新型硅基集成微电子及光电子材料课件

主要内容微电子的发展规律与现状0.13微米以下面临的问题及可能的解决办法高K介质材料缓冲层或隔离层材料

Si基发光材料工作设想1主要内容微电子的发展规律与现状1一.微电子技术发展的规律及现状Moore定律

等比例缩小(Scaling-down)定律2Moore定律

等比例缩小(Scaling-down)定律2自发明以来，IC芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍。这就是Intel公司创始人之一G.E.Moore1965年总结的规律，被称为摩尔定律。微电子技术发展的ROADMAP3自发明以来，IC芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩Moore定律1965年Intel公司的创始人之一G.E.Moore预言IC产业的发展规律集成电路的集成度每三年增长四倍，特征尺寸每三年缩小倍4Moore定律1965年Intel公司的创始人之一G.E.Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存储器容量60%/年

每三年，翻两番1965年，G.Moore预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番5Moore定律10G1970198019902000201微处理器的性能100G10G1G100M10M1MKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro6微处理器的性能100G1970 1980 1990 200IC技术是近50年来发展最快的技术7IC技术是近50年来发展最快的技术7Moore定律

性能价格比在过去的20年中，改进了1,000,000倍在今后的20年中，还将改进1,000,000倍Moore定律

性能价格比在过去的20年中，改进IC类型(按器件结构分)双极型IC：主要由双极三极管构成NPN型PNP型MOS型IC：主要由MOS三极管构成NMOSPMOSCMOS双极-MOS(BiMOS)型IC：综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂目前，采用CMOS工艺制作的IC器件占总数的90%以上优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高9IC类型(按器件结构分)双极型IC：主要由双极三极管构成优点1010我国年微电子发展情况上海中芯国际：8英寸，0.25微米上海宏力:

8英寸，0.25微米北京华夏半导体:8英寸，0.25微米天津Motorola:8英寸，0.25微米上海贝岭:华虹NEC：11我国年微电子发展情况上海中芯国际：8英寸，0.25微米11我国微电子发展情况（南昌）晶湛科技有限公司国内第六条8英寸生产线

江西联创光电公司国家“铟镓氮LED外延片、芯片产业化”示范工程企业，国家半导体照明工程产业化南昌基地核心企业晶能（LatticePower）公司硅基蓝光LED生产线12我国微电子发展情况（南昌）晶湛科技有限公司1221世纪初叶是我国微电子产业的黄金时期!我国年微电子发展展望13我国年微电子发展展望13微电子的特点微电子中的空间尺度以

m和纳米nm为单位。微电子学是信息领域的重要基础学科,它以实现电路和系统的集成为目的。同时,微电子学也是一门综合性很强的学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子有很强的渗透性，它可以是与其他技术结合而诞生出一系列新的产物，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等14微电子的特点微电子中的空间尺度以m和纳米nm为单位。14等比例缩小定律1974年由Dennard提出基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律（CE律）等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数15等比例缩小定律1974年由Dennard提出15CE律的问题阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便16CE律的问题阈值电压不可能缩的太小16恒定电压等比例缩小规律(CV律)保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小。17恒定电压等比例缩小规律(CV律)17准恒定电场定律（QCE律）CE律和CV律的折中，20世纪采用的最多随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小

倍，而电源电压则只变为原来的

/

倍18准恒定电场定律（QCE律）181919特征尺寸继续等比例缩小IC发展成为片上系统(SOC)微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等21世纪微电子技术的

三个发展方向20特征尺寸继续等比例缩小21世纪微电子技术的

三个发展方向20微细加工技术目前0.18

m和0.13

m已开始进入大生产在90nm-65nm阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大问题，尚未完全解决二.特征尺寸缩小到0.13

m以下面临的问题21微细加工技术二.特征尺寸缩小到0.13m以下面临的问题21互连技术

铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在0.13um以下，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发22互连技术22

新结构与新材料新型器件结构新型材料体系高K介质金属栅电极低K介质23新结构与新材料23

传统的栅结构

重掺杂多晶硅SiO2

硅化物经验关系:L

ToxXj1/3栅介质的限制24传统的栅结构重掺杂多晶硅SiO2

随着

d

的缩小，栅漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层的势垒直接隧穿的泄漏电流d

d限制：3~2nm栅介质的限制25随着d的缩小，栅漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层栅介质的限制

