SOI器件新结构及其发展新方向

1SOI器件新结构及其发展新方向姓名：学号：小组组长：摘要绝缘体上硅(SOI)是纳米技术时代的高端硅基材料。SOI(silicon-on-insulator:绝缘体上单晶硅薄膜)技术已取得了突破性的进展,但一般SOI结构是以SiO2作为绝缘埋层,以硅作为顶层的半导体材料,这样导致了一些不利的影响,限制了其应用范围。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。关键词:绝缘体上硅;稳定性;新结构;新材料NEWSTRUCTUREANDDEVELOPMENTDIRECTIONOFSOIDEVICEAbstractSilicon-On-Insulator(SOI)isanadvancedsilicon-basedmaterialforNanotechnologyEra.Significantprogresshasbeenachievedinsilicon-on-insulator(SOI)technology,butstandardSOIstructuresemploySiO2asinsulatorandsiliconasthesemiconductormaterial.Thisresultsinsomedisadvantagesandlimitstheareasofapplication.InordertomakefulluseofadvantagesofSOItechnology,mainstrategiesaresetondepressingapproachagainstfactorsthatinfluencedevice’sstability,byresearchonnewstructureandmaterialtohandlenativeshortcomingsofSi-basedIC.Keywords:SOI(silicononInsulator);device’sstability;newstructure;newmaterial1.前言集成电路的特征尺寸在1999年开始缩小到亚100nm,英特尔(Intel)在2006年6月实现了90nm,65nm技术的微处理器(CPU)由物理栅长仅为35nm的近三亿只金属-氧化膜-半导体场效应晶体管(MOSFET)组成,在芯片生产方面实现了里程碑式的跨越。英特尔45nm处理器已正式宣布量产,全球独家首次采用高k金属栅技术。英特尔为半导体制造技术带来了一次革命,从而使摩尔定律(Moore.sLaw)得到进一步延伸。根据/国际半导体技术发展路线图0(ITRS)的预测,摩尔定律所预测的高速发展至少将持续到2020年,那时的晶体管物理栅长将是6nm!在过去的2013年,集成电路进入了32nm技术代,并于2016年进入22nm技术时代。随着芯片集成度的进一步提高,即器件特征尺寸的进一步缩小,将会面临大量来自传统工作模式、传统材料,乃至传统器件物理基础等方面的问题。因此,必须在器件物理、材料、器件结构、关键工艺、集成技术等基础研究领域寻求突破。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,重点开发绝缘体上硅(SOI)、应变硅、Ge-Si、金属栅、低k及高k介质材料等。业界公认,SOI技术已成为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一,是维持摩尔定律走势的利器。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,SOI技术正是在这样的背景下产生的。SOI技术是在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现的、有独特优势的、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。其基本结构如图1所示，SOI电路的绝缘埋层把器件与衬底隔开,减轻了衬底对器件的影响(即体效应),消除或在很大程度上减轻了硅器件的寄生效应,大大提高了电路的性能,工作性能接近理想器件。SOI电路具有高速、低压、低功耗、抗辐照、耐高温等优点.原来它的应用主要局限在军工、航空航天等领域来制作耐高温和抗辐照电路。随着SOI衬底制备技术的发展,SOI圆片成本不断降低,特别是IBM等公司在SOI器件制作的关键工艺方面获得突破,使得SOI进入民用成为可能.同时,随着移动通信、笔记本2电脑等便携式电子产品飞速发展,SOI将成为实现低压、低功耗的主流技术。相比体硅器件,SOI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。图1(a)以绝缘体作衬底;(b)以硅作衬底为充分发挥其优点,减少其不利影响,人们正探索研究两类新的SOI结构材料:其一为非SiO2或非单一SiO2埋层的SOI结构.在SOI结构中,一般是以SiO2作为绝缘埋层,这种结构存在两个主要的不利因素:(1)由于埋层氧化硅的低热导率而存在自加热效应(指的是由于沟道电流所产生的热量引起器件内部温度升高,导致器件特性漂移的现象);(2)在高频下,埋层氧化物的电转移导致信号传输丢失和串音问题.为减少上述不利影响,在SOI结构中引入新的埋层成为了解决这些问题的有效途径.表1列出了Si,SiO2,Si3N4,Al2O3和AlN在300K时的某些重要性质.从表1可以看出,同为绝缘物质的SiO2,Si3N4,Al2O3和AlN中,Si3N4,Al2O3,AlN有比SiO2更高的热导率和电阻率.另外,这几种绝缘物质具有各自的优缺点,因而我们可以根据所需电路P器件的要求来选择以哪种物质作为SOI的绝缘衬底。表1Si,SiO2,Si3N4,Al2O3和AlN在300K时的某些重要性质其二为非Si顶层的SOI结构.为了满足一些特殊器件P电路的要求和充分利用SOI结构带来的有利因素,拓展其应用范围与前景,人们在探索研究改用新的半导体材料(如GeSi,SiC等)来代替SOI结构中的顶层硅.