CN103646951A

CN103646951A - 一种耐高温电子器件原材料及其应用

Info

Publication number: CN103646951A
Application number: CN201310690303.6A
Authority: CN
Inventors: 李康; 王刚
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明涉及一种耐高温电子器件原材料及其应用，尤其涉及一种石油测井井下钻具电路中电子器件所使用的原材料，该电子器件原材料的结构包括衬底层、绝缘埋层、导体层和电极，其中，绝缘埋层设置在衬底层的上表面，导体层设置在绝缘埋层的上表面，电极设置在导体层的上表面，衬底层采用的材料为Si，绝缘埋层采用的材料为AlN，导体层采用的材料为SiC，电极采用的材料为钨。采用SiCOI（绝缘衬底上的碳化硅）制作的耐高温电子器件原材料，可以有效避免漏电流的增加、阻断闩锁效应的发生并且阈值电压在高温下更稳定，适合石油测井井下钻具在高温环境下电子器件原材料的选择。

Description

一种耐高温电子器件原材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种耐高温电子器件原材料及其应用，属于半导体材料应用技术领域。

背景技术

随着石油钻井技术领域的不断发展，井下钻具需要不断适应复杂恶劣的环境，特别是能在高温下工作的器件和电路。目前井下钻具电路中所使用的体硅器件，由于高温时漏电流的增加、阈值电压的漂移、热激发闩锁效应等原因，不能工作在250℃以上的高温环境中，只能将在井下高温环境中的传感器的信号通过导线传输到远处的处理器或采用复杂的冷却系统，使设备上的处理器工作在适当的温度下。前者增加了导线长度和接头数量，导致了可靠性的下降和电磁干扰噪声的增加；而后者增加了系统的复杂程度、功耗和重量，两者都降低了系统的效率，增加了成本。

漏电流的增加是电子器件在高温下失效的主要原因，晶体管的漏电流主要包括耗尽区中的产生电流(正比于ni、V；其中V是空间电荷区体积，ni是本征载流子浓度)和耗尽的漏极附近的扩散电流(正比于ni的平方、S；S是结面积)。体硅器件的结面积和空间电荷区体积都非常大,因此,漏电流也非常大。高温下载流子的迁移率变小,使晶体管导通时的电流变小；而同时漏电流使截止电流增加,这样使得器件在导通时和截止时的电流差别变小。在超过240℃时,体硅器件导通,截止电流小到无法区分,致使体硅晶体管失效。

闩锁效应是电路在井下高温环境中失效的另一个主要原因，体硅CMOS器件中的大多数寄生效应起源于器件和衬底之间的相互作用。CMOS器件和PNPN结构造成了寄生的晶闸管,晶闸管可以看作两个相互作用的晶体管。当温度升高时,寄生的晶闸管导通,器件与衬底之间的漏电流增加,当晶闸管的增益大于1时,闩锁效应就立即被触发。此时,漏电流急剧增加,电流产生的热量把体硅CMOS器件烧坏。为了消除闩锁效应,体硅CMOS电路必须采用非常复杂的设计及工艺,增加了成本,降低了可靠性。

对于体硅器件,阈值电压V随温度T的变化而变化。当温度上升时,硅材料中的本征载流子浓度增加,器件耗尽区的厚度减小,空间电荷区变窄,空间电荷变少，从而导致阈值电压下降，体硅器件的阈值电压随温度的变化是比较明显的。

绝缘衬底上的硅(SOI)是一种用于集成电路制造的新型原材料，用它制作而成的CMOS电子器件，可以正常工作在350℃的高温下。SOI（Silion OnInsulator的缩写）绝缘衬底硅的基本结构与常规的体硅器件或电路不同。体硅器件或电路通常都是被制作在外延层上，器件和衬底直接产生电器连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离一般是通过反偏PN结完成；SOI结构的奇妙之处是用一层隐埋氧化层把器件与衬底隔开，器件仅仅制造于表面很薄的硅膜中，电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电器连接被完全消除。传统的SOI基本结构有三层，底层衬底,中间埋层是SiO₂（二氧化硅），上层半导体为Si（硅）。S0I材料以其特殊的绝缘层结构，有效地克服了体硅材料的不足，在高温环境中，提高了测量的准确性、灵敏度和反应的速度，简化了系统的设计，提高了设备的性能。尽管采用SOI结构（以二氧化硅为绝缘埋层）的CMOS电路消除了高温下激发的闩锁效应，具有小的高温漏电流，但是，在测井井下高温工作时，由于二氧化硅热传导率较差，器件内部产生的热量难以散发，且有自加热效应和寄生电容的存在，导致器件热聚积和温度升高，从而引起器件电参数特性变差甚至失效。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种采用SiCOI（SiC On Insulator的缩写，绝缘衬底上的碳化硅）制作的耐高温电子器件原材料。

