半導(dǎo)體 第十八講 集成電路物理器件

1、半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)第二章 集成電路物理器件2.1 硅半導(dǎo)體的基本物理特性半導(dǎo)體，是一種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體的材料。硅是最常用的半導(dǎo)體材料。能帶結(jié)構(gòu)能帶導(dǎo)帶能帶間隙空穴0K時(shí)，價(jià)帶充滿電子，導(dǎo)帶上沒有，此時(shí)無法導(dǎo)電溫度升高時(shí)，少數(shù)價(jià)帶中的電子獲得能量躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子。集成電路材料分類材料電導(dǎo)率（S/cm）導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等，鎳鉻等合金，重?fù)蕉嗑Ч?05半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵10-9 102絕緣體SiO2、Si3N410-22 10-14pn結(jié)-多數(shù)半導(dǎo)體器件的核心單元u電子器件：整流器 (rectifier) 檢波器 (radiodetect

2、or)雙極晶體管 (BJT)u光電器件：太陽能電池 (solar cell) 發(fā)光二極管（LED）半導(dǎo)體激光器 （LD）光電二極管(PD)u 突變結(jié)u 線形緩變結(jié)pn根據(jù)雜質(zhì)濃度的分布，可以劃分為：u 同質(zhì)pn結(jié)u 異質(zhì)pn結(jié)根據(jù)結(jié)兩邊的材料不同，可劃分為：通過控制施主與受主濃度的辦法，形成分別以電子和空穴為主的兩種導(dǎo)電區(qū)域，其交界處即被稱為p-n結(jié)。P-N結(jié)的結(jié)構(gòu)結(jié)的結(jié)構(gòu)在接觸前分立的P型和N型硅的能帶圖 P-N結(jié)形成的物理過程電子電子 空穴空穴擴(kuò)散擴(kuò)散eVbi （b）接觸后的能帶圖平衡態(tài)的pn結(jié) CE FE iE VE eVbi 漂移電漂移電流流 擴(kuò)散電擴(kuò)散電流流 內(nèi)建電場內(nèi)建電場 E E

3、 接觸電勢差接觸電勢差 Vbi 漂移 漂移 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散p n E+-0pn電壓表反向偏壓下的反向偏壓下的PN結(jié)結(jié)隨著反向偏壓的增加，隨著反向偏壓的增加，PN結(jié)的耗盡區(qū)加寬。結(jié)的耗盡區(qū)加寬。+-0pn電壓表正向偏壓下的正向偏壓下的PN結(jié)結(jié)隨著正向偏壓的增加，隨著正向偏壓的增加，PN結(jié)的耗盡區(qū)變窄。結(jié)的耗盡區(qū)變窄。EvEcEipEinEFnq(Vbi VD)EFpEvEcEipEinEFqVD正向偏壓下理想正向偏壓下理想PN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖反向偏壓下理想反向偏壓下理想PN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖理想理想PN結(jié)半導(dǎo)體二極管電流方程結(jié)半導(dǎo)體二極管電流方程) 1(/kTqVSDDeII

4、PN結(jié)符號結(jié)符號PN結(jié)的基本應(yīng)用v整流整流：使一個(gè)正弦波流經(jīng)二極管，則只有大于零的正向部分會到達(dá)后面的電路，這種濾除負(fù)向信號的過程稱為整流v電流隔離：電流隔離：電流單向流動結(jié)型二極管結(jié)型二極管內(nèi)建電場內(nèi)建電場EEFEvEcqVDE0EFmE0EFnEvEcqVD金屬與金屬與N型材料接觸型材料接觸內(nèi)建電場內(nèi)建電場EE0EFmE0EFpEvEcqVD金屬與金屬與P型材料接觸型材料接觸EFEvEcqVD反向偏壓，墊壘提高，無電流通過肖特基接觸v肖特基接觸肖特基接觸是指金屬和半導(dǎo)體材料相接觸的時(shí)候，在界面處半導(dǎo)體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘。勢壘的存在才導(dǎo)致了大的界面電阻。具有肖特基接觸的金屬與半導(dǎo)體界

