（微电子学与固体电子学专业论文）rf+soi+cmos工艺器件仿真及电路应用研究.pdf

_，j_!j1j_，1 1 。_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 m st h e s i so f2 0 1 0 u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 r e g i s t e rn u m b e r ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 2 3 e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y r fs o ic m o sp r o c e s sa n dd e v i c es i m u l a t i o na n d c i r c u i ta p p l i c a t i o nr e s e a r c h d e p a r t m e n t ：d e p t o fe l e c t r o n i cs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a j o r ： s p e c i a l t y ： m e n t o r ： n a m e ： m i c r o e l e c t r o n i c s s o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s 2 0 1 0 0 5 2 个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明并表示谢意。 日期：t o i 。年r 月纠日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 r fs o ic m o s 工艺器件仿真及电路应用研究系本人在华东师范大学攻 读学位期间在导师指导下完成的硕左博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究 成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学 位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文 的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借 阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索， 将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位 论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文奉，于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 力2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名至丝 1 。l 。年岁月) i e t 毒“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过 的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有 效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公 开学位论文，均适用上述授权) 。 王超硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 主席 带健锈强缉磐- j 啊幻海 乱噍卫蕊吮艮骛孙慨s 六障 喀枞翻次扳鳞却i j 概。零 。 i i - 2 0 1 0 届华东师范大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着便携式系统和无线通讯系统的迅速发展，电子产品的消费已经 转移到射频领域。这为s o l 技术的应用开辟了广阔的前景：一方面，由于射频领 域的便携式系统和无线通讯系统多数是使用电池作为能源的，因此降低系统功耗 和驱动电压就成为需要解决的首要问题。在这方面，s o lc m o s 技术由于寄生电 容小而成为解决功耗问题的一项关键技术。另一方面，射频领域的发展要求集成 水平和工作频率提高，耦合噪声问题变得更加关键。采用全氧隔离的s 0 1c m o s 技术实现了器件和基片之间的完全隔离，显著降低了高频r f 和数字、混合信号 器件之间的串扰现象，从而使耦合噪声问题得到的很大改善。 本论文根据所承担的上海市科委项目要求，参与制定了s o ic m o s 电路与器 件的设计规则，并绘制了版图。