高溫SOI技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

羅寧勝，曹建武

（CISSOID中國代表處，廣東 深圳 518118）

1 引言

高溫電子的商業(yè)應(yīng)用需求最初來自石油、天然氣勘探和開采領(lǐng)域，鉆探的環(huán)境溫度隨著井深的增加而不斷升高，當(dāng)井深超過7000 m時，井下溫度可超過200℃。在航天領(lǐng)域，由于自身發(fā)熱和外部因素，航天器的電子器件可能暴露于高溫環(huán)境中，而航天項目的高成本和高風(fēng)險使其特別地追求高溫、高可靠的電子器件。航空應(yīng)用要求很高的安全性、可靠性及可維護(hù)性，耐高溫電子器件使飛機發(fā)動機及其他部件的分布式控制成為可能，也使去除或弱化原有的復(fù)雜、笨重的液冷和液壓傳動系統(tǒng)成為可能。近年來，具備先天耐高溫特性的第三代寬禁帶半導(dǎo)體（WBG）如SiC等日趨成熟并全面商業(yè)化，與耐高溫的絕緣層上硅（SOI）器件構(gòu)成了非常理想的搭配，不僅推動了石油和航空航天等傳統(tǒng)領(lǐng)域高溫應(yīng)用的發(fā)展，而且?guī)恿烁哞F、電動汽車、移動儲能等各類工業(yè)領(lǐng)域的新型高溫應(yīng)用。

高溫SOI技術(shù)突破了體硅半導(dǎo)體器件的高溫困境，其與SiC功率器件在電路類型上有很好的互補性，可助力高溫電子技術(shù)的發(fā)展登上一個新的臺階，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文對高溫SOI技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對其未來的發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了深入的探討。

2 體硅半導(dǎo)體器件的高溫困境

高溫會導(dǎo)致普通的體硅半導(dǎo)體器件性能退化。當(dāng)溫度升高到150～200℃時，硅基的本征載流子濃度顯著升高，不僅硅基襯底幾乎完全導(dǎo)電，而且PN結(jié)勢壘已減薄至近乎消失，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體基本功能崩潰，此時的半導(dǎo)體已幾乎成為導(dǎo)體。

半導(dǎo)體器件是通過摻雜形成的PN結(jié)來工作的，其基本的電性能依靠載流子來實現(xiàn),摻雜載流子起到了決定性作用，溫度是摻雜載流子工作的主要輔助因素。在一定的溫度條件下，足夠的熱運動使得摻雜原子能夠全部電離，摻雜原子所攜帶的多數(shù)載流子（多子）能夠全部發(fā)揮作用，并與少數(shù)載流子（少子）相互配合，構(gòu)建了半導(dǎo)體的基本性能。適當(dāng)?shù)臏囟仁前雽?dǎo)體進(jìn)入正常工作的重要輔助因素，過高的溫度則會損害半導(dǎo)體的性能，隨著溫度的升高，本征載流子濃度也會加速升高，PN結(jié)勢壘會被減薄，半導(dǎo)體的各項關(guān)鍵指標(biāo)逐漸下降，當(dāng)溫度高達(dá)一定的門限時，本征載流子的濃度將會淹沒摻雜物質(zhì)所貢獻(xiàn)的載流子濃度，導(dǎo)致半導(dǎo)體性能極度衰弱甚至消失，進(jìn)而引發(fā)半導(dǎo)體基礎(chǔ)特征的崩潰。

摻雜濃度是構(gòu)成半導(dǎo)體性能的第一關(guān)鍵要素。摻雜濃度越高，半導(dǎo)體正常工作的飽和電離溫區(qū)越高。導(dǎo)體材料摻雜濃度由材料本身可溶性特征限定，其最高摻雜濃度有一定的極限。理論和實驗研究結(jié)果都已證明[1-4]，針對體硅半導(dǎo)體器件，溫度的升高導(dǎo)致材料物理特性發(fā)生變化，禁帶寬度減小，本征載流子濃度升高，在125～150℃區(qū)間，本征載流子濃度就開始趕上摻雜載流子濃度。較之于體硅半導(dǎo)體，同一溫度下禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度較低，超越摻雜載流子濃度的溫度門檻也就較高，因此具有較高的正常工作溫區(qū)。一般而言，鍺器件的最高正常工作溫度邊界為100℃，硅為250℃，砷化鎵為450℃，而SiC則超過600℃。

結(jié)溫超出125℃時，體硅半導(dǎo)體的性能快速弱化，甚至完全不能正常工作，其最大的誘因是泄漏電流的快速增加。研究結(jié)果表明[4-6]，體硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）的泄漏電流除了與本征載流子濃度強烈相關(guān)，還與結(jié)面積和耗盡區(qū)寬度成正比。因此，很多研究者希望通過器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來減少PN結(jié)面積和耗盡區(qū)寬度，從而減小泄漏電流，提升器件的高溫性能，高溫SOI技術(shù)由此應(yīng)運而生。高溫SOI技術(shù)不僅改善了器件的高溫性能，也改善了器件整體的電性能；更為現(xiàn)實的是，除了某些特殊的工藝環(huán)節(jié)需要特殊設(shè)備，SOI工藝的很大部分都可以沿用傳統(tǒng)體硅器件的制造設(shè)備和工藝，表現(xiàn)出了極大的商業(yè)化可行性。

