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0 绪论 1

0.1 半导体工业的发展 1

0.2 硅单晶材料的重要性 2

0.3 中国半导体工业的崛起 3

1 硅单晶及硅化合物的化学性质 7

1.1 硅及硅单晶的化学性质 7

1.2 硅的重要化合物及其性质 9

1.2.1 二氧化硅 9

1.2.2 一氧化硅 10

1.2.3 硅的硫化物 10

1.2.4 氮化硅 10

1.2.5 硅酸盐 11

1.2.6 硅的卤化物 13

1.2.7 硅的氢化物 15

1.2.8 玻璃 17

1.2.9 胶体 20

1.3 IC制程中的二氧化硅 28

1.3.1 氧化膜的制备 28

1.3.2 磷硅玻璃(PSG)钝化膜 30

1.3.3 掺氯氧化 32

1.3.4 IC制程中氧化层相关问题 41

1.4 IC制程中的氮化硅钝化膜 41

1.4.1 化学气相淀积原理 42

1.4.2 其他制备氮化硅膜的方法 43

参考文献 44

2 硅单晶的加工成形技术 45

2.1.1 切割分段 45

2.1.2 滚磨 46

2.1.3 晶面定位 46

2.2 切片 46

2.2.2 结晶定位 47

2.2.3 切片 47

2.2.1 晶片黏着 47

2.3 倒角 49

2.4 磨片 50

2.4.1 研磨设备：双面研磨机 50

2.4.2 研磨的操作 52

2.4.3 磨料 53

2.4.4 磨削液 53

2.5 硅单晶研磨片的清洗 57

2.5.1 硅片清洗的重要性 57

2.5.2 关于环保问题 58

2.5.3 国内外硅单晶研磨片的清洗进展状况 58

2.5.4 硅片清洗原理及基本概况 59

2.6 腐蚀 60

2.6.1 酸性腐蚀 60

2.6.2 碱性腐蚀 62

2.6.3 酸性腐蚀与碱性腐蚀的比较 62

2.7 展望 63

参考文献 64

3 超大规模集成电路硅衬底的抛光 65

3.1 硅衬底的边缘抛光 65

3.2 IC中硅衬底的表面抛光 67

3.2.1 抛光设备 67

3.2.2 抛光的动力学过程和机理 68

3.2.3 影响抛光速率及抛光片表面质量的因素 69

3.3 抛光液 72

3.3.1 碱的选择 73

3.3.2 活性剂的选择 74

3.4 抛光硅片表面质量与抛光工艺技术 74

3.5 展望 77

参考文献 77

4 外延技术 79

4.1 硅外延技术在IC发展中的作用 79

4.2.1 硅气相外延设备 83

4.2 硅气相外延设备与基本化学反应 83

4.2.2 硅气相外延的基本化学反应 86

4.3 外延生长动力学 87

4.3.1 外延生长速率υ与反应剂浓度Y的关系 88

4.3.2 两种极限生长情况及反应温度T对生长速率v的影响 89

4.3.3 气体流速与硅片位置对生长速率的影响 90

4.4 外延层中杂质浓度的分布 92

4.4.1 掺杂原理 92

4.4.2 扩散效应 93

4.4.3 自掺杂效应 94

4.5 硅烷热分解法外延与选择外延 96

4.5.1 硅烷热分解法外延 96

4.5.2 选择外延 97

4.6 外延层的缺陷 98

4.6.1 外延层缺陷种类及其成因分析 98

4.7.1 概述 103

4.7.2 理论分析 103

4.6.2 外延层缺陷检验方法 103

4.7 硅CVD外延自掺杂效应的分析研究 103

4.8 硅外延片滑移线产生因素的实验研究 106

4.8.1 理论分析 106

4.8.2 实验与结果 107

4.8.3 关于实验结果的讨论 109

4.9 硅外延生长的工艺优化——反向补偿法 109

4.9.1 概述 109

4.9.2 理论分析 110

4.9.3 实验与结果 111

4.9.4 结论 112

4.10 外延片夹层的测试 113

4.10.1 外延片中的夹层 113

4.10.2 夹层的检测 113

4.11.1 基本原理 114

4.11 三探针电压击穿法测外延层电阻率 114

4.11.2 测量线路和装置 116

4.11.3 测试步骤 117

4.11.4 测试注意事项 117

4.11.5 测量精度 118

4.12 电容——电压法测硅外延层纵向杂质分布 118

4.12.1 测试的基本原理 119

4.12.2 用高频Q表的测试方法和测试电路 121

4.12.3 测试步骤 122

4.12.4 测试数据的处理与杂质浓度的测定 123

4.12.5 测试条件与注意事项 124

4.12.6 利用C-V测试仪和汞探针测外延片杂质浓度简介 124

4.13 二次谐波法测外延层杂质浓度 126

4.13.1 基本原理 126

4.13.2 测试电路及其工作原理 128

4.13.3 仪器的定标 129

4.13.4 测试注意事项 131

4.14 外延层厚度的测量 132

4.14.1 层错法 132

4.14.2 红外干涉法 133

4.15 小结与展望 135

参考文献 136

5 ULSI多层布线全局平坦化 138

5.1 平坦化方法和化学机械抛光 139

5.1.1 几种平坦化技术及其用途 139

5.1.2 化学机械抛光 139

5.2 介质化学机械抛光 145

5.2.1 概述 145

5.2.2 介质化学机械抛光的机理分析 146

5.2.3 CMP浆料的成分及影响因素 147

5.2.4 抛光垫的性质和作用 151

5.2.5 介质绝缘膜的填充及其设备 153

5.2.6 终点检测与CMP后的清洗 155

5.2.7 介质CMP应用实例——逻辑ULSI层间绝缘膜的CMP 156

