新型硅基集成微電子及光電子材料ppt課件

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容微電子的開展規(guī)律與現(xiàn)狀微電子的開展規(guī)律與現(xiàn)狀0.13微米以下面臨的問題及能夠的處理方法微米以下面臨的問題及能夠的處理方法高高K介質(zhì)資料介質(zhì)資料緩沖層或隔離層資料緩沖層或隔離層資料 Si基發(fā)光資料基發(fā)光資料任務(wù)想象任務(wù)想象一一. 微電子技術(shù)開展的規(guī)律及現(xiàn)狀微電子技術(shù)開展的規(guī)律及現(xiàn)狀Moore定律定律等比例減少等比例減少(Scaling-down)定律定律自發(fā)明以來，自發(fā)明以來，IC芯片的集成度每芯片的集成度每三年提高三年提高4倍，而倍，而加工特征尺寸減加工特征尺寸減少少 倍。這就是倍。這就是Intel公司開創(chuàng)人公司開創(chuàng)人之一之一G. E. Moore 1965年總結(jié)的規(guī)年總結(jié)的規(guī)

2、律，被稱為摩爾律，被稱為摩爾定律。定律。2 2 2 22微電子技術(shù)開展的微電子技術(shù)開展的ROADMAPMoore定律定律1965年年Intel公司的開創(chuàng)人之一公司的開創(chuàng)人之一G.E. Moore預(yù)言預(yù)言IC產(chǎn)業(yè)的開展規(guī)律產(chǎn)業(yè)的開展規(guī)律集成電路的集成度每三年增長四倍，集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年減少特征尺寸每三年減少 倍倍2Moore定律定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002019存儲器容量存儲器容量 60%/年年 每三年，翻兩番每三年，翻兩番1965年，年，G. Moore 預(yù)測半導(dǎo)體芯片上的晶體管預(yù)測半

3、導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番數(shù)目每兩年翻兩番微處置器的性能微處置器的性能100 G10 G1 G100 M10 M1 MKilo19701980199020002019Peak Advertised Performance (PAP)MooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% GrowthIC技術(shù)是近技術(shù)是近50年來開展最快的技術(shù)年來開展最快的技術(shù) 年年份份特特征征參參數(shù)數(shù)19591970-19712000比比率率設(shè)設(shè)計計規(guī)規(guī)則則 m2580.18140電電源源電電壓壓VDD(伏伏）551.53硅硅片片直直徑徑尺尺寸寸（mm）53030060集集

4、成成度度62 1032 1093 108DRAM密密度度（bit)1K1G106微微處處理理器器時時鐘鐘頻頻率率(Hz)750K1G103平平均均晶晶體體管管價價格格$100.310-6107Moore定律定律 性能價錢比性能價錢比 在過去的在過去的20年中，改良了年中，改良了1,000,000倍倍 在今后的在今后的20年中，還將改良年中，還將改良1,000,000倍倍IC類型類型(按器件構(gòu)造分按器件構(gòu)造分)雙極型雙極型IC：主要由雙極三極管構(gòu)成：主要由雙極三極管構(gòu)成NPN型型PNP型型MOS型型IC：主要由：主要由MOS三極管構(gòu)成三極管構(gòu)成NMOSPMOSCMOS雙極雙極-MOS(BiMOS

5、)型型IC：綜合了雙極和：綜合了雙極和MOS器件器件兩者的優(yōu)點，但制造工藝復(fù)雜兩者的優(yōu)點，但制造工藝復(fù)雜目前，采用目前，采用CMOS工藝制造的工藝制造的IC器件占總數(shù)的器件占總數(shù)的90%以上以上我國年微電子開展情況我國年微電子開展情況上海中芯國際：上海中芯國際：8英寸，英寸，0.25微米微米上海宏力上海宏力: 8英寸，英寸，0.25微米微米北京華夏半導(dǎo)體北京華夏半導(dǎo)體: 8英寸，英寸，0.25微米微米天津天津Motorola: 8英寸，英寸，0.25微米微米上海貝嶺上海貝嶺: 華虹華虹NEC：我國微電子開展情況南昌我國微電子開展情況南昌 晶湛科技晶湛科技國內(nèi)第六條國內(nèi)第六條8英寸消費線英寸消費

