论文题目: 新结构SOI材料与器件物理研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 朱鸣
导师: 林成鲁,朱剑豪
关键词: 绝缘体上的硅,自加热效应,浮体效应,等离子体浸没式离子注入
文献来源: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 集成电路正在从微电子时代发展到微纳电子时代,现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限,遇到了严峻的挑战,必须在材料和技术上有重大突破。SOI（Silicon on Insulator）技术能突破体硅材料与集成电路的限制,将成为微纳电子时代取代现有体硅材料的核心支撑技术之一。SOI技术和体硅技术相比拥有许多不可比拟的优势,然而,传统SOI材料中低热传导率的SiO2埋层所引起的自加热效应,阻碍了SOI技术在高温、高压领域的进一步发展。因此,寻找具有高热传导率的SiO2埋层的替代者就变得非常重要。 本论文正是在上述背景下,结合我们承担的973、国家自科学基金等项目开展了一系列研究工作,主要包括以下几个方面:第一,制备以AlN、DLC（Diamond Like Carbon）、SiOxNy为绝缘埋层的新结构SOI材料;第二,通过数值模拟的方法,研究SOI器件中的自加热效应和浮体效应;第三,研制具有抗辐照特性的SOI CMOS电脉冲时间间隔测定器等。获得的主要结果如下: 创新性地采用以氨气为反应气体的超高真空电子束蒸发、等离子体浸没式离子注入这两种工艺制备了低含氧量、表面平整、绝缘性能优异的AlN薄膜。通过优化的Si/AlN直接键合工艺,成功制备了大面积以AlN为绝缘埋层的新结构SOAN（Silicon on AlN）材料。分析表明,SOAN的顶层硅具有良好的单晶质量和电学性能,无定形的AlN埋层绝缘性能优异,与顶层硅以及硅衬底之间的界面清晰、陡直。SOAN材料的成功制备为拓展SOI技术在高压、高温领域的应用提供了依据。 首次成功制备了以DLC薄膜为埋层的新结构SOD（Silicon on Diamond）材料。首先,采用等离子体浸没式离子注入-沉积工艺成功制备了表面平整、绝缘性能和温度稳定性能优异DLC薄膜。进而,通过Si/DLC直接键合的工艺,成功制备了新结构SOD材料,分析结果表明顶层硅具有非常好的单晶质量且没有任何缺陷,Si/DLC的
论文目录:
摘要
Abstract
目录
第一章 绪论
§1.1 引言
§1.2 SOI材料的主流制备技术
§1.2.1 注氧隔离(SIMOX)技术
§1.2.2 键合及背面腐蚀(BESOI)技术
§1.2.3 智能剥离(Smart-cut)技术
§1.2.4 NanoCleave~(TM)技术
§1.2.5 多孔硅外延层转移(ELTRAN)技术
§1.3 新结构SOI材料与器件
§1.3.1 新结构SOI材料
§1.3.2 新结构SOI器件
§1.4 SOI器件特有的物理问题
§1.4.1 自加热效应
§1.4.2 浮体效应
§1.5 SOI市场及应用新进展
§1.6 本论文工作
第二章 以AIN为绝缘埋层的新结构SOAN材料
§2.1 引言
§2.2 超高真空电子束蒸发制备AIN薄膜
§2.2.1 实验方法
§2.2.2 实验结果与讨论
§2.2.2.1 XPS分析
§2.2.2.2 原子力显微镜(AFM)分析
§2.2.2.3 扩展电阻(SRP)分析
§2.2.2.4 击穿场强分析
§2.2.3 AlN形成的机制
§2.3 等离子浸没式离子注入制备AlN薄膜
§2.3.1 实验方法
§2.3.2 实验结果与讨论
§2.3.2.1 XPS分析
§2.3.2.2 AFM分析
§2.4 SOAN新结构材料的制备与表征
