（微电子学与固体电子学专业论文）抗辐照高性能静态随机存取储器技术研究.pdf

摘耍 摘要 s 0 1 电路与传统的体硅电路比较起来，具有高速、低压、低功耗、抗辐照、耐高温等优点，特 别在抗辐照加吲电路中s o i 的全介质隔离技术具有天然优势。随着移动通信、手提电脑等便携式电 子产品的发展，集成电路在功耗和体积方面的要求越来越高，s o l 将成为实现低压、低功耗的主流 技术。在半导体产业的人家族中静态随机存取存储器( s r a m ) f l q 于其广泛的应朋而倍受重视，由于 其自身的低功耗和高速度的优势而成为半导体存储器中不可或缺的一类重要产品。由于s o l 技术本 身具有良好的抗辐照性能和较小的寄生电容，在静态随机存取存储器( s r a m ) 中得剑广泛应用，采用 s o lc m o s 工艺比采 j 传统体硅c m o s 工艺做成的s r a m 在周期时间和总体性能分别提高了2 0 和3 0 左右【1 1 。 本文共分为五章。第一章绪论简单叙述了本文课题的来源，简单介绍了s o ! 技术及s r a m 的基 本概念。第二章介绍了s o lm o s 器件特性，包括s o l 器什的背栅效应、短沟道效应、k i n k 效应、 寄生般极品体管效应、自加热效应及抗辐射特性。第二章介绍了s o ! 主要材料制备方法及耗尽型s o l m o s f e t 器件浮体效应的抑制方法。第四章介绍了c m o s s o is r a m 电路和版图设计，对s o ls r a m 各单元电路进行了研究、设计，重点对地址变化探测器电路( a t d ) 进行了详细的分析、研究；设 计了一款基丁js o ic m 0 s 工艺的2 k 位( 2 5 6 x 8 ) 的异步静态随机存取存储器。第五章对论文进行总结a 关键词：绝缘体上硅浮体效应静态存储器地址变化探测器电路 江南人学硕i 。学位论文 a b s t r a c t s i l i c o no ni n s u l a t o r ( s o ot e c h n o l o g yh a sh i g hs p e e d ，l o wv o l t a g el o wp o w e ra n dr a d i a t i o n - h a r d n e s s a d v a n t a g e sb e t w e e nw i t ho r i g i n a lt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi t si n h e d t e dc h a r a c t e r i s t i c si nr a d i a t i o n - h a r d n e s s c i r c u i tb ys o io v e rb u l k m o r er e c e n t ly ，t h ee x p l o s i v eg r o w t ho fp o r t a b l em i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sh a v e a t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o no ns o if o rt h ef a b r i c a t i o no fl o w p o w e ra n di o wv o l t a g ec m o sc i r c u i t s i n t h el a r g ef a m i l yo fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( s r a m ) a t t r a c t sm u c h a t t e n t i o nb e c a u s eo f j t sb r o a da p p l i c a t i o n s s r a mh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l em e m b e ro fs e m i c o n d u c t o r m e m o r yf a m i l yd u et oi t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g h - s p e e dp e r f o r m a n c e s i l i c o no ni n s u l a t o r ( s 0 1 ) t e c h n o l o g yi sa p p l i c a t i o ni ns t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( s r a m ) d u e t oo u t s t a n d i n gr a d i a t i o n - h a r d n e s s a n dl e s s e rc a p a c i t a n c e s o is r a me n h a n c e2 0 i r lc i r c l et i m ea n d3 0 i nc o l l e c t i v i t yp e r f o r m a n c e t h e r e a r e f i v ec h a p t e r s i n t h ea r t i c l e t h e f i r s tc h a p t e r d e s c r i b e db r i e f c h a r a c t e r o f s o i 。