6、線 江西聯(lián)創(chuàng)光電公司江西聯(lián)創(chuàng)光電公司國家國家 “銦鎵氮銦鎵氮LED外延片、芯片產(chǎn)業(yè)化外延片、芯片產(chǎn)業(yè)化示范工程企業(yè)，國家半導(dǎo)體照明工程示范工程企業(yè)，國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化南昌基地中心企業(yè)產(chǎn)業(yè)化南昌基地中心企業(yè) 晶能晶能LatticePower公司公司硅基藍光硅基藍光LED消費線消費線2121世紀初葉是我國微電世紀初葉是我國微電子產(chǎn)業(yè)的黃金時期子產(chǎn)業(yè)的黃金時期! !我國年微電子開展展望我國年微電子開展展望微電子的特點微電子的特點微電子中的空間尺度以微電子中的空間尺度以m和納米和納米nm為單位。為單位。微電子學(xué)是信息領(lǐng)域的重要根底學(xué)科微電子學(xué)是信息領(lǐng)域的重要根底學(xué)科,它以實它以實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集

7、成為目的。同時現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的。同時, 微電子學(xué)微電子學(xué)也是一門綜合性很強的學(xué)科也是一門綜合性很強的學(xué)科涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、資料科學(xué)、電子線路、信號處置、計物理學(xué)、資料科學(xué)、電子線路、信號處置、計算機輔助設(shè)計、測試與加工、圖論、化學(xué)等計算機輔助設(shè)計、測試與加工、圖論、化學(xué)等多個學(xué)科多個學(xué)科微電子有很強的浸透性，它可以是與其他技微電子有很強的浸透性，它可以是與其他技術(shù)結(jié)合而誕生出一系列新的產(chǎn)物，例如微機電術(shù)結(jié)合而誕生出一系列新的產(chǎn)物，例如微機電系統(tǒng)系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等、生物芯片等等比例減少定律等比例減少定律1974

8、年由年由Dennard提出提出根本指點思想是：堅持根本指點思想是：堅持MOS器件內(nèi)部器件內(nèi)部電場不變：恒定電場規(guī)律電場不變：恒定電場規(guī)律CE律律等比例減少器件的縱向、橫向尺寸，以等比例減少器件的縱向、橫向尺寸，以添加跨導(dǎo)和減少負載電容，提高集成電添加跨導(dǎo)和減少負載電容，提高集成電路的性能路的性能電源電壓也要減少一樣的倍數(shù)電源電壓也要減少一樣的倍數(shù)CE律的問題律的問題閾值電壓不能夠縮的太小閾值電壓不能夠縮的太小源漏耗盡區(qū)寬度不能夠按比例減少源漏耗盡區(qū)寬度不能夠按比例減少電源電壓規(guī)范的改動會帶來很大的不便電源電壓規(guī)范的改動會帶來很大的不便恒定電壓等比例減少規(guī)律恒定電壓等比例減少規(guī)律(CV律律)堅持

9、電源電壓堅持電源電壓Vds和閾值電壓和閾值電壓Vth不變，對其它參數(shù)進展等比例減不變，對其它參數(shù)進展等比例減少。少。準恒定電場定律準恒定電場定律QCE律律CE律和律和CV律的折中，律的折中，20世紀采用世紀采用的最多的最多隨著器件尺寸的進一步減少，強電隨著器件尺寸的進一步減少，強電場、高功耗以及功耗密度等引起的場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按各種問題限制了按CV律進一步減少律進一步減少的規(guī)那么，電源電壓必需降低。同的規(guī)那么，電源電壓必需降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實踐上電源電壓降低電路的性能，實踐上電源電壓降低的比例通常小于器件

