模拟电路版图的艺术（第二版）

目 录
第1章 器件物理 1
1．1 半导体 1
1．1．1 产生与复合 3
1．1．2 非本征（杂质）半导体 5
1．1．3 扩散和漂移 7
1．2 PN结 9
1．2．1 耗尽区 9
1．2．2 PN结二极管 11
1．2．3 肖特基二极管 13
1．2．4 齐纳二极管 14
1．2．5 欧姆接触 15
1．3 双极型晶体管 16
1．3．1 Beta 18
1．3．2 I-V特性 19
1．4 MOS晶体管 20
1．4．1 阈值电压 22
1．4．2 I-V特性 23
1．5 JFET晶体管 25
1．6 小结 27
1．7 习题 28
第2章 半导体制造 30
2．1 硅制造 30
2．1．1 晶体生长 30
2．1．2 晶圆制造 31
2．1．3 硅的晶体结构 32
2．2 光刻技术 33
2．2．1 光刻胶 33
2．2．2 光掩模和掩模版 34
2．2．3 光刻 35
2．3 氧化物生长和去除 35
2．3．1 氧化物生长和淀积 35
2．3．2 氧化物去除 37
2．3．3 氧化物生长和去除的其他
效应 38
2．3．4 硅的局部氧化（LOCOS） 40
2．4 扩散和离子注入 41
2．4．1 扩散 42
2．4．2 扩散的其他效应 43
2．4．3 离子注入 45
2．5 硅淀积和刻蚀 46
2．5．1 外延 47
2．5．2 多晶硅淀积 48
2．5．3 介质隔离 49
2．6 金属化 51
2．6．1 铝淀积及去除 52
2．6．2 难熔阻挡金属 53
2．6．3 硅化 55
2．6．4 夹层氧化物、夹层氮化物和
保护层 56
2．6．5 铜金属化 58
2．7 组装 60
2．7．1 安装与键合 61
2．7．2 封装 63
2．8 小结 64
2．9 习题 64
第3章 典型工艺 66
3．1 标准双极工艺 66
3．1．1 本征特性 66
3．1．2 制造顺序 67
3．1．3 可用器件 71
3．1．4 工艺扩展 77
3．2 多晶硅栅CMOS工艺 80
3．2．1 本质特征 81
3．2．2 制造顺序 81
3．2．3 可用器件 87
3．2．4 工艺扩展 92
3．3 模拟BiCMOS 96
3．3．1 本质特征 96
3．3．2 制造顺序 97
3．3．3 可用器件 102
3．3．4 工艺扩展 106
3．4 小结 110
3．5 习题 110
第4章 失效机制 113
4．1 电过应力 113
4．1．1 静电漏放（ESD） 113
4．1．2 电迁徙 115
4．1．3 介质击穿 117
4．1．4 天线效应 119
4．2 玷污 121
4．2．1 干法腐蚀 122
4．2．2 可动离子玷污 123
4．3 表面效应 125
4．3．1 热载流子注入 125
4．3．2 齐纳蠕变 128
4．3．3 雪崩诱发β衰减 130
4．3．4 负偏置温度不稳定性 131
4．3．5 寄生沟道和电荷分散 132
4．4 寄生效应 139
4．4．1 衬底去偏置 140
4．4．2 少子注入 143
4．4．3 衬底效应 153
4．5 小结 154
4．6 习题 155
第5章 电阻 157
5．1 电阻率和方块电阻（薄层
电阻） 157
5．2 电阻版图 159
5．3 电阻变化 162
5．3．1 工艺变化 162
5．3．2 温度变化 163
5．3．3 非线性 164
5．3．4 接触电阻 166
5．4 电阻的寄生效应 167
5．5 不同电阻类型的比较 170
5．5．1 基区电阻 170
5．5．2 发射区电阻 171
5．5．3 基区埋层电阻 172
5．5．4 高值薄层电阻 172
5．5．5 外延埋层电阻 175
5．5．6 金属电阻 176
5．5．7 多晶硅电阻 177
5．5．8 NSD和PSD电阻 179
5．5．9 N阱电阻 180
5．5．10 薄膜电阻 181
5．6 调整电阻阻值 182
5．6．1 调节电阻（Tweaking Resistor） 182
5．6．2 微调电阻 184
5．7 小结 191
5．8 习题 191
第6章 电容和电感 193
6．1 电容 193
6．1．1 电容的变化 198
6．1．2 电容的寄生效应 201
6．1．3 电容比较 202
6．2 电感 210
6．2．1 电感寄生效应 212
6．2．2 电感的制作 214
6．3 小结 215
6．4 习题 216
第7章 电阻和电容的匹配 218
7．1 失配的测量 218
7．2 失配的原因 220
7．2．1 随机变化 220
7．2．2 工艺偏差 223
7．2．3 互连寄生 224
7．2．4 版图移位 225
7．2．5 刻蚀速率的变化 227
7．2．6 光刻效应 229
7．2．7 扩散相互作用 230
7．2．8 氢化 231
7．2．9 机械应力和封装漂移 232
7．2．10 应力梯度 234
7．2．11 温度梯度和热电效应 242
7．2．12 静电影响 246
7．3 器件匹配规则 253
7．3．1 电阻匹配规则 253
7．3．2 电容匹配规则 256
7．4 小结 259
7．5 习题 259
第8章 双极型晶体管 262
8．1 双极型晶体管的工作原理 262
8．1．1 β值下降 263
8．1．2 雪崩击穿 264
8．1．3 热击穿和二次击穿 265
8．1．4 NPN晶体管的饱和状态 267
8．1．5 寄生PNP管的饱和态 270
8．1．6 双极晶体管的寄生效应 272
8．2 标准双极型小信号晶体管 274
8．2．1 标准双极型NPN晶体管 274
8．2．2 标准双极工艺衬底PNP
晶体管 279
8．2．3 标准双极型横向PNP
晶体管 282
8．2．4 高电压双极型晶体管 289