3 高溫SOI技術(shù)

3.1 SOI技術(shù)背景

SOI是一種用于集成電路制造的新型原材料和工藝，有望替代目前大量應(yīng)用的體硅工藝。N溝道MOSFET體硅工藝結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，相比之下，SOI工藝在襯底結(jié)構(gòu)中增加了一個絕緣體夾層，其上方一層為有源硅層，而下方的硅層只起到支撐作用，N溝道SOI工藝結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。絕緣夾層可以由SiO2、氮化硅、Al2O3或其他絕緣材料構(gòu)建，取決于具體的實現(xiàn)工藝。由于硅與SiO2的結(jié)合界面性能穩(wěn)定，所以SiO2成為了目前常見的主流SOI絕緣層材料。SOI結(jié)構(gòu)中的SiO2絕緣層有效地減小了MOSFET漏極和源極的實際PN結(jié)面積，使漏極和源極的反向泄漏電流大大減少，為高溫性能的提升奠定了基礎(chǔ)。

圖1 N溝道MOSFET體硅工藝和N溝道SOI工藝對比

有別于體硅半導(dǎo)體技術(shù)用的純硅晶圓基片，SOI技術(shù)實現(xiàn)的第一步是制備SOI晶圓基片。作為一種全介質(zhì)隔離工藝，業(yè)界對SOI基礎(chǔ)材料及制備工藝的研究已超過20年。目前有多種SOI晶圓制造技術(shù)得到了發(fā)展，但只有少數(shù)幾種實現(xiàn)了工業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)，其中較為普及的是注氧隔離（SIMOX）和直接鍵合技術(shù)，其實現(xiàn)方法包括鍵合回刻SOI（BESOI）技術(shù)、外延層轉(zhuǎn)移（ELTRAN）技術(shù)及智能剝離技術(shù)等。這些成熟的SOI晶圓制備方法都很適合在絕緣介質(zhì)層上形成薄的單晶硅層[5-6]。

SOI獨特的Si/絕緣層/Si的3層結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢：（1）絕緣埋層實現(xiàn)了器件功能有源部分和襯底的全介質(zhì)隔離，減小了寄生電容，提高了開關(guān)頻率；（2）較小的PN結(jié)面積顯著減少了泄漏電流，從而減少了SOI器件的自身耗散；（3）絕緣層的存在隔斷了有源部分通過硅襯底互通的電流通道，消除了閉鎖效應(yīng)；（4）絕緣夾層結(jié)構(gòu)抑制了硅襯底產(chǎn)生的脈沖電流干擾（如輻射粒子激發(fā)等），減少了偶發(fā)錯誤的產(chǎn)生，具有很好的抗輻照特性；（5）除少數(shù)高溫SOI器件工藝需要特殊設(shè)備外，SOI與現(xiàn)有體硅工藝設(shè)備、流程基本兼容，具備極佳的商業(yè)量產(chǎn)可實施性[6]。

SOI在高性能超大規(guī)模集成電路、高速存儲器件、低功耗電路、高溫傳感器、航天抗輻照器件、移動通訊系統(tǒng)、光電子集成器件以及微機電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。除具備以上基本優(yōu)點外，通過對SOI器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝選擇，如盡可能減少源和漏的結(jié)面積和耗盡區(qū)寬度，可大幅減少SOI器件的反向泄漏電流，極大地提升器件的各項高溫性能；另外，采用高激活能材料的金屬系統(tǒng)和實施鈍化膜保護(hù)工藝，還可大幅提高器件的高溫可靠性[4-6]。

3.2 SOI器件的高溫性能

SOI MOSFET器件的高溫特性與其硅膜厚度緊密相關(guān)。根據(jù)硅膜厚度和硅膜中的摻雜濃度情況，SOI MOSFET器件分為厚膜器件（耗盡區(qū)中間存在中性區(qū)域，部分耗盡型，PD-SOI）、薄膜器件（耗盡區(qū)中間沒有中性區(qū)域，全耗盡型，F(xiàn)D-SOI）以及中等膜厚器件（耗盡區(qū)大小受背柵電壓調(diào)節(jié)）。研究結(jié)果表明[4]，MOSFET的泄漏電流與結(jié)面積以及空間電荷體積（結(jié)面積×耗盡寬度）成正比，但在薄膜SOI器件中的數(shù)值比在體硅器件中的小很多。隨著溫度的升高，擴散電流起主導(dǎo)作用，由于SOI器件的結(jié)面積很小，相應(yīng)的泄漏電流可比體硅器件小約3個數(shù)量級。

厚膜PD-SOI性能相對較為接近體硅器件，薄膜FD-SOI的性能與體硅器件差別較大，超薄膜FD-SOI則表現(xiàn)得更為突出。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明[7]，在FD-SOI器件中，超薄的硅膜厚度引入了相關(guān)的量子效應(yīng)，其載流子遷移率由聲子散射、前表面粗糙度、背表面粗糙度、遠(yuǎn)端庫侖散射共同調(diào)制。這樣，對于超薄膜FD-SOI，在一定的工作電壓下，載流子遷移率主要由聲子散射、前表面粗糙度散射和遠(yuǎn)端庫侖散射主導(dǎo)。前表面粗糙度散射和遠(yuǎn)端庫侖散射對溫度的依賴都較小，與厚膜PD-SOI器件相比，在溫度升高時，超薄膜FD-SOI器件載流子遷移率的主導(dǎo)成分有所不同，由此削弱了整體載流子遷移率在溫度升高時的退化程度，而表現(xiàn)出更低的載流子遷移率改變量，閾值電壓隨溫度變化的改變量減小，輸出電流高溫特性更加穩(wěn)定，電流隨溫度變化的改變量更小。

