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CMOS/SOI与铁电存储器(FeRAM)的工艺研究

范秀强  
【摘要】: SOI电路具有高速、低压、低功耗、抗辐照、耐高温等优点,由于SOI材料 的成本较高,原来它的应用主要局限在军工、航空航天等领域来制作耐高温和抗 辐照电路。随着SOI衬底制备技术的发展,SOI国片成本不断降低,使得SOI进 入民用成为可能。随着移动通信、笔记本电脑等便携式电子产品发展,SOI将成 为实现低压、低功耗的主流技术。由于SOI技术也是国防微电子的核心技术之一, 长期以来,西方国家一直在材料等相关技术方面对我国实施限制与禁运。按照中 国科学院知识创新工程项目《SOI材料与器件》的要求,本论文详细研究了 CMOS/SOI器件工艺,进行了CMOS/SOI十二位D/A,八位A/D转换器电路的研制 工作。作为本论文的另一方面,本文还根据“863”任务的需要研究了在信息领 域有重要应用前景的铁电存储器,铁电存储器(FeRAM)是一种非挥发性存储器。 它与普通的浮栅存储器(E~2PROM)相比,FeRAM具有写操作速度快、可重写次数多、 功耗低等优点。近几年来对它的研究一直是集成铁电学领域内研究的热点。结合 以上两方面的任务,本论文主要进行了以下几方面工作: 1.根据SOI电路的特点,与四川固体电路研究所合作,参与了CMOS/SOI十 二位D/A、八位A/D转换器讨论与设计的部分工作。在D/A转换器设计中采用 了3+9分段结构,对高三位数字量进行3-7温度编码,在没有进行激光调阻的 情况下,达到设计所要求的非线性误差,提高了转换器的精度。在A/D转换器的 设计中,采用了分级并行转换电路,在牺牲一定的电路速度的情况下,降低了电 路制备的难度。 2.对CMOS/SOI晶体管的工艺进行了研究。采用多次氧化对SOI衬底的顶层 硅进行减薄,成功制备出全耗尽的MOS晶体管。优化了MOS晶体管掺杂工艺;使 它的阈值电压达到预定要求。发现注入能量和注入杂质分布是影响掺杂的主要因 素。在工艺上采用的注入条件为:20~30nm缓冲氧化层;注入能量为40KeV; 注入剂量4~8×10~(12)/cm~2。 3.在对SOI器件工艺研究的基础上,对CMOS/SOI工艺流程进行了优化。利 用顶层硅厚度为2400A的P型SOI衬底,参与四川固体电路研究所的流片工作, 成功地制备出CMOS/SOI十二位D/A转换器和CMOS/SOI八位A/D转换器。并对 制备的CMOS/SOI A/D、D/A转换器相关功能测试的结果进行了分析。 4.自行设计了4×8位铁电存储器,完成了4×8位1C/1T铁电存储器阵列 的版图设计、制版。 5.对铁电存储器的工艺进行了详细的研究,完成了铁电存储器的整个工艺 流程。发现作为上电极的Pt与PZT薄膜的粘附性比较差,用丙酮超声清洗时上 — —IV—— \ 电极的Pt大面积与PZT薄膜剥离。在500℃下退火30分钟后,Pt与PZT薄膜的 粘附性得到大幅度改善。 6在对铁电电容的模型进行了初步的研究后,在Hspice中实现了零反转 时间瞬态铁电电客模型( ZSTT model)。采用 ZSTT模型对 IC/IT铁电存储单元的 读写时序进行了模拟,并对铁电存储器中的铁电电客面积进行优化。


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