微纳电子材料与工艺1.pptx

1、微纳电子材料与工艺（一）,北京大学深圳研究生院 周航 ,课程设置,系统介绍微电子领域相关材料（信息功能材料）的基本物理特性、制备方法与测量技术。课程涉及各种先进半导体材料、电解质材料、导电薄膜、互连材料等。 通过本课程拓展知识面，打好实验研发的基础，培养分析问题和解决问题的科研能力。 本课程需要一年级助教一名（欢迎报名）,阅读资料,课件 课堂阅读文献 参考书籍及网页： Principles of Electronic Materials and Devices, S.O.Kasap Electronic Materials (http:/www.tf.uni-kiel.de/matwis/am

2、at/elmat_en/index.html) 微电子材料与制程 陈力俊 功能与信息材料 焦宝祥,考核方式,课堂小测验及问卷 20% 课堂演讲报告 30% 期末考试（英文试题） 50%,关于课堂演讲报告,以小组为单位，内容涉及新进微电子材料或者制造工艺，合写一篇论文综述（4-5页，含摘要，注意引用高质量文献）。侧重“面”。 论文末端需注明小组各成员对本文的贡献。并由一位代表（通讯作者）做演讲报告（约15分钟）。侧重“点”。 小组：自由组合，2-5人为一小组，于10月15前确定 评分标准：满分30分。完成ppt和报告，取得基本分15分。报告内容15分，其中书面内容占7分，演讲占8分。第一作者（主

3、笔作者）额外加2分，演讲作者额外加3分。,课堂报告选题建议,围绕器件： CMOS, Memory Device，PV，TFT,LED,OLED,OPV,OTFT等器件及其材料的研发进展 围绕材料： 石墨烯，纳米碳管，硫化钼，氮化硼，等一维或者二维纳米材料的制备及应用；有机半导体；III-V族或者II-V族半导体。 围绕工艺设计： 真空镀膜工艺，光刻刻蚀工艺，光学结构或者材料设计等,值得思考的问题,微电子涉及哪些器件？ 这些器件涉及哪些材料？ 微电子的现状是怎么样？有哪些极限？ 微电子的未来是怎么样的？,值得思考的问题,微电子涉及哪些器件？ 这些器件涉及哪些材料？ 微电子的现状是怎么样？有哪些极

4、限？ 微电子的未来是怎么样的？,LED发光材料,Holonyak GaAsP,1962,1993,Nakamura InGaN,Craford GaP,1972,1960,1970,1980,1990,2000,Brighter AlGaAsP,1980s,Even Brighter AlGaInP,1990s,1995,Green/White InGaN,Krames et.al. J. Display Technology, 3(2), 160, 2007.,中村修二,中村修二1954 年出生于日本爱媛县濑户町 1977 年德岛大学工学院电子工程学士毕业 1979 年德岛大学电子工程硕士学

5、位毕业， 同年进入日亚化学(Nichia) 1988 年日亚化学资助中村进入美国佛罗里达州立大学研究金属有机物化学气相沉积 (MOCVD) 1991 年获得氮化镓成长的关键技术 1993 年开发了蓝色发光二极管-被称为世纪发明、诺贝尔奖级别的发明-该项技术曾被认为20世纪不可能的任务-并商品化,日亚化学：前身是生产荧光灯、显示器所用的荧光粉，年收入仅20亿日元(约2000万美元)，不到200人的小公司，在酒井士郎(德岛大学教授)的建议下，日亚开始搞氮化物。蓝光、白光LED的发明，使日亚成为世界知名的LED领导企业。从19942010，日亚可以从中获得大约1兆 2，086 亿日元 ( 约合109

6、.87 亿美元 )的销售收入 。,光伏材料,TFT的例子,传统硅基TFT技术面临挑战,a-Si TFT： 优点：均匀性好，成本低，易大面积化，主流技术 缺点：驱动电流不足，阈值电压漂移,Poly-Si TFT： 优点：驱动能力强，特性比较稳定 缺点：成本高，器件特性不均匀，大面积不易,金属氧化物半导体前途光明,1）以ZnO、IGZO为代表 2）材料成本低 3）工艺温度低、环境污染少 4）迁移率高、性能稳定性和均匀性佳 3）已出现用IGZO-TFT驱动的 TFT-LCD和TFT-OLED样机,普遍认为：氧化物TFT将替代硅基TFT成为未来先进显示器的主流技术,硅：共价键，单晶状态 高迁移率；但非

7、晶态很低迁移率。 氧化物：离子键，单晶和非晶状态都有很高迁移率。,微电子材料,信息功能材料 存储器件材料 光刻/电子束刻蚀材料 封装材料 储能材料 敏感材料,值得思考的问题,微电子涉及哪些器件？ 这些器件涉及哪些材料？ 微电子的现状是怎么样？有哪些极限？ 微电子的未来是怎么样的？,半导体市场的几何式增长,2010年我国进出口金额图,国家中长期规划的重大科技专项,16个重大专项 核心电子器件、高端通用芯片及基础软件 极大规模集成电路制造装备与成套工艺 新一代宽带无线通信 中国第二代导航系统 大型油气田及煤层气开发 水体污染及控制与治理,重大新药创制 大型飞机 载人航天和探月工程 高档数控机床与基

8、础制造技术 大型先进压水堆及高温气冷堆核电站 转基因生物新品种育种 艾滋病和病毒性肝炎等重大疾病防治 高分辨率对地观察系统,23,发展规律-Moore定律,1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore预言集成电路产业的发展规律,特征尺寸每三年缩小 倍,集成电路的集成度每一年半增长一倍；,微电子技术的进步,器件尺度缩小,MOSFET,结构,MOSFET结构及工作原理,图为典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P型硅作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层（图lc），最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘

