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1、新型硅基集成微电子及新型硅基集成微电子及光电子材料光电子材料1主要内容主要内容微电子的发展规律与现状微电子的发展规律与现状微米以下面临的问题及可能的解决办法微米以下面临的问题及可能的解决办法高高K 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2一一.微电子技术发展的规律及现状微电子技术发展的规律及现状Moore定律定律等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律3自自发发明明以以来来，IC芯芯片片的的集集成成度度每每三三年年提提高高4倍倍，而而加加工工特特征征尺尺寸寸缩缩小小 倍倍。这这就就是是Intel公公司司创创始始人人之之一
2、一G.E.Moore 1965年年总总结结的的规规律律，被被称称为为摩摩尔尔定律。定律。微电子技术发展的微电子技术发展的ROADMAP4Moore定律定律1965年年Intel公司的创始人之一公司的创始人之一G.E.Moore预言预言IC产业的发展规律产业的发展规律?集成电路的集成度每三年增长四倍，集成电路的集成度每三年增长四倍，?特征尺寸每三年缩小特征尺寸每三年缩小 倍倍5Moore定律定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存储器容量存储器容量 60%/年年 每三年，翻两番每三年，翻两番1965年，年，G.Moor
3、e 预测半导体芯片上的晶体管预测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6微处理器的性能微处理器的性能100 G10 G1 G100 M10 M1 MKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance(PAP)MooresLawReal AppliedPerformance(RAP)41%Growth8080808080868086802868028680386803868048680486PentiumPentiumPentiumProPentiumPro7IC技术是近技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术8Moore
4、定律定律 性能价格比性能价格比在过去的在过去的20年中，改进了年中，改进了1,000,000倍倍在今后的在今后的20年中，还将改进年中，还将改进1,000,000倍倍IC类型类型(按器件结构分按器件结构分)双极型双极型IC：主要由双极三极管构成主要由双极三极管构成?NPN型型?PNP型型MOS型型IC：主要由主要由MOS三极管构成三极管构成?NMOS?PMOS?CMOS双极双极-MOS(BiMOS)型型IC：综合了双极和综合了双极和MOS器件器件两者的优点，但制作工艺复杂两者的优点，但制作工艺复杂目前，采用目前，采用CMOS工艺制作的工艺制作的IC器件占总数的器件占总数的90%以上以上优点是速
5、度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高1011我国年微电子发展情况我国年微电子发展情况上海中芯国际：上海中芯国际：8 8英寸，微米英寸，微米上海宏力上海宏力:8 8英寸，微米英寸，微米北京华夏半导体北京华夏半导体:8 8英寸，微米
6、英寸，微米天津天津Motorola:8 8英寸，微米英寸，微米上海贝岭上海贝岭:华虹华虹NEC：12我国微电子发展情况（南昌）我国微电子发展情况（南昌）晶湛科技有限公司晶湛科技有限公司?国内第六条国内第六条8英英寸生产线寸生产线 江西联创光电公司江西联创光电公司?国家国家“铟镓氮铟镓氮LED外延片、芯片产业化外延片、芯片产业化”示范工程企业，国家半导体照明工程产示范工程企业，国家半导体照明工程产业化南昌基地核心企业业化南昌基地核心企业 晶能（晶能（LatticePower）公司）公司?硅基蓝光硅基蓝光LED生产线生产线132121世纪初叶是我国微电子产世纪初叶是我国微电子产业的黄金时期业的黄金
7、时期!我国年微电子发展展望我国年微电子发展展望14微电子的特点微电子的特点微电子中的空间尺度以微电子中的空间尺度以 m和纳米和纳米nm为单位。为单位。微微电电子子学学是是信信息息领领域域的的重重要要基基础础学学科科,它它以以实实现现电电路路和和系系统统的的集集成成为为目目的的。同同时时,微微电电子子学学也是一门综合性很强的学科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、化学等多个学科加工、图论、化学等多
8、个学科微电子有很强的渗透性，它可以是与其他技术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，例如微机电系结合而诞生出一系列新的产物，例如微机电系统统(MEMS)、生物芯片等、生物芯片等15等比例缩小定律等比例缩小定律1974年由年由Dennard提出提出基本指导思想是：保持基本指导思想是：保持MOS器件内部器件内部电场不变：恒定电场规律（电场不变：恒定电场规律（CE律）律）?等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨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电源电压也要缩小相同
