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三维集成电路制造技术

作译者：王文武

出版时间：2022-08 千字数：489 版次：01-01 页数：376

开本：16开装帧： I S B N ：9787121439025

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纸质书定价：￥139.0

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第1章  绪论
  1.1  集成电路发展历程
    1.1.1  晶体管的发明
    1.1.2  集成电路
    1.1.3  摩尔定律和PPAC
    1.1.4  技术代演化
  1.2  三维集成技术发展趋势
    1.2.1  先进制造技术
    1.2.2  新型三维逻辑器件
    1.2.3  新型三维存储器件
    1.2.4  三维封装技术
  1.3  三维集成技术面临的挑战
  1.4  阅读指引
  参考文献
第2章  三维集成电路制造基础
  2.1  三维器件模型
  2.2  三维器件图形化工艺
    2.2.1  光刻工艺原理
    2.2.2  先进光刻工艺在三维器件集成中的应用
    2.2.3  光刻工艺在三维器件集成中面临的挑战
  2.3  三维器件薄膜工艺
    2.3.1  薄膜工艺种类及原理
    2.3.2  薄膜工艺在三维器件集成中的应用
    2.3.3  薄膜工艺在三维器件集成中面临的挑战
  2.4  三维器件刻蚀工艺
    2.4.1  刻蚀工艺原理
    2.4.2  刻蚀工艺在三维器件集成中的应用
    2.4.3  刻蚀工艺在三维器件集成中面临的挑战
  2.5  三维器件离子注入与热退火工艺
    2.5.1  离子注入与热退火原理
    2.5.2  离子注入与热退火工艺在三维器件集成中的应用
    2.5.3  离子掺杂和扩散工艺在三维器件集成中面临的挑战
  2.6  三维器件清洗工艺
    2.6.1  清洗及湿法刻蚀工艺原理
    2.6.2  清洗工艺在三维器件集成中的应用
    2.6.3  清洗工艺在三维器件集成中面临的挑战
  2.7  三维器件化学机械平坦化工艺
    2.7.1  化学机械平坦化工艺原理
    2.7.2  化学机械平坦化工艺在三维器件集成中的应用
    2.7.3  化学机械平坦化工艺在三维器件集成中面临的挑战
  参考文献
第3章  三维FinFET器件技术
  3.1  三维FinFET器件
    3.1.1  器件原理
    3.1.2  结构设计与工艺仿真
  3.2  三维FinFET关键技术模块
    3.2.1  体硅Fin制备工艺
    3.2.2  浅槽隔离
    3.2.3  三维栅极与侧墙结构
    3.2.4  外延与沟道应变工程
    3.2.5  三维高K金属栅技术
    3.2.6  低阻接触技术
  3.3  集成工艺与特性优化
    3.3.1  工艺集成与器件特性
    3.3.2  特性优化技术
  3.4  新型FinFET器件
    3.4.1  体硅介质隔离FinFET器件
    3.4.2  S-FinFET器件
  参考文献
第4章  纳米环栅器件技术
  4.1  纳米环栅器件
    4.1.1  水平堆叠纳米环栅器件
    4.1.2  其他纳米环栅器件
  4.2  纳米环栅器件关键技术模块
    4.2.1  多周期叠层外延技术
    4.2.2  内侧墙技术
    4.2.3  沟道释放技术
    4.2.4  沟道应变技术
    4.2.5  源漏接触技术
    4.2.6  自对准栅极技术
  4.3  纳米环栅器件集成工艺
    4.3.1  水平堆叠纳米环栅器件集成工艺
    4.3.2  工艺波动影响
    4.3.3  多阈值调控
    4.3.4  高迁移率沟道纳米环栅器件集成工艺
    4.3.5  垂直纳米环栅器件集成工艺
  参考文献
第5章  三维NAND闪存技术
  5.1  三维NAND闪存器件及结构
    5.1.1  NAND闪存器件原理
    5.1.2  平面NAND闪存器件发展的挑战
    5.1.3  三维NAND闪存结构设计
  5.2  集成工艺及关键技术模块
    5.2.1  层膜沉积和台阶工艺
    5.2.2  沟道孔模块
    5.2.3  隔离模块
    5.2.4  接触孔模块
    5.2.5  三维NAND集成工艺
  5.3  三维NAND工作特性及可靠性
    5.3.1  三维NAND工作特性
    5.3.2  三维NAND可靠性
  5.4  三维NAND国内外进展
    5.4.1  国外三维NAND存储器的研究现状
    5.4.2  国内三维NAND存储器的研究现状
  参考文献
第6章  三维新型存储技术
  6.1  三维RRAM集成技术
    6.1.1  RRAM的器件结构及工作原理
    6.1.2  三维RRAM的发展现状
    6.1.3  三维RRAM的技术挑战与展望
  6.2  三维MRAM集成技术
    6.2.1  MRAM的器件结构及工作原理
    6.2.2  三维MRAM的研究现状
    6.2.3  三维MRAM的技术挑战及展望
  6.3  三维PCRAM集成技术
    6.3.1  三维PCRAM的器件结构及工作原理
    6.3.2  三维PCRAM的研究现状
    6.3.3  三维PCRAM的技术挑战与展望
  6.4  三维DRAM集成技术
    6.4.1  DRAM的器件结构和工作原理
    6.4.2  三维DRAM的发展现状
    6.4.3  三维DRAM的技术挑战及展望
  参考文献
第7章  三维单片集成技术
  7.1  三维单片集成
    7.1.1  三维单片集成的概念
    7.1.2  三维单片集成的发展历程
    7.1.3  三维单片集成的技术挑战
  7.2  三维单片同质集成技术
    7.2.1  片上晶圆键合工艺
    7.2.2  片上低温CMOS集成与热预算管理技术
    7.2.3  三维电路设计与层间布局技术
  7.3  三维单片异质集成技术
    7.3.1  片上异质材料沉积工艺
    7.3.2  片上逻辑与存储器件
    7.3.3  片上异质集成技术
  7.4  新型三维集成系统
  参考文献
第8章  三维封装技术
  8.1  Si基转接板及2.5D/3D封装技术
    8.1.1  2.5D TSV转接板制造技术
    8.1.2  有源TSV转接板技术
    8.1.3  CoWoS技术
    8.1.4  Foveros封装技术
    8.1.5  SoIC技术
  8.2  晶圆级扇出型封装技术
    8.2.1  晶圆级扇出型封装技术的形成与发展
    8.2.2  晶圆级扇出型封装的技术挑战
    8.2.3  嵌入式晶圆级球栅阵列封装技术
    8.2.4  集成晶圆级扇出型封装技术
    8.2.5  Si基埋入式扇出型封装技术
    8.2.6  异质集成扇出型封装技术
  8.3  基板及埋入封装技术
    8.3.1  细线路基板技术
    8.3.2  基板埋入技术
    8.3.3  基板扇出技术
  参考文献

