新型硅基集成微電子及光電子材料學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1新型新型(xnxng)硅基集成微電子及光電子硅基集成微電子及光電子材料材料第一頁，共60頁。微電子的發(fā)展規(guī)律與現(xiàn)狀微電子的發(fā)展規(guī)律與現(xiàn)狀0.13微米以下面臨的問題及可能微米以下面臨的問題及可能(knng)的解的解決辦法決辦法高高K介質(zhì)材料介質(zhì)材料緩沖層或隔離層材料緩沖層或隔離層材料 Si基發(fā)光材料基發(fā)光材料工作設(shè)想工作設(shè)想第1頁/共60頁第二頁，共60頁。第2頁/共60頁第三頁，共60頁。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，而加工特征尺寸縮加工特征尺寸縮小小 倍。這就是倍。這就是Intel公司公司(n s)創(chuàng)始人之一創(chuàng)始人之一G. E.

2、Moore 1965年總結(jié)的規(guī)律，年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律被稱為摩爾定律。2 2 2 22微電子技術(shù)微電子技術(shù)(jsh)發(fā)展的發(fā)展的ROADMAP第3頁/共60頁第四頁，共60頁。2第4頁/共60頁第五頁，共60頁。Moore定律定律(dngl)10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存儲器容量存儲器容量(rngling) 60%/年年 每三年，每三年，翻兩番翻兩番1965年，年，G. Moore 預(yù)測預(yù)測(yc)半導(dǎo)體芯片上的晶體管半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番數(shù)目每兩年翻兩番第5頁/共60頁第六頁，共60頁。

3、微處理器的性能微處理器的性能(xngnng)100 G10 G1 G100 M10 M1 MKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance (PAPMooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% Growth第6頁/共60頁第七頁，共60頁。IC技術(shù)是近技術(shù)是近50年來年來(ninli)發(fā)展最快的技術(shù)發(fā)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(jì)計(jì)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）5303

4、0060集集成成度度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$100.310-6107第7頁/共60頁第八頁，共60頁。第8頁/共60頁第九頁，共60頁。10第9頁/共60頁第十頁，共60頁。11第10頁/共60頁第十一頁，共60頁。12第11頁/共60頁第十二頁，共60頁。13第12頁/共60頁第十三頁，共60頁。14我國年微電子發(fā)展我國年微電子發(fā)展(fzhn)展望展望第13頁/共60頁第十四頁，共60頁。15學(xué)等多個學(xué)科n微電子有很強(qiáng)的滲透性，它可以是與其他技術(shù)結(jié)合而誕生出

5、一系列新的產(chǎn)物，例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等第14頁/共60頁第十五頁，共60頁。第15頁/共60頁第十六頁，共60頁。第16頁/共60頁第十七頁，共60頁。第17頁/共60頁第十八頁，共60頁。(diny)則只變?yōu)樵瓉淼?倍第18頁/共60頁第十九頁，共60頁。第19頁/共60頁第二十頁，共60頁。21世紀(jì)微電子技術(shù)的世紀(jì)微電子技術(shù)的三個發(fā)展三個發(fā)展(fzhn)方向方向第20頁/共60頁第二十一頁，共60頁。第21頁/共60頁第二十二頁，共60頁。第22頁/共60頁第二十三頁，共60頁。 新結(jié)構(gòu)與新材料新結(jié)構(gòu)與新材料新型器件結(jié)構(gòu)新型器件結(jié)構(gòu)新型材料體系新型材料體系(tx)(tx)高

6、高K K介質(zhì)介質(zhì)金屬柵電極金屬柵電極低低K K介質(zhì)介質(zhì)第23頁/共60頁第二十四頁，共60頁。 傳統(tǒng)傳統(tǒng)(chuntng)的柵結(jié)構(gòu)的柵結(jié)構(gòu) 重?fù)诫s重?fù)诫s(chn z)多晶硅多晶硅SiO2 硅化物硅化物 經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)(jngyn)關(guān)系關(guān)系: LTox Xj1/3對對柵柵介介質(zhì)質(zhì)層層的的要要求求 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 等等效效柵柵氧氧化化層層厚厚度度 (nm) 45 23 23 1.52 1.5 1.0 柵介質(zhì)的限制柵介質(zhì)的限制第24頁/共60頁第二十五頁，共60頁。 隨著隨著 d

