名师讲科技前沿系列--图解芯片技术

作者:田民波

页数:300

出版时间:2019-7-1

价格:49元

装帧:平装

isbn号码:9787122339607

具体描述

针对入门者、应用者及研究开发者的多方面的需求，《图解芯片技术》在汇集大量资料的前提下，采用图文并茂的形式，全面且简明扼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。采用每章之下“节节清”的论述方式，左文右图，图文对照，并给出“本节重点”。力求做到深入浅出，通俗易懂；层次分明，思路清晰；内容丰富，重点突出；选材新颖，强调应用。

本书可供微电子、材料、物理、精密仪器等学科本科生及相关领域的工程技术人员参考。

作者简介

田民波，清华大学教授，博士生导师，长期从事材料学的教学预可研工作，在电子材料、封装技术、磁性材料、粉体材料等领域取得了原创性成就。已经和现承担的课题有：(1)科学基金重大项目“高密度封装的应用基础研究”，(2)国际合作项目“零收缩率LTCC研究”，(3)“十五”军工预研项目“新型叠层LCCC-3D MCM封装技术研究”，(4)“863”项目“银掺合型聚合物导体材料的研究和开发等。

目录信息

第1章 集成电路简介
1.1 概述2
1.1.1 从分立元件到集成电路2
1.1.2 由硅圆片到芯片再到封装4
1.1.3 三极管的功能——可以比作通过水闸的水路6
1.1.4 n沟道MOS（nMOS）三极管的工作原理 8
1.1.5 截止状态下MOS器件中的泄漏电流10
1.2 半导体硅材料——集成电路的核心与基础12
1.2.1 MOS型与双极结型晶体管的比较12
1.2.2 CMOS构造的断面模式图（p型硅基板）14
1.2.3 快闪存储器单元三极管“写入”“擦除”“读取”的工作原理16
1.3 集成电路元件的分类18
1.3.1 IC的功能及类型18
1.3.2 RAM和ROM20
1.3.3 半导体器件的分类方法22
1.4 半导体器件的制作工艺流程24
1.4.1 前道工艺和后道工艺24
1.4.2 IC芯片制造工艺流程简介26
书角茶桌
集成电路发展史上的十大里程碑事件28
第2章 从硅石到晶圆
2.1 半导体硅材料36
2.1.1 硅是目前最重要的半导体材料36
2.1.2 单晶硅中的晶体缺陷38
2.1.3 pn结中杂质的能级40
2.1.4 按电阻对绝缘体、半导体、导体的分类42
2.2 从硅石到金属硅，再到99.999999999%的高纯硅44
2.2.1 从晶石原料到半导体元器件的制程44
2.2.2 从硅石还原为金属硅46
2.2.3 多晶硅的析出和生长48
2.3 从多晶硅到单晶硅棒50
2.3.1 改良西门子法生产多晶硅 50
2.3.2 直拉法（Czochralski，CZ法）拉制单晶硅52
2.3.3 区熔法制作单晶硅54
2.3.4 直拉法中位错产生的原因及消除措施56
2.4 从单晶硅到晶圆58
2.4.1 晶圆尺寸不断扩大 58
2.4.2 先要进行取向标志的加工60
2.4.3 将硅坯切割成一片一片的硅圆片62
2.4.4 硅圆片有各种不同的类型64
2.5 抛光片、退火片、外延片、SOI片66
2.5.1 抛光片和退火片66
2.5.2 外延片68
2.5.3 SOI片70
书角茶桌
“硅是上帝赐予人类的宝物”72
第3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74
3.1.1 双极结型器件的结构74
3.1.2 硅栅MOS器件的结构76
3.1.3 硅栅CMOS器件的结构78
3.1.4 BiCMOS器件和SOI器件的结构80
3.2 LSI的制作工艺流程82
3.2.1 利用光刻形成接触孔和布线层的实例82
3.2.2 曝光，显影84
3.2.3 光刻工程发展梗概86
3.2.4 “负型”和“正型”光刻胶感光反应原理88
3.2.5 光刻工艺流程90
3.2.6 硅圆片清洗、氧化、绝缘膜生长——光刻92
3.2.7 绝缘膜区域刻蚀——栅氧化膜的形成94
3.2.8 栅电极多晶硅生长——向n沟道源-漏的离子注入96
3.2.9 向p沟道的光刻、硼离子注入——欧姆接触埋置98
3.2.10 第1层金属膜生长——电极焊盘形成100
3.2.11 铜布线的大马士革工艺 102
3.2.12 如何发展我们的IC芯片制造产业104
3.3 IC芯片制造工艺的分类和组合106
3.3.1 IC芯片制造中的基本工艺 106
3.3.2 IC芯片制造中的复合工艺108
3.3.3 工艺过程的模块化110
3.3.4 基板工艺和布线工艺112
书角茶桌
世界集成电路产业发展的领军人物114
第4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120
4.1.1 元件结构及使用的各种薄膜120
4.1.2 DRAM中电容结构的变迁122
4.1.3 DRAM中的三维结构存储单元124
4.1.4 薄膜材料在集成电路中的应用126
4.2 IC制作用的薄膜及薄膜沉积（1）——PVD法128
4.2.1 VLSI制作中应用不同种类的薄膜128
4.2.2 多晶硅薄膜在集成电路中的应用130
4.2.3 IC制程中常用的金属132
4.2.4 真空蒸镀134
4.2.5 离子溅射和溅射镀膜136
4.3 IC制作用的薄膜及薄膜沉积（2）——CVD法138
4.3.1 用于VLSI制作的CVD法分类138
