因应如此各式各样的材料，并且愈来愈高度化的加工技术，让今后想要从事的工程师，应当对干蚀刻技术具有充分的理解加以面对，并且需求针对初学者的教科书。

　　本书採用与以往书籍相异的独特方法，将干蚀刻技术由基础到应用，让初学者能够理解的加以归纳整理。以往的干蚀刻书籍，大多动辄偏重于艰深的电浆理论，或是反而从头到尾罗列干蚀刻技术的数据。本书的执笔则是尽量不使用数学式，让初学者也能容易的理解干蚀刻的机制。此外，由制程直到设备、新技术，考量能系统的理解。更进一步，设置电浆损伤的章节，以便能够理解全貌，也是特征之一。

　　本书不仅让初学者能容易的理解干蚀刻技术的原理，也能获得更切实际的知识。此外，虽然以初学者为对象撰写，但是对于已经累积某种程度经验的工程师，在能够理解干蚀刻技术的全貌上，期望也能有所助益。本书若能对从事干蚀刻相关工作的工程师，在工作的执行上给予方针，至感甚幸。


译者序

　　译者就职华邦电子前，曾任职于峰安金属、林阳实业以及远东纺织化纤总厂。当有机会聊到自己过去的职涯时，偶而会调侃自己待过金属、玻璃、纺织、电子等四大产业，剩下养猪业还没去过（莞尔）。根据个人亲身经历，在电子产业中，光是晶圆厂的半导体前段制程就远比上述其他三种产业复杂，而且技术的跃进更是日新月异。如果不求进步或转型，恐怕只有等着关厂、解散一途。

　　回顾1996年译者初进半导体业，当时DRAM的量产是以0.45微米技术生产16MB记忆容量的晶片，而如今泛用型DRAM已经使用25奈米的技术量产2GB以上记忆容量的晶片，18年来推进了12个世代。

　　除了DRAM之外，其它诸如NOR与NAND等大宗的记忆体，以及台湾傲视全球的晶圆代工产业的主力──逻辑IC，也是不遑多让的朝向微缩、积体化迈进。如同本书所述，其中尤以微影和干蚀刻为关键技术，而干蚀刻由于牵涉到电浆物理、化学、材料、电磁等复杂的现象，优秀工程师的养成更属不易。

　　本书作者具有丰富的业界经验，深知工程师在专业知识上的需求为何。原书的英文译本《Dry Etching Technology for Semiconductors》也于2014年10月出版。希望本中文译本能在半导体干蚀刻工程师的基础教育上，略尽棉薄之力。

第3章　各种材料的蚀刻
 
在本章，针对实际被使用于半导体制造程序的材料的蚀刻作解说。关于半导体制程的蚀刻大致分为：(1)Si系列的蚀刻；(2）介电层系列的蚀刻；(3）连线材料的蚀刻。在本章，举例在各范畴中构成基础技术的闸极蚀刻、孔洞系列的SiO2蚀刻、间隙壁蚀刻以及Al合金层积金属结构的蚀刻，针对这些作详细说明。在此并不侷限于只是各论，关于支配蚀刻的参数及其控制方法，也能够理解的作解说。构成方式是关于这些蚀刻如果能先加以理解，对于其它材料也能有效的应用。例如，在闸极蚀刻，虽然针对Poly-Si闸极、WSi2/Poly-Si闸极、W/WN/Poly-Si闸极的蚀刻叙述，但是如果完全的理解这些，关于STI及W连线等的蚀刻，也能够以类似的途径构筑制程。而且在闸极蚀刻，不仅是加工形状，晶圆面内的图型尺寸的偏差该如何降低，也是强烈的被要求。关于这点，也从支配图型尺寸的晶圆面内均匀度的参数为何，还有其控制方法为何的观点，加以解说。
 
SiO2的蚀刻机制与Si系列不同，而且适合蚀刻的电浆也不同。因此在本章针对蚀刻机制，以及支配蚀刻的关键参数，也深入的解说，并且能够理解气体系统的构成方法，以及间距狭窄的平行板型蚀刻机被使用的理由等。
 
在Al连线蚀刻方面，也谈论到在制造工程上造成问题的Al腐蚀，并且针对其对策方法作解说。此外，关于连线，取代Al连线的Cu镶嵌连线技术目前已成为主流，关于这点则在第六章的「新蚀刻技术」中叙述。
 
3.1 闸极蚀刻
 
首先一开始针对闸极蚀刻作叙述。闸极蚀刻的工程流程如同已经在第一章的图1-5所说明。闸极乃决定电晶体特性的重要部分，特别是由于MOS电晶体的临界电压（Vth）取决于闸极尺寸，蚀刻完成后的尺寸（CD）的控制非常重要。在65nm之后的节点，逻辑元件的物理上闸极长度变成在45nm以下，接近25nm。在该处，不仅是CD本身的精度，CD的晶圆面内的偏差也强烈的被要求抑制变低。例如，在CD为30nm的闸极，就300mm晶圆面内的CD均匀度（3σ）而言，被要求须在3nm以下。蚀刻形状理所当然被要求垂直形状，而且，随着微缩化的同时，对于愈来愈薄膜化的闸极氧化层，被要求须有高选择比。就闸极材料而言，在逻辑元件是Poly-Si，而在DRAM则是WSi2/Poly-Si或W／WN／Poly-Si层积结构被使用中。

