微电子技术学科前沿-FinFET-SiGe.ppt

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1、微电子技术前沿微电子技术前沿 微电子中的人类智慧微电子中的人类智慧 深掏滩，低垒堰 云盘山云盘山-三星堆三星堆-金沙金沙-望帝望帝/从帝从帝-都江堰都江堰 古蜀文化是人类文明的宝贵财富古蜀文化是人类文明的宝贵财富 因势利导，化不利为有利因势利导，化不利为有利-造就了成都平原造就了成都平原的富庶的富庶 在微电子技术中，到处闪耀着人类智慧在微电子技术中，到处闪耀着人类智慧 能攻心则侧反自消能攻心则侧反自消,自古知兵非好战自古知兵非好战 不审势则宽严皆误不审势则宽严皆误,后来治蜀要深思后来治蜀要深思 本课尝试：本课尝试：1.1.介绍有关微电子技术的更广泛的知识介绍有关微电子技术的更广泛的知识 2.2

2、.介绍一些重要器件与电路发明的思路介绍一些重要器件与电路发明的思路 希望大家不仅仅是从专业上理解本课内容希望大家不仅仅是从专业上理解本课内容 微电子技术前沿微电子技术前沿 微电子中的人类智慧微电子中的人类智慧 Fin-FET BackgroundnFirst developed by Chenming Hu and colleagues at the University of California at Berkeley,which attempts to overcome the worst types of short-channel effect encountered by deep

3、 submicron transistors.Fin-FET BackgroundnThese kinds of effects(SCE)make it harder for the voltage on a gate electrode to deplete the channel underneath and stop the flow of carriers through the channel in other words,to turn the transistor Off.Gate cant control the leakage current paths that are f

4、ar from the gateIntroduction to Double-Gaten nThe gate controls a thin body from two sides.Double-Gate MOSFET Structure optionsDoubleGate vs.TriGate FETDoubleGate vs.TriGate FETn nThe DoubleGate FET does not require a highly selective gate etch,due to the protective dielectric hard mask.n nAdditiona

5、l gate fringing capacitance is less of an issue for the TriGate FET,since the top fin surface contributes to current conduction in the ON state.Fin-FET Structure EvolutionIntel Tri-Gate TransistorIntel Tri-Gate TransistorGATEFIN 微电子中的人类智慧微电子中的人类智慧窄禁带异质源漏区MOSFET结构 SiGe源区源区SiGe漏区漏区Si衬底衬底SiGe源漏区源漏区MOSF

6、ET带来的器件性能改善带来的器件性能改善1.消除闭锁效应消除闭锁效应n n闭锁条件：PNP*NPN1窄禁带异质源漏区MOSFET的寄生BJT的发射极为异质结，其异质结的与同质结的关系为：从上看出，窄禁带异质材料的禁带越窄与相对应的衬底材料的禁带宽度差Eg就越大，其 就会越小。由此可得出，窄禁带异质发射结具有低的特点。2.消除寄生BJT对MOS器件耐压的影响 由于寄生双极晶体管的存在，使得MOSFET的源漏击穿电压BVDS由寄生BJT的BVCEO决定。寄生BJT的BVCBO与BVCEO之间的关系为：n nSiGeSiGe发射区发射区发射区发射区HBTHBT的应用的应用的应用的应用1).SiGe1

7、).SiGe源区功率源区功率MOS/IGBTMOS/IGBT2).SiGe2).SiGe源区源区CMOS CMOS 3).SiGe3).SiGe阳极阳极LIGBTLIGBT4).SiGe4).SiGe快恢复二极管快恢复二极管HBT Heterojunction Bipolar TransistorHeterojunction Bipolar Transistor 异质结双极型晶体管HBT的背景的背景n n随着现在微波通讯技术的不断发展，人们要随着现在微波通讯技术的不断发展，人们要求通讯频及带宽越来越高。同时，也在不断求通讯频及带宽越来越高。同时，也在不断寻找低功耗、低成本、低噪声的器件。寻找低

8、功耗、低成本、低噪声的器件。n n当前，当前，Si Si器件技术占据大规模集成电路的主器件技术占据大规模集成电路的主流，其价格低廉、集成度高、技术成熟，但流，其价格低廉、集成度高、技术成熟，但是由于通讯频率的不断升高，客观上要求是由于通讯频率的不断升高，客观上要求Si Si器件越做越小，这在一定程度上受到技术和器件越做越小，这在一定程度上受到技术和设备的限制，因此寻找新的器件材料成为迫设备的限制，因此寻找新的器件材料成为迫切的要求。切的要求。HBT的背景的背景n n普通双极型晶体管要作到超高速和超高频一般是普通双极型晶体管要作到超高速和超高频一般是较困难的超高速晶体管应当是发射区掺杂浓度低较困

9、难的超高速晶体管应当是发射区掺杂浓度低,基区掺杂浓度高基区掺杂浓度高,而且而且hFEhFE也适当高的一种晶体管也适当高的一种晶体管n n采用禁带较基区材料要宽的半导体做发射区采用禁带较基区材料要宽的半导体做发射区,能做能做出超高速出超高速,超高频的双极晶体管超高频的双极晶体管半导体异质结半导体异质结n n由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面的晶体界面(过渡区过渡区)n n不同物理参数包括不同物理参数包括:禁带宽度禁带宽度(Eg),(Eg),功函数功函数,电子亲和电子亲和势势,介电常数等介电常数等基区材料要禁带较宽的半导体做发射区基区材料