这种新的SOI结构兼有SOI技术和其他半导体材料的优越性。3现在,SOI技术已得到一个前所未有的发展机会.然而,SOI最终要战胜体硅材料成为主流技术,除了降低生产成本外,还要不断地充分利用SOI技术为材料带来的优点,克服其缺点,从而拓宽其应用范围.相信随着对SOI新结构的研究与发展,将出现性能更好的SOI电路。2.SOI器件新结构2.1SOIM（silicononinsulatingmulti-layers）结构为使器件之间具有很好的电绝缘隔离性能和有效的降低寄生电容,氧化物埋层已被广泛的应用在SOI(silicon-on-insulator)技术中.然而,由于SiO2导热性能差,在很大程度上限制了SOI材料在高温与大功耗电路中的应用[1].Si3N4薄膜具有较高热导率(与SiO2薄膜热导率之比为30Wm-1K-1比114Wm-1K-1),并且具有在氢氟酸溶液中低的腐蚀速率以及良好的结构性能,是一种很好的绝缘材料.同厚度的以Si3N4和SiO2为多绝缘埋层的SOI新结构展示了比普通SOI结构更好的热性能.因此,引入Si3N4层到SOI结构中形成SOIM(silicon-on-insulator-multi-layer)新结构,从而降低SiO2层的厚度,是一种减少自加热效应的有效方法.另外,如图2所示，SOI结构中的绝缘埋层的一个重要作用是提高制备在其上面器件与电路的抗辐照性能.因而,同时具有SiO2与Si3N4绝缘薄膜的SOIM结构可以进一步提高制备在其上面的器件和电路的抗辐照能力.图2SOIM结构2.2以氮化铝为绝缘埋层的SOI结构目前绝大多数SOI材料仍然采用具有低热导率的SiO2为绝缘埋层，这就限制了SOI材料在高温、大功率集成电路中的应用。用高热导率材料取代SiO2将极大地改善器件的导热特性。AlN材料具有热导率高、电阻率大、击穿场强高、化学和热稳定性能好、热膨胀系数与Si相近等优异性能，是一种优异的介电和绝缘材料,可用于电子器件和集成电路的封装、介质隔离和绝缘，尤其适于高温高功率器件，因而成为最有前途的候选材料之一。制备这种新SOI结构关键是要得到性能很好的AlN薄膜.现在,AlN薄膜的研究已经受到各国学者的重视,AlN薄膜的制备和性能研究方面已经进行了许多工作.到目前为止,国际上已有的制备AlN薄膜的方法很多,如化学气相沉积、气态源分子束外延、反应磁控溅射、射频反应溅射和离子束辅助沉积等。这些制备方法各有其优缺点.离子束增强沉积(IBED)方法是结合离子注入与物理和化学沉积法的优点发展起来的一种新型制备技术,所合成的膜与衬底粘附力很强,可以有效地控制薄膜的结构、组成、光学和电学性质等.X射线光电子能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)结果证实,利用IBED法能合成大面积均匀的AlN薄膜。此薄膜有望代替SiO2作为SOI材料的绝缘埋层。2.3SON(silicononnothing)结构SOI器件由于具有寄生电容小、易形成浅结、可以避免闩锁效应、良好的电学特性等优点，成为深亚微米工艺中极具潜力的一种技术。随着集成度的不断提高，器件的特征尺寸不断减小,漏端对源端的影响越来越大，使漏端电力线大量穿透到源端,影响器件性能。有研究发现,通过减小SOI器件的埋层介电常数，可以减小电力线从漏端通过埋层到源端的耦合,4有效地抑制DIBL效应，提高器件的性能，特别是在薄硅膜器件中，埋层对器件的影响相对加大，减小埋层介电常数能得到更为良好的器件性能。由此考虑,介电常数为1的空洞层是埋层材料的理想选择,这就是所谓的SON(silicon-on-nothing)器件，SON器件不但能更好地抑制DIBL效应，而且在亚阈值斜率、开关比、scaling-down能力方面，均体现出优于SOI器件的特性，所以适合应用于更小尺寸的器件。但是,SON器件由于埋层材料为空洞层，它的热导率较小，使器件工作时产生的热量不能很快地通过衬底散发，所以自加热效应会影响器件的性能，成为SON器件发展的一个阻碍。图3SON结构示意图SON器件结构如图3所示，这种结构和通常的SOI器件基本相同，只是埋层材料用空洞层代替了SiO2，使埋层材料的介电常数由SiO2的319下降为空洞的1,这样可以有效抑制漏端电力线通过埋层穿透到源端,抑制DIBL效应,提高器件性能.与此同时,相应的材料热导率也大大降低,阻碍了热量的散发，使自加热效应明显,降低了器件驱动能力，给器件性能带来不利的影响。SON适合于制备GAA(doublegateorgate-all-around:双栅或多栅)晶体管,DRAM(动态随机存取存储器)电容等。另外,应用制备单层SON方法制备多层结构,得到的结构适用于三维集成。因此，SON技术对先进的有源和无源器件制备及在二维和三维共集成上实现芯片系统具有很大的应用潜力。2.4SSOI(silicononsilicideoninsulator)结构结隔离双极晶体管具有高的集电极-衬底电容和一大约20Ω/sq的埋层集电极电阻.高的电容和集电极串联电阻降低了晶体管的性能。应用带有沟道隔离的SOI衬底缩小了集电极-衬底电容和提高了堆积密度。为了减小集电极串联电阻和降低SOI层的厚度,我们在埋层氧化物和有源硅层引入一隐埋硅化钨层。一片电阻值为2Ω/sq的隐埋硅化钨层能被成功地引入SOI衬底中,SSOI能用来缩小双极和智能电路中的集电极/漏极串联电阻。在沿硅化钨轨道快的扩散速度能改善p-n-p和n-p-n晶体管的匹配及降低互补双极电路的加工费用。在SSOI结构中的高电阻率的支撑片上引入一多晶硅层,适合于MMICs(单片微波集成电路)中的p-i-n二极管和其他有源器件的集成.SSOI结构如图4(a)所示.图4(b)是制备在SSOI上的PIN二极管与同面型波导集成图。5图4(a)SSOI结构;(b)在SSOI上的PIN二极管与同面型波导集成图3.SOI器件发展新方向3.1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