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出版者:Kluwer Academic Pub

作者:Feinberg, V./ Levin, A./ Rabinovich, E.

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:1997-4

价格:$ 111.87

装帧:HRD

isbn号码:9780792345107

丛书系列:

图书标签:

• VLSI
• 集成电路
• 平面化
• 半导体
• 制造工艺
• CMP
• 化学机械抛光
• 微电子
• 器件物理
• 工艺集成

晶体管工程学：从硅片到集成电路的深度探索 导言：现代电子学的基石 本书深入探讨了现代集成电路（IC）制造工艺中至关重要的一个领域——晶体管工程学。在当今的数字世界中，我们对计算能力的追求永无止境，这直接驱动着半导体器件的尺寸不断缩小，性能不断提升。然而，要实现这些飞跃，必须对半导体材料的物理特性、器件结构的设计以及制造过程中的精确控制有透彻的理解。本书聚焦于场效应晶体管（FET），特别是MOSFETs，作为现代微电子技术的核心构建模块，对其工作原理、设计优化及可靠性挑战进行了详尽的阐述。 第一部分：半导体物理基础与器件结构 本部分为理解先进晶体管设计奠定了坚实的理论基础。 第一章：半导体材料科学概述 首先，本书回顾了半导体材料的本征特性，包括能带理论、载流子输运机制（漂移与扩散）。重点分析了硅（Si）作为主流半导体材料的独特优势，以及引入掺杂过程对材料导电性能的精确调控。我们详细讨论了N型和P型半导体的形成，以及PN结的形成及其在晶体管工作中的核心作用。此外，本书还探讨了新型半导体材料，如硅锗（SiGe）和 III-V 族化合物（如GaAs），在特定高性能应用中的潜力。 第二章：MOS电容器与界面物理 MOS（金属-氧化物-半导体）结构是MOSFET的基础。本章详细分析了理想与实际MOS电容器的电学特性，包括其在不同偏置条件下的工作模式：强反型、弱反型和积累态。特别关注了栅氧化层（Gate Oxide）的物理特性，包括介电常数、击穿场强和漏电流机制。本书深入探讨了半导体/绝缘体界面（特别是Si/SiO2界面）的缺陷态密度（Dangling Bonds and Traps），这些缺陷如何影响器件的阈值电压稳定性和长期可靠性。我们介绍了高k介电材料（High-k Dielectrics）的引入及其对静电控制能力的提升作用，并探讨了等效氧化层厚度（EOT）的精确测量方法。 第三章：MOSFET工作原理与基本模型 本章是全书的核心。我们系统地推导了MOSFET的工作机制，从亚阈值区（Subthreshold Region）的指数关系，到线性区（Linear Region）的欧姆行为，再到饱和区（Saturation Region）的恒流特性。重点分析了长沟道器件的经典模型（如Shichman-Hodges模型）及其局限性。随后，我们过渡到短沟道效应（Short Channel Effects, SCEs）的分析，包括DIBL（Drain-Induced Barrier Lowering）、阈值电压滚降（Vth Roll-off）和沟道长度调制（Channel Length Modulation）。这些分析为后续的先进器件结构设计提供了理论指导。 第二部分：先进晶体管结构与设计优化 随着特征尺寸的不断缩小，平面（Planar）MOSFET结构已接近其物理极限。本部分着重介绍突破这些限制的关键技术和新型器件架构。 第四章：短沟道效应的抑制技术 为了维持对沟道电流的有效静电控制，必须采取结构性措施。本章详细介绍了深度亚微米器件（Deep Submicron Devices）中的关键技术，如浅结（Shallow Junctions）的设计与实现，以及沟道注入（Channel Implantation）的优化，用于精确设定阈值电压。我们探讨了LVT/HVT/SVT（低/高/标准阈值电压）器件的工程需求，以及如何通过调整栅氧化层厚度和沟道掺杂剖面来实现这些需求。 第五章：从平面到三维：FinFET架构 为了克服平面CMOS在极小尺寸下的静电控制失效，鳍式场效应晶体管（FinFET）应运而生。本章详尽分析了FinFET的几何结构，包括鳍片高度、宽度和周长对器件性能（如跨导、亚阈值摆幅（SS））的影响。我们深入研究了FinFET的三维电场分布，解释了它如何实现对沟道的全面包围控制，从而显著降低SCEs。此外，本书还讨论了多晶硅栅极到金属栅极（Metal Gate）技术的迁移，以及高k/金属栅极（HKMG）工艺在FinFET中的实施细节。 第六章：超薄体与平面器件的复兴 在某些应用中，如射频（RF）或特定低功耗需求，超薄体（UTB）结构仍然具有吸引力。本章探讨了绝缘体上硅（SOI）技术，特别是全耗尽SOI（FD-SOI）。FD-SOI通过利用埋氧层（BOX）来隔离沟道，实现了出色的亚阈值性能和更低的寄生电容。我们对比了FinFET和FD-SOI在功耗、速度和制造复杂度上的权衡，并探讨了其在特定异构集成中的应用潜力。 第三部分：制造工艺、可靠性与未来展望 本部分将理论与实践相结合，探讨了先进晶体管制造过程中的关键挑战，以及影响器件长期稳定性的因素。 第七章：先进CMOS制造工艺概述 本章概述了现代半导体制造流程中，与晶体管形成直接相关的关键步骤。重点介绍了光刻技术（Lithography），包括深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻在定义纳米级特征中的作用。我们详细分析了薄膜沉积技术（如CVD、PVD和ALD），特别是用于形成高质量栅氧化层、接触层和金属互连的工艺。沟道掺杂的离子注入（Ion Implantation）和随后的快速热退火（RTA）是精确控制器件电学特性的核心环节，本书对此进行了详细的工艺窗口分析。 第八章：器件可靠性与失效机制 高性能晶体管的设计必须以可靠性为前提。本章探讨了集成电路面临的主要可靠性威胁。热载流子注入（HCI）机制被深入分析，它导致界面陷阱和氧化物陷阱的产生，从而引起阈值电压的长期漂移。我们讨论了栅氧化层击穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB）的统计模型，以及电迁移（Electromigration）在金属互连层中的影响。理解这些失效模式对于设计具有预期寿命的芯片至关重要。 第九章：面向未来的晶体管技术 随着摩尔定律的挑战日益严峻，本章展望了下一代晶体管技术。我们探讨了隧道场效应晶体管（TFET）作为低功耗器件的潜力，以及其通过带间隧穿机制实现低于60 mV/decade的SS值。此外，负电容效应晶体管（NC-FET）的设计理念也被介绍，旨在通过内部放大机制突破Boltzmann限制。最后，本书简要讨论了碳纳米管FET（CNTFET）和二维材料（如MoS2）晶体管的研究进展，它们代表了后硅时代电子器件的潜在方向。 总结 《晶体管工程学》旨在为读者提供一个从基础物理到尖端工程实践的全面视角。本书强调物理直觉与严格的数学模型相结合，确保读者不仅能“使用”先进晶体管，更能“理解”其内在的物理限制和设计权衡。无论是半导体设计工程师、工艺集成专家，还是电子工程专业的研究生，都能从本书中获取宝贵的知识和深入的见解。

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