硅基應(yīng)變與SOI技術(shù)21世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)1學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1硅基應(yīng)變與硅基應(yīng)變與SOI技術(shù)技術(shù)(jsh)21世紀(jì)的硅集世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)成電路技術(shù)(jsh)1第一頁，共61頁。第1頁/共60頁第二頁，共61頁。第2頁/共60頁第三頁，共61頁。第3頁/共60頁第四頁，共61頁。第4頁/共60頁第五頁，共61頁。第5頁/共60頁第六頁，共61頁。摩爾定律摩爾定律第6頁/共60頁第七頁，共61頁。第7頁/共60頁第八頁，共61頁。1 1 物理極限物理極限量子量子(lingz)(lingz)效應(yīng)效應(yīng)2 2 工藝極限工藝極限如何實(shí)現(xiàn)超微細(xì)光刻如何實(shí)現(xiàn)超微細(xì)光刻目前光學(xué)曝光的最小尺寸可到目前光學(xué)曝光的最小尺寸可到22nm22nm；X-X-射線、電子束等

2、下一代曝光分辨率更高，射線、電子束等下一代曝光分辨率更高， 但效率還不高，難以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。但效率還不高，難以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。 第8頁/共60頁第九頁，共61頁。3 3 互連線延遲互連線延遲(ynch)(ynch)體硅器件(qjin)尺寸縮小后遇到的部分問題不同材料的互連線不同材料的互連線延時(shí)和門延時(shí)比較延時(shí)和門延時(shí)比較第9頁/共60頁第十頁，共61頁。第10頁/共60頁第十一頁，共61頁。第11頁/共60頁第十二頁，共61頁。張應(yīng)變張應(yīng)變(yngbin)Si(yngbin)Si的導(dǎo)帶分裂的導(dǎo)帶分裂 載流子遷移高：器件載流子遷移高：器件(qjin)及電路性能提高及電路性能提高 形成異質(zhì)結(jié)：能

3、帶工程形成異質(zhì)結(jié)：能帶工程 與與Si工藝兼容：工藝成本低工藝兼容：工藝成本低第12頁/共60頁第十三頁，共61頁。第13頁/共60頁第十四頁，共61頁。00expexpgEgBgEEBBEEENNNk TNk T與與BJTBJT相比相比(xin b)(xin b)，若，若Eg=0.2eVEg=0.2eV，則則HBTHBT的的提高了提高了21912191倍倍第14頁/共60頁第十五頁，共61頁。第15頁/共60頁第十六頁，共61頁。第16頁/共60頁第十七頁，共61頁。第17頁/共60頁第十八頁，共61頁。第18頁/共60頁第十九頁，共61頁。第19頁/共60頁第二十頁，共61頁。張應(yīng)變張應(yīng)變(

4、yngbin)Si(yngbin)Si遷遷移率移率第20頁/共60頁第二十一頁，共61頁。STISTI：壓應(yīng)變：壓應(yīng)變(yngbin)Si(yngbin)SiSiGeSiGe源漏：壓應(yīng)變源漏：壓應(yīng)變(yngbin)Si(yngbin)SiDSLDSL：SiN,SiN,張張/ /壓應(yīng)變壓應(yīng)變SiSiSiCSiC源漏：源漏：張應(yīng)變張應(yīng)變第21頁/共60頁第二十二頁，共61頁。第22頁/共60頁第二十三頁，共61頁。第23頁/共60頁第二十四頁，共61頁。第24頁/共60頁第二十五頁，共61頁。第25頁/共60頁第二十六頁，共61頁。第26頁/共60頁第二十七頁，共61頁。第27頁/共60頁第二十八

5、頁，共61頁。第28頁/共60頁第二十九頁，共61頁。第29頁/共60頁第三十頁，共61頁。第30頁/共60頁第三十一頁，共61頁。發(fā)展發(fā)展(fzhn)歷史歷史第31頁/共60頁第三十二頁，共61頁。SOISOI技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)1 1、SIMOXSIMOX（注氧隔離（注氧隔離(gl)(gl)）技術(shù)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：表面硅層和埋層二優(yōu)點(diǎn)：表面硅層和埋層二氧化硅厚度可精細(xì)控制；氧化硅厚度可精細(xì)控制；與現(xiàn)行集成電路工藝匹配與現(xiàn)行集成電路工藝匹配較好。較好。缺點(diǎn)：缺陷密度較高。缺點(diǎn)：缺陷密度較高。第32頁/共60頁第三十三頁，共61頁。SOISOI技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)注入及退火時(shí)間太長：注

