硅基应变与SOI技术-21世纪的硅集成电路技术.pptVIP

硅基应变与SOI技术-21世纪的硅集成电路技术 西安电子科技大学 微电子学院·14081 戴显英 2011.4.2 集成电路的应用 摩尔定律（Moore’s Law） -微电子发展的规律 1964年Intel合作创始人Gorden Moore首次提出； 价格保持不变的情况下晶体管数每12月翻一番， 1980s后下降为每18月翻一番； 最小特征尺寸每3年减小70%； 价格每2年下降50%； Amazingly still correct, likely to keep until 2010 “元件成本最小化”是“摩尔定律”背后的根本推动力。 国际半导体技术路线图 ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor） 由美国半导体工业协会（SIA）制定 按此蓝图，到2018年，MOS器件的栅长将缩小到10nm,电学沟道长度仅为7nm，单个芯片上的晶体管数量将达到1011(1000亿）以上。 体硅器件尺寸缩小后遇到的部分问题 当MOSFET尺寸缩小到100nm以下时，栅氧化层的等效厚度小于3nm, 隧穿效应和栅介质层的电场很大，其漏电流和可靠性将十分严重。必须寻找新的高K栅介质材料! 沟道长度缩短到接近载流子平均自由程时，使原有的载流子平衡输运理论不再适用。必须建立新的器件物理模型! 深亚微米器件互连线所占面积几乎与器件面积相等； 在特征尺寸小于250nm以后，Al互连的RC延时将主宰整个电路延时； 130nm之后，Cu互连的延迟时间也将成为影响电路性能的主要因素。 当今IC工艺的三大关键技术 1.Cu互连：1998，IBM、intel、AMD。 2.SOI：1965年提出，在130nm工艺中又重新应用。 3.应变Si：1960‘s提出理论，2004年12月IEDM，IBM、Intel、AMD等同时发表； IBM综合应用SOI、应变Si和Cu互连技术的微处理器 Why Strain? 张应变Si的价带分裂 硅基应变材料 应变Si、应变SiGe、应变SiC Why SiGe? 材料特性：电子和空穴迁移率均高于Si； 与Si工艺兼容：工艺成熟、成本低； SiGe/Si应变异质结：能带工程取代掺杂工程； SiGe HBT：频率特性好； SiGe BiCMOS：RF应用，可取代GaAs； SiGe HBT技术 SiGe HBT在国外已经成熟，主要应用RF电路与高速电路。 1996年，巴尔的摩公司的S波段230W SiGe HBT脉冲功率晶体管，工作频率为2.8GHz。 2002年，IBM特征频率高达350GHz的SiGe HBT。 2004年，Germany IHP公司制造出 fT=300GHz，fmax＝250 GHz，门延迟时间小于3.3ps的SiGe HBT； 2004年，Germany Infineon公司制造出fT=225GHz，fmax＝300 GHz，门延迟时间小于3.2ps的SiGe HBT； 2004年，IBM公司制造出fT=300GHz，fmax＝350 GHz，门延迟时间小于3.3ps的SiGe HBT。 SiGe应用 SiGe HBT：脉冲功率晶体管（X/S波段雷达） SiGe BiCOMS：RF领域（手机） SiGe光电集成：探测器、激光器、光调制器等 SiGe的主要市场：通讯 SiGe的集成电路产品 分频器、集成电压控制振荡器(VCO)、低噪声放大器(LNA)系列、A/D转换器、D/A转换器、比较器、混频器、功率放大器、移动电话电路、低相位噪声晶体管、双极异质结晶体管（HBT）、宽带低噪声SiGe晶体管、低相位噪声振荡器、中频放大器、射频低噪声放大器、射频驱动放大器、5.2GHZ单片收发器、GPS接收器、射频收发前端、单片收发前端芯片、大动态范围混频器、综合器、双频带混频器系列、信频器、多速率时钟恢复和限制放大器、多速中串并/并串转换器接口、单片限制放大器、跨阻放大器、RSP单片收发器和高速光纤收发模块，等等。 Why Strained Si? 材料特性：载流子迁移率增强； 器件与电路结构：与体Si完全相同； 应力引入：仅沟道层应变； 工艺节点：90nm及以下工艺采用； Strained Si工艺 压应变Si：SiGe源漏，制备PMOS； 张应变Si：SiN帽层，制备NMOS； 局域应变：工艺致单轴应变Si Strained Si by DSL 层压两层SiN膜可将nMOS晶体管的驱动能力提高15%； 可层压5层的SiN。 全局应变：晶圆级外延双轴应变Si SiGe虚衬底：张应变Si 工艺节点：90nm以上工艺 生长工艺：MBE、UHVCVD、RPCVD 局域双轴应变Si SiGe虚衬底的选择性外延 Strain