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(shí)，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(xiàng)目的高成本和高風(fēng)險(xiǎn)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)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)?dòng)了高鐵、電動(dòng)汽車、移動(dòng)儲(chǔ)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(bǔ)性，可助力高溫電子技術(shù)的發(fā)展登上一個(gè)新的臺(tái)階，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)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(duì)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(huì)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(shí)，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(shì)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(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(huì)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(huì)加速升高，PN結(jié)勢(shì)壘會(huì)被減薄，半導(dǎo)體的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)逐漸下降，當(dāng)溫度高達(dá)一定的門限時(shí)，本征載流子的濃度將會(huì)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(shí)驗(yàn)研究結(jié)果都已證明[1-4]，針對(duì)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(shí)，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(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的泄漏電流除了與本征載流子濃度強(qiáng)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(yùn)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(dú)特的Si/絕緣層/Si的3層結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢(shì)：（1）絕緣埋層實(shí)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(cuò)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(shí)施性[6]。

SOI在高性能超大規(guī)模集成電路、高速存儲(chǔ)器件、低功耗電路、高溫傳感器、航天抗輻照器件、移動(dòng)通訊系統(tǒng)、光電子集成器件以及微機(jī)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(diǎn)外，通過對(duì)SOI器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)高溫性能；另外，采用高激活能材料的金屬系統(tǒng)和實(shí)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(kuò)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(gè)數(shù)量級(jí)。

厚膜PD-SOI性能相對(duì)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(duì)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(duì)溫度的依賴都較小，與厚膜PD-SOI器件相比，在溫度升高時(shí)，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(shí)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(duì)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(xiàng)指標(biāo)看來，全耗盡的薄膜FD-SOI器件高溫時(shí)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(duì)比[6]

總之，相對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)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(shí)，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(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）等都會(huì)影響器件的可靠性和壽命，且高溫對(duì)一些失效因素的影響極大。

電遷移失效機(jī)理為：在一定溫度下，半導(dǎo)體管芯內(nèi)部的金屬互連和對(duì)外的引線上電流密度足夠大時(shí)，被激發(fā)的金屬離子受電場(chǎng)的作用形成離子流，朝陰極方向移動(dòng)，在電場(chǎng)作用下的電子通過碰撞金屬離子，給離子以動(dòng)量，從而形成朝著金屬膜陽極方向運(yùn)動(dòng)的離子流。在良好的導(dǎo)體中，動(dòng)量交換力比靜電力占優(yōu)勢(shì)，造成了金屬離子向著陽極端的凈移動(dòng)，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(shí)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(duì)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(shí)，提高激活能即可使MTF延長。材料不同，擴(kuò)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(huì)更長，高溫性能顯著增強(qiáng)。

電遷移引起的失效表現(xiàn)主要是電子器件各項(xiàng)性能參數(shù)退化，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)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(jì)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(duì)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?yàn)楹副P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(shí)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(yàn)高溫器件可靠性的重點(diǎn)問題之一。以常用的鋁基金屬為例，失效機(jī)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(chǎng)，這個(gè)溝道電場(chǎng)會(huì)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(huì)造成在Si/SiO界面處結(jié)合鍵的斷裂，熱載流子也會(huì)注入到SiO2中而被俘獲。鍵的斷裂和被俘獲的載流子會(huì)產(chǎn)生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)，這會(huì)影響溝道載流子的遷移率和有效溝道勢(shì)能。能量達(dá)到甚至超過SiO2-Si勢(shì)壘便會(huì)注入到SiO2中去，當(dāng)能量足夠大時(shí)還會(huì)打斷共價(jià)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(gè)重要失效機(jī)理。

文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果表明，熱載流子對(duì)器件壽命的影響可用指數(shù)模型描述，平均失效時(shí)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(shí)，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(huì)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(shí)間后，氧化膜就會(huì)被擊穿，這期間經(jīng)歷的時(shí)間就是在該條件下的壽命。因此，TDDB會(huì)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(píng)估工藝過程對(duì)柵氧化層質(zhì)量的影響，特別是對(duì)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(duì)SOI器件高溫可靠性影響較大的是電遷移和腐蝕。因此，針對(duì)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(duì)氧化物和氮化物有良好的粘合性，能實(shí)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(diǎn)），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(shí)，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(shí)鐘頻率。當(dāng)溫度高于175℃時(shí)，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(jī)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(duì)高溫應(yīng)用，這一銅鑲嵌工藝技術(shù)具有相對(duì)較低的成本和較高的性能[11]。

針對(duì)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(shì)。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(shì)

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(xiàng)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(xiàng)工藝技術(shù)的開發(fā)對(duì)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?yàn)镾OI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(shí)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(shí)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)，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(shí)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(shí)現(xiàn)難點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)著高溫半導(dǎo)體器件的商業(yè)化進(jìn)程。業(yè)界對(duì)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)室樣品制作和測(cè)試驗(yàn)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(huì)下專門設(shè)有高溫電子分會(huì)，通常每年在歐洲或美國舉辦高溫電子國際會(huì)議（HiTEC或HiTEN），但參與者大都是美國和歐洲企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)，少有國內(nèi)公司和研究機(jī)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(xiàng)以開展基礎(chǔ)研究，鼓勵(lì)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(dòng)整個(gè)高溫電子產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展；同時(shí)，建議中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)等行業(yè)組織成立高溫電子分會(huì)，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(huì)等，通過鼓勵(lì)業(yè)界積極與國外同行交流，以推動(dòng)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(shí)）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(shí)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(shí)必須配備與其耐高溫等級(jí)相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)在各個(gè)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(gè)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(jì)選擇及各種可能的溫度補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)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(jì)的綜合考量。

