一種耐高溫電子器件原材料及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種耐高溫電子器件原材料及其應(yīng)用，尤其涉及一種石油測井井下鉆具電路中電子器件所使用的原材料，該電子器件原材料的結(jié)構(gòu)包括襯底層、絕緣埋層、導(dǎo)體層和電極，其中，絕緣埋層設(shè)置在襯底層的上表面，導(dǎo)體層設(shè)置在絕緣埋層的上表面，電極設(shè)置在導(dǎo)體層的上表面，襯底層采用的材料為Si，絕緣埋層采用的材料為AlN，導(dǎo)體層采用的材料為SiC，電極采用的材料為鎢。采用SiCOI（絕緣襯底上的碳化硅）制作的耐高溫電子器件原材料，可以有效避免漏電流的增加、阻斷閂鎖效應(yīng)的發(fā)生并且閾值電壓在高溫下更穩(wěn)定，適合石油測井井下鉆具在高溫環(huán)境下電子器件原材料的選擇。
【專利說明】一種耐高溫電子器件原材料及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐高溫電子器件原材料及其應(yīng)用，屬于半導(dǎo)體材料應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】的不斷發(fā)展，井下鉆具需要不斷適應(yīng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境，特別是能在高溫下工作的器件和電路。目前井下鉆具電路中所使用的體硅器件，由于高溫時漏電流的增加、閾值電壓的漂移、熱激發(fā)閂鎖效應(yīng)等原因，不能工作在250°C以上的高溫環(huán)境中，只能將在井下高溫環(huán)境中的傳感器的信號通過導(dǎo)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的處理器或采用復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，使設(shè)備上的處理器工作在適當(dāng)?shù)臏囟认?。前者增加了?dǎo)線長度和接頭數(shù)量，導(dǎo)致了可靠性的下降和電磁干擾噪聲的增加；而后者增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度、功耗和重量，兩者都降低了系統(tǒng)的效率，增加了成本。
[0003]漏電流的增加是電子器件在高溫下失效的主要原因，晶體管的漏電流主要包括耗盡區(qū)中的產(chǎn)生電流(正比于n1、V;其中V是空間電荷區(qū)體積，ni是本征載流子濃度)和耗盡的漏極附近的擴(kuò)散電流(正比于ni的平方、S ；S是結(jié)面積)。體硅器件的結(jié)面積和空間電荷區(qū)體積都非常大，因此，漏電流也非常大。高溫下載流子的遷移率變小，使晶體管導(dǎo)通時的電流變??；而同時漏電流使截止電流增加，這樣使得器件在導(dǎo)通時和截止時的電流差別變小。在超過240°C時，體硅器件導(dǎo)通，截止電流小到無法區(qū)分，致使體硅晶體管失效。
[0004]閂鎖效應(yīng)是電路在井下高溫環(huán)境中失效的另一個主要原因，體硅CMOS器件中的大多數(shù)寄生效應(yīng)起源于器件和襯底之間的相互作用。CMOS器件和PNPN結(jié)構(gòu)造成了寄生的晶閘管，晶閘管可以看作兩個相互作用的晶體管。當(dāng)溫度升高時，寄生的晶閘管導(dǎo)通，器件與襯底之間的漏電流增加，當(dāng)晶閘管的增益大于I時，閂鎖效應(yīng)就立即被觸發(fā)。此時，漏電流急劇增加，電流產(chǎn)生的熱量把體硅CMOS器件燒壞。為了消除閂鎖效應(yīng)，體硅CMOS電路必須采用非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)及工藝，增加了成本，降低了可靠性。
[0005]對于體硅器件，閾值電壓V隨溫度T的變化而變化。當(dāng)溫度上升時，硅材料中的本征載流子濃度增加，器件耗盡區(qū)的厚度減小，空間電荷區(qū)變窄，空間電荷變少，從而導(dǎo)致閾值電壓下降，體硅器件的閾值電壓隨溫度的變化是比較明顯的。
[0006]絕緣襯底上的硅(SOI)是一種用于集成電路制造的新型原材料，用它制作而成的CMOS電子器件，可以正常工作在350°C的高溫下。SOI (Silion On Insulator的縮寫)絕緣襯底硅的基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)的體硅器件或電路不同。體硅器件或電路通常都是被制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電器連接，高低壓單元之間、有源層和襯底層之間的隔離一般是通過反偏PN結(jié)完成；S0I結(jié)構(gòu)的奇妙之處是用一層隱埋氧化層把器件與襯底隔開，器件僅僅制造于表面很薄的硅膜中，電路的有源層、襯底、高低壓單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分的電器連接被完全消除。