9、层上及两个孔内做成三个电极：G（栅极）、S（源极）及D（漏极）,常规MOSFET材料,从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会让人得到错误的印象。早期MOSFET的栅极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。 MOSFET里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃不等，通常材料是二氧化硅（SiO2），不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride,SiON）做为氧化层之用。,常规MOSFET材料,半导体元件的材料通常以硅（silicon）

10、为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germanium process,SiGe process）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（gallium arsenide,GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。, MOSFET的临界电压（threshold voltage）主要由栅极与通道材料的功函数（work function）之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。

11、更重要的是，因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达成需求。反过来说，金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变，如此一来要降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压，将需要两种不同的金属分别做其栅极材料，对于制程又是一个很大的变量。 硅二氧化硅界面经过多年的研究，已经证实这两种材料之间的缺陷（defect）是相对而言比较少的。反之，金属绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成很多表面能阶，大为影响元件的特性。 多晶硅的融点比大多数的金属高，而在现代的半导

12、体制程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低，将会影响制程所能使用的温度上限。,MOSFET尺寸缩小,过去数十年来，MOSFET的尺寸不断地变小。早期的集成电路MOSFET制程里，通道长度约在几个微米（micrometer）的等级。但是到了今日的积体电路制程，这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。2006年初，Intel开始以65纳米（nanometer）的技术来制造新一代的微处理器，实际的元件通道长度可能比这个数字还小一些。目前最先进的工艺为22nm。,为何器件要不断缩小，有何优势？,漏源电流方程： 由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了倍，Cox增大了倍，

13、因此，IDS缩小倍。门延迟时间tpd为： 其中VDS、IDS、CL均缩小了倍，所以tpd也缩小了倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PWtpd则缩小了3倍。,器件缩小的优势,越小的MOSFET象征其通道长度减少，让通道的电阻也减少，可以让更多电流通过。 MOSFET的尺寸变小意味著栅极面积减少，如此可以降低等效的栅极电容；MOSFET在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素加总而变快 面积越小，制造芯片的成本就可以降低，在同样的封装里可以装下更高密度的芯片,缩小遇到的问题,传统上，CMOS逻辑门的切换速度与其元件的栅极电容有关。但是当栅极电容随著MOSFET尺寸变小而减少，同样大小的芯片上可容纳

14、更多晶体管时，连接这些晶体管的金属导线间产生的寄生电容效应就开始主宰逻辑门的切换速度。如何减少这些寄生电容，成了芯片效率能否向上突破的关键之一,缩小遇到的问题,栅极氧化层随著MOSFET尺寸变小而越来越薄，目前主流的半导体制程中，甚至已经做出厚度仅有1.2纳米的栅极氧化层，大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下，所有的物理现象都在量子力学所规范的世界内，例如电子的穿隧效应（tunneling effect）。因为穿隧效应，有些电子有机会越过氧化层所形成的位能障壁（potential barrier）而产生漏电流，能源损失的原因之一。,传统的栅结构,重掺杂多晶硅,SiO2,硅化物,栅介

15、质的限制, 多晶硅导电性不如金属，限制了讯号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其导电性，但成效仍然有限。目前有些融点比较高的金属材料如：钨（Tungsten）、钛（Titanium）、钴（Cobalt）或是镍（Nickel）被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化物（silicide）。在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”（Self-Aligned Silicide），通常简称salicide制程。 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时，例如现在的制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度，一种过去没有发现的现象也随之产生，这种现

16、象称为“多晶硅空乏”。当MOSFET的反转层形成时，有多晶硅空乏现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处，会出现一个空乏层（depletion layer），影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题，金属栅极是最好的方案。目前可行的材料包括钽（Tantalum）、钨、氮化钽（Tantalum Nitride），或是氮化钛（Titalium Nitride）。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化，称为FUSI（FUlly-SIlicide polysilicon gate）制程。,随着 tgate 的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长

17、,超薄栅 氧化层,栅氧化层的势垒,G,S,D,直接隧穿的泄漏电流,栅氧化层厚度小于 3nm后,tgate,大量的 晶体管,限制：tgate 3 to 2 nm,栅介质的限制,栅介质的限制,等效栅介质层的总厚度： Tox 1nm + t栅介质层,Tox,t多晶硅耗尽,t栅介质层,t量子效应,+,+,由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 : t多晶硅耗尽 0.5nm,由量子效应引起的等效厚度: t量子效应 0.5nm,限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm,栅介质的限制,介电常数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。例如铪（Hafnium）和锆（Zirconium）的金属氧化物（二氧化铪、二氧化锆）

18、等高介电常数的物质均能有效降低栅极漏电流。栅极氧化层的介电常数增加后，栅极的厚度便能增加而维持一样的电容大小。而较厚的栅极氧化层又可以降低电子透过穿隧效应穿过氧化层的机率，进而降低漏电流。不过利用新材料制作的栅极氧化层也必须考虑其位能障壁的高度，因为这些新材料的传导带（conduction band）和价带（valence band）和半导体的传导带与价带的差距比二氧化硅小（二氧化硅的传导带和硅之间的高度差约为8ev），所以仍然有可能导致栅极漏电流出现。,22纳米逻辑器件研究：先进互连技术,后端工艺： 先进互连 技术 前端工艺： CMOS器 件技术,后道工艺的低k电介质,Air-gap low-k IMD (IBM, Edelstein, 2007),IBMs air-gap technology carves nanoscale holes into the insulation between a chips copper wires, as seen in this electron scanning micrograph.,值得思考的问题,微电子涉及哪些器件？ 这些器件涉及哪些材料？ 微电子的现状是怎么样？有哪些极限？ 微电子的未来是怎么样