当今CMOS集成电路的特征尺寸已进入了纳米时代。本书全面介绍了纳米CMOS集成电路技术。包括纳米尺度下的器件物理、集成电路的制造工艺和设计方法；介绍了存储器、专用集成电路和片上系统；突出了漏电功耗问题和低功耗设计，讨论了工艺扰动和环境变化对集成电路可靠性和信号完整性的影响。书中还包括了有关纳米CMOS集成电路的测试、封装、成品率和失效分析，并在最后探讨了未来CMOS特征尺寸缩小的趋势和面临的挑战。 本书基于作者长期在Philips和NXP Semiconductors公司讲授CMOS集成电路内部课程时出版的三部专著的内容，并参考当今工业界最先进的水平对这些内容进行了全面修订和更新，这保证了本书内容与集成电路工业界的紧密联系。本书结构严谨，可读性强，书中附有大量的插图和照片，列出了许多有价值的参考文献，并提供了许多富有思考意义的练习题，因此本书是一本既适于教学、又适于自学的纳米CMOS集成电路技术的专业引论书。     读者对象：本书可作为高等院校电子科学与技术（包括微电子与光电子）、电子与信息工程、精密仪器与机械制造、自动化、计算机科学与技术等专业本科高年级学生和研究生有关纳米集成电路设计与制造方面课程的教科书，也可作为从事这一领域及相关领域的工程技术人员的参考书。

译 者 序 当今CMOS集成电路的特征尺寸已进入了纳米时代。 本书全面介绍了纳米CMOS集成电路技术。包括纳米尺度下的器件物理、集成电路的制造工艺和设计方法； 介绍了存储器、专用集成电路和系统芯片； 突出了漏电功耗问题和低功耗设计， 讨论了工艺扰动和环境变化对集成电路可靠性和信号完整性的影响。书中还包括了有关纳米CMOS集成电路的测试、封装、成品率和失效分析， 并在最后探讨了未来CMOS特征尺寸缩小的趋势和所面临的挑战。 本书基于作者长期在Philips和NXP Semiconductors公司讲授CMOS集成电路内部课程时出版的三部专著的内容， 并参考当今工业界最先进的水平进行了全面修订和更新， 这保证了本书内容与集成电路工业界的紧密联系。作者尽了相当大的努力来提高本书的可读性， 因而只包括了最重要的公式。大量的插图与照片将有助于加强对书中内容的阐述。书中主要列出了数字电路的设计与应用例子， 这反映了现代CMOS集成电路中90％以上是数字电路的事实， 但书中介绍的内容将同样使模拟电路设计者对纳米CMOS电路的物理原理、制造和工作过程有一个基本的了解。本书每一章的内容都经过了精心的选择和非常合乎逻辑顺序的组织， 从而使读者能逐渐累积起从基本原理到专用芯片的知识。读者在每一章中所获得的知识对于理解后续各章所介绍的内容是必不可少的。每一章末都列出了许多有价值的参考文献， 并提供了许多富有思考意义的练习题， 因此本书是一本既适于教学, 又适于自学的纳米CMOS集成电路技术的专业引论书。 本书可作为高等院校电子科学与技术（包括微电子与光电子）、电子与信息工程、精密仪器与机械制造、自动化、计算机科学与技术等专业本科高年级学生和研究生有关纳米集成电路设计与制造方面课程的教科书， 也可作为从事这一领域及相关领域的工程技术人员的参考书。 本书由清华大学周润德教授组织翻译， 参加翻译工作的人员还有金申美、周晔、王硕。他们帮助翻译了本书的部分章节， 完成了文字输入和文稿整理， 并对全部译稿进行了仔细校对。 本书在翻译过程中得到了电子工业出版社的热心指导和大力支持， 得到了清华大学微电子学研究所领导和多位教师的关心， 特别是得到了钱佩信教授、贾松良教授、王燕教授、李树国副教授、潘立阳副教授、严利人副教授等多位老师的帮助与指正。我的学生在完成译稿过程中给予了我很大的支持， 在此一并深表谢意。 最后， 本书虽经仔细校对， 但由于译者水平有限， 文中定有不当或欠妥之处， 望读者批评指正。 译 者 2010年3月于 清华园 序 CMOS特征尺寸的缩小目前已进入到了几十纳米的时代。这使有可能设计包含100亿个以上晶体管的片上系统。但是纳米尺度的器件物理也带来了太多新的挑战， 这些挑战向上一直渗透到系统级。 因此片上系统设计本质上是一项团队合作， 它要求在系统设计师、软件工程师、芯片架构设计师、专利模块（IP）供应商以及工艺与器件工程师之间密切沟通。而要做到这一点， 如果没有对纳米CMOS本身、它的术语、它的前景以及可能存在的问题有共同的理解， 那几乎是不可能的。