（微电子学与固体电子学专业论文）05μm+soicmos器件建模与特性研究.pdf

jjjj1_1j，j1 - _ _ _ 。1 1 。 m st h e s i so f 2 0 1 0 u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 r e g i s t e rn u m b e r ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 1 4 e a s tchinanor ma _ uni v er si t h e m o d e l i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho fo 5g m s o i c m o s d e p a r t m e n t ：d e p t o fe l e c t r o n i cs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a j o r ： s p e c i a l t y ： m i c r o e l e c t r o n i c s & s o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l & d e v i c e m e n t o r ： ! = q 鱼墨墨q 墨h iy 垒旦! i 旦g n a m e ： 2 olo o5 华东师范大学学位论文原创性声明一1 1 1 i i - i i ，l l _ i l l j l l z i i i 1 1 i i i 3 l l l l 郑重声明：本人呈交的学位论文0 舡ms o l - c m o s 器件建模与特性研究，是在华 东师范大学攻读硕劫博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 v 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意。 作者签名：撇 日期：动年，月岁d 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 0 5 a ms o ic m o s 器件建模与特性研究系本人在华东师范大学攻读学位期间在 导师指导下完成的硕劫博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学 所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相 关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文 进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、 硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、 缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文木， 于年月r 解密，解密后适用上述授权。 忒方2 不保密，适用上述授权。 导师签名j 牡 本人签名整遂超 训o 年歹月岁。日 涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论 文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部 门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述 授权) 。 黄量这硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 杨坪舷厕务履睇青1 师歙髫 主席 积健赦。授垮氰怫歙膳 多旌卫初缓压一珍砌徽 摘要 随着集成电路技术的不断发展，特征尺寸不断缩小，出现了一些列器件物理、 器件结构和工艺技术等方面的问题。绝缘体上硅技术( s 0 1 ) 技术以其独特的结构 有效克服了传统体硅技术存在的问题，具有集成度高、寄生电容小、抗闩锁能力 强等优势，成为最有发展前景的新型集成电路技术。 由于目| j 国内从事s o i 器件制造的公司及科研单位较少，为了探索基于s o i 衬底材料的先进技术研究，本论文对合作单位的传统体硅c m o s 平台进行了合 理的改进优化，制定了s o i 器件工艺流程。同时完成版图设计规则和测试图形的 绘制，对流片器件进行了初步测试、分析研究，探索了p dp m o s 器件模型参数 的提取方法。 在进行了广泛的调研的基础上，本文完成的主要工作有： 1 参与了对合作单位原有体硅0 5umc m o s 工艺平台的改进，完善了基 于s o i 衬底技术的器件制作流程及工艺参数调整。同时对流片制得器件 进行工艺方面的分析研究，进而完善工艺流程，进行二次流片。 