新型硅基集成微电子及光电子材料学习教案

1、会计学1新型新型(xnxng)硅基集成微电子及光电子硅基集成微电子及光电子材料材料第一页，共60页。微电子的发展规律与现状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微米以下面临的问题及可能(knng)的解的解决办法决办法高高K介质材料介质材料缓冲层或隔离层材料缓冲层或隔离层材料 Si基发光材料基发光材料工作设想工作设想第1页/共60页第二页，共60页。第2页/共60页第三页，共60页。自发明以来，自发明以来，IC芯片的集成度每芯片的集成度每三年提高三年提高4倍，而倍，而加工特征尺寸缩加工特征尺寸缩小小 倍。这就是倍。这就是Intel公司公司(n s)创始人之一创始人之一G. E.

2、Moore 1965年总结的规律，年总结的规律，被称为摩尔定律被称为摩尔定律。2 2 2 22微电子技术微电子技术(jsh)发展的发展的ROADMAP第3页/共60页第四页，共60页。2第4页/共60页第五页，共60页。Moore定律定律(dngl)10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存储器容量存储器容量(rngling) 60%/年年 每三年，每三年，翻两番翻两番1965年，年，G. Moore 预测预测(yc)半导体芯片上的晶体管半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番数目每两年翻两番第5页/共60页第六页，共60页。

3、微处理器的性能微处理器的性能(xngnng)100 G10 G1 G100 M10 M1 MKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance (PAPMooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% Growth第6页/共60页第七页，共60页。IC技术是近技术是近50年来年来(ninli)发展最快的技术发展最快的技术 年年份份特特征征参参数数19591970-19712000比比率率设设计计规规则则 m2580.18140电电源源电电压压VDD(伏伏）551.53硅硅片片直直径径尺尺寸寸（mm）5303

4、0060集集成成度度62 1032 1093 108DRAM密密度度（bit)1K1G106微微处处理理器器时时钟钟频频率率(Hz)750K1G103平平均均晶晶体体管管价价格格$100.310-6107第7页/共60页第八页，共60页。第8页/共60页第九页，共60页。10第9页/共60页第十页，共60页。11第10页/共60页第十一页，共60页。12第11页/共60页第十二页，共60页。13第12页/共60页第十三页，共60页。14我国年微电子发展我国年微电子发展(fzhn)展望展望第13页/共60页第十四页，共60页。15学等多个学科n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

5、一系列新的产物，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等第14页/共60页第十五页，共60页。第15页/共60页第十六页，共60页。第16页/共60页第十七页，共60页。第17页/共60页第十八页，共60页。(diny)则只变为原来的/倍第18页/共60页第十九页，共60页。第19页/共60页第二十页，共60页。21世纪微电子技术的世纪微电子技术的三个发展三个发展(fzhn)方向方向第20页/共60页第二十一页，共60页。第21页/共60页第二十二页，共60页。第22页/共60页第二十三页，共60页。 新结构与新材料新结构与新材料新型器件结构新型器件结构新型材料体系新型材料体系(tx)(tx)高

6、高K K介质介质金属栅电极金属栅电极低低K K介质介质第23页/共60页第二十四页，共60页。 传统传统(chuntng)的栅结构的栅结构 重掺杂重掺杂(chn z)多晶硅多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验经验(jngyn)关系关系: LTox Xj1/3对对栅栅介介质质层层的的要要求求 年年 份份 1999 2001 2003 2006 2009 2012 技技 术术 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 等等效效栅栅氧氧化化层层厚厚度度 (nm) 45 23 23 1.52 1.5 1.0 栅介质的限制栅介质的限制第24页/共60页第二十五页，共60页。 随着随着 d

