【精品课件】型硅基集成微电子及光电子材料
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新型硅基集成微电子及 光电子材料
主要内容
➢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的解决办法 ➢高K介质材料 ➢缓冲层或隔离层材料 ➢Si基发光材料 ➢工作设想
一. 微电子技术发展的规律及现状
Moore定律 等比例缩小(Scaling-down)定律
微电子技术发展的ROADMAP
恒定电压等比例缩小规律(CV律)
保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变， 对其它参数进行等比例缩小。
准恒定电场定律（QCE律）
CE律和CV律的折中，20世纪采用的最多
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各种问题限制 了按CV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 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
10 G 1G
100 M 10 M
Peak Advertised Performance
(PAP) Real Applied Performance
(RAP) 41% Growth
Moore’s
1M
Law
80486 Pentium PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
自 发 明 以来 ， IC
芯片的集成度每
三年提高4倍，而
加工特征尺寸缩
2
小 2 倍。这就是
Intel 公 司 创 始 人
之一G. E. Moore
1965 年 总 结 的 规
律，被称为摩尔
定律。
Moore定律
1965年Inwenku.baidu.comel公司的创始人之一G.E. Moore预言IC产业的发展规律
集成电路的集成度每三年增长四倍， 特征尺寸每三年缩小 2 倍
1/ 1/2 3 1/ 1/2 2
QCE(准恒场)律 1/ / / 2/ 1/ 1/ 3/2 3 2/3 1/2 2
21世纪微电子技术的 三个发展方向
特征尺寸继续等比例缩小 IC发展成为片上系统(SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产
业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等
300 2109
1G
1G 10-6
比率 140
3
60 3108
106
>103 107
Moore定律
性能价格比
在过去的20年中，改进了1,000,000倍 在今后的20年中，还将改进1,000,000倍
IC类型(按器件结构分)
双极型IC：主要由双极三极管构成
NPN型 PNP型
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
等比例缩小定律
1974年由Dennard提出 基本指导思想是：保持MOS器件内部
电场不变：恒定电场规律（CE律）
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
电源电压也要缩小相同的倍数
CE律的问题
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 电源电压标准的改变会带来很大的不便
我国微电子发展情况（南昌）
晶湛科技有限公司
国内第六条8英寸生产线
江西联创光电公司
国家 “铟镓氮LED外延片、芯片产业化” 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
晶能（LatticePower）公司
硅基蓝光LED生产线
我国年微电子发展展望
21世纪初叶是我国微电子 产业的黄金时期!
器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变 为原来的/倍
参数 器件尺寸L, W, tox等
电源电压 掺杂浓度 阈值电压
电流 负载电容 电场强度 门延迟时间
功耗 功耗密度 功耗延迟积
栅电容 面积 集成密度
CE(恒场)律 1/ 1/ 1/ 1/ 1/ 1 1/ 1/2 1 1/3 1/2 2
CV(恒压)律 1/ 1 2 1
微电子的特点
微电子中的空间尺度以m和纳米nm为单位。 微电子学是信息领域的重要基础学科,它以实
现电路和系统的集成为目的。同时, 微电子学 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 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
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 统(MEMS)、生物芯片等
MOS型IC：主要由MOS三极管构成
NMOS PMOS
CMOS
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
双极-MOS(BiMOS)型IC：综合了双极和MOS器件 两者的优点，但制作工艺复杂
目前，采用CMOS工艺制作的IC器件占总数的 90%以上
我国年微电子发展情况
上海中芯国际：8英寸，0.25微米 上海宏力: 8英寸，0.25微米 北京华夏半导体: 8英寸，0.25微米 天津Motorola: 8英寸，0.25微米 上海贝岭: 华虹NEC：
二.特征尺寸缩小到0.13m以下 面临的问题
微细加工技术
目前0.18m和0.13m已开始进入大 生产
在90nm-65nm阶段，最关键的加工 工艺—光刻技术还是一个大问题，尚 未完全解决
互连技术
铜互连已在0.25/0.18um技术代中使 用；但是在0.13um以下，铜互连与 低介电常数绝缘材料共同使用时的可 靠性问题还有待研究开发
IC技术是近50年来发展最快的技术
年份 特征参数
设计规则m 电源电压 V DD(伏 ）
硅片直径尺寸 （mm） 集成度
D R A M 密 度 （ bit)
微处理器时钟频 率 (H z)
平均晶体管价格$
1959 25 5 5 6
10
1970-1971 8 5
30 2103
1K
750K 0.3
2000 0.18 1.5
新结构与新材料
新型器件结构 新型材料体系
➢高K介质 ➢金属栅电极 ➢低K介质
栅介质的限制
传统的栅结构
硅化物 重掺杂多晶硅
SiO2
经验关系: LTox Xj1/3
对 栅 介 质 层 的 要 求
年份
1999 2001 2003 2006 2009
Moore定律
1965年，G. Moore 预测半导体芯片上的晶体管 数目每两年翻两番
10 G 1G
100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
1980
1990
