（微电子学与固体电子学专业论文）图形化soi射频功率器件研究.pdf

图形化s o l 射频功率器件研充 图形化s o i 射频功率器件研究 程新红( 微电子学与固体电子学) 指导老师：俞跃辉研究员 摘要 迅速发展的无线通讯技术推动射频集成电路向着高速、低功耗和更高集成度的 方向发展，这时，传统的g a a s 和体硅衬底平台将面临散热和功率耗散等棘手的问 题。在这种情况下关于新的衬底材料的研究应运而生。另一方面，由于s o l ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 技术具有更好的隔离性能、理想的亚阈值特性和较低的功率消 耗等特点，日益成为半导体行业发展的主流技术。但是，s o l 技术面f 临浮体效应和 自加热效应。 而采用埋氧层是间断的图形化s 0 1 衬底是解决浮体效应和自加热效应的最简单 的方法。鉴于此，本文对图形化s o l 衬底上的射频功率器件l d m o s f e t 进行了系 统研究。 本文提出r 沟道下方开硅窗口的图形化s o ll d m o s f e t 结构，并且进行了工 艺和电学性能仿真。采用： 艺模拟软件t s u p r e m 4 与器件模拟软件m e d i c i 对工 艺过程和器件结构进行了优化，而且对器件的电学性能进行了仿真。新结构呈现良 好的性能：器件温度降低，没有负的微分电导现象出现，输出特性曲线平滑；2 g h z 时，小信号增益为1l d b ；截止频率和最大振荡频率分别达到1 0 g h z 和4 0 g h z 。 利用软件l - e d i t 进行了版图设计，与常规s 0 1c m o s 工艺相比，主要增加了二 块模板：其一是为了制备图形化s o l 衬底，其5 s 是定义漂移区。同时，结合 t s u p r e m 4 仿真结果，设计了与常规1 l a ms o ic m o s 工艺兼容的工艺流程。 采用低剂量掩膜注氧隔离技术准备了低缺陷的图形化s 0 1 衬底，在此衬底上同 时制备了图形化s o l 、体连接s o l 和体硅l d m o s f e t 。采用o p e n s h o r t 技术去除了 d a d s 对器件s 参数的影响。建立了拓扑结构，进行参数提取，建立了小信号等效电 路模型。测试分析结果表明，沟道下方埋氧层断开的图形化s o ll d m o s f e t 的玎 态输出特性曲线平泪、无曲翘现琢，开态和关态击穿电压可分别达到8 v 利1 3 v ， 中囤科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 同时，泄漏电流比体硅结构低一个数量级。射频测试表明，工作频率1 g h z 时，小 信号增益为6 d b ，截止频率可达到8 g h z 。这种图形化结构消除了部分耗尽s o l 器 件中的浮体效应，同时保留了s o l 低功耗的优势，适合无线通讯领域中射频功率放 大器应用方面的开发。 另外，我们对功率器件中常用的体连接技术进行了改进，并且制备出了这种体 连接结构的s o ll d m o s f e t 。器件的源端是有选择得进行n + 注入的，保留一些p + 条 形区域作为体连接通道。电学性能分析表明，当栅指长度为1 0 t m 或2 0 9 m 时，器件 的输出特性曲线平滑，没有曲翘效应。但是栅指长度为5 0 “m 时，这种体连接结构 对浮体效应的抑制作用不理想。 最后，对s i m o xs o l 衬底上制备的高介电常数( 高一k ) 的h f a l 0 栅介质薄膜进 行了探索性的研究。后退火处理使s o l 衬底上的薄膜更平滑，但造成界面处s i 0 2 的生 长，没有发现铪基酸化物或者铪基硅酸盐在界面处的生长。后退火处理同时能有效 地减小陷阱密度、消除c v 曲线中的滞后现象、减小泄漏电流。 关键词：图形化s o l ，l d m o s f e t ，射频功率器件，增益，高k 栅介质 中国科学l e a 海微系统与信包技术研咒所博士学位论又 图形化s o l 射簸功率器件研究 s t u d y o rp a t t e r n e ds 0 1r fp o w e rd e v i c 鹤 x i n h o n gc h e n g ( m i e r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db y ：p r o f y u e h u iy u a b s t r a c t t h ec o n t i n u i n gg r o w t ho fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sm a r k e t si sm o t i v a t i n gas t e a d y e v o l u t i o no fr a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t s ( r f t c s ) ，a n dt h ee x p l o s i o no fi n t e r e s ti n h i g hi n t e g r a t e d - d