先进半导体电子材料

1、先进半导体电子材料 1 5.1材料优值的概念 5.2硅 5.3硅基材料 5.4 化合物半导体材料 5.5 金刚石 2 5.1 材料优值的概念 某类器件究竟采用哪种材料更合适？ 材料的某些基本性质决定的材料优值，并用此材料优值来 定量比较 3 常用的几种材料优值 约翰逊优值 凯斯优值 巴利加优值 高频器件用材料优值 热性能优值 4 5.1.1 约翰逊优值 最大输出功率：电压 最高工作频率：载流子的速度 结电容一定时，功率和频率的乘积为常数 2 () bs E V J b s E V 击穿电场强度击穿电场强度 载流子载流子饱和漂移速度饱和漂移速度 5 频率和功率的乘积 晶体管的截止频率fT与最高外

2、加电压Vm之间是相互 制约的 2 bs Tm E V f V 6 第一材料优值 约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料的功率和工作频 率越高 1bs FE V 材料材料SiGaA s GaPGaNAlN3C-SiC6H-SiC金刚石金刚石 Eb/(V/cm) Vs/(cm/s) F1 0.37 9.9 1 0.4 19.8 2.16 0.7 14 2.68 4.1 24.8 27.76 1.44 18.2 7.15 1.54 20 8.41 3 20 16.38 7 24.8 47.39 常见几种材料的第一材料优值 7 几种材料的Vm与fT的关系 8 5.1.2 凯斯优值 高频器件的尺寸受到热导

3、率的限制，凯斯优值评价材料在 制作高速器件时适合程度的量化标准 为材料的相对介电常数 为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性能 的限制，凯斯优值越大，器件尺寸越小 1 2 () b V K 9 材料材料SiGaAsInPGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiC金刚石金刚石 Vs/(107cm/s) /w/(cmKw/(cmK) ) (300 K)(300 K) K K 1.0 11.8 1.5 1 2.0 12.8 0.46 0.41 0.46 2.0 14.0 0.7 0.60 8 1.4 11.1 0.5 0.49 2.5 9.5 1.5 1.75 1.82 8.7 2.5 2.62

4、 2.0 2.5 9.7 3.2 5.0 3.34 5.8 2.0 2.5 10.3 3.6 5.0 3.65 5.12 2.7 5.5 20 30.77 常见半导体材料的值 10 5.1.3 巴利加优值 评价材料用于大功率开关器件的潜力 巴利加优值越大，器件功率越大 GaN 385.8 不同材料所制场效应器件的通态电阻与其B值成反 比。有人把B值称为低频器件的材料优值或第三材 料优值F3. 3 b BE 11 材料材料SiGaAsGaPGa N AlN3c-SiC6H-SiCN型金型金 刚石刚石 P型金型金 刚石刚石 带隙带隙Eg/eV Eb/(107cm/s) /cm2/VS B B 1.

5、12 11.8 0.37 1500 1 1.43 12.9 0.4 8500 7.83 2.26 11.1 0.7 110 0.47 3.49 9.56 4.1 525 385. 8 6.28 8.73 14.4 1090 31.69 2 2.4 9.75 1.54 800 31.77 3.1 10.3 3 350 108.57 5.5 5.55 7 1900 4034 5.5 5.55 7 1500 3185 常见材料的巴利加优值 12 5.1.4 高频器件用材料优值 器件的最小功耗 第四材料优值F4为材料的高频器件优值 2 1 onin b R C E 2 4b FE 13 在同一工作频率

6、下，器件的功耗随着优值F4的增加而减少， 工作频率越高，下降幅度越大 对同一材料所制器件的最小功耗随着工作频率提高而增大 F4越大，器件的功耗越低 14 材料材料SiGaAsGaPGa N AlN3c- SiC 6H- SiC n型金型金 刚石刚石 p型金型金 刚石刚石 Eb/(107cm/s) /cm2/VS F F4 4 0.37 1500 1 0.4 8500 6.62 0.7 110 0.26 4.1 525 43 14.4 1090 1100.67 1.54 800 9.24 3 350 15.34 7 1900 453.37 7 1500 357.93 常见半导体材料的F4值 15

7、 5.1.5 热性能优值 反映了某种材料所制作的功率器件在高温工作状态下的优 值，三个热性能优值： 3 1 4 2 3 3 Fb Fb Fb QE QE QE 16 5.1.5 热性能优值 材料材料SiGaAsGaPGaNAlN3c- SiC 6H-SiCn型金型金 刚石刚石 p型金型金 刚石刚石 Q QF1 F1 Q QF2 F2 Q QF3 F3(B) (B) 1 1 1 2.4 2.6 7.8 0.15 0.3 0.47 385.8 4.3103 385.8 5.3104 2.1106 3.2107 67.8 282,1 31.8 260.6 2.1103 208.6 3.4104 1.