10、尺寸的減少比的比例通常小于器件尺寸的減少比例例器件尺寸將減少器件尺寸將減少倍，而電源電壓倍，而電源電壓那么只變?yōu)樵瓉淼哪敲粗蛔優(yōu)樵瓉淼?倍倍特征尺寸繼續(xù)等比例減少特征尺寸繼續(xù)等比例減少ICIC開展成為片上系統(tǒng)開展成為片上系統(tǒng)(SOC) (SOC) 微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMSMEMS、DNADNA芯片等芯片等21世紀微電子技術(shù)的世紀微電子技術(shù)的三個開展方向三個開展方向微細加工技術(shù)微細加工技術(shù)目前目前0.180.18m m和和0.130.13m m已開場進入已開場進入大消費大消費在在90nm-65nm90

11、nm-65nm階段，最關(guān)鍵的加工階段，最關(guān)鍵的加工工藝工藝光刻技術(shù)還是一個大問題，光刻技術(shù)還是一個大問題，尚未完全處理尚未完全處理二二. .特征尺寸減少到特征尺寸減少到0.130.13m m以下以下面臨的問題面臨的問題互連技術(shù)互連技術(shù) 銅互連已在銅互連已在0.25/0.18um0.25/0.18um技術(shù)技術(shù)代中運用；但是在代中運用；但是在0.13um0.13um以下，以下，銅互連與低介電常數(shù)絕緣資料共銅互連與低介電常數(shù)絕緣資料共同運用時的可靠性問題還有待研同運用時的可靠性問題還有待研討開發(fā)討開發(fā) 新構(gòu)造與新資料新構(gòu)造與新資料新型器件構(gòu)造新型器件構(gòu)造新型資料體系新型資料體系高高K K介質(zhì)介質(zhì)金屬

12、柵電極金屬柵電極低低K K介質(zhì)介質(zhì) 傳統(tǒng)的柵構(gòu)造傳統(tǒng)的柵構(gòu)造 重摻雜多晶硅重摻雜多晶硅SiO2 硅化物硅化物 閱歷關(guān)系閱歷關(guān)系: LTox Xj1/3對柵介質(zhì)層的要求對柵介質(zhì)層的要求 年年 份份 1999 2001 2003 2006 2009 2012 技技 術(shù)術(shù) 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 等效柵氧化層厚度等效柵氧化層厚度 (nm) 45 23 23 1.52 1.5 1.0 柵介質(zhì)的限制柵介質(zhì)的限制 隨著隨著 d 的減少，柵漏電流呈的減少，柵漏電流呈指數(shù)性增長指數(shù)性增長超薄柵氧化層超薄柵氧化層?xùn)叛趸瘜拥膭輭緰叛趸瘜拥膭輭局苯铀泶┑淖呗╇娏髦苯铀泶┑淖呗╇娏?/p>

13、d d限制：限制： 3 2 nm Dox d多晶硅多晶硅耗盡耗盡 d柵介質(zhì)柵介質(zhì)層層 d 量 子量 子效應(yīng)效應(yīng) 由多晶硅耗盡效應(yīng)引起的等效厚度由多晶硅耗盡效應(yīng)引起的等效厚度 : d多晶硅耗多晶硅耗盡盡 0.5nm 結(jié)論：等效柵介質(zhì)層的總厚度無法小于結(jié)論：等效柵介質(zhì)層的總厚度無法小于1nm隨著器件減少致亞隨著器件減少致亞5050納米納米SiO2無法順應(yīng)器件的要求無法順應(yīng)器件的要求柵介質(zhì)的限制柵介質(zhì)的限制SiO2(3.9)SiO2/Si 界面界面硅基硅基IC的的基石之一基石之一使微電子產(chǎn)使微電子產(chǎn)業(yè)高速和繼業(yè)高速和繼續(xù)開展續(xù)開展隧穿效應(yīng)隧穿效應(yīng)SiO2的性質(zhì)的性質(zhì)柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層Tox1納米納米量