§2.4.1 智能剥离工艺步骤
§2.4.2 SOAN材料的表征
§2.4.2.1 透射电镜(TEM)观察
§2.4.2.2 XPS深度分布
§2.4.2.3 扩展电阻(SRP)深度分布
§2.5 小结
第三章 以DLC为绝缘埋层的新结构SOD材料
§3.1 引言
§3.2 DLC薄膜的制备与表征
§3.2.1 实验方法
§3.2.2 实验结果与讨论
§3.2.2.1 原子力显微镜(AFM)分析
§3.2.2.2 绝缘性能分析
§3.3 SOD新结构材料的制备及其表征
§3.3.1 实验方法
§3.3.2 透射电子显微镜(TEM)分析
§3.3.3 键合界面反应
§3.4 本章小结
第四章 以SiO_xN_y为绝缘埋层的新结构SOI材料
§4.1 引言
§4.2 实验方法
§4.2.1 等离子浸没式离子注入制备SiO_xN_y
§4.2.2 Si／SiO_xN_y／Si结构的形成
§4.3 实验结果与讨论
§4.3.1 SiO_xN_y表面层的表征
§4.3.2 Si／SiO_xN_y／Si新结构的表征
§4.3.3 Si／SiO_xN_y键合界面反应
§4.4 本章小结
第五章 SOI MOSFET自加热效应研究
§5.1 引言
§5.2 自加热效应对SOI器件和电路的影响
§5.2.1 自加热效应的热分析
§5.2.2 SOI器件温度分布模型
§5.2.3 自加热效应对沟道电流的影响
§5.2.4 跨导畸变以及负微分电阻形成
§5.3 自加热效应的模拟研究
§5.3.1 MEDICI器件模拟
§5.3.2 电热学模型
§5.3.3 器件参数对自加热效应的影响
§5.4 克服自加热效应的SOAN新结构
§5.4.1 器件设计与模拟
§5.4.2 漏端泄漏电流模拟结果
§5.4.3 亚阈值特性模拟结果
§5.4.4 输出特性模拟结果
§5.4.5 温度分布模拟结果
§5.5 本章小结
第六章 SOI MOSFET浮体效应研究
§6.1 引言
§6.2 浮体效应对SOI器件和电路的影响
§6.2.1 翘曲(Kink)效应
§6.2.2 寄生双极晶体管效应
§6.2.3 反常的亚阈值斜率
§6.2.4 漏击穿电压降低
§6.2.5 单晶体管的闩锁效应
§6.3 浮体效应的模拟研究
§6.3.1 器件参数对浮体效应的影响
§6.3.2 抑制浮体效应的新结构
§6.3.2.1 体接触结构
§6.3.2.2 SiGe源结构
§6.4 本章小结
第七章 SOI CMOS电脉冲时间间隔测定器的抗辐照设计
§7.1 引言
§7.2 SOI CMOS电脉冲时间间隔测定器的设计
§7.2.1 电路设计
§7.2.1.1 延迟电路单元(delay circuit)
§7.2.1.2 选通控制器(ctrl_strobe)
§7.2.1.3 多路选择器(MUX)
§7.2.2 版图设计
§7.2.2.1 布局布线设计
§7.2.2.2 版图检查
§7.3 抗辐照优化设计
§7.3.1 辐照引起的各种效应
§7.3.1.1 单粒子效应
§7.3.1.2 电离总剂量效应
§7.3.2 抗辐照设计
§7.3.2.1 工艺技术加固
§7.3.2.2 版图优化设计加固
§7.4 芯片试制与测试结果分析
§7.4.1 制造工艺流程
§7.4.2 芯片测试及结果分析
§7.4.2.1 芯片特性测试结果
§7.4.2.2 电路功能测试结果
§7.4.2.3 抗辐照性能测试
§7.5 本章小结
第八章 总结
参考文献
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致谢
简历
附件一
发布时间: 2006-02-08
参考文献
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