论文摘要
基于SOI相关基础理论和技术实践，源自光机电新器件开发需求，在综合Si良好导热导电与SOI优良隔离特性基础上，本文提出了一种兼具硅和SOI优势的新型部分绝缘键合SOI结构，并就其所面临的预键合量化微观作用机理、应用基础理论和关键工艺技术进行了探讨与分析讨论。首先，通过对部分绝缘键合SOI预键合3种主要微观作用力的比较研究，获得了平板间Van der Waals作用力模型及其计算方法。结果指出，亲水性硅片键合中氢键作用力是主要因素，而疏水性硅片键合中主要因素为Van der Waals作用力，毛细作用和大气压作用则是可忽略的次要因素。计算表明，疏水性硅片预键合Van derWaals作用能约为124mJ／m2，对于4英寸硅片，相应键合吸引力是9．73×106N；亲水性硅片预键合氢键作用能约为193．3mJ／m2；毛细作用力约2．55×10-3～8．49×10-1N，毛细作用相关的大气压力系7．93×102N。考虑实际情况中存在颗粒、台阶情况下，硅片预键合时封闭的微量气体是键合不可忽视的不利因素。预键合过程是实际硅片键合面非理想平整性所占百分比引起的硅片弹性形变与键合面微观作用力博弈结果。此过程与预键合实际接触面百分比和硅片间距两个主要因素有关。对4英寸硅片，预键合硅片间距小于5nm时，键合面微观吸引力占优势，并导致动态正反馈，引起所谓“键合波”，使硅片能够键合。在100mJ／m2预键合能假设下，键合硅片接触面间距约为0．22nm。通过比较分析，发现键合硅片采用接触面积来计算毛细作用力是不适合的，而把这种毛细作用力看作边缘曲线而不是面积作用力则更为合理。其次，大电流功率集成电路广泛存在埋层结构的比导通电阻优化是所述部分绝缘键合SOI面临的另一基本问题。对此，提出了简化二维和三维模型。得到的结论是在二维情况下，该结构的电阻具有自限制特性，比电阻具有近似的随尺寸增加而线性增加特性；在三维情况下，其埋层电阻不再具有自限制特性，但比电阻仍然有同样近似线性增加的特性。实验和仿真分析表明，该模型在导通电阻变化的拐点预测上有较高精度，而此结构电阻实验数据较模型预测值约小28％。再者，基于兼容部分绝缘键合SOI工艺的VDMOS和X射线的不同负载功率情况下辐射实验，进行了部分绝缘键合SOI在功率集成领域所面临的抗总剂量辐射应用探索。据器件X射线辐射亚阈值Ⅰ-Ⅴ曲线，观察到了器件大负载功率在自热退火情况下与经典文献不一致特征，且结合经典理论，提出了界面陷阱的导电假设；并构建了与实验数据相吻合的器件模型，导出了新增氧化物陷阱正电荷与强反型前最大界面陷阱负电荷近似相等约为6．78×1011cm-2，强反型后最大界面陷阱负电荷减小到1．54×1011cm-2的结果。鉴于实验研究与可行性验证的考虑，提出了LPCVD和外延多晶作为键合界面过渡层方法，从而使该结构的键合完整率大于85％，键合界面电阻小于5×10-4Ω．cm2。同时，开展了部分绝缘键合SOI集成垂直导电VDMOS的BCD工艺和器件研究；实验结果显示，其VDMOS击穿电压为160V，导通电阻0．3Ω，比导通电阻26mΩ．cm2，NPN、PMOS、NMOS击穿电压分别是50V、35V、30V，NPN电流增益120，截止频率700MHz。预计部分绝缘键合SOI结构及相关技术可望用于新型集成器件，尤其是需厚硅膜的汽车电子、抗辐射、强电磁脉冲环境下单片集成器件、微电子机械系统MEMS和光集成电路OEIC等领域，并希就此主题引起相应的关注与交流讨论。
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