半导体材料论文

半导体论文 集成电路制造工艺 1 半导体材料 黄海刚 陕西国防工业职业技术学院陕西 西安 710300 摘要:上世纪中叶单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功 导致了电子工业革命上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明促进 了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业使人类进入了信息时代。超晶 格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功彻底改变了光电器件的设 计思想使半导体器件的设计与制造从“杂质”发展到“能带工程”。纳米科学技术 的发展和应用将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强 大的新型器件与电路必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式彻 底改变人们的生活方式。 关键词单晶硅半导体晶体管超晶格一维量子线零维量子点 Abstract: The middle of last century silicon and silicon semiconductor integrated circuit invention of the transistor and the successful development of the industrial revolution led to the electronic the last century the early 70s quartz optical fiber materials and the invention of GaAs lasers optical fiber communication technology to promote rapiddevelopment and gradually formed a high-tech industries so that humanity has entered the information age.Introduction of the concept of super-lattice semiconductor superlattice quantum well materials developed completely changed the design of optoelectronic devices so that the design and manufacture of semiconductor devices from the quotimpurity engineeringquot to quotbandgap engineering.quotNanotechnology development and application of science and technology will human beings from the atomic molecular or nanoscale level control manipulate and manufacture of powerful new devices and circuits will profoundly affect the worlds political and economic structure and military confrontationform completely changed the way people live. Key words: silicon transistor superlattice one-dimensional quantum wire the zero-dimensional quantum dots 集成电路制造工艺 2 1 引言 目前世界GaAs单晶的总年产量已超过 200吨其中以低位错密度的垂直梯度凝固法VGF和水平HB方法生长的23英寸的导电 GaAs衬底材料为主近年来为满足高速移动通信的迫切需求大直径46和8英寸的 SIGaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SIGaAs集成电路生产线。InP 具有比GaAs更优越的高频性能发展的速度更快但研制直径3英寸以上大直径的InP 单晶的关键技术尚未完全突破价格居高不下。 GaAs和InP单晶的发展趋势是 1。增 大晶体直径目前4英寸的SIGaAs已用于生产预计本世纪初的头几年直径为6英寸的 SIGaAs也将投入工业应用。 2。提高材料的电学和光学微区均匀性。 3。降低单晶 的缺陷密度特别是位错。 4。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快很有可能成 为主流技术。 2 几种主要半导体材料的发展现状与趋势 2.1 硅材料 从提高硅集成 电路成品率降低成本看增大直拉硅CZSi单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后 CZSi发展的总趋势。目前直径为8英寸200mm的Si单晶已实现大规模工业生产基于 直径为12英寸300mm硅片的集成电路IC„s技术正处在由实验室向工业生产转变中。 目前300mm0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产300mm0.13μm工艺生产线也 将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研 制成功直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。 从进一步提高硅IC„S的速度和集 成度看研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发 展的主流。另外SOI材料包括智能剥离Smart cut和SIMOX材料等也发展很快。目前 直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功更大尺寸的片材也在开发中。 理论分 析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应 对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料如用Si3N4等来替代SiO2低K介电互连材料用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料特别是二维超晶格、量子阱一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等这也是目前半导体材料研发的重点。 2.2 GaAs和InP单晶材料 GaAs和InP与硅不同它们都是直接带隙材料具有电子饱和漂移速度高耐高温抗辐照等特点在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路特别 集成电路制造工艺 3 在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。 2.3 半导体超晶格、量子阱材料 半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术MBEMOCVD的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴是新一代固态量子器件的基础材料。 1?V族超晶格、量子阱材料。 GaAIAsGaAsGaInAsGaAsAIGaInPGaAsGalnAsInPAlInAsInPInGaAsPInP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟已成功地用来制造超高速超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管HEMT赝配高电子迁移率晶体管PHEMT器件最好水平已达fmax600GHz输出功率58mW功率增益6.4db双异质结双极晶体管HBT的最高频率fmax也已高达500GHzHEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前研制高质量的1.5μm分布反馈DFB激光器和电吸收EA调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。 虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件但由于其有源区极薄0.01μm端面光电灾变损伤大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年就研制成功980nm InGaAs带间量子级联激光器输出功率达5W以上2000年初法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。 为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAsInAIAsInP量子级联激光器QCLs发明以来Bell实验室等的科学家在过去的7年多的时间里QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段387μm并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学 连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子级联激光器中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。 目前?V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向 集成电路制造工艺 4 正从直径3英寸向4英寸过渡生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心法国的Picogiga MBE基地美国的QED公司Motorola公司日本的富士通NTT索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。 2硅基应变异质结构材料。 硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料纳米SiSiO2硅基SiGeC体系的Si1yCy/Si1xGex低维结构GeSi量子点和量子点超晶格材料SiSiC量子点材料GaNBPSi以及GaNSi材料。