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SOI技术的发展思路

2022-04-28 来源:爱问旅游网
第33卷第2期 2010年4月 电子器件 Chinese Journal of Electron Devices V01.33 N0.2 Apr.2010 Development Strategies with SOI Technology CREN X (Department ofElectronics Science&Technology.Tongfi University,Shanghai 201804,China) Abstract:The evolving situation of SOI technology is summarized.Based 0n that,evolving scheme of SOI technol- ogy in the new situation is submitted.In order to make full use of advantages of SOl technology,main strategies are set on depressing approach against factors that influence device’S stability,by research on new structure and materi- al to handle native shortcomings of Si—based IC,by tackling key problems to implement physical modeling of SOl technology when applied in RF,analog and M/S circuits,by innovation to push SOI technology joining into new e- mergency technology areas. Key words:SOI(silicon on Insulator);floating—body effect;self-heating effect;threshold roll—off;radiation hard— ened EEACC:2550 SOI技术的发展思路 陈 昕 (同济大学电子科学与技术系,上海201804) 摘 要:对SOI技术的发展情况进行了概述。在此基础上,提出了新形势下SOI技术的发展思路。为了充分发挥SOI技术的 优势,主要的思路是对影响器件稳定性的因素采取抑制方法、通过新结构和新材料的研究来应对硅基集成电路的固有弱点、 通过关键技术攻关来应对SOI技术应用于射频及模拟和M/S电路时的物理模型问题、通过创新来推进SOl技术与新技术领 域的融合。 关键词:SOl(silicon on Insulator);浮体效应;自加热效应;阈值漂移;辐射加固 中图分类号:TN386 文献标识码:A 文章编号:1005—9490(2010)02—0193—04 微电子技术的发展要求¨J,提出关于目前发展SOI 近五十年来,半导体技术依照摩尔定律快速发 展,CMOS体硅工艺也面临性能挑战 。在这样的 形势下,各国开发了许多新技术来解决器件尺寸持 续缩小所带来的性能降级问题,SO1技术正是在这 样的背景下产生的。 技术的一些考虑。 本文分成4个部分。第2部分介绍SO1技术的 发展情况,包括已取得的成就和存在的问题;第3部 分提出SOl的发展策略;第4部分是结语。 SOI技术可看成是基于SOI圆片的器件制造及 电路和系统的应用技术。用SOI工艺制备的半导体 1 SoI技术的发展情况 1.1取得的成就 SOl技术经过近十年的发展,已经在集成电路 器件通常具有较高的性能和较低的功耗,但同时也 具有较高的材料成本和导致电路设计复杂化的一些 异常晶体管行为。 产业所需的晶圆技术、生产加工工艺和电路及系统 应用领域取得了实质性的进展。SOI代工厂可以从 相比体硅器件,SO1晶体管的扩散电容较小,器 件工作速度较快,并且具有较低的运行功率。国内 有关SOI材料制备及性能评述的文章较多,例 圆片制造商那里得到Smart.cut技术 2 制备的薄膜 SOI圆片,芯片提供商可以应用SOI工艺设计高性 能的Power PC处理器(IBM)、任天堂(Nintendo)游 如_2 ,国际论文对其高性能应用的研究较重视,例 如 ,并且对SOI在等比例缩小中的理论极限进 行了一定探讨 J。本文基于SOI技术发展情况和硅 收稿日期:2009—12—20 修改日期:2009—12—30 戏机芯片、大众公司(sVw)车内网络(IVN)芯片 等,并且国际上还成立了SOI产业联盟 J,旨在降低 194 电 子 器 件 第33卷 SOI系统的功耗,适应集成电路低能耗发展的需要。 