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图解芯片技术
《图解芯片技术》这本描述采用图文并茂的形式，全面且简要地介绍芯片工作原理，集成电路材料，制作工艺，芯片的新进展、新应用及发展前景等。本人结合自己的理解将关键知识点整理成列供大家参考学习讨论。特别适用于半导体新人。
编辑于2022-08-11 10:49:35 浙江省- 芯片
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图解芯片技术
第一章 集成电路简介
1.1 概述
1.1.1 从分立元件到集成电路
集成电路 integrated circuit， 是集成多个电路元件为一体，共同实现各种电气（电子）功能的组合电路。电路的高度集成，不仅极大的有利于电子设备的小型化，而且由于电路同时具备各种的功能，也有利于提高设备性能、降低功耗、增加可靠性
半导体集成电路是在一个硅单晶基片上做多个具有三极管、电阻、电容等功能的元件，用铝布线、铜互联连接在一起的电路

1.1.2 由硅圆片到芯片再到封装
实际的硅IC，一般要在一块很薄的圆盘形单晶硅片上同时做出多个，再划分成一个个的IC芯片，最后做成封装器件
封装是把IC芯片安置在基板上，经引线、键合、封装，最后封装为一个整体,。封装具有电气特性保持、物理保护、散热防潮、应力缓和、节距变换等功能，涉及薄厚膜、微细连接、多层基板、封接封装等技术
芯片分为两种：功能芯片，如CPU；储存芯片，如闪存。 本质都是载有集成电路的硅片。 在一块硅圆片上，按照设计刻出一些凹槽，在凹槽里填充一些介质，从而使硅面上形成许多晶体管、电阻、电容和电感，在这块硅圆片上形成复杂电路，再经过划片、裂片得到一个个芯片，使每个芯片实现一些特定功能
芯片的诞生分为：设计、制造、封装
芯片设计基本集中在美国，制作集中在中国台湾、韩国、日本
做出自己的芯片的，顶层设计（架构设计）和光刻技术是两大难题
1.1.3 三极管的功能
三极管具有开关、振荡、变频、放大功能
n沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS），基本构成是：在P型硅半导体基体的表面附近，设有源（电子的供给源）/漏（排出口）的岛状n型区，在两区间基体表面上设有栅绝缘膜，并在此绝缘膜上设有栅电极
MOS三极管，源电极和基板电极接地，在漏电极处于一定电压状态下，随栅极电压升高，从某一电压（阈值电压）开始，源区与漏区的基体表面上会立即形成电子对的沟道，电子便随之开始流动，此后，随栅电压升高，电流增加。实际流过的是带有负电荷的电子，电流是从漏通过沟道流向源
沟道开始有电流流动时所对应的栅电压称为阈值电压
1.1.4 n沟道MOS （nMOS/ npn型）三极管的工作原理
MOS三极管
栅极用材料多采用掺杂电活性杂质的多晶硅（以前用Al），栅电极（金属或多晶硅）、栅氧化膜（oxide）、晶圆（半导体）构成的三极管被称为MOS的原因
栅绝缘膜在栅极和晶圆之间起绝缘作用，通常采用由晶圆表面氧化生成的硅氧化膜（SiO2）或氧氮化膜（SiON）
源-漏间栅绝缘膜正下方的部分为沟道
nMOS型三极管截至和导通状态
npn型三极管中，n型源和漏是在p型晶圆的表层做出来的
图（b）npn型三极管进入截至状态时，三极管内也并非处于等电位，因为漏极处于外加电压状态，但由于pn结上反向电压的作用，P型晶圆部分-漏（n型）间几乎没有电流流过。另外，源（n型）-P型晶圆中部分间由于不存在电位差，故没有电流流过。因此，在截止状态，源（n型）-漏（n型）间不会由电流流过