在这一基础上，参加了上海贝岭公司的0 5 u ms 0 1 c m o s i 艺平台的建设。利用s i l v a c o 软件对s o lc m o s i 艺进行了模拟仿真。由 于该公司s o r i 艺平台在国内属特种工艺，因此本文所取得的仿真及研究成果对 今后的s o ic m o s 工艺的改进具有重要意义。 本文研究取得的结果如下： 1 详细介绍了0 5 u r ns 0 1c m o s 的工艺流程，并利用s i l v a c o 软件对工艺进行仿 真。在仿真结果的基础上，对贝岭公司原有的0 5 u m 体硅工艺进行开发和改进， 为国内s o lc m o s 工艺的研究与工艺生产线的建立提供了参考。 2 研究了s o ic m o s 器件尤其是p ds 0 1m o s 器件的特性和特殊结构，例如： t 型栅，h 型栅等体接触结构。试制了s o ic m o s 器件并进行了测试，取得了初步 测试结果 3 设计了用于射频前端的r fs o ic m o s 开关电路，并对电路进行了优化和仿 真。完成了电路的版图设计并流片。设计电路目前在测试中。 关键词：射频s 0 1c m o s ，工艺仿真，s o i 器件，s i l v a c o ，开关电路。 本论文受上海市科委项目n o 0 8 7 0 6 2 0 0 8 0 2 ，上海市科委项目n o 0 8 7 0 0 7 4 1 3 0 0 资 助资助。 2 0 1 0 届华东师范人学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o r t a b l es y s t e m sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v e g o tt h er a p i dd e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e s es y s t e m s ，t h ec o n s u m p t i o n o fe l e c t r o n i cp r o d u c t sh a ss h i f t e dt or ff i e l d i tm a k e sab r o a dp r o s p e c tf o r t h es 0 1 t e c h n o l o g y ：o no n eh a n d ，a st h er a d i of r e q u e n c y f i e l dp o r t a b l es y s t e m sa n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r em o s t l yu s et h eb a t t e r ya sa ne n e r g ys o u r c e ，t h e r e b y r e d u c i n gs y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o na n d d r i v ev o l t a g ew i l lb et h em o s ti m p o r t a n t i s s u et ob er e s o l v e d t h ep a r a s i t i cc a p a c i t a n c eo fs o ic m o si ss m a l l ，s oi tb e c o m e sa k e yt e c h n o l o g yf o rt h es o l u t i o no ft h ep r o b l e m o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e v e l o p m e n to f t h er ff i e l dh a sr e q u i r e m e n t so fi n t e g r a t i o nl e v e la n d o p e r a t i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e ，s o t h ec o u p l i n gn o i s eb e c o m e sm o r ec r i t i c a l o x y - i s o l a t i o no fs o lc m o s t e c h n o l o g y h a sg o ta c o m p l e t es e p a r a t i o nb e t w e e nd e v i c e sa n dt h es u b s t r a t ea n dg r e a t l yr e d u c e s t h eh i 【g hf r e q u e n c yr