（电路与系统专业论文）横向变厚度soi+ldmos的结构和工艺设计技术研究.pdf

： ，l i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电路与系统 研究方向：无线通信系统中的信号处理技术 作者：2 0 0 7 级研究生薛龙来 指导老师：周井泉教授郭宇锋副教授 题 目：横向变厚度s 0 1l d m o s 的结构和工艺设计技术研究 英文题目： s t r u c t u r ea n dp r o c e s sd e s i g no fs o il d m o sw i t hv a r i e d l a t e r a lt h i c k n e s si nd r i f tr e g i o n 主题词：横向变厚度漂移区，s 0 1l d m o s ，硅的局部氧化，击穿电压， 漂移区浓度 k e y w o r d s ： v a r i e dl a t e r a lt h i c k n e s si nd r i f tr e g i o n ，s 0 1l d m o s ，l o c - a lo x i d a t i o no fs i l i c o n ，b r e a k d o w nv o l t a g e ，d o p i n gc o n c e n t - r a t i o n si nd r i f tr e g i o n i 摘要 摘要 so i 横向功率器件是s o i 功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，p i c ) 和s o i 单片 功率系统( p o w e rs y s t e mo nac h i p ，p s o c ) 的核心器件，高电压大电流是其工作的基本 状态，但是由于材料结构的特殊性，s o i 中的埋层不但阻止了衬底参与耐压，而且强烈恶 化了横向电场，使得击穿电压急剧降低。虽然众多研究人员提出了各种各样的措施来改善 s o i 的击穿特性，但是却又带来导通电阻增加以及为了制造某些特殊结构使得制造成本增 加的副作用，同时对器件性能的改善也很有限。 本课题组提出了一种新型横向耐压技术横向变厚度( v a r i e dl a t e r a lt h i c k n e s s ， v l t ) 技术，初步研究表明，基于此技术设计的s o il d m o s 器件，具有击穿电压高、导 通电阻小的特点。v l t 技术的最大难点在于从工艺上如何制造从源到漏逐渐变化的漂移区 厚度，为此本文从以下几个方面对这种新型横向耐压技术的制造工艺进行了研究。首先研 究了s o lv i tl d m o s 的基本结构，耐压机理以及漂移区掺杂浓度、漂移区长度、顶层硅 厚度、埋氧层厚度对击穿特性的影响。其次对单窗口l o c o s 进行了研究，得到其氧化层 轮廓模型，通过仿真对比，此模型与实际结果吻合相当良好，从而证实了本模型的正确性 和合理性。进而提出采用多窗口l o c o s 法来形成v 】盯漂移区结构，建立了用于优化窗口 宽度、间距和数目的数学模型，开发了用于优化窗口尺寸和位置的计算机程序，并对工艺 容差进行了分析。最终通过工艺模拟仿真设计出了有效长度分别为1 5 t t m 和4 6 1 x m 的v l t 漂移区结构，证实了模型的正确性。最后设计了一种制造s o iv l tl d m o s 的c m o s 兼容 工艺，通过工艺和器件联合仿真来调整工艺参数和条件，确定了最佳的工艺参数和实验条 件，并详细研究了漂移区长度为1 5 t t m 的s o i l tl d m o s 的工艺流程设计，数值仿真结 果表明，该新型器件的漂移区电场趋于理想的常数分布，其最大击穿电压达3 2 8 v ，漂移区 浓度为7 6 e 1 5 c m 3 ，比具有相同几何参数的r e s u r f 结构器件分别提高了约2 9 1 3 和 1 3 0 3 。 关键词：s o il d m o s ，横向变厚度漂移区，漂移区电场，击穿电压，漂移区浓度 a b s t r c t a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yd e v i c ei ns o ip o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ( p i c ) a n ds o ip o w e rs y s t e mo n ac h i p ( p s o c ) ，d u et ot h es p e c i a ln a t u r eo fs t r u c t u r e ，t h eb u r i e do x i d el a y e ri ns o in o to n l y p r e v e n t ss u b s t r