2 对s o ic m o s 器件的部分耗尽工作模式所存在的多种固有效应，如浮体 效应、k i n k 效应等进行分析验证。为此，设计了多种不同的器件类型， 包括了t 型栅接触型、h 型栅接触型、浮体型以及常规的n o r m a l 型四 种器件类型。在完成版图设计规则的基础上，对四种类型进行了不同宽 长比( w 肿器件的版图设计。 3 进行了流片后的器件测试与分析，对所制得的浮体p d p m o s 进行了基 于b 3 s o ip d 模型的d c 模型参数提取。为了准确提取与尺寸相关的参 数，将不同尺寸器件分成大器件、窄器件系列、短器件系列和小器件系 列。通过对各种器件测试结果与仿真曲线的拟合，提取了d c 模型参数。 并对最后的参数进行了验证，保证了大尺寸范围内器件特性的有效拟 合，从而验证了该模型参数提取方法的可行性和正确性。 关键词：s o i ，器件建模，模型参数，浮体，射频开关电路 本文的研究受上海科委项目“r f s o ic m o s 电路设计研究力( n o 0 8 7 0 6 2 0 0 8 0 2 ) 和上海科委项目“基于r fs 0 1 c m o s 工艺的m o s 器件结构及电路应用研究一 ( n o 0 8 7 0 0 7 4 1 3 0 0 ) 资助 a b s t r a c t w i t ht h ed e v l o p m e n to fi ct e c h n o l o g ya n dt h es c a l i n gc h a r a c t e r i t i cl e n g t h ，s o m e p r o b l e m sa p p e a r e dm o r ee v i d e n t l yo nd e v i c ep h y s i c s ，d e v i c e ss t r u c t u r ea n dp r o c e s s t e c h n o l o g y s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) t e c h n o l o g yr e p r e s e n t e du n i q u es t r u c t u r e st o e l i m e n a t et h el i m i t e so ft h et r o d i t i o n a lb u l ks i l i c o nd e v i c e s ，w h i c ha l s oh a dt h e a d v a n t a g e so fh i g hi n t e g r a t i o n ，s m a l lp a r a s i t i cc a p a c i t a n c ea n dl e s sp r o b a b i l i t yo fl a t h - u p i tm u s tb ea m o r ep r o m i s i n gt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e t h e r ei so n l yaf e wo fc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sw h i c hh a dd e d i c a t e d a tt h es 0 1d e v i c e sr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sh a d d o n es o m ec h a n g e so nt h ec o n d i t i o n a lb u l k - s i l i c o np r o c e s sa n df o r m e dab e t t e rs o i d e v i c ep r o c e s sf l o wt oe x p l o r et h ed e v i c e sm a d eo nt h es o ls u b s t r a t e a tt h es a m e t i l m ew em a d et h ed e s i g nr u l e sa n dd r a w nt h el a y o u to ft e s td e v i c e s a n dt h eo r i g i n a l t e s ta n da n a l y s i sw e r ed o n et ot h et a p e d - o u td e v i c e s t h i st h e s i sh a dd o n es o m e r e s e a r c h e so nt h em o d e lp a r a m e t e r se x t r a c t i o no fp d - p m o s f i n a l l y o nt h eb a s i so fl o t so fi n v e s t i g a t