米乐m6官方网站 (AIST) 纳米电子研究所（所长：Seigo Kanemaru）新材料与器件集成组的 Tatsuro Maeda（高级研究员）和 Taro Itatani（高级研究员）开发了使用聚合物作为粘合剂转移化合物半导体以及在聚合物上制造高性能晶体管的技术，与住友化学株式会社（住友化学；总裁：Masakazu Tokura）合作。

基于AIST的基板粘合和器件制造技术以及住友化学的化合物晶体生长技术各自的优势，研究人员开发了（1）具有优异耐热性的粘合性聚酰亚胺； (2)采用粘着性聚酰亚胺在硅衬底上转移高质量砷化铟镓(InGaAs)层的技术； (3)400℃以下的晶体管制造技术，性能超越硅晶体管。这些是集成后硅材料器件和硅大规模集成电路（Si-LSI）的重要技术步骤。

所开发的技术将使得开发集成后硅材料和Si-LSI的高性能、多功能器件以及实现更密集的电子和光子器件的三维集成成为可能。经过测试，可以预期降低功耗、提高速度、缩小计算机的尺寸。

这些技术的详细信息将于 2012 年 9 月 25 日至 27 日在京都举行的 2012 年国际固态器件和材料会议 (SSDM 2012) 上公布。

聚酰亚胺上 InGaAs 层的横截面 SEM 图像

载流子迁移率优于硅的化合物半导体和锗被称为后硅材料，各国正在将其作为下一代沟道材料进行研究。由于这种后硅材料并不能取代Si-LSI的所有功能，因此必须在Si-LSI上必要的位置安装具有所需性能的后硅器件并执行特殊功能。因此，需要一种称为后端集成的新技术，将高质量的硅后材料转移到制造的硅大规模集成电路上，然后制造器件并与底层硅基电路互连。由于许多后硅材料具有硅所没有的优异光学特性，因此后端集成技术有望成为Si-LSI和光子器件功能集成的平台技术。

AIST 和住友化学自 2008 年以来一直在混合半导体技术方面进行联合研究，旨在集成电子和光子器件。他们的研究致力于将高性能半导体与具有多种光子材料功能的化合物半导体或锗集成在硅衬底上（AIST 2011 年 6 月 12 日新闻稿和2011 年 9 月 27 日)。在目前的研究中，他们利用AIST世界一流的衬底键合和器件制造技术以及住友化学的商业级化合物半导体外延生长技术，开发了高性能半导体晶体的键合技术和面向后硅和硅器件功能集成的低温器件制造技术。

后端集成是功能器件的形成，不是在硅晶圆上制造硅晶体管的过程（前端工艺），而是在晶体管等元件之间的布线过程（后端工艺）。通过将形成的器件与下层Si-LSI连接，可以为现有Si-LSI添加新功能（图1）。据报道，使用后硅材料制造器件时的温度为 400°C 或更低，而使用硅材料制造器件时的温度则超过 1000°C（AIST 新闻稿，2011 年 6 月 12 日）。因此，后硅材料适合在后端工艺中制造器件，其中需要最高 500°C 的低温工艺。此外，较低的工艺温度使我们能够将廉价的功能性聚合物材料引入半导体器件工艺中，其中迄今为止无机材料是最常见的。在这项研究中，开发了使用聚酰亚胺将极薄（小于300纳米）后硅材料转移到硅上的技术，以及使用直接附着在聚合物上的半导体层在400°C或更低温度下制造高性能晶体管的技术。首次将聚酰亚胺直接附着在极薄的半导体有源层上，制造出性能优于硅晶体管的晶体管，并证实了其运行。

图1：后硅材料后端集成技术

作为后端集成方法的高性能晶体管的开发制造方法如图2所示。首先，在晶格匹配的磷化铟（InP）衬底上外延生长高质量的InGaAs层（300 nm）作为后硅材料（图2（a））。接下来，通过旋涂法涂有聚酰亚胺作为粘合剂的硅基板被翻转并附着到外延生长的基板上（图2（b））。开发了一种新型聚酰亚胺，具有高于450°C的高耐热性和高粘合性，用于粘合后硅材料（图3）。接下来，选择性地去除InP衬底，并在硅衬底上获得薄膜InGaAs晶体层（图2（c））。最后，使用聚酰亚胺/硅衬底上的 InGaAs 层在 400°C 以下的工艺温度下制造出高性能晶体管（图 2 (d)）。聚酰亚胺作为粘合材料的主要优点是非常便宜且易于处理。所开发的聚酰亚胺在层转移和晶体管制造过程中获得的耐久性已得到验证。

图2：聚酰亚胺上晶体管的制造方法

图3：用于粘合的聚酰亚胺的特性 在 500°C 左右几乎没有质量损失。

图 4 显示了聚酰亚胺上栅极长度为 50 µm 的 InGaAs n 型 MOSFET 的性能。漏极电流-栅极电压特性表明具有大于两位数的开/关比的出色开关特性，并且具有清晰的线性和饱和区域的漏极电流-漏极电压特性证实了良好的晶体管操作（图4，左和中）。图4右侧显示了转移前InP衬底上和聚酰亚胺上InGaAs的迁移率特性。即使在聚酰亚胺上，InGaAs 的迁移率也高于 1000 cm²/Vs 最多，或几乎是硅的两倍。与InP衬底上的InGaAs的迁移率相比，虽然在低载流子密度区域中观察到略有下降，但聚酰亚胺上的InGaAs的迁移率在高载流子密度区域中是一致的。在晶体管制造过程中，聚酰亚胺要经历各种热循环和化学处理，因此最初担心聚酰亚胺会成为工艺过程中的污染源，从而导致晶体管性能下降。然而，结果表明，聚酰亚胺作为后硅半导体的永久材料表现得足够好。还发现转移过程对半导体性能没有不利影响，因为与转移前后相比，器件特性没有发现重大退化。由于本研究已经验证了聚酰亚胺转移技术和后硅材料低温晶体管制造技术，因此可以轻松实现Si-LSI与后硅器件的集成以及在后端工艺中引入聚合物材料。预计将利用聚酰亚胺和后硅材料的多样性实现高性能、多功能器件。

图 4：聚酰亚胺上的 InGaAs n 型 MOSFET 的性能 良好的开关特性，开/关比大于两位数（左）。观察到清晰的线性和饱和区域（中心）。 InGaAs 在聚酰亚胺上的迁移率大约是硅的两倍（右）。

未来计划