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第一章 硅晶体和非晶体1

1.1硅的晶体结构1

1.1.1晶胞1

1.1.2原子密度2

1.1.3共价四面体2

1.1.4晶体内部的空隙3

1.2晶向、晶面和堆积模型3

1.2.1晶向3

1.2.2晶面5

1.2.3堆积模型7

1.2.4双层密排面9

1.3硅晶体中的缺陷9

1.3.1点缺陷9

1.3.2线缺陷11

1.3.3面缺陷13

1.3.4体缺陷13

1.4硅中的杂质13

1.5杂质在硅晶体中的溶解度16

1.6非晶硅结构和特性18

1.6.1非晶硅的结构19

1.6.2非晶网络模型20

1.6.3非晶态半导体的制备方法21

1.6.4非晶硅半导体中的缺陷21

1.6.5氢化非晶硅22

1.6.6非晶硅半导体中的掺杂效应23

参考文献24

第二章 氧化26

2.1 SiO2的结构及性质27

2.1.1结构27

2.1.2 SiO2的主要性质28

2.2 SiO2的掩蔽作用29

2.2.1杂质在SiO2中的存在形式29

2.2.2杂质在SiO2中的扩散系数31

2.2.3掩蔽层厚度的确定31

2.3硅的热氧化生长动力学33

2.3.1硅的热氧化33

2.3.2热氧化生长动力学36

2.3.3热氧化SiO2生长速率38

2.4决定氧化速率常数和影响氧化速率的各种因素39

2.4.1决定氧化速率常数的各种因素39

2.4.2影响氧化速率的其他因素41

2.5热氧化过程中的杂质再分布47

2.5.1杂质的再分布47

2.5.2再分布对硅表面杂质浓度的影响49

2.6初始氧化及薄氧化层的制备51

2.6.1快速初始氧化阶段51

2.6.2薄氧化层的制备54

2.7 Si-SiO2界面特性57

2.7.1可动离子电荷Qm57

2.7.2界面陷阱（捕获）电荷Qit59

2.7.3 SiO2中固定正电荷Qf61

2.7.4氧化层陷阱电荷Qot62

参考文献63

第三章 扩散67

3.1杂质扩散机制67

3.1.1间隙式扩散67

3.1.2替位式扩散68

3.2扩散系数与扩散方程70

3.2.1菲克第一定律70

3.2.2扩散系数70

3.2.3菲克第二定律（扩散方程）71

3.3扩散杂质的分布72

3.3.1恒定表面源扩散72

3.3.2有限表面源扩散74

3.3.3两步扩散76

3.4影响扩散杂质分布的其他因素76

3.4.1硅晶体中的点缺陷77

3.4.2扩散系数与杂质浓度的关系80

3.4.3氧化增强扩散82

3.4.4发射区推进效应84

3.4.5二维扩散85

3.5扩散工艺87

3.5.1固态源扩散87

3.5.2液态源扩散88

3.5.3气态源扩散89

3.6扩散工艺的发展90

3.6.1快速气相掺杂90

3.6.2气体浸没激光掺杂91

参考文献92

第四章 离子注入94

4.1核碰撞和电子碰撞95

4.1.1核阻止本领96

4.1.2电子阻止本领98

4.1.3射程粗略估算99

4.2注人离子在无定形靶中的分布100

4.2.1纵向分布100

4.2.2横向效应103

4.2.3沟道效应104

4.2.4浅结的形成106

4.3注入损伤107

4.3.1级联碰撞107

4.3.2简单晶格损伤109

4.3.3非晶区的形成110

4.4热退火111

4.4.1硅材料的热退火特性112

4.4.2硼的退火特性113

4.4.3磷的退火特性114

4.4.4热退火过程中的扩散效应115

4.4.5快速退火116

参考文献117

第五章 物理气相淀积120

5.1真空蒸镀法制备薄膜的基本原理120

5.1.1真空蒸镀设备121

5.1.2汽化热和蒸汽压122

5.1.3真空度与分子的平均自由程122

5.1.4蒸发速率123

5.1.5多组分薄膜的蒸镀方法123

5.2蒸发源124

5.2.1电阻加热蒸发源124

5.2.2电子束加热蒸发源125

5.2.3激光束加热蒸发源126

5.2.4高频感应加热蒸发源126

5.3气体辉光放电127

5.3.1直流辉光放电127

5.3.2辉光放电中的碰撞过程131

5.3.3射频辉光放电132

5.4溅射法制备薄膜的基本原理133

