“SIMOX技术及CMOS／SIMOX器件”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

SIMOX技术及CMOS／SIMOX器件

释义

【SIMOX技术及CMOS／SIMOX器件】

SOI技术的发展最早可以追溯到20世纪50年代后期。早期的SOI结构是通过在CaF₂、MgO、单晶石英以及兰宝石上异质外延硅来实现的，其中最为成熟的是SOS技术。70年代，由于对高可靠性、高抗辐射能力集成电路的需求，加之SOS／SOI技术能使VLSI主导结构——CMOS电路实现无闭锁效应、高速、高封装密度等优点，使得人们开始寻求SOS技术的替代技术。一些SOI技术，如区熔再结晶技术、多孔硅氧化隔离技术、硅片直接键合技术及离子注入形成绝缘体埋层技术等得到重视和发展。SIMOS技术作为一种介质隔离方法应用于器件制备始于1978年。到了80年代后期，SIMOX技术的发展优势及地位得到确认，这是由于：SIMOX基片质量的不断改善，已达到VLSI应用质量要求；大束流O⁺离子注入机(100mA)的问世使得SIMOX基片的大批量商品化生产成为现实；薄硅层SOI－CMOS器件的性能改善及优点得到证实。薄硅层SOI－CMOS集成电路具有高速、低功耗、减小短沟道效应、提高电路的工作温度及抗软失效能力等优点，被认为是发展深亚微米尺寸的、CMOS超大规模集成电路的最佳器件结构。在薄硅层SOI－CMOS器件中，由于器件的性能参数与硅层厚度相关，硅层厚度一般均小于100mm，因此要求硅层厚度的控制精度低于±2．5×10^－9m以下，均匀性应小于5%。唯有SIMOX技术能达到上述要求，以其独特的优点成为发展薄硅层器件及电路的主导SOI技术。SIMOX技术与CMOS工艺相结合，已研制出256KSRAM，开发了1．2μm及1．0μm的CMOS64KSAM产品、薄硅层CMOS／SIMOX，最小门延迟时间为17ps。

SIMOX基片的制备工艺可分为2步：大剂量氧离子(10¹⁷～10¹⁸O⁺／cm²)注入以提供形成SiO₂所需的氧原子浓度；注入后高温退火以消除辐射损伤及充分形成均匀、致密的SiO₂埋层。SIMOX基片可分为3层结构：顶部硅层、SiO₂埋层及硅衬底。顶部硅层厚度受氧注入能量、注入剂量的控制，SiO₂埋层的厚度依赖于氧注入剂量，并且在一定的注入剂量下，与注入能量相关。大剂量氧离子注入形成SIMOX基片各结构层的厚度范围为：SiO₂埋层为60～500nm，顶部硅层厚度为50～380nm。大剂量氧注入引入严重的辐射损伤。在室温下，氧注入剂量为1×10¹⁵O⁺／cm²时就可使硅单晶表面层转变为无序层。为了保持硅表面的单晶性质及质量，在大剂量氧离子注入期间，硅衬底保持在较高的温度是必要的。国际上普遍认为硅衬底温度为600℃是较佳的。

高质量SIMOX基片的标志是：顶部硅层中无氧沉淀缺陷、延伸位错密度≤10⁵个／cm²、Si－SiO₂界面突变。随着对SIMOX基片制备工艺及结构性能的深入研究以及对SIMOX形成规律的掌握，已有从注入条件到退火条件成套的、高质量SIMOX基片制备的方法及工艺。

1．超高温退火。在通常的高温退火后形成的SIMOX基片的顶部硅层中，主要存在氧沉淀及延伸位错两类缺陷。在超高温下退火，可以使氧沉淀溶解，因而消除了氧沉淀缺陷。此外也消除了那些与氧沉淀相关的延伸位错，实现了Si－SiO₂界面的突变性。目前，1300℃或1400℃的超高温退火被认为是制备高质量SIMOX基片的必须的退火条件。

2．多重氧注入／退火。尽管采用了超高温退火后，氧沉淀缺陷被消除，但残留在顶部硅层中的延伸位错密度仍然较高(10⁵～10⁸个／cm²)。为此，在超高温退火基础上发展了多重氧注入／退火方法，以实现低位错密度(≤10⁵个／cm²)SIMOX基片的制备。较低剂量的氧离子注入(如1×10¹⁷／cm²)在硅中引入的辐射损伤比较易于消除。基于这一点，在多重氧注入／退火方法中，常以5×10¹⁷O⁺／cm²的氧注入剂量为单位，进行多次注入，并在中间伴有多次的退火。经过氧注入／退火3次循环而制备出的SIMOX基片，顶部硅层的位错密度可降低到10³个／cm²以下(A．Buczkowsk等，1991)。

