集成电路已进入纳米世代，为了应对集成电路持续缩小面临的挑战，鳍式场效应晶体管（FinFET）应运而生，它是继续缩小和制造集成电路的有效替代方案。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》讲解FinFET器件电子学，介绍FinFET器件的结构、工作原理和模型等。
《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》主要内容有：主流MOSFET在22nm节点以下由于短沟道效应所带来的缩小限制概述；基本半导体电子学和pn结工作原理；多栅MOS电容器系统的基本结构和工作原理；非平面CMOS工艺中的FinFET器件结构和工艺技术；FinFET基本理论；FinFET小尺寸效应；FinFET泄漏电流；FinFET寄生电阻和寄生电容；FinFET工艺、器件和电路设计面临的主要挑战；FinFET器件紧凑模型。
《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》内容详实，器件物理概念清晰，数学推导详尽严谨。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》可作为高等院校微电子学与固体电子学、电子科学与技术、集成电路科学与工程等专业的高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。
1）作者为IEEE会士、Prospicient Devices首席研究科学家，《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》是作者30多年工业经验和20多年教学经验的结晶。
2）芯片制造经典著作，FinFET是继续缩小和制造集成电路的器件。
3）《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》介绍了FinFET器件和技术的基本理论和工作原理，概述了FinFET器件结构和制造工艺，并给出了用于集成电路设计和制造的FinFET器件特性的详细公式。
4）《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》内容详实，器件物理概念清晰，数学推导详尽严谨，即使不太熟悉半导体物理的人员也能轻易理解FinFET概念。
前言
作为互联网、社会媒体和网络互联或者称为物联网（IoT）的基础，硅集成电路（IC）极大地影响了现代社会。新兴的互联网技术提供了人与人、人与机器和机器与机器的通信，使设备和服务能够实现通知、安全、节能、自动化、电信、医疗保健、计算机、娱乐等功能。物联网集成到一个单一的生态系统中，以创建具有共享用户界面的智能环境。由于金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管（FET）或MOSFET器件的不断小型化，提供了低成本、高密度、高速和低功耗集成电路，使得智能环境和集成生态系统的不断进步成为可能。创建智能网络或智能事物以实现智能环境和集成生态系统需要智能电子产品，然而，由于短沟道效应（SCE）等基本物理的限制， 设计和制造这些智能电子产品的MOSFET的性能已接近极限。在10nm世代，缩小MOSFET器件沟道长度会降低器件性能，包括亚阈值摆幅的退化和器件开启电压的降低。通过降低导致过大泄漏电流的栅极电压并不易将尺寸缩小的MOSFET关断。而且，由于短沟道效应的存在，器件特性对工艺波动变得越来越敏感，这对平面MOSFET持续向纳米节点缩小提出了严峻的挑战。此外，当栅长小于22nm时，无论栅氧化层厚度如何，亚表面泄漏路径都会受到栅极的弱控制，通过耦合到漏极的增强电场的作用，漏极偏置可以很容易地降低其势垒。因此，为了应对MOSFET持续缩小的挑战，鳍式场效应晶体管（FinFET）应运而生，它是继续缩小和制造集成电路的真正替代方案，从而能创造智能事物，实现智能环境和集成生态系统。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》介绍了FinFET器件的基本结构和工作原理，它们是理解超大规模集成（VLSI）电路和系统的设计与制造所必需的。
