半导体物理-双极型器件
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尺寸微细化 →布线电阻增大 →信号传输延迟 (~RC) 增长； 为降低布线电阻R, 须采用低电阻率的金属材料来布线。
9
② Cu的优点: a) 电阻率低; b) 抗电迁移能力强。
→→对 0.22μm 的IC, 从1997年开始采用了Cu布线 (对于特征尺寸0.25μm的IC采用的都是Al)。
③ 镶嵌工艺: ( Cu金属化 + CMP )
把栅极绝缘膜由SiO2改为Si3N4，则可提高工作频率4倍！
11
* 典型的低k材料(1) *
材料
Si O F 系
Si O C 系 (CVD)
CF系
(CVD)
Black, Diamond
CORAL Aurora2.7 (CVD)
CF(旋涂)
Teflon AF
k 值 3.2 ~ 4.0 2.4 ~ 2.7 2.4 ~ 2.7 2.7 2.3 ~ 2.5 1.9
有单镶嵌工艺和双镶嵌工艺。 单镶嵌工艺的工序数较多 (需要进行2次Cu的金属化及
CMP加工), 但具有较小的引线沟槽宽深比。
10
• 高K、低K绝缘材料技术 :
高K材料~ SiO2、 Si3N4、钛酸钡、HfO2 ？？？ 低K材料~ 塑料、聚酰亚胺 ？？？？
* 根据： IDS ∝ εox / tox ， gm ∝ εox / tox .
学习要求
① 基本结构
② 工作原理 ③ 性能参数
重点掌握
④ 设计制造
一般了解(对非微电子器件专业)
源自文库
2
—— 课程内容 —— 第一章 半导体物理概念（复习） 第二章 p-n 结二极管 第三章 双极型晶体管（BJT） 第四章 结型场效应晶体管（JFET） 第五章 MOS型场效应晶体管（MOSFET）
主要参考书：
1.1 ~ 1.4
MSQ 系 (旋涂)
HSG-R7 OCD T-9 LKD-T200 HOSP HSG-RZ25 OCL T-31 LKD-T400
2.8
2.7 2.5 ~ 2.7 2.5
2.5
2.3 2.0 ~ 2.2
13
• 应变半导体技术 :
改变能带结构（能带工程和子能带工程）~
增强载流子迁移率（减小散射几率和有效质量） 空穴迁移率 ？？？
SiULSI
1Gb
256Mb 64Mb
介观器件 量子点
16Mb
STM
单电子器件 原子器件
分子器件
碳纳米管
胰岛 素分子
苯分子
4Mb 细菌
1000 nm (1m)
100 nm (0.1m)
亚微米工艺
血红蛋 白分子
病毒
C-C键
10 nm
1 nm (10 Å)
0.1 nm
纳米工艺
原子级工艺
7
* 光刻工艺进展 *
• “微纳电子器件”，姜岩峰、谢孟贤，化工出版社（信息部）
• “半导体器件物理”，蔡树荣，北京大学出版社
3
☆ 微电子技术的发展 ☆
尺寸
3μm 1μm 0.3μm 0.1μm 30nm 10nm
ASIC
先进技术
第一代VLSI系统 创新的VLSI系统
MOS晶体管 MOS晶体管的极限
量子电子器件
3nm 1980
1990
2000
2010 (年)
4
特征时间 (s)
10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15
1Å
各种IC
突变结 传输的不规则性 量子效应 能带图失效 1nm 10nm 100nm 1μm 10μm
尺寸
耗尽层
德拜长度
平均自由程
电子波 分子 原子
5
光刻曝光速率 (cm2/s)
有机 PAE 系 (旋涂)
FLARE
SiLK
Velox-ELK
2.65
2.8
2.65
<2
12
* 典型的低k材料(2) *
材料
多孔 MSQ 系 (旋涂)
HSG-6211X ALCAP-S OCL T-77 HSG-6210X Silica aerogel
k值
2.4 1.8 ~ 2.3 1.9 ~ 2.2 2.1
102
1:1投影曝光 ·
光学步进器
···
I-线 KrF-线
100
X射线步进器 ·
ArF-线
EB(单元投影) ·
10-2
EB(点束)
·
10-4
SPM(单探针) ·
10-6 1nm
10nm
0.1μm
1μm
光刻分辨率 (μm)
10μm
6
—— 微细加工技术的进展 ——
电子
点状电子束
离子
聚焦离子束
光 紫外光, 激光, x线
半导体 器件物理
(1)双极型器件
1
半导体器件的种类
① 双极型器件 ~ p-n结二极管, BJT, SCR, IGBT等. ② 单极型器件 ~ JFET, MESFET, HEMT, MOSFET等. ③ 负阻型器件 ~ 隧道二极管, TTD, TED等. ④ 光电子器件 ~ LED, LD, PD, APD, 红外探测器件, 光电池等. ⑤ 声波器件 ~ 超声波放大器件, 表面声波器件, 光偏转器件等. ⑥ 其他器件 ~ 超导器件, 磁电子器件, 各种传感器件等.
