2020-03-17
2020-03-09
室温では、単結晶をエッチングする従来の湿式化学物質は知られていない。最も 電子デバイスおよび回路用のパターン化されたエッチングは、ドライエッチング技術を用いて達成される。 読者は、乾式エッチングの結果の要約を含む参考文献122〜124を参照すべきである これまでに得られた最も一般的に用いられるプロセスは、反応性イオンエッチング（反応性イオンエッチング） フッ素化プラズマ。犠牲エッチングマスク（例えば、アルミニウム金属）が堆積され、フォトリソグラフィによって 所望の領域がエッチングされるのを防ぐためにパターン化される。簡単なプロセスを実装することができます 標準シリコンリリーフと数百のオーダーの典型的な4時間および6時間エッチング速度 オングストローム/分。よく最適化されたプロセスは、 エッチングマスクをアンダーカットし、滑らかな表面を残す。滑らかな表面を実現するための鍵の1つ マスキング材料がわずかにエッチングされ、ランダムに再堆積される「マイクロマスキング」が防止されている サンプル上に、均一であることが意図されたサンプル上の非常に小さな領域を効果的にマスキングする エッチング。これは、マスクされていない領域に形成される「草」様のエッチング残渣の特徴をもたらす可能性があり、 ほとんどの場合、望ましくない。 rieエッチング速度は多くの電子用途には十分であるが、はるかに高いエッチング速度は 実現に必要な数十から数百マイクロメーターオーダーの特徴を彫刻するために必要 高度なセンサー、mem、およびsic rfデバイスに役立つウェハスルーホールが含まれます。高密度プラズマドライエッチング 電子サイクロトロン共鳴及び誘導結合プラズマのような技術は、 sicの深いエッチングの必要性を満たすために開発されました。残留物を含まないパターン化エッチング速度が 1分あたり1000オングストロームが実証されています。 非常に高いエッチング速度でのsicのパターン化されたエッチングもまた、光アシストおよび ダーク電気化学的ウェットエッチング。適切なエッチング条件を選択することによって、この技術は 非常に有用なドーパント選択性エッチストップ能力である。しかし、主要な非互換性があります。 電気化学的プロセスは、大量生産を含む大量生産には望ましくない。 エッチング前処理、エッチング等方性エッチング、マスクアンダーカット、および多少の 試料を横切る不均一なエッチング。レーザエッチング技術は、大きな特徴をエッチングすることができ、 例えばrfチップに有用なウェーハ貫通ホールを介して行われる。...
現在使用されている半導体集積回路チップの大部分は、 半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）であり、その電子的利点および動作 デバイス物理学は、葛巻の章と他の場所で要約されている。極端な Vlsiシリコンの反転チャネルMOSFETベースの電子機器の有用性と成功 ディスクリートシリコンパワーデバイス）、高性能インバージョン sicのチャンネルMOSFET。シリコンのように、シリコンが十分に加熱されると熱が発生します 酸素環境。これにより、SICMOS技術は非常に成功した それにもかかわらず、絶縁体の品質に重要な違いがあり、 現時点では理想のMOSFETが完全に有益であることを実現できないデバイス処理 潜在的な。次のような談話では、 より詳細な洞察は、文献133-142に見出すことができる。 純粋に電気的な観点からは、酸化物の主要な操作上の欠点が2つあり、 シリコンMOSFETと比較して、MOSFETです。第1に、ほとんどの理論MOSFETにおける効果的な反転チャネル移動度 シリコン反転チャネルMOSFETキャリア移動度に基づいて予想されるよりも低い。 これは、トランジスタ利得と電流駆動能力を大幅に低下させ、その結果、 理論的に予測されているように、MOSFETはそれほど有利ではない。第二に、酸化物は証明されていない シリコン酸化物が信頼性があり不変であることから、シリコン酸化物は 閾値電圧シフト、ゲートリーク、および酸化物の故障を引き起こす可能性がある。に 特に、酸化物の電気的性能の欠点は、 シリコンおよびシリコン熱酸化物の品質および界面構造は、酸化シリコンが望ましくない 高レベルの界面準位密度（ ）、固定酸化物電荷（ ）、 電荷トラップ、キャリア酸化物トンネリング、および反転チャネルキャリアの移動度の低下をもたらす。 現代のMOSFETの開発が直面している困難を強調するには、 初期のシリコン工場も長年にわたる献身的な研究を要した開発課題に直面していた 成功裡に克服する努力。