半导体材料
参考书
微电子学材料自编讲义
《薄膜材料－制备原理、技术及应用》（第2版）唐伟忠著，冶金工业出版社（2005）
《半导体材料》
学生成绩评定方法
期末考试一次，平时成绩占30％
Email: kangjf@https://www.docsj.com/doc/6615451597.html,
主讲：康晋锋
介绍微电子技术发展趋势和对半导体微电子材料的需求，了解半导体材料技术与集成电路技术发展之间的相互依赖和促进关系
介绍半导体材料物理、制备技术和表征分析技术的基础，了解和掌握开展半导体材料研究必备的基础理论和技能
介绍当前新型半导体材料研究的前沿课题，初步获得将半导体材料研究和微电子技术需求结合起来开展前沿研究的知识和方法
《半导体材料》课程的主要目的
微电子技术发展对半导体新材料的需求
半导体材料物理基础，包括晶体学物理、晶体的结合的化学键理论、和能带论基础 半导体薄膜生长的物理基础 半导体薄膜材料制备工艺原理 半导体薄膜材料表征技术原理和应用
新型半导体材料及其在微电子技术中的应用
《半导体材料》主要内容
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
?集成电路是制造在各相关体或薄膜材料之上?集成电路的加工和制备需要各种辅助功能材料?半导体薄膜材料技术是微电子技术发展的基础
第一讲：微电子技术发展对新材料的需求9微电子技术的发展需要不断引入新的材料
9新功能材料的发现和应用对微电子技术的进步作用重大
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
微电子技术发展对半导体材料的需求
具体的功能材料包括：?逻辑器件（MOS 器件）材料?栅材料
?衬底（沟道）材料?源漏和局域互连材料?存储器件材料?互连材料集成电路材料分：
功能材料、结构材料、工艺和辅助材料
本课程内容主要涉及功能材料：导体、半导体、绝缘体
集成电路发展历史
Transistor Concept
IC Vacuum tube
1st Electronic circuits
Solid-State Circuits Silicon Technology LSI
2000
7060503020101900
Triode Diode
MOSFET
MISFET bipolar IC Si-MOSFET
1st Transistor VLSI
LSI
CMOS
30 years
ULSI 20 years
10 years
降低功耗
提高密度低功耗高速度高密度
低功耗高速度高密度
(S. Sze, Based on invited talk at Peking Univ., 1998)
Al SiO 2Si
Poly Si
Si 3N 4
Air HSQ Polymer TiN TaN Cu 低-k 介质
金属
La 2O 3Ta 2O 5HfO 2ZrO 2
ZrSi x O y RuO 2Pt IrO 2Y1PZT BST
高-k 材料
电极材料
铁电材料
PtSi 2
WSi 2CoSi 2TiSi 2MoSi 2TaSi 2
硅化物
W 197019801990
200019502010
Al SiO 2Si
Ge
半导体
III-V
举例说明
新材料
NiSi 硅化物SiGe 半导体
第一讲：微电子技术发展对新材料的需求
MOS中材料的发展
新材料
新工艺新结构
集成电路发展趋势
特征尺寸越来越小
Qi Xinag, ECS 2004, AMD
晶体管尺寸等比例缩小
集成电路发展趋势集成度越来越高
9 yrs + 2 yrs delay*
9 yrs? + 2 yrs delay?
9 yrs + ?yrs delay
675mm/2021?
450mm/2012?
300mm/2001
200mm/1990
(125/150mm -1981)
We are here
When does this happen?
晶片尺寸的增加？
集成电路发展趋势
成本越来越低速度越来越快
集成电路发展趋势
功耗越来越大，因此如何进一步降低功耗是微电子技术发展努力的方向
Silicon Forever! Really?
Horst L. Stormer, Columbia Univ. and Bell Lab.
尺寸缩小极限
五年后尺寸缩小将会遭遇发展瓶颈，摩尔定律将失效？
许多新结构还未应用，器件尺寸缩小将接近极限，可以预期体
系和软件依旧不断进步.
硅技术仍将占主导地位
但硅基技术存在缺点
传统硅片工艺越来越复杂，成本越来越高.
生物基和纳米技术正在发展, 其核心为自组装工艺 后光刻技术时代
生物技术 未来信息处理器件
R. K. Cavin, SRC USA
物理学及二进制变量
信息处理的基础
自旋器件?
