半导体物理与器件物理

SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体物理与器件物理SemiconductorPhysicsandDevicePhysics2019.4SemiconductorPhysicsandDevicePhysics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，2019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，2019年12月第1版主要参考书：《半导体物理与器件》（第三版），DonaldA.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，2019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，2019年第3版SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsPart1:半导体物理学Part2:半导体器件物理学OutlineSemiconductorPhysicsandDevicePhysics一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．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Part1:半导体物理学SemiconductorPhysicsandDevicePhysics固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（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微电子学半导体概要在学科分类中，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）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics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SemiconductorPhysicsandDevicePhysics微电子学研究领域•半导体物理、材料、工艺•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、生物芯片半导体概要SemiconductorPhysicsandDevicePhysics固体材料：绝缘体、半导体、导体（其它：半金属，超导体）什么是半导体？半导体及其基本特性SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics绪论：微电子、IC的发展历史早期历史发展SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsENIAC（1946）SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSolutionsNew,new,new…wegottofindsomethingnew…SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsMoore’slaw10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002019存储器容量60%/年每三年，翻两番1965，GordonMoore预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番SemiconductorPhysicsandDevicePhysics1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2019芯片上的晶体管数目微处理器性能每三年翻两番i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68020:190,000i80386DX:275,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000PentiumII:7,500,000SemiconductorPhysicsandDevicePhysics微处理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo19701980199020002019PeakAdvertisedPerformance(PAP)Moore’sLawRealAppliedPerformance(RAP)41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumProSemiconductorPhysicsandDevicePhysics集成电路技术是近50年来发展最快的技术按此比率下降，小汽车价格不到1美分SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics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SemiconductorPhysicsandDevicePhysics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1m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SemiconductorPhysicsandDevicePhysics参数CE(恒场)律CV(恒压)律QCE(准恒场)律器件尺寸L,W,tox等1/1/1/电源电压1/1/掺杂浓度2阈值电压1/1/电流1/2/负载电容1/1/1/电场强度1门延迟时间1/1/21/功耗1/23/2功耗密度133功耗延迟积1/31/2/3栅电容面积1/21/21/2集成密度222SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics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）硅微电子技术的三个发展方向SemiconductorPhysicsandDevicePhysics第一个关键技术：微细加工目前0.25m、0.18m、0.13m、0.11m、90nm等已相继开始进入大生产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？22nm?Intel,IBM…10nm?Atomiclevel?A、微电子器件的特征尺寸继续缩小SemiconductorPhysicsandDevicePhysics互连技术与器件特征尺寸的缩小（SolidstateTechnologyOct.,2019）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SemiconductorPhysicsandDevicePhysics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SemiconductorPhysicsandDevicePhysics传统的栅结构重掺杂多晶硅SiO2硅化物经验关系:LToxXj1/3对栅介质层的要求年份199920012003200620092012技术0.180.150.130.100.070.05等效栅氧化层厚度(nm)4—52—32—31.5—21.51.0栅介质的限制SemiconductorPhysicsandDevicePhysics随着tgate的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于3nm后tgate大量的晶体管限制：tgate~3to2nm栅介质的限制SemiconductorPhysicsandDevicePhysics栅介质的限制等效栅介质层的总厚度：Tox1nm+t栅介质层Toxt多晶硅耗尽t栅介质层t量子效应++由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:t多晶硅耗尽0.5nm由量子效应引起的等效厚度:t量子效应0.5nm～～限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nmSemiconductorPhysicsandDevicePhysics隧穿效应SiO2的性质栅介质层Tox1纳米量子隧穿模型高K介质?杂质涨落器件沟道区中的杂质数仅为百的量级统计规律新型栅结构?电子输运的渡越时间～碰撞时间介观物理的输运理论?沟道长度L50纳米L源漏栅Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET栅介质层新一代小尺寸器件问题带间隧穿反型层的量子化效应电源