確かに、4h-sic mosデバイス性能の大幅な改善 近年達成されており、有益な4h-sicパワーMOSFETが 次の数年以内に周囲温度が125℃までの動作が商品化される可能性があります。 従来の配向された（8°オフ（0001）の場合の4hシリコンMOSFETの反転チャネル移動度、 c軸）ウェハが\u003c10から\u003e 200に改善された 、電気的に有害な密度 sic- 伝導帯端にエネルギー的に近接している界面準位欠陥は、 大きさのオーダー。同様に、別のウエハ面の向き、例えば（ ） そして（ ）は、異なる結晶方位で切断されたウェーハ上のデバイスを作製することによって得られる （セクション5.2.1）、有意に改善された4h-sic mosチャネル特性も得られた。 大幅に改善された4h-sic mosデバイスを得るための1つの重要なステップは、適切な導入であった の窒素化合物ガス（ ）酸化および後酸化中に アニーリングプロセス。これらの窒素ベースアニールはまた、 4h酸化物の高電界および高温ストレスへの安定性は、 MOSFETの信頼性を定量化する。しかし、agarwalら指摘している、ワイド SICのバンドギャップは、酸化物を介した損傷キャリアのトンネリングを妨げる電位障壁を低減する 4h酸化物は、4h酸化物と同じ高い信頼性を達成することは期待できない シリコン上の熱酸化物。熱成長したもの以外の代替ゲート絶縁膜 反転チャネル4h-sic絶縁の最適化された実装のために開発する必要があります 最も要求の厳しい高温および高出力の電子用途向けのゲートトランジスタである。として シリコンMOSFET技術を用いて多層誘電体スタックが開発され、 sicのMOSFETパフォーマンス。...
敵対環境の半導体デバイスおよびICは、信頼性の高いパッケージ化および接続ができず、敵対的な環境操作が可能な完全なシステムを形成できない場合、ほとんど利点がありません。適切な材料選択で、既存のICパッケージング技術の変更は、非電力回路パッケージで最大300°Cまで実現可能です。近年の研究では、高出力500-600°Cの酸化環境での動作が必要な非常に要求の厳しい航空宇宙電子アプリケーションのニーズに対処し始めています。例えば、500°Cで1000時間以上耐えることができるプロトタイプの電子パッケージや回路基板が実証されています。インダクタ、コンデンサ、変圧器などの厳しい環境の受動部品も、セクション5.3で説明したシステムレベルのメリットが十分に発揮される前に、厳しい条件で動作するように開発する必要があります。
このセクションでは、主なアプリケーション分野別に分類された様々なICデバイスの設計を簡単に要約します。様々なデバイスデバイストポロジの機能を制限する重要な技術課題は、さらなる技術成熟において取り組まなければならない重要な課題として浮き彫りにされている。このセクション全体を通して、有益な機能を完全に達成することを阻む最も困難な一般的な課題は、以前は達成できなかった温度および電力密度の領域で動作しながら、長期間の高い動作信頼性を達成することである。多くのデバイスの信頼性の限界は、セクション5.4および5.5ですでに述べた基本的な材料および接合部/界面の問題に遡ることができるので、有用な（すなわち信頼性の高い）デバイスエレクトロニクスがこれらの基本領域の改善に焦点を当てるべきである。
sicの広いバンドギャップは、短波長の青色および紫外（uv）オプトエレクトロニクスを実現するのに有用である。 6hシリコンベースのpn接合発光ダイオード（led）は、第1の半導体デバイス 目に見える色のスペクトルの青い部分をカバーするために、そして到達する最初のsicベースのデバイスとなった 大量の商業販売。 sicのバンドギャップは間接的である（すなわち、導通の最小値 価電子帯の最大値が結晶運動量空間で一致しない）、発光再結合 本質的に非効率的である。したがって、sic pn接合に基づくLEDはかなり古くなった はるかに明るく、より効率的な直接バンドギャップIII族窒化物（iii-n ganとingan）青いledsとして。しかしながら、基板の1つとしては、依然としてウエハが採用されている 緑色と青色の大量生産に使用されるiii-n層の成長のための（サファイアと共に） 窒化物ベースのLED。 短波長光を吸収するのにはるかに効率的であることが証明されており、 タービンエンジンの優れた火炎センサとして機能する、敏感なフォトダイオードの実現 燃焼モニタリングおよび制御。 6h-sicの広いバンドギャップは実現に有用である 低フォトダイオード暗電流だけでなく、望ましくない近赤外波長に対して盲目のセンサ 熱と日射によって生成される。やはりエピタキシャルに基づいた市販のuv火炎センサ 成長したドライエッチングメサ絶縁6h-sic pn接合ダイオードは、有害な汚染 発電システムで使用されるガス燃焼型地上ベースのタービンからの排出量。その シック・ダイオードの暗電流が低いことは、核のX線、重イオン、中性子検出にも有用です 原子炉の監視と高エネルギー粒子衝突と宇宙に関する科学的研究の強化 放射線。
