北京大学微电子学研究所半导体物理讲义1

北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所半导体物理1、教材/参考书：1）《半导体物理》讲义2）半导体物理（上册，新版）叶良修编著3）半导体物理学刘恩科编著（国防科技出版社）4)半导体器件物理（SemiconductorDevicePhysics）施敏（S.M.Sze)著1981第二版5）FundamentalsofModernVLSIDevices,YuanTaurandTakH.Ning,(CambridgeUniversityPress,1998edition)6）半导体器件基础（电子工业出版社）黄如等译7）半导体物理与器件（电子工业出版社）赵毅强等译北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第一章概述§1.1半导体物理与微电子学的关系§1.2微电子学与半导体物理发展之间关系§1.3集成电路技术的发展规律§1.4微电子技术发展趋势和面临的挑战§1.5本课程的定位和内容安排北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所§1.1半导体物理与微电子学的关系固态电子学--现代信息科学的基础微电子学光电子学•研究在微小尺度下，固体（主要是半导体〕材料上构成的器件、电路、及系统中电子运动规律的学科•微电子学是固态电子学的分支之一•脱胎于电子学和固体物理学的边缘性技术学科•其物理基础是固体能带论半导体物理在学科中的位置和作用北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所微电子学领域•半导体材料和器件物理•集成电路工艺•集成电路设计原理和技术•集成电路功能和特性测试微电子技术的理论基础是半导体物理和器件物理，是固体物理理论中有关半导体材料和器件的学科分支。微电子学理论（半导体物理和器件物理）的诞生是以半导体晶体管的发明和晶体管理论的建立为标志。在微电子科学的发展中，一些里程碑式的事件，对微电子学科的发展起了积极的推动作用。§1.2微电子学与半导体物理发展之间的关系北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所1、晶体管发明和晶体管理论的建立（1947年）晶体管发明是固体物理理论研究、半导体材料、技术科学研究取得重大突破后的必然结果。1）量子力学的诞生19世纪末，现代物理学的一系列发现揭示了微观物理世界的基本规律，以此为基础诞生了现代物理学的理论基础－量子力学（以海森堡和薛定锷建立的量子力学体系为基础，其中薛定锷提出的薛定锷方程已经成为量子力学昀基本和广泛使用的方程）§1.2微电子学与半导体物理发展之间的关系北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所量子力学理论的建立，实际上是近代在物理学研究方面取得的一系列理论和实验成果共同推动的结果：•黑体辐射实验与经典理论的矛盾和Plank量子论的提出；•Compton散射实验揭示了光的粒子性特征；•光电效应实验进一步促成了Einstein光量子理论的提出；•Bohr提出了关于原子结构的量子理论；•DeBroglie提出的微观粒子的波粒二像性（Wave-Particleduality）理论和电子衍射实验的验证；（电子的波动性）北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所量子力学建立的基础已经奠定，如何建立量子力学理论体系？•海森堡（Heisenberg）提出的不确定关系(Uncertaintyrelation）和动力学变量变算符的概念；•薛定谔方程（SchrodingerEquation）和海森堡建立了量子力学方程。•Born提出的概率波（Probabilitywave）概念和波函数(wavefunction)，为量子力学的应用奠定了基础；•基于量子力学的能带论建立，构成了固体物理学的基础。•现代固体物理学的成熟、完善和应用，为晶体管的发明奠定了理论基础。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2）半导体材料研究方面取得的进展，为晶体管的发明奠定了必要的技术基础。半导体材料的发现和材料提纯技术的改进、p型和n型半导体材料的获得，很快发现p-n结是很好的整流器，并具有光生伏特效应。从与真空管的类比中，人们很自然地想到能否在p-n结上加一个控制栅极，从而做成一个固体放大器。3）在应用需求的推动下，1947年12月16日在贝尔实验室诞生了世界上第一个具有放大和功率增益性能的点接触晶体管。1948年1月23日肖克莱完成了晶体管三个基本概念的建立。1956年Bardeen、Brattain和Shockley获物理学诺贝尔奖。自此，以半导体物理为理论基础的微电子学诞生了，一个新的工业革命时代－信息社会开始了。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所4）在应用需求驱动下，借助于当时物理、材料和技术成果，美国TI公司的J.S.Kilby在深入的物理分析基础上，于1958年9月12日完成了另一里程碑性质的发明-集成电路的发明。微电子技术由此进入一个迅猛发展的时期。此后40多年，在应用需求的推动下，微电子集成电路技术一直按照Moore定律预测的指数增长规律发展。微电子技术的发展也同时推动了微电子学理论基础-半导体物理和器件物理学的快速成长。•微电子技术发展对半导体器件物理研究提出了更多需求；•半导体器件物理理论的发展也推动了微电子技术的发展。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所应用需求推动下，理论和技术发展的结果。同时，晶体管发明后，晶体管理论的建立，则是技术推动下理论发展的典型事例。微电子发展中的里程碑式的重大事件（1）晶体管的发明（1947年）微电子学的发展正是这种应用需求、理论推动、技术发展共同作用的结果和集中体现。也是创新的源泉。