e n s i t y , h i g hs p e e da n d l o wp o w e r - c o n s u m e dr f i ci sd r i v i n gt h e r e s e a r c ho fn o v e ls u b s t r a t ep l a t f o r m sf o rt h er e p l a c e m e n to fc o n v e n t i o n a lg a a so rb u l k s i l i c o nt e c h n o l o g y , w h i c hw i l lr e a c ht h e i rp h y s i c a ll i m i t s o nt h eo t h e rh a n d ，s o l ( s i l i c o n - o u i n s u l a t o r ) i sb e c o m i n gm a i n s t r e a mt e c h n o l o g yi ns u b m i c r o ns e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g yd u e t oi t sc o m p l e t e l yd i e l e c t r i ci s o l a t i o na n di d e a ls u b - t h r e s h o l ds l o p e ，a sw e l l a sl o wp o w e r - c o n s u m p t i o n h o w e v e r , s o it e c h n o l o g yh a st of a c et h ep r o b l e m so f f l o a t i n gb o d ye 仃e c t sa n ds e l f - h e a t i n ge 艉c t s p a t t e r n e ds o it e c h n o l o g yi st h es i m p l e s tw a yt oo v e r c o m ef l o a t i n gb o d ye 脏c t sa n d s e l f - h e a t i n ge f f e c t s i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fp a t t e r n e ds o l ( p s 0 1 ) t e c h n o l o g yt o r fp o w e rd e v i c ew a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y p s o il d m o ss t r u c t u r ew i t has i l i c o nw i n d o wu n d e r n e a t hpb o d yw a sp r o p o s e d ， a n dt s u p r e m 4a n dm e d i c is i m u l a t i o nw e r ep r e s e n t e d t h ep r o p o s e ds t r u c t u r e s h o w e de x c e l l e n te l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gi d e a lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c si m m u n i t y o f k i n ke f f e c ta n ds e l f - h e a t i n ge f r e c t ，t h es m a l ls i g n a lg a i nr e a c h i n gt o1l d ba t2 g h z ，a n d t h ec u to f ff r e q u e n c ya n dt h em a x i m a lo s c i l l a t i n gf r e q u e n c yu pt o10 g h za n d4 0 g h z r e s p e c t i v e l y m a s k sa n df l o w i n gp r o c e s sw e r ed e s i g n e dw i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o nr e s u l t s m i n i m a lc h a n g e sw e r ei n t r o d u c e dt ot h ep r o c e s si no r d e rt od e m o n s t r a t ep o t e n t i a l c o m p a t i b i l i t yw i t hc o n v e n t i o n a l ip ms o lc m o st e c h n o l o