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集成电路新材料技术发展态势

供稿人:杜渐  供稿时间:2018-11-13   关键字:新材料  III-V族材料  Ge材料  

当前,集成电路技术进步越来越依靠材料的创新,包括:栅工程、源漏极工程、沟道材料等。栅工程,筛选具有合适功函数的金属栅材料及堆叠结构,避免费米能级钉扎效应,降低刻蚀工艺及集成技术的难度;源漏极工程,实现超浅结的源漏工程,确保器件具有良好的短沟道效应抑制特性和欧姆接触;沟道,筛选具有更高电子迁移率、禁带宽度的沟道材料,满足特征尺寸缩小、功耗降低的要求。这其中,沟道作为晶体管电子迁移的通道,是晶体的核心部分,也是材料创新的重点。

硅做为CMOS晶体管沟道材料,在禁带宽度、电子迁移率、空穴迁移率等方面的不足,已经越来越难以满足晶体管进一步缩小的需要。近年来,具有更高迁移率的非硅半导体材料,比如锗(Ge)、III-V族化合物半导体等成为了CMOS工艺沟道材料技术热点。

室温条件下,锗的电子迁移率是硅的近3倍,而空穴迁移率则可以轻松地达到4倍之多。2015年,IBM实验室联合三星、格芯以及纽约州立大学纳米理工学院成功推出全球首个7nm原型芯片,在这款芯片中沟道采用的就是“锗硅”材料,取代原有的高纯硅。

主要沟道材料物理性质对比

 

Si

Ge

GaAs

InP

电子迁移率(cm2/Vs)

1600

3900

9200

5400

空穴迁移率(cm2/Vs)

430

1900

400

200

能带宽度(eV)

1.12

0.66

1.42

1.34

III-V族材料典型代表有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。具有比锗更高的电子迁移率;在同等功耗条件下,III-V族场效应管表现出比硅场效应管快1.5倍的速度;此外,由于 III-V 化合物半导体拥有更大的能隙和更高的电子迁移率,因此新材料可以承受更高的工作温度,并在更高的频率下运行。2015年,欧盟设立了“结合III-V族纳米线半导体的下一代高性能CMOS SOC集成技术”研究项目,该项目隶属于Horizon 2020研究和创新行动计划。项目的目的在于发展III-V族纳米线CMOS技术,使得毫米波能应用在SOC芯片系统上,该系统在10nm以下节点集成了RF和逻辑器件。目前,III-V族沟道材料存在的主要技术问题是成本较高,且很难与现有的硅半导体工艺兼容和集成。

在III-V族化合物中,目前砷化镓应用最为广泛、研究最为成熟。然而,砷化镓材料的缺点在于,其暴露在空气中,表面很容易发生氧化反应,形成化学性质很不稳定的自然氧化物,而且在光照和潮湿等环境下很容易分解和转变成其它的化学成分。因此,在沉积高k栅介质之前必须对砷化镓表面进行表面钝化处理,包括硫化合物表面钝化、氢或氮等离子体表面清洗以及淀积一层超薄的界面钝化层等。

磷化铟基半导体材料是以磷化铟单晶为衬底或缓冲层而生长出的化合物半导体材料,包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。2010年,英特尔将InGaAs HMET量子阱晶体管由平面结构过渡到三维FinFET结构。实验证实,这种短沟道器件加入高k栅极介质后的栅极漏电电流减少到原来的千分之一,同时等效电学氧化层厚度也减少了33%,可以获得更快的开关速度,大大改善了芯片性能。

参考文献:

1、CCID,《我国新型半导体材料和器件产业发展对策研究》

2、R_Colin Johnson,IBM以标准CMOS工艺打造三五族FinFET,集成电路应用,2015(8)


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