场效应器件物理绪论

1、西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIAN UNIVERSITY XIDIAN UNIVERSITY 绪论绪论场效应器件物理场效应器件物理2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY2现代集成电路人才的知识结构现代集成电路人才的知识结构p物理知识：量子力学物理知识：量子力学固体物理固体物理半导体物理半导体物理半导体器件物理半导体器件物理p电路知识：数字电路电路知识：数字电路模拟电路模拟电路数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路p系统知识：信号与系统系统知识：信号与系统计算机体系结构，通信系统原理，信息处理计算机体系结构，

2、通信系统原理，信息处理p工艺知识：半导体工艺原理工艺知识：半导体工艺原理材料与封装材料与封装p工具知识：工具知识：Cadence/Synophsis/Mentor等开发出的等开发出的EDA软件工具软件工具 u逻辑电路级：逻辑电路级：VHDL 、Verilog HDL 硬件描述语言和分析综合工具硬件描述语言和分析综合工具u晶体管级：晶体管级：SPICE等电路分析工具等电路分析工具p半导体器件物理：半导体器件物理：u承上启下：有半导体材料知识基础，学习器件结构、原理、特性，承上启下：有半导体材料知识基础，学习器件结构、原理、特性，为器件、电路设计提供理论依据为器件、电路设计提供理论依据u考研和就业

3、笔试和面试必考的科目考研和就业笔试和面试必考的科目2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY3本课程要求本课程要求p听课要求听课要求 预习教材，记好记录预习教材，记好记录 注重概念原理，兼顾公式数据注重概念原理，兼顾公式数据p先期基础先期基础 半导体物理：能带论，载流子输运半导体物理：能带论，载流子输运 双极型器件物理：双极型器件物理：pn结结p教材教材 D.A Neamen 半导体物理与器件半导体物理与器件p参考书参考书 施敏施敏 半导体器件物理、半导体器件物理、 Richard S. Muller 集成电路器件电子学、集成电路器件电子学、 Robert F. Pierret 半导

4、体器件基础半导体器件基础 Chenming Calvin Hu现代集成电路半导体器件现代集成电路半导体器件p考核方式考核方式 平时成绩平时成绩20 考试考试 80 2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY4集成电路概况集成电路概况 定义定义（IC，Integrated Circuits）IC 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成集成”在一块半导体晶片上，并封装在一个外壳内，执行特定在一块半导体晶片上，并封装在一

5、个外壳内，执行特定电路或系统功能的微结构。电路或系统功能的微结构。2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY5集成电路概况集成电路概况 内部电路和版图内部电路和版图 酷睿酷睿2双核处理器双核处理器:65nm工艺，工艺，4.1亿亿MOSFET，1cm2pIC是元器件、互连线的集合是元器件、互连线的集合pIC的内部电路的内部电路u或简单或复杂的电路结构或简单或复杂的电路结构2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY6集成电路概况集成电路概况 制备制备 Wafer（晶圆）（晶圆）Chip（芯片）（芯片）pMoores Law：Intel公司创始人之一，公司创始人之一，Gorden

6、 E. Moore博士在研究博士在研究存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系预测存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系预测u半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番u1975年又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番年又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY716151413121110987654321019591960196119621963196419651966196719681969197019711972197319741975LOG2 OF THE NUMBER O

7、FCOMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION集成电路概况集成电路概况 发展：发展： 摩尔定律摩尔定律引自引自Electronics, April 19, 1965.Moore预测曲线的原始手稿预测曲线的原始手稿o实际发展规律：实际发展规律：u芯片上集成的晶体管数量，芯片上集成的晶体管数量，每隔每隔18个月翻一番个月翻一番u器件尺寸减小，晶圆尺寸增加。器件尺寸减小，晶圆尺寸增加。o“动态随机存储器动态随机存储器DRAM”和和“微处理器微处理器CPU”两大两大IC的发展，的发展，遵循了摩尔定律遵循了摩尔定律。2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY8集成电路概