a t et oi n v o l v e di ni m p r o v i n gb r e a k d o w nv o l t a g e , b u ta l s os t r o n g l yd e t e r i o r a t e s t r a n s v a s ee l e c t r i cf i e l d , w h i c hm a k e sb r e a k d o w nv o l t a g eh a v eas h a r pd e c r e a s e a l t h o u g hm a n y r e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e dav a r i e t yo fm e a s u r e st oi m p r o v et h eb r e a k d o w np e r f o r m a n c eo fs o i ， t h e yr e s u l ti ns i d ee f f e c t sw h i c hm a k eo n - r e s i s t a n c ea n dm a n u f a c t u r i n gc o s t si n c r e a s e d o u rr e s e a r c hg r o u pp r o p o s e dan e w t y p eo fl a t e r a lh i g hv o l t a g et e c h n o l o g y - - v a r i e dl a t e r a l t h i c k n e s s ( v l t ) t e c h n o l o g y , s o il d m o sd e v i c e sb a s e do nt h i st e c h n o l o g yh a v eh i g h e r b r e a k d o w nv o l t a g ea n dl o w e ro n - r e s i s t a n c e t h eb i g g e s tc h a l l e n g eo fv l t t e c h n o l o g yi sh o w t o m a n u f a c t u r ead r i f tr e g i o n 、i t ht h ei n c r e a s i n gt h i c k n e s sf r o mt h es o u f c 七t ot h ed r a i n i nt h i s t h e s i s ，ap r o c e s sr e s e a r c ho ft h i sn e wt y p eo fl a t e r a lh i g hv o l t a g et e c h n o l o g yi si m p l e m e n t e d f r o ms e v e r a la s p e c t s f i r s t l y , w es t u d yt h e 唧惯撕n gm e c h a n i s mo fs o i 已tl d m o s , a n d i n v e s t ig a t et h ei m p a c to ft h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n , d r i f tl e n g t h , t o ps i l i c o nt h i c k n e s sa n db u r i e d o x i d ela y e rt h i c k n e s so nt h eb r e a k d o w nc 蛔- a c t e r i s t i c s s e c o n d l y , an o v e l 珥d o 哪a p p r o a c h sb a s e d0 1 1l o c o st e c h n o l o g yi sp r o p o s e dt of a b r i c a t z t h ev a r i e dt h i c k n e s si nt h ed r i f tr e g i o n an u m e r i c a lm o d e li sd e r i v e da n dac o m p u t e rp r o g r a mi s d e v e l o p e dt oo p t i m i z et h es i z e sa n dl o c a t i o n so ft h es l i t s b a s e do nt h et e c h n o l o g y , av a l i dl e n g t h o f15 1 t ma n d4 6 