7、 的縮小，柵漏電流呈指的縮小，柵漏電流呈指數(shù)數(shù)(zhsh)性增長性增長超薄柵氧化超薄柵氧化(ynghu)層層?xùn)叛趸瘜拥膭輭緰叛趸瘜拥膭輭局苯铀泶┑男孤╇娏髦苯铀泶┑男孤╇娏鱠 d限制限制(xinzh)： 3 2 nm第25頁/共60頁第二十六頁，共60頁。 Dox d多晶硅多晶硅耗盡耗盡( h o jn) d柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層 d量子效應(yīng)量子效應(yīng) : : d多晶硅耗盡多晶硅耗盡 0.5nm d量子效應(yīng)量子效應(yīng) 0.5nm 第26頁/共60頁第二十七頁，共60頁。隨著器件縮小隨著器件縮小(suxio)(suxio)致致亞亞5050納米納米SiO2無法適應(yīng)無法適應(yīng)(shyng)器件的要器件的要求求柵

8、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)高速和持業(yè)高速和持續(xù)發(fā)展續(xù)發(fā)展第27頁/共60頁第二十八頁，共60頁。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(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)新型柵結(jié)構(gòu)? ?電子輸運(yùn)的電子輸運(yùn)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(yùn)理論輸運(yùn)理論? ?溝道長度溝道長度 L50納米納米柵介質(zhì)柵介質(zhì)(jizh)層層L源源漏漏柵柵Doxp

9、 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考慮量子化效應(yīng)考慮量子化效應(yīng)的器件模型的器件模型? ? .可靠性可靠性第28頁/共60頁第二十九頁，共60頁。30第29頁/共60頁第三十頁，共60頁。31第30頁/共60頁第三十一頁，共60頁。32第31頁/共60頁第三十二頁，共60頁。33普通普通(ptng)電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比較較介質(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

10、通電介質(zhì)電場極化無無無壓電體電場極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）有第32頁/共60頁第三十三頁，共60頁。34目前被廣泛研究的是：目前被廣泛研究的是： 分子式為分子式為ABO3ABO3、具有、具有(jyu)(jyu)鈣鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，如鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，如BaTiO3 (BT), BaTiO3 (BT), Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), (Ba, Sr)TiO3 (BST) (Ba, Sr)TiO3 (BST) 等等 。第33頁/共60頁第三十四頁，共60頁。35第

11、34頁/共60頁第三十五頁，共60頁。36n成分不太復(fù)雜， 容易用IC兼容的工藝制備第35頁/共60頁第三十六頁，共60頁。37第36頁/共60頁第三十七頁，共60頁。38第37頁/共60頁第三十八頁，共60頁。39第38頁/共60頁第三十九頁，共60頁。40第39頁/共60頁第四十頁，共60頁。41第40頁/共60頁第四十一頁，共60頁。42第41頁/共60頁第四十二頁，共60頁。43第42頁/共60頁第四十三頁，共60頁。44 在在SiSi上制作其它需要晶體材料時，如果兩上制作其它需要晶體材料時，如果兩者晶格常數(shù)有較大的差異，則必須者晶格常數(shù)有較大的差異，則必須(bx)(bx)制作緩沖層！

12、制作緩沖層！ 前面已經(jīng)介紹前面已經(jīng)介紹LNOLNO第43頁/共60頁第四十四頁，共60頁。45第44頁/共60頁第四十五頁，共60頁。46第45頁/共60頁第四十六頁，共60頁。47第46頁/共60頁第四十七頁，共60頁。48第47頁/共60頁第四十八頁，共60頁。49No：06271 Tsub460第48頁/共60頁第四十九頁，共60頁。50No：07011 Tsub480第49頁/共60頁第五十頁，共60頁。5120253035404550556065050010001500(111)(220)(200)Sample: 0627-2 Tsub=455 c-TiNIntensity /a.u.2 /Degree第50頁/共60頁第五十一頁，共60頁。52152025303540455055606502004006008001000(220)(111)Sample: 0701-1 TiNIntensity /a.u.2 /Degree第51頁/共60頁第五十二頁，共60頁。53現(xiàn)(shxin)Si基集成發(fā)光的努力從來就沒