市面上已有关于器件工艺和FinFET建模的大量研究论文和一些书籍。大多数研究论文都是为该领域的专家撰写的。另一方面，关于FinFET的现有书籍，要么是专注于用于集成电路设计的器件建模，要么是研究和开发方面的研究论文集，而没有提供FinFET器件工作的基本原理，也没有足够的背景知识来帮助初学者以及正在转向FinFET器件技术的一线工程师和专家理解新采用的主流器件技术。在工业界，我在半导体工艺、器件结构与器件建模领域工作了30余年，在学术界，我讲授器件和工艺物理及器件建模课程20多年，在这之后，我觉得需要一本全面讲解FinFET器件电子学的图书，以便于理解纳米级FinFET集成电路的设计与制造。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》为读者提供了FinFET的基本结构和理论，以持续将器件缩小至VLSI电路制造技术的终缩小极限。《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》从基本半导体电子学开始，介绍了FinFET工作原理和建模。因此，《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》对初学者和微电子器件与设计工程领域的专家了解FinFET器件的理论和工作很有用。
《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》面向在电子器件领域工作的研究人员和从业者以及电气和电子工程专业的高年级本科生和研究生。然而，即使对不怎么熟悉半导体物理的本科生，《纳米集成电路FinFET器件物理与模型》的写作方式也能让他们理解FinFET的基本概念。
第1章介绍了在纳米节点VLSI电路和系统中作为主流MOSFET和平面CMOS工艺的替代者的FinFET器件。本章概述了主流MOSFET在22nm节点以下由于短沟道效应所带来的缩小限制，讨论了用于22nm以下节点的VLSI电路和系统的尺寸缩小的非传统平面MOSFET和非平面FinFET器件；并介绍了多栅超薄体FinFET器件在克服亚22nm世代VLSI电路制造中的短沟道效应方面的优势。此外，还介绍了用于非平面CMOS工艺的FinFET的产生和发展的详尽历史。
第2章简要介绍了基本的半导体电子学和pn结工作原理，作为理解FinFET器件的背景材料。
第3章介绍了多栅MOS电容器系统的基本结构和工作原理，作为FinFET器件理论发展的基础；推导了多栅MOS电容器系统的解析表达式，由此讨论了多栅MOS电容器系统在积累、耗尽和反型模式下的工作；建立了统一的表面势函数，用以分析适用于FinFET器件的多栅MOS电容器的特性。文中还导出了一个统一的反型电荷表达式，用以解释多栅MOS电容器中的衬底掺杂效应，可用于FinFET电流的计算。
第4章概述了非平面CMOS工艺中的FinFET器件结构、工艺技术和典型的FinFET制造工艺；综述了在体硅衬底和SOI衬底上制备FinFET的工艺流程，重点介绍了各种工艺的复杂性和优点。
第5章介绍了FinFET的基本理论、表面势的计算方法以及长沟道器件的静电行为；采用一组简化的假设推导了适用于所有器件工作区域的长沟道器件的连续漏极电流表达式；另外，从连续漏极电流表达式得到了线性、饱和和亚阈值等各个工作区的漏极电流表达式，可用于器件性能的直观分析。
第6章介绍了FinFET中的小尺寸效应，以精确表征实际的器件效应；给出了短沟道效应的数学表达式，包括Vth滚降、DIBL、量子力学效应、低场迁移率、速度饱和、沟道长度调制和输出电阻等。
第7章讨论了在VLSI电路和系统中，FinFET器件泄漏电流不同分量的物理机制和数学表达式。这些泄漏电流分量包括由于漏极与源极接近而产生的亚阈值泄漏电流、由于带-带
Samar K.Saha从印度Gauhati大学获得物理学博士学位，在美国斯坦福大学获得工程管理硕士学位。目前，他是加利福尼亚州圣塔克拉拉大学电气工程系的兼职教授，也是Prospicient Devices的首席研究科学家。自1984年以来，他在美国国家半导体、LSI逻辑、德州仪器、飞利浦半导体、Silicon Storage Technology、新思、DSM Solutions、Silterra USA和 SuVolta担任各种技术和管理职位。他还曾在南伊利诺伊大学卡本代尔分校、奥本大学、内华达大学拉斯维加斯分校以及科罗拉多大学科罗拉多泉分校担任教员。他撰写了100多篇研究论文。他还撰写了一本书Compact Models for Integrated Circuit Design：Conventional Transistors and Beyond（CRC出版社，2015年）；撰写了关于TCAD的书Technology Computer Aided Design:Simulation for VLSI MOSFET（C.K.Sarkar主编，CRC出版社，2013年）中的一章Introduction to Technology Computer-Aided Design；拥有12项美国专利。他的研究兴趣包括纳米器件和工艺体系结构、TCAD、紧凑型建模、可再生能源器件、TCAD和研发管理。