g y t h e r ew e r et w op r i n c i p a l m o d i f i c a t i o n s ，o n ew a st op r e p a r ep a t t e r n e ds o ls u b s t r a t e ，t h eo t h e rw a st od e f i n en d r i f t r e g i o n 中国科学院l 海微系统与信息技术研究所博- l - 学位论文 a b s g a 讲 t h ep r o p o s e ds t r u c t u r e sw e r ef a b r i c a t e do np s o is u b s t r a t e sp r e p a r e db ys e l e c t i v e m a s k e ds i m o xt e c h n o l o g y b o d yc o n t a c ts o ll d m o s f e t sa n db u l kc o u n t e r p a r t s w e r ea l s oi n t e g r a t e di nt h es a m ed i et os h o wt h ef l e x i b i l i t yo f ? s o lt e c h n o l o g y p s o i l d m o s f e te x h i b i t e dg o o dd ce l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e t h eo u t p u tc u r v e sw e r ef l a t ， s h o w i n gn ok i n ke f f e c t sa n ds e l f - h e a t i n ge f f e c t s t h eo n s t a t eb r e a k d o w nv o l t a g eo f8 v a n dt h eo f f - s t a t eb r e a k d o w nv o l t a g eo fi3 vw e r ea c h i e v e d t h el e a k a g ec u r r e n tw a s a b o u to n eo r d e rl o w e rt h a nt h a to fb u l kc o u n t e r p a r t r fc h a r a c t e r i z a t i o nw s sp e r f o r m e d u s i n gc o p l a n a rw a v e g u i d ep r o b e s ，a n dt h ec a l i b r a t i o nt ot h ep r o b ep a d sw a so b t a i n e d t h r o u g ht w o s t e pd e - e m b e d d i n gt e c h n o l o g y t h es m a l ls i g n a lg a i nc o u l dr e a c ht o6 d ba t 1g h z ，a n dc u to f ff r e q u e n c yu pt o8 g h z t h es m a l ls i g n a le q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lw a s e s t a b l i s h e df o rt h ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o no np o w e r a m p l i f i e ra p p l i c a t i o n s i na d d i t i o n ，t h eb o d yc o n t a c tt e c h n o l o g yu s u a l l ya d o p t e db yp o w e rd e v i c e sw a s i m p r o v e d ，w h e r eb o d yc o n t a c tr e g i o n sw e r ef o r m e db ypb o d yi m p l a n t m i o n ，t h a ti s ， s o u r c er e g i o nw a ss e l e c t i v e l yi m p l a n t e db yn + i no r d e rt oc o n s e r v es o m ept y p er e g i o n s s o ll d m o s f e t sf a b r i c a t e dw i t ht h i sb o d yc o n t a c tt e c h n o l o g ys h o w e dn ok i n ke f f e c t s w h e ng a t ef i n g e rl e n g t hw a s10 9 mo