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