4.3.2 CVD中主要的反应装置140
4.3.3 等离子体CVD（PCVD）过程中传输、 反应和成膜的过程142
4.3.4 晶圆流程中的各种处理室方式144
4.4 IC制作用的薄膜及薄膜沉积（3）——各种方法的比较146
4.4.1 各种成膜方法的比较146
4.4.2 热氧化膜的形成方法148
4.4.3 热氧化膜的形成过程150
4.4.4 用于VLSI的薄膜种类和制作方法 152
4.4.5 用于VLSI制作的CVD法154
4.5 布线缺陷的改进和消除——Cu布线代替Al布线156
4.5.1 影响电子元器件寿命的大敌——电迁移156
4.5.2 断线和电路缺陷的形成原因以及预防、修补措施158
4.5.3 Cu布线代替Al布线的理由160
4.5.4 用电镀法即可制作Cu布线162
4.5.5 铝用于IC芯片的优缺点 164
4.6 曝光光源不断向短波长进展166
4.6.1 如何由薄膜加工成图形166
4.6.2 几种常用的光曝光方法168
4.6.3 光刻对周边技术的要求170
4.6.4 曝光波长的变迁及相关的技术保证172
4.6.5 光刻系统的发展及展望174
4.7 光学曝光技术176
4.7.1 图形曝光装置的分类及变迁176
4.7.2 光曝光方式178
4.7.3 近接曝光和缩小投影曝光180
4.7.4 曝光中的各种位相补偿措施182
4.8 电子束曝光和离子束曝光技术184
4.8.1 电子束曝光技术184
4.8.2 低能电子束近接曝光（LEEPL）技术186
4.8.3 软X射线缩小投影(EUV)曝光技术188
4.8.4 离子束曝光技术190
4.9 干法刻蚀替代湿法刻蚀192
4.9.1 刻蚀技术在VLSI制作中的应用192
4.9.2 干法刻蚀与湿法刻蚀的比较194
4.9.3 干法刻蚀装置的种类及刻蚀特征196
4.9.4 干法刻蚀（RIE模式）反应中所发生的现象198
4.9.5 高密度等离子体刻蚀装置200
书角茶桌
世界芯片产业的十大领头企业202
第5章 杂质掺杂——热扩散和离子注入
5.1 集成电路制造中的热处理工艺208
5.1.1 IC芯片制程中的热处理工艺（Hot Process）208
5.1.2 热氧化膜的形成技术210
5.1.3 至关重要的栅绝缘膜212
5.2 用于杂质掺杂的热扩散工艺214
5.2.1 LSI制作中杂质导入的目的214
5.2.2 杂质掺杂中离子注入法与热扩散法的比较216
5.2.3 求解热扩散杂质的浓度分布218
5.2.4 热处理的目的——推进，平坦化，电气活性化220
5.2.5 硅中杂质元素的行为222
5.3 精准的杂质掺杂技术（1）——离子注入的原理224
5.3.1 离子注入原理224
5.3.2 离子注入装置226
5.3.3 低能离子注入和高速退火228
5.3.4 离子注入的浓度分布230
5.4 精准的杂质掺杂技术（2）——离子注入的应用232
5.4.1 标准的MOS三极管中离子注入的部位232
5.4.2 基本的阱构造及倒梯度阱构造234
5.4.3 单阱形成236
5.4.4 双阱形成238
5.4.5 离子注入在CMOS中的应用240
5.4.6 离子注入用于浅结形成242
书角茶桌
“核心技术是国之重器”244
第6章 摩尔定律能否继续有效
6.1 多层化布线已进入第4代246
6.1.1 多层化布线——适应微细化和高集成度的要求246
6.1.2 第1代和第2代多层化布线技术——逐层沉积和玻璃流平248
6.1.3 第3代多层化布线技术——导入CMP250
6.1.4 第4代多层化布线技术——导入大马士革工艺252
6.2 铜布线的单大马士革和双大马士革工艺254
6.2.1 Cu大马士革布线逐渐代替Al布线254
6.2.2 大马士革工艺即中国的景泰蓝金属镶嵌工艺256
6.2.3 从Al布线+W柱塞到Cu双大马士革布线258
6.2.4 Cu双大马士革布线结构及可能出现的问题260
6.3 摩尔定律能否继续有效？262
6.3.1 半导体器件向巨大化和微细化发展的两个趋势262
6.3.2 芯片集成度不断沿摩尔定律轨迹前进264
6.3.3 “摩尔定律并非物理学定律”,“而是描述产业化的定律” 266
6.3.4 “踮起脚来，跳起来摘苹果”268
6.4 新材料的导入——“制造材料者制造技术”270
6.4.1 多层布线层间膜，DRAM电容膜，Cu布线材料270
6.4.2 硅材料体系仍有潜力（1）272
6.4.3 硅材料体系仍有潜力（2）274
6.4.4 化合物半导体焕发活力276
6.5 如何实现器件的高性能？278
6.5.1 整机对器件的高性能化要求越来越高278
6.5.2 器件的高性能化依赖于新工艺、新材料280
6.5.3 要同时从基板工艺和布线工艺入手282
6.6 从100nm到7nm——以材料和工艺的创新为支撑284
6.6.1 纯硅基MOS管和多晶硅/high-k基MOS管284
6.6.2 金属栅/high-k基MOS管和鳍式场效应晶体管（FinFET）286
6.6.3 90nm——应变硅288
6.6.4 45nm——high-k绝缘层和金属栅极290
6.6.5 22nm——鳍式场效应晶体管292
6.6.6 7nm —— EUV 光刻和 SiGe-Channel294
书角茶桌
集聚最强的力量打好核心技术研发攻坚战296
参考文献297
作者简介298
· · · · · · (收起)

