新型硅基集成微電子及光電子材料1第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三主要內容微電子的發展規律與現狀0.13微米以下面臨的問題及可能的解決辦法高K介質材料緩沖層或隔離層材料

Si基發光材料工作設想第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三一.微電子技術發展的規律及現狀Moore定律

等比例縮小(Scaling-down)定律第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三自發明以來，IC芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小倍。這就是Intel公司創始人之一G.E.Moore1965年總結的規律，被稱為摩爾定律。微電子技術發展的ROADMAP第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三Moore定律1965年Intel公司的創始人之一G.E.Moore預言IC產業的發展規律集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小倍第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲器容量60%/年每三年，翻兩番1965年，G.Moore預測半導體芯片上的晶體管數目每兩年翻兩番第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三微處理器的性能100G10G1G100M10M1MKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三IC技術是近50年來發展最快的技術第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三Moore定律

性能價格比在過去的20年中，改進了1,000,000倍在今后的20年中，還將改進1,000,000倍第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三IC類型(按器件結構分)雙極型IC：主要由雙極三極管構成NPN型PNP型MOS型IC：主要由MOS三極管構成NMOSPMOSCMOS雙極-MOS(BiMOS)型IC：綜合了雙極和MOS器件兩者的優點，但制作工藝復雜目前，采用CMOS工藝制作的IC器件占總數的90%以上優點是速度高、驅動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高10第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三11第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三我國年微電子發展情況上海中芯國際：8英寸，0.25微米上海宏力:8英寸，0.25微米北京華夏半導體:8英寸，0.25微米天津Motorola:8英寸，0.25微米上海貝嶺:華虹NEC：12第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三我國微電子發展情況（南昌）晶湛科技有限公司國內第六條8英寸生產線

江西聯創光電公司國家“銦鎵氮LED外延片、芯片產業化”示范工程企業，國家半導體照明工程產業化南昌基地核心企業晶能（LatticePower）公司硅基藍光LED生產線13第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三21世紀初葉是我國微電子產業的黃金時期!我國年微電子發展展望14第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三微電子的特點微電子中的空間尺度以m和納米nm為單位。微電子學是信息領域的重要基礎學科,它以實現電路和系統的集成為目的。同時,微電子學也是一門綜合性很強的學科涉及了固體物理學、量子力學、熱力學與統計物理學、材料科學、電子線路、信號處理、計算機輔助設計、測試與加工、圖論、化學等多個學科微電子有很強的滲透性，它可以是與其他技術結合而誕生出一系列新的產物，例如微機電系統(MEMS)、生物芯片等15第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三等比例縮小定律1974年由Dennard提出基本指導思想是：保持MOS器件內部電場不變：恒定電場規律（CE律）等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導和減少負載電容，提高集成電路的性能電源電壓也要縮小相同的倍數第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三CE律的問題閾值電壓不可能縮的太小源漏耗盡區寬度不可能按比例縮小電源電壓標準的改變會帶來很大的不便第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三恒定電壓等比例縮小規律(CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對其它參數進行等比例縮小。第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三準恒定電場定律（QCE律）CE律和CV律的折中，20世紀采用的最多隨著器件尺寸的進一步縮小，強電場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進一步縮小的規則，電源電壓必須降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例器件尺寸將縮小倍，而電源電壓則只變為原來的/倍第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三特征尺寸繼續等比例縮小IC發展成為片上系統(SOC)微電子技術與其它領域相結合將產生新的產業和新的學科，例如MEMS、DNA芯片等21世紀微電子技術的

三個發展方向第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三微細加工技術目前0.18m和0.13m已開始進入大生產在90nm-65nm階段，最關鍵的加工工藝—光刻技術還是一個大問題，尚未完全解決二.特征尺寸縮小到0.13m以下面臨的問題第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三互連技術

銅互連已在0.25/0.18um技術代中使用；但是在0.13um以下，銅互連與低介電常數絕緣材料共同使用時的可靠性問題還有待研究開發第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三

新結構與新材料新型器件結構新型材料體系高K介質金屬柵電極低K介質第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三

