场效应器件物理绪论.

西安电子科技大学XIDIANUNIVERSITY绪论场效应器件物理2020/1/3XIDIANUNIVERSITY2020/1/3XIDIANUNIVERSITY2现代集成电路人才的知识结构物理知识：量子力学→固体物理→半导体物理→半导体器件物理电路知识：数字电路→模拟电路→数字集成电路→模拟集成电路系统知识：信号与系统→计算机体系结构，通信系统原理，信息处理工艺知识：半导体工艺原理→材料与封装工具知识：Cadence/Synophsis/Mentor等开发出的EDA软件工具逻辑电路级：VHDL、VerilogHDL硬件描述语言和分析综合工具晶体管级：SPICE等电路分析工具半导体器件物理：承上启下：有半导体材料知识基础，学习器件结构、原理、特性，为器件、电路设计提供理论依据考研和就业笔试和面试必考的科目2020/1/3XIDIANUNIVERSITY3本课程要求听课要求预习教材，记好记录注重概念原理，兼顾公式数据先期基础半导体物理：能带论，载流子输运双极型器件物理：pn结教材D.ANeamen《半导体物理与器件》参考书施敏《半导体器件物理》、RichardS.Muller《集成电路器件电子学》、RobertF.Pierret《半导体器件基础》ChenmingCalvinHu《现代集成电路半导体器件》考核方式平时成绩20％考试80％2020/1/3XIDIANUNIVERSITY4集成电路概况定义封装好的集成电路集成电路芯片的显微照片集成电路（IC，IntegratedCircuits）是微电子技术的核心；IC是电路的单芯片实现集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片上，并封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的微结构。2020/1/3XIDIANUNIVERSITY5集成电路概况内部电路和版图酷睿2双核处理器:65nm工艺，4.1亿MOSFET，1cm2IC是元器件、互连线的集合IC的内部电路或简单或复杂的电路结构2020/1/3XIDIANUNIVERSITY6集成电路概况制备单晶制备晶圆制备芯片制备测试封装Wafer（晶圆）Chip（芯片）Moore’sLaw：Intel公司创始人之一，GordenE.Moore博士在研究存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系预测半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番1975年又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番2020/1/3XIDIANUNIVERSITY716151413121110987654321019591960196119621963196419651966196719681969197019711972197319741975LOG2OFTHENUMBEROFCOMPONENTSPERINTEGRATEDFUNCTION集成电路概况发展：摩尔定律引自Electronics,April19,1965.Moore预测曲线的原始手稿实际发展规律：芯片上集成的晶体管数量，每隔18个月翻一番器件尺寸减小，晶圆尺寸增加。“动态随机存储器DRAM”和“微处理器CPU”两大IC的发展，遵循了摩尔定律。2020/1/3XIDIANUNIVERSITY8集成电路概况发展：摩尔定律特征尺寸越来越小单位面积晶体管数目越来越多时钟频率越来越快布线层数越来越多圆片面积越来越大引脚数目（I/O引线）越来越多电源电压越来越低2020/1/3XIDIANUNIVERSITY9集成电路概况发展：趋势2020/1/3XIDIANUNIVERSITY10集成电路概况发展：集成电路圆片(Wafer)IntelPentium4IntelXeon™IntelItaniumWafer（晶圆）Chip（芯片）追求大尺寸：晶圆尺寸大，晶圆上的芯片数越来越多，产量高，成本低。300mm硅片相对于200mm硅片，直径为1.5倍，面积为1.52=2.25倍，芯片数为2.64倍晶圆尺寸越大，工艺要求高：晶圆生产离中心越远，易出现坏点。2020/1/3XIDIANUNIVERSITY11集成电路概况发展：特征尺寸特征尺寸：芯片中最小线条宽度，最小栅宽工艺技术水平的标志：特征尺寸由光刻精度决定由um量级减小到了几十nm。2012年，22nmcpu已量产器件尺寸减小，单位面积芯片上的器件数越来越多，功能越来越强大2003年制造芯片的尺寸控制精度（180nm）已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！硅基IC发展的可能极限1nm是研究的极限：1nm相当于13个硅原子并排放在一起的尺度，再往下就没有理论研究的意义了；1－4nm是物理极限：量子效应已经很明显，会使器件无法工作，即使有新型器件结构出现，也将无法用于超大规模集成电路；4nm是制造极限：工艺水平无法实现更小的尺寸需求，在这个极限以下就只能做理论研究，而无法制作样品了；9nm是成本效益的极限：这种器件即使能研制出来，它的成本已经超过尺寸减小带来的好处，性价比下降，没有实用价值。目前14nm工艺已经量产，离9nm的成本效益极限已经不远了。发展共识：单纯依靠尺寸的等比例缩小，不足以满足硅器件性能的持续增长需引入元素周期表中的新元素，研发新结构，驱动器件性能提高2020/1/3XIDIANUNIVERSITY12关于距离量级的感性认识微电子学：研究电子在半导体和IC中的物理现象、物理规律，并致力于这些现象规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、测试封装等。