8、0106 4.0103 4.2104 8.0105 3.2103 几种半导体材料的热性能优值 17 5.2.1 硅材料的优点 资源丰富、易于提高到极纯的纯度 较易生长出大直径无位错单晶 易于对进行可控n型和p型掺杂 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材 料 18 易于进行腐蚀加工 带隙大小适中 硅有相当好的力学性能 硅本身是一种稳定的绿色材料 19 可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触 容易截断或者解理硅晶体 硅表面上很容易制备高质量的介电层SiO2 20 不同类型的IC、集成度和加工工艺要求采用相应类型的 材料及要求不同的加工深度和电学参数 一般MOS电路多用直拉（C

9、Z）抛光片（PW） 对高集成度MOS或CMOS电路，为削除软失效（Soft error） 和闩锁（latch-up）效应，多使用外延片（EPW） 5.2.2集成电路（IC）对Si材料的基本要求 21 5.2.3 多晶硅的优点 多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那 样进行大面积低成本制备的优点 重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等 轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其 他电阻器 22 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的载流子迁移率、 更快的开关速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工艺 兼容等特点 23 5.2.4 非晶硅的优点 非晶硅薄膜是器件和电路

10、加工所用表面钝化膜材料之一 对活性半导体表面进行钝化对提供器件性能、增强器件和 电路的稳定性、可靠性；提高其封装成品率等有重要作用 24 非晶硅钝化机理和特点 非晶硅Si:H膜致密性好，对水气和碱金属离子等有很好的 掩蔽作用 非晶硅Si:H薄膜中含大量的原子氢，它能直接填补器件的 缺陷能级和断键 非晶硅Si:H带隙中同时具有受主型和施主型局域能带，具 有俘获正负离子的双重作用 25 非晶硅Si:H本身是电中性的，遇到电场干扰或者正负离子 污染时，在表面感应电荷，起到屏蔽作用 非晶硅Si:H膜与单晶硅的晶体结构和热膨胀行为接近，用 非晶硅Si:H钝化后的器件界面力学性能稳定，没有内应力 26 5

11、.3 硅基材料 5.3.1 SiGe/Si固溶体 能带工程固溶体 异质结基极材料和发射极材料 HBT异质结双结晶体管 FET场效应晶体管 TFT薄膜晶体管 CMOS金属/氧化物/半导体晶体管 27 年年 份份事件事件 1975年年 1987年年 1990年年 1992年年 1993年年 1994年年 1996年年 1997年年 2001年年 2002年年 首次生长出首次生长出SiGe/Si应变层应变层 研究出第一个研究出第一个SiGeHBT 研制出高性能研制出高性能SiGeHBT和和ECL(射极耦合逻辑射极耦合逻辑)环形振振荡器环形振振荡器 首次发表首次发表SiGe HBT Bi CMOS工艺

12、工艺 制出制出SiGeHBT大规模大规模IC(LSI)，峰值，峰值fT100 GHz的的SiGeHBT 在直径在直径200 mm Si片上制取片上制取SiGeHBT 制出大功率制出大功率SiGeHBT 制出时延在制出时延在10 Ps以下的以下的SiGeHBT ECL电路电路 制出峰值制出峰值fT200 GHz的的SiGeHBT 制出制出fT=350 GHz的的SiGeHBT SiGeHBT发展概况 28 SiGeHBT较一般Si的BJT性能改进在于: 发射极带隙比基极大Eg=0.1-0.2 eV，而其电流增益与 expEg/kT 成正比，这可使基区厚度更小，掺杂浓度 更高 基区中载流子渡越时间

13、短，有更好的频率性能 可提高集电极电流密度，从而提高电流增益 有较低的本征基极电阻 29 SiGe异质结场效应晶体管（HFET）：SiGeHFET作为第二代 SiGe器件有三种结构表面沟道MOSFET; 掩埋沟道p- MODFET（调制掺杂FET）；掩埋沟道n-MODFET。 其中n-MODFET最高振荡频率fmax已达183 GHz（2001年）， 模拟计算表明：栅长50nm的SiGe n-MODFET最高频率可达 300GHz，如考虑“速度过冲”效应，其fmax还可提高一倍。 SiGe器件在通信、数字通信、单芯片射频、全球定位、信号 处理等领域有重要应用。 30 5.3.2 绝缘体硅材料（

14、SOI） 绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，SOI) 技术是 一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出 现、有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路 限制的新技术。 随着信息技术的飞速发展，SOI技术在高速微电 子器件、低压/低功耗器件、抗辐照电路、高温电 子器件、微机械（MEMS）以及光通信器件等主 流商用信息技术领域的优势逐渐凸现，被国际上 公认为是“二十一世纪的微电子技术”、“新一 代硅”。 31 SOI是SilicononInsulator的缩写，称绝缘硅 随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件 的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提 升、

15、闩锁效应和短沟道效应等。 为了克服这些问题，SOI技术应运而生。 作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两 层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS 工艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。 SiO2埋层能有效地使电子从一个晶体管门电路流到另一个 晶体管门电路，不让多余的电子渗漏到硅晶圆上。 32 闩锁效应，又称寄生PNPN效应 CMOS管的下面会构成多个三极管, 这些三极管自身就可 能构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。 如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件, 这个寄 生的电路就会极大的影响正常电路的运作, 会使原本的 MOS电路承受比正