这正是本书所要向读者介绍的内容。 本书对介绍深亚微米CMOS系统的前一版本做了大幅扩充与修订。因此除了出色涵盖MOS器件、电路与系统的各个基本方面外， 它还向读者展现了由CMOS特征尺寸缩小至几十纳米尺度所带来的复杂情形。本书的新特点是注重了日益增加的漏电功耗问题及降低这一功耗的方法、由应变引起的迁移率提高以及45 nm以下的光刻工艺。采用高折射系数液体和超紫外线的浸没式和两次曝光成像光刻， 以及可用于亚32 nm的其他光刻方法连同它们对电路版图的影响， 在本书中都进行了广泛的讨论。本书中有关设计的部分现在也从达到原子尺度后将引起器件的扰动性加大、软错及可靠性下降的角度， 广泛涵盖了用来改善稳定性、成品率及制造过程的设计技术。本书中有关封装的部分着重介绍了迅速兴起的三维集成技术。最后作者交流了他对到2015年接近CMOS技术路线终了时进一步缩小尺寸的一些看法。 本书的独特之处在于它非常全面地涵盖了纳米尺度CMOS下一个工作稳定及可测试系统从工艺技术到设计和封装的全过程。 本书反映了作者自己在这一领域的研究工作， 但也反映了作者近30年来为NXP和Philips公司的系统设计师及工艺工程师们交互式讲授CMOS设计的经历。这为双方提供了事情的来龙去脉和正确观察事物相互关系的能力。 我非常热情地将这本书推荐给所有从事未来硅片上系统的设计与制造的工程师们， 以及希望了解能使电子系统工作的基本原理的工科大学生们。 Hugo De Man 比利时鲁汶大学资深教授 IMEC高级会员 前 言 集成电路（IC）是一块其上有许许多多互相连接的电子元件的半导体材料。这些互相连接的“芯片”元件实现特定的功能。所用的半导体材料通常是硅， 但也可以是其他材料，如砷化镓。 集成电路在最现代的电子产品中非常重要。第一块集成电路由Jack Kilby于1959年发明。这一器件与其发明者的照片显示在图P1(又见彩插图P1)中。图P2显示了集成电路的复杂度在此之后的发展情形。它显示了最先进的集成电路中所包含的元件数目以及这些集成电路首次公布的年份。图中表现出的集成电路复杂度每两年翻倍的规律是由Intel公司的摩尔（Moore）先生于1964年预见的， 他的这一规律对于预见一块芯片上逻辑晶体管的数目至今仍然正确。但由于特征尺寸的缩小已接近极限， 某些存储器的复杂度现在需要每三年才翻倍。这在图P2中表现为复杂度增长的曲线慢慢趋向饱和。 图P1 第一块集成电路的诞生：1958年Jack Kilby用实验表明除了晶体管外， 电阻和电 容也可以用半导体工艺实现。Kilby是德州仪器公司的工作人员， 于1959年提交 了名为“小型化电子电路”（MiniaturizedElectronicCircuits）的专利申 请。他的申请得到了授权。许多日本公司在1990年对此的认可意味着德州仪 器公司仍然从Kilby的专利中获益（来源：TexasInstruments/Koning＆Hartman） 图P3列出了各类集成电路相对的半导体市场收益。CMOS集成电路约占整个半导体市场的75%。今天的数字集成电路可以在一块1 cm2的单片上包含几亿个甚至超过十亿个晶体管。它们可以进一步分为三类：逻辑、微处理器及存储器。约10%的CMOS集成电路为模拟电路。 图P4～图P7显示了集成电路工艺的进展情形。图P4(又见彩插图P4)为一个分立的BC107晶体管。图P5的数字滤波器含有几千个晶体管， 而图P6的DAB芯片含有600万以上的晶体管。图7.25（见7.6节）中的Intel Pentium4 Xeon双核处理器含有13亿个晶体管。图P7显示了一块采用63 nm工艺、8 Gb多电平（每单元含多位数据）的NANDflash存储器芯片。 图P2 每块集成电路上元件数目的增长情况 图P3 各类集成电路相对的半导体市场收益（来源：IC Insights） 图P8形象地显示了不同半导体元件例如一个硅原子、一个晶体管及一块集成电路的尺寸对比。单个MOS晶体管的尺寸将逼近一个病毒的大小。 本书探究与CMOS集成电路相关的各个方面。所介绍的主要内容包括相关的基本物理原理， 同时也说明工艺、设计和实现方面的内容并讨论有关应用， 此外还将介绍用于集成电路设计的CAD工具， 它们当前和所期望的进展也将得到关注。 