集成電路科學與工程導論 第2版

集成電路是採用微納加工工藝將晶體管、電阻器、電容器和電感器等元器件互連集成在一起構成的，具有特定功能的電路系統，俗稱“芯片”。

本書立足集成電路專業，幫助讀者從理論到應用系統瞭解集成電路科學與工程的研究核心與行業動態，包括集成電路科學與工程發展史、集成電路關鍵材料、集成電路晶體管器件、集成電路工藝設備、集成電路製造工藝、大規模數字集成電路、大規模模擬及通信集成電路、先進存儲器技術、先進傳感器技術和集成電路設計自動化技術，共十章內容。

本書力求系統性、前沿性、創新性，同時與產業實踐相結合，可作為集成電路科學與工程相關方向的教材，也可供集成電路領域的研究人員、工程技術人員及對集成電路產業與技術感興趣的人士參考。

赵巍胜

长期从事大规模集成电路、新型非易失性存储芯片及自旋电子学等交叉方向研究，现担任中国科学技术协会第十届全 国委员会常务委员会委员、第八届教 育部科技委委员、北京航空航天大学校长助理、集成电路科学与工程学院第 一任院长、工信 部空天信自旋电子重点实验室主任、集成电路领域国际旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Paper总主编。2019年当选IEEE Fellow，2020年获聘教育 部“长江学 者奖励计划”特岗学 者，2021年获科学探索奖、中国电子学会自然科学一等奖。

2007年获法国南巴黎大学（现巴黎萨克雷大学）物理学博士学位，2009年任法国国家科学院研究员（终身职位），2013年入职北航，取得了一系列国际领 先的科研成果，如发现了自旋协同矩效应（Nature Electronics 2018；IEDM 2019），基于自旋轨道矩翻转界面偏置的自旋电子器件（Nature Electronics 2020；IEDM 2021）等。近五年发表ESI高被引论文10篇，总索引16,000余次，H因子66；获授权专利75项，转让专利33项，曾担任2020年第30届ACM GLSVLSI大会主席等学术会议职务。