2000 2010
微处理器的性能
100 G
8080
8086
80286 80386
主要内容
➢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的解决办法 ➢高K介质材料 ➢缓冲层或隔离层材料 ➢Si基发光材料 ➢工作设想
一. 微电子技术发展的规律及现状
Moore定律 等比例缩小(Scaling-down)定律
微电子技术发展的ROADMAP
恒定电压等比例缩小规律(CV律)
保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变， 对其它参数进行等比例缩小。
准恒定电场定律（QCE律）
CE律和CV律的折中，20世纪采用的最多
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各种问题限制 了按CV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 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
10 G 1G
100 M 10 M
Peak Advertised Performance
(PAP) Real Applied Performance
(RAP) 41% Growth
Moore’s
1M
Law
80486 Pentium PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
自 发 明 以来 ， IC
芯片的集成度每
三年提高4倍，而
加工特征尺寸缩
2
小 2 倍。这就是
Intel 公 司 创 始 人
之一G. E. Moore
1965 年 总 结 的 规
律，被称为摩尔
定律。
Moore定律
1965年Inwenku.baidu.comel公司的创始人之一G.E. Moore预言IC产业的发展规律
集成电路的集成度每三年增长四倍， 特征尺寸每三年缩小 2 倍
1/ 1/2 3 1/ 1/2 2
QCE(准恒场)律 1/ / / 2/ 1/ 1/ 3/2 3 2/3 1/2 2
21世纪微电子技术的 三个发展方向
特征尺寸继续等比例缩小 IC发展成为片上系统(SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产
业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等
300 2109
1G
1G 10-6
比率 140
3
60 3108
106
>103 107
Moore定律
性能价格比
在过去的20年中，改进了1,000,000倍 在今后的20年中，还将改进1,000,000倍
IC类型(按器件结构分)
双极型IC：主要由双极三极管构成
NPN型 PNP型
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
等比例缩小定律
1974年由Dennard提出 基本指导思想是：保持MOS器件内部
电场不变：恒定电场规律（CE律）
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
电源电压也要缩小相同的倍数
CE律的问题
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 电源电压标准的改变会带来很大的不便
我国微电子发展情况（南昌）
晶湛科技有限公司
国内第六条8英寸生产线
江西联创光电公司
国家 “铟镓氮LED外延片、芯片产业化” 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
晶能（LatticePower）公司
硅基蓝光LED生产线
我国年微电子发展展望
21世纪初叶是我国微电子 产业的黄金时期!
器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变 为原来的/倍
参数 器件尺寸L, W, tox等
电源电压 掺杂浓度 阈值电压
电流 负载电容 电场强度 门延迟时间
功耗 功耗密度 功耗延迟积
栅电容 面积 集成密度
CE(恒场)律 1/ 1/ 1/ 1/ 1/ 1 1/ 1/2 1 1/3 1/2 2
CV(恒压)律 1/ 1 2 1
微电子的特点
微电子中的空间尺度以m和纳米nm为单位。 微电子学是信息领域的重要基础学科,它以实
现电路和系统的集成为目的。同时, 微电子学 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 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
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 统(MEMS)、生物芯片等
MOS型IC：主要由MOS三极管构成
NMOS PMOS
CMOS
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
双极-MOS(BiMOS)型IC：综合了双极和MOS器件 两者的优点，但制作工艺复杂
目前，采用CMOS工艺制作的IC器件占总数的 90%以上
我国年微电子发展情况
上海中芯国际：8英寸，0.25微米 上海宏力: 8英寸，0.25微米 北京华夏半导体: 8英寸，0.25微米 天津Motorola: 8英寸，0.25微米 上海贝岭: 华虹NEC：
二.特征尺寸缩小到0.13m以下 面临的问题
微细加工技术
目前0.18m和0.13m已开始进入大 生产
在90nm-65nm阶段，最关键的加工 工艺—光刻技术还是一个大问题，尚 未完全解决
互连技术
铜互连已在0.25/0.18um技术代中使 用；但是在0.13um以下，铜互连与 低介电常数绝缘材料共同使用时的可 靠性问题还有待研究开发
IC技术是近50年来发展最快的技术
年份 特征参数
设计规则m 电源电压 V DD(伏 ）
硅片直径尺寸 （mm） 集成度
D R A M 密 度 （ bit)
微处理器时钟频 率 (H z)
平均晶体管价格$
1959 25 5 5 6
10
1970-1971 8 5
30 2103
1K
750K 0.3
2000 0.18 1.5
新结构与新材料
新型器件结构 新型材料体系
➢高K介质 ➢金属栅电极 ➢低K介质
栅介质的限制
传统的栅结构
硅化物 重掺杂多晶硅
SiO2
经验关系: LTox Xj1/3
对 栅 介 质 层 的 要 求
年份
1999 2001 2003 2006 2009
Moore定律
1965年，G. Moore 预测半导体芯片上的晶体管 数目每两年翻两番
10 G 1G
100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
1980
1990
2000 2010
微处理器的性能
100 G
8080
8086
80286 80386