2.1.2抗总剂量辐射的研究 目前,SOI器件通过不断的发展壮大,已逐步在 武器及空天(抗辐射)、高性能、RF和SOC集成、低 SOI技术在抗总剂量辐射上并不比体硅有更多 的天然优势,而且由于CMOS IC的抗辐射加固技 术¨ 已趋于成熟,因此,关于电路抗辐射性能的研 究报道主要集中于SOI的抗总剂量辐射方面¨卜 J。 功耗、高温/压环境应用中提供更好和更高可靠性的 解决方案。 1.2存在的问题 值得一提的是,在SOI抗总剂量辐射方面,单纯 对氧化埋层进行加固是片面的。文献[15]通过对 超高总剂量(>2M rad(Si))辐射下SOI器件的阈值 SOI技术虽然具有确定的优于体硅工艺的器件 性能,但由SOI特殊的器件结构引起的浮体、自加热 等效应¨ ,又使SOI器件具有不同于体硅工艺的反 常行为,需要通过研究来抑制。 其次,SOI器件的基础仍然是硅基集成电路技 术,所以,它在抗总剂量辐射、载流子迁移率、晶体管 转换速度等方面,又具有体硅器件固有的特点,需要 通过改进来提高性能。 此外,SOI器件的特殊结构又使其射频(RF)应 用仅通过简单的工艺加工就能获得高质量的无源元 件,为RF与数字电路的集成提供了可能性。这方 面,需要加强研发来促进发展。 最后,SOI材料的绝缘埋层在一些新技术应用 中可充当刻蚀工艺的阻挡层。这方面,需要通过开 发来获得SOI技术的潜在优势。 2 SoI技术的发展思路 现对SOI技术提供一些继续发展的思路,并综 述有关成果作为进一步研究的基础。 2.1影响SOI器件稳定性的工艺因素 2.1.1 自加热效应的研究 与体硅器件相比,由于SOI功率器件的绝缘埋 氧层(BOX)的热传导率远远低于体硅(SiO:的热传 导率大约是Si的1%),器件散热非常缓慢,产生自 加热效应,导致有源区温度显著上升。 已有的研究表明,对沟道均匀掺杂的SOI LD・ MOS器件,产生热量的最大点在漏端;而对掺杂浓 度从源到漏逐渐增加的沟道线性掺杂SOI LDMOS 晶体管的研究表明,最大温度点出现在源端附近的 沟道区,在较高的栅压和漏压下工作时,最大温差可 在60 K以上。 由于自加热效应会导致器件的性能不稳定,因 此,需要进一步研究抑制自加热效应的器件结构和 工艺参数。通常采用下面两种方法来减弱自加热效 应。一是采用热传导率相对较高的A1N,Si N 等材 料来代替SiO 形成绝缘层。另外一种办法是通过 对器件结构,工艺参数的优化来达到减弱自加热效 应的作用。如减小埋氧层厚度,增加硅膜厚度可以 在一定程度上减弱自加热效应 。 漂移和漏电变化的研究,发现了这一结论。 2.1.3浮体效应的研究 SOI器件与体硅器件之间最主要的区别,在于 。SOI器件的顶层硅膜相对于衬底是浮空的,引起“浮 体效应”。浮体效应包括器件中性体区电荷积累导致 的阈值电压变化,表现为输出特性的翘曲效应和亚阈 值斜率异常(低于理论极限);和栅电压控制截止时, 横向寄生双极晶体管导通产生的脉冲输出漏电流等。 浮体效应的存在影响了SOI晶体管的性能稳定 性,因此,为了获得较好的SOI器件和电路性能,人 们不断探索抑制甚至消除浮体效应的办法。目前主 要有两类用以抑制浮体效应的方法,即体接触方法 和工艺方法。体接触方法通过硅膜底部中性浮空区 域与外部接触的方法引出积累电荷,这种方法能够 成功抑制浮体效应。但在诸多体接触结构中,很难 找到一种有效的结构L1 。例如:源端体接触虽然引 入的电阻较低,但缺点是源、漏端不对称;侧向体接 触保持了器件的对称性,却引入了高阻。另外,体接 触结构会增加单个晶体管的面积、减小芯片的集成 度,而且它对积累电荷的吸收率随着沟道宽度的增 加而迅速减小。除了体接触,采取一些工艺方法也 能有效抑制浮体效应。这类方法主要是用注入、掺 杂等工艺手段,对源极或漏极进行特殊的处理,如 源、漏区深注入Ar离子,源体接触LDD结构等。缺 点是在抑制了浮体效应的同时产生其它问题¨ 。 例如,源、漏区深注入Ar离子方法增加了结泄漏,而 源体接触LDD的工艺加工步骤较复杂。 2.2不断开展SOI同类工艺的研究 2.2.1 开展sSOI的研究 应变硅是一种能够提高载流子迁移率从而增强 器件性能的工艺技术。国际Ic业界普遍接受的应变 硅衬底包括两种类型,一种是直接在绝缘体上生长的 应变硅(strained SOI),另一种是在绝缘体上的驰豫硅 锗上生长的应变硅(sGOI)。相对采用硅以外的高迁 移率半导体材料,如GaAs等Ⅲ一V族化合物半导体, 在硅中引入应变硅的方法更有利于与CMOS工艺的 兼容。IBM公司的系统与技术小组,利用弛豫的 第2期 陈昕:SOI技术的发展思路 195 SiGe!应变Si的双层结构来产生沟道内单轴张应变 (400 MPa)。与无应变的器件相比,其迁移率增大了 4o%,驱动电流提高了l5% (IBM)。 