新型硅基集成微電子及光電子材料課件

主要內(nèi)容微電子的發(fā)展規(guī)律與現(xiàn)狀0.13微米以下面臨的問題及可能的解決辦法高K介質(zhì)材料緩沖層或隔離層材料

Si基發(fā)光材料工作設(shè)想1主要內(nèi)容微電子的發(fā)展規(guī)律與現(xiàn)狀1一.微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律及現(xiàn)狀Moore定律

等比例縮小(Scaling-down)定律2Moore定律

等比例縮小(Scaling-down)定律2自發(fā)明以來，IC芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小倍。這就是Intel公司創(chuàng)始人之一G.E.Moore1965年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律。微電子技術(shù)發(fā)展的ROADMAP3自發(fā)明以來，IC芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮Moore定律1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一G.E.Moore預言IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小倍4Moore定律1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一G.E.Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲器容量60%/年

每三年，翻兩番1965年，G.Moore預測半導體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番5Moore定律10G1970198019902000201微處理器的性能100G10G1G100M10M1MKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro6微處理器的性能100G1970 1980 1990 200IC技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)7IC技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)7Moore定律

性能價格比在過去的20年中，改進了1,000,000倍在今后的20年中，還將改進1,000,000倍Moore定律

性能價格比在過去的20年中，改進IC類型(按器件結(jié)構(gòu)分)雙極型IC：主要由雙極三極管構(gòu)成NPN型PNP型MOS型IC：主要由MOS三極管構(gòu)成NMOSPMOSCMOS雙極-MOS(BiMOS)型IC：綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復雜目前，采用CMOS工藝制作的IC器件占總數(shù)的90%以上優(yōu)點是速度高、驅(qū)動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高9IC類型(按器件結(jié)構(gòu)分)雙極型IC：主要由雙極三極管構(gòu)成優(yōu)點1010我國年微電子發(fā)展情況上海中芯國際：8英寸，0.25微米上海宏力:

8英寸，0.25微米北京華夏半導體:8英寸，0.25微米天津Motorola:8英寸，0.25微米上海貝嶺:華虹NEC：11我國年微電子發(fā)展情況上海中芯國際：8英寸，0.25微米11我國微電子發(fā)展情況（南昌）晶湛科技有限公司國內(nèi)第六條8英寸生產(chǎn)線

江西聯(lián)創(chuàng)光電公司國家“銦鎵氮LED外延片、芯片產(chǎn)業(yè)化”示范工程企業(yè)，國家半導體照明工程產(chǎn)業(yè)化南昌基地核心企業(yè)晶能（LatticePower）公司硅基藍光LED生產(chǎn)線12我國微電子發(fā)展情況（南昌）晶湛科技有限公司1221世紀初葉是我國微電子產(chǎn)業(yè)的黃金時期!我國年微電子發(fā)展展望13我國年微電子發(fā)展展望13微電子的特點微電子中的空間尺度以

m和納米nm為單位。微電子學是信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學科,它以實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的。同時,微電子學也是一門綜合性很強的學科涉及了固體物理學、量子力學、熱力學與統(tǒng)計物理學、材料科學、電子線路、信號處理、計算機輔助設(shè)計、測試與加工、圖論、化學等多個學科微電子有很強的滲透性，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，例如微機電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等14微電子的特點微電子中的空間尺度以m和納米nm為單位。14等比例縮小定律1974年由Dennard提出基本指導思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場不變：恒定電場規(guī)律（CE律）等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導和減少負載電容，提高集成電路的性能電源電壓也要縮小相同的倍數(shù)15等比例縮小定律1974年由Dennard提出15CE律的問題閾值電壓不可能縮的太小源漏耗盡區(qū)寬度不可能按比例縮小電源電壓標準的改變會帶來很大的不便16CE律的問題閾值電壓不可能縮的太小16恒定電壓等比例縮小規(guī)律(CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對其它參數(shù)進行等比例縮小。17恒定電壓等比例縮小規(guī)律(CV律)17準恒定電場定律（QCE律）CE律和CV律的折中，20世紀采用的最多隨著器件尺寸的進一步縮小，強電場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進一步縮小的規(guī)則，電源電壓必須降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例器件尺寸將縮小

倍，而電源電壓則只變?yōu)樵瓉淼?/p>

/

倍18準恒定電場定律（QCE律）181919特征尺寸繼續(xù)等比例縮小IC發(fā)展成為片上系統(tǒng)(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)業(yè)和新的學科，例如MEMS、DNA芯片等21世紀微電子技術(shù)的

三個發(fā)展方向20特征尺寸繼續(xù)等比例縮小21世紀微電子技術(shù)的

三個發(fā)展方向20微細加工技術(shù)目前0.18

m和0.13

m已開始進入大生產(chǎn)在90nm-65nm階段，最關(guān)鍵的加工工藝—光刻技術(shù)還是一個大問題，尚未完全解決二.特征尺寸縮小到0.13

m以下面臨的問題21微細加工技術(shù)二.特征尺寸縮小到0.13m以下面臨的問題21互連技術(shù)

銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)代中使用；但是在0.13um以下，銅互連與低介電常數(shù)絕緣材料共同使用時的可靠性問題還有待研究開發(fā)22互連技術(shù)22

新結(jié)構(gòu)與新材料新型器件結(jié)構(gòu)新型材料體系高K介質(zhì)金屬柵電極低K介質(zhì)23新結(jié)構(gòu)與新材料23

傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)

重摻雜多晶硅SiO2

硅化物經(jīng)驗關(guān)系:L

ToxXj1/3柵介質(zhì)的限制24傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)重摻雜多晶硅SiO2

