SIMOX：氧离子注入隔离技术

过去十多年,SIMOX技术应用已得到证实。本文着重介绍了SIMOX技术及SIMOX结构的基本形成规律,论述了SIMOX技术在集成电路中,尤其是超薄层亚微米CMOS集成电路中的应用及其发展前景。     

SIMOX上外延层的TEM研究

氧注入隔离(SIMOX:Separation by IMplanted OXygen)是绝缘层上形成单晶硅(SOI:Silicon onInsulator)结构的最有前途的技术。制备工艺简单,可获得绝缘层上高质量的单晶硅膜。由于SIMOX衬底与体材料硅相比有许多潜在的优点,如有较高的开关速度、较强的抗辐照能力和避免闭锁效应等,正受到人们越来越多的关注。SIMOX衬底上分子束外延生长GaAs或Si/Ge_(0.5)Si_(0.5)应变层超晶格薄膜,具有异质外延材料和SIMOX的全部优点。可把GaAs光电器件和硅集成电路集成在一块芯片上。SIMOX中氧化物埋层由氧离子注入单晶硅形成,注入能量为200kev,剂量为1.8×10~_(18)/cm~2。注入后试样在1300C干氮气氛中退火6小时,然后在SIMOX     

SIMOX技术及CMOS／SIMOX器件的研究与发展

SIMOX技术是最具有发展前途的SOI技术之一。在发展薄硅层、深亚微米OMOS/SOI集成电路中,SIMOX技术占有极其重要的地位。本文综述了SIMOX基片的形成、高质量SIMOX基片的制备方法。阐述了薄硅层OMOS/SIMOX器件的工艺特点以及器件的性能特点。本文也就SIMOX技术及GMOS/SIMOX器件的研究现状及发展趋势进行了讨论。     

重金属杂质对SIMOX片的沾污研究

对国内外几种SIMOX硅薄样品进行位错密度测量,再用紫外光致荧光法（UVF）对其在集成电路工艺流片前后的Fe,Cu,Ni,Mo等重离子沾污作对比测定,结合SIMOX／MOS管的漏电行性,作为简要的机理分析,结果表明,重离子沾污不但在形成SIMOX结构时产生,在集成电路工艺流片过程中也会发生,并明显影响MOSFET的性能,重金属杂质的沾污程序与SIMOX材料的位错密度密切相关,位错密度可能是沾污重金属原子的吸收中心。要降低重金属杂质的沾污首先必须降低SIMOX材料的位错密度。     

SIMOX技术及其发展和应用

一、序言 SIMOX技术(Se(?)oration by Implanted oxygem)是日本电信电话公社和武芷野电气通信研究所于1978年首先提出来的。近二、三年来已有非常引人注目地得到发展。用氧离子注入技术在体硅内形成SiO_2层,把它作为绝缘层衬底,直接用其上面的过渡层或者在其上面外延生长硅层来制作MOS,CMOS等有源器件,它兼有体硅和SOS器件的优点,可望在大规模、超大规模集成电路中得到发展。 本文着重介绍SIMOX技术,SIMOX-SiO_2层上的外延生长硅,SIMOX衬底的特性,以及在MOS场效应晶体管,CMOS电路等器件中的应用。     

一种用作高压变流器的智能功率管

马达、照明装置、电源,无不得益于高压智能功率集成电路——高压智能功率管。它除了控制逻辑外,还有过压、过热、过载、短路等自动保护功能。高压功率集成依赖于介质隔离技术,而一般的介质隔离技术已不能很好地满足系统化集成的需要。一种新的SOI技术——注氧隔离(SIMOX)技术,提供了高压功率集成整个系统的可能性。本文在分析高压智能功率器件的有关技术的基础上,结合VDMOS和IGBT的功率集成器件,讨论了SIMOX技术的好处和限制,以及高压智能功率管的设计问题。     