2）管芯本身在真空或密封時(shí)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(shí)的電遷移、腐蝕等效應(yīng)對(duì)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(shí)施?？紤]到器件的壽命會(huì)隨溫度的升高而降低，許多高溫應(yīng)用的需求不會(huì)滿足于僅1000 h的高溫工作壽命，根據(jù)應(yīng)用的實(shí)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(jì)最關(guān)鍵，必須最有效地?cái)U(kuò)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(cè)試。高溫器件往往不僅是面對(duì)高溫，而且還有可能要面對(duì)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(cè)試，如密封性、加速、應(yīng)力、粒子損害、振動(dòng)、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(jì)和制造高溫SOI器件已有二十多年歷史，目前能提供十多個(gè)種類一百多個(gè)型號(hào)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(dòng)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、運(yùn)算放大器、邏輯器件、時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)時(shí)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(jì)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(shí)，器件也還有幾千小時(shí)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(duì)用于液冷的輕型針翅基板型和針對(duì)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(duì)自然對(duì)流或強(qiáng)制風(fēng)冷的需求。CISSOID的IPM技術(shù)平臺(tái)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(jì)，從而實(shí)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(dòng)器的集成和融合。功率模塊和柵極驅(qū)動(dòng)器的協(xié)同設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)器具有獨(dú)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(shí)還減少了柵極環(huán)路寄生電感，進(jìn)而有助于實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和低損耗，以避免寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。CISSOID的嵌入式柵極驅(qū)動(dòng)器解決了與快速開關(guān)SiC晶體管有關(guān)的多個(gè)挑戰(zhàn)，例如：用負(fù)驅(qū)動(dòng)和有源米勒鉗位（AMC）來防止寄生導(dǎo)通；用去飽和（DeSAT）檢測(cè)和軟關(guān)斷（SSD）可以快速且安全地應(yīng)對(duì)短路事件。此外，柵極驅(qū)動(dòng)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(yùn)行。通過提供整合的且已匹配好的方案，CISSOID的IPM平臺(tái)能夠使客戶大大加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)度。

融合CISSOID的高溫SOI驅(qū)動(dòng)技術(shù)使智能高功率風(fēng)冷模塊（型號(hào)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(jī)電執(zhí)行器和功率轉(zhuǎn)換器等）而設(shè)計(jì)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(dòng)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(qiáng)。另外，依據(jù)應(yīng)用條件和場(chǎng)景的需求，通過更換更高溫度等級(jí)的被動(dòng)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(yùn)行溫度等級(jí)。當(dāng)然，用于組裝的PCB板材的溫度等級(jí)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(yùn)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(kuò)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(chǎng)趨勢(shì)調(diào)查公司YOLE的市場(chǎng)調(diào)查報(bào)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(dòng)著結(jié)溫的升高，其對(duì)功率器件結(jié)溫的預(yù)測(cè)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(dú)特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結(jié)溫從150℃邁向175℃，未來將進(jìn)軍200℃。借助于SiC的獨(dú)特耐高溫特性和低開關(guān)損耗優(yōu)勢(shì)，這一結(jié)溫不斷提升的趨勢(shì)將大大改變電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車動(dòng)力總成（電機(jī)、電控和變速箱）、多電和全電飛機(jī)乃至電動(dòng)飛機(jī)、移動(dòng)儲(chǔ)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(duì)功率器件結(jié)溫的預(yù)測(cè)

電動(dòng)汽車的動(dòng)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(jī)一般長期工作耐受溫度為150℃左右（特殊的高溫電機(jī)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(dòng)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(jī)的控制溫度相匹配，這樣有利于兩者深度整合，簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)的布局，例如使用合并的油基液體冷卻電機(jī)和電控，甚至在某些中低功率的電動(dòng)車上完全放棄液冷而采用自然風(fēng)冷?？傊磥碓诮Y(jié)構(gòu)上，動(dòng)力總成的深度整合是必然路徑，因?yàn)檫@樣可能使動(dòng)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(jī)中控制尾舵、機(jī)翼、起落架等的機(jī)械動(dòng)作都是靠經(jīng)典的液壓傳動(dòng)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(jī)的概念。在飛機(jī)上采用電機(jī)替代液壓油路實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作，可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)，且方便冗余備份設(shè)計(jì)，還可以大大減小部件的體積和重量。飛機(jī)上的電機(jī)和電控不允許配備液冷，只能依靠強(qiáng)制風(fēng)冷和自然背板散熱冷卻，因此，實(shí)現(xiàn)多電或全電飛機(jī)乃至電動(dòng)飛機(jī)的電控設(shè)計(jì)，需要率先面對(duì)的重大技術(shù)挑戰(zhàn)即是高溫。CISSOID耐高溫驅(qū)動(dòng)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(jī)取代傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)的技術(shù)方向不僅應(yīng)用在飛機(jī)上，在坦克、艦船及各種工程機(jī)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(jī)械反應(yīng)能力時(shí)。

隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模普及，半移動(dòng)式儲(chǔ)能充電站和全移動(dòng)式充電寶將可有效地填補(bǔ)固定式充電在某些場(chǎng)景下的不足。對(duì)于這類移動(dòng)充電應(yīng)用，液冷機(jī)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(chǔ)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(shí)，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(jì)、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(jì)的格局，為設(shè)計(jì)工程師提供全新的拓展空間。因此，高溫SOI技術(shù)也將會(huì)越來越受到業(yè)界的重視。