r2 0 9 m ，b u tk i n ke f f e c t sa p p e a r e da tt h eg a t ef i n g e r l e n g t ho f 5 0 p r o a tl a s t ，h i g hkd i e l e c t r i cf i l m so ns o ls u b s t r a t e sf o rt h er e p l a c e m e n to fc o n v e n t i o n a l g a t ed i e l e c t r i co fs i o zw a ss t u d i e d p o s td e p o s i t i o na n n e a l ( p d a ) c a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t r a p sd e n s i t y , m a k es u r f a c es m o o t h ，b u tl e a dt ot h eg r o w t ho fs i 0 2a tt h ei n t e r f a c e ，h f s i 】i c a t eo rh f s i l i c i d ew e r en o tf o u n da tt h ei n t e r f a c e k e y w o r d s ：p a t t e r n e ds o i ，l d m o s f e t , r fp o w e rd e v i c e ，g a i n ，h i g h - kg a t ed i e l e c t r i c s v 中国科学院上海微系统与信息技术研咒所博士学位论走 图彤化s o l 射频功率器件研究 1 1 射频集成电路的发展 第一章绪论 射频集成电路( r f i c ) ，是随着离子掺杂控制水平的提高和晶体管自我排列工 艺的成熟而出现的高频集成电路。由于较低的成本并且与基带电路容易集成等特点 使r f i c 的应用与研究日益活跃【1 。目前，r f i c 的工作频率可做到4 0 g h z 、频带宽度 达到15 g h z l 2 1 。r f i c 大致分为两类：一类是基于砷化镓的i v 技术，包括g a a s m e s f e t s 和a 1 g a a s g a a sh b t s ，另一类是基于硅技术的，包括b j t 、b i c m o s 、 c m o s 、l d m o s 、v d m o s 等技术。g a a s 材料的特点是半绝缘的高阻单晶衬底、 电子迁移率较高、易于生长出异质结构，与硅技术相比，缺点是其散热差、集成度 还受到缺陷密度以及电路功耗的限制；硅技术的优势是低成本、集成工艺成熟。g a a s 技术与硅技术的比较可参见表1 1 。 在八十年代初期，截止频率( 矗) 在g h z 量级的主要技术是g a a s 。由于g a a s 技 术具有工作频率高，频率范围宽，动态范同大，噪声低等特点，在低噪音放大器 ( l n a s ) ，功率放大器( p a s ) 和频率高于1 0 g h z 的军事空间应用领域中占有主导 地位。八十年代末，随着低成本硅集成工艺的成熟，硅双极技术已成为手机市场中 的收发器( t r a n s c e i v e r ) 和混频器( m i x e r ) 的主要技术。随着自对准发射极、选择注入 集电极技术、沟稽隔离、发射极和基极的多晶硅酸化等技术的成熟【3 l ，硅双极晶体 管( b j t ) 的截止频率已达到3 0 g h z ，结合s i g e 基极技术，频率可达到10 0 g h z l 4 ) j 。硅 b j t ：考f 较高的功率密度，但是增益较低。由于c m o s 数字集成电路的低操作电压、低 功耗、较高器件密度以及很好的噪声抑制能力使其正在开辟系统级芯片( s o c ) 的 新纪元。例如，c m o s 技术已成为无线局域网和蓝牙( b l u e t o o t h ) 的主流技术，正在 渗入全球系统移动通讯( g s m ) 的蜂窝状的接收设备以及全球定位系统( g p s ) 接 收器”。 12 射频集成电路面临的问题 对计算机，互联网的速度要求越来越高，带动了芯片速度的q i 断升级。n n 两 第一章绪论 方面来提高芯片速度。一，器件尺寸的等比例缩小近3 0 年来这一技术遵循着 m o o r e 定律运行着；二，提高集成度，系统级芯片( ( s o c ) 发展趋势 1 3 - 1 5 ，即把 离散的单元，例如作为反馈、直流偏置的电路、过滤器、振荡电路、带状互连线， 以及无源器件电感和电容集成在同一个芯片上。从而使器件之间实现几乎无连线， 使电路的感抗降至最低、分布电容最小，进而提高工作频率和功率效率。 当器件特征尺寸缩小到5 0 n m 时，传统的硅衬底，栅介质和工艺已达到极限。 这是如下各因素造成的：穿通( p u n c ht h r o u g h ) 、漏致势垒降低( d i b l ) 、栅隧穿电 流增大、热载流子退化、金属互连线的r c 延时、离子注入能量、多晶硅耗尽等 1 6 - 1 8 。 