基于柔性衬底平面MOS器件及抗离子穿透封装设计仿真研究

发布时间：2020-06-10 13:14

【摘要】：近年来,伴随着互联网时代的深入发展以及物联网时代的来临,集成电路已经翻天覆地般的改变了人类的生活,其作为互联网和物联网两者的最佳载体,正在生活中发挥着越来越大的作用。随着社会的发展在通讯、医疗、国防等领域出现越来越多的曲面的工作环境,面对这种需求传统的硬质集成电路已经很难满足,因此许多研究机构都将目光转向弯曲度更好的柔性器件。但是与常见的硬质电路电学特性相比有机材料相差甚远,因此很多研究者都致力于把硬质电路和柔性材料相结合发挥出二者各自的优势。MOS结构是微电子器件中最重要的结构,对于平面结构电容的研究,也可以为后续MOSFET器件制作工艺研究提供指导,甚至未来MOS器件组成电路的研究。本文重点研究了基于柔性衬底平面结构硅基MOS电容器件的结构设计、关键工艺、电容特性以及抗离子穿透设计仿真等方面的工作,主要从以下三个方面开展研究工作:通过研究传统MOS器件的结构设计了柔性平面结构硅基MOS电容器件的结构。本文提出翻转转印和粘性涂层结合的转印方法将硅功能层纳米膜转印至PET柔性衬底上来制作柔性平面结构硅基MOS电容,此方法的优势是版图的设计简单并且可以在表面平整的纳米膜上进行后续工艺,根据该方法设计了硅基功能层纳米膜的刻蚀孔和适用于转印工艺的版图。在器件制作中针对柔性衬底的不耐高温的特性制定了包括硅基功能层纳米膜的反应离子刻蚀;牺牲层的选择性湿法刻蚀溶剂和时间;High-K介质的等离子体增强原子层淀积;以及对High-K栅介质(阴极金属区域)的选择性感应耦合等离子体刻蚀等关键工艺参数。对SOI外延片进行霍尔测试,确定硅功能层的掺杂浓度;对High-K介质进行椭偏测试,确定High-K介质生长的实际厚度,以便后续对电容性能进行分析。在完成柔性平面结构硅基MOS电容的制作后,对其在平整状态下进行了C-V和I-V测试,测试结果不理想,为了验证平面结构MOS电容结构的正确性,随后在SOI外延片上按照同样的工艺步骤制作硬质衬底上平面结构的硅基MOS电容,并测量了其C-V特性,再对其分析计算,计算出如积累区电容、平带电压、回滞电压等重要参数,分析导致转印后MOS电容特性失效的原因,并优化了柔性平面硅基MOS电容的结构,重新绘制版图。针对柔性MOS器件使用的环境,本文最后建立了抗离子穿透封装设计仿真模型,主要论述了多种材料和不同材料组合对器件阈值电压的影响。通过仿真设计证实硅、硅氧化物和氮化物这三种具有优异性能的材料不仅是高性能电子产品中电介质和半导体材料,同时也是超薄抗离子穿透结构封装层的关键材料。随后通过仿真设计出抗离子穿透性更优异的多层封装结构。
【图文】：

图 1.1 柔性器件的应用这种有机柔性衬底和无机半导体材料结合的柔性无机器件使器件的可靠性大大提高，而且成本低廉，大大减少半导体材料不必要的的损耗。2016 年仅亚洲的电子垃圾产量已达到了 1820 万公吨[23]，由于半导体产业的增长，半导体电路更新日新月异，更新换代的电子产品中大量的无机半导体垃圾对人类的健康和环境都将造成不可逆的巨大破坏，使用环保可降解新型材料的柔性电路研究就尤为重要。随着转印技术的不断进步，越来越多类型的柔性场效应晶体管被研制出来，随着技术的日趋成熟柔性分立器件性能变得更强同时可靠性变得更高，尽管出现更加复杂结构和多种多样材料的场效应晶体管，但是金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor, MOS）结构还是这些复杂晶体管的基础。硬质衬底上垂直结构的 MOS电容器件已经被研究的很透彻了，但是平面结构的 MOS 电容结构相对较少，柔性平面结构 MOS 电容结构的研究更少，可以通过平面结构 MOS 电容研究其栅结构及其中电荷分布在弯曲条件下的变化情况，来分析弯曲应力对 FET 器件迁移率、输出电流等特性的影响，，同时平面 MOS 电容结构工艺与 MOSFET 工艺兼容度高，研究柔性

西安电子科技大学硕士学位论文前业界首个基于柔性 PET 衬底的 In0.2Ga0.8As 功能层的 MOSFET 器件[45]。2018 年西安电子科技大学余维健成功制作了基于柔性衬底垂直结构的 MOS 电容，并完成了其弯曲状态的电学特性分析[12]。即便如此相关的柔性 MOS 结构的研究还很有限。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2706339