6、入及退火時(shí)間太長： 注入注入30 min30 min；退火；退火6 h6 h。超高溫退火：超過超高溫退火：超過13001300SIMOXSIMOX技術(shù)的不足技術(shù)的不足第33頁/共60頁第三十四頁，共61頁。2 2、SDB/BSOI/BESOISDB/BSOI/BESOI硅片直接硅片直接(zhji)(zhji)鍵合鍵合第34頁/共60頁第三十五頁，共61頁。SDBSDB特點(diǎn)特點(diǎn)(tdin)(tdin)SDBSDB的主要優(yōu)勢的主要優(yōu)勢 晶格失配產(chǎn)生的位錯(cuò)缺陷僅局限于鍵合界面區(qū)，不會(huì)遷移至器件晶格失配產(chǎn)生的位錯(cuò)缺陷僅局限于鍵合界面區(qū)，不會(huì)遷移至器件有源區(qū)而影響器件的性能，使不同材料之間的晶格失配問題

7、得到有源區(qū)而影響器件的性能，使不同材料之間的晶格失配問題得到很好的解決，很好的解決，位錯(cuò)密度大大減少。位錯(cuò)密度大大減少。鍵合界面原子級(jí)的結(jié)合不僅使器件具有良好的電學(xué)光學(xué)特性，鍵合界面原子級(jí)的結(jié)合不僅使器件具有良好的電學(xué)光學(xué)特性，還提供了還提供了足夠的鍵合強(qiáng)度足夠的鍵合強(qiáng)度，讓鍵合材料可以象單一晶體材料，讓鍵合材料可以象單一晶體材料一樣進(jìn)行解理和切磨拋光等機(jī)械加工。一樣進(jìn)行解理和切磨拋光等機(jī)械加工。構(gòu)思新穎，增加了器件構(gòu)思新穎，增加了器件( (特別是集成器件特別是集成器件) )設(shè)計(jì)的自由度，設(shè)計(jì)的自由度，簡簡化了現(xiàn)有工藝化了現(xiàn)有工藝。第35頁/共60頁第三十六頁，共61頁。SOI技術(shù)(jsh)第

8、36頁/共60頁第三十七頁，共61頁。Smart-cutSmart-cut的工藝的工藝(gngy)(gngy)原理原理第37頁/共60頁第三十八頁，共61頁。SOISOI技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)第38頁/共60頁第三十九頁，共61頁。SOISOI技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)（a a）氣泡生成、遷移、聚合（）氣泡生成、遷移、聚合（b b）注入硅片未）注入硅片未鍵合，產(chǎn)生砂眼、剝離（鍵合，產(chǎn)生砂眼、剝離（c c）注入硅片與）注入硅片與支撐片鍵合，從氣泡層整體剝離支撐片鍵合，從氣泡層整體剝離第39頁/共60頁第四十頁，共61頁。SOISOI技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)智能剝離技術(shù)完全可以脫離傳統(tǒng)

9、的硅智能剝離技術(shù)完全可以脫離傳統(tǒng)的硅/ /氧化硅氧化硅/ /硅這種硅這種SOISOI的固定模式，頂層、絕緣層和基體的類型都可以獨(dú)自改的固定模式，頂層、絕緣層和基體的類型都可以獨(dú)自改變，從而實(shí)現(xiàn)變，從而實(shí)現(xiàn)SOISOI材料的廣義定義，即絕緣體上半導(dǎo)體材料的廣義定義，即絕緣體上半導(dǎo)體- -semiconductor on insulator semiconductor on insulator 。 第40頁/共60頁第四十一頁，共61頁。SOI技術(shù)(jsh)第41頁/共60頁第四十二頁，共61頁。SOISOI技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)第42頁/共60頁第四十三頁，共61頁。1.SOI1.SOI制

10、備制備(zhbi)(zhbi)新技術(shù)新技術(shù)混混合過程合過程2 2）Silicon-on-Nothing (SON)Silicon-on-Nothing (SON)通過通過“空橋空橋”結(jié)構(gòu)在溝道下形成局結(jié)構(gòu)在溝道下形成局域的絕緣體上硅；域的絕緣體上硅；這是一個(gè)為小尺寸這是一個(gè)為小尺寸CMOSCMOS發(fā)展起來的發(fā)展起來的高級(jí)混合技術(shù)，很有潛力；高級(jí)混合技術(shù)，很有潛力；第43頁/共60頁第四十四頁，共61頁。2 2 不同絕緣埋層結(jié)構(gòu)不同絕緣埋層結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)的的SOISOI材料材料第44頁/共60頁第四十五頁，共61頁。3 3 不同不同(b tn)(b tn)半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的S