傳統(tǒng)的SOI基本結(jié)構(gòu)有三層，底層襯底，中間埋層是SiO2 (二氧化硅)，上層半導(dǎo)體為Si (硅)。SOI材料以其特殊的絕緣層結(jié)構(gòu)，有效地克服了體硅材料的不足，在高溫環(huán)境中，提高了測量的準(zhǔn)確性、靈敏度和反應(yīng)的速度，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的性能。盡管采用SOI結(jié)構(gòu)(以二氧化硅為絕緣埋層)的CMOS電路消除了高溫下激發(fā)的閂鎖效應(yīng)，具有小的高溫漏電流，但是，在測井井下高溫工作時，由于二氧化硅熱傳導(dǎo)率較差，器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)，且有自加熱效應(yīng)和寄生電容的存在，導(dǎo)致器件熱聚積和溫度升高，從而引起器件電參數(shù)特性變差甚至失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足,本發(fā)明提供一種采用SiC0I(SiC On Insulator的縮寫，絕緣襯底上的碳化硅)制作的耐高溫電子器件原材料。
[0008]本發(fā)明還提供一種利用上述耐高溫電子器件原材料的應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種耐高溫電子器件原材料，其特征在于，該電子器件原材料的結(jié)構(gòu)包括襯底層、絕緣埋層、導(dǎo)體層和電極；其中，所述絕緣埋層設(shè)置在襯底層的上表面，所述導(dǎo)體層設(shè)置在絕緣埋層的上表面，所述電極設(shè)置在導(dǎo)體層的上表面；所述襯底層采用的材料為Si，所述絕緣埋層采用的材料為A1N，所述導(dǎo)體層采用的材料為SiC，所述電極采用的材料為鎢。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的,所述導(dǎo)體層的厚度為0.lum-0.3um。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述導(dǎo)體層的厚度為0.15um。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述絕緣埋層的厚度為0.lum-0.5um。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述襯底層的厚度為lum。
[0015]材料各層的厚度不同，對于制造出來的CMOS器件的耐高溫特性也不同，本發(fā)明中，由于影響器件高溫工作的因素有漏電流和閾值電壓，導(dǎo)體層厚度越小，漏電流越小，閾值電壓的絕對值越小，因此優(yōu)選的導(dǎo)體層厚度可以帶來最好的耐溫效果。
[0016]此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中絕緣埋層用導(dǎo)熱性更好、絕緣性和熱穩(wěn)定性更加優(yōu)良的AlN (氮化鋁)代替SiO2,由于AlN材料的熱導(dǎo)率(3.2ff/cm.K)比SiO2的熱導(dǎo)率(0.014ff/cm.K)高近200倍，并具有電阻率大，擊穿場強(qiáng)高，熱膨脹系數(shù)與硅相近等優(yōu)異性能，是更優(yōu)異的介電和絕緣材料，用AlN取代SiO2作絕緣埋層可提高在油井高溫環(huán)境下的電路性能。
[0017]此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中導(dǎo)體層采用SiC(碳化硅)代替Si (硅)，由于碳化硅材料具有較寬的禁帶寬度，較高的熱導(dǎo)率，較高的飽和電子漂移速度和較低的介電常數(shù)。這些參數(shù)對于制作高溫、高頻、高功率的器件很有意義，尤其是在測井中的井下電子器件的應(yīng)用比起傳統(tǒng)的體硅期間有優(yōu)越性。
[0018]此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中電極采用的材料為鎢，盡管鋁是常規(guī)器件中最常用的電極材料，但鋁的熔點(diǎn)低，因此在高溫下易形成硅鋁互熔體和產(chǎn)生電遷移的現(xiàn)象，使得鋁電極在高溫環(huán)境中不再適用，在溫度150°C的情況下，硅器件的鋁電極的壽命只有156h。鎢不同于鋁，鎢是高熔點(diǎn)金屬，它具有的難熔性質(zhì)使鎢與SiO2的粘合性好，而且鎢與硅的熱膨脹系數(shù)相似，是高溫器件中比較合適的電極材料。