最近在GaNSi上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道使人们看到了一线希望。 另一方面GeSiSi应变层超晶格材料因其在新一代移动通信上的重要应用前景而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHzHBT最高振荡频率为160GHz噪音在10GHz下为0.9db其性能可与GaAs器件相媲美。 尽管GaAsSi和InPSi是实现光电子集成理想的材料体系但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效防碍着它的使用化。最近Motolora等公司宣称他们在12英寸的硅衬底上用钛酸锶作协变层柔性层成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜取得了突破性的进展。 2.4 一维量子线、零维量子点半导体微结构材料 基于量子尺寸效应、量子干涉效应量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造通过能带工程实施的新型半导体材料是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用极有可能触发新的技术革命。 目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上如 GaAlAsGaAsInGaAsGaAsInGaAsInAlAsGaAsInGaAsInPInGaAsInAlAsInPInGaAsPIn AlAsInP以及GeSiSi等并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的InGaAsGaAs高功率量子点激光器工作波长lμm左右单管室温连续输出功率高达3.64W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层抑制了缺陷和位错的产生提高了量子点激光器的工作寿命室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时这是大功率激光器的一个关键至今未见国外报道。 在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管并在150K观察到栅控源漏电流振荡1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前基于量子点的自适应网络计算机单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建 集成电路制造工艺 5 等方面的研究也正在进行中。 与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比高度有序的半导体量子线的制备 技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组在继利用MBE技术和SK生长模式成功地制备了高空间有序的InAsInAIGaAsInP的量子线和量子线超晶格结构的基础上对InAsInAlAs量子线超晶格的空间自对准垂直或斜对准的物理起因和生长控制进行了研究取得了较大进展。 王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体几乎无缺陷和位错纳米线呈矩形截面典型的宽度为20300nm宽厚比为510长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的Lars Samuelson 教授领导的小组分别在SiO2Si和InAsInP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。 低维半导体结构制备的方法很多主要有微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法应变自组装量子线、量子点材料生长技术图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术单原子操纵和加工技术纳米结构的辐照制备技术及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。 2.5 宽带隙半导体材料 宽带隙半导体材主要指的是金刚石III族氮化物碳化硅立方氮化硼以及氧化物ZnO等及固溶体等特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外III族氮化物也是很好的光电子材料在蓝、绿光发光二极管LED和紫、蓝、绿光激光器LD以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前GaN基蓝绿光发光二极管己商品化GaN基LD也有商品出售最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面GaN基FET的最高工作频率fmax已达140GHzfT67 GHz跨导为260msmmHEMT器件也相继问世发展很快。此外256×256 GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外近年来具有反常带隙弯 曲的窄禁带InAsNInGaAsNGaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。 以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展2英寸的4H和 集成电路制造工艺 6 6H SiC单晶与外延片以及3英寸的4H SiC单晶己有商品出售以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相?馗呶缕骷难兄埔踩〉昧顺ぷ愕慕健,壳按嬖诘闹饕侍馐遣牧现械娜毕菝芏雀咔壹鄹癜汗蟆?IIVI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后于1990年美国3M公司成功地解决了IIVI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入ZnCdSeZnSe兰光激光器在77K495nm脉冲输出功率100mW的消息开始了IIVI族兰绿光半导体激光材料器件研制的高潮。经过多年的努力目前ZnSe基IIVI族兰绿光 激光器的寿命虽已超过1000小时但离使用差距尚大加之GaN基材料的迅速发展和应用使IIVI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。 宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系如GaN蓝宝石SapphireSiCSi和GaNSi等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱必将大大地拓宽材料的可选择余地开辟新的应用领域。 目前除SiC单晶衬低材料GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段不少影响这类材料发展的关键问题如GaN衬底ZnO单晶簿膜制备P型掺杂和欧姆电极接触单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂IIVI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题国内外虽已做了大量的研究至今尚未取得重大突破。 3 光子晶体 光子晶体是一种人工微结构材料介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙与半导体材料的电子能隙相似并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播相应光子晶体光带隙禁带能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有聚焦离子束FIB结合脉冲激光蒸发方法即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体基于功能粒子磁性纳米颗粒Fe2O3发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2和共轭高分子的自组装方法可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体二维多空硅也可制作成一个理想的35μm和1.5μm光子带隙材料等。目前二维光子晶体制造已取得很大进展但三维光子晶体的研究仍是一个具有挑战性的课题。最近Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体取得了进展。 4 量子比特构建与材料 集成电路制造工艺 7 随着微电子技术的发展计算机芯片集成度不断增高器件尺寸越来越小nm尺度并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制而无法满足人类对更大信息量的需求。为此发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥RivestShamir和AdlmanRSA体系引起了人们的广泛重视。 所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度更大信息传递量和更高信息安全保障有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想很多其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算自旋测量是由自旋极化电子电流来完成计算机要工作在mK的低温下。 这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外为了避免杂质对磷核自旋的干扰必需使用高纯无杂质和不存在核自旋不等于零的硅同位素29Si的硅单晶减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在 硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输处理和存储过程中可能因环境的耦合干扰而从量子叠加态演化成经典的混合态即所谓失去相干特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。 5.发展我国半导体材料的几点建议 鉴于.