8、况集成电路概况 发展：发展： 摩尔定律摩尔定律p特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小p单位面积晶体管数目越来越多单位面积晶体管数目越来越多p时钟频率越来越快时钟频率越来越快p布线层数越来越多布线层数越来越多p圆片面积越来越大圆片面积越来越大p 引脚数目（引脚数目（I/O引线）越来越多引线）越来越多p电源电压越来越低电源电压越来越低2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY9集成电路概况集成电路概况 发展：发展： 趋势趋势2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY10集成电路概况集成电路概况 发展：发展： 集成电路圆片集成电路圆片(Wafer)Intel Pentium 4Int

9、el XeonIntel ItaniumWafer（晶圆）（晶圆）Chip（芯片）（芯片）p追求大尺寸：追求大尺寸：u晶圆尺寸大，晶圆上的芯片数越来越多，产量高，成本低。晶圆尺寸大，晶圆上的芯片数越来越多，产量高，成本低。u300mm硅片相对于硅片相对于200mm硅片，直径为硅片，直径为1.5倍，面积为倍，面积为1.52=2.25倍，倍，芯片数为芯片数为2.64倍倍p晶圆尺寸越大，晶圆尺寸越大， 工艺要求高：晶圆生产离中心越远，易出现坏点。工艺要求高：晶圆生产离中心越远，易出现坏点。2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY11集成电路概况集成电路概况 发展：发展： 特征尺寸特征尺寸

10、p特征尺寸：特征尺寸：u芯片中最小线条宽度芯片中最小线条宽度 ，最小栅宽，最小栅宽u工艺技术水平的标志：特征尺寸由光刻精度决定工艺技术水平的标志：特征尺寸由光刻精度决定u由由um量级减小到了几十量级减小到了几十nm。2012年，年，22nmcpu已量产已量产u器件尺寸减小，单位面积芯片上的器件数越来越多，功能越来越强大器件尺寸减小，单位面积芯片上的器件数越来越多，功能越来越强大p2003年制造芯片的尺寸控制精度（年制造芯片的尺寸控制精度（180nm）已经达到头发丝直径的）已经达到头发丝直径的1万分万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到英里，偏离误差

11、不到1英寸！英寸！硅基硅基ICIC发展的可能极限发展的可能极限 u1nm是研究的极限：是研究的极限：1nm相当于相当于13个硅原子并排放在一起的尺度，再个硅原子并排放在一起的尺度，再往下就没有理论研究的意义了；往下就没有理论研究的意义了；u14nm是物理极限：量子效应已经很明显，会使器件无法工作，即使有是物理极限：量子效应已经很明显，会使器件无法工作，即使有新型器件结构出现，也将无法用于超大规模集成电路；新型器件结构出现，也将无法用于超大规模集成电路；u4nm是制造极限：工艺水平无法实现更小的尺寸需求，在这个极限以下是制造极限：工艺水平无法实现更小的尺寸需求，在这个极限以下就只能做理论研究，而

12、无法制作样品了；就只能做理论研究，而无法制作样品了；u9nm是成本效益的极限：这种器件即使能研制出来，它的成本已经超过是成本效益的极限：这种器件即使能研制出来，它的成本已经超过尺寸减小带来的好处，性价比下降，没有实用价值。尺寸减小带来的好处，性价比下降，没有实用价值。p目前目前14nm工艺已经量产，离工艺已经量产，离9nm的成本效益极限已经不远了。的成本效益极限已经不远了。o发展共识：发展共识：u单纯依靠尺寸的等比例缩小，不足以满足硅器件性能的持续增长单纯依靠尺寸的等比例缩小，不足以满足硅器件性能的持续增长u需引入元素周期表中的新元素，研发新结构，驱动器件性能提高需引入元素周期表中的新元素，研