W.Shockley(seated),J.Bardeen(left),andW.Brattain(right)photographedin1948.1956年Noble物理学奖北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第一块集成电路，1958，Kilby在Ge衬底用键合的方法制备了1T、3R、1C主要贡献：集成电路思想的实现和验证主要贡献：集成电路思想的实现和验证获2000年诺贝尔物理学奖应用需求和技术发展，包括创新性的思想共同作用的结果。微电子发展中的里程碑式的重大事件（2）集成电路的发明实际上，集成电路的思想19世纪处就由英国的科学家提出了。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第一块单片集成电路，1959，Noyce在Si衬底制备了真正的集成电路1957年，美国DOF实验室首先将光刻技术引入到半导体技术中。Fairchild公司的Noyce将光刻技术和SiO2巧妙结合起来，实现了精细晶体管和集成电路图形结构。由此导致了平面工艺的诞生。平面工艺的诞生是实现大规模、低成本制造集成电路的基础。微电子发展中的里程碑式的重大事件（3）平面加工工艺（光刻）的发明使集成电路技术和产业迅速发展的关键北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所•1959年，Atalla提出用硅片上热生长二氧化硅层作为栅绝缘层•1960年，贝尔实验室的Kahng和Atalla制备出了第一支MOS场效应晶体管•1963年Wanlass和Sah发明了CMOS•A.S.Grove，C.T.Sah，E.H.Snow，B.E.Deal等合作，在1967年基本搞清了Si-SiO2系统的四个电荷的性质微电子发展中的里程碑式的重大事件（4）1960年，第一个MOSFET器件的发明衬底：Si栅氧化层：热氧化二氧化硅1000埃栅电极：铝栅，其上为沟道长度：25微米场效应现象的发现和SiO2绝缘介质的发现北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所1971年由Intel公司制造出第一个微处理器4004微电子发展中的里程碑式的重大事件（6）微处理器的发明微电子发展中的里程碑式的重大事件（5）1968年，Dennard发明了1T1C－DRAM单元电路从上世纪80年进入VLSI技术时代北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所Cu互连的两个主要历史壁垒问题：‹铜金属图形加工问题‹铜的污染和扩散问题问题的解决：¾DualDamascene结构和CMP工艺的发明和集合¾Cu扩散势垒层技术的发明引入铜互连技术的发明（IBM和TI）微电子发展中的里程碑式的重大事件（7）北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所浸入式光刻技术（ImmersionLithography）的发明微电子发展中的里程碑式的重大事件（8）NAkR/1λ=()22/NAkDOFλ=分辨率(R)：光刻系统所能分辨和加工的昀小线条尺寸焦深(DOF)：投影光学系统可清晰成象的尺度范围光源光阑掩模版投影光学系统硅片北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所‰浸入式（Immersion）光刻技术传统光刻系统与浸入式光刻系统结构示意图比较利用湿法光刻替代了干法光刻：•显著改进光刻系统分辨率•显著改进光刻系统的焦深性能北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所高K/金属栅材料引入到CMOS技术中metalgatesandhigh-kgatedielectricsrepresentsamajormilestoneastheindustryracestoreduceelectricalcurrentleakageintransistors微电子发展中的里程碑式的重大事件（9）北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所MooreLaw：在单IC芯片上集成的元件数，即集成电路的集成度，每18个月增加一倍，IC芯片的需求量也以相同的速度增加。具体为集成度每三年翻两番、特征尺寸缩小0.7倍Intel公司创始人之一，时任Fairchild公司研究部主任GordonE.Moore于1964对未来IC发展趋势做的预测§1.3集成电路技术的发展规律（指数增长率）Moore定律并不是一个物理规律，而是在商业利益推动下的技术发展，集成电路技术能够按照Moore定律发展的原动力来自于其可同时实现电路性能提高和制造成本的降低，因此可获得昀大的经济利益。应用需求和技术发展共同作用的结果北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所所面临的挑战：™基本物理规律（解决的途径：无基本物理规律无法突破）™材料（高K/金属栅、低K介质、应变Si，SOI）™技术（光刻，Immersion光刻技术、EUV光刻技术）™器件（CMOS，新的器件结构、新原理器件）™系统（互连：三维集成、RF互连、光互连等）™传统理论方面（模型、模拟、物理学基础）量子力学基础的模型模拟方法、介观物理、纳电子学™经济因素§1.4微电子技术的发展趋势和所面临的挑战据预测，在未来15～20年内，集成电路技术将继续按Moore定律规律发展，与纳米技术的结合将成为发展趋势针对相关的需求和面临的挑战，提出解决问题的方案，将是创新的源泉北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所™本课程的定位讨论VLSI技术相关的半导体材料和器件中的基本物理问题，在基础物理和微电子专业技术之间方面建立起联系的桥梁™内容安排第一章：引言第二章：半导体的基本性质第三章：平衡态半导体的物理基础第四章：半导体中载流子的状态和运动规律第五章：PN结第六章：M/S与异质结第七章：MOS结构§1.5本课程的定位和内容安排思考题：一个空白U盘与存满数据的U盘在质量上是否相同？