SIMOX上Si／Ge0.5Si0.5超晶格的TEM分析

借助剖面电子显微学(TEM)和离子背散射沟道技术研究了SIMOX衬底上分子束外延生长的Si/Ge_(0.5)SI_(0.5)应变层超晶格薄膜。实验结果表明Si/Ge_(0.5)Si_(0.5)应变层超晶格能成功地生长在SIMOX衬底上。由于si/Ge_(0.5)Si_(0.5)膜与SIMOX衬底之间晶格失配,引起晶格畸变。分析SIMOX超晶格的显微结构,Si/Ge_(0.5)Si_(0.5)超晶格内存在的位错与SIMOX衬底内的位错密度有关引言Si衬底上分子束外延Si/Ge_(0.5)Si_(0.5)应变层超晶格是基础研究和器件应用的重要研究领域。某些以Si/Ge_(0.5)Si_(0.5)层为基础的高质量器件已研制成功。例如异质结的双极型晶体管。     

短沟道薄硅膜CMOS/SIMOX电路的研究

通过大剂量氧离子注入(150key,2×10~(18)O~+/cm~2)及高温退火(1100℃,8h)便可形成质量较好的SIMOX结构。本文报道了制备在硅膜厚度为160nm的SIMOX结构上的短沟道CMOS/SIMOX电路特性。实验结果表明:薄硅膜器件有抑制短沟道效应(如阈值电压下降)、改善电路的速度性能等优点,因而薄硅膜SIMOX技术更适合亚微米CMOS IC的发展。     

抗总剂量辐射0.8μm SOI CMOS器件与专用集成电路

介绍了采用全剂量SIMOX SOI材料制备的0.8μm SOI CMOS器件的抗总剂量辐射特性,该特性用器件的阈值电压、漏电流和专用集成电路的静态电流与高达500krad(Si)的总剂量的关系来表征.实验结果表明pMOS器件在关态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于320mV,nMOS器件在开态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于120mV,器件在总剂量1Mrad(Si)辐射后没有观察到明显漏电,在总剂量500krad(Si)辐射下专用集成电路的静态电流小于5μA.     

抗总剂量辐射0.8μm SOI CMOS器件与专用集成电路

介绍了采用全剂量SIMOX SOI材料制备的0.8μm SOI CMOS器件的抗总剂量辐射特性,该特性用器件的阈值电压、漏电流和专用集成电路的静态电流与高达500krad(Si)的总剂量的关系来表征.实验结果表明pMOS器件在关态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于320mV,nMOS器件在开态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于120mV,器件在总剂量1Mrad(Si)辐射后没有观察到明显漏电,在总剂量500krad(Si)辐射下专用集成电路的静态电流小于5μA.     

低压高速CMOS/SOI器件和电路的研制

采用全耗尽CMOS／SIMOX工艺成功地研制出了沟道长度为0．5μm的可在1．5V和3．0V电源电压下工作的SOI器件和环形振荡器电路．在1．5V和3．0V电源电压时环振的单级门延迟时间分别为840ps和390ps．与体硅器件相比，全耗尽CMOS／SIMOX电路在低压时的速度明显高于体硅器件，亚微米全耗尽CMOS／SOI技术是低压低功耗和超高速集成电路的理想选择．     

两步退火对SIMOX结构形成的影响

本文通过卢瑟夫沟道背散射(RBS/Channeling)及透射电子显微镜(TEM)研究了SIMOX结构的低、高温两步退火形成。实验结果表明:通过两步退火可以获得顶部硅层中无氧沉淀缺陷的、硅与二氧化硅界面较为突变的SIMOX结构。本文也讨论了在两步退火期间,SIMOX结构形成的物理过程。     

抗辐射能力为兆拉德(硅)的CMOS/SIMOX器件

采用SIMOX和新研制的横向隔离结构作出了抗核辐射的CMOS/SIMOX器件,这些器件经2兆拉德(硅)γ射线辐射后,仍具有充分的工作性能。     

半导体材料

0205855低剂量 SIMOX 圆片线缺陷的针孔的研究[刊]/郑望//功能材料与器件学报.—2001.7(4).—431～433(C)用 Secco 法、Cu-plating 法分别表征了低剂量SIMOX 圆片顶层硅线缺陷、埋层的针孔密度。结果显示,低剂量 SIMOX 圆片的顶层硅缺陷密度低,但埋层质量稍差。通过注入工艺和退火过程的进一步优化,低剂量 SIMOX 将是一种有前途的 SOI 材料制备工艺。参7     