fa n dd i g i t a l ，m i x e d - s i g n a lc r o s s t a l kb e t w e e nt h ed e v i c e p h e n o m e n a ，t h u sc o u p l i n gt h en o i s ep r o b l e mi st h eg r e a t l yi m p r o v e d i nt h ep r o j e c tw h i c ht h i sp a p e r b e l o n g ，w et a k ep a r ti nt h ed e v e l o p i n g o ft h e s h a n g h a ib e l l i n gc o r p o r a t i o n0 5 u r ns 0 1c m o st e c h n o l o g yp l a t f o r m u s i n g s i l v a c os o f t w a r et os i m u l a t eo fs o ic m o s t e c h n o l o g yu s e d ，a n dm a k eas t u d ya n d i m p r o v e m e n tf o rt h es o lc m o st e c h n o l o g yp l a t f o r mo ft h ec o m p a n yc o n d u c t e d s i n c et h es o ic m o st e c h n o l o g yp l a t f o r mi st h ef i r s ti nt h ec o u n t r y ，s ot h er e s u l t s o b t a i n e db ys i m u l a t i o na n dr e s e a r c hf o rt h ei m p r o v e m e n to fs o ic m o st e c h n o l o g y a r ei m p o r t a n t i nt h i sp a p e r ，t h er e s u l t sw eg o ta r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c et h es o ic m o s p r o c e s sf l o wi nd e t a i l s ，a n du s es i l v a c o s o f t w a r e p r o c e s sf o rp r o c e s ss i m u l a t i n g w ea d j u s tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sb a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t so b t a i n e db ys i m u l a t i o na n dr e s e a r c hp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i so fs o ic m o s t e c h n o l o g yi nt h ec o u n t r y 2 m a k ear e s e a r c ho ft h es 0 1c m o sd e v i c e s ，e s p e c i a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s p e c i a ls t r u c t u r e so fp ds o im o s d e v i c e s 3 d e s i g nar ff r o n t - e n dr fs o ic m o ss w i t c hc i r c u i ta n dd r a wt h es w i t c h c i r c u i tl a y o u t t h e ni m p r o v ea n ds i m u l a t et h ec i r c u i t 三竺! 