本发明还提供一种利用上述耐高温电子器件原材料的应用。

本发明的技术方案如下：

一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，该电子器件原材料的结构包括衬底层、绝缘埋层、导体层和电极；其中，所述绝缘埋层设置在衬底层的上表面，所述导体层设置在绝缘埋层的上表面，所述电极设置在导体层的上表面；所述衬底层采用的材料为Si，所述绝缘埋层采用的材料为AlN，所述导体层采用的材料为SiC，所述电极采用的材料为钨。

根据本发明，优选的，所述导体层的厚度为0.1um-0.3um。

根据本发明，进一步优选的，所述导体层的厚度为0.15um。

根据本发明，优选的，所述绝缘埋层的厚度为0.1um-0.5um。

根据本发明，优选的，所述衬底层的厚度为1um。

材料各层的厚度不同，对于制造出来的CMOS器件的耐高温特性也不同,本发明中，由于影响器件高温工作的因素有漏电流和阈值电压，导体层厚度越小，漏电流越小，阈值电压的绝对值越小，因此优选的导体层厚度可以带来最好的耐温效果。

此结构设计中绝缘埋层用导热性更好、绝缘性和热稳定性更加优良的AlN（氮化铝）代替SiO₂，由于AlN材料的热导率(3.2W/cm·K)比SiO₂的热导率(0.014W/cm·K)高近200倍,并具有电阻率大,击穿场强高,热膨胀系数与硅相近等优异性能,是更优异的介电和绝缘材料，用AlN取代SiO₂作绝缘埋层可提高在油井高温环境下的电路性能。

此结构设计中导体层采用SiC(碳化硅)代替Si（硅），由于碳化硅材料具有较宽的禁带宽度，较高的热导率，较高的饱和电子漂移速度和较低的介电常数。这些参数对于制作高温、高频、高功率的器件很有意义,尤其是在测井中的井下电子器件的应用比起传统的体硅期间有优越性。

此结构设计中电极采用的材料为钨，尽管铝是常规器件中最常用的电极材料,但铝的熔点低,因此在高温下易形成硅铝互熔体和产生电迁移的现象,使得铝电极在高温环境中不再适用，在温度150℃的情况下,硅器件的铝电极的寿命只有156h。钨不同于铝，钨是高熔点金属，它具有的难熔性质使钨与SiO₂的粘合性好,而且钨与硅的热膨胀系数相似，是高温器件中比较合适的电极材料。

一种利用耐高温电子器件原材料的应用，其特征在于：该耐高温电子器件原材料应用到石油测井井下钻具电路的电子器件中制作MOS管或晶体管。采用该耐高温电子器件材料制作的井下钻具，由于SiCOI有绝缘埋层,没有大面积的PN结,在高温工作时结漏电流也小,其阈值电压随温度变化小,其工作特性对温度变化小,所以其具有较好的耐高温性能，在油井高温环境下工作比较稳定。

本发明的有益效果在于：

1.避免了漏电流的增加：漏电流的增加是电子器件在高温下失效的主要原因，SiCOI器件中,结面积和空间电荷区体积都比体硅器件的小得多,高温下,只能观察到很小的漏电流，扩散电流成分是主要的。由于结面积小,在相同尺寸条件下,SiCOI器件的漏电流比体硅器件的低3个数量级，可以有效避免漏电流的增加。

2.阻断了闩锁效应的发生：本发明中由于AlN绝缘层的存在，没有了器件到衬底的电流通道，闩锁效应的通路被切断。导致闩锁效应的寄生PNPN结构包含重掺杂基区（N+和P+的源和漏),重掺杂使双极晶体管的增益实际上减小到零,因而不会触发闩锁效应，这样，SiCOI电路不需复杂的设计和工艺就可彻底消除闩锁效应。

3.阈值电压在高温下更稳定：SiCOI由于有绝缘埋层,没有大面积的PN结,在高温工作时结漏电流也小,其阈值电压随温度变化小,使其工作特性对温度变化小,所以其具有较好的耐高温性能，在高温下工作较稳定。