图（c）为npn型三极管导通时状态。栅极处于外加正电压状态，p型晶圆中的空穴受此正电压的场效应排斥作用而远离，而电子受到吸引而集聚于栅绝缘膜的正下方。源-漏间被电子所充满，受到源-漏间电场的作用便会沿箭头方向移动，即与其相反方向产生电流，电流从漏流向源
1.1.5 截止状态下MOS器件中的泄漏电流
沟道开始有电流流动时所对应的栅电压称为阈值电压,三极管可以作为开关元件而使用
图（a）pnp型三极管断面结构。由杂质的离子注入做出n阱的区域，在此n阱内，再形成P型源和漏。pnp型三极管导通时由于栅电极处于负电位，n型晶圆中的电子受此负电压场效应排斥作用而远离，空穴受到吸引作用而集聚于栅绝缘膜的正下方。空穴在栅绝缘膜下方聚集形成沟道，由于源-沟道-漏间空穴的移动而形成电流。因此pnp型三极管成为pMOS，对应的为P沟道
图2为nMOS 三极管截至时的泄露电流 Ioff, Ioff=IGD+ISD+IBD； IGD是与栅绝缘膜的厚度相关的隧道电流，ISD是源-漏间的能带弯曲所决定的泄露电流， IBD是结泄露电流，受晶圆品质的影响
1.2 半导体硅材料——集成电路的核心与基础
1.2.1 MOS型与双极结型晶体管的比较
集成电路IC按使用的半导体材料分为硅IC和化合物IC
硅IC 采用由单一元素构成的单晶，缺点是与化合物IC相比，电子迁移率低。多用于存储器、微处理器、逻辑元件等大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（ULSI）
硅IC 分为MOS 型和双极结型晶体管，两组都既可以用自由电子为载流子，又可以用空穴为载流子
MOS的类型又有nMOS、pMOS和CMOS。以电子（负）为载流子的nMOS，以空穴（正）为载流子的pMOS ， 还有双方组合而成的互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS），硅CMOS 使用最为普遍
双极结型晶体管：与CMOS一样利用正负两种载流子，但速度更快，更适合大规模集成电路（LSI）
集成电路IC按照处理信号种类可分为数字式和模拟式
1.2.2 CMOS 构造的断面模式图（P 型硅基板）
互补金属氧化物半导体晶体管CMOS电路就是将pMOS和nMOS 串联，此电路可大大减少静态功耗，因其功耗只发生在高低电平转换的时候
CMOS需要将pMOS和nMOS同时放置在一个集成电路中，因此必须至少有一种晶体管放在与衬底反型的阱里。若衬底为n型，那么pMOS晶体管就直接做在衬底上，同时需要形成p阱以制备n沟道MOSFET
阱是通过补偿掺杂得到的，会降低其载流子的迁移率，同时电子的迁移率要比空穴高，因此如果在p阱中制作n沟道的MOS管，会得到驱动力更对称的CMOS。但是一般还是用n阱工艺来制作CMOS，因为电路里多数MOS管为n沟道，需要p型衬底
1.2.3 快闪存储单元三极管“写入”“擦除”“读取”的工作原理
快闪存储时一个有两层栅的n沟道MOSFET，控制栅连接外部电路，浮栅没有外部连接。浮栅中的电子泄露非常慢，因此可以用作存储元件
在高沟道电压下，电子达到速度饱和形成热载流子，较高的控制栅电压有效的收集热载流子，利用其高能的物理效应穿透绝缘膜完成“写入”。如有更薄的绝缘膜，可利用隧道效应实现“擦除”。通过在控制栅与源极之间加上较高的负电压，形成一部分垂直的电场，则电子会通过隧道效应离开浮栅，完成“擦除”
1.3 集成电路元件的分类
1.3.1 IC的功能及类型
半导体元件分为
有源元件：IC 中具有使电气信号放大、变换等积极功能的元件，如三极管、二极管
