微电子概论与前沿技术 课件 第8章　新型材料与器件

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Microelectronics微电子概论与前沿技术新型材料与器件篇目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3章节解析一、章节介绍半导体物理基本概念半导体物理及器件半导体器件基础后摩尔器件摩尔定律及低功耗的概念二维材料概念二维材料制备二维材料器件柔性电子技术概念柔性电子制备技术柔性电子器件及应用二维材料与器件柔性电子器件掌握知识：摩尔定律的概念、后摩尔器件基本结构及工作原理。掌握知识：二维材料概念、二维材料常见的制备方法及相关器件。掌握知识：柔性电子技术概念、柔性电子应用领域。SOI器件FinFETTFETNCFET目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景5基本概念二、后摩尔器件摩尔定律：自20世纪60年代起，集成电路发展遵循摩尔定律，即集成电路上晶体管数量每18-24个月翻一番，晶体管特征尺寸缩小约一半，微处理器性能翻倍且价格减半。纳米级器件的短沟道效应：随着晶体管沟道长度缩小到纳米级，产生栅氧击穿、沟道电流泄漏、亚阈值电流增大、速度饱和效应等短沟道效应，严重影响器件正常工作。功耗问题与亚阈值摆幅：器件尺寸缩小至纳米级后，功耗成为主要问题。传统MOS管亚阈值摆幅极限值为60mV/dec，工作电压不能持续减小，导致较高的静态功耗。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6小尺寸MOSFET面临的功耗问题二、后摩尔器件工艺节点/nm500350250180130906545322216电源电压/V5.003.302.501.801.301.201.101.000.870.780.74k1.431.401.391.381.441.381.441.411.451.38—深亚微米工艺形成后，后摩尔器件主要面临的问题就是关态泄漏电流增大导致的静态功耗增加，因此需要通过先进的工艺技术、新型半导体材料、新结构或新原理器件等解决这一问题。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的基本结构二、后摩尔器件-SOI器件绝缘体上硅(SOI)：SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。FDSOI：本体厚约5nm~20nm,消除沟道中耗尽层底部的中性层，让沟道中的耗尽层能够填满整个沟道区。PDSOI：本体厚度为50nm~90nm。7v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的制备方法二、后摩尔器件-SOI器件SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen)：注氧隔离技术，核心步骤为离子注入和退火。8v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的制备方法二、后摩尔器件-SOI器件硅片键合技术(BondedandEtch-backSOI)：热氧化的两片硅片作亲水处理，然后重叠在一起。①离子注入。向硅片A注入H+或者He+形成微空腔，注入深度决定了顶层硅膜厚度。②键合。将硅片A和另一片SiO2晶片B键合。③热处理。第一步热处理后，微空腔压强增加，硅片A脱落形成SOI衬底，脱落的硅片还可继续用作晶片B。第二步热处理增强键合。9v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的制备方法二、后摩尔器件-SOI器件SIMOX和Smart-Cut的优缺点SIMOX工艺:(1)具有比较好的均匀性，可以通过注入能量可以控制顶层硅的厚度；(2)BOX和顶层硅之间的界面非常平整；(3)BOX和顶层硅的厚度只能在有限范围内调整，BOX<240nm，顶层硅<300nm；(4)离子注入会造成表面薄膜的损伤，长时间高温退火，成本高；(5)BOX氧化层不如热生长的SiO2。Smart-Cut工艺:(1)顶层硅薄膜为体硅，BOX为热氧化薄膜；(2)BOX和顶层硅厚度可以在很大范围内调整；(3)H离子注入能力可以控制顶层硅薄膜；(4)节约成本。10v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景FDSOI-PDSOI对比二、后摩尔器件-SOI器件11v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景12FinFET基本结构二、后摩尔器件-FinFET鳍式场效应晶体管(FinFET)：新型的互补MOS器件栅极长度缩小到20纳米以下的时候，源极和漏极的距离就极近，容易产生源漏泄漏电流；栅极对沟道的控制能力降低，如何才能保持栅极对沟道的控制呢？实现了两点突破，一是把晶体做薄后解决了漏电问题，二是向上发展，器件内构从水平变成垂直即二维变成三维。FinFET

