正版 集成电路科学与工程导论 赵巍胜,尉国栋,潘彪 人民邮电出版

第 1 章 集成电路科学与工程发展史1

1．1 第三次科技革命--走进

信息时代1

1．1．1 信息及其流动．1

1．1．2 信息处理工具发展概述2

1．1．3 集成电路背后的物理学

基础．3

1．2 从元器件到集成电路．4

1．2．1 电子管．4

1．2．2 晶体管．5

1．2．3 从晶体管到集成电路5

1．3 数字集成电路6

1．3．1 数字集成电路演进的

摩尔定律．6

1．3．2 中央处理器的发展9

1．3．3 存储器的发展． 11

1．3．4 集成电路设计工具14

1．4 模拟集成电路15

1．4．1 模拟电路的基本构成15

1．4．2 各类模拟集成电路16

1．4．3 模拟集成电路产业17

1．5 集成电路产业的发展．18

1．5．1 集成电路的生产流程18

1．5．2 集成电路产业的组织

模式．19

本章小结．20

思考与拓展．20

参考文献．20

第 2 章 集成电路关键材料22

2．1 半导体材料概述．22

2．1．1 单质半导体23

2．1．2 双原子化合物半导体23

2．1．3 氧化物半导体23

2．1．4 层状半导体24

2．1．5 有机半导体24

2．1．6 磁性半导体24

2．1．7 其他半导体材料24

2．2 常见半导体的晶格结构．25

2．3 常见半导体的能带结构．26

2．3．1 倒格矢空间26

2．3．2 E-k 图像．29

2．3．3 等能面．30

2．3．4 有效质量32

2．3．5 禁带宽度34

2．4 硅材料34

2．4．1 硅材料的发现35

2．4．2 硅材料的应用35

2．4．3 半导体硅的制备37

2．4．4 应变硅材料38

2．5 锗材料39

2．5．1 锗材料的发现．39

2．5．2 锗材料的应用．40

2．6 砷化镓材料41

2．7 宽禁带半导体42

2．7．1 射频应用中的宽禁带

材料．43

2．7．2 光电和照明行业中的

宽禁带材料．44

2．8 介电材料44

2．8．1 介电原理．44

2．8．2 高介电材料．46

2．8．3 低介电材料．47

2．9 互连材料48

2．9．1 铝金属互连材料48

2．9．2 铜金属互连材料49

2．9．3 新型金属互连材料50

2．9．4 碳纳米管互连材料51

2．10 半导体发光材料51

2．10．1 半导体的发光原理51

2．10．2 常见的半导体发光

材料．52

2．10．3 发光二极管．53

2．11 信息存储材料．54

2．11．1 硅基存储材料55

2．11．2 磁存储材料56

2．11．3 阻变存储材料57

2．11．4 相变存储材料59

2．11．5 铁电存储材料60

本章小结．61

思考与拓展．62

参考文献．62

第3 章 集成电路晶体管器件65

3．1 晶体管器件概述．65

3．1．1 晶体管的基本功能65

3．1．2 晶体管的基本结构66

3．1．3 场效应晶体管的发展

历程．67

3．2 金属氧化物半导体场

效应晶体管技术67

3．2．1 金属氧化物半导体场

效应晶体管的分类68

3．2．2 金属氧化物半导体场

效应晶体管的结构69

3．2．3 金属氧化物半导体场

效应晶体管的特性70

3．2．4 互补型金属氧化物

半导体场效应晶体管71

3．2．5 按比例缩小定律72

3．2．6 CMOS 工艺变革．73

3．3 绝缘体上晶体管技术．75

3．3．1 绝缘体上晶体管技术的

背景．75

3．3．2 绝缘晶圆上硅晶体管

技术．76

3．3．3 氧化物埋层上硅晶体管

技术．77

3．3．4 全耗尽型绝缘体上硅

晶体管技术．78

3．3．5 绝缘体上硅器件的优势

及挑战．80

3．4 三维晶体管技术80

3．4．1 超薄体场效应晶体管81

3．4．2 多栅场效应晶体管81

3．4．3 鳍式场效应晶体管83

3．4．4 环栅场效应晶体管85

3．4．5 互补型场效应晶体管87

3．5 其他类型晶体管器件．89

3．5．1 高电子迁移率晶体管89

3．5．2 低维材料场效应

晶体管．91

3．5．3 自旋逻辑器件．95

3．5．4 隧穿场效应晶体管97

本章小结．98

思考与拓展．99

参考文献．99

第4 章 集成电路工艺设备． 104

4．1 集成电路工艺设备基础． 104

4．1．1 真空技术基础． 104