无源元件： IC芯片中起受动作用的元件，如电阻、电容
单芯片系统SOC：指在一个芯片上同时装入通用IC 以及LSI(Large Scale Integrated circuit)，以实现多种不同的系统功能
1.3.2 RAM和ROM
易失性存储器RAM
非易失性存储器ROM
1.3.3 半导体器件的分类方法
1.4 半导体器件的制作工艺流程
1.4.1 前道工艺和后道工艺
从硅圆片制成一个个半导体器件，按大工序可分为前道工艺、后道工艺
前道工艺最终目的是在硅圆片上制作出IC电路
成膜工艺：形成薄膜材料
光刻工艺：在薄膜上形成图案并刻蚀，加工成确定形状
杂质掺杂工艺：在硅中掺杂微量导电性杂质
后道工艺
切分硅圆片成芯片
芯片固定在引线框架的中央岛上
将芯片上的电极与引线框架上的电极用细金丝键合连接
随后芯片封入模压塑封料中，按印标示品名、型号、电镀引线，切分引线框架成一个个IC，把引线加工成各种形状。这便是半导体IC器件的全制程
芯片的诞生分三步： 设计、制作和封装； 设计集中在美国，制作集中在中国台湾和韩国， 大陆承担封装
1.4.2 IC芯片制造工艺流程简介
提取纯硅：把二氧化硅（沙子）还原成工业硅，经提纯、拉制成单晶硅棒
硅棒切片：得到硅圆片
影响良率因素：晶圆纯度、内部缺陷、应力、翘曲度
涂光刻胶
用紫外线照射时，涂抹在硅圆片上的感光胶状物会发生变化，显影后形成电路图形，之后利用化学原理进行腐蚀，光照过的部分会被腐蚀掉，留下凹槽。在凹槽里添加硼、磷等介质，就会出现一个半导体或者电容。以此类推，再涂一层胶，再照射，再腐蚀，再掺入，不断重复，便可搭出复杂的集成电路
第二章 从硅石到晶圆
2.1 半导体硅材料
2.1.1 硅是目前最重要的半导体材料
单晶：原子在三维空间中呈现规则有序排列的结构
硅在与其他元素形成共价键时，表现为4个共价键，这是硅稳定性的原因
硅掺杂3价B可形成P型半导体；掺杂5价的P可以形成n型半导体
硅可以通过简单方法氧化，且氧化硅膜具有良好的绝缘性
2.1.2 单晶硅中的晶体缺陷
晶圆需要进行热处理：温度分布和受力的不均匀会使得晶圆产生热应力、弯曲应力及翘曲； 在高温下这些应力、应变会使晶圆发生局部滑移，产生位错
2.1.3 pn结中杂质的能级
2.1.4 按电阻对绝缘体、半导体、导体的分类
两块相同的材料，做成不同形状其电阻会有很大差别，故使用电阻率而非电阻进行考察，则电阻率仅由材料本身决定
同为半导体， 掺杂极微量的杂质（掺杂半导体），其原有的高电阻率会急剧下降以方便电流通过
2.2 从硅石到金属硅，再到99.9（9个9）%的高纯硅
2.2.1 从晶石原料到半导体器件的制程
半导体研发机构：美国Hemlock、MEMC,日本Tokuyama，德国Wacker，韩国OCI公司
2.2.2 从硅石还原为金属硅
天然硅石和硅砂制作单晶硅圆片工艺步骤
硅石、硅砂
自然界硅通常以硅石（SiO2）或硝酸盐的形式存在
二氧化硅（SiO2）密度低、不惜超、光学性能稳定、耐酸碱腐蚀、硬度高、热膨胀系数低、介电常数低、高绝缘性、耐热性好、导热性好、环境友好无污染
半导体领域的二氧化硅称为silica，以示与化学法制作的二氧化硅的区别； 硅 silicon
冶金级硅（金属硅）
硅石中硅与氧的结合键很强，因此需要由电弧炉从硅石中还原制取单质硅（金属硅），纯度为98% （仍含有铝、铁等）
硅石还原反应
硅石还原为金属硅
高纯多晶硅
高纯度三氯氢硅制作与蒸馏精制： 将上述冶金级单质硅制成微细粉末，与液态氯化氢（HCl）得到三氯氢硅，再蒸馏、精制使其达到尽可能高纯度； 金属杂质会变成氯化物蒸发掉