1 a mo fv l td e v i c ei nd r i f tr e g i o na l ed e s i g n e d t h ev a l i d i t yo ft h em o d e la n d p r o g r a ma l ev e r i f i e db y2 dp r o c e s sa n dd e v i c es i m u l a t i o n su s i n gt c a ds o r w a r e f i n a l l y , a s t a n d a r dc m o sc o m p a t i b l ep r o c e s sf l o wa l ed e s i g n e dt om a n u f a c t u r es 0 1v i tl d m o s a c o s i m u l a t i o no fp r o c e s sa n dd e v i c ei sp e r f o r m e dt oo p t i m i z et h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d c o n d i t io n sa n dm a x i m i z et h eb r e a k d o w np e r f o r m a n c e t h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n dd o p i n g c o n c e n t r a t i o ni nd r i f tr e g i o no ft h en e wd e v i c ea l e3 2 8 va n d7 6 e 15 e m 3r e s p e c t i v e l y c o m p a r e d t or e s u r fd e v i c e s ，ac o n s t a n tl a t e r a le l e c t r i cf i e l dc a nb eo b s e r v e di nt h ed r i f tr e g i o no ft h e n o v e ld e v i c e ，w h i c hr e s u l t si na ni m p r o v e m e n to f2 9 13 i nb r e a k d o w n v o l t a g ea n d13 0 3 i n d o p i n gc o n c e n t r a t i o ni nd r i rr e g i o n k e y w o r d s ：s o il d m o s ，v a r i e dl a t e r a lt h i c k n e s si ni nd r i f tr e g i o n , b r e a k d o w nv o l t a g e ，d o p i n gc o n c e n t r a t i o ni nd r i f tr e g i o n n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。 目录i i i 第一章绪论1 1 1s o l 技术的发展概述l 1 2s 0 1 材料制备技术2 1 2 1 注氧隔离技术( s 州0 x ) 2 1 2 2 键合及背面腐( b e s o i ) 技术3 1 2 3 智能剥离( s m a r t - e r a ) 技术 1 2 4 多孔硅外延层转移( e l t r a n ) 技术 1 3s 0 1 高压功率器件研究现状 5 6 1 3 1 纵向耐压技术6 1 3 2 横向耐压技术7 1 4 本文的主要工作8 第二章横向变厚度漂移区s o ll d m o s 的击穿特性1 0 2 1 器件结构及工作机理1o 2 1 1v u 与r e s u r f 、非均匀掺杂结构的比较1 0 2 1 2s 0 1v l tl d m o s 的耐压机理1 2 2 2 器件参数对击穿特性的影响1 3 2 2 1 漂移区掺杂浓度对击穿特性的影响1 4 2 2 2 漂移区长度对击穿特性的影响1 5 2 2 3 近源端、近漏端厚度对击穿特性的影响一1 6 2 2 4 埋氧层厚度对击穿特性的影响1 7 2 3 本章小结。1 8 i i i 南京邮 毡大学硕士研究生学位论文 目录 第三章单窗口l o c o s 技术“1 9 3 1 引言：。1 9 3 2s i 3 n i 窗口大小与氧化层形貌关系及分析2 0 3 3 数学模型2 0 3 4s i 3 n 4 窗口大小及厚度对氧化层轮廓的影响。