[0019]一種利用耐高溫電子器件原材料的應(yīng)用，其特征在于:該耐高溫電子器件原材料應(yīng)用到石油測井井下鉆具電路的電子器件中制作MOS管或晶體管。采用該耐高溫電子器件材料制作的井下鉆具，由于SiCOI有絕緣埋層，沒有大面積的PN結(jié)，在高溫工作時結(jié)漏電流也小，其閾值電壓隨溫度變化小，其工作特性對溫度變化小，所以其具有較好的耐高溫性能，在油井高溫環(huán)境下工作比較穩(wěn)定。
[0020]本發(fā) 明的有益效果在于:
[0021]1.避免了漏電流的增加:漏電流的增加是電子器件在高溫下失效的主要原因，SiCOI器件中，結(jié)面積和空間電荷區(qū)體積都比體硅器件的小得多，高溫下，只能觀察到很小的漏電流，擴(kuò)散電流成分是主要的。由于結(jié)面積小，在相同尺寸條件下，SiCOI器件的漏電流比體硅器件的低3個數(shù)量級，可以有效避免漏電流的增加。
[0022]2.阻斷了閂鎖效應(yīng)的發(fā)生:本發(fā)明中由于AlN絕緣層的存在，沒有了器件到襯底的電流通道，閂鎖效應(yīng)的通路被切斷。導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)的寄生PNPN結(jié)構(gòu)包含重?fù)诫s基區(qū)(N+和P+的源和漏)，重?fù)诫s使雙極晶體管的增益實(shí)際上減小到零，因而不會觸發(fā)閂鎖效應(yīng)，這樣，SiCOI電路不需復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝就可徹底消除閂鎖效應(yīng)。
[0023]3.閾值電壓在高溫下更穩(wěn)定=SiCOI由于有絕緣埋層，沒有大面積的PN結(jié)，在高溫工作時結(jié)漏電流也小，其閾值電壓隨溫度變化小，使其工作特性對溫度變化小，所以其具有較好的耐高溫性能，在高溫下工作較穩(wěn)定。
[0024]4.SiCOI材料制作的器件，不僅具有SiC材料本身高的電子遷移率、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿電場和電子飽和漂移速度以及良好的抗輻照性能，而且還擁有SOI器件特有的優(yōu)點(diǎn)，是制作抗輻照、高溫、高頻、大功率理想器件，應(yīng)用在井下電路中有很好的耐高溫效果，使數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)能更好的工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明SiCOI器件材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為S1、Si02與AlN三種材料的特性對比圖。
[0027]圖3為體硅與SiCOI晶體管中漏電流與溫度的關(guān)系(為體硅；籲為SiCOI材料)。
[0028]圖4為SiCOI材料制作的COMS反相器的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖5為閾值電壓隨不同導(dǎo)體層厚度的變化曲線圖。
[0030]圖6為不同厚度導(dǎo)體層的漏電流變化曲線圖。
[0031]圖7導(dǎo)體層厚度為0.15um時，閾值電壓隨溫度的變化。
[0032]圖8導(dǎo)體層厚度為0.15um時，溫度為300K和500K下的漏電流變化曲線。
[0033]其中，1、襯底層，2、絕緣埋層，3、導(dǎo)體層，4、電極。
【具體實(shí)施方式】
[0034]結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，但不限于此。
[0035]實(shí)施例1:
[0036]如圖1、圖2、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，該電子器件材料的結(jié)構(gòu)包括襯底層1、絕緣埋層2、導(dǎo)體層3和電極4，其中，絕緣埋層2設(shè)置在襯底層I的上表面，導(dǎo)體層3設(shè)置在絕緣埋層2的上表面，電極4設(shè)置在導(dǎo)體層的上表面，襯底層I采用的材料為Si，絕緣埋層2采用的材料為A1N，導(dǎo)體層3采用的材料為SiC，電機(jī)4采用的材料為鎢，襯底層的厚度為lum，絕緣埋層的厚度為0.lum，導(dǎo)體層的厚度為0.lum。圖2顯示絕緣埋層采用的材料為AlN與S1、Si02兩種材料的特性對比圖。
[0037]實(shí)施例2:[0038]如圖1、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1所示，不同之處在于:導(dǎo)體層3的厚度為0.3um。
[0039]實(shí)施例3:
[0040]如圖1、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1所示，不同之處在于:導(dǎo)體層3的厚度為0.15um。
[0041]實(shí)施例4:
