横向高压器件设计新技术及5nm后CMOS关键技术

横向高压器件设计新技术及45nm后CMOS关键技术

报告人：段宝兴

西电微电子学院

2013.9报告内容微电子学器件的主要研究内容；超大规模集成电路CMOS关键技术；半导体功率器件概述及发展方向；横向高压器件设计新技术；互动讨论。半导体科学与技术半导体科学与技术引发了现代科技许多领域革命性的变革和进步；它是计算机、通信和网络技术的基础和核心，已经成为与国民经济发展、社会进步及国家安全密切相关的、重要的科学技术；半导体科技与人们的日常生活息息相关，产生巨大经济效益的同时，大大提高了人们的生活质量；集成电路综合了电子、信息、材料、物理、化学和数学等各门学科的精髓；发展速度非常惊人！促使信息、通信和计算机领域发生着巨大变革，已经使半导体成为一个国家科学技术的“基石”。半导体科学与技术西安交通大学姚熹院士：“微电子的发展即使从事本领域研究的专家都很难预测其发展的结果和节点！”台湾大学郭振邦IEEEFellow：“微电子学科是一个机器制造机器的领域！”电子科技大学陈星弼院士：“半导体学科是诺贝尔得奖人数最多的领域（三十多位！）”西安电子科技大学郝跃教授：“微电子不微！”与其他学科的交叉融合促使其他学科现代化、信息化!

第一次电子产业革命：晶体管的发明；

期待中的第二次电子产业革命：“功率集成系统的普及”微电子学的研究内容光电信息学（InformationTechnology-IT)光电能量学（EnergyTechnology-ET)光电半导体照明电—光半导体太阳电池光—电半导体功率器件粗电—细电↙↘↙↘↓信息技术的三大分支：存储、处理(信息+能量)、显示两大电子学能否相互借鉴？功率电子学借鉴信息电子学？：1、功率集成（PIC、PSOC）；2、工艺尺寸越来越靠近大规模集成电路；3、利用大规模集成电路新材料、新工艺、新技术信息电子学借鉴功率电子学？：1、利用功率电子学处理功率思想和技术降低功耗；2、大规模集成电路ESD保护设计利用功率技术功率电子(光电能量学)信息电子学(光电信息学)←高压大电流高频低功耗高集成高频→

→

←相互借鉴？？微电子学的研究内容“一个”核心：应用是发展的动力源“两种”问题：材料：扩展态与局域态；器件：PN结系统与MIS系统；电路：开关与放大等等。。。“三大”专业知识：电路、器件、工艺（“CDP”）基本工艺：CMOS、BiCMOS、BCD、化合物半导体工艺、宽禁带半导体工艺等“四大“技术分工：设计、制造、测试、封装

基本研究对象“电荷”

固定（“空间电荷”）

电荷的分布电荷的状态可动

电荷的变化（压力、温度、电磁场…….）电荷的变化反映出“微电子器件系统”的基本问题：“电容问题！”“微电子器件系统”的基本“三大”方程围绕“电荷”{{电荷的连续性方程电荷形成电势、电场的“泊松方程”电荷表现的“电流密度”方程↔

↔

微电子学器件研究内容微电子学器件研究内容半导体物理“一个担子担两头”供材料专家获得新的材料或提高材料“质量”对材料

对于特定材料，通过材料工程提高材料“质量”供器件专家开发新的器件或提高器件特性对器件

对于特定器件，通过器件设计提高器件特性

器件设计半导体材料半导体工艺新结构设计建模分析↔

↔

↕

↕

{

{

半导体物理↔

↔

微电子学器件研究内容器件设计“一个担子担两头”要求材料专家提高材料“质量”对材料

在一定材料质量条件下，通过器件设计提高器件特性要求工艺师开发“新工艺”对工艺

在一定工艺条件下，通过器件设计提高器件特性

SOI“传奇而悲哀！”Bipolar到CMOS

（材料、模型复杂）（Bipolar模型复杂）器件设计半导体材料半导体工艺新结构设计建模分析↔

↔

↕

↕

{

{

微电子学器件的发展（个人）（1）理论方面：从“结”到“点”“场的理论”“库伦阻塞”（传统器件）（单电子器件）半导体硅中载流子的弛豫时间~ps级，平均自由程~10nm

