【材料课件】第八章 半导体电子材料

人生太短，聪明太晚(4)
然而，生活总是一直变动，环境总是不可预知，现实生活 中，各种突发状况总是层出不穷。身为一个医生，我所见 过的死人，比一般人要来得多。这些人早上醒来时，原本 预期过的是另一个平凡无奇的日子，没想到一个意料之外 的事；交通意外、脑溢血、心脏病发作等等。剎那间生命 的巨轮倾覆离轨，突然闯进一片黑暗之中。那么我们要如 何面对生命呢？我们毋需等到生活完美无瑕，也毋需等到 一切都平稳，想做什么，现在就可以开始做起。
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
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
世的辛苦钱，去购买后世的安逸 在台湾只要往有山的道路上走一走，就随处都可看到「农
舍」变「精舍」，山坡地变灵塔，无非也是为了等到死后， 能图个保障，不必再受苦。许多人认为必须等到某时或某 事完成之后再采取行动。明天我就开始运动，明天我就会 对他好一点，下星期我们就找时间出去走走；退休后，我 们就要好好享受一下。
8.2 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
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
可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低 阻欧姆接触
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。 S晶iO体2埋管层门能电有路效，地不使让电多子余从的一电个子晶渗体漏管到门硅电晶路圆流上到。另一个
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
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SiO2层
O+
SiO2
Si
Si
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。
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。
8.6.1 SOI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。
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。
8.5 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
8.6 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”。
SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘 硅
8.4 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
能带模型
短程有序－－基本能带 长程无序－－定域态带尾 悬挂键－－带隙中间形成隙态
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
智能剥离示意图
氢离子注入
Si SiO2
Si
Si Si 键合
从气泡层剥离 SiO2 Si 热处理
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。
附赠人生心语
人生太短，聪明太晚
人生太短，聪明太晚(1)
我们都老得太快 却聪明得太迟 把钱省下来，等待退休后再去享受 结果退休后，因为年纪大，身体差，行动
不方便，哪里也去不成。钱存下来等养老， 结果孩子长大了，要出国留学，要创业做 生意，要花钱娶老婆，自己的退休金都被 拗走了。
人生太短，聪明太晚(2)
450
InP 闪锌矿 1.35 6.9×107 5400 150
InN 纤锌矿 2.05
4400
AlN 纤锌矿 6.24
300
14
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9. 可利用SOI器件制作三维集成电路
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
8.6.2 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
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。
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；
等到......、等到.....，似乎我们所有的生命，都用在等待。
人生太短，聪明太晚(3)
「等到我大学毕业以后，我就会如何如何」我们对自己说 「等到我买房子以后！」 「等我最小的孩子结婚之后！」 「等我把这笔生意谈成之后！」 「等到我死了以后」 人人都很愿意牺牲当下，去换取未知的等待；牺牲今生今
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。
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牢 固，再将有源硅层减薄制成SOI结构
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
8.3 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
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
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，然后进百度文库减薄和在氢气
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。
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
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
8.1.2 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
K (Vb )2
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
外延层转移示意图
阳极氧化 多孔硅
外延
单晶硅
减薄
热氧化 键合
SiO2
腐蚀 氢气退火
8.7 化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
当自己有足够的能力善待自己时，就立刻去做，老年人有 时候是无法做中年人或是青少年人可以做的事，年纪和健 康就是一大因素。小孩子从小就告诉他，养你到高中，大 学以后就要自立更生，要留学，创业，娶老婆，自己想办 法，自己要留多一点钱，不要为了小孩子而活我们都老得 太快却聪明得太迟，我的学长去年丧妻。这突如其来的事 故，实在叫人难以接受，但是死亡的到来不总是如此。学 长说他太太最希望他能送鲜花给他，但是他觉得太浪费， 总推说等到下次再买，结果却是在她死后，用鲜花布置她 的灵堂。这不是太蠢愚了吗？！
SOI材料的分类
Si/绝缘体结构
Si/SiO2/Si结构
硅 绝缘体
硅 SiO2 硅衬底
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2~3个数量级
第八章 半导体电子材料
8.1 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
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
8.1.1 约翰逊优值
J ( EbVs )2
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
能的限制，凯斯优值越大，器件尺寸越小
金刚石 30.77
8.1.3 巴利加优值
评价材料用于大功率开关器件的潜力
B Eb3
巴利加优值越大，器件功率越大 GaN 385.8
8.1.4 高频器件用材料优值
器件的最小功耗
RonCin
1
Eb2
第四材料优值F4为材料的高频器件优值
F4 Eb2
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
键合与背腐蚀示意图
Si SiO2
Si
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
F4
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
8.1.5 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：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3