（物理电子学专业论文）sisoi+mmic无源器件研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着微波通讯技术的迅速发展，人们对通讯设备的要求也越来越高。体积小， 重量轻，可靠性高，稳定性好等优点使得微波单片集成电路( 删i c ) 在微波通讯 领域逐渐取代了传统的波导系统和混合集成电路。最近几年，深亚微米c m o s 工艺 逐渐成熟，使用c m o s 工艺制各的片上集成电路的性能也不断得到提高。 在无线通讯对c m o s 射频集成电路需求的大背景下，本论文围绕着射频集成电 路必不可缺少的、有多种应用的无源器件一共面波导和平面螺旋电感进行大量的 研究，发现由于体硅工艺衬底电阻率低、寄生大，使得片上共面波导的损耗过大、 集成电感的品质因数和自谐振频率难于提高。而s o i 材料( 被称为2 1 世纪的硅材 料) 采用低掺杂衬底结构可以抑制镜像电流，减小衬底能量损失，会大大降低片 上元件的传输损耗。 论文在硅和s o l 衬底上进行了大量的实验研究，得出了一些结论。主要的研 究工作如下： 1 研究了不同衬底上共面波导( c p w ) 的损耗特性。实验结果表明：采用 s o l ( 2 0 q a n ) 和硅( 2 0 q 铀) 做衬底的共面波导传输线，其损耗前者比后者 有明显的减少；而在硅( 2 0q 0 i 】) 上沉积1 a ms i 0 2 并制备c p w ，其损耗也大大 降低；采用高阻s o i ( 1 0 0 0q e m ) $ u 各的c p w 在2 g h z 损耗仅为o 1 3 d b m m ；在 低阻硅上采用地屏蔽技术制作的c p w 在整个频段内的损耗可与高阻s o i 衬底 上相比拟。 2 在大量文献调研的基础上，总结了集成电感的研究现状与进展，详细介绍 了集成电感的结构和模型，分析了集成电感值和q 值的意义。并利用三维电磁 场仿真软件h f s s 仿真了寄生效应对集成电感品质因数的影响。 3 在硅( 0 5 q 锄) 和s o i ( 0 5 d 册和2 0 q 册) 衬底上制作了2 种类型 的集成电感，并尝试在硅衬底上采用地屏蔽技术以降低集成电感的衬底损耗。 测试其s 参数，并采用去嵌入( d e e m b e d d i n g ) 的方法去除了集成电感测试中 焊盘对测试结果的影响，得出集成电感真实的s 参数，并对测试结果进行了详 细的分析，验证了仿真结果的同时也得出了一些有用的结论：地屏蔽技术可以降 低集成电感的衬底损耗；s o l 集成电感相对于硅集成电感品质因数和工作频率都 有大幅度的提高等。这些分析和结论对今后的集成电感设计和s o l 材料的应用 都有一定的指导意义。 关键词：微波单片集成电路，c m o s ，s o i ，共面波导，集成电感 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l e s r e q u i s i t i o nf o rc o m m u n i c a t i o nd e v i c ei sm o r ea n dm o r eh i g h e r m o n o l i t h i cm i c r o w a v e i n t e g r a t e dc i r c u i t sg r a d u a l l yr e p l a c ew a v e g u i d es y s t e ma n dh y b r i di n t e g r a t e dc i r c u i t si n t h em i c r o w a v ef i e l d sf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，h i g hr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e e ps u b m i c r oc m o s c r a f ti sr i p eg r a d u a l l ya n dt h e p e r f o r m a n c eo fo n c h i pi n t e g r a t e dc i r c u i t sm a d ew i t hc m o st e c h n o l o g yg r a d u a l l y i m p r o v e s p a s s i v ec i r c u i t ss u c ha si n t e g r a t e di n d u c t o ra n dc p wn e e dt ob er e a l i z e da l o n g w i t ha l lo fo t h e rd e v i c e si nm m i c i nf a c t ，t h en e e df o rl o wl o s sa n dh i g hq u a l i t yf a c t o r p a s s i v ec i r c u i ti si n c r e a s i n g t h el o s so fc p wa n dt h eq u a l i wf