竺堡兰奎i 师苎叁兰堡生兰垡笙壅 k e yw o r d s ：r fs o ic m o s ，p r o c e s ss i m u l a t i o n ，s o id e v i c e s ，s i l v a c o ，s w i t c h c i r c u i t t h i st h e s i sp r o j e c tf u n d sb yt h es h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o n p r o j e c tn o 0 8 7 0 6 2 0 0 8 0 2 ，s h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o np r o j e c t n o 0 8 7 0 0 7 4 1 3 0 0 摘要 a b s t r a c t 第一章绪 论 1 1 1j ；i 言1 1 2s o i 材料的技术特点1 1 3s o ic m o s 器件相比体硅c m o s 器件的优势2 1 4 s o i 在r f 电路中的应用优势一3 1 5s o i 的主要制备工艺5 1 6 国内外的研究状况和动态6 1 7 本论文的内容安排7 第二章s o ic m o s 的工艺流程及s i l v a c o 仿真 8 2 1s i l v a c o 程序a t h e n a 系统简介8 2 2 工艺流程及仿真8 2 3 工艺，f 台的改进讨论。2 0 2 4 本章小结。2 1 第三章s o l 的器件特性及模型分析。 3 1p ds o im o s 器件的基本特性2 3 3 2p ds o lm o s 器件的特殊结构2 6 3 3 基于s o l 技术的无源器件及其他器件2 9 3 4s o l 器件建模简介。3 0 第四章$ o ic m o s 器件试制与测试分析 4 1 - ”t h , 片测试3 i 三台。3 6 4 2r fs o im o s 器件的版图及测试分析3 9 4 3 电阻的流片版图及测试结果4 5 4 4 本章小结4 7 第五章基于r f s o l 的电路设计分析 4 8 5 1r fs o i 的电路应用分析4 8 5 2r fs o i 射频前端电路应用分析。4 9 5 3 射频前端开关电路简介5 0 5 4 开关电路结构分析一5 1 5 5 开关电路的设计与优化。5 2 5 6 开关电路的仿真5 3 5 7 版图设计5 4 5 8 r f s o l 开关电路的芯片试制。5 5 5 9 本章小结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 2 2 0 1 0 届华东师范人学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 s o i 技术是一种新型的在绝缘硅层上制作半导体层，形成具有特殊结构的微 电子芯片技术。s o i 材料是近1 0 多年提出的一种新型微电子材料。随着超大规 模集成电路的发展，航空航天与国防军工对高速、抗辐射为电子器件的需求，以 及移动通信和家用电器市场的快速发展而迅速发展起来。由于s o i 与体硅材料相 比具有很多优点，因而受到国内外学术界与工业界的广泛重视。 基于r fs o ic m o s 的电路具有其特定的优势，包括：速度快、功耗低、抗 辐照；大大减小在同一块芯片上射频和数字电路之间的串扰；易于集成优质无源 器件。所以，r fs o ic m o s 技术是在射频应用中是最有前途的技术之一：首先， 它具有集成度高的特性，可提供真正的r f 系统的片上集成；其次，它提供了 g a a s 半导体器件相仿的性能；同时，它还具有体硅c m o s 的经济性和集成可靠 性。因此，本文研究的s o lc m o s 电路将成为2 1 世纪最有发展前途的技术之一 【1 】- 【6 1 。 1 2s o i 材料的技术特点 在绝缘衬底上获得单晶半导体薄膜的早期努力可追溯到1 9 4 8 年，e l l e m c n 和w j l m a n l 7 】首先报道了在n a c i 上生长p b s 单晶的成果。在硅集成电路研制的早 期阶段，各集成电路器件间的电学隔离主要是靠p n 结的反向偏置和扩散保护环 来实现的。但是，这些方法都有泄露电流和金属互连引线与衬底的短路问题。s o i 技术能使器件之间在物理和电学上彼此都隔离。此外，s o i 技术还对改善电路密 度和可靠性有重大贡献。更重要的是，用s o i 技术可减少器件和电路的寄生电容。 所有扩散区的结电容可减少到只与那个元件在硅薄膜中扩散的侧壁有关。由于寄 生电容大大减少了，使得在s o i 结构的材料上制作的集成电路与在体硅材料上相 应制作的集成电路相比较，在速度和功耗上均有相当大的改善。 s o i 技术除了上述的潜在优点外，另一个重要特征是在军事方面的应用。因 为集成电路部分仅处在绝缘衬底上的硅薄膜内，所以由瞬时辐照产生少数载流子 2 0 1 0 届华东师范人学硕上学位论文 的硅体积响应减少了个数量级。因此，用s o i 制作的集成电路，具有优越的耐瞬 时辐照的特性。所以，早期致力于研制绝缘体上的硅膜结构的主要动机，是用来 改善集成电路中器件的隔离，同时发现了s o i 集成电路在速度和功耗方面存在很 多优点。 1 3s o ic m o s 器件相比体硅c m o s 器件的优势 s o i 技术作为一种全介质隔离技术，有着许多体硅技术不可比拟的优越性。 