4．1．2 薄膜技术基础． 106

4．1．3 相关物理和化学

基础． 107

4．2 薄膜沉积设备 109

4．2．1 物理气相沉积设备 109

4．2．2 化学气相沉积设备 118

4．2．3 其他薄膜沉积设备 121

4．3 图形制作设备 121

4．3．1 光学曝光设备． 122

4．3．2 电子束光刻设备129

4．3．3 其他图形制作设备131

4．4 图形刻蚀设备133

4．4．1 常用的图形转移方法133

4．4．2 反应离子刻蚀设备134

4．4．3 电感耦合等离子体刻蚀

设备．135

4．4．4 离子束刻蚀设备136

4．4．5 湿法刻蚀设备139

4．4．6 其他刻蚀设备139

4．5 其他集成电路设备．139

4．5．1 表征设备140

4．5．2 测试设备143

4．5．3 扩散设备和离子注入

设备．145

4．5．4 化学机械抛光设备146

本章小结．147

思考与拓展．147

参考文献．147

第5 章 集成电路制造工艺150

5．1 传统互补型金属氧化物

半导体制造工艺150

5．1．1 互补型金属氧化物

半导体制造工艺简介150

5．1．2 互补型金属氧化物

半导体制造工艺流程151

5．2 新型互补型金属氧化物

半导体制造工艺157

5．2．1 绝缘体上硅制备工艺157

5．2．2 鳍式场效应晶体管

工艺． 159

5．2．3 环栅场效应晶体管

工艺． 161

5．3 先进集成电路制造工艺

技术 162

5．3．1 多重图形技术． 162

5．3．2 混合刻蚀技术． 165

5．3．3 硅通孔技术． 167

5．3．4 新型互连线工艺技术 170

5．4 三维堆叠技术 170

5．4．1 存储阵列的三维堆叠

技术． 171

5．4．2 控制电路和存储单元

垂直堆叠技术． 172

5．4．3 Xtacking 堆叠技术 174

5．4．4 芯粒技术． 176

本章小结． 179

思考与拓展． 180

参考文献． 180

第6 章 大规模数字集成电路 182

6．1 数字集成电路基础 182

6．1．1 组合逻辑电路与时序

逻辑电路． 183

6．1．2 同步逻辑电路与异步

逻辑电路． 187

6．1．3 静态逻辑电路与动态

逻辑电路． 188

6．2 数字集成电路设计方法概述． 191

6．2．1 基于门阵列的半定制

电路．192

6．2．2 基于标准单元的半定制

电路．194

6．2．3 可重构计算电路195

6．3 中央处理器196

6．3．1 中央处理器的功能和

组成．197

6．3．2 中央处理器的分层模型

与指令集架构．199

6．3．3 经典指令集架构简介204

6．3．4 中央处理器的发展

趋势．210

6．4 图形处理器211

6．4．1 三维图形处理流程211

6．4．2 图形处理器的组成与

架构．212

6．4．3 主流图形处理器简介214

6．4．4 图形处理器的发展

趋势．215

6．5 类脑计算芯片216

6．5．1 类脑计算芯片的发展

机遇及挑战．216

6．5．2 深度学习处理器217

6．5．3 神经形态芯片220

6．6 片上系统221

6．6．1 片上系统概述221

6．6．2 可复用IP 核222

6．6．3 片上系统实例223

本章小结． 227

思考与拓展． 227

参考文献． 227

第7 章 大规模模拟及通信集成电路 229

7．1 基本模拟集成电路 229

7．1．1 MOSFET 器件放大

原理． 230

7．1．2 运算放大器． 231

7．1．3 其他常见模拟集成

电路． 235

7．1．4 模拟集成电路的设计

流程． 237

7．1．5 模拟集成电路未来的

发展与挑战． 239

7．2 模数转换器及数模转换器． 239

7．2．1 模数转换器． 239

7．2．2 数模转换器． 242

7．2．3 常用模数转换器的

分类． 244

7．2．4 模数转换器的发展

趋势． 250

7．3 通信集成电路 251

7．3．1 4G 通信集成电路 252

7．3．2 5G 通信集成电路 255

7．3．3 WiFi 通信集成电路． 260

7．3．4 超宽带通信集成电路 263

本章小结． 265

思考与拓展． 266

参考文献． 266

第8 章 先进存储器技术269

8．1 存储器概述269

8．1．1 存储器的主要指标和

