【材料】第八章半导体电子材料

第八章半导体电子资料8.1资料优值的概念某类器件终究采用哪种资料更适宜？资料的某些根本性质决议的资料优值，并用此资料优值来定量比较常用的几种资料优值约翰逊优值凯斯优值巴利加优值高频器件用资料优值热性能优值8.1.1约翰逊优值最大输出功率：电压最高任务频率：载流子的速度结电容一定时，功率和频率的乘积为常数频率和功率的乘积第一资料优值约翰逊优值或者第一资料优值越大，资料的功率和任务频率越高8.1.2凯斯优值高频器件的尺寸遭到热导率的限制，凯斯优值评价资料在制造高速器件时适宜程度的量化规范为资料的相对介电常数为热导率，反映了资料的热性质对晶体管开关性能的限制，凯斯优值越大，器件尺寸越小金刚石30.778.1.3巴利加优值评价资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GaN385.88.1.4高频器件用资料优值器件的最小功耗第四资料优值F4为资料的高频器件优值F4在同一任务频率下，器件的功耗随着优值F4的添加而减少，任务频率越高，下降幅度越大对同一资料所制器件的最小功耗随着任务频率提高而增大F4越大，器件的功耗越低8.1.5热性能优值反映了某种资料所制造的功率器件在高温任务形状下的优值，三个热性能优值：8.2硅资料的优点资源丰富、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展可控n型和p型掺杂易于经过堆积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜资料易于进展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资料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外表上很容易制备高质量的介电层－－SiO28.3多晶硅的优点多晶硅具有接近单晶硅资料的载流子迁移率和象非晶硅那样进展大面积低本钱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、更高的电流驱动才干、可与CMOS工艺兼容等特点8.4非晶硅的优点非晶硅薄膜是器件和电路加工所用外表钝化膜资料之一对活性半导体外表进展钝化对提供器件性能、加强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装废品率等有重要作用能带模型短程有序－－根天性带长程无序－－定域态带尾悬挂键－－带隙中间构成隙态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，在外表感应电荷，起到屏蔽作用非晶硅Si:H膜与单晶硅的晶体构造和热膨胀行为接近，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8.5SiGe/Si固溶体能带工程－－－固溶体异质结－－－基极资料和发射极资料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

8.6绝缘体硅资料〔SOI〕绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，SOI)技术是一种在硅资料与硅集成电路宏大胜利的根底上出现、有其独特优势、能突破硅资料与硅集成电路限制的新技术。随着信息技术的飞速开展，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〕以及光通讯器件等主流商用信息技术领域的优势逐渐凸现，被国际上公以为是“二十一世纪的微电子技术〞、“新一代硅〞。SOI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。为了抑制这些问题，SOI技术应运而生。作为规范CMOS工艺的一种改良技术，SOI技术经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)，从而将活泼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。闩锁效应，又称寄生PNPN效应CMOS管的下面会构成多个三极管,这些三极管本身就能够构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。假设电路偶尔中出现了可以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,会使本来的MOS电路接受比正常任务大得多的电流,能够使电路迅速的烧毁。闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显,而线宽越小,寄生三极管的反响电压越低,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。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技术消费各种SOIIC。为此，SOI市场开展迅速。8.6.1SOI构造SOI中“工程化的〞基板由以下三层构成：〔1〕薄薄的单晶硅顶层，在其上构成蚀刻电路〔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。SOI资料的分类Si/绝缘体构造Si/SiO2/Si构造绝缘体硅硅衬底SiO2硅SOI资料的特点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5.SOI资料寄生电容小，有利于提高所致器件的性能6.利用SOI资料可简化器件和电路加工过程7.SOI资料所致的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器件制造三维集成电路SOI器件与体硅器件比较，在一样的电压下任务，SOI器件性能提高30%在根本一样的低功耗下任务，SOI器件性能可提高300%SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一8.6.2SOI资料的制备注氧隔离键合与背腐蚀智能剥离外延层转移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构成掩埋SiO2层SiO+SiSiO2注氧隔离法是采用大束流公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展≥1300℃高温退火5h，从而在硅晶圆顶部构成厚度均匀的极薄外表硅层和Si02埋层。该方法的优点是硅薄层和SiO2埋层的厚度可准确控制，其缺陷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，而且消费大束流公用氧离子输入机。2〕键合与背腐蚀把一硅抛光片进展热氧化，构成SiO2层，再和另一个硅抛光片贴在一同，经热处置后使其键合结实，再将有源硅层减薄制成SOI构造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防止离子注入呵斥的损伤和缺陷；但不易制得厚度低于100nm的硅膜键合与背腐蚀表示图SiSiSiO2键合减薄3〕智能剥离智能剥离技术的主要工序是氢离子注入，晶片键合和热处置被剥离的硅片还可以反复利用可获得高质量的硅有源层和完好性较好的SiO2掩埋层智能剥离表示图SiSiO2Si氢离子注入SiSi键合SiSiO2热处置从气泡层剥离智能剥离法是利用中等剂量氧离子注入，在一个硅晶圆中构成气流层，然后在低温下与另一个硅晶圆〔SiO2/Si〕键合，再进展热处置使注氢的硅晶圆片从气流层剥离出来，最后经CMP使硅外表层光滑。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个种类，PD〔部分耗尽〕、FD〔全部耗尽〕和UT〔超薄〕UHIBOND。4〕外延层转移1.将硅片进展阳极氧化构成多孔硅层2.外延和热氧化，在多孔硅上外延生长单晶硅层，再在其上构成氧化层3.键合，将器件片与支撑片键合，然后进展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，有利于提高器件的废品率。外延层转移表示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8.7化合物半导体