这时必须寻找新的半导体材料例如，高介电常数( h i g h k ) 的栅介质，低介电常 数( 1 0 w k 1 的互连线介质隔离层【1 6 , 1 9 。h i g h k 栅介质( 例如铪基介质) 允许在具有相 同的电容密度的同时，具有较厚的物理厚度，可减小泄漏电流及提高栅介质的可靠 性。l o w k 互连线介质隔离层( 例如碳掺杂的s i 0 2 ) 可减小互连线之间的寄生电容， 减d - 、r c 信号延时，减小电容耦合噪音以及降低功率消耗。 集成度的提高将面临如下问题：器件隔离、热处理、芯片速度、功率效率、运 行成本等因索。传统的功率放大器和控制电路之间的隔离是通过结隔离1 2 叫实现的， 无法避免开态时放大器调制区的载流子射入硅衬底，邻近的器件会收集射入的载流 子导致器件转为开态，引起无法恢复的功率短路。这种结隔离方法限制了集成度的 提高。g a a sr f i c 技术的主要优势在于其半绝缘的衬底，它允许高品质因子的电感 与其它有源器件集成在同芯片上，但价格昂贵而且散热性能差，参见表1 1 。具有 较高热导率的硅技术很容易实现热处理，但是半导体的衬底造成功率损耗并且使高 频隔离困难，尤其影响集成的无源器件的性能【2 1 捌。近年来，笔记本电脑和无线通 讯便携式系统迅速发展起来。由于他们体积小，而且是电池供电，i 夭h l t 要求电路是 低功耗的，而且操作电压要低。尽管可以对传统的硅技术平台上的电路进行优化， 但也无法实现功率耗散降低两个数量级的要求【2 ”，因此必须寻找新的衬底材料。 s i g e 技术可满足这种低功耗和高速的要求，是目前r f 半导体领域中一项非常 引人关注的半导体生产工艺。对于s i g e 而言，需要注意的是其集电极一基极击穿电 压较低，只有4 v ( 标准值) 。因此，在使用电源时应将电压限制在这一数值以下。 另外，s i g e 的制造成本比硅高1 0 3 0 ，比硅工艺复杂。 中国科学院上海微系统与信包技术研究所博士学位论文 图形化s 0 1 射频功率器件研究 表1 1s i 与g a a s 材料主要性能比较 1 3 射频s o l 技术的发展 s o l 技术与传统硅b j t 、c m o s 、l d m o s 技术的结合正开辟射频集成电路的 新纪元。 1 3 1s 0 1 技术的优势 s o l 独特的三明治结构，使s o l 技术具有体硅技术无法比拟的优点口。接近理 想的亚闽摆幅允许器件有较低的操作电压( 1 v 或更低) ；减小的短沟效应有益于器 件尺寸的缩小；减小的寄生电容提高了器件速度、降低了器件功率损耗；高速操作 时信号传输损失减小；高阻抗的b o x 埋层作为支撑衬底提高了器件的高频操作性 能；改善了器件对外界辐射引起的软错误的容错能力。利用s 0 1 技术，器件之间可 实现理想的全隔离，避免了f - 7 锁，短路等问题。比结隔离更容易实现的绝缘介质b o x 埋层隔离技术有效地把低压c m o s 器件与h i g hs i d e 和l o ws i d e 功率器件隔离开，抑 制了感应过电压和i ：- 3 锁等问题陋2 6 j 的出现，这允许器件设计过程中免去价格昂贵的 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章绪论 深阱隔离工艺。 由表1 2 可看出，与体硅、g a a s 工艺相比，s o l 技术还具有优良的集成无源器 件的性能，而且可提高器件的集成度。 表1 2s i 技术、s o l 技术和g a a a 技术的比较 s o i a i 艺关键的优势在于低功耗，当前u l s i 芯片中的功率危机导致其成为半 导体工业中的主流技术，逐步替代传统s i 和g a a s i 艺。目前，s o ic m o s 集成电路 的最大振荡频率可达到4 6 g h z 2 7 ；性能比体硅c m o s 高2 5 3 5 ，功耗降低为体 硅c m o s 2 3 1 1 7 ，一定程度上缓解了功率危机【2 8 】。 1 3 2 l d m o s 结构 射频集成电路的核心部分是收发设备，而功率放大器( p a s ) 是决定收发设备 性能的关键单元。在无线通讯领域，关于功率放大器的尺寸、功率效率、功率密度 和成本的竞争异常激烈。由于硅技术的低成本以及硅集成工艺的成熟基下硅技术 的功率放大器的研究和应用非常活跃。放大器主要包括硅双极管、c m o s 、横向双 扩散m o s 管( l d m o s ) 、垂直双扩散的m o s 管( v d m o s ) 、以及像m o t o r o l a st m o s 的火规模集成的功率m o s 技术例。双载流子参与导电的双极技术b j t 和l g b t 的”关 4 中国科学院上海微系统与信息技术研完所博士学位论t 第一章绪论 深阱隔离工艺。 由表1 2 可看出，与体硅、g a a s 工艺相比，s o l 技术还具有优良的集成无源器 件的性能，而且可提高器件的集成度。 表1 2s i 技术、s o l 技术和g a a a 技术的比较 s o l i 艺关键的优势在于低功耗，当前u l s i 芯片中的功率危机导致其成为半 导体工业中的主流技术，逐步替代传统s i 和g a a s i 艺。