9、的倍数16CE律的问题律的问题阈值电压不可能缩的太小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电源电压标准的改变会带来很大的不便17恒定电压等比例缩小规律恒定电压等比例缩小规律(CV律律)?保保持持电电源源电电压压Vds和和阈阈值值电电压压Vth不不变变，对其它参数进行等比例缩小。对其它参数进行等比例缩小。18准恒定电场定律（准恒定电场定律（QCE律）律）?CE律和律和CV律的折中，律的折中，20世纪采用的最多世纪采用的最多?随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高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
10、各种问题限制功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必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比例通常小于器件尺寸的缩小比例?器件尺寸将缩小器件尺寸将缩小 倍，而电源电压则只变倍，而电源电压则只变为原来的为原来的/倍倍1920特征尺寸继续等比例缩小特征尺寸继续等比例缩小ICIC发展成为片上系统发展成为片上系统(SOC)(SOC)微电子技术与其它领域相结合将产生新的产微电子技术与其它领域相结合将产生
11、新的产业和新的学科，例如业和新的学科，例如MEMSMEMS、DNADNA芯片等芯片等21世纪微电子技术的世纪微电子技术的三个发展方向三个发展方向21微细加工技术微细加工技术?目前目前 m和和 m已开始进入大生产已开始进入大生产?在在90nm-65nm阶段，最关键的加工阶段，最关键的加工工艺工艺光刻技术还是一个大问题，尚光刻技术还是一个大问题，尚未完全解决未完全解决二二.特征尺寸缩小到特征尺寸缩小到 m m以下面临以下面临的问题的问题22互连技术互连技术 铜互连已在技术代中使用；但是在以铜互连已在技术代中使用；但是在以下，铜互连与低介电常数绝缘材料共下，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠
12、性问题还有待研究开同使用时的可靠性问题还有待研究开发发23 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高高K介质介质金属栅电极金属栅电极低低K介质介质24 传统的栅结构传统的栅结构 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验关系经验关系:L Tox Xj1/3栅介质的限制栅介质的限制25 随着随着 d 的缩小，栅漏电流呈的缩小，栅漏电流呈指数性增长指数性增长超薄栅氧化层超薄栅氧化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：3 2 nm栅介质的限制栅介质的限制26栅介质的限制栅介质的限制 等效栅介质层的总厚度
13、：等效栅介质层的总厚度：等效栅介质层的总厚度：等效栅介质层的总厚度：Dox 1nm+d栅介质层栅介质层 Dox d多晶硅耗尽多晶硅耗尽 d栅介质层栅介质层 d量子效应量子效应+由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:d多晶硅耗尽多晶硅耗尽 由量子效应引起的等效厚度由量子效应引起的等效厚度由量子效应引起的等效厚度由量子效应引起的等效厚度:d量子效应量子效应 结论：等效栅介质层的总厚度无法小于结论：等效栅介质层的总厚度无法小于结论：等效栅介质层的总厚度无法小于结论：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm1nm1nm1nm
14、27随着器件缩小致亚随着器件缩小致亚5050纳米纳米寻求介电常数大的高寻求介电常数大的高K材料来替代材料来替代SiO2SiO2无法适应器件的要求无法适应器件的要求栅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28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
15、理的介观物理的输运理论输运理论?沟道长度沟道长度 L50纳米纳米栅介质层栅介质层L源源漏漏栅栅Doxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 新一代小尺寸器件问题新一代小尺寸器件问题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29高高K K介质：介质：是介电常数比是介电常数比SiOSiO2 2大的介质大的介质材料。当作为材料。当作为“MOS”“MOS”结构的栅介质材料结构的栅介质材料时，要求：时，要求：?禁
16、带宽度足够大（禁带宽度足够大（Eg大于大于5 eV）?与与Si之间可以形成良好的界面之间可以形成良好的界面?成分不太复杂，成分不太复杂，容易用容易用IC兼容的工艺制备兼容的工艺制备三三.高高K K介质介质30高高k k介质材料已经成为各大半导体公司的热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，还没有找到的栅介质材料，但到目前为止，还没有找到能够替代能够替代SiOSiO2 2的理想高的理想高k k 介质材料。介质材料。31是典型的高是典型的高K K介质：介质：介电常数为几十到介电常数为几十到10105