5、面形成結(jié)二極管，符號正向偏壓，墊壘降低，有電流通過 歐姆接觸歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。金屬作為半導(dǎo)體器件的電極，要求具有歐姆接觸。E0EFmE0EFnEvEcE0EFmE0EFpEvEc歐姆接觸的金屬與N型材料的選擇歐姆接觸的金屬與P型材料的選擇實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸：(1) 選擇金屬與半導(dǎo)體材料，使其結(jié)區(qū)勢壘較低(2) 半導(dǎo)體材料高摻雜雙極型晶體管 第一個(gè)PN結(jié)須正偏，才能正常工作，閥值電壓為0.8V。 整個(gè)器件上跨接5V的電壓，已經(jīng)進(jìn)入P區(qū)的電子會繼續(xù)向上運(yùn)動。 P區(qū)要很薄，才能保證跨接的5V的電壓對電子的控制。 底部的N型半導(dǎo)體提供電子，叫發(fā)射

6、極（Emitter） P型半導(dǎo)體作為PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，叫基區(qū) （Base） 頂部的N型半導(dǎo)體收集另一個(gè)N型半導(dǎo)體提供的電子，叫集電極（Collector) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時(shí)，為放大工作狀態(tài)。 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時(shí)，為飽和工作狀態(tài)。 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時(shí)，為載斷工作狀態(tài)。 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時(shí)，為反向工作狀態(tài)。雙極型晶體管發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)NPN工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：BCFII /2.6 MOS晶體管場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（FET）由于附近電壓作用而形成電子或空穴聚積的效應(yīng)稱為場效應(yīng)。由于附近電壓作用而形成電子或空穴聚積的效應(yīng)稱為場效應(yīng)。源漏源漏附近正電壓所產(chǎn)生的

7、場效應(yīng)附近正電壓所產(chǎn)生的場效應(yīng)有效提高半導(dǎo)體材料表面電有效提高半導(dǎo)體材料表面電子數(shù)目，從而獲得更大電流子數(shù)目，從而獲得更大電流負(fù)電壓使越來越多的電穴聚負(fù)電壓使越來越多的電穴聚積起來，源漏電流越來越小，積起來，源漏電流越來越小，最終形成最終形成NPN結(jié)構(gòu)，無源漏結(jié)構(gòu)，無源漏電流電流夾斷夾斷MOS 晶體管常開型，也稱常開型，也稱耗盡型晶體管耗盡型晶體管源漏柵常關(guān)型，也稱常關(guān)型，也稱增強(qiáng)型晶體管增強(qiáng)型晶體管MOS 晶體管 柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS晶體管柵區(qū)較小且形狀不隨電場變化。晶體管柵區(qū)較小且形狀不隨電場變化。 CMO

8、S電路里，全部采用增強(qiáng)型的電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOS和和PMOS。Complementary Metal Oxide Semiconductor （CMOS）MOS 晶體管源漏GNDVGS+VDS+N載止區(qū)：VGSVT，無電流通過VT為引起溝通區(qū)表面反型的最小柵電壓，也稱閥值電壓。源漏GNDVGS+VDS+飽和區(qū)：0(VGS-VT）VDS0，電流與VDS ，VGS有關(guān)NMOS 晶體管DSTGSTGSNTGSDSDSDSTGSNTGSDSVVVVVKVVVVVVVKVVI0,)(20,2)(0,022載止區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)LWtKoxnN其中 為跨導(dǎo)系數(shù)IDS和哪些參數(shù)有關(guān)？GSDSmVIg引

9、入跨導(dǎo) 衡量MOS器件的增益)()()(TGSNmDSNmVVKgVKg飽和線性線性區(qū) 飽和區(qū)JFET（junction gate field-effect transistor ）pnn源漏柵耗盡層IDSVDS按VGS=0時(shí)，溝道的開啟情況，JFET同樣可分為常開型（耗盡型）和常關(guān)型（增強(qiáng)型）MESFET（metal semiconductor field effect transistor ）金屬柵極nn源漏IDSVDS 結(jié)構(gòu)和原理與JEFT相似，不同的是采用肖特基結(jié)（金屬/半導(dǎo)體）代替PN結(jié)。 常采用GaAs, InP或SiC作為溝通材料，與硅鍺相比，具有更高的開關(guān)速度及工作在更高的頻率