ITRS提出的潜在存储器和逻辑器件技术新方向 存储器和逻辑器件
微处理器执行能力受到处理器和存储器间信息交换的
限制
CNT 晶体管
性能基准
源漏接触
能带结构
半导体纳米线
分子器件
大多数分子器件为两端器件
新效应如负阻效应已经被测出
可以提供新功能
器件制备及其对电路的影响
自组装工艺
纳米电子学: 纳米管、纳米线、分子和新概念
From H.-S. Philip Wong, Stanford Univ 超薄SOI
多栅器件
FinFET
SON 环栅
Wafer Bonded Plannar Double Gate
多栅存储器单元
Pushing CMOS beyond the Roadmap
From L. Rissch, Infineon Technologies, Germany
集成电路发展趋势?逻辑器件制备工艺的发展(OR,CA,VA) -光刻,晶体管,互连,封装,材料
?非挥发存储器
-Ovonics相变存储器(CA)
-Polymers聚合物存储器(OR)
?光电器件(CA)
?微机械系统MEMS(CA)
?生物技术(CA)逻辑器件发展趋势非经典CMOS 器件
逻辑器件发展趋势新型量子器件
超导材料
CNT等纳米材料新型化合物
半导体材料
逻辑器件发展趋势
新型量子器件
自旋电子材料
存储器件发展趋势
各种存储器件的性能特征和可能的单元结构
高K栅介质高K栅介质或
其他介质材料
新型相变介质
材料如
高K栅介质或
其他介质材料
存储器件发展趋势
高K栅介质和
纳米晶材料
纳米晶材料
和制备技术
新型氧化物
阻变材料
新型分子记
忆材料
各种存储器件的性能特征和可能的单元结构
存储器件发展趋势
各种存储器件的性能特征和可能的单元结构
互连技术发展趋势
当集成电路技术发展到250nm技术节点以后，互连将成为影响集成电路性
能最主要的因素之一，而且，随着技术的进步，互连延迟变得越来越大。
典型的互连结构和构成
前金属介电质沉积(PRE-METAL DIELECTRIC) (PMD)
金属层间介电质沉积(INTRA-METAL DIELECTRIC) (IMD)
先进互连技术对低K介质互连材料的需求
180nm节点双嵌入式结构(dual Damascene) 250nm节点低-K 氟化硅玻璃(FSG)(K=3.7)
130nm节点低-K (K<3.0)材料.
低-K (K<2.5) 材料在研究中.
有效介电常数非常重要.
需要新集成方法. 互连技术发展趋势
导体: W, Cu
阻挡层:Ta, TaN, TaSiN(Ti, TiN)
W, WN, WSiN
电介质: 低-k中间介质
低-k中间停止层: SiC, SiN
淀积方法:CVD 和Spin-on 的比较
在介电常数大于2.5时,工业上分裂出CVD 和Spin-on 两种制备方法,在介电常数小于2.5时,主要用Spin-on 方法制备多孔薄膜(<65nm)
?成熟技术?机械强度增强?易于集成?设备商提供?无cure step
?Done on track ?机械强度减小?需要后处理?材料商提供
集成电路发展趋势
尺寸缩小遇到的主要问题:
?晶体管
–栅氧化层漏电流–源漏漏电流–短沟效应–Vcc尺寸减小
?图形转移(patterning)?互连和封装
–RC延迟–激励传输和分布–热管理
新材料研究可以为纳米CMOS开发提供多种选择性,对促进其未来发展非常重要!
新金属栅材料新高-k 栅介质材料
新金属源/漏材料
新沟道材料
新材料对纳米CMOS逻辑MOSFET和新型
存储器都非常重要!
高密度存储器flash, DRAM 的局限性可以用新材料解决
Flash: 浮栅?栅介质陷阱电荷
如SONOS, MNOS
DRAM ?新的高-k 绝缘层新型存储器?PRAM, RRAM
Flash
DRAM
PRAM, RRAM
NiSi salicide for USJ
Immersion lithography for HR Flash anneal for USJ High-k gate oxide for ultra-thin gate FUSI (Fully Silicided) gate for poly depletion Laser anneal for low R for USJ
Dual Metal electrode for poly depletion/V th control Raised S/D for low R Plasma doping for USJ
Now
半导体技术创新
半导体技术创新
Of downscaling
Ge MOS for RF application
Multi-layer TR for memory and logic EUV for extremely HR
Fin FET for subthreshold leakage Airgap isolation for interconnects for low C
Termination 15 –5 nm?2035
2020
?