17、 5铁电材料：铁电材料：在居里温度以下具有自发极化、且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）的压电材料外电场之间呈现电滞回线）的压电材料 铁电材料铁电材料32普通电介质、压电体、热释电体和铁电体的比较普通电介质、压电体、热释电体和铁电体的比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33铁电材料：铁电材料：在非挥发存储器、红外探测器、在非挥发存储
18、器、红外探测器、电光开关、电光开关、MEMSMEMS器件及非线性光学等领域有器件及非线性光学等领域有着广泛的应用前景着广泛的应用前景 。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ABO3、具有钙钛矿结构的铁电材料，、具有钙钛矿结构的铁电材料，如如BaTiBaTiO3(BT),Pb(Zr,Ti)O3(PZT),(Ba,Sr)TiO3(BST)等等 。3435是典型的高是典型的高K K介质：介质：介电常数为几十到介电常数为几十到10105 5铁电材料：铁电材料：在居里温度以下具有自发极化、且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（即电极化与自发极化能够随外电场反
19、向而反向（即电极化与外电场之间呈现电滞回线）的压电材料外电场之间呈现电滞回线）的压电材料?禁带宽度足够大（禁带宽度足够大（Eg大于大于5 eV）?与与Si之间可以形成良好的界面之间可以形成良好的界面?成分不太复杂，成分不太复杂，容易用容易用IC兼容的工艺制备兼容的工艺制备铁电材料铁电材料36本人工作：本人工作：利用磁控溅射沉积工艺利用磁控溅射沉积工艺在在SiSi基上制备基上制备PZTPZT铁电薄膜铁电薄膜37383940414243当当ICIC的特征尺寸减小到的特征尺寸减小到100nm100nm以下时，有关以下时，有关膜层的厚度仅有几个到几十膜层的厚度仅有几个到几十nmnm，这时膜层间，这时膜
20、层间的扩散问题变的严重！的扩散问题变的严重！?需要合适的隔离层需要合适的隔离层四四.缓冲缓冲/隔离层材料隔离层材料在在SiSi上制作其它需要晶体材料时，如果两者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！晶格常数有较大的差异，则必须制作缓冲层！?前面已经介绍前面已经介绍LNO44TiNx的主要特性的主要特性高硬度高硬度高熔点（高熔点（2930293029502950）导电性：半导体导电性：半导体导体，随组分变化导体，随组分变化颜色：金黄色颜色：金黄色(随组分变化随组分变化)具有较好的耐腐蚀性具有较好的耐腐蚀性45TiNx的组分与结构的组分与结构X在之间都能形成稳定
21、相在之间都能形成稳定相主要有：主要有：立方相立方相 TiN 六方相六方相 Ti4N3 四方相四方相 Ti2N46TiN薄膜的制备方法薄膜的制备方法CVDCVD法法反应溅射法反应溅射法4748No：06271 Tsub46049No：07011 Tsub480505152SiSi在微电子领域占据绝对主导地位在微电子领域占据绝对主导地位至今为止，至今为止，SiSi在光电子领域没有得到应有的在光电子领域没有得到应有的应用。应用。?Si是间接带隙半导体，不发光。是间接带隙半导体，不发光。?Si光电二极管光电二极管/Si光光/Si太阳能电池太阳能电池但是，利用成熟的硅但是，利用成熟的硅ICIC工艺，实现
22、工艺，实现SiSi基集成基集成发光的努力从来就没有停止。发光的努力从来就没有停止。五五.硅基光电子材料硅基光电子材料5354SiSi在微电子领域占据绝对主导地位在微电子领域占据绝对主导地位至今为止，至今为止，SiSi在光电子领域没有得到应在光电子领域没有得到应有的应用。有的应用。?Si是间接带隙半导体，不发光。是间接带隙半导体，不发光。?Si光电二极管光电二极管/Si光光/Si太阳能电池太阳能电池但是，利用成熟的硅但是，利用成熟的硅ICIC工艺，实现工艺，实现SiSi基基集成发光的努力从来就没有停止。集成发光的努力从来就没有停止。5519911991年，年，CanhamCanham发现经过化学
23、腐蚀得到的多发现经过化学腐蚀得到的多孔硅有很强的可见光发射，引起了人们的极孔硅有很强的可见光发射，引起了人们的极大兴趣，但人们很快发现多孔硅发光存在固大兴趣，但人们很快发现多孔硅发光存在固有的不稳定性，很难获得实际应用。有的不稳定性，很难获得实际应用。尽管如此，它还是指明了一个方向：可以利尽管如此，它还是指明了一个方向：可以利用纳米晶用纳米晶SiSi制作发光器件。制作发光器件。五五.硅基光电子材料硅基光电子材料56目前认为，实现硅基集成发光有两条途目前认为，实现硅基集成发光有两条途径。径。?对对Si进行改性，使之发光。如：进行改性，使之发光。如：掺铒硅掺铒硅?在在Si上制作其它发光材料，形成上制作其它发光材料，形成Si基复合基复合发光材料。发光材料。江风益教授的江风益教授的Si基基GaN57Si基复合量子点发光58利用现有基础和硬件条件，继续开展硅利用现有基础和硬件条件，继续开展硅基集成微（光）电子材料的基础研究基集成微（光）电子材料的基础研究?目前有一台国生磁控溅射镀膜仪（两个射目前有一台国生磁控溅射镀膜仪（两个射频靶，一个直流靶）频靶，一个直流靶）希望能有希望能有CVDCVD设备可利用，以便用不同设备可利用，以便用不同的工艺开展相关研究的工艺开展相关研究?PECVD六六.工作设想工作设想59谢 谢！60