SOI：技术瓶颈突破 应用领域扩大
作者：电子科技大学微电子与固体电子学院副院长 张波
文章来源：中国电子报
SOI(Silicon-On-Insulator)是上世纪80年代迅速发展起来的一种新结构半导体材料，被誉为21世纪硅集成技术。以SOI横向高压器件为基础的SOI功率集成电路作为智能功率集成电路领域的一个新兴分支，近年来得到了迅速发展。
技术障碍不断突破
SOI材料是SOI集成技术发展的基础。目前主流的SOI材料制备技术包括BSOI(以日本SEH为代表)、SIMOX(以美国IBIS为代表)和Smart Cut(以法国SOITEC为代表)。在中科院微系统所多年SOI材料研究的基础之上，上海新傲公司突破产业化关键技术，已经开始面向国际半导体厂商生产和销售SOI圆片。
SOI基的高压功率器件是SOI功率集成电路的关键器件，结构上通常为横向型。根据使用的SOI材料的厚度可将SOI高压功率器件分为薄膜SOI结构和厚膜结构：前者使用的SOI顶层硅厚度一般小于0.25μm；而后者中SOI材料的顶层硅厚度可达几十微米。为了满足SOI基高压功率器件耐压的需要，SOI功率集成电路中的耐压结构除了应用硅基常规结构中的终端技术，如场板、横向变掺杂、RESURF(REduced SURface Field)和Double RESURF等技术外，国内外不同的研究机构也提出了一些新的设计方案，这些设计方案分别侧重于提高横向耐压和纵向耐压两个方面。
Y.S.Huang、B.J.Baliga等人在1990年提出将RESURF理论应用到SOI结构中，使器件反偏时漂移区电荷全部被耗尽从而获得了较高的耐压；R.Sunkavalli等人提出利用漂移区分区变掺杂的方法来改善SOI的击穿特性，这就是将漂移区分成两区或多区来优化表面电场的分布；J.Luo等人把这种结构应用于RF领域，发现其还有降低导通电阻和Kink效应、提高开态击穿电压和饱和漏电流等优点；S.D.Zhang等人进一步提出通过优化注入掩膜窗口(大小和距离)和退火条件的方法来获得线性漂移区杂质分布的新技术；R.P.Zingg等人通过在漂移区表面插入导电类型相反的降场层来调制漂移区浓度和电场分布的方法，将Double RESURF技术应用于SOI高压器件中，获得击穿电压和比导通电阻的良好折中；H.W.Kim等人把表面掺杂层线性分区，在相同结构参数下击穿电压提高了40.4%，而比导通电阻下降了83.3%；Won-so Son等人采用槽型场氧化层，缩短漂移区长度30%，改善了击穿电压与比导通电阻的矛盾关系；Shuming Xu等人将Super Junction(超结)的技术应用于横向SOI LDMOS中；R.Ng在顶层硅厚度为1.5μm和埋氧层厚度3μm的情况下获得了击穿电压850V和比导通电阻13Ω·mm2的结果；S.Merchant等人提出了超薄SOI(Ultra Thin SOI Film)结构，S.Merchant和T.Matsudai在0.1μm的顶层硅和2μm的埋氧层上各自获得了耐压在700V以上的高压器件；T.Letavic等人采用薄层高压SOI技术，研制出击穿电压650V、比导通电阻4Ω·mm2的LIGBT；最近电子科技大学提出了SOI高压器件的介质场增强原理和体电场调制理论，并开展了系列SOI高压器件新结构研究，研制出730V SOI LDMOS器件。
应用范围逐步扩张
SOI技术因其优良的性能在功率集成电路中得到了广泛应用。东芝研究开发中心报道了在键合硅片上研制成功的16KHz、500V/1A的三相DC无刷马达驱动电路，该电路单片集成了6个LIGBT和600余个低压逻辑器件，具有过温、过流和短路保护功能；H.Sumida等人在SOI衬底上获得了噪音容限大、功率损耗低的高性能等离子体显示平板驱动电路，与相应的体硅IC驱动电路相比，芯片面积减小30%；Y.Sugawara等人研制出了280V的34通道驱动集成电路，每个通道输出电路是推挽型，由高压横向晶体管组成。该PIC尽管有多个高压通道，但由于使用介质隔离技术，芯片面积只有3.74mm×3.75mm，而输出电流可达200mA。
NXP(原飞利浦半导体)长期致力于SOI智能功率BCD技术开发，其开发的SOI A-BCD(从BCD1到BCD9)技术在一颗芯片上集成了双极、CMOS和高压DMOS晶体管，能够实现复杂混合信号SoC设计。采用SOI A-BCD工艺，NXP推出了具有卓越EMC性能的CAN收发器系列和Class D音频功放系列IC，采用EZ-HV SOI工艺，NXP推出了适用于小型荧光灯应用的650V高压产品UBA2024T和650V开关电源TEA152x系列IC。 Atmel公司也开发出高电压0.8μm BCD-SOI工艺，利用SMARTIS技术，ATMEL推出了面向汽车应用，且具有较高电压控制能力(最高达40V)的半桥驱动器集成电路ATA6836和卓越EMC性能的独立LIN总线收发器集成电路ATA6662等产品。
ST的工艺工程师最近开发了0.32μm SOI BCD工艺(BCD6-SOI)，其目标应用包括90V-190V高压和1.4A电流能力。
研究结果表明，和相同条件下的硅基电路相比，SOI电路的速度可以提高25%～35%，功耗降低2/3，在同样的辐照剂量下，产生的少数载流子也可以相应减小3个数量级。