下一代10nm尺寸将没有载流子的碰撞，运动为弹道输运。（Intel第三代Corei处理器已经使用了22nm技术）（2）工艺方面：从“Moore’sLaw”到“LawofMore”

（传统模型）（量子模型）（3）应用方面：从“单一”到“集成”（微电子器件、（力、热、光、电磁光电子器件）（光电集成）大功能集成）（4）………………→

→

→

微电子专业主要课程量子力学固体物理半导体物理半导体器件集成电路设计集成电路制造功率器件半导体太阳电池。。。。。↑↑↑↑晶体管原理CMOS器件学习CMOS不忘Bipolar:1.CMOS寄生NPN;2.BiCMOS=Bipolar+CMOS3.可控硅、NPN功率管4.BCD=CMOS+Bipolar+DMOS1、阅读国外最优秀教材2、真正理解直到定量3、只需1-2本书微电子专业主要课程CMOS关键技术2008年IEDMshortcourseCMOS关键技术2008年IEDMshortcourseCMOS关键技术CMOS关键技术CMOS关键技术CMOS关键技术CMOS涉及的三种材料关系已在现代微电子研究中必须细化！MOS或（MIS）中包含了对：金-金；半-半；氧-氧；金-半；氧-半五种接触情况的细化研究。

金-金（多层金属栅）

半-半（pn,npn,JFET）

氧-氧（多层介质栅）MOS(MIS)CMOS关键技术世界上最小的MOS晶体管来源:HitoshiWakabayashi,et.al.,ProceedingofIEDM,20-7,2003.(CopyrightIEEE)

~45nm之前Moore’sLaw

~45nm之后

LawofMore→CMOS关键技术MOS：结构简单（简单就是美）、对称，所以容易集成和大规模化；Bipolar:很早获小基区宽度(14nm)，物理模型复杂，不宜集成和大规模化栅工程沟道工程衬底工程→→→CMOS关键技术→SOI/GOI技术

——衬底工程?CMOS关键技术→SOI/GOI技术

——衬底工程缺点：1.超薄SOI（全耗尽SOI-FDSOI）材料均匀性差；2.SOI器件的Spice（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）模型不成熟。(浮体、自热、Kink等缺点)使得：1.计划投产SOI的公司改变方案或小公司破产；2.SOI器件的应用强辐照（核电站和航空航天）+超高速领域+“CMOS可靠性研究反例”CMOS关键技术→应变硅技术

——沟道工程沟道工程中的应变硅技术可以在尺寸缩小的同时提高沟道硅材料的迁移率以增加漏端的电流而使速度提高。技术途径：（1）缩小尺寸；（2）采用GaAs等化合物半导体；（3）基于Si工艺，如何进一步提高迁移率？ 特别，如何提高CMOS中的p-MOSFET性能？

FET-IC的主要矛盾：（1）信号传输延迟时间τd∝CL/(μVm)，

（

CL是门的输出电容，Vm是逻辑电压摆幅，μ是载流子迁移率）；（2）开关能量E=Pdτd≈CLVm2/2。

（

Pd是门的功耗）。缩短τd要求增大Vm

，而减小E要求降低Vm

；解决办法：增大μ来缓和这种矛盾

→沟道结构工程

→调制掺杂异质结（对化合物半导体较合适）CMOS关键技术→应变硅技术

——沟道工程空穴迁移率与温度的关系GeSi-MOSFET的结构常规MOSTGeSi-MOSTGeSiCMOS关键技术→SOI/GOI技术

——沟道工程决定载流子迁移率的因素迁移率：在j=σ│E│成立(弱电场)条件下,载流子的迁移率

(电导迁移率)为

μ=vd/│E│(单位是cm2/s.V).载流子的散射：载流子在漂移运动过程中要受到散射→漂移速度有一个平均值vd。

载流子遭受散射的程度用散射几率P≡1/τ表示(τ为动量弛豫时间，在简单情况下τ=平均自由时间)；则载流子总动量的变化决定于从电场获得的动量和散射失去的动量: d(nmn*vd

)/dt=nqE

－Pnmn*vd

;