本书的内容基于一门面向工业界的课程“集成电路技术引论”（An introduction to IC techniques）中的CMOS部分。这门课程已讲授了近三十年， 先在Philips公司讲授， 目前在NXP Semiconductors公司讲授。对该课程教材的不断修订和扩充保证了本书与集成电路工业界的紧密联系。本书讨论的层次使它成为一本非常适合于设计师、工艺师、CAD开发人员、测试工程师、失效分析工程师、可靠性工程师、专业销售人员和集成电路使用者的引论书。本书也非常适合于学习相关工程类课程的研究生与本科生。图P4 单个BC107双极型晶体管 （来源：NXPSemiconductors）图P5 含几千个晶体管的数字滤波器 （来源：NXPSemiconductors） 图P6 数字音频广播（DAB）芯片， 含有600万个以 上的晶体管（来源：NXPSemiconductors）图P7 8 Gb容量63 nm工艺MLC NAND快闪 存储器芯片的版图（来源：Samsung） 图P8 不同半导体元件（例如原子、晶体管、集成电路）的尺寸对比作者尽了相当大的努力来提高本书的可读性， 因而只包括了最重要的公式。大量的插图与照片应当有助于加强书中的解释。本书中设计与应用的例子主要是数字的， 这反映了所有现代CMOS集成电路中90%以上是数字电路的事实。但书中介绍的内容将同样使模拟电路设计者对纳米CMOS电路的物理原理、制造和工作有一个基本的了解。书中各章的内容总结如下。出于教学目的， 前四章分别从讨论nMOS的物理原理、nMOS晶体管的工作、nMOS电路的行为、nMOS的制造工艺等开始。由于pMOS晶体管的工作与nMOS晶体管完全互补， 因此很容易理解互补MOS（CMOS）电路的工作与制造。书中每一章的主要内容都经过非常有组织及合乎逻辑顺序的选择， 从而能逐渐累积起从基本原理到专用芯片的知识。在每一章中获得的知识对于理解后续各章所介绍的内容是必不可少的。每一章末都列出了参考文献并附有练习题。这些练习题总结了本章的重点， 并且也是一个完整学习过程的重要组成部分。 第1章详细讨论了MOS晶体管的基本原理和它的物理基础。通过推导MOS器件简单的电流-电压公式并说明它们的特性， 可以显示出工艺参数与电路性能之间的关系。 晶体管尺寸的不断缩小加大了由简单MOS公式所预见到的性能与实际晶体管行为之间的差别。第2章解释了温度及不断缩小的几何尺寸对这一行为的影响。这些效应除了影响晶体管和电路的性能以外， 还会减少器件寿命和降低可靠性。 第3章考察了制造CMOS集成电路的各种工艺。在总结了现有可用做原始材料的各种衬底（圆片）之后， 该章说明了最重要的相关光刻和工艺步骤。接着该章讨论了用来制造现代超大规模集成电路的先进的纳米CMOS工艺。 CMOS电路的设计放在第4章。对nMOS电路性能特点的介绍为解释CMOS设计和画版图的过程提供了极为有用的基础知识。 MOS工艺及它们的派生工艺用来制造第5章所讨论的特殊器件。电荷耦合器件（CCD）、CMOS成像器以及MOS功率管就属于这类特殊器件。第5章最后介绍了BICMOS电路工作的基本概念。 独立式存储器现在约占半导体市场总收益的25%。但与此同时， 在逻辑与微处理器集成电路中， 嵌入式存储器占晶体管总数的近80%。因此在今天全世界生产的全部晶体管中， 约90%都落在独立式或嵌入式的存储器中。这一比例预期在今后也将处于这一水平或会进一步提高。为此第6章考察大部分已有的存储器类型。该章解释了不同类型存储器的基本结构和工作原理。另外还清楚地说明了它们各自的特点与应用领域之间的关系。 集成电路工艺的发展使现在已能很容易地把整个系统集成在单个芯片上， 这些片上系统包含几亿个乃至十亿个以上的晶体管。第7章介绍了用于这些超大规模集成电路的各种设计与实现技术。这些技术的优缺点及相关的CAD工具将在该章考察。各种现代工艺已用来实现单独的一类超大规模集成电路， 这类集成电路是由应用者而不是由制造者来定义的。这些专用集成电路（ASIC）也将在该章考察。该章还将讨论使用这些电路的目的和原因。 由于功耗的持续增大， 已经达到了廉价塑料封装所能承受的最大限度。因此， 所有的CMOS设计者都必须具有“低功耗的观念”。第8章全面概述了针对CMOS工艺以及针对不同设计层次的低功耗和低漏电方案。 