7、 的缩小，栅漏电流呈指的缩小，栅漏电流呈指数数(zhsh)性增长性增长超薄栅氧化超薄栅氧化(ynghu)层层栅氧化层的势垒栅氧化层的势垒直接隧穿的泄漏电流直接隧穿的泄漏电流d d限制限制(xinzh)： 3 2 nm第25页/共60页第二十六页，共60页。 Dox d多晶硅多晶硅耗尽耗尽( h o jn) d栅介质层栅介质层 d量子效应量子效应 : : d多晶硅耗尽多晶硅耗尽 0.5nm d量子效应量子效应 0.5nm 第26页/共60页第二十七页，共60页。随着器件缩小随着器件缩小(suxio)(suxio)致致亚亚5050纳米纳米SiO2无法适应无法适应(shyng)器件的要器件的要求求栅

8、介质的限制栅介质的限制SiO2( 3.9)SiO2/Si 界面界面硅基硅基IC的的基石之一基石之一使微电子产使微电子产业高速和持业高速和持续发展续发展第27页/共60页第二十八页，共60页。隧穿效应隧穿效应SiO2的性质的性质栅介质层栅介质层Tox1纳米纳米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介质介质? ?杂质涨落杂质涨落器件沟道区中的杂器件沟道区中的杂质数仅为百的量级质数仅为百的量级统计规律统计规律新型栅结构新型栅结构? ?电子输运的电子输运的渡越时间渡越时间碰撞时间碰撞时间介观物理的介观物理的输运理论输运理论? ?沟道长度沟道长度 L50纳米纳米栅介质栅介质(jizh)层层L源源漏漏栅栅Doxp

9、 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 带间隧穿带间隧穿反型层的反型层的量子化效应量子化效应电源电压电源电压1V时，栅介质层中电场时，栅介质层中电场约为约为5MV/cm，硅中电场约，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应考虑量子化效应的器件模型的器件模型? ? .可靠性可靠性第28页/共60页第二十九页，共60页。30第29页/共60页第三十页，共60页。31第30页/共60页第三十一页，共60页。32第31页/共60页第三十二页，共60页。33普通普通(ptng)电介质、压电体、热释电体和铁电体的比电介质、压电体、热释电体和铁电体的比较较介质种类极化方式对称中心特殊方向自发极化电滞回线普

10、通电介质电场极化无无无压电体电场极化无极轴无无热释电体电场极化自发极化无极轴存在（温度TTc）无铁电体电场极化自发极化无极轴存在（温度TTc）有第32页/共60页第三十三页，共60页。34目前被广泛研究的是：目前被广泛研究的是： 分子式为分子式为ABO3ABO3、具有、具有(jyu)(jyu)钙钙钛矿结构的铁电材料，如钛矿结构的铁电材料，如BaTiO3 (BT), BaTiO3 (BT), Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), (Ba, Sr)TiO3 (BST) (Ba, Sr)TiO3 (BST) 等等 。第33页/共60页第三十四页，共60页。35第

11、34页/共60页第三十五页，共60页。36n成分不太复杂， 容易用IC兼容的工艺制备第35页/共60页第三十六页，共60页。37第36页/共60页第三十七页，共60页。38第37页/共60页第三十八页，共60页。39第38页/共60页第三十九页，共60页。40第39页/共60页第四十页，共60页。41第40页/共60页第四十一页，共60页。42第41页/共60页第四十二页，共60页。43第42页/共60页第四十三页，共60页。44 在在SiSi上制作其它需要晶体材料时，如果两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，则必须者晶格常数有较大的差异，则必须(bx)(bx)制作缓冲层！

12、制作缓冲层！ 前面已经介绍前面已经介绍LNOLNO第43页/共60页第四十四页，共60页。45第44页/共60页第四十五页，共60页。46第45页/共60页第四十六页，共60页。47第46页/共60页第四十七页，共60页。48第47页/共60页第四十八页，共60页。49No：06271 Tsub460第48页/共60页第四十九页，共60页。50No：07011 Tsub480第49页/共60页第五十页，共60页。5120253035404550556065050010001500(111)(220)(200)Sample: 0627-2 Tsub=455 c-TiNIntensity /a.u.2 /Degree第50页/共60页第五十一页，共60页。52152025303540455055606502004006008001000(220)(111)Sample: 0701-1 TiNIntensity /a.u.2 /Degree第51页/共60页第五十二页，共60页。53现(shxin)Si基集成发光的努力从来就没