典型的s o ic m o s 结构如图1 - 1 所示，从图中可以看到，s o i 器件仅制造于表层 很薄的硅膜中，器件与衬底之间有一层隐埋氧化层隔开，正是这种独特的结构使 得s o ic m o s 器件具有了体硅c m o s 器件所无法比拟的优点。 图1 - 1s o im o s f e t 器件的简图 s o ic m o s 器件的第一个优点是：由于器件之间固有的介质隔离和s o i 的氧 化埋层结构，s o ic m o s 器件完全消除了互连线与衬底的电容，互连线之间的电 容也大大减少。m o s 管源漏区杂质扩散穿透外延硅膜直到达埋氧层表面，因此 形成的p n 结寄生电容也远小于体硅c m o s 器件。由于大大减少了寄生电容， s o ic m o s 器件具有更高的工作速度、更低的驱动电压和更低的功耗等优良特 性。 s o ic m o s 器件的第二个优点是：不需要制作额外的阱区，也不需要形成反 型阻挡层。因而其具有较高的集成度。因此，其设计与制造工艺过程也比体硅集 器件简单。 s o ic m o s 器件的第三个优点是：器件之间的场区下没有硅膜，因而不存在 体硅c m o s 器件中产生的寄生晶体管，从而从根本上消除了体硅c m o s 器件中 2 2 0 1 0 届华东师范大学硕十学位论文 存在的l a t c h - u p 效应。 利用s o i 材料与c m o s 工艺制备的集成电路具有抗辐照、耐高温、速度快 等优点，因而广泛应用与军工、航空、航天、核工业等领域内【8 1 。 1 4s o i 在r f 电路中的应用优势 随着射频电路工作频率和集成度的提高，衬底材料对电路性能的影响越来越 大。而且低功耗在射频电路应用中扮演着重要的角色。s o ic m o s 技术不但具有 工作频率高，工艺集成度高等特点，而且由于它的埋氧层实现了有源器件区和衬 底之间的完全隔离，降低了寄生电容，从而降低了功耗。所以s o ic m o s 技术在 射频电路的应用中具有很大的优势。 另外，选用高阻衬底形成的高阻s o i 不但具有s 0 1 的优点，还具有高阻硅片 的特性：降低高频r f 和数字、混和信号器件之间的串扰；提高有源、无源器件高频 性能等。而体硅c m o s 技术由于闩锁效应的原因不可能采用高阻衬底，这制约了 它在射频领域的应用p j 。 如图1 2 所示，为1 0g h z 范围内片间隔离度的测量结果。可以看出，采用s o i c m o s 技术，隔离效果比体硅器件提高了许多。 是 疗 l b uk iii ) i _l s oa lo i - ， ji 一一一， ni q ni 埔f勘，lt l l i i l ，i 一 一， 。，v l i v 一ri t - v j r 夕 t r e n c ho fs u b s t r a t et i e d o势 - _ 一 a 割罂瞅t e s o 一一 ，一l ，- 。二k 脚卅f 1 f r e q u e n c y f g h z 图1 2 体硅和s o l 器件隔离度的比较 除了降低串扰，s o i 衬底还降低了高频微带衬底的损耗。最近的研究表明， 衬底电阻率为2 k o c m 时，微带在2 g h z 的损耗只有0 0 3 d b m m ，而在体硅衬底的 5 0 0 c m 衬底上为0 5 5 d b m m i l o 】。 最近，y u e ，c p 等人【1 1 】提出了一个简单的电感模型，在高频域，q 的最大值 由衬底损耗决定。可以通过采用高阻s o ic m o s 衬底来提高q 值，只用两层标准 3 2 0 1 0 届华东师范大学硕十学位论文 金属工艺，就可以获得5g h z 时，q 值为1 0 的效果，而采用体硅c m o s 则需要5 6 层。可见采用s o ic m o s 技术，可以简化工艺，从而缩短生产周期。图1 3 给出了 s o ic m o s 和体硅c m o s 技术的电感q 值与频率的关系，从中可以看出，s o l 铝q 造 的电感q 值更好。 f r e q u e n c y l gh z 图1 3s o l 电感q 值与频率的关系 无源元件如电感、电阻和电容，都在r f 前端设计中起了很重要的作用。s o i 工艺制造的电阻与体硅工艺制造的多晶硅电阻相比，s o ic m o s 在小于1 8g h z 的范围内都接近于理想电阻，大大减少了与衬底相关的r f 损耗，如图1 4 所示。 而体硅c m o s 电阻由于衬底藕合，电阻值在5g h z 就开始下降，在高频时可以 得到类似的电容性能提高的结果。 1 li d e a lr e s i st o l t 1 1 1 口一 _ 一 o k 口n 献 2 n 1 口- r ”e t -i l 。 - | l r l、 1 4 l| 6 ii | 1 l b u l k c m o s ：8 i i j o 净r c os t a f f i o l 1l 、 鲁 专 薹 要 暑 芒 岔 ii 、r j 芦 鎏 一 f j 瑚 、t! u l c m t j s , lp i v 口i ， - f l b u l k ( 、m 0 1l j il - o i vr e 、s “” i。