部分絕緣鍵合SOI新結構及應用基礎研究.pdf

1、基于SOI相關基礎理論和技術實踐，源自光機電新器件開發(fā)需求，在綜合Si良好導熱導電與SOI優(yōu)良隔離特性基礎上，本文提出了一種兼具硅和SOI優(yōu)勢的新型部分絕緣鍵合SOI結構，并就其所面臨的預鍵合量化微觀作用機理、應用基礎理論和關鍵工藝技術進行了探討與分析討論。 首先，通過對部分絕緣鍵合SOI預鍵合3種主要微觀作用力的比較研究，獲得了平板間VanderWaals作用力模型及其計算方法。結果指出，親水性硅片鍵合中氫鍵作用力是主要因素，

2、而疏水性硅片鍵合中主要因素為VanderWaals作用力，毛細作用和大氣壓作用則是可忽略的次要因素。 計算表明，疏水性硅片預鍵合VanderWaals作用能約為124mJ/m2，對于4英寸硅片，相應鍵合吸引力是9.73×106N；親水性硅片預鍵合氫鍵作用能約為193.3mJ/m2；毛細作用力約2.55×10—3～8.49×10—1N，毛細作用相關的大氣壓力系7.93×102N。 考慮實際情況中存在顆粒、臺階情況下，硅片預

3、鍵合時封閉的微量氣體是鍵合不可忽視的不利因素。預鍵合過程是實際硅片鍵合面非理想平整性所占百分比引起的硅片彈性形變與鍵合面微觀作用力博弈結果。此過程與預鍵合實際接觸面百分比和硅片間距兩個主要因素有關。對4英寸硅片，預鍵合硅片間距小于5nm時，鍵合面微觀吸引力占優(yōu)勢，并導致動態(tài)正反饋，引起所謂“鍵合波”，使硅片能夠鍵合。在100mJ/m2預鍵合能假設下，鍵合硅片接觸面間距約為0.22nm。通過比較分析，發(fā)現(xiàn)鍵合硅片采用接觸面積來計算毛細作用

4、力是不適合的，而把這種毛細作用力看作邊緣曲線而不是面積作用力則更為合理。 其次，大電流功率集成電路廣泛存在埋層結構的比導通電阻優(yōu)化是所述部分絕緣鍵合SOI面臨的另一基本問題。對此，提出了簡化二維和三維模型。得到的結論是在二維情況下，該結構的電阻具有自限制特性，比電阻具有近似的隨尺寸增加而線性增加特性；在三維情況下，其埋層電阻不再具有自限制特性，但比電阻仍然有同樣近似線性增加的特性。實驗和仿真分析表明，該模型在導通電阻變化的拐點預

5、測上有較高精度，而此結構電阻實驗數(shù)據(jù)較模型預測值約小28％。 再者，基于兼容部分絕緣鍵合SOI工藝的VDMOS和X射線的不同負載功率情況下輻射實驗，進行了部分絕緣鍵合SOI在功率集成領域所面臨的抗總劑量輻射應用探索。據(jù)器件X射線輻射亞閾值Ⅰ—Ⅴ曲線，觀察到了器件大負載功率在自熱退火情況下與經(jīng)典文獻不一致特征，且結合經(jīng)典理論，提出了界面陷阱的導電假設；并構建了與實驗數(shù)據(jù)相吻合的器件模型，導出了新增氧化物陷阱正電荷與強反型前最大界面

6、陷阱負電荷近似相等約為6.78×1011cm-2，強反型后最大界面陷阱負電荷減小到1.54×1011cm-2的結果。 鑒于實驗研究與可行性驗證的考慮，提出了LPCVD和外延多晶作為鍵合界面過渡層方法，從而使該結構的鍵合完整率大于85％，鍵合界面電阻小于5×10—4Ω．cm2。同時，開展了部分絕緣鍵合SOI集成垂直導電VDMOS的BCD工藝和器件研究；實驗結果顯示，其VDMOS擊穿電壓為160V，導通電阻0.3Ω，比導通電阻26m