◆圖書簡介◆

《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》是一本實用而優秀的關于半導體芯片理論、制造和工藝設計的書籍。《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》對半導體制造工藝和所需設備的解釋是基于它們所遵守的基本的物理、化學和電路的規律來進行的，以便讀者無論到達世界哪個地方的潔凈室，都能盡快了解所使用的工藝和設備，并知道使用哪些設備、采用何種工藝來實現他們的設計和制造目標。

《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》理論結合實際，大部分的描述均圍繞著實際設備和工藝展開，并配有大量的設備圖、制造工藝示意圖和半導體芯片結構圖。《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》主要包括如下主題：基本概念，例如等離子設備中的阻抗失配和理論，以及能帶和Clausius-Clapeyron方程；半導體器件和制造設備的基礎知識，包括直流和交流電路、電場、磁場、諧振腔以及器件和設備中使用的部件；晶體管和集成電路，包括雙極型晶體管、結型場效應晶體管和金屬?半導體場效應晶體管；芯片制造的主要工藝，包括光刻、金屬化、反應離子刻蝕（RIE）、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）、熱氧化和注入等；工藝設計和解決問題的技巧，例如如何設計干法刻蝕配方，以及如何解決在博世工藝中出現的微米草問題。

《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》概念清晰，資料豐富，內容實用，可作為微電子學與固體電子學、電子科學與技術、集成電路工程等專業的研究生和高年級本科生的教學參考書，也可供相關領域的工程技術人員參考。