“集成电路系列丛书”主编序言
                                        培根之土    润苗之泉    启智之钥    强国之基

    王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是人世间不可挽回的自然规律。然而，人们还是通过各种手段，借助各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。
    图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。
    尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。
    《辞海》把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。
    为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。
    2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一——施普林格（Springer）合作出版发行。
    受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。
    为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷：
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与投资
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备
    ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料
    ☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用
    2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。
    在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考教材，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。
    科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能会在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，他们仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。
书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。
    编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例：
    《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成；
    《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿；
    《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就；
    《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评为“中国科学史上的里程碑”；
    《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。
    这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美；为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。

                                          王阳元
                                2021年7月1日于北京燕园

                                                                               前言
    集成电路是电子信息产业的基础，已成为衡量一个国家或地区综合竞争力的重要标志。近60年来，集成电路以微缩的方式保持着晶体管集成数量大约每两年翻一番的发展速度，从而支撑着电子信息产业乃至全球经济的快速发展。在以人工智能、移动通信、大数据、物联网等为代表的新一代信息技术发展趋势中，基于新型材料与器件创新的集成电路技术仍是不可或缺的强大基石，以满足对高效能计算、大容量存储、极低功耗通信的需求。未来，集成电路技术仍将持续演进，器件尺寸微缩、三维集成以及架构创新等，将推动芯片能效比持续提高，从而带来计算能力指数级提升和网络应用爆发式增长。
    为了助力我国集成电路领域的人才培养，对广大科研和产业一线工作者提供有益参考，我们撰写了本书，以期分享在三维集成电路制造技术方面积累的研究和开发经验，以及在前沿技术探索和研究生教育中的实践感悟。
    本书注重技术的前瞻性和内容的实用性。首先，本书立足于全球集成电路技术发展的趋势和路线图，并结合最新的文献报道，对目前主流的逻辑和存储技术，以及未来的发展趋势做出了详细介绍。其次，结合编者前期的研发经验，本书详细介绍工艺流程和器件结构，以期打通从书本知识到工程实践的“最后一公里”。本书第1章对全书内容进行了概述，并提供了集成电路制造工艺与器件领域的文献资料和研究报告链接，以期帮助读者在本书出版后可以继续获得最新技术的更新。第2章全面介绍了模型仿真、图形化、薄膜、刻蚀、离子注入与热退火、清洗、化学机械平坦化等集成电路工艺技术的原理、应用和挑战。第3章和第4章分别介绍了目前主流逻辑芯片制造中使用的FinFET和纳米环栅器件涉及的关键工艺技术和重要挑战。第5章和第6章围绕三维NAND闪存和新型存储器件，分别介绍了先进存储技术中的关键工艺模块、发展现状及技术挑战。最后，面向未来集成电路三维集成发展路径，第7章和第8章中分别介绍了三维单片集成和三维封装技术，探讨了高性能、低功耗的器件级和系统级集成创新方法。
    在本书的编写过程中，我们得到了分卷主编赵海军博士、分卷责任编委卜伟海博士的关切与指导，特别是在组织编撰和沟通协调方面给予了极大支持，并对本书撰写原则和内容提出了宝贵的意见和建议。此外，还要感谢吴汉明院士、季明华博士、罗正忠教授、卜伟海博士4位专家的认真审查，以及提出的非常细致、有建设性的修改意见，这为本书的专业性、严谨性提供了保障。
    本书由王文武担任主编，罗军、殷华湘、曹立强、霍宗亮、李俊峰、刘丰满、杨涛、李永亮和王晓磊担任副主编。本书的出版还得到了中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心、系统封装与集成研发中心、新技术开发部等部门的大力支持，同时感谢以下同事的付出和努力：王启东、王桂磊、毛淑娟、卢一泓、白国斌、刘金彪、孙鹏、李俊杰、张欣、张永奎、张青竹、周娜、项金娟、洪培真、姚大平、贺晓彬、徐昊、高建峰、熊文娟、戴风伟。
由于集成电路发展日新月异，编者时间和水平有限，因此书中难免存在不足和疏漏之处，欢迎读者批评指正。
                                                                                                           编者

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