1m=102cm=103mm=106um=109nm=1010A=1012pm=1015fm2020/1/3XIDIANUNIVERSITY132020/1/3XIDIANUNIVERSITY14（FET：FieldEffectTransistor只有一种载流子导电，又叫单极型）IGFETInsulatorGateFETMISFETMetal-Insulated-SemiconductorFETMOSFETMetal-Oxide-SemiconductorFETpn-JFETpnJunctionFETMESFETMetal-SemiconductorFET(SchottlyBarrierGate)场效应器件概况晶体管分类栅）（异质结）半导体绝缘体（金属绝缘栅）晶体管电）电子和空穴同时参与导晶体管极：肖特基结MESFET结栅pn：JFET-pnHFETFETMISFET/MOS（IGFETFET场效应（BT型双晶体管FETFET2020/1/3XIDIANUNIVERSITY15MOSFET中的半导体材料可以是Ge、Si、GaAs，最成熟的是Si，氧化物材料对应SiO2，MOSFET主要指M-SiO2–SiFETMOSFET是现今IC的核心器件，用的最多，最广泛。数字IC:全是MOSFET结构简单，尺寸小，芯片集成度高，功耗低，工艺规范模拟IC:最先使用的是BT（因有高增益）CMOS模拟集成电路发展越来越快：•MOSFET尺寸缩小，工作速度在提高，•MOS器件能在更高的频率下获得增益，可和双极器件相比拟；•工艺和尺寸功耗方面优势明显，模拟IC中MOS使用越来越普遍。场效应器件概况晶体管分类：MOSFET场效应器件概况场效应2020/1/3XIDIANUNIVERSITY16第一个理想FET：半导体左右两端，利用M和S欧姆接触引出AB电极，半导体上金属板引出C控制电极FET典型截面图：MOSFET可看成电阻型沟道，若沟道电阻变化，AB之间的电流就变基本工作原理：加在金属板上的电压调节下面半导体的电导（沟道电阻），从而实现对AB两端的电流控制。场效应：加在半导体表面上的垂直电场调制半导体电导率的现象。场效应器件发展JFET2020/1/3XIDIANUNIVERSITY17FET中最先发展起来的是JFET：JFET工艺与双极型晶体管工艺兼容1955年，成功制备BT后，制备出了JFETJFET：pn结代替了金属平板，A、B变为源漏，场效应电极称为栅。基本工作原理：上下耗尽区之间为导电沟道。通过改变pn结偏压，改变pn结耗尽层厚度，改变沟道区的电导，控制输出电流。场效应器件发展MOSFET2020/1/3XIDIANUNIVERSITY18MOSFET发展比JFET滞后：工艺问题，无法生长高质量的氧化层介质薄膜60年代，高质量绝缘介质薄膜制作成功，MOSFET进入使用阶段60年代生产出的MOSFET:具有热生长的SiO2绝缘层栅、源、漏三电极，与衬底掺杂类型相反的SD区MOSFET结构简单，尺寸小，功耗低，是现今IC的核心器件场效应器件发展MESFET2020/1/3XIDIANUNIVERSITY19MESFET：肖特基栅FET，66年发明半导体材料一般为GaAs电子迁移率比Si大5倍，峰值漂移速度比Si大1倍，速度快常作超高频应用。场效应器件发展CMOS2020/1/3XIDIANUNIVERSITY20CMOS电路：20世纪80年代发展起来电路逻辑由P沟和N沟MOSFET共同完成由于PMOS与NMOS在特性上为互补性具有低功耗及全摆幅等优点，应用比较广泛场效应器件发展HEMT2020/1/3XIDIANUNIVERSITY21HEMT：1980年发明利用异质结形成的二维电子气，作为沟道，把导电的多数载流子与电离的杂质分离→载流子受电离杂质散射↓→迁移率↑开关速度快，截止频率高，在高频领域正得到广泛的应用场效应器件发展DMOS（LDMOS+VDMOS）2020/1/3XIDIANUNIVERSITY22DMOS：DoubleDiffusion双扩散MOSFET功率MOSFET：高电压大电流应用LDMOS：在沟道和漏之间增加了一个较长的低浓度N漂移区，器件耐压增加VDMOS：电子从源极穿过水平沟道，经过栅极下面的积累层，再通过垂直N-漂移区流到漏极。场效应器件发展新器件12020/1/3XIDIANUNIVERSITY23intel公司微处理器的发展代表了晶体管新材料和新结构的发展应变硅(StrainedSilicon)技术（90nm开始）High-K和金属栅极（45nm开始）三栅3-D晶体管（22nm开始）场效应器件发展新器件22020/1/3XIDIANUNIVERSITY24应变硅(StrainedSilicon)技术（90nm开始）在原子间距大的锗硅上外延一层薄的原子间距小的硅硅原子在锗原子之间力的作用下发生应变，在平行衬底平面的方向扩张了原子间距，因而称为“应变硅”载流子u及饱和速度均增加：提高了晶体管的电流强度、运行速度、芯片工作频率测试显示：电子在应变硅材料中的流动速度要比在非应变硅中快70%制成芯片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快35%应变硅是满足65nm以下工艺要求的一种高端硅基新材料场效应器件发展新器件32020/1/3XIDIANUNIVERSITY25High-K和金属栅极（45nm开始）60nm工艺，CMOS的SiO2厚度=1.2nm隧穿电流非常严重，103A/CM2,1mm2这样的薄栅氧，芯片的栅泄漏电流达到10A，电池很快耗尽45nm采用高K新材料+金属栅技术栅极高k绝缘介质，可提高栅极电容铪基材料HfO2，相对介电常数24，是SiO2的6倍：一6nm厚的HfO2产生的电容相当于1nm的SiO2High-K材料与多晶硅与栅兼容性差：用硅化金属电极(MetalGate)取代多晶硅。TiN45nm高k+金属栅制程技术，跟65nm工艺相比，将