微纳电子材料与器件知识讲解
微纳电子器件3-3(总第十一次课)
Salicidation （硅化物沉积）
25
作业7
1. 解释下列名词： 多晶硅栅电极中的多晶硅耗尽效应
复习题（不用交）
1. 了解栅工程：金属栅（Silicide），高k栅绝缘层 2. 了解超浅结（USJ）
26
增益b
（复习）栅极氧化层减薄的限制
• 栅极氧化层减薄带来的不良后果：
– 泄漏电流: 增加功耗，器件特性劣化 – 可靠性：器件失效，影响寿命 – 多晶硅栅耗尽和反型层量子化：栅电容下降，
有效氧化层厚度增加
6
场效应晶体管技术和工艺的发展趋势 (Intel)
回顾
7
（复习）
1975，金属栅极NMOS
1980，CMOS with self-aligned（复习） poly-Si gate
1
第三章 硅基纳米CMOS器件技术
本章内容
1、MOSFET的演变（历史） 2、亚微米、 深亚微米MOS器件（85’-） 3、新型MOS器件（00’-） 4、SiP与3D集成（10’-）
2
2、亚微米、 深亚微米MOS管器件
• 漏工程
– LDD，FOND
• 沟道工程
– Halo，逆向掺杂（retrograde）结构
• 栅工程
– 金属栅（Silicide），高k栅绝缘层（MGHK）
• 超浅结（USJ）
（3）栅工程
• 优化栅材料和栅结构，以克服短 沟道效应
• 分两部分
– 栅电极
• 导电率，功函数
– 栅介质层
• 介电常数 • 厚度
3
栅极材料的要求
• 栅极材料的一般要求：
– 电阻率低 – 合适的功函数 – 热稳定性 – 机械和化学稳定性 – 与栅介质层附着力
信息功能材料与器件专业介绍
开设的主要专业课程：材料热力学、固体材料学、器件物理、纳米电子学、信息存储与显示、计算物理、扫描隧道显微学、薄膜物理与技术、高等结构分析、固体电子谱与离子谱等。
21世纪是以信息产业为核心的知识经济时代。
随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展，超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储已成为信息技术追求的目标。
信息的载体正由电子向光电子结合和光子方向发展；与此相应，信息材料也从体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向光电信息功能集成芯片和有机／无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。
历史发展表明，信息功能材料是信息技术发展的基础和先导；没有硅材料和硅集成芯片的问世，就不会有今天微电子技术；没有光学纤维材料的发明，砷化镓材料的突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，以及半导体激光器和超高速器件的发展，就不会有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术；可以预料，基于量子效应的纳米信息功能材料的发展和应用，人类必将进入一个变幻莫测、奇妙无比的量子世界，必将彻底地改变世界政治、经济格局和军事对抗形式，也将对人类的生产和生活方式产生深远的影响。
信息功能材料与器件是一个科学内涵极丰富、创新性极强、应用前景极广阔、社会经济效益巨大的领域，极有可能触发新的信息技术革命。
建议将下述关键信息功能材料与器件研发内容，列入国家中长期科学与技术发展规划，给以重点支持，符合国家长远利益和国家发展战略。
（1）微纳电子材料和器件：微纳电子材料和器件是信息产业的基础和核心，它的发展对带动我国相关产业实现技术跨越，提升我国经济和产业的国际竞争力，实现我国经济社会的可持续发展和保障国家安全等都有着不可替代的作用。
研究内容主要包括：ULSI用12－18英寸硅晶片和外延材料，SOI材料，高K和低K介质，金属互连，框架、封装材料以及基于纳米特征尺度的超大规模集成电路设计和集成芯片制造技术等。
（2）光电子材料与器件：光电子材料和器件是光通信、移动通信和高速信息网络的基础，它的发展和应用将极大地提高人民的生活质量，并对保障国家安全，提升我国高技术产业的国际竞争力具有至关重要作用。
微纳电子材料与器件
微纳电子材料与器件
微纳电子材料是指具有微米量级的物理尺寸的电子材料，例如金属、
半导体、玻璃等材料，它们可以用于制造各种电子器件。
这种电子材料的
特性是其尺寸极小且表面结构变化非常明显，使其应用范围可以大大扩展，并可以用来制造出更加复杂的电子器件。
微纳电子器件是以微纳电子材料为基础构建起来的小型及超小型的电
子器件。
它们的特点是具有微米量级的尺寸和超高的性能，可以实现更先
进的电子操作功能，并且有效地减少电子器件的体积和重量，从而可以在
更小的空间和更轻的重量内实现更多的功能。
此外，它们还可以更有效地
进行电子信息处理，得到更快的信息处理速度和更高的效率，从而大大提
高信息处理的速度和效率。
微纳电子器件的发展有助于推动电子技术的发展，它们可以替代传统
的电子材料和器件，实现更小巧、更高性能、更高效率的电子器件，因而