11、OISOI結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2 2）SSOISSOI（strained silicon on insulator,strained silicon on insulator,絕緣層上應(yīng)變硅）絕緣層上應(yīng)變硅）應(yīng)變應(yīng)變SiSi具有比體具有比體SiSi更高的電子和空穴遷移率；更高的電子和空穴遷移率；除了高載流子遷移率以及除了高載流子遷移率以及SOISOI器件共有的優(yōu)勢之外，它還具有三方面優(yōu)器件共有的優(yōu)勢之外，它還具有三方面優(yōu)點(diǎn)：點(diǎn)：（1 1）抑制由于空穴通過）抑制由于空穴通過SiGe pnSiGe pn結(jié)產(chǎn)生的浮體效應(yīng)結(jié)產(chǎn)生的浮體效應(yīng)（2 2）薄的）薄的SiGeSiGe層可以減少自加熱效應(yīng)；層可以減少自加熱

12、效應(yīng)；（3 3）可以減少）可以減少SiGeSiGe外延層的位錯(cuò)密度。外延層的位錯(cuò)密度。 第45頁/共60頁第四十六頁，共61頁。3 3 不同不同(b tn)(b tn)半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的SOISOI結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 第46頁/共60頁第四十七頁，共61頁。隔離方式隔離方式(fngsh)不同帶來不同帶來的差異的差異1 1）無閂鎖效應(yīng)（）無閂鎖效應(yīng)（latch-uplatch-up） 2 2）提高了集成度）提高了集成度3 3）提高了電路速度）提高了電路速度4 4）抗輻照能力強(qiáng)）抗輻照能力強(qiáng)第47頁/共60頁第四十八頁，共61頁。1.1.動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)閾值閾值MOSMOS器件（器

13、件（DTMOSDTMOS）第48頁/共60頁第四十九頁，共61頁。2.SOI2.SOI應(yīng)變應(yīng)變(yngbin)(yngbin)溝溝道道MOSMOS器件器件第49頁/共60頁第五十頁，共61頁。3.3.雙柵雙柵SOI MOSSOI MOS器件器件(qjin)(qjin)新型新型(xnxng)SOI MOS(xnxng)SOI MOS器器件件第50頁/共60頁第五十一頁，共61頁。4.4.多柵多柵SOI MOSSOI MOS器件器件(qjin)(qjin)第51頁/共60頁第五十二頁，共61頁。新型新型(xnxng)SOI MOS(xnxng)SOI MOS器件器件第52頁/共60頁第五十三頁，共

14、61頁。1. IBM1. IBM第53頁/共60頁第五十四頁，共61頁。2. AMD2. AMD第54頁/共60頁第五十五頁，共61頁。AMD 65nm Desktop Processor Roadmap 2006 Processor Socket Frequency L2 Cache Launch Date Athlon 64 4800+ AM22.4GHz2x1MB12/06Athlon 64 4600+AM22.4GHz2x512KB12/06Athlon 64 4400+AM22.2GHz2x1MB12/06Athlon 64 4200+AM22.2GHz2x512KB12/06第55

15、頁/共60頁第五十六頁，共61頁。3. Intel3. Intel第56頁/共60頁第五十七頁，共61頁。第57頁/共60頁第五十八頁，共61頁。1. Ibis Technology (1. Ibis Technology (美國美國(mi u)(mi u)2.Soitec(2.Soitec(法國法國) )成立于成立于19921992年，開始采用年，開始采用SIMOXSIMOX技術(shù)；技術(shù)；領(lǐng)先技術(shù)：領(lǐng)先技術(shù)：Smart-CutSmart-Cut（19961996年采用，受年采用，受8080多項(xiàng)專利保護(hù)）；多項(xiàng)專利保護(hù)）； 被被半導(dǎo)體國際半導(dǎo)體國際雜志評(píng)為雜志評(píng)為20022002年度最佳產(chǎn)品；年度最佳產(chǎn)品；尺寸：尺寸：100mm100mm、125mm125mm、150mm150mm、200mm200mm和和300mm 300mm 。薄膜薄膜SOISOI晶圓