目前，s o lc m o s 集成电路 的最大振荡频率口j 达到4 6 g h z 2 7 1 ：性能比体r 硅c m o s 高2 5 3 5 ，功耗降低为体 硅c m o s2 3 1 1 7 ，一定程度上缓解_ r 功率危t ) k t 2 b l 。 13 2 l d m o s 结构 射频集成电路的核心部分是收发设备，而功率放大器( p a s ) 是决定收发设备 性能的关键单元。在无线通讯领域，关于功率放大器的尺寸、功率效率、功率密度 和成本的竞争异常激烈。由丁硅技术的低成本以及硅集成工艺的成熟，基丁硅技术 的功率放人器的研究和应用非常活跃。放大器主要包括硅般檄管、c m o s 、横l m 取 扩散m o s 管( l d m o s ) 、垂直双扩散的m o s 管( v d m o s ) 、以及像m o t o r o l a st m o s 的大规横集成的功率m o s 技术i ”1 。双载流子参与导电的双极技术b j t ；f i i g b t 的丌关 的大规横集成的功率m o s 技术i ”1 。双载流子参与导电的双极技术b j t ；f i i g b t 的丌关 4 中国科学院上海微糸统与信息技术研宄所博= 学位诧五 图形化s o l 射频功率器件研究 速度低，不适合高频领域的应用。c m o s s e 艺具有很高的速度，但其击穿电压小， 不适合高频功率器件方面的应用，例如，手机中放大器的耐压能力要求达到1 2 v ， 基站的耐压达到2 8 v h o 】。在这种情况下，在m o s 结构中插入一段承担电压的轻掺杂 的漂移区的结构，例如双扩散的v d m o s 和l d m o s 应运而生。由于沟道与耐压部分 是分离的，可承受高压；这两种器件的沟道长度是通过双扩散技术确定的，所以器 件的沟道长度不受光刻技术的限制，仅由注入后的退火阱推工艺决定。 图1 1 常规l d m o s f e t 剖面示意图 l d m o s f e t ( 参见图1 1 ) 是将所有c o n t a c t 集成在同一表面上，电流在平行器件表 面的一层内流动。l d m o s 结构的沟道容易缩短、尤其是它能与c m o s i 艺兼容等特 点，非常适合高频、高增益方面的开发利用，近来备受电路设计者青睐1 3 1 ”j 。1 9 9 2 年l s a oy o s h i d a 等人研制出了高效率的靠电池供电移动通信用的低压钼栅l d m o s ， 其沟道长度为0 8 t am 、在6 v i 作电压、频率1 5 g h z 下输出功率为2 w 、增益8 d b 。 通过优化设计及工艺技术的改进，特别是减小栅与漏之间的覆盖电容的技术，在 1 9 9 6 年m o t o r o l a 的a l a n w o o d 等人研制出了2 g h z 下连续输出6 0 w 的高性能的微波功 率l d m o s ，其增益为1 i d b ，漏极效率为4 4 。功率有效增益( p a e ) ，增益( g p ) 是衡量r f 放大器的主要指标之，有效增益与增益的关系如下： 中国科学院上海微系统与信g 技术研究所博士学住论文 第一章绪论 p a e = r i ”专 叩= 嚣，g ，= 每 由图i 2 可知，在2 g - - 3 g 带宽、当输出功率大于0 1 w 时，l d m o s 在6 0 左右，和g a a s 技术相差无几。 0 构1 0 0 】n 】 o u t p u tp o w e r w ) 图1 2 几种功率器件的p a e 与输出功率的关系 1 0 有效增益( p a e ) l d m o s 低成本的成熟技术、容易集成、单供给电压、击穿电压的可测量性，尤 其是在低压和频率大于2 4 g h z 时，p a e 与g a a s 檑差无几等特点为其赢得了更多的 市场，超过5 0 酐j 手机基站市场需要l d m 0 s 硅射频功率晶体管技术i ”1 。 l d m o s f e t 的击穿电压提高会增大开态电阻，在设计中通常采用r e s u r f f 3 卅技 术来实现二者之间的权衡。r e s u r f 概念是指通过多次注入扩散，或场板引入，将 电力线引入器件内，使表面电场分布均匀、不易击穿。目前，人们提出了d o u b l e r e s u r f p w 的概念，即在漂移区( n 一型) 表面做p 型掺杂实现漂移区上f - - 个方 向耗尽，这可以增) j f l n 阱中的电荷，为了保持电荷守衡，反型层中导电的载流子增 多，则j f 态电阻减小。以及工艺较为简单的台阶状场钪结构【4 。另外还可采纳表面 g r a d e d 掺杂技术【4 ”，即在漂移区表而作一薄层注入，注入离子浓度沿着漂移区方向 是线性递增的。对这种结构m e d i c i 模拟发现，电力线集中红漂移k 表面，而且接 中目科学院上海微系统号信皂技杠研完所博士学位论王 图形化s o l 射频功率器件研究 近均匀分布，这有利于击穿电压的提高和开态电阻的减小。 1 3 3s o il d m o s 发展 体硅技术的l d m o s 具有随着漏电压变化的而且较高的寄生输出电容，这会降低 功率效率和增益，尤其会使输出匹配的设计更困难【4 2 】，再考虑到体硅技术固有的弱 点，例如需要深阱工艺以及衬底功率消耗大等因数。