基于不同工藝技術(shù)的器件高溫特性對比如表1所示，d Vth/d T為閾值電壓隨溫度的漂移，Ileak為器件的泄漏電流、Ion/Ioff為輸出開關(guān)電流比，μ為遷移率隨溫度的變化。從各項指標(biāo)看來，全耗盡的薄膜FD-SOI器件高溫時的閾值電壓變化小、泄漏電流小、輸出開關(guān)電流比大，是非常適合高溫應(yīng)用的技術(shù)。

表1 基于不同工藝技術(shù)的器件高溫特性對比[6]

總之，相對于體硅MOSFET，由于引入絕緣層，薄膜全耗盡型FD-SOI器件通過減少體內(nèi)PN結(jié)的面積，使泄漏電流減少了約3個數(shù)量級，隨著溫度變化，其閾值電壓和輸出特性更加穩(wěn)定，器件的高溫性能大大提升。進(jìn)一步減薄硅膜厚度，實現(xiàn)超薄膜FD-SOI（例如28 nm等），膜厚尺寸縮減引入了相關(guān)的量子效應(yīng)，器件的高溫性能可進(jìn)一步得到提升。另外，薄膜FD-SOI器件在正常工作模式下達(dá)到硅膜全部耗盡的狀態(tài)時，還可以消除PD-SOI中存在的翹曲效應(yīng)和浮體效應(yīng)等[7]。因此，薄膜及超薄膜、全耗盡FD-SOI一直是高溫電子技術(shù)發(fā)展的重要方向。

3.3 高溫SOI器件的可靠性

電子元器件的失效隱患多種多樣，就半導(dǎo)體器件制造及封裝而言，電遷移、腐蝕、熱載流子注入、與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）等都會影響器件的可靠性和壽命，且高溫對一些失效因素的影響極大。

電遷移失效機理為：在一定溫度下，半導(dǎo)體管芯內(nèi)部的金屬互連和對外的引線上電流密度足夠大時，被激發(fā)的金屬離子受電場的作用形成離子流，朝陰極方向移動，在電場作用下的電子通過碰撞金屬離子，給離子以動量，從而形成朝著金屬膜陽極方向運動的離子流。在良好的導(dǎo)體中，動量交換力比靜電力占優(yōu)勢，造成了金屬離子向著陽極端的凈移動，在金屬膜中留下金屬離子的局部堆積而出現(xiàn)小丘、晶須（引起短路）或引起金屬離子的局部虧損而出現(xiàn)空隙（引起開路），最終導(dǎo)致突變失效，影響集成電路的壽命。

文獻(xiàn)[8-9]的研究結(jié)果表明，電遷移失效模型中平均失效時間（MTF)與電流密度的n次方成反比，與激活能成指數(shù)關(guān)系，且與溫度的倒數(shù)成指數(shù)關(guān)系，所以電遷移對電流密度、激活能及溫度都比較敏感，電流密度越大或溫度越高，中位失效壽命越短。在電流密度和溫度一定時，提高激活能即可使MTF延長。材料不同，擴散方式不同，激活能也不同。例如，由于銅布線系統(tǒng)的激活能比鋁布線系統(tǒng)大，所以銅布線系統(tǒng)比鋁布線系統(tǒng)的中位失效壽命長。當(dāng)然，選擇鉬和鎢金屬布線，其離子激活能更大，中位失效壽命會更長，高溫性能顯著增強。

電遷移引起的失效表現(xiàn)主要是電子器件各項性能參數(shù)退化，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致短路或斷路。為防止電遷移失效，一般采取以下設(shè)計和工藝措施：在鋁膜上覆蓋完整的鈍化膜；降低互連線中的電流密度；優(yōu)化金屬化層布線；降低結(jié)溫，增加散熱；改進(jìn)金屬化系統(tǒng)，如在鋁系統(tǒng)中加入少量抗疲勞雜質(zhì)（如硅、銅）形成鋁合金，或改變晶粒大小，或在鋁上加鈍化膜，或采用金或鋁的多層金屬化系統(tǒng)，或采用鉬或鎢金屬化系統(tǒng)。采用鋁合金或金的多層金屬膜，以及采用其他金屬化系統(tǒng)，抗電遷移能力均可大大提高，但究竟要采用何種金屬化系統(tǒng)，需結(jié)合具體器件可靠性需求和工藝條件許可而定。

金屬材料的腐蝕是影響器件可靠性的另一重要因素，且對于高溫器件而言該問題更為突出。金屬腐蝕常出現(xiàn)在密封失效位置，濕氣附帶環(huán)境有害物質(zhì)，與制造殘留雜質(zhì)相互作用，損害相應(yīng)部位的金屬，通常有焊盤腐蝕和內(nèi)部腐蝕2類。焊盤腐蝕更普遍，這是因為焊盤處的導(dǎo)體沒有經(jīng)過充分鈍化，而內(nèi)部腐蝕是芯片鈍化時的損傷使?jié)駳獾竭_(dá)金屬化的部分造成的。