Saha博士曾担任美国电气电子工程师学会（IEEE）电子器件分会（EDS）2016～2017年会长，目前担任EDS高级前任会长、J.J.Ebers奖委员会主席和EDS评审委员会主席。他是美国电气电子工程师学会（IEEE）会士、英国工程技术学会（IET）会士、IEEE EDS杰出讲师。此前，他曾担任EDS的前任初级会长；EDS颁奖主席；EDS评审委员会成员；EDS当选会长；EDS出版部副总裁；EDS理事会的当选成员；IEEE QuestEDS主编；EDS George Smith和Paul Rappaport奖主席；5区和6区EDS通讯编辑；EDS紧凑模型技术委员会主席；EDS北美西部区域/分会小组委员会主席；IEEE会议出版委员会成员；IEEE TAB期刊委员会成员；圣克拉拉谷旧金山EDS分会财务主管、副主席、主席。
Saha博士担任IEEE Transactions on Electron Devices (T-ED) 专刊（SI）Advanced Compact Models and 45-nm Modeling Challenges and Compact Interconnect Models for Giga Scale Integration的首席特约编辑；并作为T-ED专刊Advanced Modeling of Power Devices and their Applications和IEEE Journal of Electron Devices Society (J-EDS) 2018年IFETC的精选扩展论文专刊Flexible Electronics特约编辑。他还担任了由科学研究出版社（SCIRP）出版的World Journal of Condensed Matter Physics（WJCMP）的编辑委员会成员。
目录
译者序
前言
作者简介
第1章 概述1
1.1鳍式场效应晶体管（FinFET）1
1.2集成电路制造中的MOSFET器件概况1
1.2.1纳米级MOSFET缩小的挑战3
1.2.1.1短沟道MOSFET中的泄漏电流3
1.2.1.2MOSFET性能波动4
1.2.2MOSFET缩小难题的物理机理6
1.3替代器件概念8
1.3.1无掺杂或轻掺杂沟道MOSFET8
1.3.1.1深耗尽沟道MOSFET8
1.3.1.2埋晕MOSFET9
1.3.2薄体场效应晶体管9
1.3.2.1单栅超薄体场效应晶体管 10
1.3.2.2多栅场效应晶体管11
1.4VLSI电路和系统中的FinFET器件12
1.5FinFET器件简史 13
1.6小结15
参考文献16
第2章 半导体物理基础22
2.1简介22
2.2半导体物理22
2.2.1能带模型22
2.2.2载流子统计24
2.2.3本征半导体25
2.2.3.1本征载流子浓度25
2.2.3.2电子和空穴的有效质量26
2.2.4非本征半导体27
2.2.4.1非本征半导体中的费米能级28
2.2.4.2简并掺杂半导体中的费米能级30
2.2.4.3半导体中的静电势和载流子浓度30
2.2.4.4准费米能级31
2.2.5半导体中的载流子输运32
2.2.5.1载流子漂移：载流子在电场中的运动32
2.2.5.2载流子扩散36
2.2.6载流子的产生-复合38
2.2.6.1注入水平39
2.2.6.2复合过程39
2.2.7半导体基本方程41
2.2.7.1泊松方程41
2.2.7.2传输方程42
2.2.7.3连续性方程43
2.3n型和p型半导体接触理论44
2.3.1pn结的基本特征44
2.3.2内建电势差46
2.3.3突变结46
2.3.3.1静电学47
2.3.4外加偏压下的pn结49
2.3.4.1单边突变结50
2.3.5pn结上的载流子输运51
2.3.5.1少数载流子浓度与结电势的关系51
2.3.6pn结I-V特性54
2.3.6.1pn结泄漏电流的温度依赖性55
2.3.6.2pn结电流方程的局限性56
2.3.6.3体电阻58
2.3.6.4结击穿电压58
