等离子体蚀刻及其在大规模集成电路制造中的应用（第2版）

张海洋等作者有着深厚的学术根基以及丰富的产业经验，其带领的团队是多年来在顶级半导体工厂一线工作的科研人员，掌握了业界领先的制造工艺。他们处理实际问题的经验以及从产业出发的独特技术视角，将给读者带来启发和帮助。本书理论与实际相结合，紧跟国际技术前沿，填补国内外相关图书空白。

本书共10章，基于公开文献全方位地介绍了低温等离子体蚀刻技术在半导体产业中的应用及潜在发展方向。以低温等离子体蚀刻技术发展史开篇，对传统及已报道的先进等离子体蚀刻技术的基本原理做相应介绍，随后是占据了本书近半篇幅的逻辑和存储器产品中等离子体蚀刻工艺的深度解读。此外，还详述了逻辑产品可靠性及良率与蚀刻工艺的内在联系，聚焦了特殊气体及特殊材料在等离子体蚀刻方面的潜在应用。最后是先进过程控制技术在等离子体蚀刻应用方面的重要性及展望，以及虚拟制造在集成电路发展中的应用。 本书可以作为从事等离子体蚀刻工艺研究和应用的研究生和工程技术人员的参考书籍。

张海洋，休斯敦大学化工系博士。现任中芯国际集成电路制造（上海）有限公司技术研发中心蚀刻部门主管，教授级高级工程师,享受国务院政府特殊津贴。专注于先进集成电路制造中成套等离子体蚀刻工艺研发以及国产蚀刻机台在高端逻辑制程中的验证。入选国家万人计划领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、上海市先进技术带头人计划。持有半导体制造领域国际专利八十余项，指导发表国际会议文章6０篇。

第1章低温等离子体蚀刻技术发展史

1.1绚丽多彩的等离子体

1.2低温等离子体的应用领域

1.3低温等离子体蚀刻技术混沌之初

1.4低温等离子体蚀刻技术世纪初的三演义

1.5三维逻辑和存储器时代低温等离子体蚀刻技术的变迁

1.6华人在低温等离子体蚀刻机台发展中的 贡献

1.7未来低温等离子体蚀刻技术展望

参考文献

第2章低温等离子体蚀刻简介

2.1等离子体的基本概念

2.2低温等离子体蚀刻基本概念

2.3等离子体蚀刻机台简介

2.3.1电容耦合等离子体机台

2.3.2电感耦合等离子体机台

2.3.3电子回旋共振等离子体机台

2.3.4远距等离子体蚀刻机台

2.3.5等离子体边缘蚀刻机台

2.4等离子体先进蚀刻技术简介

2.4.1等离子体脉冲蚀刻技术

2.4.2原子层蚀刻技术

2.4.3中性粒子束蚀刻技术

2.4.4带状束方向性蚀刻技术

2.4.5气体团簇离子束蚀刻技术

参考文献

第3章等离子体蚀刻在逻辑集成电路制造中的应用

3.1逻辑集成电路的发展

3.2浅沟槽隔离蚀刻

3.2.1浅沟槽隔离的背景和概况

3.2.2浅沟槽隔离蚀刻的发展

3.2.3膜层结构对浅沟槽隔离蚀刻的影响

3.2.4浅沟槽隔离蚀刻参数影响

3.2.5浅沟槽隔离蚀刻的重要物理参数及对器件性能的影响

3.2.6鳍式场效应晶体管中鳍(Fin)的自对准双图形的蚀刻

……

未来十年是以开放式创新为标识的物联网高速发展的时期，是新硬件时代即将开启的黎明。全球物联网规模化的期望已经使世界半导体行业成为蓝海。芯片技术、传感器、云计算的有机结合会让万物相连和无处不在的高度智能化成为可能。而低功耗、小尺寸和稳定性强的芯片是实现未来的智能家居、可穿戴设备、无人驾驶汽车、多轴无人飞行器、机器人厨师等新生事物的基石。顺应时代的需求，2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》出台，并推出十年千亿扶植基金计划。2015年政府工作报告中首次提出“中国制造2025”规划,其中集成电路放在新一代信息技术产业的首位。这些对于集成电路制造业核心工艺技术之一的低温等离子体蚀刻的发展无疑既是机遇又是严峻的考验和挑战。
在摩尔定律提出50周年的2015年，英特尔、三星、台积电等公司均进入14/16nm FinFET工艺量产阶段。2016年在台积电公司的2020年技术路线发展蓝图上，EUV工艺因其提高密度、大幅简化工艺而第一次成为5nm量产标配。2016—2020年这5年间，10nm、7nm甚至5nm依次量产，由此可见技术节点更迭依然摧枯拉朽，丝毫不见摩尔定律脚步迟滞的迹象。FinFET教父胡正明教授在2016年坦言： 半导体行业还有百年的繁荣。5nm之后，
可预见到的还有7~8个技术节点，
未来集成电路的发展方向大体可以分成三类： ①依靠半导体制造工艺改进持续缩小数字集成电路的特征尺寸的More Moore； ②依靠电路设计以及系统算法优化提升系统性能的More than Moore； ③依靠开发CMOS以外的新器件提升集成电路性能的Beyond CMOS。总体方针是从PPAC（功率、性能、面积和成本）四个方向续写微缩神话。应运而生的新结构有GAA
（纳米片环栅）、CFET（互补晶体管）、BPDN（背面功率分配）以及新型封装技术Chipset(小芯片）。
而存储器是芯片制造领域的另一制高点，它与数据相伴而生且需求量巨大。在传统存储器DRAM、NAND Flash等遭遇微缩瓶颈的境况下，目前全球半导体巨擘皆正大举发展次世代存储器，如磁阻式随机存取存储器、相变存储器及电阻式动态随机存取存储器。在这些新兴领域里，等离子体蚀刻依然扮演着不可或缺的重要角色。
过去半个世纪中，蚀刻技术已从简单的各向同性灰化发展到离子能量分布/电子能量分布级的精密控制技术。本书的内容基于已经公开发表的文献以及蚀刻团队对等离子体蚀刻在集成电路体制造应用的全面深刻理解，共分10章，包括低温等离子体半导体蚀刻技术的基本原理； 等离子体蚀刻技术发展史及前沿蚀刻技术的前瞻，诸如原子层蚀刻、中性粒子束蚀刻、离子束蚀刻、带状束定向蚀刻以及异步脉冲蚀刻等； 逻辑制程的经典蚀刻过程介绍； 传统及各种新型存储器中等离子体蚀刻技术的解读； 蚀刻过程相关的缺陷聚焦； 蚀刻过程和产品可靠性及良率的已知关联； 特殊气体在蚀刻中潜在应用的探索； 特殊材料蚀刻的综述涉及了三五族元素、石墨烯、黑磷、拓扑材料以及自组装材料等； 先进控制过程在等离子体蚀刻过程中应用涵盖了等离子体蚀刻过程的模型建立，已公开的先进控制技术实例，未来可能的黑灯工厂的全厂控制系统的架构； 虚拟制造在集成电路发展中的应用。
本书是年轻的蚀刻团队在百忙之中历时数年完成。希望本书对于等离子体蚀刻在高端半导体制造中的研发和应用能够管窥一斑，也希望它能成为有意愿致力于半导体高端制造等离子体蚀刻工艺应用的
科研人员、工程技术人员的参考书籍。因经验有限，不妥之处，还请诸位专家、学者及工程技术人员斧正。
张海洋2022年9月于上海浦东张江