13、发新结构，驱动器件性能提高2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY12关于距离量级的感性认识关于距离量级的感性认识o 微电子学：微电子学： 研究电子在半导体和研究电子在半导体和IC中的物理现象、物理规律，并致中的物理现象、物理规律，并致力于这些现象规律的应用，包括器件物理、器件结构、力于这些现象规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、测试封装等。材料制备、集成工艺、电路与系统设计、测试封装等。o 1m=102 cm=103mm=106um=109nm= 1010A= 1012pm= 1015fm2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY13

14、2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY14（FET：Field Effect Transistor只有一种载流子导电，又叫单极型）只有一种载流子导电，又叫单极型）uIGFET Insulator Gate FET uMISFET Metal- Insulated-Semiconductor FETuMOSFET Metal- Oxide -Semiconductor FET upn-JFET pn Junction FETuMESFET Metal-Semiconductor FET (Schottly Barrier Gate)场效应器件场效应器件概况概况 晶体管分类晶体管分类

15、栅）（异质结）半导体绝缘体（金属绝缘栅）晶体管电）电子和空穴同时参与导晶体管极：肖特基结MESFET结栅pn：JFET-pnHFETFETMISFET/MOS（IGFETFET场效应（BT型双晶体管FETFET2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY15pMOSFET中的半导体材料可以是中的半导体材料可以是Ge、 Si、GaAs，最成熟的是最成熟的是Si，氧化物材料对应，氧化物材料对应SiO2，MOSFET主要指主要指M-SiO2 Si FETpMOSFET是现今是现今IC的核心器件，用的最多，最广泛。的核心器件，用的最多，最广泛。 u数字数字IC:全是全是MOSFET结构简单，尺

16、寸小，芯片集成度高，功耗低，工艺规范结构简单，尺寸小，芯片集成度高，功耗低，工艺规范u模拟模拟IC:最先使用的是最先使用的是BT（因有高增益）（因有高增益）CMOS模拟集成电路发展越来越快：模拟集成电路发展越来越快：MOSFET尺寸缩小，工作速度在提高，尺寸缩小，工作速度在提高，MOS器件能在更高的频率下获得增益，可和双极器件相比拟；器件能在更高的频率下获得增益，可和双极器件相比拟；工艺和尺寸功耗方面优势明显，模拟工艺和尺寸功耗方面优势明显，模拟IC 中中MOS使用越来越普遍。使用越来越普遍。场效应器件场效应器件概况概况 晶体管分类：晶体管分类：MOSFET场效应器件概况场效应器件概况 场效应

17、场效应2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY16p第一个理想第一个理想FET：u半导体左右两端，利用半导体左右两端，利用M和和S欧姆接触引出欧姆接触引出AB电极，电极，u半导体上金属板引出半导体上金属板引出C控制电极控制电极pFET典型截面图：典型截面图：uMOSFET可看成电阻型沟道，若沟道电阻变化，可看成电阻型沟道，若沟道电阻变化，AB之间的电流就变之间的电流就变p基本工作原理：加在金属板上的电压调节下面半导体的电导基本工作原理：加在金属板上的电压调节下面半导体的电导（沟道电（沟道电阻）阻），从而实现对，从而实现对AB两端的电流控制。两端的电流控制。p场效应：加在半导体表面上

18、的垂直电场调制半导体电导率的现象。场效应：加在半导体表面上的垂直电场调制半导体电导率的现象。场效应器件发展场效应器件发展 JFET2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY17pFET中最先发展起来的是中最先发展起来的是JFET：uJFET工艺与双极型晶体管工艺兼容工艺与双极型晶体管工艺兼容u1955年，成功制备年，成功制备BT后，制备出了后，制备出了JFETpJFET：pn结代替了金属平板，结代替了金属平板，A、B变为源漏，场效应电极称为栅。变为源漏，场效应电极称为栅。p基本工作原理：上下耗尽区之间为导电沟道。通过改变基本工作原理：上下耗尽区之间为导电沟道。通过改变pn结偏压，结偏