在这种情况下，s 0 1l d m o s 应运而生，这种技术不仅能减小寄生电容和泄漏电流、提高功率增益和耐高温操作 性能，而且工艺与s o ic m o s 3 2 艺兼容，并且相对体硅l d m o s i 艺更为简单。y u et a n 等人4 3 荆用此技术设计了应用于无线通讯接收设备的s o ll d m o s 放大器，沟道长度 0 3 5 i | t m ，漂移区长度3 8 5 p m ，击穿电压2 0 v ，工作频率在8 0 0 m h z - - 9 0 0 m h z ，截 止频率为4 5 g h z 。d n g o 等人设计的s o ll d m o s f e t 在工作频率5 8 g h z 时的 p a e 超过5 0 。 图1 ，3 al o c o s 场氧技术实现的s o ll d m o s 结构 中国科学院l 海微系统与信息技术研冗所悻士学位论吏 第一章绪论 图1 3 b 栅极具备场板功能的s o ll d m o s 结构 图1 3 是通常采用的s o ll d m o s 结构。图1 3 a 中沿用了体硅技术的l o c o s 技术实现漂移区场氧化的，此结构会牺牲顶层硅厚度，而且增大开态电阻，不适合 薄膜s 0 1 功率器件。图1 3 b 是p h i l i p 公司采用的结构【4 5 】。将栅拉长，充当场板，可 明显增大击穿电压，适合耐高压器件。但其栅漏之间的覆盖电容大，会严重影响射 频功率器件的速度和功率增益，不适合射频功率放大器的要求。 1 3 4s o l 结构面临的问题 s o l 技术的优势主要归功于s o l 衬底中b o x 层的存在。然而，b o x 层的存在 也给s o l 器件带来了两个根本性的问题：浮体效应和自热效应。 以部分耗尽( p d ) 的1 1 沟s o ll d m o s f e t 为例，当漏电压增大到一定程度时， 较高的漂移区电场使沟道载流子电子加速，使其获得足够的能量，发生碰撞电离现 象，产生电予一空穴对。所产生的电子在高电场扫描下迅速穿过漂移区到达漏极，而 空穴则迁移到硅膜中电位最低处一电中性的p 型体区。由于源区和体区之间的反向内 建电场阻碍空穴向源区继续漂移，导致其在体区积累。不断积累的空穴引起体区电 位升高，使器件的闽值电压减小，而且容易导致体区和源区的p n 结正向偏置，扳动 s o ll d m o s 结构中的寄生双极管n p n ，造成输出特性曲线巾 ： ：现翘曲效应4 “，单品体 管的闩锁效应m 和漏击穿蛙土压降低4 8 蝽效应。 s o t 器件另外一个严重的问题一自热效应比体硅器件大得多。这主要是因为 b o x 层的热学率非常低。体s i 0 2 材私 的热导率为i 4w m o k ，仅为体辞( 1 4 8 8中国科学院上海徽系统与信息技术研究所博士学位论支 图形化s o l 射频功率器件研究 w m 1 k 。) 的1 左右。由此可见，b o x 层将极大地阻碍s 0 1 器件工作时所产生的热 量经衬底硅向热沉耗散，这导致了严重的自热效应。模拟和实验结果表明，由于自 热效应，s o i 器件的沟道温度可以升高约1 0 0k 4 9 , 5 0 。过高的温度会降低载流子的迁 移率，导致器件性能的退化；同时也严重地影响了器件的可靠性。研究还表明1 5 ”， s o i 器件的自热效应强烈地依赖于b o x 层和顶层硅的厚度。所以，对于厚度相同的 b o x 层而言，全耗尽s o l 器件的自热效应要比部分耗尽的s o l 器件严重得多。另外， 随着器件尺寸的不断缩小，器件发热的部分更加集中，整个芯片的自热效应将更为 严重。所以，散热是射频集成电路发展的一个限制因裂”j 。 可通过降低少子寿命【5 1 和体连接技术【矧来抑制部分耗尽s o t 器件的浮体效应。 可通过采取高热导率的绝缘材料，例如非品碳膜等来抑制自热效应【5 。这里我们着 重介绍能同时抑制浮体效应和自加热效应的图形化s o 技术。 图1 4 图形化s o l 技术 中国科学院上海微系统与侣息技术研究所博士学位沦五 第一章绪论 1 4 图形化s o l 技术的发展 1 4 】图形化s o i 衬底工程的优势 图形化s o i 结构的埋氧层是不连续的( 参见图1 4 ) ， 器件区与衬底电学相联， 碰撞电离产生的空穴可由衬底流出。同时，埋氧层的间断，相当于器件区和衬底问 有“一个硅窗口，可使器件区产生的焦耳热流向衬底的热沉。不仅能抑制浮体效应， 还可减小自加热效应。 2 0 0 2 年，c h a n g h o n g r e n 等人利用图形化s o i 技术成功制备了射频图形化s o l l d m o s 以及集成的电感。器件的开态击穿电压达到1 0 v ，关态为1 4 v ，截止频率为 1 0 g h z ，1 g h z 时功率增益为1 3 d b 。电感的品质因子为1 5 ，均高于相应的体硅结构。 j m p a r k 等人和l2 m1 1 等人的模拟结果表明，与s o ll d m o s f e t 相比，图形化 s o ll d m o s f e t 的关态击穿电压显著提高，同时器件温度显著降低，并且具有更高 的开关速度【5 75 ”。d m g a r n e r 等人设计图形化s o ll i g b t 器件击穿电压明显高于 s o il i g b t 器件 ”1 。