sic rfデバイスの主な用途は、約600MHz（uhfバンド）からおそらく数ギガヘルツ（xバンド）までの周波数で、高周波の固体状態の高出力増幅にあると思われる。参考文献5,6,25,26,159および他のところでさらに詳細に議論されているように、高耐圧および高いキャリア飽和速度と結合した高熱伝導率により、シリコンRFトランジスタはシリコンまたはガーダよりもはるかに高い出力密度を扱うことができる（表5.1）、低電界キャリア移動度におけるSICの欠点にもかかわらず、フォノン散乱がキャリア速度を著しく低下させないように、チャネルの自己発熱を最小限に抑えるためには、より高い熱伝導率が重要である。これらの物質的な利点rfパワー議論は、mesfetsや静的誘導トランジスタ（sits）やその他のワイドバンドギャップ半導体（group iii-nitridesなど）のようなさまざまな異なるトランジスタ構造に適用されます。ワイドバンドギャップトランジスタの高電力密度は、より小型で大量の高出力が重要なソリッドステートトランスミッタアプリケーションの実現に非常に有用であることがわかります。より高い温度で動作可能なトランジスタの数が少なくなると、マッチング要件と冷却要件が減少し、これらのシステムの全体的なサイズとコストが削減されます。 sicベースの高周波rf mesfetが現在市販されている。しかし、未知の半絶縁基板、デバイスのエピ層、および表面パッシベーションから生じる電荷トラッピング効果のために、これが追跡調査され、信頼性が低いという長年の基礎研究の後に発生したことに注意することが重要です。以前に開発されたバナジウムドープ半絶縁シリコンウェハよりもはるかに少ない電荷トラッピングが誘発され、（高寄生素子容量を最小化するために必要とされる）「高純度」半絶縁基板の開発が信頼性の高い動作を可能にしました。半絶縁性基板上に製造されたS / M mesfetデバイスは、おそらく比較的敏感ではない。 主に、c軸マイクロパイプが、側方チャネルmesfet構造の大部分の領域において、高電界接合部の2つの導電側を一緒に短絡させることができないため、縦型高出力スイッチングデバイスよりもマイクロパイプから生じる悪影響が生じる。 sicミキサダイオードはまた、rf受信機における望ましくない相互変調妨害を低減するための優れた約束を示す。最適化されていないSiCショットキーダイオードミキサを使用して、20dBを超えるダイナミックレンジの改善が実証されました。さらなる開発および最適化の後に、受信機および高出力送信機が密接に位置する状況（航空機または船舶など）において干渉ベースのミキサーが干渉耐性を改善するはずである。...
ほとんどのアナログ信号調整およびデジタル論理回路は、個々のトランジスタ これらの回路では、典型的には、電流の数ミリアンペアを必要とせず、適切に機能するためには20V未満である。 市販のシリコン・オン・インシュレータ回路は、複雑なデジタルおよびアナログの信号レベル機能を実行することができます 高出力が要求されない場合は最大300°Cとなります[163]。信号対雑音比を結合することが有利である雑音の他に、 高出力またはユニークなセンサ/メモリを備えた高レベルの機能を単一のチップ上に搭載することができます。 低電力の信号レベル機能を実行することは、低放射線アプリケーションでは温度 250-300℃以下。 この執筆時点では、商業的に入手可能な半導体トランジスタまたは集積回路（sicまたはそれ以外）は存在せず、 300°C以上の周囲温度での使用に適しています。 sicベースの高温実験室用プロトタイプでは 過去10年間で大幅に改善され、長期的な運用信頼性を達成することは、 有用な300〜600°Cのデバイスと回路を実現します。 vlsiの実装に成功した回路技術 CMOSやecl、バイモス、dcflなどのシリコンやガウスの回路は、t\u003e 300°C sic- 集積回路。高温ゲート絶縁体の信頼性（セクション5.5.5）は、MOSFETベースの集積回路の実現を成功させるために重要です。ゲートからチャネルへのショットキダイオードの漏れは、約400°C（セクション5.5.3.2）までのSICMOSFET回路のピーク動作温度を制限します。したがって、バイポーラ接合トランジスタ（bjts）および接合電界効果トランジスタ（jfets）などのpn接合ベースのデバイスは、300〜600℃で長期間の動作を達成するための（少なくとも近い程度）雰囲気。