14、子隧穿模型量子隧穿模型高高K介質(zhì)介質(zhì)? ?雜質(zhì)漲落雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級質(zhì)數(shù)僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律新型柵構(gòu)造新型柵構(gòu)造? ?電子輸運的電子輸運的渡越時間渡越時間碰撞時間碰撞時間介觀物理的介觀物理的輸運實際輸運實際? ?溝道長度溝道長度 L50納米納米柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層L源源漏漏柵柵Doxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 帶間隧穿帶間隧穿反型層的反型層的量子化效應(yīng)量子化效應(yīng)電源電壓電源電壓1V時，柵介質(zhì)層中電場時，柵介質(zhì)層中電場約為約為5MV/cm，硅中電場約，硅中電場約1MV/cm思索量子化效應(yīng)思索量子化效應(yīng)的器件模型的器件模型? ? .可靠

15、性可靠性高高K K介質(zhì)：是介電常數(shù)比介質(zhì)：是介電常數(shù)比SiO2SiO2大的介大的介質(zhì)資料。當作為質(zhì)資料。當作為“MOSMOS構(gòu)造的柵介構(gòu)造的柵介質(zhì)資料時，要求：質(zhì)資料時，要求：禁帶寬度足夠大禁帶寬度足夠大EgEg大于大于5 eV5 eV 與與SiSi之間可以構(gòu)成良好的界面之間可以構(gòu)成良好的界面成分不太復(fù)雜，成分不太復(fù)雜， 容易用容易用ICIC兼容的工兼容的工藝制備藝制備三三. .高高K K介質(zhì)介質(zhì)高高k k介質(zhì)資料曾經(jīng)成為各大半導(dǎo)體公司的搶介質(zhì)資料曾經(jīng)成為各大半導(dǎo)體公司的搶手研討課題，普通以為氮氧化物可望成為新手研討課題，普通以為氮氧化物可望成為新的柵介質(zhì)資料，但到目前為止，還沒有找到的柵介質(zhì)

16、資料，但到目前為止，還沒有找到可以替代可以替代SiO2SiO2的理想高的理想高k k 介質(zhì)資料。介質(zhì)資料。 是典型的高是典型的高K K介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到105105鐵電資料：在居里溫度以下具有自發(fā)極鐵電資料：在居里溫度以下具有自發(fā)極化、且自發(fā)極化可以隨外電場反向而反化、且自發(fā)極化可以隨外電場反向而反向即電極化與外電場之間呈現(xiàn)電滯回向即電極化與外電場之間呈現(xiàn)電滯回線的壓電資料線的壓電資料 鐵電資料鐵電資料普通電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比較普通電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比較介質(zhì)種類極化方式對稱中心特殊方向自發(fā)極化電滯回線普通電介質(zhì)電場極化無無無壓電體電場極

17、化無極軸無無熱釋電體電場極化自發(fā)極化無極軸存在（溫度TTc）無鐵電體電場極化自發(fā)極化無極軸存在（溫度TTc）有鐵電資料：在非揮發(fā)存儲器、紅外鐵電資料：在非揮發(fā)存儲器、紅外探測器、電光開關(guān)、探測器、電光開關(guān)、MEMSMEMS器件及非器件及非線性光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的運用前線性光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的運用前景景 。目前被廣泛研討的是：目前被廣泛研討的是： 分子式為分子式為ABO3ABO3、具有鈣鈦礦構(gòu)、具有鈣鈦礦構(gòu)造的鐵電資料，如造的鐵電資料，如BaTiO3 (BT), BaTiO3 (BT), Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), (Ba, Sr)TiO3 (BS