用户评价

这本书真是让人大开眼界，尤其是对于像我这种对电子产品痴迷，但又对内部构造一知半解的“小白”来说，简直是救星！我记得我拿到书的时候，就被它那精美的插图吸引住了，那些复杂的电路图和芯片结构被画得清晰易懂，完全没有那种教科书式的枯燥感。作者似乎非常懂得如何将深奥的科学原理转化为普通人也能理解的语言，比如在讲解晶体管的开关原理时，他会用生活中非常贴近的比喻来解释，让我瞬间就明白了那些抽象的概念。特别是关于半导体材料的介绍部分，从硅的提纯到晶圆的制造，整个流程被描述得环环相扣，让我对我们日常使用的手机、电脑里的“大脑”是如何诞生的有了一个全新的认识。这本书的结构安排也很巧妙，不是一上来就抛出高难度的技术细节，而是循序渐进，从基础概念讲起，慢慢过渡到更前沿的制程工艺，这种学习体验非常流畅，不会让人感到压力过大。读完之后，我对身边那些微小的电子元件充满了敬畏，感觉自己好像拥有了一把解开现代科技谜团的钥匙。

说实话，我之前看过的几本关于微电子技术的书，要么是理论推导过于复杂，要么就是内容停留在上个世纪的水平。这本书的出现，恰恰填补了市场上的一个空白。它紧密结合了当前工业界的实际应用和最新的研究成果，比如对异构计算架构的分析，就非常及时和具有前瞻性。我特别关注了书中关于芯片封装技术的部分，过去总觉得芯片“做好”之后就是成品了，但这本书让我明白了先进封装（如2.5D、3D集成）对于突破传统制程限制的重要性。作者用大量篇幅解释了这些复杂封装如何有效地提升了系统级的性能和功耗效率，这一点对于理解当前高性能计算和人工智能加速器的设计趋势至关重要。语言风格上，这本书保持了一种严谨但不失活泼的基调，偶尔出现的幽默感能很好地缓解阅读过程中的技术疲劳。总而言之，这是一部融合了工程实践与未来洞察的力作。

