半导体物理与器件物理

Semiconductor Physics and Device Physics
第二个关键技术： 互连技术
铜互连已在
0.25/0.18um技术代 中使用；但在 0.13um后，铜互连 与低介电常数绝缘 材料共同使用；在 更小的特征尺寸阶 段，可靠性问题还 有待继续研究开发
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绪论：微电子、IC的发展历史
早期历史发展
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ENIAC（1946）
互连技术与器件特征尺寸的缩小 （Solid state Technology Oct.,1998）
第三个关键技术
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 SOI材料
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栅介质的限制
Moore’s law
1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
10 G 1G 100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970 1980 1990 2000 2010
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影响功能）
C 、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（主要影响功 能和新兴交叉增长点）
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A、微电子器件的特征尺寸继续缩小
第一个关键技术：微细加工
目前0.25m、0.18 m 、0.13 m、 0.11 m、90nm等已相
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等比例缩小(Scaling-down)定律
1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电 场不变：恒定电场规律，简称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
集成密度 Semiconductor Physics and Device Physics
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硅微电子技术的三个发展方向
A、 特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸增大（主要
影响集成度、产量和性价比）
B、 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)（主要
0811 控制科学与工程 081101 控制理论与控制工程 081102 检测技术与自动化装置 081103 系统工程 081104 模式识别与智能系统 081105 导航、制导与控制
0812 计算机科学与技术（注：可授予 工学、理学学位） 081201 计算机软件与理论 081202 计算机系统结构 081203 计算机应用技术
继开始进入大生产 90nm以下到45nm关键技术和大生产技术也已经完成开发， 具备大生产的条件，有的已经投产 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发， 为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的 产品开发等 在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM… 10nm ? Atomic level?
硅化物 重掺杂多晶硅 SiO2
传统的栅结构
经验关系: LTox Xj1/3
对栅介质层的要求
年 份 技 术 等效栅氧化层厚度(nm) 1999 0.18 4—5 2001 0.15 2—3 2003 0.13 2—3 2006 0.10 1.5—2 2009 0.07 <1.5 2012 0.05 <1.0
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三．半导体中载流子的统计分布
四．半导体的导电性
五．非平衡载流子
六．pn结
七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
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半导体概要
微电子学
固态电子学分支之一 光电子学
微电子学
研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小 型化器件、电路及系统的电子学分支学科
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 器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原来的/倍
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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
Pentium
PentiumPro
2010
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集成电路技术是近50年来发展最快的技术
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按此比率下降，小汽车价格不到1美分
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芯片上的晶体管数目 微处理器性能 每三年翻两番
1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5
“Itanium”:15,950,000
Pentium II: 7,500,000 PowerPC620:6,900,000 PentiumPro: 5,500,000 PowerPC604:3,600,000 Pentium:3,300,000 PowerPC601:2,800,000 i80486DX:1,200,000 m68040:1,170,000
i80386DX:275,000 m68030:273,000 m68020:190,000 i80286:134,000 m68000:68,000 i8086:28,000 M6800: 4,000 i8080:6,000 i4004:2,300
1.E+4
1.E+3
’70
’74
’78
’82
’86
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 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
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半导体概要
微电子学研究领域
•半导体物理、材料、工艺
微电子学发展的特点
向高集成度、高性能、 低功耗、高可靠性电路 方向发展 与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光 电集成、MEMS、生物 芯片
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试 •微系统，系统
在学科分类中，微电子学既可以属于理学（071202 ），也可 以属于工学（080903 微电子学与固体电子学 ）
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工学 （08）
0808 电气工程 080801 电机与电气 080802 电力系统及其自动化 080803 高电压与绝缘技术 080804 电力电子与电力传动 080805 电力理论与新技术 0809 电子科学与技术（注：可授予 工学、理学学位） 080901 物理电子学 080902 电路与系统 080903 微电子学与固体电子学 080904 电磁场与微波技术 0810 信息与通信工程 081001 通信与信息系统 081002 信号与信息处理
缩小 按 CV 律缩小后对电路性能的提高远不如 CE 律，而且采用 CV 律会使沟道内的电场大大增强 CV律一般只适用于沟道长度大于 1m 的器件，它不适用于沟 道长度较短的器件。
准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律
CE律和CV律的折中，实际采用的最多
随器件尺寸进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引
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半导体物理与器件物理
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2011.4
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主要教材:
《半导体物理学》，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业
出版社，2008年11月第7版 《半导体器件物理与工艺》，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄 秋萍译，苏州大学出版社，2002年12月第1版
主要参考书：
《半导体物理与器件》（第三版），Donald A. Neamen
著，电子工业出版社 《现代半导体器件物理》，施敏，科学出版社，2001年 《集成电路器件电子学》，R. S. Muller, T. I. Kamins, M. Chan著，王燕等译，电子工业出版社，2004年第3版
恒定电场定律的问题
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
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恒定电压等比例缩小规律(简称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
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Outline
Part 1: 半导体物理学 Part 2: 半导体器件物理学
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Part 1: 半导体物理学
一．半导体中的电子状态
二．半导体中杂质和缺陷能级
’90
’94
’98
’2002
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微处理器的性能
8080 8086
100பைடு நூலகம்G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 1970
8028 6
8038 6
8048 6
Peak Advertised Performance (PAP) Real Applied Performance (RAP) 41% Growth Moore’s Law 1980 1990 2000
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半导体及其基本特性
什么是半导体？
固体材料：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）
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Solutions
New, new, new…we got to find something new…
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