2 3 3 4 1s i 3 n 4 窗口大小对日及既的影响2 3 3 4 2s i 3 n 4 厚度对日及既的影响一2 4 3 5p a d 氧化层厚度对氧化层轮廓的影响2 5 3 6 氧化时间对氧化层轮廓的影响2 6 3 7 氧化温度对氧化层轮廓的影响2 6 3 8 本章小结2 7 第四章多窗口l o c o s 技术2 8 4 1 多窗口l o c o s 技术设计方案2 8 4 2 数学模型 4 3s i 龇刻槽数值算法 2 9 4 4 多窗口l o c o s 技术工艺模拟与分析 。3 2 4 4 1 - c 艺模拟的初步结果3 2 4 4 2 工艺模拟的改进结果3 4 4 5 多窗口l o c o s 技术工艺容差分析3 6 4 5 1s i 3 n 4 厚度与氧化层轮廓3 6 4 5 2p a d 氧化层厚度与氧化层轮廓3 7 4 5 3 氧化时间与氧化层轮廓3 7 4 5 4 氧化温度与氧化层轮廓3 8 4 6 本章小结3 9 第五章s o iv l tl d m o s 工艺设计及优化- 4 0 5 1c m o s 兼容工艺方案设计4 0 5 2 工艺模拟仿真4 1 5 3 结果与分析一4 5 5 4 工艺容差对击穿特性的影响。4 6 5 5 本章小结4 8 i v 南享哪f 乜大学硕士研究生学位论文 目录 第六章结论。5 0 致谢。5 l 参考文献5 2 作者在攻读硕士研究生期间发表的论文5 6 v 第一章绪论 第一章绪论 集成电路发展到目前极大规模的纳米时代，要进一步提高芯片的集成度和运行速度， 现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇 到了严峻的挑战，必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前，在材料方面重点推动的绝 缘体上硅s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) ，被业界公认为纳米时代取代现有单晶硅材料的解决 方案之一，s o i 技术具有集成密度更高、寄生电容小、抗闩锁能力强、抗辐射能力强等特 点，它在高性能超大规模集成电路、高速存储设备、低功耗电路、高温传感器、军用抗辐 照器件、移动通讯系统、光电子集成器件以及m e m s ( 微电机) 等领域具有极其广阔的应 用前景，被国际上誉为二十一世纪的硅集成技术【i j 。 1 1s 0 1 技术的发展概述 s 0 1 的结构特点是在有源层和衬底层之间插入埋氧层来隔断二者的电器连接。可见s o l 和体硅在电路结构上的主要差别是：硅基器件或电路制作在外延层上，器件和衬底直接产 生电器连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离通过反偏p n 结完成，而s o i 电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开 2 - 3 ，各部分的电器连接被完 全消除。这一结构特点为s o i 带来了速度快、功耗低、寄生效应小、集成度高、抗辐射能 力强等诸多优点 4 - 5 1 。研究表明，和相同条件下的体硅电路相比，s o i 电路的速度可提高 2 5 - 3 5 ，功耗可下降2 3 ，在同样的辐射剂量下，产生的少数载流子也可相应减少三个 数量级【6 】。 s o i 技术从2 0 世纪6 0 年代开始受到关注，1 9 6 3 年人们在1 0 0 0 度下将硅烷通过化学 气相淀积的方法在蓝宝石上成功生长了单晶硅薄膜，形成所谓的s o s ( s i l i c o no ns a p p h i r e ) 结构f 7 1 ，但是由于蓝宝石衬底和外延层硅膜晶格尺寸的不一致使得s o s 界面的缺陷密度高， 载流子迁移率低，加上昂贵的成本，限制了s o s 技术的进一步发展，也促使人们寻找其它 更合适的绝缘体衬底材料【眄】。8 0 年代后，s o i 的制备技术有了突破性的进展，多种以s i 0 2 为绝缘材料的s o i 制备方法被开发出来【1 0 1 ，硅和二氧化碳硅稳定的界面性能，低廉的价格 优势，使其逐渐取代s o s ，成为s o i 结构的主流。9 0 年代以后，美、同、俄、欧等都大力 开展了多途径s o i 技术的研究工作，形成了相当的工业生产规模。同时，各种s o i 新材料， 新结构也不断涌现，已经不仅仅局限于硅结构，锗硅【l l 】、碳化硅【1 2 1 、砷化镓1 3 1 、氮化镓【1 4 】 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 等都可以形成s o i 结构。用作绝缘层的除了二氧化硅和蓝宝石，也可以采用氮化硅【l 习、或 其中两种或几种的层叠结构【1 6 1 。因此，s o i 的涵义正由“绝缘体上硅 拓展到“绝缘体上 半导体 ( s e m i c o n d u c t o ro ni n s u l a t o r ) 。 随着s o i 材料制备技术的成熟，s o l 集成电路技术也得到了迅速发展。