和FD-SOI工艺的发明得以使10nm/14nm/16nm摩尔定律在今天延续传奇。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景13FinFET的前身：双栅MOSFET二、后摩尔器件-FinFETv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14FinFET的前身：双栅MOSFET二、后摩尔器件-FinFET胡正明第一个FinFET：DELTAMOSFETv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15自对准双栅FinFET二、后摩尔器件-FinFETv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景16FinFET制备工艺二、后摩尔器件-FinFET自对准双成型工艺(SelfAlignedDoubelPatterning,SADP)1.硅衬底制备；2.淀积SiO2和Si3N4作为硬掩膜版；3.淀积多晶硅辅助层；4.通过光刻和刻蚀形成硬掩膜版辅助层；5.淀积SiO2；通过控制淀积时间来控制SiO2的厚度，从而控制Fin的宽度Wfin6.刻蚀SiO2形成侧墙，Si3N4作为停止层；7.刻蚀多晶硅辅助层；8.以SiO2侧墙作为掩膜层，刻蚀硅衬底形成Fin结构。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17TFET基本结构及工作原理二、后摩尔器件-TFETTFET（TunnelingFieldEffectTransistor，TFET）基于带带隧穿机制的器件，这种器件被称为隧穿场效应晶体管。TFET是基于隧道二极管的概念提出来的，普通的TFET是一个栅控的隧道二极管。TFET与MOS管在结构方面的主要区别是源区和漏区掺杂类型相反。以N型TFET为例，其源区和漏区分别是P型重掺杂和N型重掺杂。优点：工作电压低、关态泄漏电流小、亚阈值摆幅低；缺点：开态电流低。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18线隧穿与点隧穿二、后摩尔器件-TFET点隧穿：栅极仅仅对沟道表面进行有效控制，因此隧穿仅在源区和沟道表面呈点状分布，隧穿面积极小，这种隧穿被称为点隧穿，。线隧穿：将栅极与源区交叠，使源区表面的能带在栅压较大时弯曲，此时价带和导带会对准，源区价带之下的电子也会隧穿到导带上形成隧穿电流，这种隧穿通常发生在重掺杂源区与栅氧化层的表面，且隧穿呈线状分布，故称其为线隧穿。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景19LTFET与UTFET二、后摩尔器件-TFET凹型结构的TFET，栅极可以通过凹型结构完全和源区对准，源区靠近栅氧化层表面处的线隧穿面积与凹槽栅极的深度有关，这样就不需要增大器件面积，只需要通过刻蚀工艺增加凹槽栅极的深度就可以有效增大线隧穿面积，从而增大TFET的开态电流。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景20负电容概念二、后摩尔器件-NCFET电容：单位电压变化所引起的电荷变化量铁电薄膜材料因为其特有的“自发极化”现象，在其能量-电荷和电荷-电压关系曲线中，均表现出典型的负电容效应.2008年研究人员才提出负电容效应及NCFET的概念，发明者S.Salahuddin和S.Dutta认为，其主要原因是铁电薄膜中的负电容效应并不稳定。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景21NCFET工作原理二、后摩尔器件-NCFET60mV/dec,沟道电流与沟道电位的变化氧化层电容Cins<0，且|Cins|>Cs，SS<60mV/decVg<φs：电压放大作用v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景22NCFET的栅介质：铁电材料二、后摩尔器件-NCFET自由能与极化的偶阶多项式：α，β，γ是各项异性常数，β和γ与温度无关，γ>0；α=α0(T-TC)，TC：居里温度普通铁电材料：P≈QQ=0时：T<TC：铁电

T>TC：顺电当温度小于居里温度时：铁电材料电容呈现出负电容现象。目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景24二维材料基本概念三、二维材料与器件二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。

石墨烯(Graphene)的首次发现开创了二维材料科学的新纪元。二维材料在TFET、发光二极管和光电探测器等低功耗器件领域具有广阔的应用前景。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景25二维材料分类三、二维材料与器件电导率迁移率104~105S/cm102~104S/cmN/A电子空穴104~105cm2/V

s104~105cm2/V

s102~103cm2/V

s102~103cm2/V

sN/AN/A能带电磁谱ultravioletultravioletvisiblenear-infraredinfraredmicowaveRF频率1017绝缘体半导体半金属宽带(>2eV)中等带隙(1-2eV)窄带(<0.5eV)h-BN,CIPS(铁电)SnS2,CdSMoS2,MoSe2,WSe2BPGr,NeSe2,

WTe2101610141015101310121011109108107(PHZ)(THZ)(GHZ)v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景26二维材料的制备三、二维材料与器件机械剥离和转移机械剥离法和转移法是目前二维材料及异质结制备中成本最低、速度最快的方法，较容易制备出单晶二维材料，但是这两种方法最大的缺点是很难制备出大面积二维材料，因此在商业化应用中具有一定的局限性。基于PDMS膜的干法转移PLLA辅助的湿法转移示意图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景27二维材料的制备三、二维材料与器件CVD方法CVD法是指使固体前驱体经过高温汽化后，在载气的带动下将不同的气态反应物带到衬底表面，使其发生化学反应，冷凝后在衬底表面生成薄膜。相比于机械剥离法，应用CVD法可以制备出大面积单层二维材料。目前，应用最新的CVD法可以很容易制备出厘米级的单层二维材料。制备大面积器件阵列时，研究者一般会首选CVD法。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景28二维材料器件三、二维材料与器件