2.2.2开展GOI的研究 GOI(绝缘体上锗)是高端硅基衬底材料领域的 最新成果。GOI能用作光电探测器(锗吸收850 nm 波长的光的效率是硅的70倍),而且也能用来制作 高速晶体管。基于锗材料的晶体管的转换速度可比 硅的大3到4倍。GOI用于制造高速光电探测器 (运行频率30 GHz),这使其理论上适用于探测传输 速率在50 Gbit/s以上的信号,使芯片上的光互连更 接近实际。并且,因为锗能够有选择地放置在光电 探。贝0器所在的区域,所以新的探测器与标准的微芯 片技术兼容 。这种兼容性使得有可能在同一块 芯片上集成光电电路。 2.3发展RF及模拟和M/¥电路的SO1技术 2.3.1射频IC的SOI应用 在高性能CMOS电路应用方面,实现RF电路 与CMOS电路的理想集成,是未来无线通信领域需 要解决的一个重要问题 J。 基于射频器件的模型库需求,目前射频设计主 要依赖于代工厂提供的工艺设计套件(PDK),难以 充分发挥工程师的设计效率。然而,SOl工艺是比 体硅工艺更新的技术,尤其SOI工艺在射频应用时, 采用高阻SOI材料,基于完全的氧化物隔离,高电阻 率衬底可降低电容耦合,减小与衬底相关的射频损 耗。即使在较高频率下,SOI电感也具有较体硅工 艺更高的Q值。因此,实现基于SOI技术的射频模 块与数字系统的集成将为射频应用提供更理想的性 能 。但是,问题在于SOI射频模块的设计能否 在类似数字系统设计的高效率平台环境中完成。为 了实现这样的平台,工具提供商必须创建和维护支 持RF标准的模型库,这些库还应包括测试与验证 套件,用来确认库的有效性。 2.3.2模拟和M/S电路的SOI应用 模拟元件性能容易受到邻近模拟元件及数字电 路模块的影响。SOI电路的绝缘埋层可以降低来源 于衬底的电流干扰及耦合的影响。特别是在使用较 高电阻率的衬底时, SOI技术的优势可扩大1~2个 频率量级。实际的曲线如图1所示。因此,借助SOI 技术可获得较高质量的模拟电路,且面积成本较小。 但数模混合电路仿真还存在模型问题。体硅工 艺的模拟电路采用SPICE模型,数字电路的SI(signal integraty)分析采用IBIS模型,因此,为了噪声分析, 数模混合电路的仿真验证需要支持混合模型的仿真 图1 体硅和SOl结构的衬底噪声响应的 数量级比较(从数字区到模拟区) 。 器口引。但器件模型,对模拟电路设计者来说一直就 是很难得到的,因此,发展基于SOI的模拟和M/S电 路,就要研制器件模型,并通过实验分析来验证。 2.4 SO1技术与新技术领域的融合 2.4.1 高精度MEMS MEMS市场在2008年达到80亿美元,预计 2012年达到160亿美元_9』。与体硅工艺的晶圆片 腐蚀不同的是MEMS工艺要求在刻蚀深度上达到 更好的一致性。 如果采用SOI工艺,借助SOI硅膜厚度的均匀 性(例如,采用注氧键合技术生产的SOI材料,300 nm以内硅膜厚度均匀性达到+/一10 nm;加上外延 制备厚顶层硅SOI材料,顶层硅的厚度均匀性可以 控制在+/一2%以内 ),可由SOI圆片制造商实 现精确控制,底部埋氧层可充当良好的刻蚀阻挡层, 从而实现精确的MEMS刻蚀深度。 2.4.2 CMOS传感器 随着CMOS传感器工艺的不断完善,其成像质 量已堪比CCD器件,并且由于具有片上系统集成的 优势,已广泛应用于数码相机等产品上 。不足的 是目前所采用的前光照明技术(FSI:Front-Side Illu. mination)使光路受到电路层的阻挡发生偏转,产生 邻近像素间的串扰噪声,影响成像质量。最新的背 光照明技术(BSU 把滤色片和微透镜放在像素系 统的背面,使光从传感器的背面照过来。由于光路 不必通过处理电路,可明显提高其敏感度。如果使 用SOI工艺生产BSI图像传感器,可以利用SO1材 料的绝缘埋层充当刻蚀工艺的阻挡层,有希望形成 低成本、高质量的CMOS图像传感器工艺。 3 结语 SOI技术由于其特有的器件结构而表现出体硅 工艺缺少的优良性能,因而成为21世纪硅微电子技 术的可选方案之一。 SOI的发展虽已建立了成功的商业模型 ,但 l96 电 子 器件 第33卷 随着市场对集成电路产品的性能要求不断更新。SOI 技术的发展更是面临着器件结构、原材料工艺、设计 平台与IP工具支持等方面的限制。为了应对这些 挑战,应继续对影响SOI器件性能的因素进行研究、 不断开展sSOI、GOI等工艺的研究、加强已知领域, 如RF、模拟及M/S电路与数字系统集成的关键技 术研究、及加强SOI工艺技术与新技术的融合创新。 参考文献: [1] International Technology Roadmap for Semiconductors,20O7 Edition. 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