先進(jìn)半導(dǎo)體電子材料

先進(jìn)半導(dǎo)體電子材料15.1材料優(yōu)值的概念

5.2硅

5.3硅基材料

5.4化合物半導(dǎo)體材料

5.5金剛石25.1材料優(yōu)值的概念某類器件究竟采用哪種材料更合適？材料的某些基本性質(zhì)決定的材料優(yōu)值，并用此材料優(yōu)值來定量比較3常用的幾種材料優(yōu)值約翰遜優(yōu)值凱斯優(yōu)值巴利加優(yōu)值高頻器件用材料優(yōu)值熱性能優(yōu)值45.1.1約翰遜優(yōu)值最大輸出功率：電壓最高工作頻率：載流子的速度結(jié)電容一定時(shí)，功率和頻率的乘積為常數(shù)

─擊穿電場強(qiáng)度─載流子飽和漂移速度5頻率和功率的乘積晶體管的截止頻率fT與最高外加電壓Vm之間是相互制約的6第一材料優(yōu)值約翰遜優(yōu)值或者第一材料優(yōu)值越大，材料的功率和工作頻率越高材料SiGaAsGaPGaNAlN3C-SiC6H-SiC金剛石Eb/(V/cm)Vs/(cm/s)F10.379.910.419.82.160.7142.684.124.827.761.4418.27.151.54208.4132016.38724.847.39常見幾種材料的第一材料優(yōu)值7

幾種材料的Vm與fT的關(guān)系85.1.2凱斯優(yōu)值高頻器件的尺寸受到熱導(dǎo)率的限制，凱斯優(yōu)值評價(jià)材料在制作高速器件時(shí)適合程度的量化標(biāo)準(zhǔn)為材料的相對介電常數(shù)為熱導(dǎo)率，反映了材料的熱性質(zhì)對晶體管開關(guān)性能的限制，凱斯優(yōu)值越大，器件尺寸越小9材料SiGaAsInPGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiC金剛石Vs/(107cm/s)εκ/[w/(cm·K)](300K)K1.011.81.512.012.80.460.410.462.0\14.00.70.6081.411.10.50.492.59.51.51.751.828.72.52.622.02.59.73.25.03.345.82.02.510.33.65.03.655.122.75.52030.77常見半導(dǎo)體材料的κ值105.1.3巴利加優(yōu)值評價(jià)材料用于大功率開關(guān)器件的潛力巴利加優(yōu)值越大，器件功率越大GaN385.8不同材料所制場效應(yīng)器件的通態(tài)電阻與其B值成反比。有人把B值稱為低頻器件的材料優(yōu)值或第三材料優(yōu)值F3.