e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cw o r ki nt h et h e s i sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a ni m p r o v e m e n to nt h et r o d i t i o n a lb u l k - s i l i c o np r o c e s sw a si m p l e m e n t e d ， r e s u l t i n gi np r o p e rp r o c e s sf l o wa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s a n da l s ot h ep r o c e s s a n a l y s i sw e r ed o n et ot h et a p e d - o u td e v i c e ss oa st og i v es o m ei n s t r u m e n tt o t h es e c o n dt a p eo u t 2 t h ed e v i c e sm a d eo nt h e1 9 0 n mt o ps i l i c o nf i l mw o r k e di np a r t i a l l yd e p l e t e d ( p d ) m o d e t h e r ew e r em a n yi n t r i n s i cp a r a s i t i ce f f e c t s ，s u c ha sf l o a t i n gb o d y e f f e c t ，k i n ke f f e c t ，s e l f - h e a t i n ge f f e c t ，e t c t or e s e a r c ht h ed e v i c e sp e r f o r m a n c e ， f o u rt y p e so fd e v i c e sw a sd e s i g n e d ，w h i c hw e r en a m e dt - b c ，h b c ，f ba n d n o r m a l a c c o r d i n gt o t h en e wd e s i g nr u l e s ，w ed e s i g n e ds o m ed e v i c e so f d i f f e r e n ts i z e sc o r r e s p o n d i n gt oe a c ht y p e 3 t h ep d - p m o sd e v i c e sr e p r e s e n t e dam o r eb e t t e rp e r f o r m a n c e s ot h ed c m o d e lp a r a m e t e r se x t r a c t i o nw a sf u l f i l l e db a s e do nt h eb s i m 3 v 3m o d e l t o g e tt h ep a r a m e t e r sp r e c i s e l y , t h ed e v i c e sw e r ed i v i d e dt of o u rg r o u p s ：b i g d e v i c e ，l o n g - c h a n n e ld e v i c e s ，w i d e d e v i c e sa n ds m a l l - d e v i c e s d i f f e r e n tp a r a - m e t e r sw e r ee x t r a c t e df r o mt h ec o r r e s p o n d i n gd e v i c e sb yt h ef i t t i n go ft e s t c u r v e sa n ds i m u l a t i o nc u r v e s f i n a l l yt h em o d e lc a r di n c l u d i n gt h ep a r a m e t e r s e x t r a c t e dw a su s e dt oa l lt h ed e v i c e s t h eg o o df i t n e s so fa l lt h ed e v i c e s i n d i c a t e dt h a tt h i sp a r a m e t e r se x t r a t i o nw e r ef e a s i b l ea n dc o r r e c t k e yw o r d ：s o i ，d e v i c em o d e l i n g ，m o d e lp a r a m