可以大大提高生产力和效率，进而可以更好地满足用户的需求。
微纳电子器件的应用领域也十分广泛。
电子学中的微电子器件和纳电子学
电子学中的微电子器件和纳电子学在当今电子技术飞速发展的时代，微电子器件和纳电子学是电子学领域中备受瞩目的研究方向。
它们不仅具有广泛的应用前景，而且可以为我们提供更灵活、更高效、更小巧的电子设备和系统。
本文将从微电子器件和纳电子学两个方面来介绍它们的基本概念、研究进展及应用前景。
微电子器件是指尺寸在微米级别的电子器件。
它主要应用于集成电路、传感器、激光器、光纤通信等领域，具有体积小、速度快、功耗低等优点。
其中最具代表性的就是集成电路。
作为计算机、手机等电子产品核心的集成电路，其重要性可想而知。
随着电子技术的不断进步，集成电路的制造工艺也在不断更新。
现在常用的工艺是CMOS工艺（互补金属-氧化物半导体），它能够制造出集成度更高、功耗更低的芯片。
此外，随着信息时代的来临，传感器在民用、工业、医疗等领域的应用也越来越广泛，这也使得微电子器件在未来的发展中将有更为广泛的应用前景。
而纳电子学则是指研究纳米级别下材料的电子性质和应用的学科。
与微电子器件相比，纳电子学的尺寸更小，结构更复杂，涉及到的物理和化学现象也更为微妙。
其中的纳米材料，如纳米线、纳米管、纳米颗粒等，可以在光电、磁电、荧光、热学等多个领域中发挥独特的性能。
以染料敏化太阳能电池为例，其关键组件就是纳米级的二氧化钛薄膜，它能够吸收太阳光，并将其转换为电能，使得太阳能电池具有更高的转换效率。
在生物医学领域，纳米材料也受到了广泛的关注，例如通过包覆纳米颗粒的方式，可以改善药物的生物分布和毒副作用，实现精准治疗。
在微电子器件和纳电子学的研究中，材料的制备是非常重要的一环。
传统材料制备工艺大多采用物理或化学手段，但在微型尺度下，这些工艺已经不再适用。
因此，研究人员就开始尝试新的制备方法。
近年来，利用生物、化学、物理等交叉学科的知识，在微电子器件和纳电子学领域出现了一些新的材料制备技术，如DNA自组装、容量耦合、微流控等。
这些技术使得微电子器件和纳电子学的研究更加多样化和创新性。
微纳电子器件的制备及性质研究
微纳电子器件的制备及性质研究一、介绍微纳电子器件微纳电子器件是指尺寸在微米甚至纳米级别的电子器件。
由于其尺寸小、功耗低、速度快、密度高等特点，被越来越广泛地应用于各类电子设备中，例如智能手机、电脑、网络等。
因此，微纳电子器件的制备及性质研究备受关注。
二、微纳电子器件的制备方法1.纳米雕刻法纳米雕刻法是将非平面或平面的硅片表面通过化学和物理反应方式进行加工，以形成纳米级别的结构。
这种方法可以取得高精确度、光滑表面、低成本，适用于各种微电子器件的制备。
2.光刻法光刻法是将光敏树脂涂覆在硅片表面，利用掩膜、光刻机等设备对光敏树脂进行局部照射，并用化学反应去除未暴露的部分来制作器件。
这种方法适用于制备细线路、超高分辨率的微型器件。
3.离子束刻蚀法离子束刻蚀法是将离子注入精确控制的区域，以制备细小结构。
该方法可精确地刻画像金属线、金属阻抗器、微芯片等微型器件。
4.分子束外延法分子束外延法是一种特殊的蒸发方法，其核心是利用气相淀积，控制化学反应和多种氧化物的表面平衡来生成微电子器件。
常用于制备集成电路等设备。
三、微纳电子器件的性质研究1. 器件性能测试在微纳电子器件的研究中，需要对其进行全面性能测试。
例如，必须测试器件的电荷传输、感应等性能；通过内部结构和工艺参数的分析，验证其实际工作效果是否符合要求。
2. 构建自组装器件自组装是通过液滴等小分子自组装来建筑微年代器件。
例如，可以利用自组装法制造纳米线、纳米槽、纳米钉等各种微观尺度结构器件。
3. 研发新型材料微纳电子器件的性能取决于材料使用。
因此，进一步研发新型的半导体材料、纳米材料等，对于微纳电子器件的发展至关重要。
例如，磁性材料可以用于制备非插入式磁性储存器、磁性量子比特等器件。
4. 模拟器件性质除了实际测试微纳电子器件性能外，还需要利用模拟器件进行性质模拟和预测。
这会让研究者更深入地了解器件的性质和问题，为更好地解决设计和制造方面的挑战提供有益的信息。
大一微电子学概论知识点
大一微电子学概论知识点微电子学是研究微型电子器件和电路的学科，是现代电子技术中的重要组成部分。
本文将介绍大一微电子学概论中的一些重要知识点，帮助读者快速了解该学科的基础内容。
一、半导体材料半导体材料是微电子学研究中的基础。
常见的半导体材料有硅和锗，其特点是导电性介于导体和绝缘体之间。
在半导体材料中，电子的能级分布对电子行为和电路性能起到重要影响。
当外界施加一定电压或热能时，半导体材料的导电性会发生改变，进而实现电子器件的控制和操作。
二、PN 结和二极管PN 结是由P 型半导体和N 型半导体直接接触形成的结构。
当两者接触时，PN 结会形成一个带电的耗尽区域，导致电子和空穴的扩散和漂移。
二极管是由PN 结构成的最简单的电子器件，具有只允许单向电流通过的特性。
在正向偏置时，二极管导通，电流通过；在反向偏置时，二极管截止，电流不能通过。
二极管在电子电路中广泛应用于整流、限流等基本功能。
