先进半导体电子材料

先进半导体电子材料15.1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25.1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45.1.1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

─击穿电场强度─载流子饱和漂移速度5频率和功率的乘积晶体管的截止频率fT与最高外加电压Vm之间是相互制约的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材料SiGaAsGaPGaNAlN3C-SiC6H-SiC金刚石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常见几种材料的第一材料优值7

几种材料的Vm与fT的关系85.1.2凯斯优值高频器件的尺寸受到热导率的限制，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9材料SiGaAsInPGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiC金刚石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常见半导体材料的κ值105.1.3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GaN385.8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.

11材料SiGaAsGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiCN型金刚石P型金刚石带隙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常见材料的巴利加优值125.1.4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13在同一工作频率下，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SiGaAsGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiCn型金刚石p型金刚石Eb/(107cm/s)μ/[cm2/V·S]F40.37150010.485006.620.71100.264.15254314.410901100.671.548009.24335015.3471900453.3771500357.93常见半导体材料的F4值155.1.5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：165.1.5热性能优值材料SiGaAsGaPGaNAlN3c-SiC6H-SiCn型金刚石p型金刚石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几种半导体材料的热性能优值175.2.1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－－SiO220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（CZ）抛光片（PW）对高集成度MOS或CMOS电路，为削除软失效（Softerror）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215.2.3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235.2.4非晶硅的优点非晶硅薄膜是器件和电路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265.3硅基材料

5.3.1SiGe/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年首次生长出SiGe/Si应变层研究出第一个SiGeHBT研制出高性能SiGeHBT和ECL(射极耦合逻辑)环形振振荡器首次发表SiGeHBTBiCMOS工艺制出SiGeHBT大规模IC(LSI)，峰值fT>100GHz的SiGeHBT在直径200mmSi片上制取SiGeHBT制出大功率SiGeHBT制出时延在10Ps以下的SiGeHBTECL电路制出峰值fT>200GHz的SiGeHBT制出fT=350GHz的SiGeHBTSiGeHBT发展概况28SiGeHBT较一般Si的BJT性能改进在于:发射极带隙比基极大ΔEg=0.1-0.2eV，而其电流增益与exp[ΔEg/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

29SiGe异质结场效应晶体管（HFET）：SiGeHFET作为第二代SiGe器件有三种结构①表面沟道MOSFET;②掩埋沟道p-MODFET（调制掺杂FET）；③掩埋沟道n-MODFET。其中n-MODFET最高振荡频率fmax已达183GHz（2001年），模拟计算表明：栅长50nm的SiGen-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。

305.3.2绝缘体硅材料（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”。31SOI是Silicon－on－Insulator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、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。33SOI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SOIIC。为此，SOI市场发展迅速。345.3.2SOI结构SOI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。35SOI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36SOI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2~3个数量级374.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387.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39SOI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的主流技术之一405.3.2SOI材料的制备注氧隔离键合与背腐蚀智能剥离外延层转移411）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SiO2层SiO+SiSiO242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IbisTechnology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。432）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SiSiSiO2键合减薄453）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SiSiO2Si氢离子注入SiSi键合SiSiO2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（SiO2/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φ200/φ300mmSOI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。484）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505.3.3GaAs/Si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：①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；②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；③兼具GaAs抗辐射性强、Si片密度小的优点，对空间、宇航应用很有吸引力。51GaAs/Si异质外延属于极性半导体在非极性半导体衬底上生长，工艺上遇到的主要问题是：①反相边界问题；②晶格失配（两者晶格失配率达4%）；③热失配（两者热胀系数相差2.3倍）。525.4化合物半导体材料化合物晶体结构带隙niunupGaAs闪锌矿1.421.3×1068500320GaP闪锌矿2.27150120GaN纤锌矿3.490010InAs闪锌矿0.358.1×10143300450InP闪锌矿1.356.9×1075400150InN纤锌矿2.054400AlN纤锌矿6.2430014535.5金刚石金刚石