第3版前言

The Art of Analog Layout，Second Edition出版至今已有16年。硅仍是主导性的半导体材料，MOS晶体管依旧是最常用的有源器件。它们的栅长不断缩小，单颗芯片上的晶体管数量已增至数万乃至数十万。更先进的混合信号工艺如今采用大马士革铜互连技术； 准分子激光光刻机已在很大程度上取代了I线步进光刻机； 新建晶圆厂均采用12英寸（300mm）晶圆； 浅沟槽隔离技术基本取代了LOCOS工艺； 多种更高功率、更高密度的封装技术应运而生； 光学邻近校正愈发复杂，设计规则检查（DRC）规则集如今包含数千条规则。简而言之，时代已然变迁，第2版已略显过时。

2018年年初，当我着手修订本书时，很快意识到不能仅在此处添加段落、在彼处插入图片。需要修改的内容太多，如此多的改动会严重破坏原文的逻辑连贯性。单纯的修订已无法满足需求，亟须一部全新的著作。第3版在很大程度上延续了前两版的风格，但它更是一部独立完整的作品，若非经过漫长而艰巨的重写，便无法达到如今的完整性与统一性。

下面说明一下改动的范围。

第1章“器件物理”仅需少量更新。

第2章“半导体制造”中关于制造工艺新增大量内容，涵盖硅刻蚀、隔离系统、晶圆键合、化学机械抛光、单大马士革铜互连与双大马士革铜互连以及封装等主题。

第3章“版图设计”为新增章节，包含历史背景、版图编辑器的基本原理、主要交换文件格式的描述、掩模对准与可缩放设计规则的讨论，以及图形生成的相关信息。

第4章“典型工艺”保留标准双极型工艺和多晶硅栅CMOS工艺，尽管这些工艺已不再广泛使用，但它们的简洁性有助于读者理解，所学知识也可应用于更复杂的工艺； 关于模拟BiCMOS工艺的内容得到扩充，使该章的这一部分成为对第三种典型工艺的完整讨论，而非仅仅是CMOS工艺的延伸，同时在典型BiCMOS工艺中新增DMOS晶体管的相关内容。

第5章“失效机制”进行彻底修订，新增内容包括自热与电丝状化、布莱奇效应（Blech effect）、竹节结构、过孔电迁移、E模型与1/E模型、OVST、人体金属模型、潜在天线效应、RoHS标准及其对封装的影响、氢化机制的详细阐述、巨同位素效应以及PBTI（正偏压温度不稳定性）。书中给出衬底电阻的计算公式，并新增高低结阻挡少子的半定量分析。

第6章“电阻”基本沿用前版结构，但补充拐角效应的完整公式、钛硅化物中C49—C54相转变的讨论、电压非线性与电导调制的详细分析，新增“氢化与脱氢”内容，提及锥形缺陷的影响，补充薄膜电阻与熔丝编程的更多信息，并深入探讨基于非易失性存储器的修调与激光修调技术。

第7章“电容与电感”包含大量新增内容，给出边缘电容的计算公式，讨论基于E模型与1/E模型的非晶介质降额，新增结电容电压依赖性的数值分析，提及电容中抗反射涂层的应用，展示多种额外的通量电容类型，新增“沟槽电容”内容，提及集成电感的对称版图，并补充电感寄生效应的更多细节。

第8章“电阻与电容的匹配”基于新增信息进行大幅修订： 将邻近效应整合为独立的核心小节，补充微负载与等密度刻蚀偏差的详细内容，新增对阱邻近效应的讨论并突出氢化的作用，给出任意阵列重心的计算公式，完善分散规则并提供定量解释，引入“分段灵敏度”参数以说明分段长度选择对匹配的影响，对机械应力进行更全面阐述（含压阻系数值），同时新增热滞后与长期漂移的相关内容。

第9章“双极型晶体管”补充更多历史背景，新增埃伯斯摩尔（EbersMoll）方程与小信号模型，深入探讨准饱和现象并介绍本征饱和电压，补充柯克效应的详细信息，展示更多CMOS工艺双极型晶体管类型，同时新增特征频率fT的意义与对计算方法的讨论。

第10章“双极型晶体管的应用”对安全工作区进行深入分析，含FBSOA（正向偏置安全工作区）与RBSOA（反向偏置安全工作区）曲线示例，新增典型射频硅锗晶体管图示，阐述机械应力影响并给出压结系数值。

第11章“二极管”补充更多历史背景与对理想因子的讨论，给出肖特基二极管计算公式，详细介绍基极集电极功率二极管，提及多晶硅二极管，并展示更多模拟BiCMOS结构。

第12章“场效应晶体管”新增对小信号模型的讨论与对器件跨导的详细分析，推导阈值电压的数值方程，深入探讨速度饱和、短沟道与窄沟道效应，引入亚阈值导电并给出亚阈值斜率因子，扩充非易失性存储器相关内容，同时新增JFET晶体管的计算公式。

第13章“MOS晶体管的应用”新增大量内容： 以对导通损耗的讨论开篇，替换前版中存在缺陷的金属化电阻分析，并引入三分之一法则； 随后讨论开关损耗（含三角近似的简要介绍），探讨栅极传播延迟并给出对应公式； 对安全工作区进行全新且全面的分析，重点介绍电安全工作区与电热安全工作区，同时引入斯皮里托效应； 展示嵌入式部分指状传感FET，大幅扩充DMOS晶体管相关内容； 展示介质RESURF（降低表面电场）与V形槽晶体管，详细讨论口袋注入的影响； 新增阱邻近效应与扩散长度相关内容，定量阐述机械应力对MOS晶体管的影响并给出压阻系数； 同时提出一种定量的取向测量方法，以替代传统的手性定性概念。

第14章“专题内容”得到极大扩充，保留器件合并与保护环的相关内容，章节主体内容聚焦对ESD保护器件的讨论，阐述其工作原理并对多种具体器件进行图示与分析。

第15章“芯片组装”也进行重大修订： 以对数据库分区与层次结构的讨论开篇，提供数据库构建的通用建议； 讨论并图示划片框架的概念，新增“焊球与铜柱”内容； 补充更多电迁移相关信息，最后以图形生成前的最终版图检查清单收尾。

本书前两版受到了广大读者的好评，我相信第3版能够很好地继承前两版的精髓，成为一份有价值的参考资料。

艾伦·黑斯廷斯（Alan Hastings）

2022年3月