能干法腐蚀).
③ 193nm用的光刻胶: 主要有丙烯(Acryl)树脂、Norbornene与无水Malein
酸的交替共聚树脂、多环烯(Polycycloolefine)树脂3种.
(以前 i 线 [365nm] 用的酚醛树脂 [Novolac] 和 248nm [深紫外线] KrF准
分子激光用的PHS [Polyhydroxy styrene] 树脂不再合用.)
④ 开发新的曝光技术: 开发 (248nm+PSM), (193nm), (193nm+PSM),
157nm, 电子束投影光刻(FPL), X射线光刻(XRL), 离子束投影光刻(I PL)
等技术.
8
☆ 微电子新技术 ☆
• 铜互连技术 ~
布线金属薄膜材料: Au、Ag、Al、Cu ？？？？
① 低阻金属材料的必要性:
( 制造特征尺寸≤130 nm 的CMOS-VLSI )
① 采用超解像技术: 环带照明法 (OAI), 相移掩模法 (PSM), 光学接近修正
法(OPC); 将光刻胶图形加热到基材玻璃转变温度以上, 通过热流来实现 图形的微细化.
② 采用新的曝光波长: 开发193nm ArF准分子激光和相应的光刻胶 (透明,
无机 HSQ 系 (旋涂)
多孔 HSQ 系 (旋涂)
OCD T-12 Fox OCL T-32 XLK IPS OCL T-72 Nanoglass MesoELK
2.9 ~ 3.4 2.9 2.5 2 ~ 2.5 2 ~ 2.5 1.9 ~ 2.2 1.8 ~ 2.2 < 2
BCB 系 (旋涂)
Cyclotene
9
② Cu的优点: a) 电阻率低; b) 抗电迁移能力强。
→→对 0.22μm 的IC, 从1997年开始采用了Cu布线 (对于特征尺寸0.25μm的IC采用的都是Al)。
③ 镶嵌工艺: ( Cu金属化 + CMP )
把栅极绝缘膜由SiO2改为Si3N4，则可提高工作频率4倍！
11
* 典型的低k材料(1) *
材料
Si O F 系
Si O C 系 (CVD)
CF系
(CVD)
Black, Diamond
CORAL Aurora2.7 (CVD)
CF(旋涂)
Teflon AF
k 值 3.2 ~ 4.0 2.4 ~ 2.7 2.4 ~ 2.7 2.7 2.3 ~ 2.5 1.9
有单镶嵌工艺和双镶嵌工艺。 单镶嵌工艺的工序数较多 (需要进行2次Cu的金属化及
CMP加工), 但具有较小的引线沟槽宽深比。
10
• 高K、低K绝缘材料技术 :
高K材料~ SiO2、 Si3N4、钛酸钡、HfO2 ？？？ 低K材料~ 塑料、聚酰亚胺 ？？？？
* 根据： IDS ∝ εox / tox ， gm ∝ εox / tox .
