半导体物理器件半导体器件物理课件 课件7

Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 第一章第一章 引言引言 第二章第二章 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 第三章第三章 MOS FETMOS FET基本结构和原理基本结构和原理 第四章第四章 短沟道短沟道MOSMOS器件器件 第五章第五章 存储器件基础 不挥发存储器件基础 不挥发 挥发 挥发 第六章第六章 异质结器件与功率器件异质结器件与功率器件 第七章第七章 SOISOI器件器件 第八章第八章 纳米尺度器件及芯片加工技术纳米尺度器件及芯片加工技术 章节 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI 技术介绍 SOI 器件的各种效应 SOI 的应用 章节 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI 技术介绍 SOI 器件的各种效应 SOI 的应用 章节 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Silicon semiconductor on Insulator SOI Si substrate Oxide Burried oxide BOX Si semiconductor insulator 减少漏电流的通道 降低漏电流 减少漏电流的通道 降低漏电流 减少寄生电容 优化亚阈值摆幅 加快电路速度 减少寄生电容 优化亚阈值摆幅 加快电路速度 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI材料的制造方法 1 在绝缘体上生长半导体材料 在兰宝石SOS上生长Si 2 在Si衬底上长SiO2膜 刻出硅窗口 然后再生长Si膜 再激光退火结晶 3 SIMOX 4 Smart cut 下面为其流程 H implant Bubble formation Wafer binding CMP Wafer 2 要求 要求 1 必须在绝缘衬底上生长无缺陷的必须在绝缘衬底上生长无缺陷的Si单晶 单晶 2 硅 绝缘体界面有最小机械应力 最小表面态硅 绝缘体界面有最小机械应力 最小表面态 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI MOSFET DST Depleted Substrate Transistor Fully Depleted FD SOI MOSFET Lg 65 nm 75 mV dec 95 mV dec 低漏电流 小寄生电容低漏电流 小寄生电容 SOI衬底昂贵 衬底昂贵 需考虑浮体效应需考虑浮体效应 floating body effect Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 MOSFET的亚阈值特性的亚阈值特性 Subthreshold 亚阈值区域对漏电流 低功耗速度等性能来说非常重要 DRAM 中的漏电流 retention time 静态功耗 亚阈值代表着器件在所给定电压范围内的开关性能 驱动电流 漏电流之比 在弱反型区MOS管如同三极管 主要是扩散电流 L nn DqA dx dn DqAI drainsource nnD 亚阈值电流与 VGS成指数关系 室温下MOSFET S 60 mV dec VD 3kt q 100mV 时与 VDS无关 DSD VII exp1 0kT q bulkFBGS FBGS ox VV VV C L w I 2exp 2 2 创 0 Gate swing S decmV C C Id dV S llongchanne ox D D GS 601 10ln log 1 0 1 2 3 4 5 10 13 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 V D 0V 5V Stepsize 1V Drain current Width I D A m Gate voltage V G V Gate swing S weak inversion strong inversion leakage current Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Impacts on subthreshold swing Lg 65 nm 75 mV dec 95 mV dec Depleted substrate transistor 器件沟长缩短 Cox比例减小 S增大 SOI器件CD 电容减小 使subthreshold swing 减小 decmV C C Id dV S llongchanne ox D D GS 601 10ln log Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI 技术介绍 SOI 器件的各种效应 SOI 的应用 章节 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Kink 效应 floating body effect VDS IDS IDS增大增大 碰撞电离碰撞电离 浮体内多子浓度升高浮体内多子浓度升高 阈值电压下降阈值电压下降 IDS增大增大 不同Vg下的IDS VDS图 Kink effect Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Additional interface states and charges After stress EDL 2002 Okhonin Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 克服Kink effect 的方法 1 Fully depleted MOSFET Partially depleted的Si可以存储多子 Fully depleted的Si不可以存储多子 除非加背栅来改变体电势 减薄减薄SOI 使 使SOI全耗尽 无处存储电离碰撞产生的多子 全耗尽 无处存储电离碰撞产生的多子 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 克服Kink effect 的方法 2 Body contact 消除了消除了floating body effect 增加了制造难度 增加了制造难度 Body contact S D G Body contact S D G Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 增强 floating body effect 来存储信息 写入 写入 1 载流子碰撞电离产生多子存储于浮体中 写入 写入 0 提升浮体电势 置位线于低电压 浮体所存储的多子被释出 读 读 利用浮体效应 浮体中存储正电荷时 nMOS管阈值电压降低 通过电流感应器分辨所存储逻辑状态 如果采用如果采用partially depleted body 可以不加可以不加back