3．SiO₂层的表面保护。SiO₂保护层可防止由于离子注入的表面溅射效应对单晶表面的破坏。在退火期间，为了防止硅表面的杂质沾污、防止氧的外逸，表面有SiO₂层保护也是很重要的。薄层器件是指器件为全耗尽型。在全耗尽器件中，当栅压V_g=0伏时，N沟及P沟器件均为全耗尽状态，而且沟道区最大耗尽区厚度X_{dm_ax}要小于硅膜的厚度。SIMOX－CMOS器件具有与体硅－CMOS器件工艺相兼容的特点，即：由于采用了台阶隔离和SiO₂埋层介质隔离，N沟MOS与P沟MOS之间实现了电气绝缘，从根本上就消除了体硅－CMOS器件所具有的闩锁效应，提高了器件的可靠性；省去了P阱(或N阱)及场氧化等工艺，使器件工艺得以简化(约30%)；由于省去了LOCOS工艺，侧面采用台阶隔离的方法，集成密度可以提高约40%；自动形成“浅结”。在薄层器件中，源区和漏区结深不再由工艺参数控制，而是由硅膜厚度决定。结电容的减小有利于器件速度的提高；由于SiO₂埋层的存在，避免了在体硅工艺中金属化接触时的“钉扎”所导致的结与衬底间的漏电流。因此在SIMOX(SOI)－CMOS器件工艺中，为了降低源和漏结区的电阻，可以采用直至SiO₂埋层的金属硅化物。薄层SIMOX－CMOS器件和电路具有以下的特性：

1．降低CMOS器件的小尺寸效应。与体硅－NMOS相比，当沟道长度缩小时，SIMOX－NMOS具有较小的阈值电压变化。这种小尺寸效应的抑制作用归因于：在薄层SIMOXNMOS中，栅下面沟道耗尽区的纵向延伸受到硅膜厚度的限制，使得栅压控制的电荷变化与栅长具有较小的依赖性。由N沟MOS的亚阈值斜率S随沟道长度的变化曲线(H．MlKi等，1991)可知：在沟道长度减小到0．5μm附近时，其S值的变化量仍然较小。这一特性明显优于厚硅MOS／SOI器件和体硅器件。在沟道长度为亚微米时，NMOS及PMOS的S值仍可达到65mV／dec及65～70mV／dec水平。进入亚微米范围内，体硅MOSFET的沟道区需要较高的掺杂浓度(一般超过10¹⁷／cm³)。而对于全耗尽、薄硅层MOSFET／SOI则约仅需10¹⁴／cm³，这就使得亚微米、薄硅层MOSFET／SOI具有较高的载流子迁移率。在NMOS／SOI器件中，由于衬底浮空效应会导致“Kink”效应。而在薄硅层NMOS／SOI器件中，“Kink”效应得到抑制甚至消除，从而改善了器件的直流输出特性。在薄硅层MOSFET／SOI中，位于SiO₂／Si界面处的纵向电场强度随着硅层厚度的减小而变低，从而极大地减少了热电子发射效应。综上所述，基于薄层CMOS／SIMOX(SOI)器件具有降低小尺寸效应的优点，使得它特别适用于亚微米、深亚微米CMOS集成电路(P．H．Wierkee等，1989)。

2．高速度、低功耗。通过薄硅层CMOS／SIMOX器件与厚硅层器件速度性能的比较可知(P．K．Vasudv，1990)，在7V的电源电压下，薄硅层器件的门延迟时间为17ps，而此时的厚硅膜器件的门延迟时约长20%。最新报道表明，栅长为0．25μm，2．5V的电源电压下，门延迟时间约为21．5ps，而速度、功耗积小于1fJ。薄硅层MOS／SOI器件高速度的原因在于：结寄生电容的减小，跨导(Gm)和驱动电流的增大(Gm的增大可达40%)。目前，薄层CMOS／SIMOX电路的速度已接近或达到ECL和GaAs的水平，但其功耗却仅为ECL电路的十分之一。