高溫半導(dǎo)體器件需長期在高溫下工作，高溫環(huán)境下金屬腐蝕的速度和程度都更劇烈，因而金屬腐蝕是考驗高溫器件可靠性的重點問題之一。以常用的鋁基金屬為例，失效機理為鋁材或其他金屬與水汽在腐蝕元素Cl的催化作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。鋁腐蝕的必要條件是密封器件內(nèi)部有大量水汽，誘因是如Cl等腐蝕性元素的引入；輔助條件是器件長時間加電工作，并伴隨有環(huán)境溫度的高低溫變化，促使水汽結(jié)露，在器件內(nèi)部發(fā)生長時間的電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕逐步發(fā)展，導(dǎo)致鋁條被腐蝕開路（或短路），造成器件失效。通過控制器件腔體內(nèi)部的水汽含量，在生產(chǎn)過程加強管理和工藝控制，采取必要的隔離措施控制沾污的引入，可以杜絕鋁腐蝕這一危害極大的失效問題，確保器件的可靠性。

熱載流子退化也是影響MOS器件可靠性的關(guān)鍵因素之一。熱載流子即高能載流子，產(chǎn)生于MOSFET漏端的大溝道電場，這個溝道電場會加速載流子，使其有效溫度高于晶格的溫度。這些熱載流子通過聲子發(fā)射的形式把能量傳遞給晶格，這會造成在Si/SiO界面處結(jié)合鍵的斷裂，熱載流子也會注入到SiO2中而被俘獲。鍵的斷裂和被俘獲的載流子會產(chǎn)生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)，這會影響溝道載流子的遷移率和有效溝道勢能。能量達(dá)到甚至超過SiO2-Si勢壘便會注入到SiO2中去，當(dāng)能量足夠大時還會打斷共價鍵而產(chǎn)生界面陷阱，這就是熱載流子注入效應(yīng)，它是超大規(guī)模集成電路的一個重要失效機理。

文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果表明，熱載流子對器件壽命的影響可用指數(shù)模型描述，平均失效時間與襯底電流的n次方成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成反比。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，電子平均自由程下降，導(dǎo)致熱載流子注入效應(yīng)減弱，器件壽命得以延長。因此，熱載流子注入效應(yīng)的嚴(yán)酷環(huán)境是低溫而不是高溫。與體硅器件類似，SOI器件的性能受熱載流子效應(yīng)影響而漂移，其退化漂移特性與體硅器件不同，會受SOI器件的膜厚、SOI襯底材料的工藝參數(shù)等影響[6]。

TDDB也是影響器件可靠性的重要因素之一。在柵極上加恒定的電壓，使器件處于積累狀態(tài)。經(jīng)過一段時間后，氧化膜就會被擊穿，這期間經(jīng)歷的時間就是在該條件下的壽命。因此，TDDB會影響MOS管性能，研究結(jié)果表明，器件壽命與溫度的倒數(shù)成指數(shù)關(guān)系[10]。溫度越高，與TDDB效應(yīng)相關(guān)的器件壽命越短。要保證該因素的可靠性，需評估工藝過程對柵氧化層質(zhì)量的影響，特別是對超薄柵氧化層的影響情況。在工藝過程中采用各種有效清潔措施防止污染，采用二步或三步熱氧化工藝氧化生長柵氧化層，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）生長SiO2或摻氮氧化等都可以改進(jìn)柵氧層質(zhì)量。

綜合各種可靠性因素可知，對SOI器件高溫可靠性影響較大的是電遷移和腐蝕。因此，針對高溫SOI器件，要確保其高溫工作壽命，金屬化材料和工藝的選擇非常重要。一般來講，在高溫應(yīng)用溫區(qū)的低端（如低于175℃），鋁基本可以滿足各種應(yīng)用的需求。鋁具有較好的綜合性能，如低的電阻率，很好的延展性，對氧化物和氮化物有良好的粘合性，能實現(xiàn)高品質(zhì)自鈍氧化，易于在亞微米制程工藝中被反應(yīng)離子所蝕刻等。然而，鋁具有較低的電遷移激活能（低熔點），在高溫區(qū)間的高端區(qū)域，特別是涉及到稍大電流密度時，則需要添加一些其他元素成分以抑制電遷移。當(dāng)然，添加其他元素做成鋁合金，電阻率將增加。近年來，銅已經(jīng)取代鋁成為超大規(guī)模集成電路制造中的主流互連材料。作為鋁的替代物，銅導(dǎo)線可以降低互連阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度、器件密度和時鐘頻率。當(dāng)溫度高于175℃時，為進(jìn)一步提高壽命和可靠性，可考慮其他一些激活能更高的金屬材料。

在沉積的幾微米厚的氧化薄膜上蝕刻出溝槽，沉積銅薄膜以填滿溝槽，然后采用化學(xué)-機械方法打磨掉超出氧化層表面的銅，再在銅表面沉積一層密封鈍化層，該工藝技術(shù)可大大提高銅的抗高溫能力，使其耐受溫度甚至可達(dá)300℃。針對高溫應(yīng)用，這一銅鑲嵌工藝技術(shù)具有相對較低的成本和較高的性能[11]。