5.4.1溅射特性134

5.4.2溅射方法136

5.4.3接触孔中的薄膜淀积141

5.4.4长投准直溅射技术143

参考文献143

第六章 化学气相淀积144

6.1 CVD模型144

6.1.1 CVD的基本过程144

6.1.2边界层理论145

6.1.3 Grove模型147

6.2 CVD系统152

6.2.1 CVD的气态源152

6.2.2质量流量控制系统153

6.2.3 CVD的热源153

6.2.4 CVD的其他能源154

6.2.5 CVD的分类154

6.3 CVD多晶硅159

6.3.1多晶硅薄膜的性质159

6.3.2 CVD多晶硅160

6.3.3淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响161

6.3.4多晶硅的掺杂工艺162

6.4 CVD的SiO2163

6.4.1 CVD SiO2的工艺163

6.4.2 CVD SiO2的台阶覆盖167

6.4.3 CVD掺杂SiO2170

6.5 CVD氮化硅172

6.6 CVD金属及硅化物薄膜176

6.6.1 CVD钨176

6.6.2 CVD硅化钨180

6.6.3 CVD TiN181

6.6.4 CVD铝184

参考文献185

第七章 外延188

7.1硅气相外延的基本原理189

7.1.1硅源189

7.1.2外延层的生长模型190

7.1.3化学反应192

7.1.4生长速度与温度的关系193

7.1.5生长速度与反应剂浓度的关系195

7.1.6生长速度与气体流速的关系196

7.1.7衬底晶向对生长速度的影响196

7.2外延层中的杂质分布196

7.2.1掺杂原理197

7.2.2扩散效应197

7.2.3自掺杂效应199

7.3低压外延201

7.3.1压力的影响202

7.3.2温度的影响202

7.4选择外延202

7.5硅烷热分解法外延205

7.6 SOS技术206

7.7分子束外延207

7.8层错、图形漂移及利用层错法测量厚度210

7.8.1层错210

7.8.2层错法测量外延层的厚度211

7.8.3图形漂移和畸变212

7.9外延层电阻率的测量213

参考文献215

第八章 光刻工艺217

8.1光刻工艺流程218

8.1.1涂胶219

8.1.2前烘221

8.1.3曝光222

8.1.4显影222

8.1.5坚膜224

8.1.6刻（腐）蚀224

8.1.7去胶224

8.2分辨率225

8.3光刻胶的基本属性227

8.3.1对比度228

8.3.2光刻胶的膨胀231

8.3.3光敏度231

8.3.4抗刻（腐）蚀能力和热稳定性232

8.3.5粘附力232

8.3.6溶解度和粘滞度232

8.3.7微粒数量和金属含量232

8.3.8存储寿命233

8.4多层光刻胶工艺233

8.4.1光刻胶图形的硅化增强工艺233

8.4.2对比增强层工艺234

8.4.3硅烷基化光刻胶表面成像工艺235

8.5抗反射涂层工艺236

8.5.1驻波效应236

8.5.2底层抗反射层工艺237

8.6紫外线曝光238

8.6.1高压弧光灯238

8.6.2投影光源系统239

8.6.3准分子激光DUV光源239

8.6.4接近式曝光240

8.6.5接触式曝光242

8.6.6投影式曝光242

8.6.7离轴照明243

8.6.8扩大调焦范围曝光技术244

8.6.9化学增强的深紫外光刻胶245

8.7掩膜版的制造246

8.7.1石英玻璃基板246

8.7.2铬层246

8.7.3掩膜版的保护膜246

8.7.4相移掩膜247

8.8 X射线曝光248

8.8.1 X射线曝光系统248

8.8.2图形的畸变248

8.8.3 X射线源250

8.8.4 X射线曝光的掩膜版251

8.8.5 X射线曝光的光刻胶252

8.9电子束直写式曝光252

8.9.1邻近效应253

8.9.2电子束曝光系统254

8.9.3有限散射角投影式电子束曝光254

8.10光刻工艺对图形转移的要求255

8.10.1图形转移的保真度255

8.10.2选择比256

8.10.3均匀性256

8.10.4刻蚀的清洁256