稳定状态时总动量的变化为0,于是有

qE

－

mn*vd

/τ=0,vd

=qτE/mn*,

则得到

μn=qτn/mn*

和μp=qτp/mp*.载流子的迁移率决定于有效质量[m*]和散射几率[P]！

应变对导带电子有效质量的影响张应变：压应变：张应变使Brillouin区收缩→能带曲率半径变小→m*减小→μ增大。在弛豫SiGe上的应变Si，μn可提高70%。压应变使Brillouin区增宽→能带曲率半径变大→m*增大→μ减小。CMOS关键技术→应变硅技术

——沟道工程应变硅在微电子方面的研究包括四方面：（一）：应变硅中应变量的表征技术。

（二）：通过理论计算，在一定应变量的条件下，获得材料或器件特性与应变之间的关系，从理论上揭示应变的本质。（三）：工艺上探索将应变引入沟道层的方法。工艺诱导法;在器件沟道下方埋入SiGe层;对整个晶圆进行工艺处理，达到改变硅材料晶体结构的目的。

（四）：研究应变对器件的负面影响，我们称之为“后应变问题”。

段宝兴,杨银堂.应变硅的应变量表征技术.《功能材料与器件学报》.2010.16(4):323-328.CMOS关键技术→应变硅中应变量的表征技术CMOS关键技术→金属栅技术

——栅工程

CMOS电路对多层金属栅的要求：电源电压的降低是获得低功耗的有效方法（具有小寄生电容的SOI技术从材料和器件方面获得高速低功耗电路）。高速即短的传输时间除了通过减小寄生电容和电阻外（采用低K、Cu互连技术），还可以通过增加漏端的驱动电流达到

电流关系式为

：P↓—VDD↓t↓—ID↑ID↑—VTH↓CMOS关键技术→金属栅技术

——栅工程电流关系式为

：CMOS关键技术→金属栅技术

——栅工程（1）当金属2的关键厚度WC满足：WC≤Wd时，两层金属的互扩散使金属2变化成两层金属的合金，合金的功函数介于金属1和金属2的功函数之间。（2）当WC满足：Wd<WC<WD时，费米能级达到平衡时由于金属2不能完全提供形成最大偶极层厚度所需的转移电子数量，此时金属2的偶极层厚度有变大的趋势，功函数不同于厚膜材料而达到调变。（3）当WC满足：WC≥WD时，金属2的功函数与体材料相同，不会发生变化。“厚度调变功函数效应”段宝兴,杨银堂.CMOS双层可变功函数金属栅技术.《功能材料与器件学报》.2010.16(2):158-162.Intel专利

近期创新性工作—CMOS关键技术应变硅技术45nm后CMOS关键技术多层金属栅技术CMOS双层可变功函数金属栅技术.功能材料与器件学报（2010.04）KeatingModel计算Si(1-x)Gex及非晶硅拉曼频移物理学报（2009.10)Straincoefficientmeasurementfor(100)uniaxialstrainsilicon.ScienceinChinaSeriesF:InformationSciences利用Raman光谱测定硅(100)晶面单轴应变的应变系数.中国科学:信息科学（2010.07）应变硅的应变量表征技术.功能材料与器件学报（2010.08)

…………..半导体功率器件→概述4C产业（Communication通讯、Computer电脑、Consumer消费电器、Car汽车）

半导体功率器件→概述功率半导体器件：进行功率处理的半导体器件，是功率电子学研究的主要对象。功率电子学：在功率半导体器件的发展推动下诞生，经过几十年的发展已经逐步走向成熟。

功率电子学：以优化功率变换为己任；以高效节能节材为专长；以为自动化、智能化、机电一体化服务为目标。已经渗透到电能的产生、输送、分配和应用的各行各业，显示出与微电子相似的基础性和高科技一系列特点。

半导体功率器件→概述功率半导体器件包括：功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率半导体技术：电力电子技术的基础与核心，它是微电子技术与电力电子技术的结合。随着多晶硅和平面工艺的发展，出现了多数载流子（多子）参与输运的电压控制型器件，即场控功率器件。