針對在高溫下需要盡可能低的電阻率的應(yīng)用，CVD和反應(yīng)離子蝕刻工藝結(jié)果表明，金屬鉬和鎢也是好的選擇[12]，且適用于很寬的溫度范圍。然而，金屬鉬和鎢的商業(yè)化CVD設(shè)備較昂貴，限制了其工藝的普及程度。對付高溫電遷移，鉬和鎢都是很好的導(dǎo)體材料，特別是鎢，其熔點高達(dá)3410℃（即具有較高的電遷移激活能），適合于單純高溫的應(yīng)用；而對于有寬幅溫度循環(huán)的應(yīng)用，鉬以其更佳的延展性而具有更大的優(yōu)勢。即使是用鉬和鎢，為防止在高溫條件下的腐蝕，鈍化保護(hù)層仍然是需要的，若沒有鈍化保護(hù)層的保護(hù)，集成電路的壽命將因高溫而大大縮短。

3.4 高溫SOI技術(shù)的發(fā)展趨勢

高溫SOI器件在結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展方向之一是超薄膜。超薄膜FD-SOI因膜厚尺寸縮減而引入了相關(guān)的量子效應(yīng)，其閾值電壓和輸出特性隨溫度變化更加穩(wěn)定，器件的各項高溫性能也可以得到進(jìn)一步提升。

在提升高溫可靠性和壽命方面，采用激活能更高的金屬化系統(tǒng)（如鎢和鉬等）將是主要的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)然，與之相適應(yīng)的提升可靠性的金屬化工藝，如鈍化保護(hù)層等也非常重要，其可以盡可能地減少高溫電遷移和腐蝕的影響。另外，改進(jìn)柵氧化層質(zhì)量的各項工藝技術(shù)的開發(fā)對提高SOI高溫可靠性也很重要，可盡可能減少TDDB的影響。

未來最大的技術(shù)進(jìn)步也許是在SOI器件的絕緣層材料方面。正因為SOI器件有絕緣埋層，不僅完全消除了自鎖效應(yīng)，而且在高溫時結(jié)泄漏電流小，其閾值電壓隨溫度變化小，使其工作特性隨溫度的變化小，所以具有較好的耐高溫性能。目前商業(yè)化的SOI器件生產(chǎn)中，絕緣埋層材料都普遍為SiO2。但SiO2的低熱導(dǎo)率（其熱導(dǎo)率僅為硅的1/100）使得溝道所產(chǎn)生的熱量不能及時散去而導(dǎo)致器件內(nèi)部溫度升高，造成器件內(nèi)部的熱積聚嚴(yán)重（自加熱效應(yīng)），影響器件的輸出特性，已成為高溫SOI領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。有效抑制自加熱效應(yīng)是未來高溫SOI技術(shù)發(fā)展的重要方向之一[13]。

為適應(yīng)高溫應(yīng)用需求，可考慮開發(fā)Si3N4、AlN等熱導(dǎo)率比SiO2更高的材料作為新的埋層結(jié)構(gòu)材料。Si、SiO2、Si3N4、AlN在27℃時的某些材料特性如表2所示。AlN具備與硅熱導(dǎo)率相媲美的優(yōu)異導(dǎo)熱性能[13]，理論上可采用AlN材料做絕緣埋層，以提高其泄熱能力。從表2可以看出，AlN有高的熱導(dǎo)率、大的電阻率、高的擊穿場強，且熱膨脹系數(shù)與硅相近，所以采用AlN取代SiO2用作SOI的絕緣埋層可以顯著提高SOI器件在高溫應(yīng)用中的性能，是未來高溫SOI技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

表2 Si、SiO2、Si3N4、AlN在27℃時的一些材料特性[13]

采用AlN取代SiO2用作SOI絕緣層的技術(shù)實現(xiàn)難點在于襯底晶圓的制作，因此，SIMOX技術(shù)已不再適用，而只能采用基于鍵合的幾種技術(shù)。國內(nèi)學(xué)者已在實驗室采用智能剝離技術(shù)成功制備了以AlN為埋層的SOI材料[14]，有希望進(jìn)一步實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

3.5 高溫SOI器件的商業(yè)化進(jìn)程

傳統(tǒng)的石油天然氣勘探、航空航天、國防裝備等應(yīng)用一直都在推動著高溫半導(dǎo)體器件的商業(yè)化進(jìn)程。業(yè)界對SOI高溫器件和電路的研制相繼取得了一批標(biāo)志性的研究成果。德國IMS公司研制出能在250℃高溫下工作的A/D電路（如果用鎢作電極，最高溫度可達(dá)300℃)。比利時CISSOID公司研制出可在225℃下工作的脈寬調(diào)制（PWM）控制器。美國Honeywell公司固體電子中心研制的運算放大器和模擬開關(guān)最高可在300℃下工作。此外，人們還相繼研制出了在320℃下工作的SIMOX CMOS反相器、在400℃下工作的運算放大器、在300℃下工作的256 kB SOI CMOSSRAM、在500℃下工作的環(huán)形振蕩器等[15]。