第 1 章 集成電路科學與工程發展史1

1.1　第三次科技革命--走進

信息時代1

1.1.1　信息及其流動.1

1.1.2　信息處理工具發展概述2

1.1.3　集成電路背後的物理學

基礎.3

1.2　從元器件到集成電路.4

1.2.1　電子管.4

1.2.2　晶體管.5

1.2.3　從晶體管到集成電路5

1.3　數字集成電路6

1.3.1　數字集成電路演進的

摩爾定律.6

1.3.2　中央處理器的發展9

1.3.3　存儲器的發展.　11

1.3.4　集成電路設計工具14

1.4　模擬集成電路15

1.4.1　模擬電路的基本構成15

1.4.2　各類模擬集成電路16

1.4.3　模擬集成電路產業17

1.5　集成電路產業的發展.18

1.5.1　集成電路的生產流程18

1.5.2　集成電路產業的組織

模式.19

本章小結.20

思考與拓展.20

參考文獻.20

第　2 章 集成電路關鍵材料22

2.1　半導體材料概述.22

2.1.1　單質半導體23

2.1.2　雙原子化合物半導體23

2.1.3　氧化物半導體23

2.1.4　層狀半導體24

2.1.5　有機半導體24

2.1.6　磁性半導體24

2.1.7　其他半導體材料24

2.2　常見半導體的晶格結構.25

2.3　常見半導體的能帶結構.26

2.3.1　倒格矢空間26

2.3.2　E-k 圖像.29

2.3.3　等能面.30

2.3.4　有效質量32

2.3.5　禁帶寬度34

2.4　硅材料34

2.4.1　硅材料的發現35

2.4.2　硅材料的應用35

2.4.3　半導體硅的制備37

2.4.4　應變硅材料38

2.5　鍺材料39

2.5.1　鍺材料的發現.39

2.5.2　鍺材料的應用.40

2.6　砷化鎵材料41

2.7　寬禁帶半導體42

2.7.1　射頻應用中的寬禁帶

材料.43

2.7.2　光電和照明行業中的

寬禁帶材料.44

2.8　介電材料44

2.8.1　介電原理.44

2.8.2　高介電材料.46

2.8.3　低介電材料.47

2.9　互連材料48

2.9.1　鋁金屬互連材料48

2.9.2　銅金屬互連材料49

2.9.3　新型金屬互連材料50

2.9.4　碳納米管互連材料51

2.10　半導體發光材料51

2.10.1　半導體的發光原理51

2.10.2　常見的半導體發光

材料.52

2.10.3　發光二極管.53

2.11　信息存儲材料.54

2.11.1　硅基存儲材料55

2.11.2　磁存儲材料56

2.11.3　阻變存儲材料57

2.11.4　相變存儲材料59

2.11.5　鐵電存儲材料60

本章小結.61

思考與拓展.62

參考文獻.62

第3　章 集成電路晶體管器件65

3.1　晶體管器件概述.65

3.1.1　晶體管的基本功能65

3.1.2　晶體管的基本結構66

3.1.3　場效應晶體管的發展

歷程.67

3.2　金屬氧化物半導體場

效應晶體管技術67

3.2.1　金屬氧化物半導體場

效應晶體管的分類68

3.2.2　金屬氧化物半導體場

效應晶體管的結構69

3.2.3　金屬氧化物半導體場

效應晶體管的特性70

3.2.4　互補型金屬氧化物

半導體場效應晶體管71

3.2.5　按比例縮小定律72

3.2.6　CMOS 工藝變革.73

3.3　絕緣體上晶體管技術.75

3.3.1　絕緣體上晶體管技術的

背景.75

3.3.2　絕緣晶圓上硅晶體管

技術.76

3.3.3　氧化物埋層上硅晶體管

技術.77

3.3.4　全耗盡型絕緣體上硅

晶體管技術.78

3.3.5　絕緣體上硅器件的優勢

及挑戰.80

3.4　三維晶體管技術80

3.4.1　超薄體場效應晶體管81

3.4.2　多柵場效應晶體管81

3.4.3　鰭式場效應晶體管83

3.4.4　環柵場效應晶體管85

3.4.5　互補型場效應晶體管87

3.5　其他類型晶體管器件.89

3.5.1　高電子遷移率晶體管89

3.5.2　低維材料場效應

晶體管.91

3.5.3　自旋邏輯器件.95

3.5.4　隧穿場效應晶體管97

本章小結.98

思考與拓展.99

參考文獻.99

第4　章 集成電路工藝設備.　104

4.1　集成電路工藝設備基礎.　104

4.1.1　真空技術基礎.　104

4.1.2　薄膜技術基礎.　106

4.1.3　相關物理和化學

基礎.　107

4.2　薄膜沉積設備　109

4.2.1　物理氣相沉積設備　109

4.2.2　化學氣相沉積設備　118

4.2.3　其他薄膜沉積設備　121

4.3　圖形製作設備　121

4.3.1　光學曝光設備.　122

4.3.2　電子束光刻設備129

4.3.3　其他圖形製作設備131

4.4　圖形刻蝕設備133

4.4.1　常用的圖形轉移方法133

4.4.2　反應離子刻蝕設備134

4.4.3　電感耦合等離子體刻蝕

設備.135

4.4.4　離子束刻蝕設備136

4.4.5　濕法刻蝕設備139

4.4.6　其他刻蝕設備139

4.5　其他集成電路設備.139

4.5.1　表徵設備140

4.5.2　測試設備143

4.5.3　擴散設備和離子註入

設備.145

4.5.4　化學機械拋光設備146

本章小結.147

思考與拓展.147

參考文獻.147

第5　章 集成電路製造工藝150

5.1　傳統互補型金屬氧化物

半導體製造工藝150

5.1.1　互補型金屬氧化物

半導體製造工藝簡介150

5.1.2　互補型金屬氧化物

半導體製造工藝流程151

5.2　新型互補型金屬氧化物

半導體製造工藝157

5.2.1　絕緣體上硅制備工藝157

5.2.2　鰭式場效應晶體管

工藝.　159

5.2.3　環柵場效應晶體管

工藝.　161

5.3　先進集成電路製造工藝