e t e r ，f l o a t i n gb o d y , r f s w i t c hc i r c u i t ， h i 目录 摘要i a b s t r a c r i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 s o i 的优越性3 1 3 本论文的主要研究内容6 第二章s o ic m o s 器件特性7 2 1s o i 材料制备7 2 2s o i - c m o s 器件的基本特性1 0 2 2 1k i n k 效应1 1 2 2 2 寄生双击型晶体管效应1 2 2 2 3 自加热效应1 3 2 3 浮体特性的改进技术1 3 2 3 1 体接触技术1 3 2 3 2 沟道缺陷工程1 5 2 4 小结1 6 第三章基于s o i 技术的器件设计1 7 3 1 本课题中采用的s o i 工艺流程1 7 3 2 工艺参数优化1 9 3 3 版图的d r c 设计规则2 2 3 4s o im o f e t 器件设计2 4 3 5 小结2 8 第四章s o ip d - m o s f e t 器件建模2 9 4 1 引言2 9 4 2b 3 s o ip d 模型介绍嘶1 3 0 4 2 1 模型相关参数表征3 0 4 2 2p ds o i 电流模型3 3 4 3s o ip m o s 模型参数提取3 6 4 4 1 测试建模工具3 8 4 4 2 器件尺寸选取3 9 4 4 3 器件d c 测试4 2 4 4 4 器件模型参数提取4 6 4 5 基于s o i 器件的r f 开关电路5 6 4 5 1t d d 模式下的开关电路5 6 4 5 2 开关电路对s o i 器件的选取5 8 4 6 小结5 9 第五章总结与展望6 0 5 1 本论文工作的总结：6 0 5 2 下一步的工作展望6 1 附录6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间的论文发表及专利申请情况6 7 致谢6 8 v 2 0 1 0 届华东师范人学硕士毕业论文 信息科学技术学院电了系 1 1 研究背景 第一章绪论 1 9 4 7 年，巴丁( j b a r d e e n ) 、布拉顿( w b r a t t a i n ) 和肖特利( w s h o c k l y ) 成功的 制成了世界上第一个点接触式的晶体管，从而拉开了微电子集成电路发展的序 幕。在这几十年的发展过程中，各种半导体技术工艺都取得了重大的突破。其中 以硅材料为基础，以集成度高、静态功耗低、速度较快的c m o s 技术为主流的 微电子技术成为了性价比最优、应用最广泛的的集成电路技术。不断缩小的器件 尺寸和不断增大的芯片面积促使着超大规模集成电路的快速发展。器件尺寸的不 断缩小，导致了电路性能的不断改善，以及电路集成度的不断提高；芯片面积的 不断扩大，则促使了电路功能不断增多，从而降低了成本。正是在这两方面作用 的驱动下，集成电路遵循着摩尔定律的发展速度：芯片上晶体管的数目，每隔 1 8 个月增加一倍或每三年翻两番。按照i t r s ( i n t e m a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a po f s e m i c o n d u c t o r ) r o a d 的预测，到2 0 1 8 年m o s 器件的特征尺寸将缩小到1 0 r i m ， 电学沟道长度仅为7 n m ，单个芯片上的晶体管数量将到达1 0 1 1 以上。 然而随着晶体管尺寸的不断缩小，特别是在纳米量级后，在器件结构，器件 模型理论和制备工艺等方面都遇到了一些列的问题，影响了集成电路功耗、可靠 性等方面的性能。其中主要的问题有： 1 随着器件尺寸的缩小，为了抑制短沟道效应，保证器件良好的性能，要求 栅极对沟道电荷的控制能力应远远大于漏极对沟道电荷的控制能力，于是需要同 时减少栅氧化层厚度。当m o s f e t 缩小到l o o n m 尺度以下后，栅氧化层的等效 厚度需要小于3 n m ，这意味着，如果仍然采用传统的s i 0 2 作为栅极的介电质， 电子的直接隧穿效应和栅氧层所承受的电场将变得很大，由此引起的栅介质的漏 电流和可靠性问题将变得十分严重 2 为了防止热载流子效应等影响器件的可靠性，在器件尺寸不断缩小的情况 下，工作电源电压必须也要相应的降低。而同时为了保证正确的电路性能或电路 逻辑，阈值电压要跟随电源电压一起降低，就会使得器件关态时的漏电流迅速增 加，阻碍了低功耗设计目标的实现。 3 体硅器件中的寄生可控硅闩锁效应( l a t c h u p ) 以及由于特征尺寸缩小，电源 2 0 1 0 届华东师范大学硕士毕业论文信息科学技术学院电子系 电压下降导致的软失效问题会使电路的抗干扰能力下降，可靠性降低； 4 电路中用于器件间隔离的隔离区所占用的面积相对增大，使得寄生电容增 加，互连线延长，增加了寄生效应，影响了集成度及速度的进一步提高； 5 为保证器件特性所采用的较为复杂的工艺流程和昂贵的高精度的工艺设备 导致了生产成本的急剧增加： 在这样的技术发展背景下，绝缘体上硅技术s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 以其独 特的材料结构和器件特性很好的克服了传统硅工艺技术中的不足，成为目前最有 发展前景的新型集成电路工艺技术之一。