a c t o ro fi n t e g r a t e d i n d u c o rm a d eo nl o w - r e s i s t i v i t ys i l i c o na r eb o t hp o o gb u tt h o s em a d eo ns o i ( c a l l e d s i l i c o nt e c h n o l o g yo f t h e2 1 t hc e n t u r y ) w i l lb ei m p r o v e do b v i o u s l y t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h so ft h ec p wa n di n d o c t o rm a d eo ns i l i c o na n ds o ia r e r e p o r t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n m a j o rc o n t e n t so f t h es t u d ya r ea b s t r a c t e da sf o l l o w i n g ： 1 n et r a n s m i s s i o nl o s sp r o p e r t i e so fc p wo nd i f f e r e n ts u b s t r a t e sa r ei n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea t t e n u a f i o no ft h ec p w l i n e o ns o i ( 2 0o c m ) i sm u c hl o w e rt h a nt h a tm a d ed i r e c t l yo nt h es i l i c o n ( 2 0f 2 a 1 1 ) ， a n dt h el o s so ns i l i c o nw i t h1p ms i 0 2c a nb er e d u c e dg r e a t l y t h ea t t e n u a t i o nf o r t h ec p wa t2 g h zi so h i y0 13 d b m mo nh i 曲r e s i s t i v i t ys o i ( 10 0 0n ) t h e l o s so ft h et r a n s m i s s i o nl i n e si sr e d u c e de f f e c t i v e l yw i t hs h i e l dg r o u n do nt h e l o w r e s i s t i v i t ys i l i c o n ，w h i c hi sc o m p a r a b l et ot h er e s u l to f h i g hr e s i s t i v i t ys 0 1 + 2 t h er e v i e w o fi n t e g r a t e di n d u c t o r si sg i v e na n dt h es t r u c t u r ea n dm o d e lo f i n t e g r a t e di n d u c t o r sa r ei n t r o d u c e d t h em e a n i n g so ft h ev a l u ea n dt h ef a c t o ro f t h ei n d u c t o ra r ee x p l a i n e da n dt h ei n f l u e n c et of a c t o ro ft h ep a r a s i t i c a lp a r a m e t e r s i sa n a l y s e db yh f s s 3 t w ot y p e so ft h ep l a n a r s p i r a li n t e g r a t e di n d u c t o r sa r em a d e o ns i l i c o n ( o 5q 。c m ) ， s i l i c o n ( 0 5q 。o n ) w i t hs h i e l dg r o u n da n ds o l ( 0 5q c ma n d2 0o c m ) ， d e _ e m b e d d i n gc a nh e l po b t a i nt h er e a lsp a r a m e t e r sb e c a u s ei tc a ng e tr i do ft h e i n f l u e n c e so f t h ep a r a s i t i c a li m p a c to f t h ep a dt oi n d u c t o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e a n a l y z e