11材料SiGaAsGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiCN型金剛石P型金剛石帶隙Eg/eVεEb/(107cm/s)μ/[cm2/V·S]B1.1211.80.37150011.4312.90.485007.832.2611.10.71100.473.499.564.1525385.86.288.7314.4109031.6922.49.751.5480031.773.110.33350108.575.55.557190040345.55.55715003185常見材料的巴利加優(yōu)值125.1.4高頻器件用材料優(yōu)值器件的最小功耗第四材料優(yōu)值F4為材料的高頻器件優(yōu)值13在同一工作頻率下，器件的功耗隨著優(yōu)值F4的增加而減少，工作頻率越高，下降幅度越大對同一材料所制器件的最小功耗隨著工作頻率提高而增大F4越大，器件的功耗越低14材料SiGaAsGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiCn型金剛石p型金剛石Eb/(107cm/s)μ/[cm2/V·S]F40.37150010.485006.620.71100.264.15254314.410901100.671.548009.24335015.3471900453.3771500357.93常見半導(dǎo)體材料的F4值155.1.5熱性能優(yōu)值反映了某種材料所制作的功率器件在高溫工作狀態(tài)下的優(yōu)值，三個(gè)熱性能優(yōu)值：165.1.5熱性能優(yōu)值材料SiGaAsGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiCn型金剛石p型金剛石QF1QF2QF3(B)1112.42.67.80.150.30.47385.84.3×103385.85.3×1042.1×1063.2×10767.8282,131.8260.62.1×103208.63.4×1041.0×1064.0×1034.2×1048.0×1053.2×103幾種半導(dǎo)體材料的熱性能優(yōu)值175.2.1硅材料的優(yōu)點(diǎn)資源豐富、易于提高到極純的純度較易生長出大直徑無位錯(cuò)單晶易于對進(jìn)行可控n型和p型摻雜易于通過沉積工藝制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料18易于進(jìn)行腐蝕加工帶隙大小適中硅有相當(dāng)好的力學(xué)性能硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料19可利用多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻歐姆接觸容易截?cái)嗷蛘呓饫砉杈w硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層－－SiO220不同類型的IC、集成度和加工工藝要求采用相應(yīng)類型的材料及要求不同的加工深度和電學(xué)參數(shù)一般MOS電路多用直拉（CZ）拋光片（PW）對高集成度MOS或CMOS電路，為削除軟失效（Softerror）和閂鎖（latch-up）效應(yīng)，多使用外延片（EPW）5.2.2集成電路（IC）對Si材料的基本要求215.2.3多晶硅的優(yōu)點(diǎn)多晶硅具有接近單晶硅材料的載流子遷移率和象非晶硅那樣進(jìn)行大面積低成本制備的優(yōu)點(diǎn)重?fù)诫s的多晶硅薄膜作為電容器的極板、浮柵、電極等輕摻雜的多晶硅薄膜常用于MOS存儲器的負(fù)載電阻和其他電阻器22多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的載流子遷移率、更快的開關(guān)速度、更高的電流驅(qū)動能力、可與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)235.2.4非晶硅的優(yōu)點(diǎn)非晶硅薄膜是器件和電路加工所用表面鈍化膜材料之一對活性半導(dǎo)體表面進(jìn)行鈍化對提供器件性能、增強(qiáng)器件和電路的穩(wěn)定性、可靠性；提高其封裝成品率等有重要作用24非晶硅鈍化機(jī)理和特點(diǎn)非晶硅Si:H膜致密性好，對水氣和堿金屬離子等有很好的掩蔽作用非晶硅Si:H薄膜中含大量的原子氫，它能直接填補(bǔ)器件的缺陷能級和斷鍵非晶硅Si:H帶隙中同時(shí)具有受主型和施主型局域能帶，具有俘獲正負(fù)離子的雙重作用25非晶硅Si:H本身是電中性的，遇到電場干擾或者正負(fù)離子污染時(shí)，在表面感應(yīng)電荷，起到屏蔽作用非晶硅Si:H膜與單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)和熱膨脹行為接近，用非晶硅Si:H鈍化后的器件界面力學(xué)性能穩(wěn)定，沒有內(nèi)應(yīng)力265.3硅基材料

5.3.1SiGe/Si固溶體能帶工程－－－固溶體異質(zhì)結(jié)－－－基極材料和發(fā)射極材料HBT－－異質(zhì)結(jié)雙結(jié)晶體管FET－－場效應(yīng)晶體管TFT－－薄膜晶體管CMOS－－金屬/氧化物/半導(dǎo)體晶體管

27

年份事件1975年1987年1990年1992年1993年1994年1996年1997年2001年2002年首次生長出SiGe/Si應(yīng)變層研究出第一個(gè)SiGeHBT研制出高性能SiGeHBT和ECL(射極耦合邏輯)環(huán)形振振蕩器首次發(fā)表SiGeHBTBiCMOS工藝制出SiGeHBT大規(guī)模IC(LSI)，峰值fT>100GHz的SiGeHBT在直徑200mmSi片上制取SiGeHBT制出大功率SiGeHBT制出時(shí)延在10Ps以下的SiGeHBTECL電路制出峰值fT>200GHz的SiGeHBT制出fT=350GHz的SiGeHBTSiGeHBT發(fā)展概況28SiGeHBT較一般Si的BJT性能改進(jìn)在于:發(fā)射極帶隙比基極大ΔEg=0.1-0.2eV，而其電流增益與exp[ΔEg/kT]成正比，這可使基區(qū)厚度更小，摻雜濃度更高基區(qū)中載流子渡越時(shí)間短，有更好的頻率性能可提高集電極電流密度，從而提高電流增益有較低的本征基極電阻

29SiGe異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（HFET）：SiGeHFET作為第二代SiGe器件有三種結(jié)構(gòu)①表面溝道MOSFET;②掩埋溝道p-MODFET（調(diào)制摻雜FET）；③掩埋溝道n-MODFET。其中n-MODFET最高振蕩頻率fmax已達(dá)183GHz（2001年），模擬計(jì)算表明：柵長50nm的SiGen-MODFET最高頻率可達(dá)300GHz，如考慮“速度過沖”效應(yīng)，其fmax還可提高一倍。SiGe器件在通信、數(shù)字通信、單芯片射頻、全球定位、信號處理等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