存储器存储密度将继续增加在CMOS 逻辑晶体管达到尺寸减小限制后1. 三维集成.
2. 新材料的引入
DRAM
Flash (栅绝缘层存储:
如SONOS 等),PRAM, RRAM
存储密度(bits)
4M 1G 16M 64M 256M 4G
16G 存储密度增加趋势
1990
生产日期
2000
19952005
NOR 闪存
SRAM DRAM
~2x / 2 Years NAND 闪存
~2x / 1 年
2010
Samsung
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
为什么用高k材料？
栅结构
传统栅结构
重掺杂poly Si
硅化物SiO 2
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
高K栅结构材料
?集成电路技术对栅介质的需求
Gate Oxide roadmap （ITRS2003） YEAR 2004 2007 2009 2012 2015 Technology Generation (nm) 90 65 50 35 25
Gate oxide equivalent （nm ）1.2 0.9 0.8 0.7
0.6 为什么用高-k 材料?
经验关系: L ∝T ox X j
1/3经验关系: L ∝T ox X j 1/3随着技术的进步和发展，为保证器件性能，器件尺寸
需要按比例缩小，栅氧化层的厚度不断减薄
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
为什么需要高K栅介质？
EOT<1.6nm 直接隧穿氧化层会达到传统泄露电流限制1A/cm 2北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
G a te v o lta g e (V )
0.0
.5 1.0 1.5
2.0 2.5
3.0
G a t e C u r r e n t (A /c m 2
)
10-8
10-710-6
10
-5
10-410-310-210-1100101102
10310
4
105106E O T =1.0n m N a =5x 1017c m -3
N g a te =1x 10
20
c m
-3
T iO 2
Z rO 2
H fO 2
Y 2O 3
T a 2O 5
A l 2O 3
S i 3N 4
S iO 2
解决方案: 高-k 栅叠层
理论分析结果显
示：采用高K 栅介质后，在相同的等效氧化层厚
度（EOT ）下，栅泄漏电流可显著减小。
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU 高K栅结构材料
0.8 1.2 1.6
2.0
2.4
10
-8
10-6
10-4
10-2
10
102
P oly S i/S iO 2 B enchm ark
J g a t ?1V +V f b (A /c m 2)
E O T (nm )
H fN /H fO 2 n-M O S C A P W /O surface nitridation
实验结果显示，采用合适的高K 栅介质材料和工艺，确实可有效减小栅泄漏电流。
高-k材料的研发历史趋势
1st FET LSI PMOS
NMOS
CMOS
IC
1960
1970
1980
1990
200005
MOSFET 叠栅
SiO 2
SiO x N y Double Poly Si
Al
N +Poly Si
多晶硅上的硅化物电极
TiSi 2CoSi 2
WSi 2MoSi 2
NiSi
MOSFET
DRAM 电容
非挥发存储器模拟射频器件
Al 2O 3, ZrO 2
S 3N 4
Stack NO(Si 3N 4/SiO 2)
高-k材料研发
NO, AO (Al 2O 3/SiO 2) 新高-k材料
Pure Si Period (O)NO, Ni 3Si 4
(O)NO, Ni 3Si 4
Ta 2O 5 , Al 2O 3,
Ta 2O 5 ,
栅介质栅电极
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
?材料是微电子技术发展的基础
?微电子技术的进一步发展需要得到材料研究的支持
微电子技术发展对新材料的需求
9需要不断引入新的材料满足技术进一步发展的需求
9发现其他新功能材料的发现对微电子技术的作用重大，可能开拓出新的领域
9氧化物材料和有机分子材料是新的研究方向
集成电路发展趋势
?CMOS 按比例缩小还可延续十年以上
–硅基CMOS 和新材料组合–电介质和栅材料–互连–沟道
?需要纳米科技研究辅助得到新的等比例缩小工艺
–需要研究所有可能性(材料,工艺,结构)–必须以硅基为基础
集成电路发展趋势
技术指标
?CMOS 兼容性?能效
?等比例缩小特性?性能?体系兼容性?寄生偏差影响?室温工作
?工作稳定性和可靠性
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
微电子技术发展对新材料的需求
相变存储器
纳米管/纳米线晶体管
光电器件
射频微机械系统