5.2.8 小结 157

5.3 铝布线与多层金属化CMP 158

5.3.1 布线工艺原理 158

5.3.2 插塞技术 160

5.4 铜布线及CMP技术 164

5.4.1 铜布线工艺 165

5.4.2 铜布线CMP抛光液 167

5.4.3 一种新型的碱性抛光液 169

5.4.4 有机碱的选择 171

5.4.5 多层布线铜CMP动力学研究 172

5.4.6 小结 174

参考文献 175

6.1.1 清洗技术的发展阶段 178

6.1.2 颗粒问题 178

6.1 概述 178

6 集成电路中的清洗 178

6.1.3 有机物问题 180

6.1.4 离子问题 181

6.2 晶片清洗的基本理论及方法 181

6.2.1 硅片的表面状态与洁净度 182

6.2.2 晶片清洗的基本环境与设施 182

6.2.3 吸附理论 182

6.2.4 硅片表面沾污杂质的来源和分类 183

6.2.5 晶片清洗的原理及方法 184

6.3 颗粒吸附状态分析及优先吸附模型 185

6.3.1 颗粒吸附状态 185

6.3.2 优先吸附模型 186

6.4 表面活性剂 188

6.4.1 表面活性剂的作用机理 188

6.4.2 活性剂结构与性质的影响 189

6.4.3 常用表面活性剂简介 189

6.5.1 湿法化学清洗技术 190

6.5 硅片清洗的常用方法与技术 190

6.5.2 湿法清洗的化学品 193

6.5.3 干法化学清洗技术 193

6.5.4 束流清洗技术 194

6.5.5 替代清洗技术 194

6.6 清洗设备的结构 199

6.6.1 自动化学酸槽洗净系统结构 200

6.6.2 喷洗式单槽洗净系统结构 200

6.6.3 密闭容器洗净系统结构 200

6.7 溶液清洗技术的研究现状 200

6.7.1 关于RCA清洗效果的研究 200

6.7.2 关于污染物的形成机理与动力学研究 201

6.7.3 关于微观粗糙化的研究 201

6.7.4 关于兆频超声作用的研究 202

6.7.6 溶液清洗技术的问题与发展方向 202

6.8 兆声清洗技术 203

参考文献 205

7 硅单晶衬底及相关材料的物理性质 207

7.1 能带理论 209

7.2 半导体 211

7.2.1 本征半导体 211

7.2.2 非本征半导体 211

7.2.3 半导体的电导率与温度的关系 214

7.3 硅单晶的光学性质 215

7.3.1 折射指数与反射率 215

7.3.2 单晶对光的吸收 216

7.3.3 光电效应 217

7.4 硅单晶的热性质 218

7.4.1 硅单晶的热膨胀 218

7.4.2 硅单晶的热传导 220

7.4.3 硅单晶的热应力效应 223

7.5.2 弹性与塑性行为 226

7.5 硅的机械性质 226

7.5.1 机械应力与应变 226

7.5.3 机械性质与塑性变形 227

7.5.4 翘曲 229

参考文献 229

8 硅单晶中的缺陷及其对器件的危害 231

8.1 硅单晶中的点缺陷 232

8.1.1 点缺陷的生成理论 232

8.1.2 微缺陷的生成及其影响因素 233

8.1.3 氧沉淀 234

8.2 硅单晶中的线缺陷（位错） 237

8.2.1 位错的基本组态——刃型位错和螺型位错 238

8.2.2 位错的密度与分布 240

8.3 硅单晶中的面缺陷（界面） 242

8.3.1 晶界与层错 242

8.3.2 氧化层错 243

参考文献 246

9 硅单晶性质的检测设备与技术 251

9.1 硅单晶缺陷的检测 251

9.1.1 选择性腐蚀的原理 252

9.1.2 电化学腐蚀条件及其反应 252

9.1.3 影响半导体单晶化学腐蚀速度的各种因素 254

9.1.4 电化学腐蚀在半导体技术中的应用 256

9.1.5 一些较重要的半导体腐蚀剂及其适用范围 256

9.1.6 光学显微镜的应用 262

9.2 导电类型的测量 263

9.2.1 导电类型的测量方法 263

9.2.2 测准条件的分析 265

9.3 电阻率的测量 266

9.3.1 两探针法 267

9.3.2 四探针法 267

9.3.3 涡电流法 270

9.3.4 扩展电阻探针法 271

9.3.5 C-V法 273

9.4 单晶晶向的检测 275

9.4.1 晶体取向与硅半导体工艺之间的关系 275

9.4.2 检测方法 277

9.5 氧浓度的测量 281

9.5.1 测量原理 281

9.5.2 红外光谱仪 282

9.5.3 测试工艺和方法 284

9.5.4 测准条件和误差分析 285

9.6 非平衡少数载流子寿命的测量 285

9.6.1 概述 285

9.6.2 少子寿命的测试方法 286

9.7 超微量分析技术 290

9.7.1 感应耦合等离子谱仪 291

9.7.2 石墨炉原子吸收光谱仪 292

9.7.4 X射线电子能谱仪XPS 293

9.7.3 全反射X射线荧光光谱仪 293

9.7.5 X射线形貌测试仪 294

9.7.6 扫描探针显微镜——原子力显微镜 295

9.7.7 俄歇电子能谱仪 297

9.7.8 扫描电子显微镜 297

9.7.9 透射电子显微镜 299

9.7.10 其他分析仪器简介 301

参考文献 302

附录1 硅单晶片材料及半导体工业常用名词的解释 303

附录2 硅在300K的物理常数 309

附录3 物理基本常数 310

附录4 长度单位转换表 310

附录5 压力单位转换表 310

附录6 能量单位转换表 311

附录7 力单位转换表 311