s o i 采用三层夹心结构，其中最上层为 用于制造器件的s o l 薄层，下面为用于隔离器件与衬底的隐埋氧化层b o x ( b u r i e do x i d e ) 。这种基于全介质隔离技术的s o ic m o s 器件具有传统体硅技术 不能比拟的优势：功耗低、集成度高( 隔离面积小) 、速度高( 寄生电容小) 、抗干 扰抗辐射能力强、工艺简单、衬底消除了传统c m o s 工艺中的闩锁效应等。 国际上许多大公司和高校也十分重视s o i 技术的研究开发，他们开展了s o i 材料、器件和电路方面的研究，已取得了很大的进展。例如，美国的i b m ，a m d ，t i 等公司；日本的n t o s h i b a 等公司；法国的s o i t e c 公司等。2 0 0 9 年9 月 份i b m 公司宣布已成功研发出基于3 2 n ms o i 技术的小体积、大密度、高速度 的动态存储芯片【1 1 。跟过往标准b u l k 技术相比，有3 0 的性能提升，并能够降 低4 0 的功耗。同时i b m 公司还在接下来的1 2 月份，展示了一种基于e t s o i ( e x t r e m e l yt h i ns o i ：超薄s o d 的f d e t s o i 工艺。这种工艺仍然基于传统的 平面型晶体管结构，不过这种工艺的s o i 层厚度则非常薄，以便可以采用全耗尽 工艺，显著减小短通道效应( s c e ) 的影响。2 0 1 0 年0 3 月全球领先晶圆供应商 s o i t e cg r o u p 与华润上华半导体有限公司( c s m c ) 签订协议1 2 j ，向后者提供用 于高压( h 和c m o s 的s o i 晶圆的样片，主要用于彩色等离子面板( p d p ) 的驱 动芯片和其他混合信号以及模拟芯片的应用。同时新加坡的特许半导体公司也在 2 0 0 9 年8 月的论坛会议上透露了其3 2 n ms o i 制程技术的试制计划【3 】。 而我国在这方面的研究起步较晚，从上世纪8 0 年代才开始着手s o i 材料制 造技术的研究，并先后被列入“七五”、“八五”、“九五”、“十五”国家攻关，“8 6 3 ”、 “9 7 3 ”和微电子重点预研项目。其中上海新傲科技有限公司在2 0 0 2 年建成了我国 唯一的基于s i m o x 技术的s o i 晶片生产线，突破了一系列s i m o x 制备工艺的 技术关键，成为世界上六大s o i 材料供应商之一，为我国高端硅基材料走向国际 市场实现了突破性进展。而在集成电路设计方面也取得了很大的发展，北京大学 2 2 0 1 0 届华东师范大学硕士毕业论文 信息科学技术学院电子系 微电子所、中科院半导体所、中科院微电子中心【2 1 l 【2 2 1 、中电5 8 所等科研单位f 3 1 】 也在这方面进行了大量的研究。 模拟集成电路的器件模型主要有基于物理效应的物理模型和用于参数拟合 的经验模型等。8 0 年代则出现了著名的加州大学伯克利分校研究开发的b s i m l 模型，它对当时1 工艺技术的m o s f e t 的模拟结果非常准确；随着工艺技术 的不断发展，他们相继的推出b s i m 2 ( 1 9 9 5 ) ，b s i m 3 ( 1 9 9 5 ) ，b s i m 4 ( 2 0 0 0 ) 模型，其中b s i m 3 v 3 已成为工业标准。对于s 0 1m o s f e t , 目前的标准简洁型模 型是2 0 0 3 年推出的b s i m s o l 3 1 ，该模型是适用于部分耗尽型s 0 1m o s f e t 和 全耗尽型s 0 1m o s f e t 的统一器件模型，该模型是在体硅模型b s i m 3 v 3 的基础 上，加入s o lm o s f e t 的一些特殊效应后得到的。其中包括b s i m 3 s o i p d 模型、 b s i m 3 s o i f d 模型以及b s i m 3 s o i d d 模型，这些模型已成为s 0 1 电路设计的 标准模型。 由于s 0 1 材料由于在规格参数方面的多样性，在s 0 1c m o s 器件的制作过 程中各种工艺参数以及模型提取方面跟普通的c m o s 有着较大的不同。本课题 是对合作公司成熟的0 5 肛m c m o s 工艺上探索s o lc m o s 工艺流程参数，并对器 件进行测试、参数提取和验证。从而构建0 靴ms 0 1c m o s 工艺平台，形成有自 己特色的特种工艺加工技术，为抗辐射的电路进行代工服务。 1 2 s o l 的优越性 由于器件结构的不同，跟传统的体硅技术相比，基于s o i 技术的器件有着许 多优点【5 】【1 0 】 1 5 】。