技術　162

5.3.1　多重圖形技術.　162

5.3.2　混合刻蝕技術.　165

5.3.3　硅通孔技術.　167

5.3.4　新型互連線工藝技術　170

5.4　三維堆疊技術　170

5.4.1　存儲陣列的三維堆疊

技術.　171

5.4.2　控制電路和存儲單元

垂直堆疊技術.　172

5.4.3　Xtacking 堆疊技術　174

5.4.4　芯粒技術.　176

本章小結.　179

思考與拓展.　180

參考文獻.　180

第6　章 大規模數字集成電路　182

6.1　數字集成電路基礎　182

6.1.1　組合邏輯電路與時序

邏輯電路.　183

6.1.2　同步邏輯電路與異步

邏輯電路.　187

6.1.3　靜態邏輯電路與動態

邏輯電路.　188

6.2　數字集成電路設計方法概述.　191

6.2.1　基於門陣列的半定製

電路.192

6.2.2　基於標準單元的半定製

電路.194

6.2.3　可重構計算電路195

6.3　中央處理器196

6.3.1　中央處理器的功能和

組成.197

6.3.2　中央處理器的分層模型

與指令集架構.199

6.3.3　經典指令集架構簡介204

6.3.4　中央處理器的發展

趨勢.210

6.4　圖形處理器211

6.4.1　三維圖形處理流程211

6.4.2　圖形處理器的組成與

架構.212

6.4.3　主流圖形處理器簡介214

6.4.4　圖形處理器的發展

趨勢.215

6.5　類腦計算芯片216

6.5.1　類腦計算芯片的發展

機遇及挑戰.216

6.5.2　深度學習處理器217

6.5.3　神經形態芯片220

6.6　片上系統221

6.6.1　片上系統概述221

6.6.2　可復用IP 核222

6.6.3　片上系統實例223

本章小結.　227

思考與拓展.　227

參考文獻.　227

第7　章 大規模模擬及通信集成電路　229

7.1　基本模擬集成電路　229

7.1.1　MOSFET 器件放大

原理.　230

7.1.2　運算放大器.　231

7.1.3　其他常見模擬集成

電路.　235

7.1.4　模擬集成電路的設計

流程.　237

7.1.5　模擬集成電路未來的

發展與挑戰.　239

7.2　模數轉換器及數模轉換器.　239

7.2.1　模數轉換器.　239

7.2.2　數模轉換器.　242

7.2.3　常用模數轉換器的

分類.　244

7.2.4　模數轉換器的發展

趨勢.　250

7.3　通信集成電路　251

7.3.1　4G 通信集成電路　252

7.3.2　5G 通信集成電路　255

7.3.3　WiFi 通信集成電路.　260

7.3.4　超寬帶通信集成電路　263

本章小結.　265

思考與拓展.　266

參考文獻.　266

第8　章 先進存儲器技術269

8.1　存儲器概述269

8.1.1　存儲器的主要指標和

架構.269

8.1.2　存儲器的分類271

8.2　半導體存儲器271

8.2.1　靜態隨機存取存儲器272

8.2.2　動態隨機存取存儲器276

8.2.3　可編程只讀存儲器283

8.2.4　閃速存儲器284

8.3　新型非易失性存儲器.292

8.3.1　磁性隨機存取存儲器292

8.3.2　阻變隨機存取存儲器296

8.3.3　相變存儲器298

8.3.4　鐵電隨機存取存儲器300

8.4　存算一體技術302

8.4.1　技術概述303

8.4.2　基於不同邏輯範式的

存算一體技術.304

8.4.3　基於不同存儲器的存算

一體技術.308

本章小結.313

思考與拓展.313

參考文獻.314

第9　章 先進傳感器技術320

9.1　傳感器簡介320

9.1.1　傳感器概述320

9.1.2　傳感器的分類及特點322

9.1.3　常見傳感原理322

9.2　微機電系統傳感器　325

9.2.1　微機電系統的定義　325

9.2.2　微機電系統技術的發展

歷史.　326

9.2.3　微機電系統傳感器的

應用領域.　328

9.3　微機電系統傳感器的設計.　330

9.3.1　微機電系統傳感器的

設計理論.　331

9.3.2　微機電系統傳感器的

設計流程與方法.　335

9.3.3　微機電系統傳感器的

設計與模擬軟件.　336

9.4　微機電系統傳感器的製程.　337

9.4.1　微機電系統傳感器

材料.　338

9.4.2　微機電系統傳感器的

加工工藝.　339

9.5　主流物理量傳感器　342

9.5.1　聲學應用：微機電系統

傳聲器.　342

9.5.2　光學應用：紅外熱電堆

檢測傳感器.　344

9.5.3　電學應用：微機電系統

慣性傳感器.　345

9.5.4　磁學應用：磁學

傳感器.　347

9.5.5　多物理量融合：多軸

傳感器.　350

9.6　新型傳感器技術.351

9.6.1　微機電系統激光雷達352

9.6.2　醫工交叉傳感器352

本章小結.355

思考與拓展.356

參考文獻.356

第　10 章 集成電路電子設計自動化

技術.359

10.1　電子設計自動化技術簡介.360

10.1.1　電子設計自動化技術

的起源.360

10.1.2　電子設計自動化技術

的發展現狀.361

10.1.3　常用工具及分類363

10.2　模擬集成電路設計自動化.364

10.2.1　庫文件與器件模型365

10.2.2　電路設計與模擬368

10.2.3　版圖設計與驗證370

10.3　數字集成電路設計自動化.376

10.3.1　設計流程概述377

10.3.2　RTL 設計.378

10.3.3　邏輯綜合380

10.3.4　物理設計381

10.4　基於人工智能的EDA

技術389

本章小結.390

思考與拓展.390

參考文獻.390

縮略語表.393