a n d i n t r o d u c o d t h em a i ns t r u c t u r eo ft h em e m o r y t h es e c o n dc h a p t e rd e s c d b e dt h ed e v i c e sf a b r i c a t i o ni nt h es u p e r f i c i a l s i l i c o nf i l m t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e dt h ef l o a t i n gb o d ye f f e c tp r o b l e m s t h ef o u n hc h a p t e ri sa b o u tt h e d e s i g no ft h e2 ks o is r a m ak i n do fs r a mw i t hn o v e la d d r e s st r a n s i t i o nd e t e c t o r ( a t d ) i sj n t r o d u c e d i nt h i sc h a p t e r t h ec o n c l u s i o ni sg i v e ni nt h ei a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ( s 0 1 ) f l o a t i n gb o d ye f f e c t s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r ya t d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：叁凌复日期：聊年莎月加 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名s 蠲导师签名：靼 日期：飞1 年易鼢日 | 第一章绪论 1 1 课题的来源和意义 第一章绪论 存储器是m o s 超人规模集成电路的主要产品，近年来发展非常迅速，集成度以每3 年4 倍的速 度递增。由于巨人的市场需求，计算机和其他电子设备的发展，特别是个人电脑的发展需要人鼙的 大容鼙存储器，m o s 存储器发展迅速。m o s 存储器最主要的产品之一的静态存储器由y - 其优越的 性能( 功耗低，速度高) 被，“泛的应_ j 在高速存储系统中。在最近3 0 年计算机的发展过程中，静态 存储器已成为川作计算机高速缓存的最人晕的挥发性存储器。此外，在远程通讯和消费类的电子产 品中，静态存储器也有着其广阔的麻_ 【 j 。为了提高存储器芯片集成度和产品性能，从器件结构、电 路设计到制造i ：艺等方面都在不断改进。工艺技术的不断改进和器件结构的不断创新，使得器件特 征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功耗不断降低性能不断提高。然而传统体硅技术中，随着特 征尺寸的缩小，器件内部以及器件与器件之间通过衬底的相互作用愈来愈严重，出现了一系列材料、 器f l ：物理，器件结构和工艺技术等方面的新问题。 绝缘衬底上的硅( s 0 1 ) 最初是为了适席航空航天方面的抗辐照应_ l j 电路而产生的一种技术，它 作为一种全隔离技术以其特有的材料结构克服了传统体硅结构的不足，从而可以充分发挥硅集成技 术的满力。相比较体硅技术而言，s o lc m o s 器件具有功耗低、抗干扰能力蛆、集成密度高( 隔离面 积小) 、速度快( 寄生电容小) 、工艺简单、抗辐照能力强并彻底消除了体硅c m o s 器f l ：的寄生闭锁效 应等优点由于s o l 结构所具有的独特优越性，使得以s o l 技术制备的c m o s 电路具有低功耗、抗 辐照，集成度高等优点，可以h j 来满足航空航天、通讯、手提移动屯子产品等方面的需求a 现在， s o l 已经被国际上公认为“二十一世纪的硅集成电路技术”。 本课题是微电子学与州体电子学学科。专川集成电路与系统设计”方向的研究课题。课题来源 于中电科技集团第5 8 研究所的科研项日，目的在于探讨基丁s o l 技术r ：艺抗辐照、高速度、高可靠 性、低功耗、大容苗的高性能静态随机存取存储器的设计方法。科研所为本课题的开展提供了多方 面的支持。 1 2 硅集成电路技术发展概况 集成电路产业基本上遵循摩尔定律预言的速度持续发展，即集成电路的集成度每3 年增长4 倍， 特征尺寸每3 年缩小1 1 4 倍，而性能提高约4 0 。