c m o s 集成电路的基本单元c m o s 反相器，由一个n m o s 和一 个p m o s 构成。由图1 1 ( 2 ) 口- i 知体硅的c m o s 反相器中p m o s 制作在n 型衬底 上，而n m o s 制作在p 阱中( p 阱是在n 型衬底上用离子注入技术特意制作的 局部p 型材料) 。p 阱将n m o s 和p m o s 相互隔离。而s o ic m o s 反相器如图 1 1 ( 1 ) ，p m o s 管和n m o s 管分别制作在s 0 1 材料顶部薄硅层中，n m o s 和p m o s 是相互隔离的。由于体硅c m o s 和s o lc m o s 结构上的不同，因而它们在寄生 电容、闩锁效应、热载流子效应和辐照特性等方面有着很大的差异。 3 2 0 1 0 届华东师范大学硕士毕业论文 信息科学技术学院电子系 s o ip m o ss o ln m o s 勿p 。 n p 溯， p + 诊 y 2 s u b s t r a t e i ) s o ! c m o s 朗令介蹶翰斑 t 2 l 瓤体k l ：c m o s i 场飘 艺黝编 图1 1 两种不同技术的c m o s 反相器剖面图 1 寄生电容 n m o s 和p m o s 源漏扩散区与衬底之间的寄生电容随衬底掺杂浓度线性变 化。随着器件尺寸的减小，为了减小短沟道效应，衬底掺杂浓度必须适当提高， 源漏结电容随之增大，结和沟道阻断区之间的寄生电容随之增加。这影响了电路 运行速度，并且增加电路的功耗。 在s o i 电路中，结与衬底的寄生电容是隐埋的绝缘层电容。该电容正比于绝 缘层s i 0 2 的介电常数，s i 0 2 的介电常数仅为s i 的1 3 。而且随着器件尺寸的缩 小，隐埋s i 0 2 层的厚度不需要按比例缩小，寄生电容不会增加。另外，s 0 1 器件 的其他寄生电容，如硅衬底和多晶硅层、金属互连线之间的电容也减少了。在 v l s i 向深亚微米方向发展时，寄生电容的降低将明显提高电路的速度。 2 闭锁效应 闭锁( l a t c h u p ) 效应又称可控硅效应，是体硅c m o s 电路中的一个特有的 问题。从图1 2 ( 1 ) 所示的c m o s 横截面结构图上，可以看到存在纵向n p n 和横 向p n p 两个寄生双极晶体管，他们分别由衬底、阱和源漏结构成。那么这些寄 生晶体管和阱电阻、衬底电阻b 一起构成了图1 2 ( 2 ) 所示的正反馈电路。假 设两个寄生晶体管的电流放大系数分别为局和应，当岛岛 1 并且且两个晶体 管的基极发射极正向偏置时，晶体管就会开启形成正反馈电路，从而触发闭锁 效应。 4 2 0 1 0 届华东师范大学硕+ 毕业论文信息科学技术学院电子系 v d d - - i ( 1 ) 体硅c m o s 界面图 青譬豹 r s i | g n d k wn p n b j i ( 2 ) 体硅c m o s 的等效寄生电路 图1 2 体硅c m o s 结构的闩锁效应 如果采用s o i 结构，由于没有到衬底的导电通道。闭锁效应的纵向通路被切 断，故s o i 衬底上的c m o s 器件具有很好的抗闭锁能力。 3 热载流子效应 随着器件集成度的提高、尺寸的减小，衬底的掺杂浓度增加，而电源电压却 没有相应地按比例降低，这使得沟道内的横向、纵向电场急剧增加，载流子在电 场加速下成为热载流子( h o t c a r d e r ) 。其中一部分注入到栅氧化层中，改变了氧 化层界面内永久电荷的分布。从而引起跨导的减小、阈电压漂移和漏电流减少。 当注入数目较多时，可以检测到栅电流的存在。 高能电子还通过碰撞电离产生电子空穴对。在传统体硅器件中所产生的空 穴流入衬底形成衬底电流。衬底电流与栅电流存在一定的关系，且器件寿命与栅 氧化层中热电子注入数目有关。由栅氧化层热载流子退变所定义的器件寿命与碰 撞离化电流有关，有关研究发现全耗尽s 0 1m o s f e t 中的热电子退变要比体硅 弱，s o i 的寿命更长可靠性更高。 4 辐射效应 在特殊环境下，如宇宙和外层空间中，存在着大量的宇宙射线( 如口粒子、， 射线，高能中子等) ，对集成电路会产生总剂量、单粒子事件、瞬时辐射等辐射 效应。如果卫星上采用的集成电路没有经过特别的抗辐射加固，这些电路的性能 5 2 0 1 0 届华东师范人学硕上毕业论文信息科学技术学院电子系 很快就会退化以至失效。具有高抗辐射能力的器件和电路对于军事、空间等应用 应用领域是非常重要的。 由于s 0 1c m o s 电路电路实现了完全的介质隔离，p n 结面积小，不存在体 硅c m o s 技术中寄生的场区m o s 管和可控硅机构，因此辐射产生的光电流可以 比体硅c m o s 电路小近三个数量级，使s o i 电路在抗单粒子事件、瞬时辐射等 方面有着突出优势，远高于体硅c m o s 电路。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文的主要主要内容为0 靴ms o lc m o s 器件特性和建模技术方面的研究 探索，其中包括在原有体硅c m o s 基础上的s 0 1 工艺平台建设，以及器件结构 设计、特性研究以及模型参数提取等方面的工作。