世界上第一个 真正意义上的s o i 电路是m m 于1 9 9 9 年研制的p o w e r4 微处理器。它是在硅膜厚度为 0 15 t t r n 的s o i 材料上采用0 2 2 1 u n c m o s 工艺制成。2 0 0 4 年a m d 公司推出的a t h l o n6 4 位微处理器采用铜互联技术和9 0 n ms o i 工艺，集成管芯数目超过亿颗，主频高达2 g h z ， 代表了s o i 技术市场化的最高水平【1 7 1 。研究表明，随着双栅、f i n f e t 技术和环栅技术的 日益成熟，栅长小于1 0 r i m ，沟道厚度小于5 r i m 的s o lc m o s 结构仍然可以保持良好的开 关特性【i 引，这对于解决超大规模集成电路功耗问题有着重要的意义。 除了应用于通用和专用低压逻辑电路领域外，s o i 技术因其优越的性能也在功率集成 电路中得到了广泛应用。东芝的研发中心报道在键合硅片上研制成功了5 0 0 v 1 a 的三相 d c 无刷马达驱动电路，集成了6 个l i b t ( l a t e r a li n s u l a t e db a s et r a n s i s t o r ) 和6 0 0 个 b i c m o s ( b i p o l a rc m o s ) 低压逻辑器件，具有过温、过流和短路保护功能，工作频率为 1 6 k h z 。h s u g a w a r a 等人集成了2 8 0 v 的3 4 通道驱动电路，每个通道输出电路是推挽型， 由高压横向晶体管组成尽管有许多高压通道，但是由于使用了介质隔离技术，芯片面积 只有3 7 4 r a m x 2 7 5 m m ，而输出电流可达2 0 0 m a 1 9 1 。 1 2s 0 1 材料制备技术 s 0 1 材料是s o i 技术发展的基础，s o i 技术的发展有赖于s o i 材料的不断进步。缺乏 低成本、高质量的s o i 材料一直是制约s o i 技术进入大规模工业生产的首要因素。近年来， 随着s o i 材料制备技术的成熟，制约s o i 技术发展的材料问题正逐步被解决。s o i 材料的 制备技术归根结底包括两种，即以离子注入为代表的注氧隔离技术( s p e r a t i o n - b y - o x y g e n i m p l a n t a t i o n ，即s i m o x ) 和键合( b o n d ) 技术。键合技术包括传统的b o n da n de t c h b a c k ( b e s o i ) 技术和法国s o i t e c 公司创始人之一m b r u e l 提出结合氢离子注入与键合的 注氧智能剥离技术( s m a r t c u t ) ，以下对各种技术的应用现状与优缺点做一些阐述。 1 2 1 注氧隔离技术( s i m o x ) s i l v i o x 技术是发展最早的s o i 原片制各技术之一，曾经也是很有希望大规模应用的 s o i 制备技术之一。采用此技术在普通原片的层间注入氧离子，经超过1 3 0 0 c 高温退火后 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 -一_-_-_-。_一 形成隔离层。此方法有两个关键步骤：高温离子注入和后续超高温退火。在注入过程中t ， 氧离子被注入圆片里，形成硅的氧化物衬底。然而注入对圆片造成相当大的损坏，而二氧 化硅沉淀物的均匀性也不是很好。随后进行的高温退火能帮助修复圆片损伤区域并使二氧 化硅沉淀物形成二氧化硅绝缘层，界面陡峭均匀。 法国s o i t e c 和美国i b i s 以及m m ，日本的s u m c o 以及n i p p o ns t e e l 曾是s i m o x 技术的大力推广者。s o i t e c 在后来逐步发展成熟了s m a r t - c u t 技术后基本彻底摈弃了 s i m o x 技术；而美国i b i s 由于市场技术等原因也在2 0 0 5 年宣布放弃s i m o x 材料制备技 术而集中于注入机的研制。在s i m o x 发展过程中，s o i t e c 和i b i s 都完善和成熟了高剂 量( 大约1 7 e 1 8 e m 2 ) 即全剂量( f u l l - d o s e ) s i m o x 制备技术；而日本的n i p p o ns t e e l ( 现 被w a c k e r 收购) 的i z u m i 2 0 发明了内部热氧化( i t o x ，i n t c r a lo x i d i z a t i o n ) - r 艺，是 低剂量s i m o x 技术发展过程中的里程碑，为新的低剂量s i m o x 发展指明了发展方向。其 后，i b m 的d k s a d a n a 等在i z u m i 的基础上，发展了新的改进的低剂量( m l d ，m o d i f i e d l o wd o s e ) s i m o x 工艺。