傳統的柵結構

重摻雜多晶硅SiO2

硅化物經驗關系:LToxXj1/3柵介質的限制第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三

隨著

d的縮小，柵漏電流呈指數性增長超薄柵氧化層柵氧化層的勢壘直接隧穿的泄漏電流d

d限制：3~2nm柵介質的限制第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三柵介質的限制

等效柵介質層的總厚度：

Dox>1nm+d柵介質層

Dox

d多晶硅耗盡

d柵介質層

d量子效應++

由多晶硅耗盡效應引起的等效厚度:d多晶硅耗盡

~

0.5nm

由量子效應引起的等效厚度:d量子效應~0.5nm

結論：等效柵介質層的總厚度無法小于1nm第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三隨著器件縮小致亞50納米尋求介電常數大的高K材料來替代SiO2SiO2無法適應器件的要求柵介質的限制SiO2(＝3.9)SiO2/Si界面硅基IC的基石之一使微電子產業高速和持續發展第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三隧穿效應SiO2的性質柵介質層Tox<1納米量子隧穿模型高K介質?雜質漲落器件溝道區中的雜質數僅為百的量級統計規律新型柵結構?電子輸運的渡越時間～碰撞時間介觀物理的輸運理論?溝道長度L<50納米柵介質層L源漏柵Doxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

新一代小尺寸器件問題帶間隧穿反型層的量子化效應電源電壓1V時，柵介質層中電場約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應的器件模型?…...可靠性第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三高K介質：是介電常數比SiO2大的介質材料。當作為“MOS”結構的柵介質材料時，要求：禁帶寬度足夠大（Eg大于5eV）

與Si之間可以形成良好的界面成分不太復雜，容易用IC兼容的工藝制備三.高K介質30第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三高k介質材料已經成為各大半導體公司的熱門研究課題，一般認為氮氧化物可望成為新的柵介質材料，但到目前為止，還沒有找到能夠替代SiO2的理想高k介質材料。

31第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三是典型的高K介質：介電常數為幾十到105鐵電材料：在居里溫度以下具有自發極化、且自發極化能夠隨外電場反向而反向（即電極化與外電場之間呈現電滯回線）的壓電材料

鐵電材料32第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三普通電介質、壓電體、熱釋電體和鐵電體的比較介質種類極化方式對稱中心特殊方向自發極化電滯回線普通電介質電場極化無無無壓電體電場極化無極軸無無熱釋電體電場極化自發極化無極軸存在（溫度T<Tc）無鐵電體電場極化自發極化無極軸存在（溫度T<Tc）有33第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三鐵電材料：在非揮發存儲器、紅外探測器、電光開關、MEMS器件及非線性光學等領域有著廣泛的應用前景。目前被廣泛研究的是：分子式為ABO3、具有鈣鈦礦結構的鐵電材料，如BaTiO3(BT),

Pb(Zr,Ti)O3(PZT),(Ba,Sr)TiO3(BST)

等。34第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三35第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三是典型的高K介質：介電常數為幾十到105鐵電材料：在居里溫度以下具有自發極化、且自發極化能夠隨外電場反向而反向（即電極化與外電場之間呈現電滯回線）的壓電材料

禁帶寬度足夠大（Eg大于5eV）

與Si之間可以形成良好的界面成分不太復雜，容易用IC兼容的工藝制備鐵電材料36第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三本人工作：

利用磁控濺射沉積工藝

在Si基上制備PZT鐵電薄膜37第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三38第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三39第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三40第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三41第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三42第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三43第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三當IC的特征尺寸減小到100nm以下時，有關膜層的厚度僅有幾個到幾十nm，這時膜層間的擴散問題變的嚴重！需要合適的隔離層四.緩沖/隔離層材料在Si上制作其它需要晶體材料時，如果兩者晶格常數有較大的差異，則必須制作緩沖層！前面已經介紹LNO44第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三TiNx的主要特性高硬度高熔點（2930－2950℃）導電性：半導體—導體，隨組分變化顏色：金黃色(隨組分變化)具有較好的耐腐蝕性45第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三TiNx的組分與結構X在0.6－1.2之間都能形成穩定相主要有：立方相TiN六方相Ti4N3四方相Ti2N46第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三TiN薄膜的制備方法CVD法反應濺射法47第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三48第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三No：0627－1Tsub＝460℃49第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三No：0701－1Tsub＝480℃50第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三51第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三52第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三Si在微電子領域占據絕對主導地位至今為止，Si在光電子領域沒有得到應有的應用。Si是間接帶隙半導體，不發光。Si光電二極管/Si光/Si太陽能電池但是，利用成熟的硅IC工藝，實現Si基集成發光的努力從來就沒有停止。五.硅基光電子材料53第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三54第五十四頁，共六十