中國在高溫SOI器件領(lǐng)域起步較晚，大學(xué)和研究所在理論建模和實驗室樣品制作和測試驗證等方面有一些跟蹤性研究[3-4,7]。到目前為止，中國還沒有本土公司正式推出商業(yè)化的高溫SOI器件。相比而言，歐美發(fā)展高溫電子產(chǎn)業(yè)已有近50年的歷史。國際上，在半導(dǎo)體封裝協(xié)會下專門設(shè)有高溫電子分會，通常每年在歐洲或美國舉辦高溫電子國際會議（HiTEC或HiTEN），但參與者大都是美國和歐洲企業(yè)及研究機構(gòu)，少有國內(nèi)公司和研究機構(gòu)參加。為此，作者呼吁國家在高溫電子領(lǐng)域多一些立項以開展基礎(chǔ)研究，鼓勵企業(yè)開發(fā)高溫半導(dǎo)體產(chǎn)品和應(yīng)用解決方案，以帶動整個高溫電子產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展；同時，建議中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會等行業(yè)組織成立高溫電子分會，舉辦或參與國內(nèi)和國際性的高溫半導(dǎo)體/電子技術(shù)研討會等，通過鼓勵業(yè)界積極與國外同行交流，以推動國內(nèi)高溫半導(dǎo)體/電子行業(yè)的發(fā)展。

近年來，SiC功率器件日趨成熟，進(jìn)入了大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用階段，將高溫應(yīng)用推向了新的高潮，SiC器件固有的耐高溫特性帶來了新的高溫（通常指缺乏液冷時）和高功率密度的電力應(yīng)用潛力。然而，SiC材料目前只能做功率器件，還難以實現(xiàn)較復(fù)雜的集成電路應(yīng)用。因此，SiC功率器件在高溫應(yīng)用時必須配備與其耐高溫等級相當(dāng)?shù)尿?qū)動芯片和電路，而高溫SOI器件恰好堪當(dāng)此任。SiC功率器件具有耐高溫性能，與高溫SOI集成電路是非常理想的搭配，它們的搭配可以充分發(fā)揮SiC功率器件的性能，從而實現(xiàn)在各個電力電子領(lǐng)域的高溫和高功率密度應(yīng)用。

不同于體硅器件的制造，高溫SOI器件的商業(yè)化必須注重如下幾個方面。

1）器件性能必須在很寬溫區(qū)內(nèi)保持良好的一致性，性能指標(biāo)隨溫度的漂移越小越好。這涉及到SOI器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇及各種可能的溫度補償機制的實施。器件的產(chǎn)品供應(yīng)方應(yīng)提供所有性能參數(shù)在很寬溫度范圍內(nèi)的變化曲線，以方便應(yīng)用和設(shè)計的綜合考量。

2）管芯本身在真空或密封時能在高溫條件下有效地工作，并具有較長的高溫工作壽命。如何抵抗高溫工作時的電遷移、腐蝕等效應(yīng)對器件壽命的影響，涉及到器件材料（如金屬化體系等）、制造工藝（如表面鈍化等）的選擇和實施?？紤]到器件的壽命會隨溫度的升高而降低，許多高溫應(yīng)用的需求不會滿足于僅1000 h的高溫工作壽命，根據(jù)應(yīng)用的實際情況，也許需要幾年甚至十年的高溫工作壽命。

3）必須采用高溫封裝技術(shù)[16-21]。高溫封裝本身的導(dǎo)熱性設(shè)計最關(guān)鍵，必須最有效地擴散管芯自身功率損耗產(chǎn)生的熱量，使得管芯不至于因結(jié)溫升得太高而損壞（一般確保結(jié)溫只高出器件環(huán)境溫度15～25℃）。關(guān)于封裝材料和工藝，最好的塑封材料一般只能保證最高結(jié)溫達(dá)175℃，超過175℃必須采用陶瓷和金屬材料，還必須有相應(yīng)的封裝制造工藝與之相配合。高溫封裝的品質(zhì)也將直接影響器件的高溫工作壽命。

4）提供給商業(yè)化高溫器件的管芯及封裝材料和工藝的選擇必須適合于商業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，以使產(chǎn)品良率、品質(zhì)一致性及成本控制有一定的保證。高溫SOI器件制造工藝大部分可與體硅工藝兼容，間或需要局部的特殊設(shè)備和工藝，例如不同的金屬化工藝設(shè)備。

5）產(chǎn)品必須通過嚴(yán)苛的高可靠性測試。高溫器件往往不僅是面對高溫，而且還有可能要面對許多其他惡劣的應(yīng)用環(huán)境，需要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行各種高可靠性測試，如密封性、加速、應(yīng)力、粒子損害、振動、沖擊、熱循環(huán)、穩(wěn)定熱烘烤、高溫工作壽命等。