di nd e t a i la n ds o m er e s u l t sa r eo b t a i n e d ：t h ef a c t o ro f t h ei n d u c t o rm a d eo n s i l i c o nw i t hs h i e l dg r o u n dc a nr e d u c et h ep a r a s i t i c a li m p a c to f t h es i l i c o ns u b s t r a t e ； t h eq u a l i t yf a c t o ra n dt h es e l f - r e s o n a n c eo ft h ei n d u c t o rm a d eo ns o lc a r lb e i m p r o v e dr e l a t i v et ot h a to ft h ei n d u c t o rm a d eo ns i l i c o n t h e s ea n a l y s e sa n d r e s u l t sa r ei m p o r t a n ta n du s e f u lf o rt h ed e s i g no fi n t e g r a t e di n d u c t o r sm a dt h e a p p l i c a t i o no fs o i k e yw o r d s ：m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ，c m o s ，s i l i c o no ni n s u l a t o r c o p l a n a rw a v e g u i d e ，i n t e g r a t e di n d u c t o r i i 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。据我所知，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 为获得电子科技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：军伟闺日期：柚。j 年r 月f 甲日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：潭巾蜀导师签名： 日期：和。y 年f 月f 7 目 电子科技大学硕士学位论文 1 i 研究背景及目的意义 第一章绪论 近年来个人移动通信和无线接入等方面有着快速的发展：有调查报告称现在 全世界的手机用户有1 3 5 亿，占全球人口总数的2 1 ，预测到2 0 0 8 年，可能达 到2 3 亿人，占全球人口总数的3 4 9 6 ，其中g s m 、c d m a 是用户最多的移动通信方式， 占8 5 的份额。而3 g 服务的推出也已经是迫在眉睫，作为2 5 g 的移动数据服务 g p r s 、c d m a1 也已经在我国投入使用。在无线接入方面w l a n “”、b l u et o o t h0 1 、 w i m a x 和u w b “1 等技术得到不同程度的开发和应用。这些技术对高频、射频集成电 路提出了新的要求。 单片微波集成电路( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，m m i c ) 是 指将所有有源和无源电路同时加工在同一种半导体衬底上的微波电路。其中和传 统的微波集成电路最大的区别就在于，传统微波集成电路( m i c ) 通过把分立的有 源晶体管和外围的无源电路通过焊接或导电胶集成在一块大的衬底上形成完整的 电路，之所以称为“微波集成电路”很大程度上是相对传统的金属波导电路而言， 和硅集成电路大不相同。而删i c 类似于硅集成电路，在单一芯片内实现了所有的 有源晶体管和无源电路。当频率在g h z 时，可以称为射频电路( r a d i 0f r e q u e n c y i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，r f i c ) 。 m i m i c 由于采用半导体工艺，其加工过程一致性很好，由此带来许多优势。相 比m i c ，对于复杂电路能有比较高的成品率，而加工成本却基本不变；所有电路 集成于同一芯片内，电路尺寸可以做的很小，减小最终产品的体积；减少了各种 离散性较大的元件，例如跳线、焊球等，使得芯片的带宽和频率都大幅提高。但 同时也带来问题，由于加工成本很高，芯片面积变得十分重要，所有电路在设计 时要做得尽可能的小，些大面积的无源结构只能被放弃；电路元件受工艺水平 限制，只能在一定范围内取值，而不能随意选取，而m i c 可以从不同工艺中选取 各种需要的元件；在小批量情况下，芯片成本会变得很高以至于很难得到应用。 当前射频集成电路主要采用c m o s i 艺，典型的射频收发设备除了功耗、速度、 成品率等性能要求外，还要面对噪声、线性范围、增益等指标。