li i l 图1 4 不同衬底电阻损耗与频率的关系 4 胃1”oo芒等_盘 2 0 1 0 届华东师范大学硕上学位论文 1 5s o i 的主要制备工艺 目前制备s 0 1 材料的主流技术有：注氧隔离( s i m o x ) 技术，硅片键合与背面 腐蚀s 0 1 ( b e s o i ) 技术以及s m a r t c u t 技术。 ( 1 ) 注氧隔离( s i m o x ) 技术 注氧隔离技术是目前通用的，较为先进和成熟的s o l f l ；l j 备技术。该技术的工 艺主要包括氧离子注入( 通过超剂量的离子注入方式在硅表层下产生一个高浓度 的注氧层) 和高温退火两个步骤，高温退火处理一是为了消除注入损伤，二是借 助于杂质扩散和化学驱动力进一步形成绝缘埋层，并且使顶部硅层与埋氧化层的 界面变得更加陡直。 目前s i m o x 圆片制备技术发展动向是低剂量注入和薄隐埋氧化层圆片。低 剂量注入可降低品片的生产成本，并可减少对晶片的沾污。薄的隐埋氧化层能减 少短沟道效应，改善散热，提高抗辐射性能。 ( 2 ) 硅片键合与背面腐蚀s o l ( b e s o i ) 技术 硅片键合方法首先i 妇i b m 公司i 拘l a s k e y t l 2 】提出。该制备技术的要点是在一 块硅片上制作s i 0 2 层，然后使其与另一块硅片键合，最后对键合硅片背面进行化学 腐蚀，从而形成s 0 1 结构。这项技术有工艺简单，成本低，易于制作大尺寸的s 0 1 材 料等特点。 ( 3 ) s m a r t c u t 技术 近年来开发的智能剥离( s m a r t c u t ) 技术是将键合和注入相结合的技术， 由b r u e l ，a s p a r 等k t l 3 】提出。它的电学特性和s i m o x 技术相似，而且工艺简单， 成本较低，是目前最有前景的薄层转移技术。 s m a r t c u t 技术原理是利用h + 注入，在s i 片中形成气泡层。然后将注氢片与一 个支撑片键合，支撑片的表面有热氧化s i 0 2 层，经适当的热处理使注氢片从气泡 层完整裂开，形成s o l 结构。 s m a r t c u ts 0 1 材料的特点是顶部硅层的厚度可通过离子注入工艺参数的变 化来控制，顶部硅层的质量相当于抛光硅片，隐埋层完整。另外，硅片剥离后，还可能 回收重新使用，从而节省原料，降低制造成本。这项技术结合了离子注入和硅片键 合两种技术的优势，这相比于s i m o x 工艺和b e s o i 工艺是一个很大的竞争优势。 5 2 0 1 0 届华东师范人学硕：上学位论文 1 6 国内外的研究状况和动态 近年来，国内外的许多著名企业和高校都投入了大量人力物力对r fs o i 技术 的应用进行研发，取得了不少成果。 h o n e y w e l l 公司利用自有s o ic m o s 技术专利，开发了具备极高隔离度的r f s o i 开关。该开关自带e s d 保护单元，它的主要优势性能在于低插入损耗，高邻 道隔离，及极快的开关时间( 2 0 n s ) 。另外，h o n e y w e l l 公司生产的数字天线 解决了r f i c 的需求，他们的天线同样应用了s o ic m o s 技术，在单电压驱动下， 有良好的通道间隔离度，并且能表现出与g a a s 产品相同的优良品质。 美国h a r r i s ，m o t o r o l a ，t i ，h p 等公司都已开发和生产了多个系列的抗辐射 加固的s i m o x c m o s 电路产品。欧洲飞利浦采用基于s 0 1 a - b c d l 新制造技术， 生产了一系列新款的单片d 类数字音频功率放大器，可处理2 x 5 0 w 的功率，功耗 降低5 0 ，应用范围还可扩大到数字扬声器上。m a x i m 开发了主要应用于手机接 收端的放大器电路，飞利浦半导体的s 0 1 技术已被证实是用于汽车车内网络收发 器的理想技术。 日前，i b m 公司宣布推出针对手机和移动无线技术市场的全新半导体技术 c m o sr fs o i 。该项技术帮助移动设备芯片组供应商降低其部件及系统复杂 性，同时进一步降低制造成本。它将为大众带来更加低廉而功能更加丰富的下一 代手机、笔记本电脑和其他便携通信设备。 在大学及研究所方面，也有很多相关研究和进展： s i n g a p o r e 国立大学的研究员s h u m i n gx u 、p a n g d o wf 0 0 1 1 5 1 等人提出了部分 s o i 结构( 即只有漏区和漂移区下有氧化埋层) 的s o i l d m o s 器件结构，与 体硅m o s 器件相比，可以降低5 7 的输出电容和提高3 7 的输出功率。 s t 微电子的eg i a n e s e l l o ，d g l o r i a 1 6 1 等人利用高阻的s o ic m o s 技术研制 了高性能的电导，并把它应用在超宽带( u w b ) 的高通滤波器集成上。