计算微电子学是结合了固体物理和无线电技术的一门新兴的边缘性技术学科，本书具体介绍了半导体器件从设计到制造工艺的全过程，是一本很好的自学教材
《微电子学丛书》编委会 顾问:黄昆林兰英谢希德王守武王守觉 童志鹏李志坚姜均露王寿云 主编:王阳元 编(以姓氏笔画为序) 马俊如万群王芹生王永文王阳元 王忠烈仇玉林白 李佑斌许居 许振嘉陈星弼陈贤汤小川严晓浪 义门张利春张敏郑敏政宗祥福 先龙俞忠钰钱佩信唐璞山徐元森 徐雅文徐筱榱黄救梁春广梁骏吾 韩汝琦熊和生魏玲魏道政 秘书:赵宝瑛 《微电子学丛书》序 微电子学是源于并脱胎于固体物理和无线电电子学的一门新 兴的边缘性技术学科.历史地说,1948年晶体管的发明、1958年 采用硅平面工艺的集成电路的诞生和1971年微处理器的出现是 微电子学发展史上的几个重要里程碑,经过46年的发展,微电子 产业已成为战略性的基础产业,徵电子科学技术已成为现代科学 技术的关键技术基础.据统计,现在世界上65%的行业与微电子 技术有关,二次大战后,美国正是抓住了以微电子技术为基础的 电子信息技术,使其经济起飞的.日本和亚洲一些国家和地区也 都是抓住了这一点而使其经济振兴,按预测,一直到2020年,世 界集成电路产业的产值仍将以年增长率13%的速度增长;技术上 也仍保持着集成度年增长率为46%的速度继续发展·到2000年 以微电子为基础的电子信息产业将成为世界第一大产业,因此 微电子科学技术乃是20世纪下半叶直到2世纪上半叶科学技术 竞争的焦点,谁掌握了微电子技术,谁就掌握了主动权.当前,微 电子产业规模和技术水平已成为衡量一个国家综合实力的主要标 。日本有人提出,把半导体工业总产值占工农业总产值的0.5 作为进入信息社会的标志是不无道理的 当前,我国微电子产业和科学技术的发展水平远不能适应国 民经济和国防建设发展的需要.我国集成电路的市场份额只占世 界集成电路市场的033%,与我国社会主义大国地位极不相称 国内市场的占有率,无论是品种还是数量,也只占20%左右,我 国微电子产业和科学技术的落后面貌已成为我国四个现代化建设 的制约因素,党和国家的领导已把发展徽电子作为一项战略措施 放到了突出的地位·在这样的形势下,编写出一套高质量的、反 映世界微电子学发展前沿和我国微电子科学技术成果的丛书,必 将促进我国微电子产业建设和科学技术的发展 这套丛书不同于一般的通俗读物和科普读物,也不同于大学 教材,它是一套反映微电子学主要研究领域里学科发展前沿问题 的著作,以满足微电子学领域里的研究部门、教育部门和产业部 门的需要,成为工作在第一线科技人员的参考书.当然它也可成 为大学生和研究生的教学参考书.我们要求每本著作都要具有科 学性、先进性和实践性,而整套丛书又要有系统性.我们计划在 八五”期间开始出版,到2000年前出版10本左右,2000年后还 要继续搞下去,使其成为跨世纪的出版物,这个工作的意义不亚 于建一个工厂,建一个研究所 倡议编写这套丛书的是国防科工委微电子专业组、全国集成 电路计算机辅助设计( ICCAD)专家委员会和ICAT专家委员会 的部分专家们,他们的倡议得到了全国各有关单位微电子专家的 支持和赞同,从而形成了一个报告·这个报告得到当时任机械电 子工业部电子科学研究院院长童志鹏教授的批准,因此,当我们 庆贺微电子丛书开始出版的时候,要特别感谢童志鹏教授的睿 智.编写丛书的倡议还得到了国家计委科技司,国防科工委科技 委、预研局、四局,国家科委基础研究高技术司,原机械电子工 业部微电子与基础产品司和科学出版社等有关领导的支持,使出 版这套丛书的愿望得以实现,在此,我们谨向上述领导部门表示 由衷的谢意 我们要感谢老一辈的科学家、我们的老师和有关领导部门的 负责人,他们应聘担任丛书编委会的顾问,这对于保证丛书的学 术质量将是十分重要的.我们相信,在他们的关心、支持和指导 下,丛书的出版必将能达到预期的目的 担任本丛书编委的都是一批活跃在微电子领域科研、生产和 教育单位的中青年科技专家,他们团结在一起,互相切磋、共同 探索,必能攀登一个又一个科学高峰 1991年8月2日至8月3日在北戴河召开了第一次丛书编 委会,讨论并制订了出版计划,经过近三年的努力,丛书终于与 读者见面了·我们以喜悦的心情,迎接它的诞生 书山有路勤为径,学海无涯苦作舟”,愿为丛书的出版而耕 耘不息 我们期望得到同行们的更多指正,更多支持 王阳元 于北京大学 1994年5月 序言 虽然为自己的拙作写几句前言说明一些情况巳有过几次,但 受托为朋友著作写序却是第一次.吉利久教授是我近30年的老 朋友、老同事了,他的令我是不能不执行的 微电子科学技术对现代社会的发展是如此重要,以致于它的 发展水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志.到2000年 以微电子技术为基础的电子信息产业将成为世界第一产业.它的 应用已广泛地扩展到各个领域,像“细胞”组成人体一样,当之 无愧地成为现代科学的技术基础.