關(guān)于高溫SOI器件商業(yè)化現(xiàn)狀的詳情，本文以CISSOID公司的產(chǎn)品為例。CISSOID公司是高溫SOI器件領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，其設(shè)計和制造高溫SOI器件已有二十多年歷史，目前能提供十多個種類一百多個型號的高溫SOI器件，包括二極管、MOSFET、電壓參考器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器、柵極驅(qū)動器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、運算放大器、邏輯器件、時鐘發(fā)生器和計時器等。產(chǎn)品根據(jù)封裝形式的不同分為兩大系列，CMT系列以高溫塑封材料封裝，最高結(jié)溫為175℃；CHT系列以金屬陶瓷封裝，最高結(jié)溫為225℃。綜合平衡管芯和封裝的設(shè)計以及現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化工藝條件，目前CISSOID所提供的高溫SOI器件的高溫工作壽命可達(dá)約15年（最高結(jié)溫175℃）、5.5年（最高結(jié)溫225℃）、2.5年（最高結(jié)溫250℃）、1.3年（最高結(jié)溫280℃）等，其規(guī)律是每升高25℃，壽命約減少一半，在300℃以上時，器件也還有幾千小時的工作壽命[22]。

伴隨著SiC功率器件的大規(guī)模普及，CISSOID公司進(jìn)一步融合高溫SOI技術(shù)，開發(fā)出了專為降低開關(guān)損耗并提高功率密度的新型液冷或風(fēng)冷三相SiC MOSFET智能功率模塊（IPM）系列產(chǎn)品（如圖2所示），該系列的新型功率模塊有針對用于液冷的輕型針翅基板型和針對風(fēng)冷的平坦基板型。平坦基板型可以滿足航空航天領(lǐng)域及專用工業(yè)應(yīng)用中對自然對流或強制風(fēng)冷的需求。CISSOID的IPM技術(shù)平臺可迅速適應(yīng)新的電壓、功率和各種冷卻要求，大大加速了基于SiC的功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，從而實現(xiàn)高效率和高功率密度。

IPM意味著功率模塊和柵極驅(qū)動器的集成和融合。功率模塊和柵極驅(qū)動器的協(xié)同設(shè)計能夠通過仔細(xì)調(diào)節(jié)d V/d t和控制快速開關(guān)固有的電壓過沖來優(yōu)化IPM，以實現(xiàn)最低的開關(guān)能量損耗?；诟邷豐OI技術(shù)的CISSOID柵極驅(qū)動器具有獨特的高溫穩(wěn)定性，使其能與通常耗散數(shù)百瓦的功率模塊緊密集成，并能承受功率模塊自身功耗發(fā)熱所導(dǎo)致的一定溫升，與此同時還減少了柵極環(huán)路寄生電感，進(jìn)而有助于實現(xiàn)快速開關(guān)和低損耗，以避免寄生導(dǎo)通的風(fēng)險。CISSOID的嵌入式柵極驅(qū)動器解決了與快速開關(guān)SiC晶體管有關(guān)的多個挑戰(zhàn)，例如：用負(fù)驅(qū)動和有源米勒鉗位（AMC）來防止寄生導(dǎo)通；用去飽和（DeSAT）檢測和軟關(guān)斷（SSD）可以快速且安全地應(yīng)對短路事件。此外，柵極驅(qū)動器上的欠壓鎖定（UVLO）和DC總線電壓監(jiān)視系統(tǒng)可確保器件正常運行。通過提供整合的且已匹配好的方案，CISSOID的IPM平臺能夠使客戶大大加快系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)度。

融合CISSOID的高溫SOI驅(qū)動技術(shù)使智能高功率風(fēng)冷模塊（型號為CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA）成為可能，這是專為無法使用液體冷卻的高溫應(yīng)用（例如航空機電執(zhí)行器和功率轉(zhuǎn)換器等）而設(shè)計的。目前出品的風(fēng)冷模塊的額定阻斷電壓為1200 V，最大連續(xù)工作電流為340 A，導(dǎo)通電阻僅有3.25 mΩ和2.67 mΩ，開關(guān)損耗分別僅為8.42 mJ和7.05 mJ（600 V，300 A），額定結(jié)溫為175℃，柵極驅(qū)動器的額定環(huán)境溫度為125℃，通過AlSiC扁平底板冷卻，其熱阻較低、耐熱性強。另外，依據(jù)應(yīng)用條件和場景的需求，通過更換更高溫度等級的被動元器件和主要芯片及模塊的封裝，CISSOID的IPM還可進(jìn)一步提升運行溫度等級。當(dāng)然，用于組裝的PCB板材的溫度等級也要提升，如采用聚酰胺類的高溫PCB基材可以在200℃以上長期穩(wěn)定運行，有些廠家的基材已經(jīng)可以耐受到300℃。由于傳統(tǒng)焊接工藝及材料高溫性能欠佳，業(yè)界已轉(zhuǎn)向采用多種擴散焊和燒結(jié)工藝來進(jìn)行高溫焊接和連接。

4 高溫SOI器件的應(yīng)用前景

在傳統(tǒng)的石油鉆探、航空航天和國防裝備等應(yīng)用領(lǐng)域以外，大量新的高溫應(yīng)用伴隨著SiC功率器件的成熟和大規(guī)模商用普及而來。法國技術(shù)市場趨勢調(diào)查公司YOLE的市場調(diào)查報告表明，自硅基功率半導(dǎo)體器件誕生以來，應(yīng)用的需求一直推動著結(jié)溫的升高，其對功率器件結(jié)溫的預(yù)測如圖3所示。第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件（如SiC）已日趨成熟并全面商業(yè)化普及，其獨特的耐高溫性能正在加速推動結(jié)溫從150℃邁向175℃，未來將進(jìn)軍200℃。借助于SiC的獨特耐高溫特性和低開關(guān)損耗優(yōu)勢，這一結(jié)溫不斷提升的趨勢將大大改變電力系統(tǒng)的設(shè)計格局。典型的高溫和高功率密度應(yīng)用包括深度整合的電動汽車動力總成（電機、電控和變速箱）、多電和全電飛機乃至電動飛機、移動儲能充電站和充電寶，以及各種液體冷卻受到嚴(yán)重限制的電力應(yīng)用。