10、要禁带较宽的半导体做发射区根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。半导体材料与窄禁带半导体材料。n n若禁带宽度若禁带宽度EgEg2ev2ev（电子伏特），则称为窄禁带（电子伏特），则称为窄禁带半导体；半导体；n n若禁带宽度若禁带宽度Eg=2.0-6.0evEg=2.0-6.0ev，则称为宽禁带半导体。，则称为宽禁带半导体。n n宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良

11、好的化学稳定性等特数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件密度集成的电子器件异质结能带图异质结能带图双极型晶体管双极型晶体管 如果想如果想 f f，需，需 WbWb，而，而Wb Wb 穿通电压穿通电压 和厄和厄利电压利电压。如果想如果想 ,需需 NeNe和和 NbNb；NbNb与与 WbWb有同样有同样问题，问题，NeNe受禁带变窄效应限制。受禁带变窄效应限制。HBTHBT可解决上述矛盾。注入效率足够高可解决上述矛盾。注入效率足够高 Wb Wb 而不穿通而不穿通f f 。BJT中的矛盾用异质

12、结改进用异质结改进BJTn n在在异异质质结结中中，由由于于基基区区带带隙隙变变窄窄，使使得得发发射射区区与与基基区区的的导导带带距距离离缩缩小小，发发射射区区的的电电子子从从发发射射区区的的导导带带跃跃迁迁到到基基区区的的导导带带所所需需的的能能量量更更少少，更有利于发射区电子的注入。更有利于发射区电子的注入。n n同同时时由由于于发发射射区区与与基基区区的的价价带带距距离离变变大大，空空穴穴从从基基区区的的价价带带跃跃迁迁发发射射区区的的价价带带将将需需要要用用去去更更大大的的能能量量，从从而而有有效效的的防防止止基基区区的的空空穴穴反反注注入入发射区，提高了电流放大倍数发射区，提高了电流

13、放大倍数 的值。的值。n n即使基区掺杂浓度即使基区掺杂浓度NBNB比发射区杂质浓度比发射区杂质浓度NENE高高得多，指数因子仍然可以使得多，指数因子仍然可以使HBTHBT具有足够的电具有足够的电流放大倍数。高的基区掺杂还有利于减小基区流放大倍数。高的基区掺杂还有利于减小基区方块电阻；同时，通过降低基区厚度，还可降方块电阻；同时，通过降低基区厚度，还可降低基区渡越时间。低基区渡越时间。n n如果在基区通过浓度的缓变，基区将会形成能如果在基区通过浓度的缓变，基区将会形成能带弯曲，产生新的梯度场，这样发射区注入的带弯曲，产生新的梯度场，这样发射区注入的电子在基区不仅有扩散速度，而且具有基区梯电子在

14、基区不仅有扩散速度，而且具有基区梯度场所引起的漂移速度，从而大大的加快了电度场所引起的漂移速度，从而大大的加快了电子的输送速度，也就使得子的输送速度，也就使得 达到一个更大的值。达到一个更大的值。用异质结改进用异质结改进BJT 通过使用通过使用HBTHBT尽管得到近似于尽管得到近似于BJTBJT基极基极一样的电流，但集电极电流由于窄带一样的电流，但集电极电流由于窄带隙的作用增大了很多倍。相应的模拟隙的作用增大了很多倍。相应的模拟参数厄利电压（参数厄利电压（VAVA）也得到了大幅度）也得到了大幅度地提高，从而导致地提高，从而导致VAVA模拟参数迅速模拟参数迅速增加。至于频率特性，由于异质结的增加

15、。至于频率特性，由于异质结的作用而导致基区转移时间以及发射区作用而导致基区转移时间以及发射区转移时间的下降，所以即使在很低的转移时间的下降，所以即使在很低的基极电流下也可以得到很高的截止频基极电流下也可以得到很高的截止频率（率（fTfT）。最大振荡频率（）。最大振荡频率（fMfM）与集）与集电极、基极电容（电极、基极电容（CjbCjb）以及基区电）以及基区电阻有关，为了提高最大振荡频率，集阻有关，为了提高最大振荡频率，集电极、基极电容可以通过适当的集电电极、基极电容可以通过适当的集电极掺杂和减少发射区的宽度（典型的极掺杂和减少发射区的宽度（典型的低于低于1m1m）,基区电阻降低可以通过自基区电

16、阻降低可以通过自对准工艺来实现。对准工艺来实现。异质结双级晶体管的结构特点异质结双级晶体管的结构特点n 具有宽带隙的发射区大大提高了发射结的载 流子注入效率n 功率密度高 n 相位噪声低线性度好结构图解结构图解 HBTHBT适用范围适用范围:低相位噪声振荡器低相位噪声振荡器 高效率功率放大器高效率功率放大器 宽带放大器宽带放大器SiGeHBT水平结构图GaSeHBT结构图(2)LDMOS LIGBT 阳极短路阳极短路 LIGBTSINFET-SiGe阳极阳极LIGBT n n结构结构n n原理原理n n优缺点优缺点n nLDMOS-LDMOS-LIGBT-LIGBT-SINFET-SINFET

17、-阳极短路阳极短路LIGBTLIGBT S S LD LD高高高高 S S LIGBT LIGBT低低低低 S S SIN SIN=S=S LD LD S S LIGBT LIGBT S S阳短阳短阳短阳短 S S LD LD R RONON大大大大 R RONON大大大大 R RON ON LD RLD R LIGBT LIGBT R RON ON LDLDSiGeSiGe阳极阳极LIGBTLIGBT：特点与：特点与SINFETSINFET相近，然而速度和可控、便于相近，然而速度和可控、便于大规模生产大规模生产 n沟道SINFET截面图p-subn-epi肖特基接触肖特基接触pp+n+KGA锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管（续）锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管（续）窄禁带异质SiGe源区IGHBT窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极IGHBT阳极短路IGHBT