305.3.2絕緣體硅材料（SOI）絕緣體上硅片(silicon-on-insulator，SOI)技術(shù)是一種在硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎(chǔ)上出現(xiàn)、有其獨(dú)特優(yōu)勢、能突破硅材料與硅集成電路限制的新技術(shù)。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，SOI技術(shù)在高速微電子器件、低壓/低功耗器件、抗輻照電路、高溫電子器件、微機(jī)械（MEMS）以及光通信器件等主流商用信息技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢逐漸凸現(xiàn)，被國際上公認(rèn)為是“二十一世紀(jì)的微電子技術(shù)”、“新一代硅”。31SOI是Silicon－on－Insulator的縮寫，稱絕緣硅隨著芯片特診尺寸跨入納米尺度后，臨近半導(dǎo)體物理器件的極限問題接踵而來，如電容損耗、漏電流增大、噪聲提升、閂鎖效應(yīng)和短溝道效應(yīng)等。為了克服這些問題，SOI技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的一種改進(jìn)技術(shù)，SOI技術(shù)通過在兩層硅基板之間封入一個(gè)絕緣的氧化層(這與大容量CMOS工藝技術(shù)恰好相反)，從而將活躍的晶體管元件相互隔離。SiO2埋層能有效地使電子從一個(gè)晶體管門電路流到另一個(gè)晶體管門電路，不讓多余的電子滲漏到硅晶圓上。32閂鎖效應(yīng)，又稱寄生PNPN效應(yīng)CMOS管的下面會構(gòu)成多個(gè)三極管,這些三極管自身就可能構(gòu)成一個(gè)電路。這就是MOS管的寄生三極管效應(yīng)。如果電路偶爾中出現(xiàn)了能夠使三極管開通的條件,這個(gè)寄生的電路就會極大的影響正常電路的運(yùn)作,會使原本的MOS電路承受比正常工作大得多的電流,可能使電路迅速的燒毀。閂鎖效應(yīng)在大線寬的工藝上作用并不明顯,而線寬越小,寄生三極管的反應(yīng)電壓越低,閂鎖效應(yīng)的影響就越明顯。閂鎖效應(yīng)被稱為繼電子遷移效應(yīng)之后新的“CPU殺手”。防止MOS電路設(shè)計(jì)中Latch-up效應(yīng)的產(chǎn)生已成為IC設(shè)計(jì)界的重要課題。33SOI器件具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、速度快、集成度高、功耗低、耐高溫、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，越來越受業(yè)界的青睞；世界項(xiàng)級半導(dǎo)體廠商IBM，英特爾、TI、飛思卡爾、飛利浦、AMD、臺積電和三菱等先后采用SOI技術(shù)生產(chǎn)各種SOIIC。為此，SOI市場發(fā)展迅速。345.3.2SOI結(jié)構(gòu)SOI中“工程化的”基板由以下三層構(gòu)成：（1）薄薄的單晶硅頂層，在其上形成蝕刻電路（2）相當(dāng)薄的絕緣二氧化硅中間層（3）非常厚的體型襯底硅襯底層，其主要作用是為上面的兩層提供機(jī)械支撐。35SOI材料的分類Si/絕緣體結(jié)構(gòu)Si/SiO2/Si結(jié)構(gòu)絕緣體硅硅襯底SiO2硅36SOI材料的特點(diǎn)1.Si有源層與襯底之間有介電絕緣層的隔離，消除了體硅CMOS閂鎖效應(yīng)2.易于制備出使有源層完全耗盡的超薄SOI層3.由于漏結(jié)面積減少，SOI器件中漏電流比體硅器件減少2~3個(gè)數(shù)量級374.由于有源層和襯底之間隔離，不致因輻照在襯底中產(chǎn)生電子－空穴對導(dǎo)致電路性能退化5.SOI材料寄生電容小，有利于提高所致器件的性能6.利用SOI材料可簡化器件和電路加工過程387.SOI材料所致的MOSFET中短溝道效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)大大減弱，提高了器件的可靠性8.SOI器件功耗低9.