架构．269

8．1．2 存储器的分类271

8．2 半导体存储器271

8．2．1 静态随机存取存储器272

8．2．2 动态随机存取存储器276

8．2．3 可编程只读存储器283

8．2．4 闪速存储器284

8．3 新型非易失性存储器．292

8．3．1 磁性随机存取存储器292

8．3．2 阻变随机存取存储器296

8．3．3 相变存储器298

8．3．4 铁电随机存取存储器300

8．4 存算一体技术302

8．4．1 技术概述303

8．4．2 基于不同逻辑范式的

存算一体技术．304

8．4．3 基于不同存储器的存算

一体技术．308

本章小结．313

思考与拓展．313

参考文献．314

第9 章 先进传感器技术320

9．1 传感器简介320

9．1．1 传感器概述320

9．1．2 传感器的分类及特点322

9．1．3 常见传感原理322

9．2 微机电系统传感器 325

9．2．1 微机电系统的定义 325

9．2．2 微机电系统技术的发展

历史． 326

9．2．3 微机电系统传感器的

应用领域． 328

9．3 微机电系统传感器的设计． 330

9．3．1 微机电系统传感器的

设计理论． 331

9．3．2 微机电系统传感器的

设计流程与方法． 335

9．3．3 微机电系统传感器的

设计与仿真软件． 336

9．4 微机电系统传感器的制程． 337

9．4．1 微机电系统传感器

材料． 338

9．4．2 微机电系统传感器的

加工工艺． 339

9．5 主流物理量传感器 342

9．5．1 声学应用：微机电系统

传声器． 342

9．5．2 光学应用：红外热电堆

检测传感器． 344

9．5．3 电学应用：微机电系统

惯性传感器． 345

9．5．4 磁学应用：磁学

传感器． 347

9．5．5 多物理量融合：多轴

传感器． 350

9．6 新型传感器技术．351

9．6．1 微机电系统激光雷达352

9．6．2 医工交叉传感器352

本章小结．355

思考与拓展．356

参考文献．356

第 10 章 集成电路电子设计自动化

技术．359

10．1 电子设计自动化技术简介．360

10．1．1 电子设计自动化技术

的起源．360

10．1．2 电子设计自动化技术

的发展现状．361

10．1．3 常用工具及分类363

10．2 模拟集成电路设计自动化．364

10．2．1 库文件与器件模型365

10．2．2 电路设计与仿真368

10．2．3 版图设计与验证370

10．3 数字集成电路设计自动化．376

10．3．1 设计流程概述377

10．3．2 RTL 设计．378

10．3．3 逻辑综合380

10．3．4 物理设计381

10．4 基于人工智能的EDA

技术389

本章小结．390

思考与拓展．390

参考文献．390

缩略语表．393

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ling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。

集成电路是采用微纳加工工艺将电路元器件互连集成在一起构成的有特定功能的电路系统。随着信息技术的进步，集成电路已成为一个国家高端科技实力的重要体现和关乎国计民生的战略性产业，因此国务院学位委员会于2020年12月设立了新的一级学科——集成电路科学与工程。

本书作者经仔细调研，剖析国家集成电路领域知识和人才需求，结合国际研究和工程的近期新热点及实践编写本书，旨在助力推动国内集成电路领域的基础研究和技术进步，加快学术界、工业界主动适应集成电路知识更新换代的速度。全书共10章，包括集成电路科学与工程发展史、集成电路关键材料、集成电路晶体管器件、集成电路工艺设备、集成电路制造工艺、大规模数字集成电路、大规模模拟及通信集成电路、优选存储器技术、优选传感器技术和集成电路电子设计自动化技术。

本书内容力求兼具系统性、前沿性和创新性，同时与产业实践相结合，可作为集成电路科学与工程相关课程的教材，也可供集成电路领域研究及从业人员和感兴趣的读者参考。

围绕集成电路科学与工程一级学科建设打造的导论著 作 追踪全球研究前沿，介绍新的集成电路知识体系； 紧密结合产业实践，融合新产业化成果； 入选“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目。