在硅c m o s ，b i 例o s 、 双极工艺、g a a sm e s f e t ，异质结双极晶体管( h b t ) ，g e s i 器件等众多工艺中，虽然 硅c m o s 的高频性能和噪声性能不是最好，但由于它的工艺最为成熟、成本最低、 功耗最小、应用也最为广泛，且随着技术水平的提高，硅c m o s 的频率特性和噪声 特性也逐渐得到改善。因此c m o s 射频集成电路是未来发展的趋势“3 。近年来，随着 特征尺寸的不断减小，深亚微米c m o s 工艺其m o s f e t 的特征频率已经达到5 0 g h z 以 电子科技大学硕士学位论文 上，使得利用c m o s i 艺实现g h z 频段的高频模拟电路成为可能。最近几年，世界各 国的研究人员在c m o s 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究，使c m o s 射频集成电路的性能不断得到提高。文献表明，利用深亚微米工艺，c m o s 电路的 最高工作频率己经达n 5 g h z 以上，利用c m o s i 艺进行射频电路设计可行性的研究 正在全世界广泛展开，国外不少大学和研究机构己经利用先进的c m o s i 艺设计出 混频器、低噪声放大器、振荡器等电路。此外，无线接收机小型化和低价格的发 展趋势，推动着收发机射频电路和基带电路的单片集成。在这方面硅工艺特别是 c m o s 工艺较砷化钾很强的优势。 但衡量一种工艺是否适合于射频电路的集成不仅要看它能否提供高频性能优 良的晶体管，还要看它能否提供高品质的无源元件，与分立元件电路设计相反， 集成电路中晶体管随手可得而且所占面积越来越小，而无源元件却因占用面积较 大，代价昂贵，集成困难，为实现c m o s 射频集成电路，在系统级上需要研究收 发器体系结构以尽量减少乃至消除收发器中所需无源器件，降低系统对于射频前 端的技术指标要求；在电路级上需要研究能够工作在射频频段的高性能单元电路 和高品质因数的无源器件。 1 2 硅微电子技术的发展 l 、摩尔定律依然有效 9 0 年代以来，人们一直十分关注集成电路发展的两大问题：一是摩尔定律( 大 约每三年芯片集成度增大四倍，微处理器速度提高1 倍) 是否依然有效：二是芯片 加工尺寸和硅器件尺寸的极限在哪里。根据美国半导体工业协会( s i a ) 1 9 9 9 年修 订的国际半导体技术发展指南，2 0 11 年前，半导体集成电路制造技术仍将按照摩 尔定律保持高速发展。近几年的研究工作进一步表明，将有可能在2 0 1 4 年，实现 0 0 3 5 “m 芯片制造技术。 2 、集成电路进入s o c 时代 由于i c 设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越 来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。随着集成电路制造技术的发展， 2 l 世纪的微电子技术将从目前的3 g 时代逐步发展到3 t 时代，即存储容量由g 位发展到t 位，i c 器件的速度由g h z 发展到t h z ，数据传输速率由g b p s 到t b p s 。 在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个i c 芯片上 的系统级芯片( s y s t e mo nc h i p ，简称$ 0 c ) 概念s o c 与i c 的设计原理是不同的， 它是微电子设计领域的一场革命。s o c 是从整个系统的角度出发，把处理机制、 模型算法、软件( 特别是芯片上的操作系统一嵌入式的操作系统) 、芯片结构、各 电子科技大学硕士学位论文 层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。目 前，s o c 技术已经崭露头角，2 l 世纪将是s o c 技术真正快速发展的时期。 3 、微电子与其他学科结合的意义 微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠 性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其他学科相结合，便会诞生出一 系列崭新的学科和重大的经济增长点。作为与微电子技术成功结合的典型例子便 是m e m s ( 微电子机械系统或称微机电系统) 技术和生物芯片等。前者是微电子技术 与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。 1 3 硅集成电路面临的瓶颈 集成电路的发展逐渐以低压、高速、高集成度作为主要衡量的技术指标。按 等比例缩小的c m o s 工艺以集成度高、功耗低、成本低被认为是实现上述要求的最 佳工艺。当前c m o s 集成电路通常是在体硅衬底上制造的，但最近的研究表明，当 电源电压低于】v 时，由于阈值电压的降低，引起器件电流驱动能力的下降和静态 泄漏电流的增加，导致普通的体硅c m o s 电路的速度剧减”1 。另外，随着器件尺寸 的减小，集成度的提高，器件内部以及器件之间通过衬底的相互作用会越来越严 重。这就导致了一系列半导体材料，器件物理、设计和工艺等方面的新问题。 