可利用SOI器件制作三維集成電路39SOI器件與體硅器件比較，在相同的電壓下工作，SOI器件性能提高30%在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能可提高300%SOI工藝將成為21世紀(jì)ULSI的主流技術(shù)之一405.3.2SOI材料的制備注氧隔離鍵合與背腐蝕智能剝離外延層轉(zhuǎn)移411）注氧隔離注氧隔離技術(shù)是將氧離子注入硅中再經(jīng)高溫退火形成掩埋SiO2層SiO+SiSiO242注氧隔離法是采用大束流專用氧離子注入機(jī)把氧離子注入到硅晶圓中，注入劑量約為1018/cm2，然后在惰性氣體中進(jìn)行≥1300℃高溫退火5h，從而在硅晶圓頂部形成厚度均勻的極薄表面硅層和Si02埋層。該方法的優(yōu)點(diǎn)是硅薄層和SiO2埋層的厚度可精確控制，其缺點(diǎn)是由于氧注入會引起對硅晶格的破壞，導(dǎo)致硅薄層缺陷密度較高。該方法的領(lǐng)頭廠商是美國IbisTechnology公司。該公司不僅制造SOI晶圓，而且生產(chǎn)大束流專用氧離子輸入機(jī)。432）鍵合與背腐蝕把一硅拋光片進(jìn)行熱氧化，形成SiO2層，再和另一個(gè)硅拋光片貼在一起，經(jīng)熱處理后使其鍵合牢固，再將有源硅層減薄制成SOI結(jié)構(gòu)減薄方法有研磨后拋光，化學(xué)腐蝕和等離子體腐蝕等該技術(shù)可避免離子注入造成的損傷和缺陷；但不易制得厚度低于100nm的硅膜44鍵合與背腐蝕示意圖SiSiSiO2鍵合減薄453）智能剝離智能剝離技術(shù)的主要工序是氫離子注入，晶片鍵合和熱處理被剝離的硅片還可以重復(fù)利用可獲得高質(zhì)量的硅有源層和完整性較好的SiO2掩埋層46智能剝離示意圖SiSiO2Si氫離子注入SiSi鍵合SiSiO2熱處理從氣泡層剝離47智能剝離法是利用中等劑量氧離子注入，在一個(gè)硅晶圓中形成氣流層，然后在低溫下與另一個(gè)硅晶圓（SiO2/Si）鍵合，再進(jìn)行熱處理使注氫的硅晶圓片從氣流層剝離出來，最后經(jīng)CMP使硅表面層光滑。該方法的優(yōu)點(diǎn)是硅薄層缺陷密度低，硅薄層和Si02埋層厚度也易控制。該方法的領(lǐng)引廠商是法國Soitec公司，該公司能量產(chǎn)φ200/φ300mmSOI晶圓，能提供各種硅薄層和SiO2埋層厚度的SOI晶圓，主要有3個(gè)品種，PD（部分耗盡）、FD（全部耗盡）和UT（超?。︰HIBOND。484）外延層轉(zhuǎn)移1.將硅片進(jìn)行陽極氧化形成多孔硅層2.外延和熱氧化，在多孔硅上外延生長單晶硅層，再在其上形成氧化層3.鍵合，將器件片與支撐片鍵合，然后進(jìn)行減薄和在氫氣氣氛中退火提高鍵合強(qiáng)度外延生長SOI層，層厚度易于控制，厚度均勻性較好，并減少晶體中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率。49外延層轉(zhuǎn)移示意圖陽極氧化多孔硅外延單晶硅熱氧化SiO2鍵合減薄腐蝕氫氣退火505.3.3GaAs/Si異質(zhì)外延材料微電子電路與光電器件的單片集成使人們注意開發(fā)“混合”半導(dǎo)體材料工藝。其典型材料就是GaAs/Si異質(zhì)外延材料。GaAs/Si異質(zhì)外延材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：①把最先進(jìn)、最成熟的Si微電子學(xué)工藝與GaAs的優(yōu)良光電性能結(jié)合起來；②可使用高質(zhì)量、大面積、低價(jià)格的Si片及成熟的加工工藝和設(shè)備；③兼具GaAs抗輻射性強(qiáng)、Si片密度小的優(yōu)點(diǎn)，對空間、宇航應(yīng)用很有吸引力。51GaAs/Si異質(zhì)外延屬于極性半導(dǎo)體在非極性半導(dǎo)體襯底上生長，工藝上遇到的主要問題是：①反相邊界問題；②晶格失配（兩者晶格失配率達(dá)4%）；③熱失配（兩者熱脹系數(shù)相差2.3倍）。525.4化合物半導(dǎo)體材料化合物晶體結(jié)構(gòu)帶隙niunupGaAs閃鋅礦1.421.3×1068500320GaP閃鋅礦2.27150120GaN纖鋅礦3.490010InAs閃鋅礦0.358.1×10143300450InP閃鋅礦1.356.9×1075400150InN纖鋅礦2.054400AlN纖鋅礦6.2430014535.5金剛石金剛石