◆目錄◆

前言

第1章　基本概念的引入

1.1　什么是芯片

1.2　歐姆定律和電阻率

1.3　導體、絕緣體和半導體

參考文獻

第2章　理論簡介

2.1　量子力學的產生

2.2　能帶

參考文獻

第3章　早期無線電通信

3.1　電報技術

3.2　電子管

參考文獻

第4章　電路的基本知識

4.1　電路及其元件

4.2　電場

4.3　磁場

4.4　交流電

第5章　半導體的進一步探討和二極管

5.1　半導體的能帶

5.2　半導體摻雜

5.3　半導體二極管

參考文獻

第6章　晶體管和集成電路

6.1　雙極型晶體管

6.2　結型場效應晶體管

6.3　金屬?半導體場效應晶體管

6.4　金屬?絕緣層?半導體場效應晶體管

參考文獻

第7章　半導體工業的發展歷程

7.1　半導體產品及結構簡介

7.2　半導體工業發展簡史

7.3　晶體管和硅晶圓尺寸的變化

7.4　潔凈室

7.5　平面工藝

參考文獻

第8章　半導體光子器件

8.1　發光器件和發光原理

8.2　發光二極管

8.3　半導體二極管激光器

8.3.1　諧振腔

8.3.2　光的反射和折射

8.3.3　異質結材料

8.3.4　粒子數反轉和閾值電流密度

參考文獻

第9章　半導體光探測和光電池

9.1　數字照相機和電荷耦合器件

9.2　光電導器

9.3　晶體管激光器

9.4　太陽能電池

參考文獻

第10章　硅晶圓的制造

10.1　從硅石到多晶硅

10.2　化學反應

10.3　拉單晶

10.4　拋光和切片

參考文獻

第11章　工藝的基本知識

11.1　集成電路的結構

11.2　光學系統的分辨率

11.3　為什么在工藝中使用等離子體

參考文獻

第12章　光刻工藝

12.1　光刻工藝的步驟

12.1.1　清洗

12.1.2　脫水烘干

12.1.3　涂膠

12.1.4　前烘

12.1.5　對位和曝光

12.1.6　顯影

12.1.7　檢查

12.1.8　堅膜

12.1.9　去膠膜

12.2　光刻掩膜版對位圖形的設計

12.3　當代光刻機技術

參考文獻

第13章　介質膜的生長

13.1　二氧化硅膜的生長

13.1.1　二氧化硅的熱氧化工藝

13.1.2　LTO工藝

13.1.3　二氧化硅PECVD工藝

13.1.4　在APCVD系統中進行TEOS+O3的沉積

13.2　氮化硅膜的生長

13.2.1　LPCVD

13.2.2　氮化硅PECVD工藝

13.3　原子層沉積技術

參考文獻

第14章　刻蝕和反應離子刻蝕（RIE）系統介紹

14.1　濕法刻蝕

14.2　干法刻蝕中的RIE系統

14.2.1　RIE工藝流程和設備結構

14.2.2　工藝室

14.2.3　真空泵

14.2.4　射頻電源和匹配電路

14.2.5　氣瓶和質量流量計

14.2.6　加熱和冷卻

參考文獻

第15章　干法刻蝕的進一步探討

15.1　RIE的刻蝕界面

15.1.1　情形1

15.1.2　情形2

15.2　RIE刻蝕速率

15.3　Ⅲ-Ⅴ族半導體和金屬的干法刻蝕

15.4　刻蝕界面的控制

15.4.1　光刻膠窗口的形狀對刻蝕界面的影響

15.4.2　碳對刻蝕速率和截面的影響

15.5　其他問題

15.5.1　RIE和PECVD的區別

15.5.2　Si和SiO2干法刻蝕的區別

15.6　電感耦合等離子體（ICP）技術和博世工藝

15.6.1　電感耦合等離子體技術

15.6.2　博世工藝

參考文獻

第16章　金屬工藝

16.1　熱蒸發技術

16.2　電子束蒸發技術

16.3　磁控濺射技術

16.4　熱和電子束蒸發與磁控濺射的主要區別

16.5　金屬的剝離工藝

16.6　金屬的選擇和合金工藝

16.6.1　金屬的選擇

16.6.2　金屬的合金

參考文獻

第17章　摻雜工藝

17.1　摻雜的基本介紹

17.2　擴散的基本原理

17.3　熱擴散

17.4　雜質在SiO2內的擴散和再分布

17.5　最小SiO2掩蔽層厚度

17.6　雜質在SiO2掩蔽膜下的分布

17.7　擴散雜質源

17.8　擴散層的參數

17.9　四探針測試方塊電阻

17.10　離子注入工藝

17.11　離子注入的理論分析

17.12　注入后雜質的分布

17.13　注入雜質的種類和劑量

17.14　掩蔽膜的最小厚度

17.15　退火工藝

17.16　埋層注入

17.16.1　通過掩蔽層的注入

17.16.2　SOI制備

參考文獻

第18章　工藝控制監測、芯片封裝及其他問題

18.1　介質膜質量檢測

18.2　歐姆接觸檢測

18.3　金屬之間的接觸

18.4　導電溝道控制

18.5　芯片測試

18.6　劃片

18.7　封裝

18.8　設備使用時的操作范圍

18.9　低κ和高κ介質

18.9.1　銅互連和低κ介質

18.9.2　量子隧道效應和高κ介質

18.10　結語

參考文獻

◆前言◆

“半導體工藝工程師”這個標簽貫穿于我整個職業生涯。作為研發工程師，我在伊利諾伊大學香檳分校何倫亞克微納米技術實驗室（Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory，HMNTL）工作了近20年。該實驗室的核心部分是潔凈室，里面布置了不同種類的設備，以用于制造各種各樣的半導體器件。這個實驗室向整個校園和社會開放。到目前為止，我已培訓千余人使用潔凈室里的設備，大部分的培訓對象是博士研究生。這些培訓經歷，使我有機會應對各種問題，并幫助不同的使用者解決不同類型的技術難題。

在多年的培訓中，我接觸到不同背景的學生，他們大部分具有電氣工程（EE）或電氣計算機工程（ECE）背景，但有些人就沒有這些背景。不具備EE或ECE背景的學生缺乏半導體及其制造工藝的基本知識，而具備了EE或ECE背景的學生也需要補充工藝的工作原理和設備的基本結構方面的知識。對工藝和設備理解不足，這不僅發生在許多具備EE或ECE背景的博士研究生們的身上，甚至還發生在一些博士后的身上。這種現象產生的一個重要原因是他們沒有從所遵循的物理和化學的原理來理解工藝和設備。對于這些現象的思考和來自學生們的鼓勵，促使我寫了《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》一書。

我們現在用芯片來描述半導體器件和集成電路（IC）。為了滿足不具備EE或ECE背景的讀者需求，《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》包含半導體的概念、理論、歷史，以及芯片的基本結構。這些內容會給他們理解半導體制造工藝打下基礎。為了幫助具備EE或ECE背景的讀者更好地理解工藝和設備，《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》努力從物理定律、化學反應和電路的角度來描述工藝原理、設備結構和工藝配方（process recipe）的設計。它不僅告訴讀者如何做工藝，還闡述了工藝為何如此設計。《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》把半導體制造工藝和大學潔凈室里使用的設備結合了起來，所以，《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》會給不同背景的讀者帶來大的益處。

《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》是以基本概念和生活中的例子來開始討論，對許多讀者來說，這是一本方便使用的圖書。它用簡單的語言來描述復雜的概念和理論，可滿足不同層次讀者的需求，這些讀者包含本科生、研究生、研究人員、工程師和教授。《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》會為讀者提供一條通往半導體研究、工藝和制造的成功之路。針對學生或工程師在半導體工藝中常遇到的問題，讀者可以從《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》中找到有益的建議和解決的方案，這些建議和方案是基于我幾十年的工作經歷得到的。而且，讀者在《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》中還能看到一些有用的實驗結果，這些結果將為他們開展的工藝工作提供幫助。

在當今時代，半導體技術已被廣泛用于許多領域。《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》也是寫給那些雖然其專業不是半導體，但有意在芯片的研發和制造中有所作為的讀者。至于那些不太了解半導體及其工藝的讀者，只要他們掌握了基本的物理、化學和電路知識，通過閱讀《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》，就能容易和快速地掌握半導體的理論、原理和制造工藝。在《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》中，讀者能夠學到基本的概念和技巧，這些對于開發半導體工藝是必需的。當他們采用半導體技術來改善產品質量或提高項目的研究水平時，也可以將這些概念和技巧運用其中。
沒有HMNTL，我不可能完成《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》的寫作。在HMNTL，我和同事們有著美好的時光。在此，我想對我這些非凡的同事們表示感謝：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。從他們那里，我學習了更多的大學潔凈室的布局和管理；從他們那里，我還在設備維修、工藝配方設計和參數測試上得到了許多幫助。我很高興能和他們共事多年。

在《半導體芯片和制造——理論和工藝實用指南》的寫作過程中，我得到了許多朋友的幫助。在寫作的初期，Ruijie Zhao博士給了我很好的建議，Wenjuan Zhu博士審閱了我的初稿，Anming Gao博士鼓勵我寫作本書，Raman Kumar和Alvin Flores先生幫助我解決了書中一些理論方面的問題。尤其要感謝我的外甥Tianyi Bai—一個賓夕法尼亞大學的研究生，他在本書的一些方面給出了建設性的觀點。最后，我要感謝誕生于半導體技術的互聯網，通過互聯網，我能方便地找到我所需要的信息。在這里，我深深感謝允許我使用他們圖片的公司和個人。

廉亞光　　
伊利諾伊大學香檳分校　　
美國伊利諾伊州香檳市