圖3 YOLE公司對功率器件結(jié)溫的預(yù)測

電動汽車的動力總成已走向“三合一”，但目前僅在結(jié)構(gòu)上堆疊在一起，屬于弱整合。根本原因之一在于不同部位有不同的溫度控制需求。例如，電機一般長期工作耐受溫度為150℃左右（特殊的高溫電機可達(dá)更高的額定工作溫度），而電控箱一般長期工作耐受溫度為70～85℃，這即是目前普通體硅器件能夠保證長期工作的溫度范圍。CISSOID耐高溫驅(qū)動器件和電路匹配SiC功率模塊能突破這一技術(shù)瓶頸?？墒闺娍叵涞目刂茰囟扰c電機的控制溫度相匹配，這樣有利于兩者深度整合，簡化冷卻系統(tǒng)的布局，例如使用合并的油基液體冷卻電機和電控，甚至在某些中低功率的電動車上完全放棄液冷而采用自然風(fēng)冷?？傊?，未來在結(jié)構(gòu)上，動力總成的深度整合是必然路徑，因為這樣可能使動力總成體積減小約1/3，重量減少約1/3，內(nèi)耗減少約1/3，并有可能將總成本壓縮至原先的1/2～1/4。

傳統(tǒng)飛機中控制尾舵、機翼、起落架等的機械動作都是靠經(jīng)典的液壓傳動裝備。液壓油作為液體，受環(huán)境影響很大，并且維護(hù)成本很高，目前已趨向于部分或全部電氣化，此即多電和全電飛機的概念。在飛機上采用電機替代液壓油路實現(xiàn)機械操作，可靠性高、可維護(hù)性強，且方便冗余備份設(shè)計，還可以大大減小部件的體積和重量。飛機上的電機和電控不允許配備液冷，只能依靠強制風(fēng)冷和自然背板散熱冷卻，因此，實現(xiàn)多電或全電飛機乃至電動飛機的電控設(shè)計，需要率先面對的重大技術(shù)挑戰(zhàn)即是高溫。CISSOID耐高溫驅(qū)動器件和電路匹配SiC功率模塊為解決這一航空領(lǐng)域的技術(shù)難題鋪平了道路。此外，電機取代傳統(tǒng)液壓傳動的技術(shù)方向不僅應(yīng)用在飛機上，在坦克、艦船及各種工程機械設(shè)備中也被用到，特別是當(dāng)體積和重量受到限制或是需要更快速的機械反應(yīng)能力時。

隨著電動汽車的大規(guī)模普及，半移動式儲能充電站和全移動式充電寶將可有效地填補固定式充電在某些場景下的不足。對于這類移動充電應(yīng)用，液冷機構(gòu)將不僅帶來額外的重量和體積負(fù)擔(dān)，更重要的是其消耗自身攜帶的存儲電能，因此采用自然冷卻才是佳徑，當(dāng)然前提是必須妥善處理好電控系統(tǒng)熱管理的問題。

除了上述3種典型的新型高溫應(yīng)用外，在許多特種工業(yè)應(yīng)用中，液體冷卻受到嚴(yán)重限制時，電控系統(tǒng)將面臨同樣的高溫挑戰(zhàn)。耐高溫的電控技術(shù)是實現(xiàn)以上高溫應(yīng)用的關(guān)鍵，其核心技術(shù)是SiC功率器件的高溫封裝技術(shù)和與之相匹配的高溫SOI驅(qū)動集成電路技術(shù)。

5 結(jié)束語

高溫SOI技術(shù)通過器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，突破了體硅半導(dǎo)體器件的高溫困境，消除了體硅器件溫度載流子效應(yīng)的影響；通過采用耐高溫性更好的金屬化系統(tǒng)和工藝改善柵氧化層品質(zhì)，大大提高了器件的高溫工作可靠性。以CISSOID的商業(yè)化高溫SOI器件為參考，其連續(xù)高溫工作壽命在結(jié)溫175℃下長達(dá)15年，并能在300℃高溫下工作幾千小時，而且在全溫度范圍保持良好的性能一致性。未來采用膜厚超薄的SOI設(shè)計、AlN替代SiO2作為絕緣埋層以及各種可靠性相關(guān)工藝的改進(jìn)，還有希望進(jìn)一步改善SOI器件的高溫性能和可靠性。

隨著第三代半導(dǎo)體功率器件如SiC的日趨成熟和普及，固有的耐高溫性能使其與高溫SOI集成電路成為非常理想的搭配，高溫SOI集成電路可以充分發(fā)揮SiC功率器件的性能，使高功率密度和高溫應(yīng)用成為可能，并由此大大改變電力電子系統(tǒng)設(shè)計的格局，為設(shè)計工程師提供全新的拓展空間。因此，高溫SOI技術(shù)也將會越來越受到業(yè)界的重視。