值得提出的是，i b m 的研究人员在低剂量s i m o x 圆片制备技术 中做出了绝对的贡献，迄今几乎所有能够产业化的低剂量s i m o x 制备技术都来自于m m 研究人员的工作。其后，m m 同m l s 和s u m c o 合作，使m l ds i m o x 曾经发展到每个 月定量向i b m 在n e wy o r k 的e a s tf i s h k i l l 提供8 和1 2 英寸s i m o x 片的辉煌成就。但 是，其后由于各种原因，i b i s 于2 0 0 5 年最终宣布退出s i m o x 材料制备，s i m o x 在i b m 的应用也逐渐减少【2 l l 。上海的新傲科技有限公司作为国内唯一拥有包括大束流注氧专用离 子注入机在内的s i m o xs o l 材料生产线的公司，能生产4 - - 6 英寸s i m o x 和e s i m o x s o i 材料。除新傲科技以外，北京师范大学、长沙电子4 8 研究所等均在s i m o x 研究方面 有所涉及。长沙电子4 8 所还独立开发出了氧离子注入机，并发展了相关的制备工型2 2 1 。 s i m o x 的缺点在于长时间大剂量的离子注入，以及后续的长时间超高温退火工艺，导致 s i m o x 材料质量和质量稳定性以及成本方面难以得到有效的突破，这是目前s i m o x 难 以得至i j 产业界的完全接受和大规模应用的根本原因。s i m o x 的技术难点在于颗粒的控制、 埋层特别是低剂量超低剂量埋层的完整性、金属沾污、界面台的控制、界面和表面的粗糙 度以及表层硅中的缺陷等，特别是质量的稳定性很难保证。图1 1 给出了s i m o x 的工艺 流程。 1 2 2 键合及背面腐( b e s o i ) 技术 b e s o i 技术是采用键合( s d b ) 技术将硅片和另一氧化片结合起来，然后用选择性化 学腐蚀和化学机械抛光等方法将背面硅减薄，来获得s o i 结构，s d b 技术由i b m 的j a s k 3 , 3 南京 l i f ；电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ i l - _ _ - _ _ _ - - - - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l - - _ - _ - _ _ _ - - _ - _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 于1 9 8 6 年首次报道【2 3 1 ，它是将一块或者两块硅片经氧化后键合在一起。b e s o i 表层硅单 晶质量好，埋层二氧化硅均匀。但受到硅片减薄工艺的限制，硅膜厚度的均匀性较难控制。 现在的减薄方法有机械抛光法、化学抛光法、外延止蚀法和等离子辅助化学蚀刻法。因此 b e s o i 适合于制备厚膜、高功率器件，也可用于制备m e m s 器件。现在日本佳能 2 4 1 、美 国s i b o n 一2 s 等公司可批量生产直径为4 ，5 ，6 ，8 英寸的高质量键合s 0 1 晶片。 由于键合技术的核心问题是表层硅厚度的均匀性控制问题，所以这是限制键合技术广 泛推广的根本原因。目前的技术水平通常是+ - 0 5 1 a n ，好的可以达到+ - 0 3 p m 以内。除此 之外，键合的边缘控制、界面缺陷问题、翘曲度弯曲度的控制、滑移线控制、颗粒控制、 崩边、界面沾污等问题也是限制产业化制备键合s o i 的关键技术问题。成品率和成本问题 是键合产品被量产型客户接受的核心商业问题。曾经有不同的研究人员提出过多种改进键 合均匀性的方法和技术，但这些技术产品到目前为止，还难以批量向客户供应。图l 一2 给 出了键合技术的工艺流程。 骨开胃胃胃 第一步：注氧 第二步：1 3 2 0 下退火 图1 1s i m o x 制备s 0 1 的工艺流程示意图 1 2 3 智能剥离( s m a r t c u t ) 技术 刻蚀暇挡层 s i g e 碳离子注入 卜井廷 苦昌宦皇巨兰 片l 上刻蚀阻挡层工艺 片2 上氧化 片l 与片2 键合背面刻蚀 图1 2 键合制备s o i 的工艺流程示意图 19 9 5 年mb r u e l 利用键合和离子注入技术的优点提出了s m a r t - c u t 技术【2 6 1 。它是利用 氢离子注入到硅片中，形成具有气泡层的注氢片，与支撑硅片键合( 两个硅片中至少有一 片的表面带有热氧化的s i 0 2 覆盖层) ，经适当的热处理使注氢片从气泡层处完整裂开，形 成s o i 结构。