8.11湿法腐蚀257

8.11.1 Si的湿法腐蚀257

8.11.2 SiO2的湿法腐蚀258

8.11.3 Si3N4的湿法腐蚀258

8.12干法刻蚀259

8.12.1干法刻蚀原理259

8.12.2 SiO2和Si的干法刻蚀260

8.12.3 Si3N4的干法刻蚀263

8.12.4多晶硅和金属硅化物的干法刻蚀264

8.12.5铝及铝合金的干法刻蚀265

8.12.6其他金属的干法刻蚀266

8.13干法刻蚀速率266

8.13.1离子能量和入射角266

8.13.2常用的刻蚀气体268

8.13.3气体流速269

8.13.4温度270

8.13.5压力、功率密度和频率270

8.13.6负载效应270

参考文献271

第九章 金属化与多层互连275

9.1集成电路工艺对金属化材料特性的要求276

9.1.1金属材料的晶体结构及制备工艺对金属化的影响276

9.1.2金属化对材料电学特性的要求277

9.1.3金属化对材料的机械特性、热力学特性的要求277

9.2铝在集成电路工艺中的应用279

9.2.1铝薄膜的制备方法279

9.2.2 Al-Si接触中的几个物理现象279

9.2.3 Al-Si接触中的尖楔现象280

9.2.4 Al-Si接触的改进282

9.2.5电迁移现象及其改进方法285

9.3铜互连及低K介质287

9.3.1互连引线的延迟时间287

9.3.2 Cu互连的工艺流程288

9.3.3低K介质材料及淀积工艺289

9.3.4势垒层292

9.3.5金属Cu的淀积工艺293

9.3.6低K介质和Cu互连集成技术中的可靠性问题295

9.4多晶硅及硅化物296

9.4.1多晶硅栅技术296

9.4.2多晶硅薄膜的制备方法297

9.4.3多晶硅互连及其局限性298

9.4.4多晶硅氧化工艺299

9.4.5难熔金属硅化物及其应用301

9.4.6硅化物的制备方法301

9.4.7硅化物的形成机制302

9.4.8硅化物的结构303

9.4.9硅化物的电导率303

9.4.10硅化物的氧化工艺305

9.4.11硅化物肖特基势垒306

9.4.12多晶硅/硅化物复合栅结构306

9.5集成电路中的多层互连307

9.5.1多层金属互连技术的意义308

9.5.2多层金属互连技术对材料的要求310

9.5.3多层互连的工艺流程311

9.5.4平坦化312

9.5.5 CMP工艺314

9.5.6接触孔及通孔的形成和填充318

参考文献320

第十章 工艺集成323

10.1集成电路中的隔离323

10.1.1 MOS集成电路中的隔离323

10.1.2双极集成电路中的隔离327

10.2 CMOS集成电路的工艺集成328

10.2.1 CMOS集成电路工艺的发展328

10.2.2 CMOS工艺中的基本模块及对器件性能的影响330

10.2.3双阱CMOS IC工艺流程336

10.2.4纳米尺度CMOS IC新工艺340

10.3双极集成电路的工艺集成344

10.3.1双极集成电路工艺的发展344

10.3.2标准埋层双极集成电路工艺流程（SBC）344

10.3.3其他先进的双极集成电路工艺347

参考文献349

第十一章 薄膜晶体管制造工艺352

11.1 TFT结构355

11.1.1 TFT基本结构355

11.1.2 a-Si：H TFT的基本结构356

11.1.3 LTPS TFT的基本结构358

11.2 a-Si：H薄膜和LTPS薄膜的制备工艺361

11.2.1 a-Si：H薄膜的制备工艺361

11.2.2 LTPS薄膜的制备工艺362

11.3非晶硅TFT制造工艺367

11.4低温多晶硅TFT制造工艺372

参考文献381

附录384

附录1常用金属元素材料及其电学特性384

附录2金属硅化物、金属合金的电学特性384

附录3常用的金属材料和合金的晶格结构参数385

附录4半导体材料的晶格结构参数386

附录5金属材料薄膜在硅衬底上的晶格常数失配因子386

附录6常用的半导体和绝缘介质的电学特性387

附录7铝、铜、金合金电阻率随杂质原子数比的变化率388

附录8物理常数389

附录9部分常用材料的性质390

附录10硅片鉴别方法（SEMI标准）391