这本书的排版和设计简直是业界典范，这一点必须单独提出来表扬。每一页的图文布局都经过精心考量，确保信息密度足够高，但视觉上又不会造成拥堵。我尤其喜欢它在关键概念旁设置的“知识点提炼”小栏目，它们就像是知识的锚点，帮助我快速回顾和巩固刚刚学到的复杂信息。对于我这种习惯于通过视觉信息来构建知识框架的学习者来说，这种设计极大地提高了我的阅读效率。举个例子，讲解CMOS反相器工作原理时，那张包含输入电压-输出电压曲线和内部晶体管工作区域划分的图表，清晰到令人赞叹，所有的逻辑关系一目了然。而且，书中的术语注释非常详尽，即便是行业新兵，也能顺畅地跟随作者的思路前进，不会因为一两个不熟悉的缩写而卡壳。这本书读完后，我感觉自己不是单纯地记住了知识点，而是真正建立了关于芯片世界的整体感知框架。

这本书的视角非常独特，它没有仅仅停留在“是什么”的层面，而是深入探讨了“为什么会这样”以及“未来会怎样”。我特别欣赏作者在介绍不同代际芯片演进过程中的那种历史纵深感。他不仅仅是罗列了摩尔定律，而是结合了当时的技术瓶颈和社会需求来阐述芯片设计思路的转变，比如从平面结构到FinFET的跨越，那段描述简直是精彩绝伦，让我理解了工程师们在面对物理极限时所展现出的那种非凡的创造力。文字的编排有一种叙事感，读起来一点也不累，更像是听一位资深工程师在娓娓道来他的心血结晶。让我印象深刻的是关于光刻技术的那一章，它将微米级的精度操作描绘得如同艺术创作一般，对EUV技术的解释也相当到位，没有过度渲染技术的光环，而是客观地指出了它在解决下一代集成电路制造难题中的关键作用。这本书无疑是为那些想要在科技领域深耕的读者准备的，它提供的知识深度远超一般科普读物。

这本书的价值远超它的定价，它真正做到了“深入浅出”的境界。我最欣赏作者对待技术的态度——既有对基础物理规律的尊重，又有对工程实现中妥协与创新的深刻理解。它没有回避那些令人生畏的半导体物理方程，但处理方式非常高明，它不会强迫读者去解题，而是用直观的方式解释这些方程背后的物理意义和对芯片性能的实际影响。比如，在谈到量子隧穿效应如何限制了极小尺寸晶体管的性能时，作者的论述让我对摩尔定律的终极挑战有了更具象的认识。这本书更像是一部技术发展史与工程指南的完美结合体，它不仅教你“怎么做”，更引导你去思考“为什么要这样做”。对于一个希望从应用层面跃升到设计理解层面的读者而言，这本书提供了一个坚实且引人入胜的阶梯。我强烈推荐给任何对信息技术底层架构抱有好奇心的人。

一、实验室技术与量产技术确实不是一回事。二、摩尔定律并非物理学定律，而是描述产业化的定律。三、制造材料者，制造技术。

配着B站的N个视频，总算把本书啃完，芯片制造果然是在挑战人类的勤奋和智慧，这个行业实在是太有趣了。打算向小伙伴们做一个相关专题的分享，检验一下自己到底理解了多少。

#中国芯项目资料研究# 1、芯片通常分为两种：一种是功能芯片，比如我们常说的中央处理器（CPU），就是带有计算功能的芯片；另一种就是存储芯片，比如计算机里的闪存（Flash），是一种能储存信息的芯片。2、从硅圆片制成一个一个的半导体器件，按大工序可分为前道工艺和后道工艺。前道工艺的最终目的是在硅圆片上制作出IC电路”，其中包括300～400道工序。按其工艺性质可分为下述几大类：形成各种薄膜材料的“成膜工艺”；在薄膜上形成图案并刻蚀，加工成确定形状的 “光刻工艺”；在硅中掺杂微量导电性杂质的 “杂质掺杂工艺”等。前道工艺与后道工艺的分界线是划片、裂片。后道工艺包括切分硅圆片成芯片，把合格的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（bonding）。

抱着了解芯片技术的目的来看本书，大部分内容过于专业，但里面有关芯片的基础知识对于一般层面够用了。现在全球芯片设计基本集中在美国，制作集中在中国台湾、韩国和日本，中国主要是封装。中国需要集聚最强的力量打好核心技术研发攻坚战。

今天算了算自己的移动固态，上面一颗1T的96层3D TLC与非门芯片。一个仅仅几克重，一英寸见方的小东西，居然有11.7万亿个晶体管，实在震撼。应该时长提醒自己，魔法就在我身边！