16、常工作大得多的电流, 可能使电路迅速 的烧毁。 闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄 生三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。 闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。 防止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界 的重要课题。 33 SOI器件具有寄生电容小、短沟道效应小、速度 快、集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点， 越来越受业界的青睐； 世界项级半导体厂商IBM，英特尔、TI、飞思卡 尔、飞利浦、AMD、台积电和三菱等先后采用 SOI技术生产各种SOI IC。 为此，SOI市场发展迅速。 34 5.3.2 SOI结构 SOI

17、中“工程化的”基板由以下三层构成： （1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路 （2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层 （3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是 为上面的两层提供机械支撑。 35 SOI材料的分类 Si/绝缘体结构 Si/SiO2/Si结构 绝缘体 硅 硅衬底 SiO2 硅 36 SOI材料的特点 1. Si有源层与衬底之间有介电绝缘层的隔离，消除了体硅 CMOS闩锁效应 2. 易于制备出使有源层完全耗尽的超薄SOI层 3. 由于漏结面积减少，SOI器件中漏电流比体硅器件减少 23个数量级 37 4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照在衬底中产生 电子空穴对导致电路性能退化

18、5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器件的性能 6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程 38 7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和热载流子效应 大大减弱，提高了器件的可靠性 8. SOI器件功耗低 9. 可利用SOI器件制作三维集成电路 39 SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下工作，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工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一 40 5.3.2 SOI材料的制备 注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移 41 1）注氧隔离 注氧隔离技术是将氧离子注入硅中再经高温退火形成掩埋

19、SiO2层 Si O+ Si SiO2 42 注氧隔离法是采用大束流专用氧离子注入机把氧离子注入 到硅晶圆中，注入剂量约为1018/cm2，然后在惰性气体中 进行1300高温退火5h，从而在硅晶圆顶部形成厚度均 匀的极薄表面硅层和Si02埋层。 该方法的优点是硅薄层和SiO2埋层的厚度可精确控制，其 缺点是由于氧注入会引起对硅晶格的破坏，导致硅薄层缺 陷密度较高。 该方法的领头厂商是美国Ibis Technology公司。该公司不 仅制造SOI晶圆，而且生产大束流专用氧离子输入机。 43 2）键合与背腐蚀 把一硅抛光片进行热氧化，形成SiO2层，再和另 一个硅抛光片贴在一起，经热处理后使其键合

20、牢 固，再将有源硅层减薄制成SOI结构 减薄方法有研磨后抛光，化学腐蚀和等离子体腐 蚀等 该技术可避免离子注入造成的损伤和缺陷；但不 易制得厚度低于100nm的硅膜 44 键合与背腐蚀示意图 Si Si SiO2 键合减薄 45 3）智能剥离 智能剥离技术的主要工序是氢离子注入，晶片键 合和热处理 被剥离的硅片还可以重复利用 可获得高质量的硅有源层和完整性较好的SiO2掩 埋层 46 智能剥离示意图 Si SiO2 Si 氢离子注入 Si Si 键合 Si SiO2 热处理 从气泡层剥离 47 智能剥离法是利用中等剂量氧离子注入，在一个 硅晶圆中形成气流层，然后在低温下与另一个硅 晶圆（SiO

21、2/Si）键合，再进行热处理使注氢的硅 晶圆片从气流层剥离出来，最后经CMP使硅表面 层光滑。 该方法的优点是硅薄层缺陷密度低，硅薄层和 Si02埋层厚度也易控制。该方法的领引厂商是法 国Soitec公司，该公司能量产200/300mmSOI 晶圆，能提供各种硅薄层和SiO2埋层厚度的SOI 晶圆，主要有3个品种，PD（部分耗尽）、FD （全部耗尽）和UT（超薄）UHIBOND。 48 4）外延层转移 1. 将硅片进行阳极氧化形成多孔硅层 2. 外延和热氧化，在多孔硅上外延生长单晶硅层，再在其 上形成氧化层 3. 键合，将器件片与支撑片键合，然后进行减薄和在氢气 气氛中退火提高键合强度 外延生

22、长SOI层，层厚度易于控制，厚度均匀性较好，并 减少晶体中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率。 49 外延层转移示意图 阳极氧化 多孔硅 外延 单晶硅 热氧化 SiO2 键合减薄 腐蚀 氢气退火 50 5.3.3 GaAs/Si异质外延材料异质外延材料 微电子电路与光电器件的单片集成使人们注意开发“混合” 半导体材料工艺。其典型材料就是GaAs/Si异质外延材料。 GaAs/Si异质外延材料具有如下优点：把最先进、最成 熟的Si微电子学工艺与GaAs的优良光电性能结合起来； 可使用高质量、大面积、低价格的Si片及成熟的加工工艺 和设备；兼具GaAs抗辐射性强、Si片密度小的优点，对 空间、宇航应用很