s m a r t c u t 技术兼具有s d b 和s i m o x 的特点，其核心在于利用氢离子注入的 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一i 重当论 特性结合常规键合技术，利用氢离子注入引起的剥离性能提高了顶层硅的均匀性，单片厚 度偏差和片间偏差可控制在1 0 n m 以内，氧化埋层是用热氧化法制备的，无漏电通道，不 会出现s i m o x 技术中常见的埋层硅岛等问题，性能优越，此外生产成本也可降低，因为 不需要昂贵的专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，所以这是一种极有前途的s o i 制备技术。特别适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。s m a r t - c u t 技术问世以来，以法国s o i t e c 公司为主的研究发展了大量相关的技术，使s m a r t - c u t 成为现在占垄断地位的薄膜s o i 制备技术，其薄膜市场的占有率目前接近1 0 0 2 7 。s o it e c 也凭借s m a r t - c u t 技术成为世 界上核心的薄膜s o i 供应商。目前世界上日本s h e 和德国w a c k e r 均取得了s o lt e c 的技术许可，可以生产8 英寸和1 2 英寸的s m a r t - c u t 产品。图1 3 给出了s m a r t - c u t 的工艺 流程。 i 原始硅片 3 注氢 4 清洗与键合 5 智能剥离 6 退火及抛光 7 回收a 做b 片 w a f e r 羁 靥图 8 图1 3s m a l l - c u t 铝t 各s o l 的工艺流程示意图 图l _ 4e l t i l a n 制备s o i 的工艺流程示意图 1 2 4 多孔硅外延层转移( e l t r a n ) 技术 e l t r a n 技术的独特之处在于在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速 率将多孔硅区域彻底刻蚀掉。该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程 中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它s o i 技术更为优越的性能。其工艺流程如图 1 - 4 1 2 7 1 ，首先在多孔硅层上生长高质量的外延层，外延层表面氧化之后，籽晶层与s i 衬底 层相互键合，然后在水流喷射的作用下，籽晶层从多孔硅层处发生断裂，最后将剩余的多 孔硅层刻蚀掉并在h 2 中退火生成s o i 外延结构。此技术使得项层硅和埋氧层厚度的设计 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 具有一定的灵活性，从几十微米的厚度层到几十纳米的甚薄层均可以通过改变生长条件而 不需任何特殊的设备或过程就能得到。当前国际上采用e l t r a n 技术研制s o i 材料的公司 主要是日本的佳能和东芝。 以上4 种制备s o i 材料的方法各有所长，用户可以根据不同的材料要求，选择不同的 制备方法。b e s o i 法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于硅片减薄技术的进 展。而s i m o x 法由于氧注入条件的限制，只能制取薄硅层( o 1 - - 一0 4 9 m ) 和薄埋氧层( o 1 0 4 1 m a ) 材料。要获得厚的硅层，必须再进行外延，即采用e s i m o x 法。而s m a r t - c u t 法由 于采用了键合工艺，则最适用于制备薄硅层( o 1 - - 一l p m ) 和厚埋氧层材料。e l t r a n 法的 适用范围最宽，可根据用户要求，提供从几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层。 1 3so i 高压功率器件研究现状 s o i 功率器件主要应用于s o ip i c 和p s o c ，结构上均是横向功率器件。根据使用的 s o i 材料的厚度，可将s o i 功率器件分为两类：一是薄膜s o i 功率器件，使用的s o i 材料 的厚度一般小于0 2 5 p r o ；另一类称为厚膜s o l 功率器件，s o i 材料厚度可达几十微米。由 于s o i 器件的高性能，一方面，它在v l s i 的应用当中引起了广泛的注意，随着s 0 1 薄膜 厚度的减小，它对v l s i 器件带来了更多的优点，如更简单的隔离工艺，更高的集成密度 和消除k i n k 效应；另一方面，薄膜s o i 技术在p i c 方面的应用也是非常有前途的。 由于常规的s o i 器件存在击穿电压低，导通电阻大，严重的自热效应，热隔离等问题， 所以如何能够解决上面这些问题一直是功率器件设计人员孜孜以求的目标，对于横向功率 器件而言，击穿电压取决于纵向击穿电压和横向击穿电压的最小者。