等離子體蝕刻及其在大規模集成電路製造中的應用(第2版)（簡體書）

本書共10章，基於公開文獻全方位地介紹了低溫等離子體蝕刻技術在半導體產業中的應用及潛在發展方向。以低溫等離子體蝕刻技術發展史開篇，對傳統及已報道的先進等離子體蝕刻技術的基本原理做相應介紹，隨後是占據了本書近半篇幅的邏輯和存儲器產品中等離子體蝕刻工藝的深度解讀。此外，還詳述了邏輯產品可靠性及良率與蝕刻工藝的內在聯繫，聚焦了特殊氣體及特殊材料在等離子體蝕刻方面的潛在應用。後是先進過程控制技術在等離子體蝕刻應用方面的重要性及展望，以及虛擬製造在集成電路發展中的應用。 本書可以作為從事等離子體蝕刻工藝研究和應用的研究生和工程技術人員的參考書籍。

張海洋，休斯敦大學化工系博士。現任中芯國際集成電路製造（上海）有限公司技術研發中心蝕刻部門主管，教授級高級工程師,享受國務院政府特殊津貼。專注於先進集成電路製造中成套等離子體蝕刻工藝研發以及國產蝕刻機臺在高端邏輯制程中的驗證。入選國家萬人計劃領軍人才、科技部中青年科技創新領軍人才、上海市先進技術帶頭人計劃。持有半導體製造領域國際專利八十余項，指導發表國際會議文章6０篇。

張海洋等作者有著深厚的學術根基以及豐富的產業經驗，其帶領的團隊是多年來在半導體工廠一線工作的科研人員，掌握了業界領先的製造工藝。他們處理實際問題的經驗以及從產業出發的獨特技術視角，將給讀者帶來啟發和幫助。本書理論與實際相結合，緊跟國際技術前沿，填補國內外相關圖書空白。