主要表现在下面几个方面： ( 1 ) 用于制作体硅m o s f e t 的硅片厚度为5 0 0 p m ，但只有硅顶层的1 a m 用 于制作器件，器件和衬底之间的相互作用引起了一系列的寄生效应”3 。 在深亚微米器件中，衬底掺杂浓度将会增高，因此，这些寄生效应也会 增强。 ( 2 ) 在体硅c m o s 器件中存在着由c m o s 结构内在的p n p n 闸流管的触发而引 起的闩锁效应，这个寄生效应严重时会导致器件失效。在小尺寸器件中， 由于寄生闸流管所包含的双极晶体管的增益增大的缘故，闩锁效应将会 更为严重。 ( 3 ) 在体硅c m o s 器件结构中，随着器件尺寸的减小，各种多维及非线性效 应，如短沟道效应、热载流子效应、以及在宇宙辐照的环境下出现的软 失效等变得十分显著，影响器件性能的提高。 ( 4 ) 在体硅c m o s 电路中，器件之间的隔离区所占芯片的面积随器件尺寸的减 小而相对的增加，从而使得互连线延长，连线电容增加，影响了集成度 电子科技大学硕士学位论文 及速度的提高。 另外，器件驱动性能的下降也会因器件寄生效应( 如源、漏间结电容) 、内 层互连布线和结电容的增加而显得更为严重。 为了实现c m o s 芯片的高速、低功耗，满足人们日益增长的各种需要，必须进 行技术革新，如更新i c 设计、采用新材料、低阻金属互连等。但是更新体硅i c 设计将会增加电路的复杂性，从而增加i c 制造的成本。因此，除了在改进体硅 i c 的设计和优化工艺方面下功夫外，更应着重寻找新材料和新结构的器件。c m o s s o l 器件和电路的出现就满足了人们低压、低功耗等方面的要求，有效地克服 了体硅的不足，充分发挥了硅集成电路的潜力。c m o s s o l 技术是很有前景的深 亚微米v l s i 技术之一，被称为2 1 世界的硅技术。开展高速c m o s s o l 器件和电 路的研究既是当前航天、航空、现代武器、信息高速公路等应用领域的急需，也 是迎头赶上国际最新发展趋势和发展我国微电子技术，提高国防现代化水平的必 要措施”3 。 i 4s o i 技术 所谓s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) ( 如图卜1 ) ，也被称为绝缘衬底上的硅， 就是指具有在一绝缘衬底上再生长一层硅薄膜，或者是硅薄膜被一绝缘层( 通常 是s i 0 2 ) 从支撑的硅衬底中分开的这样结构的材料“3 。s o i 结构抑制了体硅结构中 的很多寄生效应，被认为是制造m o s 晶体管的理想衬底材料。s o i 技术的出现己 经几十年了，但取得突破性进展则是在8 0 年代后期。 s o l 技术的特点是把电路制作在置于绝缘衬底的硅膜上，替代了体硅器件的 硅衬底。7 0 年代的绝缘衬底是蓝宝石单晶，当前的主流则是以硅片上的二氧化硅 层作为绝缘层，在二氧化硅层上面的单晶硅膜上做m o s f e t 器件。蓝宝石衬底的 s o i ( 称为s o s ) 技术因为衬底成本高，又有宝石外延硅膜时铝外扩散的困扰，现 在只在少数地方使用。 图l is o l 横截面图 电子科技大学硕士学位论文 1 4 1s o l 相对于体硅技术的优越性 ( 1 ) 电隔离性能好：s o l 电路由个个器件集成，器件之间、器件与衬底之间 都是全介质隔离，隔离性能好。绝缘层( b o x ) 切断了寄生电导通路，从而 消除了闩锁效应。 ( 2 ) 结电容小：对于s o i 器件来说，因为结区被绝缘层( b o x ) 所限定，基本 上消除了结耗尽电容，源、漏结电容只有侧向电容，由于硅层很薄，因此 这个电容很小。例如，对于相同的0 2 5 m m o s f e t ，s o l 器件的结电容仅 为体硅器件的i 4 一i 7 。 ( 3 ) 工艺简单：因为减少了阱和隔离墙等工艺，c m o s s o l 电路的制造工艺比 体硅c m o s 电路的制造工艺简单。与体硅c m o s 电路相比，在同一工艺特征 尺寸下，s o l 器件结构要简化很多，b o x 不但消除了闩锁效应，而且简化了 隔离，从而省却了复杂的隔离工序。采用s o i 技术可以简化工艺3 0 ，由 此降低芯片制造成本3 0 。由于取消了体硅c m o s 的阱结构，使得器件设计 更为紧密，芯片尺寸可缩小4 0 - - 6 0 ，这就提高了s o l 晶片的产出率，进 一步降低了芯片成本( 约2 0 ) 。 ( 4 ) 短沟道效应不明显：由于源、漏结的扩展受到结大小与双栅控制等的限制， 因此对因电荷分配引起的短沟道效应不敏感。 ( 5 ) 能在低压、低功耗下工作：由于薄膜s o l 晶体管的亚阂值斜率陡峭，器件 的阈值电压降低，从而增强了器件在低压下的驱动能力，并且降低了静态 泄漏电流。器件的阈值电压可达0 3 v 以下，可以工作在l v 电压下。 ( 6 ) 抗辐射能力强：由于s o l 器件都是全介质隔离，因此其c m o s 电路无闩锁效 应，s o l 器件的源、漏结面积都很小，从而有很强的抗瞬时辐射能力。 ( 7 ) 低的热载流子效应：s o l 器件往往都是低压器件，因此热载流子效应相 对来说较弱。有试验表明，在相同电压下，全耗尽s o l 器件热载流子引起 的阈值电压和跨导的退化程度要比体硅器件小”1 。 ( 8 ) 可在较高温度下工作：在2 4 0 以上高温环境下工作时，由于结漏电流的 增加，体硅c m o s 电路功能将会丧失。而相同的c m o s s o l 电路在直至3 0 0 。c 的高温下仍能正常工作。 另外，s o l 工艺与体硅c m o s 工艺兼容，无需增加新的设备，这使得现有制造 设备能得到更充分的利用。 1 4 2s o l 市场前景 虽然s o i 技术已有很长的历史，但由于s o i 晶圈成本过高使s o l 技术蹒跚前进。 电子科技大学硕士学位论文 由于i b m 公司在s o i 技术上做出了开创新的贡献，使s o i 晶圆市场有了转机，1 9 9 8 年 全球s o i 晶圆市场达6 5 0 0 万美元，同比增长3 1 。1 9 9 9 年突破1 亿美元大关，猛增5 6 ， 从此s o i 技术开始步入实用化。1 9 9 9 2 0 0 4 年全球s o i 晶圆销售量年均增长率为 5 5 ，1 9 9 9 年s o i 晶圆销售量为8 6 0 0 万平方厘米，2 0 0 2 年为3 1 亿平方厘米，2 0 0 3 年 为4 9 亿平方厘米。全球s o i 晶圆销售年均增长率为4 8 ，1 9 9 9 年s o i 晶圆销售额为1 亿美元，2 0 0 2 年为3 3 亿美元，2 0 0 3 年为4 9 亿美元，s o i 晶圆的价格遵循学习曲线， 即产量提高l 倍，价格下降2 以上，随着2 0 0 m m 晶圆价格的下降，2 0 0 4 年2 0 0 m m 晶圆 的平均价格就降到低于普通晶圆价格的4 倍。表卜l 为1 9 9 9 2 0 0 4 年全球s o i 晶圆市 场情况。 表卜11 9 9 9 2 0 0 4 年全球s o i 晶圆市场情况 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 2 0 0 4 销售量( 亿平方厘米) o 8 6 1 32 o3 14 87 5 其中厚膜 0 4 5o 6 4o 9 21 3 21 92 7 2 薄膜 0 4 1o 6 71 0 91 7 82 9 14 7 5 销售额( 亿美元) 1 1 52 23 34 97 2 5 s o i 的应用也越来越广，以s o i t e c 公司为例，在微处理器与逻辑电路方面， a m d 今年初打算原材料全部选择s o i 来生产a t h lo i l6 4 位处理器：i b m 、s o n y 与东 芝公司正共问研制9 0 n m 到4 5 n m 的技术，该技术建立在s o l 原材料之上，并计划 把s o i 转到消费类电子芯片的生产上；m o t o r o l a 宣布在其c r o l l e s 联盟中采用 3 0 0 m ms o i 技术，联盟中另两家成员为p h i l i p s 和s t m 。除此之外，在大众消费 市场s o i 也频频发力，0 k i 和e p s o n 等生产低功耗产品，其中o k i 的液晶手表不用 电池，因为s o i 功耗非常低：p h i l i p s 生产智能功耗产品，有的还用在了灯泡中； s t m 与瑞萨生产r f 与混合信号；k o p i n 公司做l c d ；h o n e y w e l l 做防辐射产品； m e m s 上也有应用s o i 的案例。 1 4 3s o i 制各技术 目前制备s o i 晶圆的方法主要有三种，注氧隔离s i m o x 法，智能剥离s m a r t c u t 法和横向外延生长l e o 法”1 。 ( 1 ) 注氧隔离s i m o x 技术 氧离子注入隔离法是采用离子注入机把氧离子注人到2 0 0 m m 3 0 0 n 】i l 硅晶圆 中，就像其他离子注入机把磷、硼杂质注入硅晶圆中形成有源半导体区一样，氧 离子注人的剂量一般是低剂量，约1 0 ”c m 2 剂量，然后在惰性气体中迸行高温 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 3 0 0 。c ) 退火5 小时，这样在硅晶圆顶部形成厚度均匀的硅绝缘薄膜，其厚 度可控制在5 0 - - 5 0 0 n m 。氧离子注入机用来控制注入深度的加速电位必须大到足 以把氧离子注入到硅晶圆表层之下一定的地方，留下来氧化的硅晶圆区则在嵌埋 的氧化层上方形成有源区。图卜2 给出注氧隔离s i m o x 法的示意图。为防止晶圆 上积累电荷可用一个电子源在晶圆上覆盖一层电子。从晶圆背面测到的电流就是 氧离子注入速率的量度。目前2 0 0 m m s 0 l 晶圆已商品化，成品率约8 0 ，3 0 0 m ms o i 晶圆已制各出样品。对于s i m o x 法要解决如何在氧离子注入后减少对硅晶格的破 坏。虽然s i m o x 法可减少寄生电容，但在射频应用中仍存在体效应影响，从而导 致模拟电路的增益的线性性能的降低。p e r e g r i n e 公司推出的s o l 工艺可消除由 有源硅、嵌埋的s i m o x 氧化物和衬底形成的介质夹层。目前这种技术是最近1 0 年最成熟、最可行也是主要的s 0 1 材料制各方法“”1 。 