评分☆☆☆☆☆

这本《半导体干蚀刻技术》简直就是一本“干货”十足的宝典！我之前对干蚀刻的理解，可能还停留在比较表面的层面，知道它比湿蚀刻更精细，但具体是怎么实现的，里面有多少门道，完全没有概念。读了这本书，我才真正明白，原来一个简单的“蚀刻”动作背后，涉及了多么复杂的物理化学过程。书中对于等离子体诊断技术，例如Langmuir探针、Optical Emission Spectrometry (OES) 等的介绍，让我对如何实时监测和控制蚀刻过程有了全新的认识。这些诊断工具不仅仅是实验室里的摆设，在实际生产线上，它们是确保工艺稳定性的关键。而且，书中还深入探讨了“金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）”和“原子层沉积（ALD）”等辅助工艺在干蚀刻过程中的协同作用，以及如何通过这些技术来解决一些传统干蚀刻难以克服的难题。我特别欣赏作者在讲解这些复杂概念时，会用很多形象的比喻和生动的图示，让我在脑海中能够勾勒出整个工艺流程的画面感，而不是死记硬背那些枯燥的定义。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对材料科学一直很感兴趣的读者，这本《半导体干蚀刻技术》给了我很多意想不到的启发。我原本以为这本书只关注于“如何蚀刻”，但实际上，它更侧重于“为什么这样做”以及“这样做的后果”。书中对不同蚀刻工艺对材料微观结构的影响，比如晶格损伤、表面形貌变化等，都有非常细致的分析。我之前接触过一些关于半导体材料的书籍，但它们更多地是描述材料本身的性质，而这本书则把材料和工艺紧密地结合起来，让我看到了材料在不同工艺条件下的“生命力”。尤其是在探讨“刻蚀阻挡层”和“侧壁保护层”的设计时，作者结合了材料化学和界面物理的知识，解释了如何在蚀刻过程中保护不需要被移除的区域，同时又能精确地定义需要蚀刻的图形。书中关于“纳米压印”等一些新兴技术的提及，也让我看到了未来半导体制造的发展趋势，这本书的前瞻性让我觉得非常超值。

评分☆☆☆☆☆

读《半导体干蚀刻技术》这本书，给我最深刻的感受就是它的“接地气”。虽然是讲解尖端技术，但作者并没有像某些理论书籍那样，一开始就抛出一大堆抽象的概念。他们很聪明地从大家比较熟悉的半导体制造流程入手，然后自然而然地引出干蚀刻在其中的必要性和不可替代性。书中对于各种干蚀刻方法，比如反应离子蚀刻（RIE）、电感耦合等离子体蚀刻（ICP-RIE）等，都进行了详细的比较和分析。我尤其对书中关于“选择比”和“各向异性”的讨论印象深刻。作者通过大量的实验数据和模拟结果，展示了如何通过调整工艺参数，比如等离子体功率、气体流量、压力、衬底温度等，来优化蚀刻图形的垂直度和侧壁光滑度，这对于提升芯片的性能和良率至关重要。书中还提到了很多在实际生产中会遇到的问题，比如“光刻胶的剥离”、“反应腔的污染”等等，并且给出了相应的解决方案。这些内容对于我们这些在工厂一线工作的技术人员来说，简直就是宝贵的经验分享，让我觉得这本书不仅仅是一本技术手册，更是一位经验丰富的前辈在传授“独门秘籍”。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我最初买《半导体干蚀刻技术》这本书，是因为工作需要，但读完之后，我发现它远不止是一本工具书，更是一本引人入胜的科普读物。作者的叙事风格非常独特，他们将非常专业的技术内容，用一种抽丝剥茧的方式娓娓道来。书中不仅讲解了各种蚀刻技术的原理，还穿插了大量的历史发展过程，比如从最早的湿法蚀刻到干法蚀刻的演变，以及不同技术流派的争论和发展。这些历史的沉淀，让我对这项技术有了更深刻的理解，也更能体会到工程师们在技术发展道路上的艰辛和智慧。书中对于“设备可靠性”和“工艺可重复性”的强调，也让我意识到，在半导体制造这样高度精密的领域，每一个微小的细节都至关重要。我尤其喜欢书中在结尾部分对未来干蚀刻技术发展方向的展望，比如对更高精度、更高效率、更环保蚀刻技术的探索，这让我对半导体产业的未来充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

这本《半导体干蚀刻技术》的封面设计就相当吸引人，那种低饱和度的蓝色配上银色的标题字，给人一种专业、冷静又带点科技未来感的印象。翻开书，我立刻被它严谨的排版和清晰的图表所吸引。我本来以为这本书会充斥着晦涩难懂的化学式和物理公式，毕竟是半导体工艺嘛，听起来就很硬核。但没想到，作者用了一种非常易懂的方式来讲解。他们从最基础的等离子体发生原理讲起，解释了为什么干蚀刻比湿蚀刻在微米级甚至纳米级的加工中更具优势，比如更精确的图形转移、更低的侧壁腐蚀等等。书中对各种蚀刻气体，像是氟类、氯类气体的特性，以及它们与不同材料（硅、二氧化硅、氮化硅等等）的反应机理，都做了非常细致的梳理。而且，书里还穿插了一些实际的工艺案例，比如在制造DRAM或NAND Flash中，干蚀刻扮演的关键角色，这让我这个在科技行业打拼多年的工程师，突然间对平时工作中接触到的环节有了更深层次的理解。尤其是在介绍各种反应腔的设计，以及等离子体源（如CCP、ICP）对蚀刻速率和选择性的影响时，我感觉就像是在听一场大师级的讲座，收获满满。