信号レベル回路は、大部分の転位の電気的破壊電圧よりもかなり低い比較的低い電界で動作するので、マイクロパイプおよびその他の転位は、信号レベルの回路プロセスの歩留まりに、高電界の電力デバイスの歩留まりに与える影響よりもはるかに小さい。 この記事の執筆時点では、nmos、cmos、jfet、およびmesfetのデバイストポロジのいくつかのバリエーションを使用して、いくつかのディスクリートトランジスターと小規模のプロトタイプロジックとアナログアンプのベースラインが実証されています。しかし、これらのプロトタイプはいずれも、シリコン・オン・インシュレータ技術の約250〜300℃の領域を超える周囲温度で長時間電気的に安定した動作を提供できないため、この文書の時点では商業的に実行可能ではありません。セクション5.5で論じられているように、すべての高温デバイスデバイス技術に共通の障害は、コンタクト、相互接続、パッシベーション、およびパッケージングの信頼できる長期動作がt＆gt; 300℃。耐久性の高い高温オーミックコンタクトとパッケージングを組み込むことにより、酸化空気環境下で500°Cでパッケージングされた6時間の電界効果トランジスタの長期連続電気的動作が最近実証された。 基本的なデバイスデバイス処理技術（セクション5.5）のさらなる改良がなされ、ますます耐久性が向上するにつれて、 300℃ベースのトランジスタ技術は、環境負荷の低いアプリケーションで有益な用途に向けて進化します。ますます複雑な高温機能を実現するには、より広い温度範囲（650°C広がり）でデバイス動作パラメータの大きな変化に対応するロバストな回路設計が必要になります。回路モデルは、より深いドナーおよびアクセプタドーパントイオン化エネルギーのために、デバイスデバイスのエピ層が著しく「凍結」するという事実を説明する必要があるため、デバイス層ドーパントの重要なパーセンテージは室温付近の電流を伝導するようにイオン化されない。これらのキャリアのフリーズアウト効果のため、-55℃よりもはるかに低い接合部温度で動作するシリコンベースのicsを実現することは困難です（u.s. mil-spec温度範囲の下限）。...
パワースイッチングデバイスのためのシリコン上のシリコンの大きな理論的利点の背後にある固有の材料特性および基本的な物理特性についてはセクション5.3.2で説明しました。同様に、セクション5.4.5で、シリコンウェーハおよびエピ層に見出される結晶欠陥が、現在、有用な高出力スイッチングデバイスの商品化を制限する主な要因であると議論された。このセクションでは、電源用整流器とパワースイッチングトランジスタ技術の追加の開発面を中心に説明します。 大部分のシックパワーデバイスプロトタイプは、最小ウェーハ面積を使用してデバイス電流を最大にする（すなわち、電流密度を最大にする）ために、基板を通る高電流の垂直フローのようなそれらのシリコンベースの対応物と同様のトポロジーおよび特徴を使用する。しかしながら、シリコンとは対照的に、現在のp型シリコン基板の比較的低い導電率（セクション5.4.3）は、垂直方向の電流密度を有利に高めるために、全ての垂直方向のパワーデバイス構造がn型基板を使用して実施されることを規定している。デバイス設計のトレードオフの多くは、現在の密度、電圧、電力密度、およびスイッチング速度の数がSICではるかに高いという事実を除いて、よく知られているシリコンパワーデバイスのトレードオフとほぼ同じです。 パワーデバイスが高電圧で正常に機能するためには、慎重なデバイス設計と絶縁/不動態化誘電体材料の適切な選択により、電界集中によるエッジの破壊が避けられなければならない。多くのプロトタイプ高電圧SICデバイスのピーク電圧は、特に複数キロボルトをブロックできるSICデバイスでは、破壊的なエッジ関連の破壊によって制限されていました。さらに、多くのプロトタイプのマルチキルボルト装置の試験では、装置周辺の電気アーク放電や表面フラッシュオーバーの損傷を最小限に抑えるために特殊な高耐圧液体またはガス雰囲気に装置を浸漬する必要がありました。もともとシリコン高電圧デバイスで先駆けされていたさまざまなエッジ終端方法が、カスタマイズされたドーパントおよびメタルガードリングを含むさまざまなレベルの成功を収めたSICパワーデバイスの試作に適用されました。シリコンパワーデバイスのより高い電圧およびより高い局所電場は、パッケージおよびウェハ絶縁材料に大きな応力をかけるので、シリコン高電圧デバイスを絶縁/パッシベーションするために使用される材料のいくつかは、これらのデバイスが高温で動作する場合は、特に注意してください。...
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