gate bias 如果采用如果采用fully depleted body 需要加需要加 back gate bias 负电压负电压 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Snapback effect SOI MOSFET中寄生bipolar被激活 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Self heating effect SOI 导热性能差 1 输出电阻可能变负 2 耐击穿性能变差 解决方法 图形化SOI Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI 技术介绍 SOI 器件的各种效应 SOI 的应用 章节 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Applications of SOI Source Innovative Silicon inc IBM AMD Chartered CPU Graphic chip image sensor Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Application in CPU Source AMD course Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI MOSFET in CPU PD SOI Partially depleted Fully depleted SOI MOSFET requires metal gate Source AMD course Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 SOI device scaling challenges Source AMD course Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Fully depleted MOSFET Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Gate workfunction tuning Short channel effect of FD MOSFET GIDL Gate WF tuning to tune Vth Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 How to scale down SOI MOSFET Source AMD course Fully depleted SOI MOSFET requires metal gate high k metal gate is under development Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 scaling down SOI MOSFET Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Higher mobility introduce strain into SOI MOSFET 方法1 single strain liner dual strain liner Source AMD Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Higher mobility SGOI SSDOI 方法2 SiGe on Insulator SGOI Strained silicon directly on insulator SSDOI Add SiGe buffer layer or SS directly on insulator Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Application in memory 写入 写入 1 载流子碰撞电离产生多子存储于浮体中 写入 写入 0 提升浮体电势 置位线于低电压 浮体所存储的多子被释出 读 读 利用浮体效应 浮体中存储正电荷时 nMOS管阈值电压降低 通过电流感应器分辨所存储逻辑状态 如果采用如果采用partially depleted body 可以不加可以不加back gate bias 如果采用如果采用fully depleted body 需要加需要加 back gate bias 负电压负电压 1 ZRAM FBC Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 FBC的电学特性 可以存储可以存储1和和0 但是数据保持时间较短 但是数据保持时间较短 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Application in memory Intel Xeon CPU中缓存的面积占CPU面积的一半以上 用用8 12F2单元面积的单元面积的1T1C存储器单元取代存储器单元取代 SRAM可以在相同芯片面积的可以在相同芯片面积的CPU上集成上集成10倍存倍存 储量的储量的L2及及L3缓存 缓存 6T SRAM存储单元 IBM Intel Xeon AMD 图片选自ISSCC2006 Application 2 DRAM to replace SRAM SRAM 100 F2 CPU memory with embedded logic Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Application eDRAM 采用采用SOI CMOS逻辑电路 同时在逻辑电路 同时在SOI衬底内制造衬底内制造capacitor 存储密度大大提高 存储密度大大提高 存取速度快 存取速度快 eDRAM to replace SRAM Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Application in image sensor chips Active pixel CMOS image sensor Active pixel 复位 读出 感光 读出 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 CMOS image sensor 示意图 Bulk Si image sensor 读出器件的电流在转换为电压后可以反映光照强度 pn junction Photo diode Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 Backside Illumination Image Sensor BIS back illumination sensor 有更高的灵敏度 更大的工艺窗口 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2010 11 多层SOI image sensor 示意图 采用SOI 3D