集成电路科学与工程导论

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。

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