集成电路取得快速发展的动力源丁不断缩小的器 件尺寸和不断增人的芯片面积。特征尺寸的不断缩小导致了电路性能的不断改善和电路密度的不 断增加；芯片面积的不断扩大，促使电路功能不断增多，制造成本不断降低。 低功耗、高速度、高集成度、抗辐照已经成为当今集成电路士要衡鼙的技术指标，以目前微电 子t 业的土流技术基于体硅的c m o s 技术来看，随着人规模集成电路的特征尺寸的逐步缩小，很难 实现这些指标。当超人规模集成电路的特征尺寸进入到深砸微米阶段在材料技术、器件理论、器 件结构和制造- i = 艺等方面山现了一系列问题，使得深弧微米硅集成电路的集成度、可靠性以及电路 的性能价格比受到严重影响。主要表现如下 2 ： ( 1 ) 随着器件尺寸的缩小，为了防止热载流子效应等影响器什的可靠性，工作电源电压必须降低， 为了保证电路性能不退化，阈值电压要和电源电压一起f 降。但由于砸阈值斜率不能按比例缩 小，闽值电压降低会导致关态泄漏电流的迅速增加。因此，静态功耗限制了阑值电压的进一步 扛南人学硕l 。学位论文 降低。 ( 2 ) 随着器件尺寸的缩小，为了抑制短沟道敛应，保证器件良好特性，需要减小栅氧化层的厚度。 当m 0 s f e t 尺寸缩小到t o o n m 以卜| 时，如累采州传统的s i 0 2 作为栅氧化层介质，电子的直接遂 穿效应和栅介质层所承受的电场将变得很大，由此引起的栅介质的涮电流和可靠性将成为严重 的问题，这也限制器件的进一步缩小。 ( 3 ) 体砗器什中的寄生可控硅闩锁效应以及由丁j 特征尺寸缩小、电源电压降低导致的软火敏问题会 使电路的抗干扰能力f 降，可箍性降低。 ( 4 ) 由丁集成密度和i 集成度的迅速提高，使得集成电路的功耗密度急剧提高功耗和热耗问题成为 一个制约冈素。 ( 5 ) 随着器件尺寸的缩小，体硅c m o s 器f j | ：的各种多维及非线形效应变得十分显著，严重影响了器 件性能的进一步提高。体砖c m o s 按比例缩小遇剑的问题还包括浅结取i 接触等危害成品率的因 素。 ( 6 ) 器件之间隔离区所【i | 的芯片面积随器什尺寸的减小相对增人，使得寄生电容增加，互连线延妖， 影响了集成度及速度的进一步提高。 ( 7 ) 复杂的i + 艺步骤和昂贵的i ：艺设备导致生产成本增加。 为解决这些问题，s o l 技术以其独特的结构有效地克服了体硅材料的不足，充分发挥了砖集 成电路技术的满力，止逐渐成为制造高速、低功耗、高集成度、抗辐照和高可靠性超人规模集成电 路的主流技术。 1 3 s 0 l 技术概述 s o l 技术作为一种全介质隔离技术，有着许多体硅技术不可比拟的优越性。 在s o l 技术中器什仅制造丁表面很薄的碎膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层隔开，图 i - 1 为典型的s o lc m o s 结构和i 幽1 2 体硅c m o s 结构的截面示意| 茎| 。 n m o sn 谭0 s 心心心沁测l 垒懿心心渊 | b 氟一 图1 1 典型的s o lc m o s 结构截面示意图 满嚼渤 、丛：塑! ! j 图1 2 典型的c m o s 结构截面示意图 由上面两| 璺| 可以看出s o l 技术是在碎品片上嵌土i l ! 一层二氧化硅绝缘物在这一绝缘物作为基 板的表层硅上来制造各个品体管：传统方式制造c m o s 则是在整块硅品片上，直接以硅作为基板来 制造各个晶体管。 2 第一章绪论 s o l 技术这种独特的技术，使得s 0 1 器件和s o i 电路主要具有以下特点【3 】： ( 1 ) 速度高 全耗尽s o 器件具有迁移率赢、跨导大、寄生电容小等优点，冈而s o lc m o s 电路具有极好的 速度特性，这一技术随着u l s i 技术向着深微米水平发展，变得越来越突出。因寄生电容小而导 致电路速度提高这一特点在部分耗尽器件所制备的电路中也同样存在。 ( 2 ) 功耗低 在全耗尽s o l 器件中，陡直的哑阈值斜率接近理想水平，泄- 撼电流小，静态功耗很小；在全耗 尽s o l 器件中，由于节电容降低且具有极小的连线电容，冈此动态功耗也人人降低了。 ( 3 ) 特别适合于小尺寸器件 全耗尽s o l 器件的短沟道效应较小，不存在体硅c m o s 电路的金属穿通问题，能自然形成浅 结，泄漏电流较小、亚阕值曲线陡直，所有这些都说明全耗尽s o l 结构特别适合哑微米、深哑微米 器件。 ( 4 ) 特别适合于低压低功耗电路 在体硅c m o s 集成电路中，由于体效应的作用，降低电源电压会使结电容增加，驱动电流减小， 导致电路速度卜_ 降；而在薄膜全耗尽s o lc m o s 电路中，这两个效应都很小，低压全耗尽s o lc m o s 电路与相应体硅电路相比具有更高的速度和更小的功耗更适于低压低功耗集成电路。 ( 5 ) 集成密度高 s o l 电路采j j 全介质隔离不需要制备体硅c m o s 电路的阱锋复杂j ：艺，器什最小间隔仅仅取 决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度人幅度提高。 ( 6 ) 成本低 一般认为s o l 是一种理想的u l s ! 技术，只是成本较高。实际上这是一种误解，s o l 技术除衬 底材料比体砖材料价格高以外，其它成本均低于体硅。c m o ss o l 电路的制造t = 艺比典刑体硅【艺 至少用三块掩膜版，减少1 3 2 0 的j ：序；由于电路尺寸缩小，相同电路的芯片面积可降低1 8 倍，浪费的面积可减少3 0 以上。 ( 7 ) 抗辐照特性好 s o l 技术采川全介质隔离技术彻底消除了体硅c m o s 电路的闩锁效应，且具有极小的结面积， 因此具有1 f 常好的抗软火效、瞬时辐照和单粒子( a 粒子) 翻转8 l 0 1 4 。 图l 一3 为s o l 器什和体 硅器件抗辐照比较示意幽。 图1 - 3s o l 器什和体硅器什抗辐照比较示意图 由上述可见s o l 结构能够有效地克服体硅材料的不足，充分发挥硅集成技术的潜力，它在高 温、高压、抗辐照、低压低功耗、高性能的存储器领域有着广泛的应用。 江南人学硕1 ：学位论文 1 4 半导体存储器的国内外发展概况及s r a m 的发展趋势 1 4 1 半导体存储器的国内外发展动态 集成电路是当前世界上发展速度最快、更新速度也最快的电子产品。存储器则始终是一种代表 集成电路技术发展水平的典型产品。存储器在集成电路中技术先进、产量多、市场人，因此存储器 的研制币j 生产水平历来就成为衡量一个国家科学技术和l ：业发达程度的标忠。 存储器的产品寿命周期很短，平均每一代产品的寿命不足4 年，工艺技术水平每上一个新的台 阶总要以新一代的产品作为代表，同时逐渐淘汰上一代的产品。尤其是近年来随着c m o sf ：艺 特征尺寸的持续不断缩小，几乎每一、二年1 ：艺的特征尺寸就会升级换代。目前，国外生产线的典 型i ：艺特征尺寸是6 5 n m 和9 0 n m 。随着集成电路的设计、制造f ：艺水平的提高s r a m 的容域、性 能也不断得以改善，国际上已经发展了具有哑微米尺寸的s r a m 的设计及系统结构并且产品已经 商业化。我国的* 导体技术与国外先进国家相较存在着很人的若距但经过多年的努力，我国在 存储器领域取得了一定得进展。中国华品电子集团丁1 9 8 6 年成功研制第一块2 s u mi ：艺、每个芯片 古1 5 万个元f l 。得6 4 k b 的d r a m ，标，占着我国进入了v l s i 领域。在s r a m 领域的研究，我f f j 也取 得了一定的成果。然而，对丁人容蟮、高速的s r a m 的研究我们还处丁起步阶段，我国麻加速发展， 逐步缩小与国外发达国家的筹距。 1 4 2s p , a i i 的发展趋势 集成电路设计及i ：艺制造水平的提高使得s r a m 的性能得以不断的改善。s r a m 因为读弓速度 快，其普遍_ l i j 作计算机高速缓存的最人蛄的扦发性存储器。此外，在航空、通讯、消费类电子产品 中，静态随机存取存储器也有着j “泛的席川。但是广阔的市场需求为其提山了新的要求。如今，s r a m 早现如f 发展趋势： ( 1 ) 人容罐、高密度 集成电路产业基本上遵循摩尔定律预言的速度持续发展，即集成电路的集成度每3 年增k4 倍， 特征尺寸每3 年缩小1 1 4 倍。s r a m 也以类似的速度发展，这一切得以益丁l 乜路设计水平的提高和 工艺技术水平的进步，市场对丁人容鼙、低成本的要求则刺激了人容苗、高密度存储器的发展。 ( 2 ) 高速 速度是s r a m 在市场中生存的芙键冈素。由丁i 读写速度快的s r a m 已经广泛川作计算机的高速 缓存，因此提高它的读弓速度对丁充分发挥处理器的优势，改善处理器的性能和使_ 【 j 效率有着积极 的意义。此外，在现代通讯网络中，要求有快速的数据处理能力，也急需提高s r a m 的速度。 ( 3 ) 低电压、低功耗 半导体j ：艺的精细化，要求电子系统采_ i j 采川更低的供电电压，消费类电子产品及便携式移动 设备的广泛麻埘也同样需求低功耗的s r a m 功耗的降低不但延长了设备的待机时间，同时降低了芯 片的生产成本、提高了j f 作稳定性。目前低功耗设计已经成为了s r a m 研发i ：作中的一个热点课 题。 ( 4 ) 高可靠性 随着空间技术的发展，备类电子设备早已麻h 到环境非常恶劣的空间中。空间的辐射环境对地 球轨道卫星和行星间e 行的宁南b 船、探测器上的所有电子元仲都造成了辐射风险。即使是自然环 境中所存在的带电粒子，如电子币i 质子，对半导体存储器造成的离化损伤的累积效应也是非常的严 重。提高s r a m 的抗干扰的能力、减小软错误率，延长系统寿命成为s r a m 设计者必须面i 临的问题 【3 】。目前，通过采用s o lc m o s ：【艺、具有冗余和纠错功能的s r a ml e 越来越受到人们的青睐【4 】。 4 第一章绪论 1 5 本论文的主要工作及技术要点 本文的主要工作是抗辐照高性能静态随机存取存储器技术研究设计了一款基于s o lc m o s 工 艺的2 k 位( 2 5 6 x8 ) 的异步静态随机存取存储器。