未來十年是以開放式創新為標識的物聯網高速發展的時期，是新硬件時代即將開啟的黎明。全球物聯網規模化的期望已經使世界半導體行業成為藍海。芯片技術、傳感器、云計算的有機結合會讓萬物相連和無處不在的高度智能化成為可能。而低功耗、小尺寸和穩定性強的芯片是實現未來的智能家居、可穿戴設備、無人駕駛汽車、多軸無人飛行器、機器人廚師等新生事物的基石。順應時代的需求，2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》出臺，並推出十年千億扶植基金計劃。2015年政府工作報告中首次提出“中國製造2025”規劃,其中集成電路放在新一代信息技術產業的首位。這些對於集成電路製造業核心工藝技術之一的低溫等離子體蝕刻的發展無疑既是機遇又是嚴峻的考驗和挑戰。
在摩爾定律提出50周年的2015年，英特爾、三星、臺積電等公司均進入14/16nm FinFET工藝量產階段。2016年在臺積電公司的2020年技術路線發展藍圖上，EUV工藝因其提高密度、大幅簡化工藝而次成為5nm量產標配。2016—2020年這5年間，10nm、7nm甚至5nm依次量產，由此可見技術節點更迭依然摧枯拉朽，絲毫不見摩爾定律腳步遲滯的跡象。FinFET教父胡正明教授在2016年坦言： 半導體行業還有百年的繁榮。5nm之後，
可預見到的還有7~8個技術節點，
未來集成電路的發展方向大體可以分成三類： ①依靠半導體製造工藝改進持續縮小數字集成電路的特徵尺寸的More Moore； ②依靠電路設計以及系統算法優化提升系統性能的More than Moore； ③依靠開發CMOS以外的新器件提升集成電路性能的Beyond CMOS。總體方針是從PPAC（功率、性能、面積和成本）四個方向續寫微縮神話。應運而生的新結構有GAA
（納米片環柵）、CFET（互補晶體管）、BPDN（背面功率分配）以及新型封裝技術Chipset(小芯片）。
而存儲器是芯片製造領域的另一制高點，它與數據相伴而生且需求量巨大。在傳統存儲器DRAM、NAND Flash等遭遇微縮瓶頸的境況下，目前全球半導體巨擘皆正大舉發展次世代存儲器，如磁阻式隨機存取存儲器、相變存儲器及電阻式動態隨機存取存儲器。在這些新興領域裡，等離子體蝕刻依然扮演著不可或缺的重要角色。
過去半個世紀中，蝕刻技術已從簡單的各向同性灰化發展到離子能量分布/電子能量分布級的精密控制技術。本書的內容基於已經公開發表的文獻以及蝕刻團隊對等離子體蝕刻在集成電路體製造應用的全面深刻理解，共分10章，包括低溫等離子體半導體蝕刻技術的基本原理； 等離子體蝕刻技術發展史及前沿蝕刻技術的前瞻，諸如原子層蝕刻、中性粒子束蝕刻、離子束蝕刻、帶狀束定向蝕刻以及異步脈衝蝕刻等； 邏輯制程的經典蝕刻過程介紹； 傳統及各種新型存儲器中等離子體蝕刻技術的解讀； 蝕刻過程相關的缺陷聚焦； 蝕刻過程和產品可靠性及良率的已知關聯； 特殊氣體在蝕刻中潛在應用的探索； 特殊材料蝕刻的綜述涉及了三五族元素、石墨烯、黑磷、拓撲材料以及自組裝材料等； 先進控制過程在等離子體蝕刻過程中應用涵蓋了等離子體蝕刻過程的模型建立，已公開的先進控制技術實例，未來可能的黑燈工廠的全廠控制系統的架構； 虛擬製造在集成電路發展中的應用。
本書是年輕的蝕刻團隊在百忙之中歷時數年完成。希望本書對於等離子體蝕刻在高端半導體製造中的研發和應用能夠管窺一斑，也希望它能成為有意願致力於半導體高端製造等離子體蝕刻工藝應用的
科研人員、工程技術人員的參考書籍。因經驗有限，不妥之處，還請諸位專家、學者及工程技術人員斧正。
張海洋2022年9月於上海浦東張江

第1章低溫等離子體蝕刻技術發展史

1.1絢麗多彩的等離子體

1.2低溫等離子體的應用領域

1.3低溫等離子體蝕刻技術混沌之初

1.4低溫等離子體蝕刻技術世紀初的三演義

1.5三維邏輯和存儲器時代低溫等離子體蝕刻技術的變遷

1.6華人在低溫等離子體蝕刻機臺發展中的 貢獻

1.7未來低溫等離子體蝕刻技術展望

參考文獻

第2章低溫等離子體蝕刻簡介

2.1等離子體的基本概念

2.2低溫等離子體蝕刻基本概念

2.3等離子體蝕刻機臺簡介

2.3.1電容耦合等離子體機臺

2.3.2電感耦合等離子體機臺

2.3.3電子回旋共振等離子體機臺

2.3.4遠距等離子體蝕刻機臺

2.3.5等離子體邊緣蝕刻機臺

2.4等離子體先進蝕刻技術簡介

2.4.1等離子體脈衝蝕刻技術

2.4.2原子層蝕刻技術

2.4.3中性粒子束蝕刻技術

2.4.4帶狀束方向性蝕刻技術

2.4.5氣體團簇離子束蝕刻技術

參考文獻

第3章等離子體蝕刻在邏輯集成電路製造中的應用

3.1邏輯集成電路的發展

3.2淺溝槽隔離蝕刻

3.2.1淺溝槽隔離的背景和概況

3.2.2淺溝槽隔離蝕刻的發展

3.2.3膜層結構對淺溝槽隔離蝕刻的影響

3.2.4淺溝槽隔離蝕刻參數影響

3.2.5淺溝槽隔離蝕刻的重要物理參數及對器件性能的影響

3.2.6鰭式場效應晶體管中鰭(Fin)的自對準雙圖形的蝕刻

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