隨著

d

的縮小，柵漏電流呈指數(shù)性增長超薄柵氧化層柵氧化層的勢壘直接隧穿的泄漏電流d

d限制：3~2nm柵介質(zhì)的限制25隨著d的縮小，柵漏電流呈指數(shù)性增長超薄柵氧化層柵氧化層柵介質(zhì)的限制

等效柵介質(zhì)層的總厚度：

Dox>1nm+d柵介質(zhì)層

Dox

d多晶硅耗盡

d柵介質(zhì)層

d量子效應++

由多晶硅耗盡效應引起的等效厚度:d多晶硅耗盡

~

0.5nm

由量子效應引起的等效厚度:d量子效應~0.5nm

結(jié)論：等效柵介質(zhì)層的總厚度無法小于1nm26柵介質(zhì)的限制等效柵介質(zhì)層的總厚度：Dox>隨著器件縮小致亞50納米尋求介電常數(shù)大的高K材料來替代SiO2SiO2無法適應器件的要求柵介質(zhì)的限制SiO2(

＝3.9)SiO2/Si界面硅基IC的基石之一使微電子產(chǎn)業(yè)高速和持續(xù)發(fā)展27隨著器件縮小致亞50納米尋求介電常數(shù)大的高K材料來替代SiO隧穿效應SiO2的性質(zhì)柵介質(zhì)層Tox<1納米量子隧穿模型高K介質(zhì)?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)?電子輸運的渡越時間～碰撞時間介觀物理的輸運理論?溝道長度L<50納米柵介質(zhì)層L源漏柵Doxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

新一代小尺寸器件問題帶間隧穿反型層的量子化效應電源電壓1V時，柵介質(zhì)層中電場約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應的器件模型?…...可靠性28隧穿效應柵介質(zhì)層Tox量子隧穿模型?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜高K介質(zhì)：是介電常數(shù)比SiO2大的介質(zhì)材料。當作為“MOS”結(jié)構(gòu)的柵介質(zhì)材料時，要求：禁帶寬度足夠大（Eg大于5eV）

與Si之間可以形成良好的界面成分不太復雜，容易用IC兼容的工藝制備三.高K介質(zhì)29高K介質(zhì)：是介電常數(shù)比SiO2大的介質(zhì)材料。當作為“MOS”高k介質(zhì)材料已經(jīng)成為各大半導體公司的熱門研究課題，一般認為氮氧化物可望成為新的柵介質(zhì)材料，但到目前為止，還沒有找到能夠替代SiO2的理想高k介質(zhì)材料。

30高k介質(zhì)材料已經(jīng)成為各大半導體公司的熱門研究課題，一般認為氮是典型的高K介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到105鐵電材料：在居里溫度以下具有自發(fā)極化、且自發(fā)極化能夠隨外電場反向而反向（即電極化與外電場之間呈現(xiàn)電滯回線）的壓電材料

鐵電材料31是典型的高K介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到105鐵電材料31普通電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比較32普通電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比較32鐵電材料：在非揮發(fā)存儲器、紅外探測器、電光開關(guān)、MEMS器件及非線性光學等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。目前被廣泛研究的是：分子式為ABO3、具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，如BaTiO3(BT),

Pb(Zr,Ti)O3(PZT),(Ba,Sr)TiO3(BST)

等。33鐵電材料：在非揮發(fā)存儲器、紅外探測器、電光開關(guān)、MEMS器件3434是典型的高K介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到105鐵電材料：在居里溫度以下具有自發(fā)極化、且自發(fā)極化能夠隨外電場反向而反向（即電極化與外電場之間呈現(xiàn)電滯回線）的壓電材料

禁帶寬度足夠大（Eg大于5eV）

與Si之間可以形成良好的界面成分不太復雜，容易用IC兼容的工藝制備鐵電材料35是典型的高K介質(zhì)：介電常數(shù)為幾十到105鐵電材料35本人工作：

利用磁控濺射沉積工藝

在Si基上制備PZT鐵電薄膜36本人工作：

利用磁控濺射沉積工藝

在Si基上制備PZT鐵電薄373738383939404041414242當IC的特征尺寸減小到100nm以下時，有關(guān)膜層的厚度僅有幾個到幾十nm，這時膜層間的擴散問題變的嚴重！需要合適的隔離層四.緩沖/隔離層材料在Si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，則必須制作緩沖層！前面已經(jīng)介紹LNO43當IC的特征尺寸減小到100nm以下時，有關(guān)膜層的厚度僅有幾TiNx的主要特性高硬度高熔點（2930－2950℃）導電性：半導體—導體，隨組分變化顏色：金黃色(隨組分變化)具有較好的耐腐蝕性44TiNx的主要特性高硬度44TiNx的組分與結(jié)構(gòu)X在0.6－1.2之間都能形成穩(wěn)定相主要有：立方相TiN

六方相Ti4N3

四方相Ti2N45TiNx的組分與結(jié)構(gòu)X在0.6－1.2之間都能形成穩(wěn)定相45TiN薄膜的制備方法CVD法反應濺射法46TiN薄膜的制備方法CVD法464747No：0627－1Tsub＝460℃48No：0627－1Tsub＝460℃48No：0701－1Tsub＝480℃49No：0701－1Tsub＝480℃4950505151Si在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對主導地位至今為止，Si在光電子領(lǐng)域沒有得到應有的應用。Si是間接帶隙半導體，不發(fā)光。Si光電二極管/Si光/Si太陽能電池但是，利用成熟的硅IC工藝，實現(xiàn)Si基集成發(fā)光的努力從來就沒有停止。五.硅基光電子材料52Si在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對主導地位五.硅基光電子材料525353Si在微電子