19、压，改变改变pn结耗尽层厚度，改变沟道区的电导，控制输出电流。结耗尽层厚度，改变沟道区的电导，控制输出电流。场效应器件发展场效应器件发展 MOSFET 2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY18pMOSFET发展比发展比JFET滞后：滞后：u工艺问题，无法生长高质量的氧化层介质薄膜工艺问题，无法生长高质量的氧化层介质薄膜u60年代，高质量绝缘介质薄膜制作成功，年代，高质量绝缘介质薄膜制作成功，MOSFET进入使用阶段进入使用阶段p60年代生产出的年代生产出的MOSFET:u具有热生长的具有热生长的SiO2绝缘层栅、源、漏三电极，绝缘层栅、源、漏三电极， 与衬底掺杂类型相反的与衬底

20、掺杂类型相反的SD区区pMOSFET结构简单，尺寸小，功耗低，是现今结构简单，尺寸小，功耗低，是现今IC的核心器件的核心器件场效应器件发展场效应器件发展 MESFET2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY19p MESFET：u 肖特基栅肖特基栅FET，66年发明年发明u 半导体材料一般为半导体材料一般为GaAs电子迁移率比电子迁移率比Si大大5倍，峰值漂移速度比倍，峰值漂移速度比Si大大1倍，速度快倍，速度快u 常作超高频应用。常作超高频应用。场效应器件发展场效应器件发展 CMOS2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY20pCMOS电路：电路：u20世纪世纪80年

21、代发展起来年代发展起来p电路逻辑由电路逻辑由P沟和沟和N沟沟MOSFET共同完成共同完成u由于由于PMOS与与NMOS在特性上为互补性在特性上为互补性u具有低功耗及全摆幅等优点，应用比较广泛具有低功耗及全摆幅等优点，应用比较广泛场效应器件发展场效应器件发展 HEMT2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY21pHEMT：u1980年发明年发明u利用异质结形成的二维电子气，作为沟道，利用异质结形成的二维电子气，作为沟道，把导电的多数载流子与电离的杂质分离把导电的多数载流子与电离的杂质分离 载流子受电离杂质散射载流子受电离杂质散射迁移率迁移率u开关速度快，截止频率高，在高频领域正得到广

22、泛的应用开关速度快，截止频率高，在高频领域正得到广泛的应用场效应器件发展场效应器件发展 DMOS（LDMOS+VDMOS）2022-6-15XIDIAN UNIVERSITY22pDMOS：uDouble Diffusion 双扩散双扩散MOSFETu功率功率MOSFET：高电压大电流应用：高电压大电流应用pLDMOS：在沟道和漏之间增加了一个较长在沟道和漏之间增加了一个较长的低浓度的低浓度N漂移区，器件耐压增加漂移区，器件耐压增加pVDMOS：电子从源极穿过水平沟道，经过栅电子从源极穿过水平沟道，经过栅极下面的积累层，极下面的积累层， 再通过垂直再通过垂直N-漂漂移区流到漏极。移区流到漏极。

23、场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件12022-6-15XIDIAN UNIVERSITY23pintel公司微处理器的发展代表了晶体管新材料和新结构的发展公司微处理器的发展代表了晶体管新材料和新结构的发展u应变硅应变硅(Strained Silicon)技术（技术（90nm开始）开始）uHigh-K和金属栅极（和金属栅极（45nm开始）开始） u三栅三栅3-D晶体管（晶体管（22nm开始）开始）场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件22022-6-15XIDIAN UNIVERSITY24p应变硅应变硅(Strained Silicon)技术（技术（90nm开始）开始）u 在原子间