三、晶体管晶体管是一种由三层或四层半导体材料组成的电子器件。
常见的有NPN 和PNP 两种类型。
晶体管具有放大电流和控制电路的作用。
在电子电路中，晶体管通常用作电压放大器和开关，广泛应用于无线通信、计算机和电子设备中。
四、场效应管场效应管是一种半导体器件，根据电场的作用调节电流。
常见的场效应管有MOSFET 和JFET 两种类型。
MOSFET 是现代集成电路中最常用的器件之一，具有功率小、速度快、噪音低等优点。
场效应管在电子产品中扮演着重要的角色，如放大器、开关、模拟电路等。
五、数字逻辑门数字逻辑门是由逻辑功能的电路元件组成的电子器件。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
逻辑门能够通过逻辑电平的输入和输出实现基本的逻辑运算，用于数字电路中的计算和控制。
它们是计算机和数字电子设备中最基本的组成部分。
六、集成电路集成电路是在单个芯片上集成了大量电子器件和电路的电子元件。
根据集成度的不同，可以分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）和大规模集成电路（LSI）等。
微纳电子器件3-1(总第九次课)
微纳电子器件陈 军课程内容简介• 微纳电子器件发展1. 2. 3. MEMS/NEMS器件 柔性微纳电子器件 真空微纳电子器件1. 硅基CMOS器件 的发展 2. 小尺寸硅基 CMOS器件面临 的问题 3. 硅基纳米CMOS 器件技术 1. 碳纳米管和纳米线器件 2. 石墨烯纳米电子器件 3. 其它新型纳电子器件1答 疑• 动态功耗与短路功耗区别 • DRAM芯片面积为什么要增大？ • 冗余技术如何实现？第三章 硅基纳米CMOS器件技术2小尺寸MOS器件的物理效应• 栅氧化层减薄的限制 • 短沟道效应（SCE） • DIBL效应与源漏穿通及次开启 • 热载流子效应（HCE） • 栅感应漏极漏电（GIDL） • 源漏区串联电阻的影响 • 迁移率的退化和漂移速度饱和 • 量子效应的影响 • 杂质随机分布的影响: discrete effects • 软失效 • ……………..器件尺寸缩小造成的副效应分类• 一类是灾难性的，即影响器件的功能和可靠性• Heat death • 热载流子效应 • 软失效效应• 一类是尺寸缩小并不能改善VLSI的性能，而是起 反作用• 连线RC延迟 • 单个器件的性能下降– 载流子速度饱和 – S/D的串联电阻63Economics: factory cost also follows Moore’s law!Limits4如何解决器件缩小受到的限制？ 如何集成更多的器件？解决方案• 器件层面– 新材料，新结构，新工艺• 芯片系统层面– MCM（多芯片组装） – 多核（Multicore MPU） – SiP（System in Package） – 3D-IC（三维集成）• 相关问题：散热：微流体5解决方案• 器件层面– 新材料，新结构，新工艺• 芯片系统层面– MCM（多芯片组装） – 多核（Multicore MPU） – SiP（System in Package） – 3D-IC（三维集成）• 相关问题：散热：微流体新材料与新结构举例• 新材料– new channel materials: strained Si, Si/SiGe heterostructures – new gate insulators: high-K dielectric, such as HfO – new gate conductors: metal gate, such as fully silicided gate（FUSI）• 新器件结构– SOI, double gate, trigate （FInFET、nanowire）6场效应晶体管技术和工艺的发展举例 (Intel)从第二节起仔 细介绍解决方案• 器件层面– 新材料，新结构，新工艺• 芯片系统层面– MCM（多芯片组装） – 多核（Multicore MPU） – SiP（System in Package） – 3D-IC（三维集成）• 相关问题：散热（微流体）7Nature 2016.2.11本章内容1、MOSFET的演变（历史） 2、亚微米、 深亚微米MOS器件（85’-） 3、新型MOS器件（00’-） 4、SiP与3D集成（10’-）81、MOSFET的演变（历史）• 先了解发展的总体picture70年代早期，金属栅极PMOS•From MIT课件91975，金属栅极NMOS1980，CMOS with self-aligned poly-Si gateGate-first101985，Lightly-doped drainMOSFET (LDD-MOSFET) Silicide(self-aligned silicide)MOSFETMOSFET with p-pocket or haloimplantsSub-0.1 μm MOSFETNew device architecture: Silicon-on-Insulator (SOI)AFigure 25.1.1 in: Shahidi, G.G., et al. “Partially-depleted SOI Technology for Digital Logic.” International Solid-State Circuits Conference, San Francisco, CA, Feb. 15-17, 1999. Digest of Technical Papers. New York, NY: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1999, pp. 426-427New device architecture:Dual-gate MOSFETFigure 26&29 in Taur, Y., et al. "CMOS Scaling into the Nanometer Regime."Proceedings of the IEEE 85, no. 4 (1997): 486-504Intel’s current (public) view ofMOSFET scaling...Chau, R., et.al. “Advanced CMOS Transistors in the Nanotechnology Era for High-Performance, Low-Power Logic Applications.” In Proceedings of the 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. Beijing, China: IEEE Press, 2004, pp. 26-30.Key conclusions•MOSFET scaling has taken place in a harmonious way with。
12.从微电子器件到纳电子器件PPT课件
微光刻与微纳技术历程和发展趋势
建设一家
光 刻 工 艺 特 征 尺 寸
8.0 um 5.0 um3〞 3.0 um 4〞
45nm技术节点、12英寸
3〞
集成电路制造厂 30-35亿美圆
2.0 um
4〞
1.3 um
16G
0.8 um 0.5 um 0.35um 0.25um 0.18um 0.13um 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm
1
电子
0
开关一次只要几个电子
•电
子
s
gd
电子自由程与器件的物理长度相比拟
纳电子器件的主要特征
纳电子器件的元件尺寸的与物理长度相比拟，失去了统计平均 性，以量子效应和统计涨落为主要特性，与信息加工有关的量 子系统主要有以下几个基本特性：
• 叠加性 (superposition) • 相干性 (interference) • 牵连性 (entanglement)：一个系统的某个定义态与它的部分
态的牵扯 • 不确定性 (uncertainty): 即使没有干扰，也不能准确知道一
个量子态是否被占据
纳电子器件中的四个基本现象 G
• 电导量子化：即电导或电阻是 量子化的，不再遵循欧姆定律 电导量子化 V
• 库仑堵塞现象：导体中纳米隙小于电子自由程时，会发生电 子隧穿，而隧穿前后隙两侧的电位发生变化。 I
2. DNA 生物计算机： DNA分子上包含大量的遗传密码，它能 通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。 DNA 计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应 前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算 结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。
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纳米材料发展简介
❖ 1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman说过：“如果有一 天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇 迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实 。
❖ 1982年，IBM公司苏黎世研究所Binnig和Rohrer发明了扫描 隧道显微镜(STM),这项发明为纳米科技的发展起到巨大的 促进作用。
(a) Schematic representation of the transfer process to invert the VA-MWNT array onto a polystyrene thin film,
(b, c) SEM images of the invert VA-MWNT array.