[0042]如圖1、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1所示,不同之處在于:絕緣埋層2的厚度為0.5um,導(dǎo)體層3的厚度為0.3um。
[0043]實(shí)施例5:
[0044]如圖1、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例4所示，不同之處在于:導(dǎo)體層3的厚度為0.lum。
[0045]實(shí)施例6:
[0046]如圖1、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例4所示，不同之處在于:導(dǎo)體層3的厚度為0.3um。
[0047]實(shí)施例7:
[0048]如圖1、圖5和圖6所示，一種耐高溫電子器件材料，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例4所示，不同之處在于:導(dǎo)體層3的厚度為0.15um。
[0049]實(shí)施例8:
[0050]如圖4、圖5和圖6所不，根據(jù)本發(fā)明所述的SiCOI材料的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了石油測井井下鉆具電路中SiCOI CMOS反相器，其具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示，SiCOI CMOS反相器是采用了本發(fā)明所述的三層結(jié)構(gòu)，襯底層I使用的材料是Si ;絕緣埋層2使用的材料是AlN(氮化鋁)，AlN的熱導(dǎo)率與硅相近，同時是SiO2的120多倍，用AlN作為埋層能提高泄熱能力。另外AlN的相對介電常數(shù)較小，在作為埋層的時候產(chǎn)生的寄生電容相對較小。AlN有高的熱導(dǎo)率、大的電阻率、擊穿場強(qiáng)高、熱膨脹系數(shù)與硅相近等優(yōu)異性能，是電路COMS器件在200-300°C高溫下工作的理想材料；導(dǎo)體層3使用的材料是SiC (碳化硅)，碳化硅材料具有較寬的禁帶寬度、較高的熱導(dǎo)率、較高的飽和電子漂移速度和較低的介電常數(shù)。這些參數(shù)對于制作高溫、高頻、高功率的器件很有意義，特別是較寬的禁帶寬度優(yōu)勢使碳化硅器件更適合工作在高溫的惡劣環(huán)境中，另外，SiC也可以通過氧化形成SiO2，增強(qiáng)絕緣埋層的功能；圖中的電極4采用的是金屬鎢，鎢的熔點(diǎn)高，可以更好地耐高溫。
[0051]影響SiCOI COMS反相器在高溫下穩(wěn)定工作的因素有閾值電壓和漏電流，無論是SiCOI器件還是體硅器件，想要在高溫下穩(wěn)定工作，閾值電壓小而且穩(wěn)定，漏電流要小。圖7顯示導(dǎo)體層厚度為0.15um時，閾值電壓隨溫度低變化；如圖，隨溫度升高，閾值電壓的絕對值越接近于零，并且在溫度為500K-600K之間，曲線的斜率小，說明它的變化幅度減小，閾值電壓趨于穩(wěn)定。圖8顯示導(dǎo)體層為0.15um時，CMOS反相器在溫度300K和500K下的漏電流變化曲線，由圖中看出，采用此結(jié)構(gòu)的CMOS反相器在500K下的漏電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于300K，說明高溫下CMOS反相器的輸出特性良好。
【權(quán)利要求】
1.一種耐高溫電子器件原材料，其特征在于，該電子器件原材料的基本結(jié)構(gòu)包括襯底層、絕緣埋層、導(dǎo)體層和電極；其中，所述絕緣埋層設(shè)置在襯底層的上表面，所述導(dǎo)體層設(shè)置在絕緣埋層的上表面，所述電極設(shè)置在導(dǎo)體層的上表面；所述襯底層采用的材料為Si，所述絕緣埋層采用的材料為A1N，所述導(dǎo)體層采用的材料為SiC，所述電極采用的材料為鎢。
2.如權(quán)利要求1所述的一種耐高溫電子器件原材料，其特征在于，所述導(dǎo)體層的厚度為 0.lum-0.3um。
3.如權(quán)利要求2所述的一種耐高溫電子器件原材料，其特征在于，所述導(dǎo)體層的厚度為 0.15um。
4.如權(quán)利要求1所述的一種耐高溫電子器件原材料，其特征在于，所述絕緣埋層的厚度為 0.lum-0.5um。
5.如權(quán)利要求1所述的一種耐高溫電子器件原材料，其特征在于，所述襯底層的厚度為 Ium0
6.一種權(quán)利要求1所述的耐高溫電子器件原材料的應(yīng)用，其特征在于，該耐高溫電子器件原材料應(yīng)用到石油測井井下鉆具電路的電子器件中制作MOS管或晶體管。
【文檔編號】H01L27/12GK103646951SQ201310690303
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】李康, 王剛 申請人:山東大學(xué)