对s o l 器什特性和s o l 材料制备进行了研究与探 讨，重点对如何抑制部分耗尽型s o l 器什的浮体效应进行了研究与探讨；对s o i s r a m 的整体结构、 存储单元、译码器、灵敏放人器等核心设计内容进行了研究与探讨，重点讨论了地址变化探测电路 ( a t d ) 的设计。 本文的创新点是提出了一种新型的地址变化探测电路，通过与传统的地址变化探测电路的比较， 提高了电路的抗干扰性。 本文共分为五章。第一章绪论叙述了本文课题的来源简单介绍了s o l 技术及s r a m 的基本概 念。第二章介绍了s o l 器件的特性。第二章介纠了s o l 材料的制备1 = 艺及如何抑制浮体效应。第四 章为本文的重点，首先对s o i s r a m 的各个单元电路进行了深入地论述、研究，然后提出了一种新 型的地址变化探测电路的设计最后设计了一款基y - s o lc m o s 工艺的2 k 位( 2 5 6 x 8 ) 的异步静态随 机存取存储器。第五章对论文进行总结。 江南人学硕f 学位论文 第二章s 0 1m o s 器件特性 2 1 厚膜和薄膜$ 0 1 器件 s o lm o s 器什的特性与器制：的硅膜厚度紧密相关根据砗膜厚度币i 辞膜中掺杂浓度的情况s o l m o s 器件可分为厚膜和薄膜器什以及介于两者之间的中等膜器件 5 ，6 】。划分的土要依据是栅f 的最 大耗尽区宽度。在实际的电路结构中，我们土要应川的是厚膜和薄膜s o l 器件。厚膜平i i 薄膜s o l 器 件义分别称为部分耗尽和全耗尽s o l 器什，下l 玺i 为全耗尽和部分耗尽s o l 器什截面示意图。 图2 - 1全耗尽s o l 利部分耗尽器件 ( 1 ) 全耗尽s o i 器件 全耗尽s o lm o s 器件制作在超薄s o l 的表层硅上，该辞层的厚度必须小丁最人耗尽区宽度。当 器r ：开启时，硅膜可全部耗尽而不依赖背栅压只要背界面不处丁积累状态，全耗尽s o l 器件可以 完全消除k i n k 效戍( k i n k 效麻指s o lm o s 器件输出特性曲线上山现的“翘曲”现蒙) 。关丁- k i n k 效应将在斤面论述。由丁全耗尽s o l 器t 1 二沟道区铍全耗尽，冈此降低了沟道犀的电场，从而降低了 热载流子效应和短沟道效麻并使得品体管的驱动能力增经。除了上述优势以外，由于全耗尽s o lm o s 器什源一漏结周用是氧化层而不是砘层，而氧化层的介电常数低丁硅，因此其源一漏寄生电容也减 小了。 ( 2 ) 部分耗尽s o j 器件 部分耗尽s o l 器件的砗膜厚度人丁，展人耗尽区宽度的两倍。该器件上界面和背界面处的耗尽区 没有相且作用，在前栅耗尽区的f 面有一中性区存在若此中性区接地，器什特性则与体硅器件基 本类似。当中性体区不接地处丁t 悬浮状态，将出现严重的浮体效应，包括k i n k 效应、寄生般极管敛 应锋。 表2 1 为各种类艰的s o l 器件和体硅器件的特性表中o 、+ 、分别表示“和体硅器什相似”、 “比体硅器件好”、“比体硅器件差”。 6 第二章s o l m o s 器件特性 表2 1 各种类型的s o l 器什和体硅器什的特性 体硅厚膜s o i薄膜s o ! 泄漏电容 0 + 闽值电压对砗膜厚度的敏感性 0o 迁移率 0o + 跨导oo + 弧闽斜率 oo 工 短沟效应 o0 0 ，+ k i n k 效应o0 寄生烈极管效戍o0 ， 热载流子效应00 + 上 抗总剂昔辐照效应00 ，+ + 抗单粒子翻转效应 0 + + 2 2 背栅效应 背栅效麻主要是指衬底偏压( 又称为背栅压) 对器件阎值电压的影响。在体硅器件中背栅压会 在衬底中引起耗尽区宽度的变化当加负的背栅乐时，耗尽区展宽，闽值电压增人。对s o lm o s 器 件，由于隐堋氧化层将衬底和有源区隔离开，背栅效麻有所不同【7 。 图2 - 2 为s o lm o s 器f l ：* l l 体硅器什的阈值电压与背栅偏压的关系。 s 一 豳 脚 捌 置 岍潮恻帅 p d s 0 背栅偏压v ) 图2 2s o lm o s 器件和体砗器件的阂值电压与背栅偏压的关系 由上图可以看出s o l 器件的阙值电压的变化小于体硅器件，而部分耗尽s o l 器件由于中性体 区屏蔽了背栅压的影响，冈此背栅效应要稍小全耗尽s o l 器件。 背栅压的不同，器什状态也会改变。图2 3 为不通背棚压fs o l 器f l ：的转移特性曲线 8 】。 7 江南人学硕i ：学位论文 孑 一 嚣 粤 释 珥 背偏压i 、，) 图2 - 3 不通背栅压下s o l 器仆的转移特性曲线 由上图可以看出，随着背栅压的不同，器什的l ：作模式也会改变。当背栅压为负时，器什进入 p d ( 部分耗尽) i ：作模式特性曲线受背栅压的影响较小：当背棚压为止时，器什进入f d ( 全耗尽) 作模式。背栅压影响比较严重。 2 3 短沟道效应 短沟道效应指的是随着m o s 品体管随着沟道艮度的减小将引起器什庳j 值电压降低。这种效麻主 要是闪为栅对其卜- 沟道耗尽区的控制作州减小。冈为栅控制的是耗尽区电荷的一部分。在短沟道器 件中由丁源漏耗尽区横向互相靠近而使栅控制的耗尽区l b 荷明显减小，从而导致阂值电压的降低。 