下面针对这两方面的 研究进展分别进行综述。 1 3 1 纵向耐压技术 s o i 功率器件中，埋氧层的存在阻止了耗尽区向衬底扩展，使得纵向耐压仅由顶层硅 和埋氧层决定，从而大大限制了击穿电压的提高( 这也是s o ip i c 通常都只能应用于6 0 0 v 以下的原因) 1 2 5 - 2 9 1 。为了解决这一问题，一种有效的办法是通过刻蚀埋氧层，漂移区与衬 底相连，使衬底参与耐压。基于此思想，p a r k 等人提出了部分s o i 器件结构( p 撕a ls o i ， p s o i ) ，即通过在埋氧层上刻蚀窗口，将n 型的漂移区和p 型的衬底相连，器件反偏后窗 口位置的纵向p n 结也反偏，从而使耗尽区向衬底扩展，使衬底耗尽后承担了部分耐压， 增加了器件的纵向耐压，且随着衬底浓度的降低，纵向耐压进一步增大0 0 1 。g a os h a h 等人 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 对其进一步研究，提出了一种带有多个埋氧层窗口的p s o i 结构l d m o s ，并研究了硅窗 口大小和个数对温度分布，阈值电压漂移，击穿电压等器件特性的影响，他们的仿真结果 表明，这种结构不但可以改善击穿电压，同时也可以抑制自热效应【3 1 1 ，但p s o i 结构同样 存在工艺复杂，漏电流增加，导通电阻没有明显改善等缺点。 另一种提高s 0 1 击穿电压的有效办法是提高埋氧层纵向电场。这一思路源于常规s 0 1 结构中埋氧层的电场只有9 0 v i x m , 远小于二氧化硅的临界击穿电场6 0 0 v l 上m 。郭宇锋等人 提出了一个埋氧层电场增强理论( i n c r e a s eb u r i e do x i d el a y e rf i e l d ，i n b o l f ) ，该理论指 出了提高埋氧层电场的一个有效途径是引入界面电荷【3 2 1 。基于此理论，他们提出了双面局 域电荷槽结构和阶梯埋氧层固定电荷结构，分别通过在埋氧层上下表面引入高密度的界面 电荷或固定界面电荷：来使埋氧层电场提高到4 0 0 , - - , 6 0 0 v l x m l 3 3 - 3 4 。进而，他们在2 0 1 a m 顶 层硅和l l u n 埋氧层上研制了耐压为7 0 0 v 的双面局域电荷槽结构s o il d m o s ，而相同结 构的常规r e s u r f 结构的击穿电压仅为4 0 0 v 3 5 1 。x i a o r o n gl u o 等人进一步探讨了该结构 在p s o i 器件中的实用性，他们发现当埋氧层窗口开在沟道下方的时候，在保持高击穿电 压的同时，还可以大幅度降低结温，从而改善高温性能【3 6 1 。d u a nb a o x i n g 和l iq i 等人也 提出一种采用阶梯埋氧层来使界面电荷在阶梯处积聚，从而提高纵向击穿电压的方法，并 分别将此结构应用于s 0 1 和p s o i 横向功率器件的设计1 3 7 - 籍1 此类器件尽管对提高击穿电 压非常有利，但是为了满足r e s u r f 条件，必须大幅度降低漂移区浓度来抵消引入的高密 度界面电荷，从而使导通电阻增加，同时制造难度也较大。 1 3 2 横向耐压技术 r e s u r f 技术是广泛应用于体硅和s o i 功率器件横向耐压设计的基本技术。 y s h u a n g 、b j b a l i g a 等人在19 9 0 年首次提出将r e s u r f 理论应用到s o i 器件上p 引，可 使器件在反偏时漂移区全部耗尽，并把击穿点从表面转移到体内，从而获得较高的击穿电 压。他们在2 5 1 m a 顶层硅和3 1 a m 埋氧层上得到了6 0 0 v 的击穿电压。d o u b l er e s u r f 技术 是一个改进的r e s u r f 技术，它在漂移区顶部注入p t o p 层来改善电场分布。h p e i n 等人 将d o u b l er e s u r f 技术应用到s o il d m o s 的设计中，他们的研究表明该技术可以在击穿 电压几乎不损失的情况下，使漂移区浓度提高一倍，从而改善导通电阻【柏l 。双外延层或表 面掺杂结构是r e s u r f 技术的另外一种改进【4 1 屯】，该结构将漂移区分成上下两层，顶层掺 杂为重掺杂，在器件导通的时候形成一个低电阻通道，增加了器件的电流驱动能力。 r e s u r f 技术的主要缺点在于漂移区两端的电场峰值过高而漂移区中部的电场非常低，导 致横向耐压仅有8 , 1 0 v p m 。这一问题在薄顶层硅器件尤为明显，尽管可以采用场板技术 7 第一章绪论 一个用于解决r e s u r f 不足的最成功方案是线性交掺杂( v a r i e dl a t e r a ld o p i