纳米结构与低维性的概念
❖ 纳米材料：指材料在三维空间中至少有一维处于纳米尺度
范围内的，或由纳米基本单元构成的材料。
❖ 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑
或营造一种新的体系,它包括一维的、二维的、三维的体系 。
❖ 纳 米 结 构 通 常 是 指 0.1 ～ 100nm 的 超 微 结 构 , 在 这 种 尺 度
介观体系的材料。
❖ 低维性：指的是维数小于三，具体来说就是二维、 一维和零维
d=3，完全不受 量子约束
三维（3D）
定义d为维度
d=2，一个方向上 受到量子约束
二维（2D）
d=1，两个方向上 受到量子约束
d=0，三个方向上 受到量子约束
一维（1D） 零维（0D）
纳米材料根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度定义
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
❖ 经过兩位德国科学家的长期观察研究，即在1990 年代初终于揭开了荷叶叶面的奧妙。
原來在荷叶叶面上存在着非常复杂的多种纳米和 微米级的超微结构。
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空间内研究物质和材料的电子、原子和分子运动规律、特性 的高新技术学科称为纳米技术。
纳米材料尺度为1-100nm的理由：
➢ 由于这个尺度范围材料的特性所确定。 ➢ 因为这些材料的基本单元往往具有量子特性。 ➢ 该尺度内材料的基本物理、化学和力学特性都有很多特殊
之处 ➢ 有时会把1∼100nm称为介ontacts to one- and two-dimensional nanomaterials
Figure 1 | Examples of nanomaterial-based devices.
Figure 2 | Contact geometries. a-d, Two examples of end-bonded contacts to nanostructures.
荷花为什么出污泥而不染
许多植物表面，如荷叶面具有 超疏水(superhydrophobicity)及 自洁(self-cleaning)的特性。 荷叶表面疏水、始终永遠保持一 尘不染。
荷叶效应
水珠会夹带灰尘颗粒离开叶面
在表面张力作用下，水与 超疏水表面会有一接触角
为什么会有这种“荷叶效应”？
零维:指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、团簇 人造原子。
一维：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、 纳米管、纳米纤维。
二维:指在三维空间中有一维在纳米尺度，如纳米带、超薄 膜、多层膜。
三维:指在三维空间中有零维在纳米尺度，如纳米块体材料。
C60富勒烯
纳米微粒
原子团簇
Nano Carbon Tube
Silicon Nanowire
纳米结构的低维性带来的性质
小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 库仑阻塞与量子隧穿效应 介电限域效应
四大基 本效应
文献讲解
Fig. S12. Effect of the plasma etching on adhesion forces. (a-d) Typical top view of VAMWNT film before (a, c) and after (b, d) adhesion measurements, (a, b) without and (c, d) with oxygen etching. (e)The dependence of shear and normal adhesions on nanotube length after plasma etching. The vertical and horizontal bars represent the deviations of the force and nanotube length measured for more than 20 samples of the same class, respectively.