幸审+ 幸 匦甄一匿蚕 单晶硅片s i l j co 】怵i s o i 圈片 s ( 、a f t l j 图卜2 注氧隔离( s i m o x ) 技术示意图 ( 2 ) 智能剥离( s m a r t c u t ) 技术 该方法又称粘合法，它由热氧化、注氢( 或氦) ，低温粘合、剥离、退火和 c m p ( 化学机械抛光) 等工序完成。s o i t e c 公司是该方法的领先者。图卜3 给出 智能剥离s m a r t c u t 法的示意图。该方法需要两个硅晶圆，首先在两个硅晶圆上都 形成层氧化物。由于氧化物表面之间具有亲和力，一旦面对面粘合并通过加热， 便可使它们牢固粘合。然后将两个硅晶圆的氧化层进行面对面接触，通过一个加 热周期使之粘合在一起。最后将一个硅晶圆表面抛光，使其减薄到规定的厚度， 并在一个硅晶圆上形成有源器件。美国a n a l o gd e v i c e 公司的x f c b 工艺和美国 n s 公司的v i p i o c b i 艺所制备的s 0 1 晶圆深受线性电路设计人员的欢迎，因为这 种s o i 晶圆表面的缺陷较少，形成s o l 器件的l f 噪声系数较小。用智能剥离 s m a r t c u t 法制备的互补双极s o i 器件的寄生电容、寄生电阻都较小。 图i - 3 智能剥离( s m a r t c u t ) 示意图 罾冒 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 横向外延生长l e o 法 图卜4 给出横处外延生长l e o 法的示意图。该方法先准各好一块标准硅晶圆， 如图l 一4 ( a ) 。然后在该硅晶圆上生长一层氧化层，如图卜4 ( b ) ，在氧化层上播 撒一个晶种区，以便用外延工艺生长单晶硅，如图卜4 ( c ) 。最后生长一层单晶 硅外延层，如图卜4 ( d ) 。对于这种方法要解决在横处外延过程中如何保持单晶 硅结构的问题。 荃荃荃荃 图i 一4 横向外延生长l e o 法示意图 1 5 姗i c 基本无源元件 m m i c 设计中常用到传输线( 共面波导、微带传输线) 、电容、电感、电阻等 ( i ) 电容： 在射频微波电路中作为匹配、隔直和去耦的重要元件，有着广泛的用途。其 中m i m ( m e t a l i n s u l a t o r m e t a l ) 电容和微带交指电容是r m i c 常用的电容。交 指电容( i n t e r d i g i t a lc a p a c i t o r ) 由一组微带指相互交叉组成“，见图卜5 。 图1 - 5 交指电容 微带指与指之间相互耦合形成的电容加上微带与地之间的电容组成了整个交指电 容。这种电容最大的好处在于工艺十分简单，只需一层金属。这样就能保证很高 的加工精度，从而使其电容值的误差很小。但由于微带指之间的耦合程度有限， 其电容值一般不能做得很高，基本上限制在i p f 之下。如果通过增加指数和指长 来增加电容值，将会导致电容面积过大同时各种寄生效应也开始变得明显，从而 影响正常使用。即使只有0 5 p f 的交指电容，其边长也已经达到几百微米的大小。 所以这种电容一般用在对电容精度要求很高，但容值又相对较低的场合。当需要 电子科技大学硕士学位论文 比较大容值的电容时，m i m 是比较好的选择“。m i m 电容( 图卜6 ) 为金属一介质 金属结构，两层金属和夹在中间的介质组成了一个典型的平板电容。常用的介 质材料有氮化硅、氧化硅和聚合物等，其中氮化硅因为相对介电常数较高为7 8 ， 是m m i c 中使用最多的电容介质，其容值可以达到l o p f 以上。 图1 6 简单m i m 电容剖面图 ( 2 ) 电阻 一般m m i c 电路中使用的电阻包括两大类：薄膜电阻( t h i nf i l mr e s i s t o r ) 和 掺杂电阻( m e s ar e s i s t o r ) ”】。在给定电阻层材料和厚度的情况下，可以通过调整长 宽比来决定电阻的阻值，进而根据加工的精度和电阻所承受的功率大小等因素来 选择电阻绝对尺寸大小。对于薄膜电阻来说，其电阻层由某种高电阻率的金属沉 积形成，譬如氮化钽( t 州) 。这样形成的电阻具有很好的线性度和温度系数，而 且加工精度易于控制。 ( 3 ) 电感 删i c 电路中常用螺旋电感( s p i r a li n d u c t o r ) ( 图卜7 ) 。在这种方式下，相 邻导线间的电流为相同方向，大大加强了彼此间的互感，从而增加了整个电感的 感值。正因为如此，螺旋电感可以做到十几个n h 。一般来说导线越细，绕的圈数 越多，电感就越大。但受到导线电流容量的限制，导线要有一定的宽度，这样螺 旋电感的电感大小也就受到一定的限制。同时随着圈数的增加，寄生电阻、电容 也随之上升，电感的q 值和谐振频率都会下降。 图卜7 平面螺旋电感 电子科技大学硕士学位论文 1 6 论文的研究内容 本论文集中研究硅工艺和s 0 1 工艺实现高品质m m i cc p w 和集成电感这些电子 科学技术领域的热点，在序论之后，论文各章节具体内容如下： 第二章介绍了传输线理论、s 参数和微波双端口网络，为后面各章深入研究 硅集成电感提供理论支持。 