24、距大的锗硅上外延一层薄的原子间距小的硅在原子间距大的锗硅上外延一层薄的原子间距小的硅u 硅原子在锗原子之间力的作用下发生应变，在平行衬硅原子在锗原子之间力的作用下发生应变，在平行衬底平面的方向扩张了原子间距，因而称为底平面的方向扩张了原子间距，因而称为“应变硅应变硅”p 载流子载流子u及饱和速度均增加：及饱和速度均增加：u 提高了晶体管的电流强度、运行速度、芯片工作频率提高了晶体管的电流强度、运行速度、芯片工作频率p 测试显示：测试显示：u 电子在应变硅材料中的流动速度要比在非应变硅中快电子在应变硅材料中的流动速度要比在非应变硅中快70%u 制成芯片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快制成芯

25、片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快35%p 应变硅是满足应变硅是满足65nm以下工艺要求的一种高端硅基新材料以下工艺要求的一种高端硅基新材料 场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件32022-6-15XIDIAN UNIVERSITY25pHigh-K和金属栅极（和金属栅极（45nm开始）开始）p60nm工艺，工艺，CMOS的的SiO2厚度厚度=1.2nmu隧穿电流非常严重，隧穿电流非常严重，103A/CM2,u1mm2这样的薄栅氧，芯片的栅泄漏电流达到这样的薄栅氧，芯片的栅泄漏电流达到10A，电池很快耗尽，电池很快耗尽p45nm采用采用高高K新材料新材料+金属栅金属栅技术技术u栅极

26、高栅极高k绝缘介质，可提高栅极电容绝缘介质，可提高栅极电容u铪基材料铪基材料HfO2，相对介电常数相对介电常数24，是，是SiO2的的6倍：倍：一一6nm厚的厚的HfO2产生的电容相当于产生的电容相当于1nm的的SiO2uHigh-K材料与多晶硅与栅兼容性差：材料与多晶硅与栅兼容性差：用硅化金属电极用硅化金属电极 (Metal Gate)取代多晶硅。取代多晶硅。TiNp45nm高高k +金属栅金属栅制程技术，跟制程技术，跟65nm工艺相比，工艺相比，u将晶体管数量提高近将晶体管数量提高近2倍，产品面积小了倍，产品面积小了25%，场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件42022-6-15XI

27、DIAN UNIVERSITY26p22nm工艺，采用了三栅工艺，采用了三栅3D晶体管，器件结构有了新突破晶体管，器件结构有了新突破u三栅结构比平面栅结构多了两个栅电极，三栅结构比平面栅结构多了两个栅电极，u每一栅都控制硅表面的一部分，三个栅电极都用来控制沟道电流每一栅都控制硅表面的一部分，三个栅电极都用来控制沟道电流u栅对沟道的静电控制增强栅对沟道的静电控制增强场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件52022-6-15XIDIAN UNIVERSITY27p衬底的变化：衬底的变化：u体硅体硅CMOSuSOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅），绝缘衬底上的硅）CM

28、OS： 可实现可实现IC中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS闩锁效应闩锁效应u应变硅技术：应变硅技术： 提高晶体管的电流强度、运行速度、芯片工作频率提高晶体管的电流强度、运行速度、芯片工作频率 场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件62022-6-15XIDIAN UNIVERSITY28p栅的变化：栅的变化：u栅材料：栅材料： SiO2+Al栅，栅，SiO2+poly-Si栅栅,高高K栅介质栅介质+金属栅金属栅u栅的结构：单栅器件，三栅器件；围栅器件栅的结构：单栅器件，三栅器件；围栅器件p 围栅围栅MOSFET：u 栅环绕着一个柱形硅条，整个沟道区被栅极完全包围，栅环绕着一个柱形硅条，整个沟道区被栅极完全包围，u 栅控能力大大增强，有效抑制了短沟道效应和泄漏电流栅控能力大大增强，有效抑制了短沟道效应和泄漏电流场效应器件发展场效应器件发展 新器件新器件72022-6-15XIDIAN UNIVERSITY29p器件新结构、新材料的出现，使得摩尔定律继续发展器件新结构、新材料的出现，使得摩尔定律继续发展p大量研发工作需进行：大量研发工作需进行：u 加工工艺层次：如光刻技术、互连技术等、加工工艺层次：如光刻技术、互连技术等、u 电