三氯氢硅被氢气还原会析出并生长多晶硅
多晶硅是由大量的单晶硅小颗粒集聚而成的，纯度高达11个9
拉制单晶硅
多晶硅加热熔融得到硅溶液，利用籽晶与熔液接触固化以单晶形式生长为单晶棒
单晶棒切割成硅圆片
硅圆片研磨（抛光）
抛光硅圆片
2.2.3 多晶硅的析出和生长
高纯度三氯氢硅制作与蒸馏精制： 将上述冶金级单质硅制成微细粉末，与液态氯化氢（HCl）得到三氯氢硅，再蒸馏、精制使其达到尽可能高纯度； 金属杂质会变成氯化物蒸发掉
三氯氢硅被氢气还原会析出并生长多晶硅，利用三氯氢硅还原生产多晶硅的方法称为改良西门子法
多晶硅是由大量的单晶硅小颗粒集聚而成的，纯度高达11个9
2.3 从多晶硅到单晶硅棒
2.3.2 直拉法（CZ法）拉制单晶硅
直拉法CZ制造单晶硅棒的工艺流程
多晶硅加热熔融得到硅溶液
籽晶（短棒状或小方块状单晶硅）下降至接触熔液表面，此时与籽晶接触的熔液部分会固化以单晶形式生长（生长方向是朝下）
稍微向上方提拉籽晶，连续以上操作；提高提拉速度和熔液温度，单晶棒直径会减小
直拉法制取的单晶硅棒一般长度为2m，外直径为8英寸（先进的为12英寸），质量为150kg （12英寸可达350kg）
2.3.4 直拉法中位错产生的原因及消除措施
先使单晶直径变细，而后再增大。这样可以使位错在细的单晶表面露出，而后变为无位错单晶，称为颈缩
2.3.3 区熔法（FZ法）制作单晶硅
区熔法制作单晶硅棒的工艺流程
通过控制温度梯度使狭窄的熔区移过材料而成长出单晶的方法
开始先使籽晶微熔，加热器向另一端移动，熔区也随之移动，移开的一端温度降低而沿籽晶取向析出晶体，随着移动而顺序使晶体生长
多晶硅到单晶硅棒
2.4 从单晶硅到晶圆
2.4.1 晶圆尺寸不断扩大
直拉法制取的单晶硅棒一般长度为2m，外直径为8英寸（先进的为12英寸），质量为150kg （12英寸可达350kg）
硅圆片上制作IC时的有效部分为其表面积，因此当外径变为1.2倍，相应制作芯片的有效面积变为1.44倍，按外径平方增加
2.4.2 先要进行取向标志的加工
从硅棒切除籽晶、上端头和下端头，并切分成若干硅坯
定出硅圆片内的晶体学取向，在硅坯周边切出取向平面（OF）或V字形缺口标志
取向标志的作用： 当硅圆片在装置中处理时，根据取向标志排列可保证不同硅圆片间处理的均匀性，并且适应IC制造工程中硅圆片在装置内装卸的需求。
2.4.3 将硅坯切割成一片片的硅圆片
黏合剂将硅坯固定在支持架，采用内圆刃刀片切片或线刀切片切割成硅圆片。切断后采用化学溶液溶解黏合剂，使硅圆片剥离
倒角工序，把硅圆片的侧面研磨成抛物线形状，避免在装卸及加工硅圆片时产生侧面棱角破损
机械研磨：进一步机械化学研磨使晶圆片变为镜面状态，称为抛光片
热处理：在氮气和氢气中进行热处理，洗净后装盒出厂销售；经过此热处理过程的硅圆片称为退火片
2.5 抛光片、退火片、外延片、SOI片
第三章 集成电路制作工艺流程
3.1 集成电路逻辑LSI元件的结构
3.1.1 双极结型器件的结构
双极结型器件的结构：在硅基板内设置使元件间电气隔离用的绝缘区，并在绝缘区上分别形成基极/发射极/集电极所需要的结构
经典结构：隔离中采用pn结隔离方式
氧化膜替代pn结方式，可大大降低结电容，使设计基准（特征线宽）缩小，双极结型LSI 大多采用氧化膜隔离技术
与CMOS型器件相比，双极结型结构的器件功耗大、制作工艺复杂，性能却不相上下
3.1.2 硅栅MOS 器件的结构
硅栅MOS 器件结构：由硅基板及其上的氧化膜，以及之上的电极形成MOS型电容器，三极管
栅极开始采用Al，后来用硼栅结构