第三章研究了共面波导传输线损耗特性，在硅和s o l 衬底上分别制作了5 0 欧姆共面波导线，测量了共面波导线的s 参数并对测试结果进行了详细的分析和 研究。 第四章介绍了硅集成电感的结构和模型，讨论了集成电感值和品质因数的意 义，综述了硅集成电感的研究现状，并利用三维电磁场仿真软件h f s s 仿真了寄 生效应对集成电感品质因数的影响。 第五章详细叙述了微带集成电感器件制作过程，并分析了集成电感测试和集 成电感版图设计的原理。并在硅和s o i 衬底上制作了2 种形状的集成电感，测试 其s 参数，并采用去嵌入( d e _ e m b e d d i n g ) 的方法去除了集成电感测试中焊盘对 测试结果的影响，得出集成电感真实的s 参数，并对测试结果进行了详细的分析。 电子科技大学硕士学位论文 第二章传输线理论与微波双端口网络 本章主要阐述射频设计中必需的传输线理论、s 参数及微波双端网络等的概 念。本章讨论的概念、公式等在以后的各章节中都有重要应用。 2 1 传输线方程及其解 广义上讲，射频指无线通信所用的频段，在2 5 0 m h z 到3 0 g h z 的范围内，在电 磁波谱上属于微波波段，传输微波能量和信号的线路称为微波传输线。一般情况 下均匀传输线单位长度上有四个分布参数：分布电阻r 、分布电导g 、分布电感l 和分布电容c 。整个传输线的等效电路是无限多的r 型网络级联。如图2 - l 所示。 e = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = ：； c = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = ， 图2 - 1 传输线的分布参数等效电路 冉l 图2 - 2 传输线集总参数等效电路 沿一传输线传输之电压波及电流波为其位置及时问的函数，若以正弦波表示 该电压及电流波形的瞬时值则有 v x ，t ) = r e l v ( x ) e ”i i ( x ，0 = r e l l ( x ) e 。”f 式中的r e 表示为实数部分，其复数量v ( x ) n i ( x ) 均为向量，用以表示该电压 波及电流波沿该传输线上传输时的瞬时位置的变化量描述一信号的电压波及电流 电子科技大学硕士学位论文 波沿一传输线上传输时可满足向量v ( x ) 及i ( x ) 的微分方程式如下所示 d 2 五v ( x ) 一y 2 v ( x ) ：o 出 1 d 2 i r ( x ) 一y 2 ，。) = 。 式中的传播常数为一复数，可由下式定义之： ，= 口+ ，卢= x ( r + j c o l ) ( g + j r o c ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中的口为衰减常数，卢为相移常数，式中的r 、g 、l 、c 分别表单位长度传输 线的电阻、电导、电感及电容，假定沿该传输线上的各点的r 、g 、l 、c 值均为 定值，参见图2 2 。 式( 2 1 ) 及( 2 2 ) 的一般解如下： 式中 矿( 工) = a e f + b p 声 m ，2 扩一争 磊= ( 2 3 ) ( 2 4 ) z 0 即为该传输线的复数特性阻抗。式中的常数a 及b ，通常也为复数。 式( 2 3 ) 及式( 2 4 ) 代表一对沿传输线行进而彼此方向相反的电压波及 电流波，以相速l y p = w p ，且其振幅p 或e “而递减。 已一8 = e - a x e - j p x 称为入射波 e “= e a x e ，毋 称为反射波，式中的芦x 即传输线的电长度 特性阻抗为z o 的传输线连接于终端负载阻抗为z 上的电路，如图2 - 3 所示： 其反射系数r ( x ) 可定义如下： m ) = 等= “” ( 2 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 一 z 。 ji i x = 一l ( i - l l f x = 0 d = 0 图2 - 3 传输线连接于终端负载阻抗 瓦甲阴1 - 0 口j 定义为贝载阴反射幽毅 r 。= r ( 0 ) = 百b 因此，反射波可用m 1 。扩描述，式( 2 3 ) a ( 2 4 ) 可写成下式： v ( x ) = a ( e 一”+ r o e ”) m ) = 丢f ”+ r ) 在一传输线上任意位置x 的输入阻抗可定义为： 驰，= 鬻= z o 筹器 应用下列的条件可证明式中的常数r 。为o ： z , o ( 0 ) = 乙 乞= 磊等 ( 2 6 ) ( 2 7 ) r 。= 乏z 忑l - z 0 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可看出。当乏= z 0 时，r 0 = 0 ，意即使传输线接以适宜的终端 阻抗，或使终端阻抗等于输电线的特性阻抗，即线上将没有反射波产生。 将式( 2 8 ) 代入式( 27 ) 中，且使x = - - d ， 电子科技大学硕士学位论文 在微波频段内，衰减常数r 、g 通常可以忽略不计，该传输线称为无耗传输 线，因而，在一无耗传输线上有t y , j 各项特性： y = 3 b 口= 脚4 - z - 8 1 02 面 ：兰 v ( x ) = a e i