部分絕緣鍵合SOI新結(jié)構(gòu)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、基于SOI相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)實(shí)踐，源自光機(jī)電新器件開發(fā)需求，在綜合Si良好導(dǎo)熱導(dǎo)電與SOI優(yōu)良隔離特性基礎(chǔ)上，本文提出了一種兼具硅和SOI優(yōu)勢(shì)的新型部分絕緣鍵合SOI結(jié)構(gòu)，并就其所面臨的預(yù)鍵合量化微觀作用機(jī)理、應(yīng)用基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了探討與分析討論。 首先，通過對(duì)部分絕緣鍵合SOI預(yù)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(jì)算方法。結(jié)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(xì)作用和大氣壓作用則是可忽略的次要因素。 計(jì)算表明，疏水性硅片預(yù)鍵合VanderWaals作用能約為124mJ/m2，對(duì)于4英寸硅片，相應(yīng)鍵合吸引力是9.73×106N；親水性硅片預(yù)鍵合氫鍵作用能約為193.3mJ/m2；毛細(xì)作用力約2.55×10—3～8.49×10—1N，毛細(xì)作用相關(guān)的大氣壓力系7.93×102N。 考慮實(shí)際情況中存在顆粒、臺(tái)階情況下，硅片預(yù)

3、鍵合時(shí)封閉的微量氣體是鍵合不可忽視的不利因素。預(yù)鍵合過程是實(shí)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(jié)果。此過程與預(yù)鍵合實(shí)際接觸面百分比和硅片間距兩個(gè)主要因素有關(guān)。對(duì)4英寸硅片，預(yù)鍵合硅片間距小于5nm時(shí)，鍵合面微觀吸引力占優(yōu)勢(shì)，并導(dǎo)致動(dòng)態(tài)正反饋，引起所謂“鍵合波”，使硅片能夠鍵合。在100mJ/m2預(yù)鍵合能假設(shè)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(jì)算毛細(xì)作用

4、力是不適合的，而把這種毛細(xì)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(jié)構(gòu)的比導(dǎo)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(duì)此，提出了簡(jiǎn)化二維和三維模型。得到的結(jié)論是在二維情況下，該結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)和仿真分析表明，該模型在導(dǎo)通電阻變化的拐點(diǎn)預(yù)

5、測(cè)上有較高精度，而此結(jié)構(gòu)電阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較模型預(yù)測(cè)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(fù)載功率情況下輻射實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了部分絕緣鍵合SOI在功率集成領(lǐng)域所面臨的抗總劑量輻射應(yīng)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(fù)載功率在自熱退火情況下與經(jīng)典文獻(xiàn)不一致特征，且結(jié)合經(jīng)典理論，提出了界面陷阱的導(dǎo)電假設(shè)；并構(gòu)建了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的器件模型，導(dǎo)出了新增氧化物陷阱正電荷與強(qiáng)反型前最大界面

6、陷阱負(fù)電荷近似相等約為6.78×1011cm-2，強(qiáng)反型后最大界面陷阱負(fù)電荷減小到1.54×1011cm-2的結(jié)果。 鑒于實(shí)驗(yàn)研究與可行性驗(yàn)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(jié)構(gòu)的鍵合完整率大于85％，鍵合界面電阻小于5×10—4Ω．cm2。同時(shí)，開展了部分絕緣鍵合SOI集成垂直導(dǎo)電VDMOS的BCD工藝和器件研究；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其VDMOS擊穿電壓為160V，導(dǎo)通電阻0.3Ω，比導(dǎo)通電阻26m