学习要求
① 基本结构
② 工作原理 ③ 性能参数
重点掌握
④ 设计制造
一般了解(对非微电子器件专业)
源自文库
2
—— 课程内容 —— 第一章 半导体物理概念（复习） 第二章 p-n 结二极管 第三章 双极型晶体管（BJT） 第四章 结型场效应晶体管（JFET） 第五章 MOS型场效应晶体管（MOSFET）
主要参考书：
1.1 ~ 1.4
MSQ 系 (旋涂)
HSG-R7 OCD T-9 LKD-T200 HOSP HSG-RZ25 OCL T-31 LKD-T400
2.8
2.7 2.5 ~ 2.7 2.5
2.5
2.3 2.0 ~ 2.2
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• 应变半导体技术 :
改变能带结构（能带工程和子能带工程）~
增强载流子迁移率（减小散射几率和有效质量） 空穴迁移率 ？？？
SiULSI
1Gb
256Mb 64Mb
介观器件 量子点
16Mb
STM
单电子器件 原子器件
分子器件
碳纳米管
胰岛 素分子
苯分子
4Mb 细菌
1000 nm (1m)
100 nm (0.1m)
亚微米工艺
血红蛋 白分子
病毒
C-C键
10 nm
1 nm (10 Å)
0.1 nm
纳米工艺
原子级工艺
7
* 光刻工艺进展 *
• “微纳电子器件”，姜岩峰、谢孟贤，化工出版社（信息部）
• “半导体器件物理”，蔡树荣，北京大学出版社
3
☆ 微电子技术的发展 ☆
尺寸
3μm 1μm 0.3μm 0.1μm 30nm 10nm
ASIC
先进技术
第一代VLSI系统 创新的VLSI系统
MOS晶体管 MOS晶体管的极限
量子电子器件
3nm 1980
1990
2000
2010 (年)
4
特征时间 (s)
10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15
1Å
各种IC
突变结 传输的不规则性 量子效应 能带图失效 1nm 10nm 100nm 1μm 10μm
尺寸
耗尽层
德拜长度
平均自由程
电子波 分子 原子
5
光刻曝光速率 (cm2/s)
有机 PAE 系 (旋涂)
FLARE
SiLK
Velox-ELK
2.65
2.8
2.65
<2
12
* 典型的低k材料(2) *
材料
多孔 MSQ 系 (旋涂)
HSG-6211X ALCAP-S OCL T-77 HSG-6210X Silica aerogel
k值
2.4 1.8 ~ 2.3 1.9 ~ 2.2 2.1
102
1:1投影曝光 ·
光学步进器
···
I-线 KrF-线
100
X射线步进器 ·
ArF-线
EB(单元投影) ·
10-2
EB(点束)
·
10-4
SPM(单探针) ·
10-6 1nm
10nm
0.1μm
1μm
光刻分辨率 (μm)
10μm
6
—— 微细加工技术的进展 ——
电子
点状电子束
离子
聚焦离子束
光 紫外光, 激光, x线
半导体 器件物理
(1)双极型器件
1
半导体器件的种类
① 双极型器件 ~ p-n结二极管, BJT, SCR, IGBT等. ② 单极型器件 ~ JFET, MESFET, HEMT, MOSFET等. ③ 负阻型器件 ~ 隧道二极管, TTD, TED等. ④ 光电子器件 ~ LED, LD, PD, APD, 红外探测器件, 光电池等. ⑤ 声波器件 ~ 超声波放大器件, 表面声波器件, 光偏转器件等. ⑥ 其他器件 ~ 超导器件, 磁电子器件, 各种传感器件等.
能干法腐蚀).
③ 193nm用的光刻胶: 主要有丙烯(Acryl)树脂、Norbornene与无水Malein
酸的交替共聚树脂、多环烯(Polycycloolefine)树脂3种.
(以前 i 线 [365nm] 用的酚醛树脂 [Novolac] 和 248nm [深紫外线] KrF准
分子激光用的PHS [Polyhydroxy styrene] 树脂不再合用.)
④ 开发新的曝光技术: 开发 (248nm+PSM), (193nm), (193nm+PSM),
157nm, 电子束投影光刻(FPL), X射线光刻(XRL), 离子束投影光刻(I PL)
等技术.
8
☆ 微电子新技术 ☆
• 铜互连技术 ~
布线金属薄膜材料: Au、Ag、Al、Cu ？？？？
① 低阻金属材料的必要性:
( 制造特征尺寸≤130 nm 的CMOS-VLSI )
① 采用超解像技术: 环带照明法 (OAI), 相移掩模法 (PSM), 光学接近修正
法(OPC); 将光刻胶图形加热到基材玻璃转变温度以上, 通过热流来实现 图形的微细化.
② 采用新的曝光波长: 开发193nm ArF准分子激光和相应的光刻胶 (透明,
无机 HSQ 系 (旋涂)
多孔 HSQ 系 (旋涂)
OCD T-12 Fox OCL T-32 XLK IPS OCL T-72 Nanoglass MesoELK
2.9 ~ 3.4 2.9 2.5 2 ~ 2.5 2 ~ 2.5 1.9 ~ 2.2 1.8 ~ 2.2 < 2
BCB 系 (旋涂)
Cyclotene