n沟道型MOS结构和p沟道型MOS结构也称作自对准栅结构，采用这种方式的用意时为了保证栅与源及漏的位置不受光刻的制约而能自动决定
3.1.3 硅栅CMOS 器件的结构
CMOS采用兼有n沟道型MOS与p沟道型MOS器件结构，为互补型MOS，即CMOS
具有n阱的n阱结构；具有p阱的p阱结构；兼有n阱和p阱的双阱结构
3.1.4 BiCMOS器件和SOI 器件的结构
3.2 LSI的制作工艺流程
3.2.1 利用光刻形成接触孔和布线层的实例
光刻技术：采用掩膜将电路图形由光刻胶转写-显影，经刻蚀，形成需要的电路图形
图形曝光中使用的缩小投影曝光装置是半导体制造装置中最为昂贵的
器件制造要经过分步相机20-30次的反复曝光
在半导体基板上形成绝缘膜，在绝缘膜下方一部分已预先形成扩散层用以实现电气接触，因此需要在绝缘膜上开孔，这便是接触孔图形。接触孔图形是按所希望的位置开出相对应的孔
绝缘膜上涂布光刻胶，厚度在0.5-1微米，经过100C热处理，有机溶剂挥发。此后采用紫外线，用掩膜图形对光刻胶投影，则在光刻胶中形成掩膜图形的潜像。曝光后利用显影液进行显影处理
光刻胶材料分为正型和负型
正型：掩膜图形透光部分曝光的光刻胶溶解于显影液
负型：掩膜图形透光部分曝光的光刻胶在显影液中不溶解

3.2.2 曝光、显影
光刻胶的区域要用橙色光照明
利用实际图形5倍大小的掩膜，进行缩微投影
3.2.3 光刻工程发展梗概
电路图形是利用曝光装置，通过光刻掩膜，在光刻胶上选择性地照射紫外光，利用光刻胶内部的光化学反应，形成电路的潜像。通过对该潜像显影，形成光刻胶图形
3.2.4 “负型”和“正型”光刻胶感光反应原理
正型：掩膜图形透光部分曝光的光刻胶溶解于显影液
负型：掩膜图形透光部分曝光的光刻胶在显影液中不溶解
3.2.5 光刻工艺流程
光刻机时芯片制造过程中最核心的设备
荷兰ASML公司生产的EUV光刻机，1.1亿美元，英特尔台积电三星都要靠它
3.2.6 硅圆片清洗、氧化、绝缘膜生长——光刻
清洗硅圆片
晶圆片浸入酸溶液中，溶解、去除异物，后进行干燥脱水
生成硅氧化膜和氮化硅膜
900C高温水蒸气环境中，使硅与氧发生热氧化反应，在硅圆片表面生长硅氧化膜，接着在高温下通过硅烷（SiH4）与氨（NH3）的CDV（化学气相沉积）反应，在氧化膜上生长氮化硅膜
转写光刻掩膜图形至硅圆片
利用铬等遮光膜形成图形的光刻掩膜装置于缩小投影曝光装置上，将光刻掩膜于硅圆片对准后，通过光刻掩膜对光刻进行曝光（照射），完成光刻掩膜图形的转写。
在LSI制作工艺中，要针对构成三极管的各个部分，使用不同的掩膜按顺序形成，因此要按已经形成的图形对准，需要在硅圆片表面按一个一个芯片的顺序反复曝光，完成全硅圆片的图形转写
显影生成光刻图形
在光刻胶上滴上显影液（显像处理），则激光照射部分的光刻胶溶于显影液，而其他部分不溶而残留，这样就形成了光刻图形。
光刻（照相刻蚀）工序
3.2.7 绝缘膜区域刻蚀——栅氧化膜的形成
去除硅氮化膜和硅氧化膜
形成浅沟槽（STI) 隔离-对硅基板的硅进行干法刻蚀
剥离光刻胶
在STI内壁生长薄硅氧化膜
生长厚硅氧化膜
对形成n沟道MOS三极管的部分用光刻覆盖
对晶圆进行磷离子注入，将形成p沟道MOS三极管的部分形成n阱
去除表面薄氧化膜，露出硅表面
对晶圆进行热氧化，使表面生成硅氧化膜，便是栅氧化膜。栅氧化膜不能使用离子注入的氧化膜，而是在清洁状态下由热氧化制取
3.2.8 栅电极多晶硅生长——向n沟道源-漏的离子注入
利用光刻、刻蚀及光刻胶剥离等，使得多晶硅形成图形，由此作为栅电极（多晶硅栅）