超大规模集成电路日益加大的设计复杂度， 连同越来越高的工作频率， 使它对物理效应愈加敏感。这些效应决定了纳米CMOS集成电路的可靠性与信号完整性。第9章讨论了这些效应以及可采用的设计方法以将可靠性与信号完整性保持在一个足够高的水平上。 最后， 测试、成品率、封装、调试以及失效分析是决定集成电路最终成本的重要因素。第10章概述了当前最高水平的支持测试、调试和失效分析的技术。同时该章相当详细地总结了现有的封装工艺， 并探讨了它们未来的趋势。与集成电路生产相关的要素也在本章中考察， 这些要素包括质量和可靠性。 与逐渐发展的各代工艺相关的晶体管尺寸的持续减小是最后一章（即第11章）的主要内容。这一尺寸缩小对晶体管的行为和集成电路的性能产生了各种影响。由此加剧的物理效应及对可靠性与信号完整性的相关影响是该章关注的重点。该章还介绍了进一步微型化可能带来的结果及可能遇到的困难。这对正朝着纳米器件疾驰的集成电路工业所面临的挑战提出了一些深思。 本书中不是所有的数据都是从作者的头脑中萌发出来的。许许多多参考书和论文的贡献使本书所介绍的内容处于当前的最高技术水平。作者做了相当大的努力使所列出的参考文献完整无误， 但也为可能存在的不完善而在此致歉。 致谢 我希望向为完成本书而做出贡献的所有人致谢， 虽然不可能列出所有这些人的名字。我高度评价我从事专业工作的环境：Philips研究所， 它的半导体研究部门现已成为NXP Semiconductors公司的一部分。这一实验室为我创造了与许多国际上享有盛誉的同事们一起工作的机会， 这些同事在他们所从事的半导体领域都是具有真知灼见的真正专家。他们自始至终为我提供了收益颇丰的讨论以及相关文稿与手稿的审阅。我想在这里特别指出的是， 我的同事Marcel Pelgrom和Maarten Vertregt在全书讨论MOS晶体管的现状及变化趋势方面， 以及Roger Cuppens和Roelof Salters在讨论非挥发性存储器和随机存取存储器方面都分别给予了我极大的帮助。 我特别感谢Andries Scholten和Ronald van Langevelde帮助审阅了第2章以及对这一章中有关漏电机理的讨论， 感谢Casper Juffermans和Johannes van Wingerden对第3章光刻工艺部分的建议以及ASM Lithography公司的Ewoud Vreugdenhil对该部分内容的审核。我也衷心感谢Robert Lander仔细审阅了CMOS工艺技术部分和CMOS器件未来发展趋势部分， 感谢Gerben Doornbos提供了在制造当今最高水平CMOS器件中所采用的正确尺寸及掺杂浓度。我很感谢Octavio Santana通过多次电路仿真得到了第4章中反相器链各级尺寸渐变比率（锥形系数）的表格。我要感谢所有审阅第5章有关基于MOS管工作的特殊电路和器件的人：Harvest Imaging公司的Albert Theuwissen审阅了CCD和图像传感器部分， Johan Donkers和Erwin Hijzen审阅了BICMOS部分， 以及Jan Sonsky审阅了有关高电压的部分。我同时要感谢他们非常乐意为我提供许多宝贵的照片资料。我要感谢Toby Doorn和Ewoud Vreugdenhil帮助审阅了存储器这一章（第6章）。我很感谢Paul Wielage所做的有关存储器成品率降低的统计仿真工作。感谢Ad Peeters提供了在低功耗一章（第8章）中有关异步设计部分的信息及对这部分内容的审核。在讨论集成电路稳定性的第9章中， 可靠性问题是该章的一个重要部分。在这一方面我要感谢Andrea Scarpa帮助审阅了热载流子和NBTI的内容， 感谢Theo Smedes帮助审阅了ESD 和闩锁效应， 感谢Yuang Li帮助审阅了电迁移部分。我同样要高度评价Bram Kruseman、Henk Thoonen和Frank Zachariasse的工作， 他们分别审阅了有关测试、封装和失效分析部分。我也为他们提供给我许多插图和照片而表示感谢， 这些插图和照片支持和丰富了第10章中有关这些内容的讨论。最后我希望感谢Chris Wyland和John Janssen， 是他们分别对集成电路封装的电学和热学特性进行了评论及补充。 我非常感谢所有学习这门课程的人， 是他们对授课方面的反馈以及他们的指正和有建设性的意见促成了本书的高质量和完整性。 