冈此，在可f ! 微米级无论是全耗尽还是部分耗尽m o s 品体管都存在着短沟道效应。 阂 值 电 压 ( v ) 沟道长度( l i l t ) 图2 - 4s o l 器件和体硅器件的阈值电压与沟道长度的芙系 部分耗尽s o l 器1 ，i = 的短沟道效应与体硅相似，而全耗尽s o l 器什的短沟道效应则优丁体硅器件。 2 4k i n k 效应 k i n k 效应是指s o lm o s 晶体管的输山特性曲线向上弯曲的现象，它是部分耗尽s o ln m o s 器 件结构中所特有的寄生效应如图2 - 5 所示。 3 第一二章s 0 1 m o s 嚣件特性 漏 l 山 墒 电 流 ( - a 漏端电压( v ) 图2 5 部分耗尽s o in m o s 器件的输出特性曲线 从上图的输出特性曲线可以看出，当潞端电压超过某一值时，涮端电流会突然增加，这个现象 在部分耗尽n 沟道器什中表现的比较明显，在p 沟道器什中相对较弱。在室温】：作带衬底接触的体 硅器件和全耗尽s o lm o s 器件，其输出特性曲线则不会出现k i n k 现蒙。 对丁二部分耗尽s o i 器什，在足够高的猫端电乐f 沟道电子在漏端电场区获得足够能颦，通过 碰撞电离产生电子一空穴对，空穴向较低电势的中性体区移动由于源体结较高的势垒，空穴会堆积 在体区，抬高了中性体区的电势，使源一体结止偏。浮体上的正电位使闽值电压降低，漏端电流增人， 由此进一步产生更多的电子一空穴对在输出特性曲线上譬现上弯的k i n k 现象。图2 - 6 为k i n k 效应 物理机制示意图。 r v s v d n + r 、复 1 x ，、u _ 出 n 十 j 、 源一川_ 赢； 卜 一漏 埋氧层 幽2 - 6k i n k 效应物理机制示意l 玺i 全耗尽s o lm o s 器什由丁硅膜处丁_ 全耗尽状态，源体间势垒较低，碰撞电离产生的空穴可以 流向源区，在源区背复合，硅膜中不存在过剩载流子。对于p m o s 管，由于空穴的电离率较低，因 此产生的空穴电子对远低1 - - n m o s 管，所以这两种器件的k i n k 效应不明显。 k i n k 效麻可以增人电流和跨导，提高电路的：1 ：作速度。但k i n k 效应会带来输山电导的突然增 加，从而降低器件增益。 k i n k 效应具有频响特性，会引起电路 作不稳定，图2 7 为部分耗尽s o ln m o s 器什在不同工 作频率f 漏导纳与漏压的关系【9 】。 9 江南人学硕f 。学位论文 主 = 嚣 巴 岂 幽2 - 7 不同j ：作频率f 部分耗尽s 0 1n m o s 器1 ，| ：描导纳与测乐的关系 在部分耗尽s o lm o s 器什中，为了消除k i n k 效应，可以在硅体做一个接触而使所产生的过剩 的多子引出体外。 2 5 寄生双极晶体管效应 寄生舣极晶体管效应是m o s 品体管不可避免的寄生效应，m o s 管的源、漏、体区可以看作双 极管的发射极、集电集雨基极。体硅器什的体一般接地而s o l 器件的体是悬浮的，闪此，寄生舣 极品体管易丁i 被触发导通，从而导致单管闩锁现象、g i d l ( g a t ei n d u c e dd r a i nl e a k a g e ) 流增人、击 穿电压降低等。 当器件处在术导通的砸闽区漏端电压足够高，一定的砸阙电流会在漏端商场区引起碰撞电离， 产生的空穴在体中堆积，抬高了电势，蜊值电压降低电流增人。如果硅膜中少子寿命足够高，源 体结的止偏最终会使源体结导通，触发寄生般极晶体管导通，而碰撞产生的空穴电流，即基极电流， 会被寄生烈极晶体管放人。j 玺| 2 - 8 反映了s o ln o s 器什中寄生烈极晶体管的影响。 图2 - 8 s o ln o s 器件中寄生烈极晶体管的影响 ( 1 ) 单管闩锁 因为m o s 器件中存在烈极品体管结构，如果硅膜中少子寿命充分高，则寄生般极品体管可以将 基极电流放大( 即将冈渊端碰撞电离所产生的空穴电流放大) 。而基极l 乜流的放人将引起漏电流的增 加，涮电流的增加可在器件中形成个正反馈，从而导致漏电流急剧增加。如果漏电压足够高。这 个正反馈触发后就无法犬断，原因是基极电流可以铍触发后的寄生以极晶体管的集电极电流的碰撞 电离提供平维持，粕端电流由寄生叔极品体管决定，栅失去控制作用，器件进入失控状态，此现象 被称为单管闩锁现象。如果将器什的硅体接地，则单管闩锁现象就不会出现。 l o 第一二章s o i m o s 器件特性 图2 - 9 为不同漏压情况下正向及反向扫描栅压得到的哑阈值转移特性曲线。由图中可以看到， 随着漏压的增大，当栅压从小向大变化( 正向) 时，由于寄生双极品体管的作用导致正反馈出现，漏端 电流急剧增大。 漏 1 山 y 而 电 流 “) 栅压( v ) 图2 - 9 不同猫乐情况卜正向及反向扫描栅压得到的弧闽值转移特性曲线 ( 1 ) g i d l 电流增大 对于s o ln m o s 器件，在栅压为负值的区域，随着漏乐的增人淄端电流迅速增大，此泄漏电 流是由靠近淄端栅过覆盖1 猫区在负栅压和较高渊压f 会反型造成的g i d l 电流【1 0 1 。