无怪乎日本有的社会经济学专 家提出,把半导体生产总值占工农业总产值的0.5%作为进入信 息社会的表示,《微电子学丛书》的出版正是为了适应这样的历史 需要 集成电路计算机辅助设计是微电子技术极为重要的一个组成 部分,也是发展最活跃的一个领域,当然也是我国近十年来最为 关注并大力支持和发展的一个领域·正如吉利久教授所指出,就 其基于的数学背景而言,包括工艺模拟、器件模拟、电学性能模 拟以及IC统计设计在内的“计算微电子学”是 ICCAD的两大分 支学科之一,它为集成电路采用新器件、新工艺以及提高集成电 路的成品率提供了深层次的物理依据,因此,把青利久教授的 《计算微电子学》作为《微电子学丛书》的第一本书出版是顺理成 章的 吉利久教授1963年毕业于北京大学物理系,此后一直在北京 大学物理系任教,作为访问学者,他曾于1981-1983年间去加拿 大布列颠哥伦比亚大学钻研 ICCAD.回国后一直是北京大学徵电 子学研究所这一领域的学术带头人.这些年来,他一方面从事科 学研究,在 ICCAD方面取得了一批成果,同时还为大学生、研究 生开设了 ICCAD方面的课程,他的讲课生动活泼,深入浅出,很 受学生欢迎.可以说,这本著作是他多年来从事教学、科学研究 辛勤劳动的结晶 在与他多年的共事中,我觉得吉利久教授不仅有扎实的物理 基础,而且对数学计算有特别的爱好.1980年,由我们合作的、后 来被收集在美国出版的《 The Physics of MOS Insulator》一书中 55 "The Kinetic Behaviour of mobile ions in Sio2 Studied with TsIC8TVS”一文,其中的数学难点就是他用了几个不珉之夜攻 克的.因此,我认为由他来撰写这本书是非常合适的.我相信,众 多的读者,特别是青年学生,必将得益于《计算微电子学》的出 版.它的出版也会对我国做电子科学技术,特别是 ICCAD学科的 发展起到积极的推动作用 王阳元 1994年5月1日 前言 我工作所在的北京大学微电子学研究所,是以集成电路 ()新工艺、新器件、新电路等分支学科作为科研和教学的主要 内容·从传统意义上讲,这是一个设在理科大学的工科专业.近 年来,几乎所有设置无线电电子学专业和半导体专业的大学都开 设了微电子学专业,要在这么多同类专业中办出自己的特色,绝 非易事.我们所的领导比较早地注意到仿真计算在集成电路工 艺、器件和电路研究中的作用,也希望把加强这方面的教学和研 究作为我所的特色之 1984年我承担了教学任务,为本科生开设以讨论电路模拟软 件 SPICE的算法为主要内容的电路模拟课·从1985年起又陆续 为研究生班开设了工艺模拟、器件糢拟等课程.回想一下开设初 期,这些课程的系统性很差,所用教材只能说是文献汇编,到 1988年算是有了一个教材的雏形,取名为《集成电路计算机模 拟》,后来受维也纳大学 Selbetherr教授主编的《计算微电子学 Computational microelectronics)丛书》的启发,改名为《计算 微电子学》.课程中虽然包含有对已有模拟软件使用方法的介绍, 但不作为讨论的重点,课程主要介绍如何把微电子学中的物理问 题用数值技术近似求解,包括对扩散方程、泊松方程、 Kirchhoff 电流方程以及相应菲线性方程的求解,并把用于计算小尺寸器件 中载流子输运过程的蒙特卡罗算法和与最大成品率有关的集成电 路统计设计作为课程的内容 在几年的教学中,使我最感欣慰的是这几届硕士生都对这门 课有兴趣,而且在他们后来的研究工作中,无论是工艺、器件方 面,还是电路设计方面,都用到了课程所讲授的基础知识 991年我产生了写书的念头,其原因有二:一是这方面的内 容确实有用,二是尚未见到同类著作出版,然而,我深知这本书 不好写,它所涉及的学科跨度太大,我自己的知识背景覆盖不了 这么大的范围,再加上我自知文笔欠佳,惟恐写起来有头无尾,难 收场.在清华大学南德恒教授和我所王阳元教授、韩汝琦教授 等老师、同事的勉励下,我还是鼓了一下勇气,于1991年5月动 笔,1992年4月完成初稿.在编写过程中,从国内外的有关著作 和文献中受到很大启发,这些资料是构成本书框架的重要依据 以国内已有著作为基础,本书在整体结构上力求有更好的系统性, 在表述方法上注重物理概念与算法实现的结合,在取材编辑方面 力求新颖,尽量少重复,例如在工艺模拟中离散化栅格划分的算 法,电学模拟中对悬浮电容的处理以及中心化设计的算法过程等 都是国内现有著作尚未写入的内容 初稿完成后,送王阳元教授审阅,承蒙慨允,他在百忙中为 本书写序,并推荐列入《微电子学丛书》的出版计划·初稿修改 誊清后,又请清华大学南德恒教授再作审阅.审阅工作花去了南 先生的大量时间.在与南先生的讨论中,他学识之渊博,治学之 严谨,使我受益匪浅我在数学、物理、半导体工艺等方面遇到 困难时,常向杨芙清教授、许卓群教授、王阳元教授、韩汝琦教 授、叶良修教授、武国英教授等请教,李狄纳同志曾经听过这门 课,现在是我的同事,在编写过程中,他给我很大帮助,书中蒙 特卡罗( Monte-Carlo)模拟中的载流子散射关系图和速度统计公 式都是他设计和推导的.硕士研究生何美华同学和许敏同学为本 书的资料收集和整理做了大量工作,在书稿完成后撰写前言之 际,我想起了所有帮助过我的老师、同事、朋友,在此一并致谢 如果这本书尚有参考价值,也算对他们热心帮助的回报,当然更 是我的最大欣慰 吉利久 1993年7月于北京大学 vilL