同时， 总的来说我要感谢Philips研究所和NXP Semiconductors公司所给予我的合作。感谢我的儿子Bram帮助完成封面设计及第4章中的版图， 感谢Ron Salfrais修改了大部分英文稿。 我特别要表达对我女儿Kim和Henny Alblas的感谢， 她们花费了许多时间创作了秀丽多彩的图片， 这些图片非常有助于本书的质量和内容的清晰。 最后， 我感谢Harold Benten和Dré van den Elshout非常认真的编辑和排版工作。他们的努力确保了本书的出版质量不会不为读者所注意。 当然最深切的感激与谢意必须再次赋予我的家庭， 特别是我的夫人， 以及她多年来特别的宽容、耐心和理解。2007年是特别忙碌的一年。所丢失的时间不可能再次重获， 但我希望在这之后能回报给她更多的空余时间。

第1章 基本原理 1.1 引言 1.2 场效应原理 1.3 反型层MOS晶体管 1.4 推导简单的MOS公式 1.5 背偏置效应（背栅效应、体效应）和正偏置效应 1.6 表征MOS晶体管行为的参数 1.7 不同类型的MOS晶体管 1.8 寄生MOS晶体管 1.9 MOS晶体管符号 1.10MOS结构电容 1.11结论 1.12参考文献 1.13练习题 第2章 几何、物理和电场按比例缩小对MOS晶体管行为的影响 2.1 引言 2.2 零电场时的迁移率 2.3 载流子迁移率的减小 2.4 沟道长度调制 2.5 短沟和窄沟效应 2.6 温度对载流子迁移率及阈值电压的影响 2.7 MOS晶体管的漏电机理 2.8 MOS晶体管模型 2.9 结论 2.10参考文献 2.11练习题 第3章 MOS器件的制造 3.1 引言 3.2 用做起始材料的各种衬底（圆片） 3.3 MOS工艺中的光刻 3.4 刻蚀 3.5 氧化 3.6 淀积 3.7 扩散和离子注入 3.8 平坦化 3.9 基本的MOS工艺 3.10结论 3.11参考文献 3.12练习题 第4章 CMOS电路 4.1 引言 4.2 基本的nMOS反相器 4.3 CMOS电路的电气设计 4.4 数字CMOS电路 4.5 CMOS输入和输出（I/O）电路 4.6 版图设计过程 4.7 结论 4.8 参考文献 4.9 练习题 第5章 特殊电路、器件和工艺 5.1 引言 5.2 CCD和CMOS图像传感器 5.3 功率MOSFET晶体管 5.4 BICMOS数字电路 5.5 结论 5.6 参考文献 5.7 练习题 第6章 存储器 6.1 引言 6.2 串行存储器 6.3 按内容寻址存储器（CAM） 6.4 随机存取存储器（RAM） 6.5 非挥发性存储器 6.6 嵌入式存储器 6.7 各种存储器的分类 6.8 结论 6.9 参考文献 6.10练习题 第7章 超大规模集成（VLSI）与专用集成电路（ASIC） 7.1 引言 7.2 数字IC 7.3 VLSI的抽象层次 7.4 数字VLSI设计 7.5 ASIC的应用 7.6 VLSI和ASIC的硅芯片实现 7.7 结论 7.8 参考文献 7.9 练习题 第8章 低功耗——IC设计的热点 8.1 引言 8.2 电池技术概述 8.3 CMOS功耗的来源 8.4 降低功耗的工艺选择 8.5 降低功耗的设计选择 8.6 计算能力与芯片功耗对比——对尺寸缩小的展望 8.7 结论 8.8 参考文献 8.9 练习题 第9章 纳米CMOS设计的稳定性：信号完整性、扰动和可靠性 9.1 引言 9.2 时钟产生、时钟分布及关键时序 9.3 信号完整性 9.4 扰动 9.5 可靠性 9.6 设计组织 9.7 结论 9.8 参考文献 9.9 练习题 第10章 测试、成品率、封装、调试和失效分析 10.1 引言 10.2 测试 10.3 成品率 10.4 封装 10.5 第一块硅芯片可能出现的问题 10.6 第一块硅芯片的调试和失效分析 10.7 结论 10.8 参考文献 10.9 练习题 第11章 尺寸缩小对MOS IC设计及半导体技术路线的影响 11.1 引言 11.2 晶体管尺寸缩小的影响 11.3 互连线尺寸缩小的影响 11.4 尺寸缩小对整个芯片性能和稳定性的影响 11.5 尺寸缩小进展的可能限制因素 11.6 结论 11.7 参考文献 11.8 练习题 索引