随着栅长的减 小，泄漏电流进一步增大，这是由丁栅k 较小的器什寄生烈极品体管增益增人造成的。 ( 2 ) 早期击穿 s o lm o s 器件中存在一个基极浮空的寄生戏极晶体管，当渊端碰撞电离引起的多子在砖体区中 堆积时，体电势被抬高。一定情况f 会触发寄生双极品体管导通，该寄生舣极品体管会导致器件早 期击穿。此击穿电压要低丁相应的体接地器件。 s o l 器件的击穿电压随栅电压的增人而增人；在常规体硅器件中! i ! l j 与此相反，随着栅压的增夫 击穿电乐减小。s o 器件击穿受两方亟冈素的影响：寄生砹极晶体管导通和雪崩倍增。而对于体硅 器件，击穿的限制冈素般是权极品体管的导通，因此随着栅压的增大，沟道电流增人，双极品体 管易丁导通。击穿电压随栅压的增人而降低。 提高击穿电压的有效方法就是减小寄生烈极品体管效应，主要途径是将体引出，进行体接触。 基于s 0 1 结构的特点一般采j 【i j 侧边引出体的方法。 2 6 白加热效应 由于s o l 隐埋氧化层热导率比较低，s o l 器什存在着直流自加热效应。随着器什漏端电压和栅 电压的增大，功耗增人，硅体内的温度上升，高丁环境的温度，器件中迁移率、朗值屯压、浮体电 位、 i i 珏i ；电流、弧阈值斜率、瞬态特性等都会受到温度的影响由此引起器什特性变化。 白加热效麻对u l s i 电路动态r 作模式影响不大，但会影响模拟电路的设计和1 ：作。由于白加 热效麻使输出电导与频率相关，而且会引起局部温度不一致，造成漏端电流失配，这对于火配电路 要求较高的屯路会有较大的影响。 为了降低白加热效戍，我们一般采用厚硅膜、薄隐埋氧化层的方法。改变隐埋介质层的材料也 可以降低白加热效应。 2 7 抗辐射特性 由于宇宙和外层空问存在着大龉的宇宙射线，对集成电路会产生总剂量，单粒子事件、瞬时辐 江南人学硕1 学位论文 射等辐射效应。如果这些集成电路不经过特别的抗辐射加 i i i | ，其性能很快就会退化以至失效。由于 s o lc m o s 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，辐射产生的光电流比体硅c m o s 电路小三个数耸级。我们从三个方面讨论 s o l 器件的抗辐射性：总荆茸辐射效应、单粒子市件、瞬时辐射效应。 ( 1 )总剂量辐射效应 当器什持续受剑电离辐射时，就会产生总剂苗效麻。总剂茸的单位是拉德，其定义为每克硅上 淀积1 0 0 尔格的辐射能域。 电离辐射主要在氧化层中以及氧化层硅界面产生电荷和缺陷，从而引起器件的闽值电压漂移、 跨导降低、亚闽值电流增大、低频噪卢增大。总剂龄辐射引起的退化主要是通过影响氧化层产生的， 对丁s o l 器件和体砗器件采_ l f j 的栅氧化层和场氧化层是类似的土要差别在丁s o l 器件有隐埋氧 化层，辐射会在隐埋氧化层中产生止电荷，还会产生隐埋氧化层- 硅界缺陷，冈此，s o l 器什的总剂 姑辐射效应比体硅差 1 l 】。 为了通过s o l 器什的抗总刑龉辐射效应，需要加入特殊的加问技术。例如，在隐埋氧化层中注 入硅，产生电子陷阱，以补偿陷入氧化层的正电荷1 1 2 1 ；对丁js i m o x 材料，降低氧注入量，可以减薄 隐埋氧化层【1 3 】；采川白对准钴硅化物栅可以提高器t 1 二的抗总刑苗辐射能力 1 4 】；采_ l j 一种体在源f 方 的场敛应器件等 15 1 。 ( 2 ) 单粒子事什 单粒子事件( s e u ) 是指当一个宁甫射线中的重核粒子、a 粒子管高能粒子射入到器什中时， 对逻辑器什或存储器引起的单粒子翻转；对t - c m o s 器什会产生单粒子闩锁；可能山现的单粒子永 久损火事件。一般将由丁单个高能粒子导致器什的逻辑错误称为软错误。 单粒子事什产生的原冈是当一个高能粒子如射剑一个反偏的p n 结耗尽区及其以r 体砘区域时， 沿着粒子入射途径，硅被电离产生电子一空穴对的等离子体，它的密度比衬底掺杂浓度要高山几 个数瞥级该等离子体周甬的耗尽区被中和，造成耗尽区电场的筲位面变形，此区域会产生很强的 电场使沿着粒子入射途径产生的电子一空穴对发生电离，在体硅器什中，空穴铍移向衬底，形成 衬底l 乜流，电子则在电场作_ l jf 被上 电极收集。当被止电极收集的电子数日增加剑一定称度时可 能会使器1 1 所在的电路仃点发生逻辑翻转。对丁s o l 器件，由丁硅膜一般较薄。而且隐埋氧化层的 存在使在衬底区产生的电子不能被收集，冈此在s o l 器件中只有在顶层硅膜内产生的电子才能被收 集，其对高能粒子敏感的区域小得多，抗单粒子事什得能力很强。 ( 3 )瞬时辐射效应 在某些情况f ，如日辉、核爆等，在很短得时间内会淀积人剂苗的能苗产生瞬时辐射敛麻( 也 称剂鼙率效应) 。瞬时辐射效应对c m o s 器什的土要影响是在瞬时辐射f 内部p n 结产生瞬时光电流。 在传统c m o s 器件中，这一光电流会引起闩锁。对于s o l 器件，由丁i 实现了完全的介质隔离，不存 在体硅c m o s 技术中寄生的场区m o s 管平可控砗机构，而且具有较小的p n 结耗尽区体积，因此 辐射所产生的光电流比体硅c m o s 电路小近三个数醴级有很强的抗瞬时辐射能力。 