80s之前晶闸管为代表80s之后IGBT为代表→半导体功率器件→概述MOS型功率器件：垂直扩散MOS（VerticalDouble-diffusedMOS，简称VDMOS）八十年代初MOS型器件兴起后，经过二十余年的发展，使电力电子技术从传统工业控制扩展到4C产业。二十世纪八十年代发生了“20kHz革命”，功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。传统的功率半导体器件SCR和GTR（巨型晶体管或称为电力晶体管）速度慢、功耗大而不再适用，以VDMOS和IGBT为代表新一代功率半导体器件因此应运而生。二十世纪八十年代前传统功率半导体（电力电子），以可控硅（或晶闸管）为代表；八十年代后现代功率半导体，以MOS类(包括IGBT)为代表。半导体功率器件→概述功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuit）：将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。——“如同将人的大脑和四肢的结合”——“引发第二次电子产业革命”一般将其分为：智能功率集成电路SPIC（SmartPowerIntegratedCircuit）和高压集成电路HVIC（HighVoltageIntegratedCircuit）两类。横向结构：具有横向沟道，且漏极、源极和栅极都在芯片表面，易于通过内部连接与低压信号集成，被广泛应用于HVIC和PIC中作为高压功率器件。必须要有控制：因为功率器件比保险丝还脆弱可以集成一体：因为都为半导体工艺需要工艺兼容：隔离、高压互连线、“Crosstalk”等半导体功率器件→应用4C产业：(Communication通讯、Computer电脑、Consumer消费电器、Car汽车)美国将功率集成电路分为：运动控制IC（MotionControlICs）、电源管理IC（PowerManagementICs）和智能功率IC（SmartPowerICs）三类。其中运动控制IC主要用于电机设备的驱动和控制；（电机的驱动和控制）电源管理IC主要用于电源的转换和调节；（电源的转换和调节）智能功率IC则是除上述两种应用之外，集功率晶体管、控制电路和保护电路于一体的功率集成电路。（驱动和控制+保护电路；转换和调节+保护电路）半导体功率器件→概述半导体功率器件→概述一般VDMOSCOOLMOSCOOLMOS或SuperJunction“超结”：90s由电子科技大学陈星弼院士首次提出但首先被英飞凌公司实现并获20年专利保护2008年专利期到，很多公司预投产Ron=5.93×10-9(BV)2.5Ω·cm2

Ron=2×10-7b(BV)1.32Ω·cm2

半导体功率器件→概述SSE(2010.07)N-BuriedSJEDL(2009.03)半导体功率器件→发展方向传统功率半导体（电力电子）SCR现代功率半导体MOS、IGBT功率集成电路PIC、PSOC第二次电子产业革命“四肢”+“大脑”功率半导体系统发展方向：高压+大电流+高频↓↓↓第一代的硅SiliconPower现在功率半导体的主流第二代的化合物GaAs高频微波器件第三代的宽禁带SiC、GaN高频、高温、大功率↓↓↓功率（分立）器件功率集成电路（运动控制IC）（电源管理IC）（智能功率IC）↓

横向高压器件传统终端技术——场板技术陈星弼，p-n+结有场板时表面电场分布的简单表达式.电子学报,1986,Vol14,pp:36-43.LDMOS

横向高压器件传统终端技术——斜坡场板技术B.J.Baliga.SiliconPowerFieldControlledDevicesandIntegratedCircuits,AcademicPress.1981.张波,提高器件耐压的非均匀氧化层场板技术.半导体技术.No.4,19,1988.

电阻场板、金属场板；场限环等

横向高压器件传统终端技术——VLD技术R.StenglandU.Gösele.VARIATIONOFLATERALDOPING-ANEWCONCEPTTOAVOIDHIGHVOLTAGEBREAKDOWNOFPLANARJUNCTIONS.IEDMTech.Dig,1985,pp:154-157.

横向高压器件传统终端技术——RESURF技术J.A.APPELS,M.G.COLLET,P.A.H.HART,H.M.J.VAESandJ.F.C.M.VERHOEVEN.THINLAYERHIGH-VOLTAGEDEVICES(RESUREDEVICES).PhilipsJournalofResearchVol.35No.1.1979.pp:1-13.