2.3.7pn结动态特性59
2.3.7.1结电容59
2.3.7.2扩散电容61
2.3.7.3小信号电导62
2.3.8pn结等效电路62
2.4小结63
参考文献63
第3章 多栅金属-氧化物-半导体（MOS）系统65
3.1简介65
3.2平衡态下多栅MOS电容器65
3.2.1孤立的金属、氧化物和半导体材料的特性67
3.2.1.1功函数67
3.2.2接触形成MOS系统中的金属、氧化物和半导体材料69
3.2.2.1金属栅功函数位于硅带隙边缘的MOS系统69
3.2.2.2金属栅功函数位于硅带隙中央的MOS系统71
3.2.3氧化层电荷72
3.2.3.1界面陷阱电荷72
3.2.3.2固定氧化层电荷73
3.2.3.3氧化层陷阱电荷73
3.2.3.4可动离子电荷74
3.2.4氧化层电荷对能带结构的影响：平带电压74
3.2.5表面势75
3.3外加偏压下的MOS电容器76
3.3.1积累78
3.3.2耗尽78
3.3.3反型79
3.4多栅MOS电容器系统：数学分析80
3.4.1泊松方程81
3.4.2静电势和电荷分布84
3.4.2.1半导体中的感生电荷84
3.4.2.2表面势公式87
3.4.2.3阈值电压91
3.4.2.4表面势函数94
3.4.2.5反型电荷密度的统一表达式97
3.5量子力学效应99
3.6小结100
参考文献100
第4章 FinFET器件工艺概述102
4.1简介102
4.2FinFET制造工艺103
4.3体FinFET制造104
4.3.1起始材料104
4.3.2阱的形成105
4.3.2.1p阱的形成105
4.3.2.2n阱的形成105
4.3.3Fin图形化：间隔层刻蚀技术105
4.3.3.1芯轴图形化105
4.3.3.2氧化物间隔层形成106
4.3.3.3硅Fin形成106
4.3.4非传统的阱形成工艺107
4.3.5栅极定义：多晶硅dummy栅形成107
4.3.6源漏延伸工艺108
4.3.6.1nFinFET源漏延伸形成108
4.3.6.2pFinFET源漏延伸形成108
4.3.7凸起源漏工艺109
4.3.7.1SiGe pFinFET凸起源漏形成109
4.3.7.2SiC nFinFET凸起源漏形成109
4.3.7.3凸起源漏硅化110
4.3.8替代金属栅形成110
4.3.8.1多晶硅dummy栅去除111
4.3.8.2高k栅介质淀积111
4.3.8.3金属栅形成111
4.3.9自对准接触形成112
4.3.9.1金属化112
4.4SOI-FinFET工艺流程112
4.4.1起始材料113
4.4.2Fin图形化：间隔层刻蚀技术113
4.4.2.1芯轴图形化113
4.4.2.2氧化物间隔层形成113
4.4.2.3硅Fin形成113
4.4.3体硅FinFET与SOI-FinFET制造工艺比较114
4.5小结114
参考文献115
第5章 大尺寸FinFET器件工作原理117
5.1简介117
5.2FinFET器件的基本特征117
5.3FinFET器件工作120
5.4漏极电流公式121
5.4.1静电势的推导124
5.4.2对称DG-FinFET的连续漏极电流方程129
5.4.3对称DG-FinFET的区域漏极电流公式132
5.4.3.1阈值电压公式133
5.4.3.2线性区Ids方程133
5.4.3.3饱和区Ids方程134
5.4.3.4亚阈值电导136
5.5小结138
参考文献139
第6章 小尺寸FinFET：物理效应对器件性能的影响141
6.1简介141
6.2短沟道效应对阈值电压的影响141
6.2.1特征长度公式141
6.2.2沟道势146
6.2.3阈值电压滚降147
6.2.4DIBL效应对阈值电压的影响148
6.3量子力学效应148
6.3.1体反型148
6.3.2量子力学效应对迁移率的影响149
6.3.3量子力学效应对阈值电压的影响150
6.3.4量子力学效应对漏极电流的影响152
6.4表面迁移率153
6.5高电场效应156
6.5.1速度饱和156
6.5.2沟道长度调制158
6.6输出电阻160
6.7小结161
参考文献161
第7章 FinFET中的泄漏电流165
7.1简介165
7.2亚阈值泄漏电流165
7.3栅致漏极和源极泄漏电流166
7.3.1栅致漏极泄漏电流的计算16
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