光刻胶覆盖p沟道，注入磷离子，则在n沟道部分形成低浓度的浅n型导电区域。被覆盖的p沟道部分的光刻胶起到离子注入掩膜的作用，n沟道栅极也起到离子注入掩膜的作用，因此栅极正下方不被离子注入，n型导电区域相对于n沟道栅极，通过子对准决定位置而形成
对n沟道部分覆盖光刻胶，注入硼离子在p沟道部分形成低浓度的浅p型导电区域
剥离光刻胶后，CVD法生长硅氧化膜
刻蚀晶圆硅氧化膜，仅保留栅电极侧壁的硅氧化膜
光刻胶覆盖p沟道后，注入砷离子。 n沟道三极管的栅多晶硅因导入杂质，作为源和漏的高浓度的n型导电区域形成。
3.2.9 向p沟道的光刻、硼离子注入——欧姆接触埋置
光刻胶覆盖n沟道部分，注入硼离子，形成作为源和漏的高浓度的p型导电区域
剥离光刻胶，利用溅镀法生长钴膜；而后进行加热处理形成钴硅化物
CVD法生长厚硅氧化膜，而后研磨使平坦化
在硅氧化膜中开出引出电极用的接触孔
先后生长氮化钛膜和钨膜
研磨钨膜使平坦化，接触孔中的钨保留，而后研磨氮化钛膜。这种埋置方法称为钨塞的电接触
3.2.10 第一层金属膜生长——电极焊盘形成
依次生长氮化钛膜-铝膜和氮化钛膜
利用光刻使氮化钛膜-铝膜和氮化钛膜形成图形化，形成第1层的金属布线图形
CVD法生长厚硅氧化膜用以保证上下层金属层布线绝缘
研磨使硅氧化膜平坦化
对硅氧化膜进行刻蚀加工，开出层间导通孔，从第一步重复形成第二层的金属布线图形
在最后一层金属布线层上生长钝化膜，硅氮氧化膜
3.2.11 铜布线的大马士革工艺
铜相对于铝电阻率低、耐电迁移性好，有利于实现LSI的高性能化和高可靠性。铜布线的大马士革工艺可获得平坦的布线，适用于多层布线
生长多层绝缘膜
利用光刻和干法刻蚀在绝缘膜上制作层间导通孔和布线沟槽
在表面形成阻挡金属层和打底金属层
电镀法生长铜，以便在层间导通孔和布线沟中埋置铜
对铜和阻挡金属层进行研磨，制成平坦的铜布线
3.2.12 如何发展我们的IC芯片制造产业
集成电路中光刻技术所处的位置
3.3 IC芯片制造工艺的分类和组合
在硅基板内做成三极管等元件称为基板工艺；在硅基板上事实布线称为布线工艺
第四章 薄膜沉积和图形加工
4.1 DRAM元件和LSI元件中使用的各种薄膜
4.1.1 元件结构及使用的各种薄膜
DRAM中实际存储信息的人部分称为存储单元，存储单元是由一个三极管与一个电容所构成的单元
4.1.2 DRAM中电容结构的变迁
存储IC工作速度很快，常用于LSI系统的核心区域的缓存。
DRAM在中断电源后数据会丢失，因此需要不断刷新每个单元，为每个单元的电容冲充电来维持数据信号
DRAM数据存储速度和刷新速度是关注的重点，通过减小DRAM的电容，来实现缩短DRAM充电与放电的特征时间RC和提高工作频率
电容面积也向着更小的方向发展，平板型电容构造，叠层型电容构造，沟槽型电容构造，向上与向下两个方向生长趋势
半导体存储器（特别是DRAM）芯片的存储容量基本是按每3年4倍的速度增加（摩尔定律），而器件各部分尺寸每3年缩小到前一代的70%。每更新一代，存储容量增加4倍，但芯片面积只是增大到1.5倍
4.1.3 DRAM中的三维结构存储单元
增加电容的电容量
增加电极面积，但与更小的存储单元相悖
减小电容膜的厚度
DRAM和NAND Flash 是存储器的两大支柱产品，中国严重依赖进口
NAND flash主要用于手机、固态硬盘和服务器。 长江存储是中国首个进入NAND存储芯片的企业
NOR Flash用于物联网，技术门槛较低，中国企业基本掌握
4.14 薄膜材料在集成电路中的应用
4.2 IC 制作用的薄膜及薄膜沉积（1 ）——PVD法