等效栅介质层的总厚度：

Dox>1nm+d栅介质层

Dox

d多晶硅耗尽

d栅介质层

d量子效应++

由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:d多晶硅耗尽

~

0.5nm

由量子效应引起的等效厚度:d量子效应~0.5nm

结论：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm26栅介质的限制等效栅介质层的总厚度：Dox>随着器件缩小致亚50纳米寻求介电常数大的高K材料来替代SiO2SiO2无法适应器件的要求栅介质的限制SiO2(

＝3.9)SiO2/Si界面硅基IC的基石之一使微电子产业高速和持续发展27随着器件缩小致亚50纳米寻求介电常数大的高K材料来替代SiO隧穿效应SiO2的性质栅介质层Tox<1纳米量子隧穿模型高K介质?杂质涨落器件沟道区中的杂质数仅为百的量级统计规律新型栅结构?电子输运的渡越时间～碰撞时间介观物理的输运理论?沟道长度L<50纳米栅介质层L源漏栅Doxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

新一代小尺寸器件问题带间隧穿反型层的量子化效应电源电压1V时，栅介质层中电场约为5MV/cm，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应的器件模型?…...可靠性28隧穿效应栅介质层Tox量子隧穿模型?杂质涨落器件沟道区中的杂高K介质：是介电常数比SiO2大的介质材料。当作为“MOS”结构的栅介质材料时，要求：禁带宽度足够大（Eg大于5eV）

与Si之间可以形成良好的界面成分不太复杂，容易用IC兼容的工艺制备三.高K介质29高K介质：是介电常数比SiO2大的介质材料。当作为“MOS”高k介质材料已经成为各大半导体公司的热门研究课题，一般认为氮氧化物可望成为新的栅介质材料，但到目前为止，还没有找到能够替代SiO2的理想高k介质材料。

30高k介质材料已经成为各大半导体公司的热门研究课题，一般认为氮是典型的高K介质：介电常数为几十到105铁电材料：在居里温度以下具有自发极化、且自发极化能够随外电场反向而反向（即电极化与外电场之间呈现电滞回线）的压电材料

铁电材料31是典型的高K介质：介电常数为几十到105铁电材料31普通电介质、压电体、热释电体和铁电体的比较32普通电介质、压电体、热释电体和铁电体的比较32铁电材料：在非挥发存储器、红外探测器、电光开关、MEMS器件及非线性光学等领域有着广泛的应用前景。目前被广泛研究的是：分子式为ABO3、具有钙钛矿结构的铁电材料，如BaTiO3(BT),

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

等。33铁电材料：在非挥发存储器、红外探测器、电光开关、MEMS器件3434是典型的高K介质：介电常数为几十到105铁电材料：在居里温度以下具有自发极化、且自发极化能够随外电场反向而反向（即电极化与外电场之间呈现电滞回线）的压电材料

禁带宽度足够大（Eg大于5eV）

与Si之间可以形成良好的界面成分不太复杂，容易用IC兼容的工艺制备铁电材料35是典型的高K介质：介电常数为几十到105铁电材料35本人工作：

利用磁控溅射沉积工艺

在Si基上制备PZT铁电薄膜36本人工作：

利用磁控溅射沉积工艺

在Si基上制备PZT铁电薄373738383939404041414242当IC的特征尺寸减小到100nm以下时，有关膜层的厚度仅有几个到几十nm，这时膜层间的扩散问题变的严重！需要合适的隔离层四.缓冲/隔离层材料在Si上制作其它需要晶体材料时，如果两者晶格常数有较大的差异，则必须制作缓冲层！前面已经介绍LNO43当IC的特征尺寸减小到100nm以下时，有关膜层的厚度仅有几TiNx的主要特性高硬度高熔点（2930－2950℃）导电性：半导体—导体，随组分变化颜色：金黄色(随组分变化)具有较好的耐腐蚀性44TiNx的主要特性高硬度44TiNx的组分与结构X在0.6－1.2之间都能形成稳定相主要有：立方相TiN

六方相Ti4N3

四方相Ti2N45TiNx的组分与结构X在0.6－1.2之间都能形成稳定相45TiN薄膜的制备方法CVD法反应溅射法46TiN薄膜的制备方法CVD法464747No：0627－1Tsub＝460℃48No：0627－1Tsub＝460℃48No：0701－1Tsub＝480℃49No：0701－1Tsub＝480℃4950505151Si在微电子领域占据绝对主导地位至今为止，Si在光电子领域没有得到应有的应用。Si是间接带隙半导体，不发光。Si光电二极管/Si光/Si太阳能电池但是，利用成熟的硅IC工艺，实现Si基集成发光的努力从来就没有停止。五.硅基光电子材料52Si在微电子领域占据绝对主导地位五.硅基光电子材料525353Si在微电子