独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究主任Seigo Kanemaru]新材料和功能集成集团首席科学家Tatsuo Maeda、高级科学家Taro Itaya等人与住友化学株式会社[总裁Masakazu Tokura]（以下简称“住友化学”）合作开发使用聚合物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。
这次，我们利用了产业技术研究院的基板接合技术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。后硅材料设备和硅大规模集成电路（Si-LSI）(1) 具有优异的耐热性的粘合性能聚酰亚胺, (2) 使用粘性聚酰亚胺在硅基板上实现高质量砷化铟镓 (InGaAs)我们成功开发了层转移技术和(3)在低于400℃的温度下制造超越硅性能的晶体管的技术。
使用新开发的技术开发将后硅材料和Si-LSI相结合的高性能、多功能器件电子设备和光子器件更高的密度3D 堆叠集成现在已经成为可能，我们可以期待计算机的节能、速度加快和尺寸缩小。
该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。
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| 聚酰亚胺上 InGaAs 层的横截面电子显微镜图像 |
比硅更好移动性具有特殊性能的化合物半导体和锗被称为后硅材料，作为下一代沟道材料，全球范围内的研究正在取得进展。这些后硅材料并不能取代传统Si-LSI的所有功能，因此具有必要性能的后硅器件必须安装在Si-LSI上必要的位置才能发挥其功能。因此，在将高质量的后硅材料转移到制作Si-LSI的基板上之后，进行器件制作和布线。后端需要一种称为集成的新技术。此外，许多后硅材料具有硅所不具备的优异光学特性，后端集成技术有望成为Si-LSI与光子器件有机集成的平台技术。
自2008年以来，AIST和住友化学一直在联合研究开发以电子器件和光子器件融合为目标的混合半导体技术，并致力于将硅衬底上的高性能半导体与作为光子材料具有多种功能的化合物半导体和锗相结合的研究（2011 年 6 月 12 日、2011 年 9 月 27 日 AIST 新闻稿）。这次，AIST世界一流的基板接合技术和器件制造技术，以及住友化学的商业级化合物半导体外延生长利用该技术，我们成功开发了用于硅后器件和硅器件功能集成的高性能半导体晶体键合和低温器件制造技术。
后端集成并不是在硅晶圆上形成Si-LSI的工艺（前端工艺），而是在晶体管等元件之间进行布线的工艺（后端工艺），形成功能器件并与底层Si-LSI接合，从而为Si-LSI功能添加新功能（图1）。先前的研究表明，后硅材料适用于需要最高 500 摄氏度低温工艺的后端工艺中的器件制造（AIST 新闻稿，2011 年 6 月 12 日），因为与硅材料相比，后硅材料的温度低于 400 摄氏度，而硅材料在器件制造过程中的温度超过 1000 摄氏度。此外，较低的工艺温度使得将廉价且高功能的聚合物材料引入传统上依赖于无机材料的半导体器件工艺中成为可能。这次，我们使用聚酰亚胺将超薄（小于 300 nm）后硅材料转移到硅上，并使用直接粘合到聚合物的半导体层在低于 400 摄氏度的温度下制造晶体管。这是我们在世界上首次通过将聚酰亚胺直接粘合到超薄半导体有源层来创建并演示超越硅性能的晶体管的运行。
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| 图1后硅材料后端集成技术 |
图2所示为我们开发的后端集成高性能晶体管的制造方法。首先，使用高质量的 InGaAs 层（300 nm）作为后硅材料。晶格匹配11902_11955旋涂法和外延生长的衬底反向键合（图2（b））。对于粘合后硅材料，我们开发了一种新型聚酰亚胺，它具有 450°C 以上的耐热性（图 3）和高粘合性能。接下来，选择性地剥离InP衬底，在硅衬底上获得薄的InGaAs晶体层（图2（c））。最后，使用制造的聚酰亚胺/硅基板上的InGaAs晶体层，在400°C或更低的工艺温度下形成晶体管（图2（d））。聚酰亚胺作为粘合剂具有极其便宜且易于处理的巨大优势，这次我们使用这种聚酰亚胺来验证其在转移工艺和晶体管制造工艺中的耐用性。
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| 图2 在聚合物上制造晶体管的方法 |
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图3 用于粘合的聚酰亚胺的物理特性
There is almost no weight loss up to around 500℃ |
图 4 中聚酰亚胺上形成的栅极长度为 50 µm 的 InGaAsn型MOSFET的性能漏极电流与栅极电压特性显示出良好的开关特性，开关比超过两位数，并且漏极电流与漏极电压特性显示出清晰的线性和饱和区，证实了晶体管良好的工作状态（图4，左图和中图）。图4（右）显示了转移前InP衬底上的InGaAs和聚酰亚胺的迁移率特性的比较。即使在聚酰亚胺上，迁移率也高达 1000 cm2/Vs, which is nearly twice the mobility of silicon即使与InP衬底相比，虽然在低载流子密度区域迁移率略有下降，但在高载流子密度区域完全一致。在晶体管的形成过程中，聚酰亚胺暴露于各种热循环甚至化学处理中，因此最初担心它可能成为工艺过程中的污染源并导致晶体管性能恶化。然而，这些结果表明聚酰亚胺完全可以作为后硅半导体的衬底。此外，由于在转移之前和之后没有观察到器件特性的显着劣化，所以发现转移过程对半导体层没有不利影响。此次展示了使用聚酰亚胺的转移技术和使用后硅材料的低温晶体管制造技术，使得在后端工艺中引入聚合物材料以及将后硅器件与Si-LSI集成变得更加容易。未来，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。
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图 4 聚酰亚胺上 InGaAs n 型 MOSFET 的性能 良好的开关特性，开关比大于两位数（左图）。观察到清晰的线性和饱和区域（中图）。聚酰亚胺的迁移率大约是硅的两倍（右图）。 |
In the future, post-silicon materials such as InGaAs may be used in various fields and environments例如，人们期望高性能、多功能和集成化，这是传统技术不可能实现的，例如将电子器件和光子器件集成在单个芯片上。此外，由于经过耐加工性验证的聚酰亚胺可以添加感光性能，因此被认为对于先进的三维堆叠和集成非常有效，例如在任意位置形成聚酰亚胺并进行布线的精细二次加工。未来，我们计划开发在所需位置和尺寸供应后硅材料的技术，以制造高性能、多功能器件，以进一步推进后硅材料的后端集成技术。