10、下，廣泛用于微波通信與雷達(dá)領(lǐng)域。輕摻雜漏極（LDD）MOSFET器件 MOSFET 的溝道長度縮短后，熱載流子效應(yīng)更嚴(yán)重，解決熱載流子效應(yīng)的方法有很多，降低MOSFET器件的工作電壓就是其中之一，橫向電場強(qiáng)度降低，無法形成熱載流子。 另一種方法，輕摻雜漏極（lightly doped drain,LDD）MOSFET器件的漏極和源極，摻雜濃度比原來你n+型源極與n+型漏極濃度低的n_型區(qū)。如圖2-37圖2-38，所示為增強(qiáng)型N型MOSFET有LDD以及無LDD存在時(shí)，溝道接近漏極附近的電場大小與分布情形。 很 明 顯 ， 加 了 L D D 的MOSFET器件的電場分布將向漏極移動，而且電場的

11、強(qiáng)度也比無LDD的MOSFER器件來的小。 所以 熱六子效應(yīng)便可以大大降低。 器件縮小原理v 為了增加IC內(nèi)電子器件的密度，必須將器件的尺寸縮小，而縮小器件的基本要求是保持原來器件所擁有的特性。v 最佳方法是利用一個(gè)比例因子K（1）來減小所有尺寸和電壓，以保持長溝道的特性，如此所得到的內(nèi)部電場將會與長溝道MOSFET器件的內(nèi)部電場相同，其新的器件尺寸將為器件其他參數(shù)也相應(yīng)的必須發(fā)生改變： 器件縮小K倍，電流密度將增加K倍，為了避免導(dǎo)線產(chǎn)生遷移現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)候，電流密度必須小于105A/cm2納米納米MOSFETMOSFET器件中的載流子器件中的載流子輸運(yùn)模型及其特征輸運(yùn)模型及其特征 半導(dǎo)體器件的

12、特征尺寸一直按照摩爾定律縮小，每三年半導(dǎo)體芯片的集成度增長一倍。預(yù)測，一個(gè)芯片上可以集成萬億晶體管。 要求晶體管的尺寸進(jìn)一步縮小到納米量級。邁恩德爾 新穎的MOSFET器件如圖2-40 經(jīng)典的半導(dǎo)體運(yùn)輸特征指出，載流子的輸運(yùn)特征可以用玻爾茲曼（BTE）來描述，但是求解困難。 為了方便求解，進(jìn)而發(fā)展的1、漂移擴(kuò)散模型（DDM）（載流子的運(yùn)動只與定域電場有關(guān)，適用于微米級別）2、流體動力學(xué)模型（HDM）3、玻爾茲曼模型（BTM） （微米以下級別適用）載流子的輸運(yùn)特征的表征載流子的輸運(yùn)特征的表征v 納米尺寸逐步縮小時(shí)，小尺寸的電導(dǎo)有很大起伏，這時(shí)候需要用到QTM（全量子輸運(yùn)模型）處理器的特征輸運(yùn)問題

13、。v 對于小尺寸MOSFET器件，為了防止源漏極穿透，溝道區(qū)內(nèi)的摻雜濃度必須較高，結(jié)果增大了MOSFET器件的閥值電壓，這就需要比較高的柵壓。而MOSFET器件一般工作在強(qiáng)反型狀態(tài)，形成勢阱，電子限制內(nèi)，在垂直于半導(dǎo)體表面的方向上形成一系列的量子化能級。v 求解器件中的每個(gè)x點(diǎn)上的y方向的一維薛定諤方程得到：QTM 基本理論框架基本理論框架 可以通過一定的載流子輸運(yùn)模型，求得溝道方向上的電荷分布，最后給出器件中的電流以及載流子密度，各能帶的分布等信息。載流子模型v 一般來說電子系統(tǒng)的分布函數(shù)滿足玻爾茲曼方程：求解很困難，需要簡化模型。1、漂移擴(kuò)散模型 漂移擴(kuò)散模型（DD），在微米級半導(dǎo)體器件模