4.2.1 VLSI制作中应用不同种类的薄膜
绝缘膜：SiO2最为广泛
金属、导体膜：Al膜，Cu膜
半导体膜：单晶、多晶膜（掺杂膜）
4.2.2 多晶薄膜在集成电路中的应用
所有MOS器件，其栅电极材料的主体是多晶膜，可通过B、P等杂质的掺杂可以控制其电阻值，称为在线掺杂多晶硅
由栅电极施加电压，通过使栅绝缘膜下方的硅界面形成沟道，实施对源与漏间电流的控制
4.2.3 IC制程中常用的金属
LSI高度发展对布线的要求：降低布线电阻，提高布线耐电迁移
Al一开始作为Si器件的电极材料的优点
电阻率低
与绝缘膜结合力强
容易加工成布线形状
利用工业上成熟的溅镀法易于成膜
在Si芯片封装中，可以与Au丝稳定牢固键合
4.2.5 离子溅射和溅射镀膜
在真空环境中，将材料加热蒸发并使其沉积在基片上的薄膜形成方法为真空蒸镀
4.3 IC制作用的薄膜及薄膜沉积（2）——CVD法
4.4 IC制作用的薄膜及薄膜沉积（3）——各种方法比较
4.4.1 各种成膜方法的比较
CVD、PVD、涂布及包裹法、电镀法
电镀法主要用于Cu膜的形成
4.5 布线缺陷的改进和消除——Cu布线代替AI布线
4.5.1 影响电子元器件寿命的大敌——电迁移
电迁移：在较高的电流密度下，电子往阳极流动，在流动过程中与金属内的原子发生碰撞，将动量转移给原子，使原子往阳极移动，并堆积形成突起物，而在阴极留下空位，最后形成空洞而造成短路
当焊点的电流密度超过10^4A/cm2 时电迁移现象会出现
铝布线多为多晶材料，因而沿晶界更容易发生电迁移
4.5.3 Cu布线代替Al布线的理由
电阻率低
熔点高、原子质量大，耐热迁移和电迁移特性好
大马士革法的新布线方法，配铜的水溶液电镀法，使铜布线在IC芯片制作的应用中得以推广
4.5.4 用电镀法即可制作Cu布线
将待镀的器件放在电镀液中，接上电源，阳极接铜棒，阴极接待镀的金属，则接电后阴极部分的器件便可得到一层铜的镀膜
4.6 曝光光源不断向短波长进展
4.6.1 如何由薄膜加工成图形
光刻技术：利用光刻材料（光刻胶）在可见光、紫外线、电子束等作用下的化学敏感性，通过曝光、显影、刻蚀等工艺，将设计在掩膜版上的图形转移到衬底上的图形微细加工技术
4.6.2 几种常见的光曝光方式
光刻：将所需要的电路图形描绘在基板上
4.7 光学曝光技术
4.8 电子束曝光和离子束曝光技术
4.9 干法刻蚀替代湿法刻蚀
4.9.2 干法刻蚀和湿法刻蚀的比较
干法刻蚀：在等离子体激发的气氛中，发生能对衬底或光刻胶进行刻蚀的活性基而进行的
湿法刻蚀：浸在化学药液中，进行衬底的刻蚀或光刻胶的剥离
第五章 杂质掺杂——热扩散和离子注入
5.1.3 至关重要的栅绝缘膜
栅氧化膜是由Si基板直接氧化得到的，是硅氧化膜
5.2.1 LSI 制造中杂质导入的目的
向硅基板导入杂质有三价硼B、五价砷As和磷p， 杂质一旦导入具有相反电导型的基板中，就可以形成pn结。Si中导入3价元素（硼）称为p型，导入五价元素（砷或磷）成为n型。杂质可以通过热扩散法或离子注入法导入硅中
热扩散法：使杂质原子在热激活状态下向硅中扩散，由高浓度侧向低浓度侧的物质扩散
离子注入法：使离子化的各元素在高加速电压下碰撞Si 基板，使其物理式的侵入Si 中。离子通过单晶硅受到破坏，需要后续进行退火恢复
5.4.2 基本的阱构造及倒梯度阱构造
阱的形成是由离子注入和热扩散法实现的，表面杂质浓度决定了MOS三极管的阈值电压
通过对硼或磷长时间的退火使其在Si内部发生深的扩散
第六章 摩尔定律是否继续有效
IC器件向巨大化和微细化发展
巨大化：以DRAM的集成度（bit/芯片）和硅圆片的直径（mm）的变化为代表