该滤波 器的工作频率从3 1 g h z 到1 0 6 g h z ，有较小的寄生电容和衬底损耗，和理想的 品质因数。其中电感是利用s t 微电子的0 1 3 s o ic m o s 技术制造的。 比利时鲁汶大学的m e m a m ，m e 1k a 锄o u c h i 【”】等于2 0 0 7 年研制了一种基 于0 1 3 s o i 工艺的开关电路。该电路有两种类型的管子组成，一种是浮体管，一 种是体引出管。该电路适用于射频系统集成，工作温度范围为2 5 2 0 0 。c 。 法国的c a r l ot i n e l l aj e a nm i c h e lf o u m i e r 等【1 8 l ，于2 0 0 2 年研制了一种工作 6 2 0 1 0 届华东师范人学硕士学位论文 在2 5 5 g h z 波段的r fs o i 天线开关。该开关是制作在高阻s o i 衬底上的，在 2 4 g h z 时的插损为0 7 d b ，隔离度为5 0 d b 。 加州大学伯克利分校在b s i m 3 的基础上，研制了b s i m 3s o i 的仿真软件。专 门用于对s o i 器件的建模及仿真。 目前国内开展在s o i 器件和电路方面研究的有中国科学院微电子研究所、中 国电子科技集团公司5 8 所、航天时代集团7 7 1 所、中国科学院半导体所等，但都只 有研究论文和试验电路的报道。 1 7 本论文的内容安排 本文的目的是分析r fs 0 1c m o s 技术的特点，探讨用的体硅c m o si c 技 术设计出能满足射频系统使用的r fs o ic m o s 开关的方法，并试制开关电路芯 片和对样品进行测试。本文的内容安排如下： 第一章简要介绍了课题背景及r fs o lc m o s 研究的国内外现状。 第二章介绍了s o i 器件的特性和模型，并在s 0 1 器件的特性和模型的理论基 础上，对其进行模型分析。 第三章详细介绍了r fs o ic m o s 开关电路的设计，在各项参数指标的基础 上对电路进行了优化设计，并对所设计的电路进行了电路仿真及版图设计。 第四章介绍了s o lc m o s 工艺的流程，并对工艺进行了细致的仿真和分析， 从而确定最优化的工艺参数。 第五章在前面电路设计，版图设计以及工艺仿真的基础上，对试制出来的 r fs o lc m o s 开关电路样品进行了测试和分析。 7 2 0 1 0 届华东师范人学硕j ：学位论文 第二章s o ic m o s 的工艺流程及s i l v a c o 仿真 本文中的s o lc m o s 电路芯片的试制是基于上海贝岭公司的0 5 u r n 工艺线 改进并完成的，在上海贝岭的s o ic m o s 流片工艺中，包括了全部的i c 常用工 艺。下面分别对这些工艺进行阐述。深入详细的了解工艺，对电路设计会有很大 的帮助。同时，我们还从对0 5 u r ns o ic m o s 工艺的仿真中，得到适当的工艺参 数，并将它们应用到s 0 1c m o s 工艺平台的改进中，由于在国内尚无s o i 工艺 生产线，因此本文中对s o ic m o s 工艺的研究与仿真具有重要的参考价值。 2 1s i l v a c o 程序a t h e n a 系统简介 现在很多的半导体工艺及器件的开发是由计算机仿真程序来完成的。这样的 程序被称为t c a d 。使用t c a d 可以有效的缩短研发成本和研发周期。此类 t c a d 软件种类较多，其中美国的s i l v a c o 所设计的t c a d 软件是最具代表性的 工艺及器件仿真软件。s i l v a c o 提供了t c a dd r i v e nc a de n v i r o n m e n t ，这一套完 整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的i c 设计方法提供强大的动力： 制程模拟和器件工艺；s p i c em o d e l 的生成和开发；i n t e r c o n n e c t ，p a r a s i t i c 的极 其精确的描述；p h y s i c a l l y b a s e d 可靠性建模以及传统的c a d 。所有这些功能整 合在统一的框架，提供了工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改导致的性 能、可靠性等效果直接的反馈【1 9 】。 a t h e n a 系统在s i l v a c ot c a d 交互工具提供的一个用户友好性的环境中集 成了几个工艺仿真模块。a t h e n a 从世界著名的斯坦福大学仿真器s u p r e m i v 中发展而来，与众多的学术和工业界伙伴合作下开发了很多新颖的性能。 