因此围绕此课题任务，本文的 主要内容安排为： 第一章，简单介绍本课题的研究背景及当前s o l 技术的发展状况； 第二章，详细介绍s o i 工艺技术的优势和目前s o l 衬底基片的制作方法。并 且对s 0 1 器件的固有效应进行探讨，对一些改进措施进行研究； 第三章，讨论了0 5 j u ms 0 1 c m o s 工艺平台的建设，通过对相关参数的设计 仿真，优化工艺条件。包括了t 型栅接触型、h 型栅接触型、浮体型以及常规的 n o r m a l 型四种器件类型。在完善合作公司设计规则检验( d r c ) 的基础上，对每种 类型进行了不同宽长比( w l ) 器件的设计，用以模型参数提取。 第四章，进行了流片后的器件测试与分析，由于工艺参数调整以及特种工艺 存在的困难等原因，只有p b p m o s 器件性能得到了较好的实现，对此种器件进 行了基于b 3 s o ip d 模型的d c 模型参数提取。为了准确提取与尺寸相关的参数， 将不同尺寸器件分成大器件、窄器件系列、短器件系列和小器件系列。通过对各 种器件测试结果与仿真曲线的拟合，提取d c 模型参数。并对最后的参数进行了 验证，保证了大范围内器件特性的有效拟合。最后对r f 开关电路中器件的选取 进行了分析讨论。 第五章，对本文研究内容的总结以及未来的展望。 6 2 0 1 0 届华东师范人学硕士毕业论文 信息科学技术学院电子系 第二章s o ic m o s 器件特性 由于s o i 衬底材料的特殊性，所以跟传统的体硅c m o s 器件相比，在器件 特性上有很多不同的地方。本章将介绍s o i 材料的制备方法、基于s 0 1 衬底的 器件所特有的效应以及探讨一些改进方法，同时根据课题中遇到的实际问题，研 究工艺对s 0 1 器件特性的影响 2 1s o i 材料制备 制作、合成s o i 硅材料基片的方法主要有一下的几种： 1s i m o x 技术 制作s o i 器件的硅材基片关键一层就是埋氧层的制得，可以用氧离子注入形 成s o i 结构方法来制造，即所谓的s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ) 技术。 这也是目前较为先进和成熟的方法，本项目中应用的基片材料也是基于该技术制 得的 4 1 。其主要优势是其硅膜和隐埋氧化层( b o x ) 的均匀性较好。这是因为氧离 子注入是以晶片表面作为参考面，顶层硅膜、埋层s i 0 2 退火时均能得到保角变 换。 候a , ：s 0 0 2 沥黝 赢 4 t 嚣l t 衬底 图2 1s i m o x 示意图 此s i m o x 技术包括的基本工艺流程有【1 7 lf 1 8 l ： ( 1 ) 用能量为1 5 0 。2 0 0 k e y ，剂量为1 8 x 1 0 1 8 c 1 1 1 。2 的氧离子注入到硅单晶衬 底中： ( 2 ) 在高于1 3 0 0 0 c 的高温下热退火5 6 h 。 ( 3 ) 清洗晶片( 去掉表面微粒和沾污) 7 2 0 1 0 届华东师范大学硕十毕业论文信息科学技术学院电子系 可以看出离子注入工艺对s i m o x 技术起着重要作用，决定了晶片的产量、 成本和初级质量参数。其中比较关注的为离子注入的能量和剂量问题1 1 4 j ：能量越 高，形成的隐埋氧化层b o x 也就越深，上层用于制作器件的s 0 1 相应的也就较 厚。因为s 0 1 衬底中的寄生电容主要来自耗尽层，几乎与b o x 厚度无关，所以最 新有研究表明，使用轻掺杂衬底，b o x 厚度可降至5 0 n m ，而不影响电路和速度 的功耗特性。同时薄的b o x 层还可以减少短沟道效应，提高抗总辐射剂量，以 及提高由于氧化层散热性能较差带来的器件散热问题。而且低的注入能量和注入 剂量能降低氧离子对上层硅片中硅原子层的破环以及晶片的沾污。所以低剂量、 薄隐埋氧化层( 1 5 0 2 0 0 n m ) s i m o x 技术成为了制作s o l 材料的趋势。 与注入氧离子相对应的还有s i m n i 技术( s e p e r a t i o nb yi m p l a n t e dn i t r o g e n ) 和s i m o n 技术( s e p e r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e na n dn i t r o g e n ) ，该两种技术各有优 缺点，没有s i m o x 应用普遍。 2 硅片键合技术( b o n d e da n de t c h h a c ks 0 1 ) - 一 - - - 一 键合 b o n d i n g 厂徽激 图2 2 硅片键合技术示意图 s o l 晶圆片还可以通过键合的方法合成，具体方法为：首先把经过热氧化的 两片硅片作亲水处理，然后重叠在一起，在高温环境中使两个硅片表面在范德华 力的作用下键合在一起，然后再经过适当的温度退火来增强界面键合特性。