董业民等人设计了d s o im o s f e t 结构【删，器件呈现良好的开态 和关态性能。 图形化s o l 技术不仅有利于单管器件的性能改善，同时还有益于系统级芯片的 设计。受到设计和制造丁艺的限制，目前有一些电路在s o i 衬底上的制造工艺还不 成熟，如动态随机存储器d r a m 等。这时可将高速、低功耗的逻辑和控制电路集成 在图形化s o l 衬底的s 0 1 区域，而将要求更高可靠性的存储器电路集成在没有埋氧的 体硅区。2 0 0 1 年，i b m 公司报道了集成嵌入式体硅d r a m 的0 3 p ms o l 逻辑电路1 6 “。 电学测试表明，在1 2v 的工作电压下0 1 3 9 ms o l 逻辑电路的性能比相应的体硅电 路提高3 54 0 【6 “。 1 4 2 图形化s o l 衬底的制备 硅片键合技术吲和选择注氧隔离技术 m a s k e ds i m o x 【6 3 是主要的图形化s o l 衬底的制备手段。键合技术中存在光刻标记对准问题，适合精度要求不高的微电子 机械器件。早期的m a s k e ds i m o x 技术普遍采用标准氧离了注入剂量，例如1 0 ”c m ， 这会导致硅表面呈现台阶，顶层硅巾存在大量的位错。直到2 0 0 2 年，董业民 6 4 1 等 人在m a s k e ds i m o x 厅珐制备蚓形化s 0 1 衬底方而取得了突破性进展。他们采用优 1 0 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 图形化s o l 射频功率器件研完 化的低剂量、低能量氧离子注入结合高温退火处理制备出具有非常平整的表面，完 整的b o x 层和低缺陷密度的过渡区的一系列高质量的图形化s o l 材料。但是这种方 法只能制备较薄埋氧层( 1 0 0 n m 左右) 的图形化s o l 材料。c h a n g h o n gr e n 等人利用 深沟槽、湿氧氧化、多晶硅回填、表面平坦化处理等技术制备了图形化s 0 1 材料” ，埋氧层厚度达到3 5 p - m ，另一方面，由于顶层硅是通过填入多晶硅和后退火形成 的，应力和缺陷是不可避免的。图形化s o l 衬底的表面台阶给光刻工艺造成负面影 响，顶层硅内的位错和其他缺陷直按影响载离子的迁移率、器件的泄漏电流和耐压 能力。 1 5 高介电常数栅介质的研究 当r f i c 的器件特征尺寸不断减小时，作为m o s 栅氧化物的传统介质s i 0 2 的减 薄濒临其物理极限。此时，s i 0 2 的绝缘性能、隧穿漏电流、针孔缺陷等问题愈发 严重，成为微电子技术进一步发展的限制性因素之一【6 ”。根据2 0 0 3 年国际半导体 技术蓝图( i t r s ) 可知惭】，为解决5 0 n m t 艺，尤其是要求栅漏电流非常小的低功 耗应用场合，需要采用高介电常数( k ) 材料替代s i 0 2 作为栅介质或电容介质，这是 解决电路进一步集成化所引起系列问题的一种非常有效的途径。在保证对器件沟道 有相同控制能力的前提下，增加栅介质的物理厚度，由此减小或消除栅电极与沟道 间的直接隧穿电流。这种高介电常数材料0 i 仅可以大火减小甚至消除晶体管由隧穿 效应引起的大漏电流【6 7 5 ”，而且可以有效降低器件的功耗，从而适应日益增长的低 功耗电路的需求。但是i t r s 机构认为，迄今为止，还没有找到种稳定性好、可靠 性高、具有良好硅接触界面的高介电常数栅介质。 因此，寻找并研究性能良好、成本适宜、利于规模化生产的高介电常数绝缘介 质材料亦是射频集成电路的研究热点之一。 16 本论文的工作 综上所述，s o l 技术在射频功率器件中的应用逐渐受到重视，但而临浮体效应 和自加热效应，国外许多科研机构都在致力于此。但是目前国内在s o l 器件方面的 研究主要集巾在抗辐射见面，晡在射频s o l 功率器件方面尚未进行深入的探索。豁 丁此，本文开展了以下工作： 中国科擘院上海擞系统与信包技术研究所博士学住论交 第一章绪论 1 设计了沟道下方埋氧是断丌的p s o il d m o s f e t ，进行了工艺及性能仿真。利用 工艺模拟软件t s u p r e m 4 对工艺流程进行仿真，器件模拟软件m e d i c i 对结构参 数进行优化并且对直流和射频电学性能进行模拟。研究发现，这种图形化s o l l d m o s f e t 有效地克服了部分耗尽s o l 器件中的浮体效应和自加热效应，具有很 好的电学性能。 2 进行了版图和工艺流程设计。利用软件l e d i t 8 2 2 设计了具有多种功能块的版 图，并且设计与常规s o lc m o s 基本兼容的实现p s o il d m o s f e t 的工艺流程。 3 进行了p s o il d m o s f e t 的研制与测试。采用掩模s i m o x 技术准备了p s o i 衬底， 在同管芯上集成了p s o i 、体连接s o l 和体硅l d m o s f e t 。结合s h o r t o p e n 技术， 测试分析了p s o i l d m o s f e t 的直流和射频性能，并且建立了小信号等效电路模型