a t h e n a 提供一个方便的平台，用于半导体工业的仿真处理：离子注入、扩散、 氧化、物理蚀刻和淀积、光刻、应力成型和硅化。 本文就是利用a t h e n a 系统在工艺仿真上的优越性能，对r fs o ic m o s 器件在0 5 u r n 工艺流程下的实现，进行了细致的工艺仿真，并取得了大量数据和 仿真经验。为之后的s 0 1c m o s 电路的芯片试制，打下了基础。 2 2 工艺流程及仿真 i c 工艺是制造集成电路芯片的基础。其中包括电子学，物理，化学，机械 8 2 0 1 0 届华东师范人学硕十学位论文 加工等很多方面的科学技术。因此，l c 工艺流程的各项指标与参数需要大量细 致理论与实践来完善。本文中的具体工艺流程的简表如下： 表2 2 工艺流程简表( 部分) ： 硅片准备 m a s kz e r ol a y e r p a do x i d a t i o n d e p s i 3 n 4 l a s e rm a s k m a s ka c t i v e d r ye t c hf i e l ds i n f i e l do x i d a t i o n1 w e te t c hf i e l da r e as i 0 2 m a s kn w e l l n - w e l li m p l a n t m a s kp w e l l p - w e l li m p l a n t w e l l d r i v e i n w 色te t c hp a do x i d a t i o n l o c o so x i d a t i o n g a t eo x i d a t i o n d e p p o l y m a s kn p o l y n p o l yi m p l a n t m a s k p p o l y p p o l yi m p l a n t m a s kp o l y d r y e t c h n l d di m p l a n t m a s kp l d d p l d d i m p l a n t p o l yd r ye t c h p ，1 0 - 2 5 0 h m c m ，t s i 0 2 = 1 5 0 n m ；t s i = 1 9 0 n m m a s k1 t s i 0 2 = 2 0 n m t s i n = 1 5 0 n m m a s k2 d r y o x i d a t i o n m a s k3 。 p7 e 1 22 6 0 k e v m a s k4 b3 e 1 31 0 0 k e v 霉。 s i 0 21 2 5 a p o l y s i3 5 0 n m m a s k 5 p 5 e 1 5 m a s k6 b f 23 e 1 5 m a s k6 p2 1 e 1 36 0 k v m a s k8 b f 22 8 e 1 35 5 k e v 9 2 0 1 0 届华东师范大学硕士学位论文 d e p t e o s r i ee t c h s i d e w a l l m a s kn + s d n + s di m p l a n t m a s kp + s d p + s di m p l a n t s da n n e a l d e p b p s g b p s gr e f l o w l p t e o s2 0 0 n m m a s k9 a s4 2 e 1 58 0 k e v m a s k1 0 b f 22 1 e 1 55 5 k e v 2 1 ： 我们所用的s 0 1 硅片的制造工艺是s i m o x 技术制造的。具体参数详见表 表2 - 1 本文试制电路器件所使用的s o l 高阻硅片的基本参数 生长模式 f zs 0 1 厚度( a )1 9 0 0 5 0 晶片背面刻蚀b o x 厚度( a )1 5 0 0 5 0 晶片厚度( z m ) 6 7 5 1 5衬底类型p 型 电阻率( o h m * c m )1 2 2 5 2 7 7 5衬底晶向1 0 0 ( 1 ) 淀积s i n 层与s i 0 2 层 首先，淀积厚度约为为2 0 0a 的s i 0 2 层和厚度约为1 5 0 0a 的s i n 层。在工 艺的最初，我们需要进行l o c o s 隔离工艺，把c m o s 的p 管和n 管分别做在 两个阱里面。l o c o s 工艺就是利用了氧在s i n 中扩散速率低的特点，做场氧进 行器件隔离的。先淀积s i 0 2 层是因为s i n 和硅之间的界面有很大应力，导致s i n 薄膜的质量变差，所以利用s i 0 2 层来作为缓冲层。s i 0 2 层的厚度的设定不能过 薄，否则s i n 层的位错会影响到下面的衬底s i 的晶格。而s i 0 2 层过厚，则导致 s i n 的防氧化作用降低之后，在s i 0 2 层上面形成的s i n 层既可以为后面的l o c o s 工艺做准备，也可以作为