14、擬中，占主導(dǎo)地位 電流密度滿足擴(kuò)散方程： 在高電場情況下，由于漂移速度飽和，考伊等人給出了方程：v 考慮到由于電場所導(dǎo)致的非穩(wěn)定效應(yīng)，公式2-92可以改進(jìn)為：結(jié)果證明：采用適用DD模型的2個(gè)公式，對于處理納米尺寸的器件的模擬是很有效。2、能量運(yùn)輸模型（、能量運(yùn)輸模型（ET） 電子電流方程為3、彈道輸運(yùn)模型v 器件幾何尺寸遠(yuǎn)小于電子平均自由程時(shí)，電導(dǎo)主要取決于帶結(jié)構(gòu)和器件幾何結(jié)構(gòu)，這就是所謂的準(zhǔn)彈道輸運(yùn)。v 器件的尺寸越小型化，器件中載流子的輸運(yùn)俞接近彈道輸運(yùn)。在深亞微米以及納米級的MOSFET器件中，載流子的輸運(yùn)就是準(zhǔn)彈道輸運(yùn)。v （1） 經(jīng)典彈道輸運(yùn)模型 （ 2）量子彈道輸運(yùn)模型3、量子耗散

15、輸運(yùn)模型 載流子從源極到漏極的輸運(yùn)過程中，經(jīng)過很多次散射，這一模型把納米級的MOSFET器件結(jié)構(gòu)看做由源極、漏極以及二者之間分布的一系列散射點(diǎn)構(gòu)成的。然后，他們與源極和漏極的不同在于他們只能改變載流子能量而不能改變系統(tǒng)中載流子的數(shù)目，所以稱為能量耗散輸運(yùn)模型。 最終電流可以用公式表征為：模擬結(jié)構(gòu)與分析模擬結(jié)構(gòu)與分析 從耗時(shí)上來看，DD模型和經(jīng)典彈道模型耗時(shí)最少，ET模型次之，量子耗散模型耗時(shí)極大，量子彈道輸運(yùn)模型耗時(shí)居中。如表2-1 若要得到精確的結(jié)構(gòu)，一般可采用量子彈道模型納米尺度MOSFET器件的DIBL效應(yīng)，如圖2-44所示v 基于量子機(jī)制下的納米MOSFET 器件模擬的理論框架，結(jié)合模

16、擬計(jì)算可以更好的模擬納米器件的性能。而經(jīng)典彈道模型是量子彈道模型的一個(gè)較好的近似，處理在低柵壓下二者有些偏差外其他區(qū)域都符合的很好，并且前者耗時(shí)大大短于后者，可以把經(jīng)典彈道模型用于電路級別的模擬。v 量子耗散模型是一個(gè)極耗時(shí)的模型，實(shí)用性不大！實(shí)際上，由于材料和器件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及半導(dǎo)體加工工藝的特殊性，要模擬出實(shí)際的特征曲線，還要求采用更精確的輸運(yùn)模型以及引入工藝的其他參數(shù)。目前，業(yè)界上常用的工藝模擬軟件有Synopays公司的Taurus-Tsu PREM4、Taurus-Process.器件模擬軟件有Taurus-medici、Davinci和Taurus-Device2.8 發(fā)展硅電子學(xué)

17、集成電路的限制v 硅半導(dǎo)體技術(shù)的性能和生產(chǎn)量都以指數(shù)形式增長，1960年到2000年，與二元開關(guān)有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換降低了5個(gè)數(shù)量級，同事每個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)量增加了9個(gè)數(shù)量級。v 增長速度受到傳統(tǒng)物理極限的限制而停止。主要有：v 1、基礎(chǔ)理論v 2、材料v 3、器件v 4、電路v 5、系統(tǒng) 與2001年的技術(shù)相比，每個(gè)芯片的晶體管數(shù)目還可以增加3個(gè)數(shù)量級，晶體管的最小臨界尺寸可以降低一個(gè)數(shù)量級。（1）基礎(chǔ)理論限制v TSL 中三個(gè)主要 基礎(chǔ)理論限制分別來自熱力學(xué)、量子力學(xué)和電磁學(xué)。v 單個(gè)能量轉(zhuǎn)換，Emin=(ln2)KT，其中K為玻爾茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，限制表面，為了辨別轉(zhuǎn)變信號，單個(gè)