2 8 本章小结 在这一章中，我们对s o lc m o s 器件的性能进行了详细的研究和分析，包括器什的背栅效应、 短沟道效应、k i n k 效应、寄生叔极晶体管教戍、自加热效应及抗辐射特性。 1 2 第三章s 0 1 主要材料制备技术及工艺研究 第三章s o i 主要材料制备技术及工艺研究 3 1s o l 主要材料制备技术 s o l 材料是对高速、抗辐照微电子器件的需求而迅速发展起米的一种新型电子材料，由于其与 体硅材料相比具有一系列的优点而倍受重视。 在获得s o l 材料的多种s o l 技术中，目前主要的s o l 材料制备技术是离子注入和高温退火技术、 硅片键合和背面腐蚀技术、智能剥离技术。 3 1 1 离子注入和高温退火 离子注入主要有注氮隔离技术，注氧隔离技术、注氧氮隔离技术。注氮隔离技术的优点是可以 用相对低的氮注入剂鼙形成埋层，缺陷较少。注氧氮隔离技术的优点是氧化物埋层是1 f 品而不是多 晶，硅绝缘介质层特性较好。注氧氮隔离技术结合了注氮及注氧隔离技术的优点，其埋层是将不同 荆餐的氮平 氧注入到硅中形成的，但此技术 艺的可控性差。当前，注氧隔离技术是制备s o l 材料 较为通h 】和先进的方法。 注氧隔离技术的制各原理i 璺i 如图3 1 所示。具体步骤为用具有能量为1 5 0 2 0 0 k e v ，剂餐为 1 8 x 1 0 ”c n l2 的氧离子注入剑硅单品衬底中，经1 3 0 0 c 以上5 6 小时退火后，在单品表面层卜j 面 形成数千埃的隐埋氧化层，从而形成三层结构的s o l 材料 1 6 1 。 氪葛早 脚棚退火i 翠 u j 兰竺l 图3 - 1 注氧隔离技术的制各原理 一 3 1 2 硅片键合和背面腐蚀 键合技术是s o l 材料制备的另一种主要的方式。所谓键合技术，就是当两个表面十分平整的硅 片在非常靠近的情况下，受硅片之间的范德华力的作 j ，两个硅片会互相粘接在一起。由丁：刚键合 技术形成的s o l 材料的顶部硅层是体硅的一部分，在该硅层上制造的器件性能可以乖i 体硅器件相媲 美，避免了_ l j 其他方法制备的s o l 材料冈顶部硅层的质鼙问题而引起器什性能的退化。 硅片键合和背面腐蚀技术的i ：作原理是两个被氧化( 或一片被氧化) 的硅片粘合或键合在一起， 将其中的一个硅片j j 研磨、抛光或化学腐蚀的方法减薄剑适合与s o l 器什要求的厚度，另一个硅片 作为机械支撑衬底。硅片键合和背面腐蚀技术是2 0 世纪9 0 年代以前常用的一种s o l 制备方法，由 于该技术对顶部硅膜难以精确控制，冈此它只适用于制备厚膜( 1 u m ) 的s o l 材料。图3 - 2 为硅片 键合和背面腐蚀技术的制备原理图。 江南大学颈i ：学位论文 器件硅片 固 支撑硅片 田 雹崮 幽3 - 2 砖片键台和背面腐蚀技术的制各躁理 3 1 3 智能剥离技术 智能剥离技术是建立在离子注入平键合两种技术相互结合的基础上的发展起来的一种新制备技 术。智能剥离技术原理是利刖h + 注入在s i 片中形成气泡层将注氢片与一个支撑片键合( 两个硅 片间至少一片的表面要有热氧化s i 0 2 覆盖层) ，经适当的热处理使注氢片从气泡层完整裂开，形成 s o l 结构。图3 - 3 为智能剥离技术的土要过程，具体如f 1 7 】： ( 1 ) 将准备键合的两个硅片中的一片( 种f 片b ) 川热氧化的方法，在层面上形成一层二氧化硅， 其厚度由s o l 材料的隐蝉氧化层厚度：) i 决定。 ( 2 ) 对种子片a 注入h + 离子( 或h e + ) 注入射稃取决与s o l 的顶部硅膜厚度。 ( 3 ) 将硅片a 与硅片b ( 支撑片) 经清洗和清水处理后做低温键合。 ( 4 ) 对键台片进行热处理( 4 0 0 6 0 0 。c ) ，使硅片a 在h + 分布的峰值处起泡剥离，其中a 片的一 薄层单晶硅留在支撑片b 上形成s o l 结丰句。剥离卜：) l 的硅片a 经抛光后可继续使圳。 ( 5 ) 高温退火平i l 化学机械抛光。剥离后的键合片经1 1 0 0 ( 2 高温f 再i 睦火，以进一步增强键合强度。 由丁剥离后硅片表现不够平整，对退火后的s o l 材料上表面，需做化学机械抛光，以适应器 件制备的要求。 4 圈幽团 第三章s o l 主要村料制蔷技术及工艺研究 圆田 圈 氢离子 幽 图3 3 智能剁离技术的制各原理 智能剥离技术_ 【 j 丁| 制各超薄的s o l 结构材料和多层的s o l 材料这一技术被认为是较理想的具 有一泛应_ h j 前景的s o l 制各技术。 3 2 s o i 工艺 s o l 器件制各i ：艺与传统体硅c m o s 器f i ：制备f ：艺非常相似由了：s o l 器件制备1 ：艺中不需要 做阱，因此s o i 器件制备的i ：艺比体硅j ：艺要简单，：j ：艺步骤得以简化。 与体硅c m o s 器件相比较，s o lc m o sl 二艺主要的问题是如何抑制部分耗尽s o lm o s f e t 器件 中的浮体效应。部分耗尽s o l 器件j i ：作时，随着渊端电压的升高