最后， 利用机械研磨和化学抛光的方法将其中的有源区硅片层减薄到需要的尺寸，即形 成s 0 1 结构。 但此键合技术成本较高，除了一些技术上的问题有待解决外，其面临的一个 主要挑战是如何通过简化工艺步骤，提高设备产出能力等手段来降低成本。 3 智能剥离技术( s m a r tc u t ) 8 2 0 1 0 届华东师范人学硕士毕业论文信息科学技术学院电予系 智能剥离技术综合了s i m o x 和硅片键合两种方法的优点，成功的解决了键 合s o l 中硅膜的减薄问题，可获得均匀性很好的顶层硅膜，且硅膜质量接近于体 硅。另外，剥离下来的硅片又可以作为下一次键合的衬底，大大降低了成本。该 技术是目前最受关注的s 0 1 制备技术之一。 其主要原理是利用h + 离子( 或者h e + 离子) 注入在硅片中形成气泡层，将 注h + 与另一支撑片键合，该支撑片表面上有热氧化生成的s i 0 2 覆盖层。经过适 当的热处理使注氢片从气泡处完全断裂开，形成s o l 结构。这种把离子注入与键 合技术相结合制备s o l 的技术也成为u n i b o n ds 0 1 护礴r 西八 热钢化个l 盏s l 啦 l l l ll i l 。,白 l 一键舟一 上lj ， 图2 3 只能剥离技术示意图 用智能剥离制作s 0 1 材料的过程主要包括四个步骤： ( 1 ) 对种子片a 注入h + 离子( 或者h e + 离子) ，其离子注入时的能量决定于 s 0 1 层即顶层硅膜的厚度；将另一硅片b 用热氧化法在表面生长一层二氧 化硅层，该二氧化硅层的厚度就是顶层硅膜下面用于隔离的隐埋氧化层 b o x 的厚度； ( 2 ) 将硅片a 和硅片b 经清洗和亲水处理后做低温键合； ( 3 ) 对键合片进行热处理，使硅片a 在注入的h e + 离子出发生剥离，其中一 部分留在支撑片b 上形成s 0 1 结构，剥离下来的硅片a ，经抛光后还可 以再继续使用； ( 4 ) 接下来进行高温退火和化学机械抛光( c m p ) ，其退火的目的是要提高两键 9 端 酋 2 0 1 0 届华东师范大学硕十毕业论文信息科学技术学院电了系 合硅片的键合强度，化学机械抛光使得硅片达到器件制备的要求。 2 2s o i c m o s 器件的基本特性 时至今日，人们已经在s o i 衬底上制备出了多种器件与电路，包括基于 c m o s 工艺、双极型工艺以及b i c m o s 工艺等多种器件和电路结构，这样充分 说明了s 0 1 技术具有相当的优势和潜力。但在有些特性方面，基于s o l 衬底材 料的器件电路又与传统的硅基材料有着不同的特性，所以充分研究s o i 器件的电 学工作特性对于更好的利用开发这个新技术是十分必要的。 s o ic m o s 器件特性跟用于制作器件的顶层硅材料即s o i 层的厚度有着很 大的关系。在栅极电场的作用下，栅氧层下面的硅膜会出现耗尽层，其纵向的最 大厚度为x 。，则有：x d m a x = 4 f 。；诈毗，其中纯为半导体材料的体费米势， 对于掺杂浓度为以的p 型掺杂的衬底办= 办l n ( 心吃) ，热电势识一k t q 。根据 瓦。，与规模厚度f “的不同，s o ic m o s 器件可以分为厚膜器件、薄膜器件以及 介于两者之间的中等膜厚器件，其s o i 层能级分布如图2 4 。 a b )l c ) 压i ! ；刁也化层巴事毛j 基l 短口r 1 r e l 图2 4 ( a ) 体硅( b ) 部分耗尽型s 0 1 ( c ) 全耗尽型s 0 1 的能带示意图 对于薄膜器件，规模厚度f 。；小于羁。一所以当器件开启时，如果不考虑由 于底部的背栅偏压引起的背界面处积累或者反型的情况，此时规模讲处于全耗尽 状态。这样的器件成为全耗尽f f d ：f u l l yd e p l e t e d ) 器件，简称f d 器件。而对于 厚膜器件，规模厚度f 。；大于两倍的置。，所以在沟道下面的耗尽区以下还存在 这一个中性体区，这样的器件成为部分耗尽( p d ：p a r t i a l l yd e p l e t e d ) 器件。 由于部分耗尽型器件栅氧化层下的耗尽区深度不受硅膜厚度的影响，所以与 1 0 2 0 1 0 届华东师范大学硕上毕业论文信息科学技术学院电子系 全耗尽型器件相比，由于工艺波动带来的规模厚度不均对器件阈值电压的影响较 小。同时，一些应用与体硅器件的工艺技术，如阈值电压调整和沟道效应控制等， 也可以用在s 0 1 技术中。f d 器件处于管断状态时，源漏两端相当于两个背接的 反向二极管，应用于我们所要制作的开关电路其隔离性能更佳。但由于部分耗尽 型器件的体电位悬空，将会出现比较明显的浮体效应，如图2 5 ，在较高的漏断 电压下可以明显得观察到输出端的“翘曲”。这些浮体效应主要包括k i n k 效应、 寄生双极型晶体管效应等。 2 2 1k i n k 效应 w 1 ，1 1 1 0 路2 5 + v p s - o0 0 v ，o v d s o ) 图2 5 浮体p m o s 器件的输