8．2．5 超β（Super-Beta）NPN
晶体管 291
8．3 CMOS和BiCMOS工艺小信号
双极型晶体管 292
8．3．1 CMOS工艺PNP晶体管 292
8．3．2 浅阱（Shallow-Well）
晶体管 295
8．3．3 模拟BiCMOS双极型
晶体管 297
8．3．4 高速双极型晶体管 299
8．3．5 多晶硅发射极晶体管 301
8．3．6 氧化隔离（Oxide-Isolated）
晶体管 302
8．3．7 锗硅晶体管 305
8．4 小结 306
8．5 习题 307
第9章 双极型晶体管的应用 309
9．1 功率双极型晶体管 309
9．1．1 NPN功率晶体管的失效
机理 310
9．1．2 功率NPN晶体管的版图 316
9．1．3 PNP功率晶体管 323
9．1．4 饱和检测与限制 324
9．2 双极型晶体管匹配 327
9．2．1 随机变化 328
9．2．2 发射区简并 330
9．2．3 NBL阴影 331
9．2．4 热梯度 332
9．2．5 应力梯度 336
9．2．6 填充物诱生应力 327
9．2．7 系统失配的其他因素 339
9．3 双极型晶体管匹配设计规则 340
9．3．1 纵向晶体管匹配规则 340
9．3．2 横向晶体管匹配规则 343
9．4 小结 345
9．5 习题 345
第10章 二极管 349
10．1 标准双极工艺二极管 349
10．1．1 二极管连接形式的
晶体管 349
10．1．2 齐纳二极管 351
10．1．3 肖特基二极管 357
10．1．4 功率二极管 361
10．2 CMOS和BiCMOS工艺
二极管 363
10．2．1 CMOS结型二极管 363
10．2．2 CMOS和BiCMOS肖特基
二极管 364
10．3 匹配二极管 365
10．3．1 匹配PN结二极管 365
10．3．2 匹配齐纳二极管 367
10．3．3 匹配肖特基二极管 368
10．4 小结 368
10．5 习题 368
第11章 场效应晶体管 370
11．1 MOS晶体管的工作原理 371
11．1．1 MOS晶体管建模 371
11．1．2 晶体管的寄生参数 376
11．2 构造CMOS晶体管 384
11．2．1 绘制MOS晶体管版图 384
11．2．2 N阱和P阱工艺 386
11．2．3 沟道终止注入 389
11．2．4 阈值调整注入 390
11．2．5 按比例缩小晶体管 392
11．2．6 不同的结构 395
11．2．7 背栅接触 399
11．3 浮栅晶体管 402
11．3．1 浮栅晶体管的工作原理 403
11．3．2 单层多晶硅EEPROM
存储器 406
11．4 JFET晶体管 408
11．4．1 JFET建模 408
11．4．2 JFET的版图 409
11．5 小结 412
11．6 习题 412
第12章 MOS晶体管的应用 415
12．1 扩展电压晶体管 415
12．1．1 LDD和DDD晶体管 416
12．1．2 扩展漏区晶体管 419
12．1．3 多层栅氧化（multiple
gate oxide） 421
12．2 功率MOS晶体管 423
12．2．1 MOS安全工作区 424
12．2．2 常规MOS功率晶体管 428
12．2．3 DMOS晶体管 435
12．3 MOS晶体管的匹配 440
12．3．1 几何效应 441
12．3．2 扩散和刻蚀效应 444
12．3．3 氢化作用 447
12．3．4 热效应和应力效应 449
12．3．5 MOS晶体管的共质心
布局 450
12．4 MOS晶体管的匹配规则 454
12．5 小结 457
12．6 习题 457
第13章 一些专题 460
13．1 合并器件 460
13．1．1 有缺陷的器件合并 461
13．1．2 成功的器件合并 464
13．1．3 低风险合并 466
13．1．4 中度风险合并器件 467
13．1．5 设计新型合并器件 468
13．1．6 模拟BiCMOS中合并器件
的作用 469
13．2 保护环 469
13．2．1 标准双极电子保护环 470
13．2．2 标准双极空穴保护环 471
13．2．3 CMOS和BiCMOS设计中
的保护环 472
13．3 单层互连 474
13．3．1 预布版和棒图 474
13．3．2 交叉布线技术 476
13．3．3 隧道的类型 477
13．4 构建焊盘环 479
13．4．1 划片线与对准标记 479
13．4．2 焊盘、微调焊盘和测试
焊盘 480
13．5 ESD结构 483
13．5．1 齐纳箝位 484
13．5．2 两级齐纳箝位 485
13．5．3 缓冲齐纳箝位 487
13．5．4 VCES箝位 488
13．5．5 VECS箝位 489
13．5．6 反向并联二极管箝位 490
13．5．7 栅接地NMOS箝位 490
13．5．8 CDM箝位 492
13．5．9 横向SCR箝位 493
13．5．10 选择ESD结构 494
13．6 习题 496
第14章 组装管芯 500
14．1 规划管芯 500
14．1．1 单元面积估算 500
14．1．2 管芯面积估算 503
14．1．3 总利润率 505
14．2 布局 506
14．3 顶层互连 511
14．3．1 通道布线原理 511
14．3．2 特殊布线技术 513
14．3．3 电迁徙 517
14．3．4 减小应力效应 519
14．4 小结 520
14．5 习题 520
附录A 缩写词汇表 523
附录B 立方晶体的米勒指数 527
附录C 版图规则实例 529
附录D 数学推导 536
附录E 版图编辑软件的出处 541