SIMOX结构的低温（550℃）退火形成

本文研究了低温(550℃)退火对于SIMOX结构形成的影响。实验中发现:低温退火制备的SIMOX结构与高温(1100℃)退火制备的有明显不同。通过低温退火,可以获得质量优于高温退火的顶部硅层。低温退火可以避免在顶部硅层中氧沉淀及延伸位错等缺陷的形成。本文还讨论了退火期间SIMOX结构的形成过程。     

超高温退火(1400℃)对SIMOX结构性能的影响

本文着重研究了1400℃超高温退火对SIMOX结构的影响,并与常规的高温退火(1100℃)进行了对比。实验结果表明:超高温退火能显著地改善Si-SiO_2界面特性。消除顶部硅层中的氧沉淀缺陷。但同时,超高温退火也给SIMOX带来了硅片形变、滑移、顶部硅层中氧含量高等新问题。     

高温氢气氛对SIMOX/SOI结构的损伤

SIMOX/SOI样品在1000～1200℃的高温H_2气氛中作不同时间(5—30分)的烘烤。结果,SOI结构受到了不同程度的损伤。测试结果表明,这种损伤包括:高温H_2使SOI结构顶层Si中缺陷的扩展,高温H_2使埋层SiO_2分解和分解后的O_2(或H_2O)在外释过程中造成表层单晶Si的损伤。高温H_2对SIMOX结构的这种损伤对SIMOX/SOI的外延是不利的。     

部分耗尽型注氟SIMOX器件的电离辐射效应

采用在SIMOX圆片埋氧层中注入氟(F)离子的方法改善SIMOX的抗总剂量辐射能力,通过比较未注F样品和注F样品辐照前后SIMOX器件Ids-Vgs特性和阈值电压,发现F具有抑制辐射感生pMOSFET和nMOSFET阈值电压漂移的能力,并且可以减小nMOSFET中由辐照所产生的漏电流.说明在SOI材料中前后Si/SiO2界面处的F可以减少空穴陷阱密度,有助于提高SIMOX的抗总剂量辐射能力.     

SIMOX材料顶层硅膜中残余氧的行为

利用光致发光谱 (PL)和二次离子质谱 (SIMS)检测了不同退火条件下处理的 SIMOX材料的顶层硅膜 .实验结果显示 ,SIMOX顶层硅膜的 PL 谱有三个峰 :它们是能量为 1.10 e V的 a峰、能量为 0 .77e V的 b峰和能量为0 .75 e V的 c峰 .与 RBS谱相比 ,发现 a峰峰高及 b/ a峰值比是衡量顶层硅膜单晶完整性的标度 .谱峰 b起源于SIMOX材料顶层硅膜中残余氧 ,起施主作用 .SIMS测试结果显示 ,谱峰 c来源于 SIMOX材料顶层硅膜中的碳和氮 .     

SIMOX薄膜材料的红外光谱特性和薄膜厚度的非破坏性测量方法

报道了 SOI材料薄膜厚度的非破坏性快速测量方法 ,详细地研究了 SIMOX材料的红外吸收光谱特性 ,求出了特征峰对应的吸收系数 .提出利用红外吸收光谱测量 SIMOX绝缘埋层厚度的非破坏性方法 ,并根据离子注入原理计算出表面硅层的厚度 .SIMOX薄膜的表层硅和绝缘埋层的厚度是 SOI电路设计时最重要的两个参数 ,提供的非破坏性测量方法 ,测量误差小于5% .在 SIMOX材料开发利用、批量生产中 ,用此方法可及时方便地检测 SIMOX薄膜的表层硅和绝缘埋层的厚度 ,随时调整注入能量和剂量