18、電子在二元轉(zhuǎn)換中具有的能量應(yīng)與它的熱能相比擬。v 這種限制第一次由，約翰馮諾依曼 提出，利用公式海森堡不確定原理為第二基礎(chǔ)理論限制， 基于熱力學(xué)和量子機(jī)制的基礎(chǔ)理論限制導(dǎo)致在能量-弛豫平面有一禁區(qū)如圖2-45所示，在這個(gè)區(qū)域即使不考慮所采用材料，二元開關(guān)也不能工作。v 第三種限制來自于電磁學(xué)，可以簡單的表達(dá)為電磁沿長度為L的任何金屬連線或光纖中傳播時(shí)的飛行時(shí)間都受光速的限制，圖2-45 中區(qū)域A是任何材料的互連線收到這限制后的工作禁止區(qū)（2）基于材料限制 主要是指所采用的半導(dǎo)體材料、介電材料和金屬材料的性能，但是這些性能必須與器件的維數(shù)和結(jié)構(gòu)無關(guān)。 對硅材料而言，有開關(guān)能量、切換時(shí)間、熱導(dǎo)率、

19、摻雜波動四個(gè)限制；而多層布線系統(tǒng)中絕緣體的介電性能是另一個(gè)限制。v 開關(guān)能量限制取決于一個(gè)立方體材料中支撐選定的二元轉(zhuǎn)換電壓所必須的能量E值。這種限制能量可以用公式表達(dá)： 切換時(shí)間限制為電子穿過立方體單元所需要的最短時(shí)間間隔。這個(gè)切換時(shí)間限制可由公式表征： 熱導(dǎo)率限制定義了特定半導(dǎo)體芯片中單個(gè)晶體管可能耗散的最大功率P，在穩(wěn)態(tài)下P等于散熱率。功率耗散由v 在TSL高性能器件和電路中，需要的最小二元轉(zhuǎn)換電壓為0.5V。圖2-45 中C區(qū)有以上三個(gè)限制決定，是由硅材料限制引起的，不管什么結(jié)構(gòu)的硅晶體管都不能再這一區(qū)域工作 摻雜波動限制，可以用公式表述：半導(dǎo)體材料中摻雜原子數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨單元尺寸的減

20、小而可無限制的增加，暗示了器件尺寸降低到大約10nm時(shí)，將導(dǎo)致晶體管的柵電壓無限制上升v 第五種材料限制，電磁波飛行時(shí)間由公式?jīng)Q定：圖2-46 中點(diǎn)畫線軌跡介電常數(shù)為2時(shí)的曲線，對于大于2的任何連線，C區(qū)都是禁止區(qū)，介電常數(shù)小于2的介電材料通常由內(nèi)部包裹著氣體的薄的固體組成v TSL中最重要的器件-MOSFET器件決定了開關(guān)能量、切換時(shí)間和摻雜波動的限制；互連線決定了等待時(shí)間和串線限制。（3）基于器件的限制圖2-47，未來MOSFET器件的一種結(jié)構(gòu)框架，柵極為高導(dǎo)電材料，柵氧化層為絕緣材料，沒有摻雜的溝道為半導(dǎo)體硅。 在這種二元開關(guān)轉(zhuǎn)換中，儲存在MOSFRT器件的能量將會轉(zhuǎn)移，可以描述為其開關(guān)能量限制表達(dá)為： 小幾何尺寸的柵極電容表達(dá)為： 能量E的最小值與溝道長度L或在最小工作電壓下的最小MOSFET器件相對應(yīng)。 MOSFET器件本征開關(guān)延遲可以簡單的表示為載流子通過溝道從源極到漏極的渡越時(shí)間v 當(dāng)MOSFET器件的溝道長度最小時(shí)候，開關(guān)能量和開關(guān)延遲都是很小的值，這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)科學(xué)家探索到更小尺寸晶體的方法v 但是器件從不導(dǎo)通到完全導(dǎo)通的柵極電壓將急劇增加。而雙柵MOSFET