耗尽漂移区电势满足的泊松方程：其中ρ为电荷密度，εsi为硅材料的介电常数。假设漂移区全部耗尽，电场函数可以表达：边界条件：

Ts

和TI分别为漂移区和埋氧层的厚度，εI是绝缘埋层的介电常数

横向高压器件新技术——衬底终端技术可以简化：

λ是结构参数表面电场的分布通过参数λ来调节，参数λ的改变通过参数Ts、TI或εI改变来设计——电场调制效应。横向高压器件新技术——衬底终端技术

横向高压器件新技术——衬底终端技术新结构BODSEDL(2006.05)BPSOISSE(2005.12)SBOSOI半导体学报(2005.07)APSOI半导体学报(2005.09)

横向高压器件新技术——REBULF(REduced

BULkField)技术N-BuriedSJEDL(2009.03)FALDMOSEDL(2009.12)

横向高压器件新技术——电场调制技术Baoxing

Duan,YintangYang,BoZhang.HighVoltageREBULFLDMOSwithN+-BuriedLayer《Solid-StateElectronics》,VOL.54;p:685-688,2010.

横向高压器件新技术——完全3DRESURF技术Baoxing

Duan

andYintangYang.

LowSpecificOn-ResistancePowerMOSTransistorwithMulti-LayerCarrierAccumulationbreaksthelimitlineofsilicon.IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.58(7),2011:2057-2060.

横向高压器件新技术——AlGaN/GaNHEMTRESURF技术DUANBaoXing

&YANGYinTang.BreakdownvoltageanalysisforthenewRESURFAlGaN/GaN

HEMTs,SciChinaInf

Sci,VOL.55(2),2012:473-479.以横向器件为对象；利用电场调制及屏蔽效应，通过对衬底的改造，达到优化体内电场和表面电场.首次提出了衬底终端技术超薄外延层上实现一定击穿电压的LDMOS首次提出REBULF技术.为了获得超低比导通电阻，利用电场调制首次提出了完全3-DRESURF思想.为了突破传统SOILDMOS结构受自由面电荷为零高斯定理纵向耐压受限提出ENDIF技术.

功率半导体主要工作横向高压器件新技术电子科技大学成功将REBULF和ENDIF技术应用于新型功率器件设计；2010年获得国家科学技术进步二等奖“新型功率半导体器件体内场关键技术与应用”

创新性工作—SiliconPower衬底终端技术电场调制及电荷屏蔽效应REBULF技术ENDIF技术完全3-DRESURF几种新结构（国际首创）TED(2011.07)SSE(2010.07)BPSOISSE(2005.12)BODSEDL(2006.05)N-BuriedSJEDL(2009.03)FALDMOSEDL(2009.12)ChinesePhysics、ChinesePhysicsLetters、半导体学报、IEEEICCCAS、IEEEICSICT数篇横向高压器件新技术从事功率半导体技术的单位Cree、IXYS、Microsemi

、Infineon、ABB、日本关西电力公司(KEPCO)等等美国Rutgers大学、加州大学、加拿大多伦多大学、英国剑桥大学等等国内华晶、华微、华宏、BCD、24所、58所、55所等等电子科技大学、西安电子科技大学、中科院微电子所等等欢迎有志者从事功率半导体方面的工作！杨银堂教授课题组功率半导体方向国内最早从事SiC材料与器件研究的单位之一承担完成了包括国防预研、国防973、国家重点科技攻关、国家自然科学基金相关重大课题Si基SiC材料生长、绝缘体上碳化硅制备、SiCSBD、MOSFET、MESFET结构设计、特性仿真和研制率先在国际上提出将电场调制技术应用于SiC大功率器件设计新型硅基功率半导体器件及集成技术个人工作学习经历2000年、2004年在哈尔滨理工大学材料物理与化学专业获学士和硕士学位；2007年获电子科技大学微电子学与固体电子学博士学位；2007年至2009年在西安电子科技大学做博士后研究，主要与杨银堂教授合作从事宽带隙半导体SiC功率器件设计；期间在台湾国立大学进行学术交流八个月，主要负责应变硅应变量表征技术研究；于2010年1月至2011年1月在香港科技大学作访问研究，从事宽带隙半导体GaN功率器件设计、仿真和工艺研究。国际重要学术期刊《IEEEElectronDeviceLetters》、《Solid-StateElectronics》、《Micro&NanoLetters》、《IEEETransactionsonPower