新結(jié)構(gòu)SOI材料與器件物理研究.pdf

1、集成電路正在從微電子時(shí)代發(fā)展到微納電子時(shí)代，現(xiàn)有的體硅材料和工藝正接近它們的物理極限，遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，必須在材料和技術(shù)上有重大突破。SOI(SilicononInsulator)技術(shù)能突破體硅材料與集成電路的限制，將成為微納電子時(shí)代取代現(xiàn)有體硅材料的核心支撐技術(shù)之一。SOI技術(shù)和體硅技術(shù)相比擁有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)，然而，傳統(tǒng)SOI材料中低熱傳導(dǎo)率的SiO2埋層所引起的自加熱效應(yīng)，阻礙了SOI技術(shù)在高溫、高壓領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。因此，尋找

2、具有高熱傳導(dǎo)率的SiO2埋層的替代者就變得非常重要。 本論文正是在上述背景下，結(jié)合我們承擔(dān)的973、國(guó)家自科學(xué)基金等項(xiàng)目開展了一系列研究工作，主要包括以下幾個(gè)方面：第一，制備以AlN、DLC(DiamondLikeCarbon)、SiOxNy為絕緣埋層的新結(jié)構(gòu)SOI材料；第二，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究SOI器件中的自加熱效應(yīng)和浮體效應(yīng)；第三，研制具有抗輻照特性的SOICMOS電脈沖時(shí)間間隔測(cè)定器等。獲得的主要結(jié)果如下：

3、創(chuàng)新性地采用以氨氣為反應(yīng)氣體的超高真空電子束蒸發(fā)、等離子體浸沒(méi)式離子注入這兩種工藝制備了低含氧量、表面平整、絕緣性能優(yōu)異的AlN薄膜。通過(guò)優(yōu)化的Si/AlN直接鍵合工藝，成功制備了大面積以AlN為絕緣埋層的新結(jié)構(gòu)SOAN(SilicononAlN)材料。分析表明，SOAN的頂層硅具有良好的單晶質(zhì)量和電學(xué)性能，無(wú)定形的AlN埋層絕緣性能優(yōu)異，與頂層硅以及硅襯底之間的界面清晰、陡直。SOAN材料的成功制備為拓展SOI技術(shù)在高壓、高溫領(lǐng)域的應(yīng)

4、用提供了依據(jù)。 首次成功制備了以DLC薄膜為埋層的新結(jié)構(gòu)SOD(SilicononDiamond)材料。首先，采用等離子體浸沒(méi)式離子注入-沉積工藝成功制備了表面平整、絕緣性能和溫度穩(wěn)定性能優(yōu)異DLC薄膜。進(jìn)而，通過(guò)Si/DLC直接鍵合的工藝，成功制備了新結(jié)構(gòu)SOD材料，分析結(jié)果表明頂層硅具有非常好的單晶質(zhì)量且沒(méi)有任何缺陷，Si/DLC的界面陡直，粗糙度僅在幾個(gè)原子之間。 創(chuàng)新性地采用低成本、高效率的氮、氧等離子體共注入結(jié)

5、合Si/SiOxNv直接鍵合的工藝，成功制備了以SiOxNy為絕緣埋層的新結(jié)構(gòu)SOI材料。分析結(jié)果表明埋層中由于氧成分的存在，高溫退火后仍保持優(yōu)異的絕緣性能，且與高質(zhì)量的頂層單晶硅之間的界面清晰而陡直。 利用二維器件模擬軟件MEDICI，首次深入分析和模擬了SOAN襯底上不同特征尺寸MOSFET的電學(xué)特性和溫度分布，并與傳統(tǒng)SOI器件進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明SOAN器件溝道區(qū)溫度升高和負(fù)微分電阻現(xiàn)象相比傳統(tǒng)SOI器件都有明顯的減弱，

6、也就是說(shuō)自加熱效應(yīng)得到了明顯的抑制。該研究結(jié)果證明AlN是傳統(tǒng)SOI結(jié)構(gòu)中SiO2埋層合適的替代者。 在深入分析和模擬SOI器件浮體效應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用MEDICI對(duì)隱埋式p+區(qū)體接觸和SiGe窄禁帶源這兩種新結(jié)構(gòu)器件的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性、空穴電流等等進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬，證實(shí)了這兩種器件結(jié)構(gòu)抑制浮體效應(yīng)的可行性，并對(duì)其抑制浮體效應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行了分析。 基于1.2μmSOICMOS的設(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)計(jì)了電脈沖時(shí)間間隔測(cè)定器的版圖