微细化：以细小加工尺寸，pn结深度（nm），栅、电容区域的人最薄氧化膜厚度的变化为代表
特征线宽：CMOS器件的栅长，也可理解为最小布线宽度，即最小加工尺寸
戈登摩尔预言：单位平方英寸上晶体管的数目每隔18-24个月就将翻一番
集成电路向高集成化和高性能化方向发展
三极管数量提高，工作频率提高，三极管微细化
工作电压降低，功耗下降，可靠性提高
多层布线引起的电气信号延迟决定于布线电阻R和布线电容C的乘积R*C，一般称为RC延迟， 为了减少寄生电容，希望采用介电常数更低的膜层
硅材料仍具有潜力
应变硅：可加速晶体管内部电流的通过速度
三栅晶体管：
high-k 栅介质与金属栅电极：对电子泄露的隔离效果好
low-k 介质材料：两层互连接直径存在寄生电容，到90nm后，金属互连线之间的氧化膜越薄，寄生电容就越大，会造成信号间串扰以及信号延迟和失真等电路不良影响
睡眠晶体管技术： 允许一些不会被调用的晶体管暂时处于休眠状态， 从而是芯片的总功耗降低
化合物半导体是镓Ga、铟In、铝Al等三价元素与 氮N、砷As、磷P 等五价元素构成的3-5价半导体
摩尔定律能都继续很大程度取决于曝光技术能否足够精细
当CMOS器件的沟道程度缩小到130nm时，栅氧化层厚度要小于2nm，如此薄的栅氧化层会使栅的直接隧穿电流增大，从而导致栅的泄露电流以指数规律增加，器件的静态功耗增加。使用high-k 栅介质材料可以在保持等效厚度不变的条件下，增加介质层的而无力厚度，从而减小直接隧穿效应和人栅介质承受的电场强度。当特征长度降至45nm时， 多晶硅/high-k 基MOS器件出现严重的多晶硅耗尽效应。多晶硅的高电阻率严重影响了MOS器件的高频特性，金属栅替代了多晶硅栅，被用于纳米晶体管和先进晶体管结构
FinFET鳍式场效应管
FinFET与平面型MOSFET结构的主要区别在于其沟道由绝缘衬底上凸起的高而薄的鳍（Fin) 构成，源、漏两极分别在其两端，三栅极紧贴其侧壁和顶部，用于辅助电流控制。这种鳍形结构增大了栅极对沟道的控制范围，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应。因此FinFET无需高掺杂沟道，故能够有效降低杂质离子散射效应，提高沟道载流子迁移率。
晶体管尺寸进一步缩小时，沟道中的漏电流会进一步增强，大部分的漏电流都是在沟道下方的耗尽层流过，将沟道和耗尽层用绝缘层分开可以减小沟道漏电流
场效应管的栅极是一个电容器，需要足够的容量才能有效的控制沟道的形成和关闭。在栅极宽度不断减小的同时，栅极面积也在随之减小，为了保障栅极的电容量，在不更改栅绝缘层材料的情况下就只能不断减小栅极厚度。在栅极面积缩小的情况下，提高电容量的另一种方式是增加栅绝缘材料的介电常数,high-k材料应用于栅绝缘层可以有效的降低栅极隧穿电流并形成更有效的沟道
缩写
n沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS）：nMOS
金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET
互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS）：由nMOS和pMOS组合而成
大规模集成电路LSI
超大规模集成电路（ULSI）
在绝缘层上形成Si单晶层的结构为SOI （silicon on insulator）
CVD 化学气相沉积
PVD 物理气相沉积
台积电：台湾积体电路制造股份有限公司