3．高工作温度及抗软失效能力。研究结果表明：在300℃的温度下，制备在SIMOX基片上的NMOS及PMOS的截止漏泄电流要比体硅基片上的小3个数量级。同时，MOSFET／SIMOX的抗软失效能力要比体硅MOSFET高近2个数量级。这些特点归因于在薄硅层器件中，有源区截面的减小，同时使得MOSFET／SIMOX器件更适用于模拟电路及空间通讯电路。

4．高密度、高成品率。根据美国TI公司开发的CMOS／SIMOX64K－SRAM产品的报道：对应于1．2μm和1．0μm的设计规则，SRAM的存贮时间分别为32ns和27ns。在25MHz下的功率分别为175mW及150mW，抗软失效能力分别6．8×10－9失效／位·天及1．3×10^－8失效／位·天产品的成品率已超过50%。TI公司认为：在目前的设计尺寸下，制备在SIMOX基片和体硅基片上的产品具有相同的成品率，而到了亚微米设计规则范围内，在SIMOX基片上制备的产品成品率将高于在体硅上的成品率。

自80年代末期以来，SIMOX技术的研究已从实验室基础研究转入到实际应用研究，面对着集成电路的发展及需求，对SIMOX技术及CMOS／SIMOX器件仍需要大量的深入细致的研究，主要体现在下列几个方面：

1．发展SIMOX技术所需要的强流注入机。国际上普遍使用的氧离子注入机系由Eaton／Nova公司生产的NV－200，最大靶流为200mA，使用了ECR离子源。然而，随着SIMOX技术的发展和广泛地应用，不仅对SIMOX基片的需求量增大，而且还要求SIMOX基片的尺径增大。同时，现有的注入机存在着金属元素易沾污SIMOX基片等问题。面临这些问题，需求生产新一代的注入机。新一代强流注氧机可望有200mA的靶流，可加工20cm(8英寸)SIMOX基片。其最为重要的核心技术在于能研制出大束流、长寿命的氧离子源。

2．薄硅层CMOS／SIMOX(SOI)器件物理及模型。实验证明：硅层厚度的减少有助于器件性能的改善，但是，如果硅层太薄，将会导致器件性能的下降(如击穿电压严重减小等)。这就说明了在发展薄硅层CMOS／SOI器件时存在着硅层厚度的优化选择。目前对于已知的一些薄硅层CMOS／SOI器件特性，如“Kink”效应的消除，漏结击穿电压的降低等，尚缺乏统一及明确的解释。因此，为了适应于薄硅层CMOS／SOI器件的发展，深入研究薄硅层CMOS／SIMOX(SOI)器件物理，建立相应的器件模型是非常紧要的。

3．SIMOX技术的新应用领域。由于SIMOX基片所存在的缺陷密度高、SiO₂埋层厚度薄等问题，使得SIMOX技术的应用局限于CMOS领域。随着SIMOX基片质量的不断改善，它的应用领域也在不断拓展。在SIMOX基片上已制备出了双极集成电路、微波器件、电力系统集成电路。目前，国际上有人在从事SIMOX基片上BiCMOS电路的研制。

90年代，SIMOX技术已进入超大规模集成电路应用及产品开发的实用阶段，对SIMOX技术及其器件的研究也更加深入和细致。目前国际上对该项技术及应用的研究主要集中在以下几个方面：强流氧离子源及注入机的发展；SIMOX基片质量的进一步优化；建立SIMOX基片的无损检测分析方法及技术；建立薄硅层SIMOX(SOI)器件模型，深入分析及研究薄硅层器件物理；探索SIMOX技术的新应用。薄硅层CMOS／SIMOX器件所具有的降低小尺寸效应的特点在发展亚微米／深亚微米集成电路中具有重大的意义。新一代的超高速、亚微米CMOS集成电路将是SOI(SIMOX)－CMOS电路。

【参考文献】：

1 陈南翔，SIMOX氧离子注入隔离技术，微细加工技术，1991，(3)：58～78

2 闵靖，Chu P K，Cheng Y C，等，形成SIMOX结构的P Ⅲ新技术的研究，半导体学报，1995，16(8)：636～640

3 林成鲁，周祖尧，林梓鑫，等，SIMOX技术的研究进展，微电子学与计算机，1995，(2)

(北京大学微电子学研究所王阳元、陈南翔、王忠烈撰)

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