18、T) (Ba, Sr)TiO3 (BST) 等等 。是典型的高是典型的高K K介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到105105鐵電資料：在居里溫度以下具有自發(fā)極鐵電資料：在居里溫度以下具有自發(fā)極化、且自發(fā)極化可以隨外電場反向而反化、且自發(fā)極化可以隨外電場反向而反向即電極化與外電場之間呈現(xiàn)電滯回向即電極化與外電場之間呈現(xiàn)電滯回線的壓電資料線的壓電資料 禁帶寬度足夠大禁帶寬度足夠大EgEg大于大于5 eV5 eV 與與SiSi之間可以構(gòu)成良好的界面之間可以構(gòu)成良好的界面成分不太復(fù)雜，成分不太復(fù)雜， 容易用容易用ICIC兼容的工藝兼容的工藝制備制備鐵電資料鐵電資料本人任務(wù)：本人任務(wù)：利用磁控

19、濺射堆積工藝利用磁控濺射堆積工藝在在SiSi基上制備基上制備PZTPZT鐵電薄膜鐵電薄膜當當ICIC的特征尺寸減小到的特征尺寸減小到100nm100nm以下時，有關(guān)以下時，有關(guān)膜層的厚度僅有幾個到幾十膜層的厚度僅有幾個到幾十nmnm，這時膜層間，這時膜層間的分散問題變的嚴重！的分散問題變的嚴重！需求適宜的隔離層需求適宜的隔離層四四. .緩沖緩沖/ /隔離層資料隔離層資料在在SiSi上制造其它需求晶體資料時，假設(shè)兩者上制造其它需求晶體資料時，假設(shè)兩者晶格常數(shù)有較大的差別，那么必需制造緩沖晶格常數(shù)有較大的差別，那么必需制造緩沖層！層！前面曾經(jīng)引見前面曾經(jīng)引見LNOLNOTiNx的主要特性的主要特性

20、高硬度高硬度高熔點高熔點2930293029502950導(dǎo)電性：半導(dǎo)體導(dǎo)電性：半導(dǎo)體導(dǎo)體，隨組分變化導(dǎo)體，隨組分變化顏色：金黃色顏色：金黃色( (隨組分變化隨組分變化) )具有較好的耐腐蝕性具有較好的耐腐蝕性TiNx的組分與構(gòu)造的組分與構(gòu)造X在在0.61.2之間都能構(gòu)成穩(wěn)定相之間都能構(gòu)成穩(wěn)定相主要有：主要有： 立方相立方相 TiN 六方相六方相 Ti4N3 四方相四方相 Ti2NTiN薄膜的制備方法薄膜的制備方法CVDCVD法法反響濺射法反響濺射法No：06271 Tsub460No：07011 Tsub48020253035404550556065050010001500(111)(220)

21、(200)Sample: 0627-2 Tsub=455 c-TiNIntensity /a.u.2 /Degree152025303540455055606502004006008001000(220)(111)Sample: 0701-1 TiNIntensity /a.u.2 /DegreeSiSi在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對主導(dǎo)位置在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對主導(dǎo)位置至今為止，至今為止，SiSi在光電子領(lǐng)域沒有得到應(yīng)有的在光電子領(lǐng)域沒有得到應(yīng)有的運用。運用。SiSi是間接帶隙半導(dǎo)體，不發(fā)光。是間接帶隙半導(dǎo)體，不發(fā)光。SiSi光電二極管光電二極管/Si/Si光光/ Si/ Si太陽能電池太陽能電池但是，利用成熟的硅但是，利用成熟的硅ICIC工藝，實現(xiàn)工藝，實現(xiàn)SiSi基集成基集成發(fā)光的努力從來就沒有停頓。發(fā)光的努力從來就沒有停頓。五五. .硅基光電子資料硅基光電子資料SiSi在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對主導(dǎo)位置在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對主導(dǎo)位置至今為止，至今為止，SiSi在光電子領(lǐng)域沒有得到在光電子領(lǐng)域沒有得到應(yīng)有的運用。應(yīng)有的運用。SiSi是間接帶隙