28国内二维材料晶体管主要研究机构：复旦大学采用埋栅工艺的具有对称结构的

MoS2双栅晶体管基于对称MoS2双栅晶体管的高性能反相器和存储器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景29二维材料器件三、二维材料与器件

29MoS2柔性器件

29自主设计多源化学气相沉积设备兼容的微加工工艺逐层制作器件；独特的物理吸附与化学反应相结合的原子层沉积方法；采用金/钛/金多层结构作为接触电极。目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景31柔性电子技术概念三、柔性电子器件柔性电子技术：柔性电子技术是在柔性/可延性衬底上制备元器件和集成电路的技术。相比于传统的刚性电子技术，应用柔性电子技术制备的产品具有质量轻、形态可变、功能多样等特点。由于柔性电子产品特有的可弯曲、可拉伸特点，因此其能够满足设备的形变要求，适应更多的工作环境。由于将元器件、集成电路等制备在柔性衬底上，因此制备的元器件、集成电路本身及其性能应该能够承受形变带来的影响，这对制备柔性电子产品的材料、工艺、结构等提出了更高的要求。结构柔性：应用柔性电子技术制备的器件、电路、系统在形态上具有可弯曲、可折叠、可拉伸等特点，而且经受多次的形变应力后性能不会退化。功能柔性：柔性电子产品在经受不同的形变、结构重组后实现不同的性能或功能。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景32柔性电子制备技术-图案化制备技术三、柔性电子器件图案化制备技术是指应用特殊工艺将材料或衬底制备成所需的结构，包括光刻、软光刻、喷墨打印等工艺。光刻工艺流程v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景33柔性电子制备技术-图案化制备技术三、柔性电子器件微接触印刷工艺：首先在PDMS掩膜版上旋涂一层含有硫醇的自组装单分子层（SAM）试剂，然后将涂有SAM试剂的PDMS掩膜版压到镀金衬底上，衬底可以为玻璃、硅、聚合物等。SAM试剂中的硫醇与金发生反应，撕掉PDMS掩膜版后将形成的SAM作为抗蚀剂掩蔽层，进一步通过刻蚀工艺实现抗蚀剂的图案化。纳米压印刻蚀工艺：首先在待加工的材料表面涂光刻胶，并将PDMS掩膜版压在其表面上，采用加压的方式使图案转移到光刻胶上；然后用紫外线照射光刻胶，使其固化，并移除掩膜版，将所需图案转移到光刻胶上；最后刻蚀光刻胶，沉积所需材料并剥离剩余光刻胶，在衬底表面得到所需材料的图案。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景34柔性电子制备技术-转印技术三、柔性电子器件柔性电子制备技术中的转印技术通常指将刚性衬底上的功能单元（器件或电路）转移到柔性衬底上的技术，主要包括剥离与印制两个过程。剥离：使用PDMS印章将刚性衬底上的功能单元撕下来。印制：将从PDMS掩膜版上撕下来的功能单元精准地转移到柔性衬底上。为了使转印技术能够成功应用于柔性电子器件或电路的制备中，研究者探索出了不同的改进方法，主要有控制剥离速度法、微结构图章法、表面改性法、外部作用辅助法、胶带转印法及牺牲层法。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景35柔性电子制备技术-封装技术三、柔性电子器件柔性衬底一般具有较差的致密性，在柔性衬底表面制备功能结构后，功能结构容易暴露在空气中并在接触氧气、湿气、水等后被氧化，导致器件失效。这严重影响了器件的柔性和可延展性。因此，人们探索了一些适用于柔性器件且不影响柔性器件可延展性的封装方法，主要有液体封装、防水透气封装、散热封装。液体封装：液体与被封装的功能结构接触时不会影响器件的柔性和可延展性。液体的流动缓冲能力不仅能隔离功能结构，避免其与空气接触而被氧化，而且能将功能结构制备成浮岛结构，使其悬浮在液体中，这样器件在弯曲时，液体能隔离应力、应变，不会受到器件变形时应力带来的影响。防水透气封装：一般选择半透膜或多孔薄膜材料作为衬底和封装材料。这种材料中有大量的微孔结构，微孔的尺寸一般大于气体分子和水蒸气分子的尺寸，且小于液体水滴和细菌的尺寸，主要应用于生物医疗传感领域。散热封装：一般将热导率高的聚合物作为衬底和封装材料，或者将衬底改性，提高衬底的