4.SiCOI材料制作的器件，不仅具有SiC材料本身高的电子迁移率、高的热导率、高的击穿电场和电子饱和漂移速度以及良好的抗辐照性能，而且还拥有SOI器件特有的优点，是制作抗辐照、高温、高频、大功率理想器件，应用在井下电路中有很好的耐高温效果，使数据采集和传输系统能更好的工作。

附图说明

图1为本发明SiCOI器件材料的结构示意图。

图2为Si、SiO2与AlN三种材料的特性对比图。

图3为体硅与SiCOI晶体管中漏电流与温度的关系（■为体硅；●为SiCOI材料）。

图4为SiCOI材料制作的COMS反相器的剖面结构图。

图5为阈值电压随不同导体层厚度的变化曲线图。

图6为不同厚度导体层的漏电流变化曲线图。

图7导体层厚度为0.15um时，阈值电压随温度的变化。

图8导体层厚度为0.15um时，温度为300K和500K下的漏电流变化曲线。

其中，1、衬底层，2、绝缘埋层，3、导体层，4、电极。

具体实施方式

结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的阐述，但不限于此。

实施例1：

如图1、图2、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，该电子器件材料的结构包括衬底层1、绝缘埋层2、导体层3和电极4，其中，绝缘埋层2设置在衬底层1的上表面，导体层3设置在绝缘埋层2的上表面，电极4设置在导体层的上表面，衬底层1采用的材料为Si，绝缘埋层2采用的材料为AlN，导体层3采用的材料为SiC，电机4采用的材料为钨，衬底层的厚度为1um，绝缘埋层的厚度为0.1um，导体层的厚度为0.1um。图2显示绝缘埋层采用的材料为AlN与Si、SiO2两种材料的特性对比图。

实施例2：

如图1、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，其结构如实施例1所示，不同之处在于：导体层3的厚度为0.3um。

实施例3：

如图1、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，其结构如实施例1所示，不同之处在于：导体层3的厚度为0.15um。

实施例4：

如图1、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，其结构如实施例1所示，不同之处在于：绝缘埋层2的厚度为0.5um，导体层3的厚度为0.3um。

实施例5：

如图1、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，其结构如实施例4所示，不同之处在于：导体层3的厚度为0.1um。

实施例6：

如图1、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，其结构如实施例4所示，不同之处在于：导体层3的厚度为0.3um。

实施例7：

如图1、图5和图6所示，一种耐高温电子器件材料，其结构如实施例4所示，不同之处在于：导体层3的厚度为0.15um。

实施例8：

如图4、图5和图6所示，根据本发明所述的SiCOI材料的结构的应用，设计了石油测井井下钻具电路中SiCOI CMOS反相器，其具体的结构如图4所示，SiCOI CMOS反相器是采用了本发明所述的三层结构，衬底层1使用的材料是Si；绝缘埋层2使用的材料是AlN（氮化铝），AlN的热导率与硅相近，同时是SiO₂的120多倍，用AlN作为埋层能提高泄热能力。另外AlN的相对介电常数较小，在作为埋层的时候产生的寄生电容相对较小。AlN有高的热导率、大的电阻率、击穿场强高、热膨胀系数与硅相近等优异性能，是电路COMS器件在200-300℃高温下工作的理想材料；导体层3使用的材料是SiC（碳化硅），碳化硅材料具有较宽的禁带宽度、较高的热导率、较高的饱和电子漂移速度和较低的介电常数。这些参数对于制作高温、高频、高功率的器件很有意义，特别是较宽的禁带宽度优势使碳化硅器件更适合工作在高温的恶劣环境中，另外，SiC也可以通过氧化形成SiO₂，增强绝缘埋层的功能；图中的电极4采用的是金属钨，钨的熔点高，可以更好地耐高温。

影响SiCOI COMS反相器在高温下稳定工作的因素有阈值电压和漏电流，无论是SiCOI器件还是体硅器件，想要在高温下稳定工作，阈值电压小而且稳定，漏电流要小。图7显示导体层厚度为0.15um时，阈值电压随温度低变化；如图，随温度升高，阈值电压的绝对值越接近于零，并且在温度为500K-600K之间，曲线的斜率小，说明它的变化幅度减小，阈值电压趋于稳定。图8显示导体层为0.15um时，CMOS反相器在温度300K和500K下的漏电流变化曲线，由图中看出，采用此结构的CMOS反相器在500K下的漏电流远远小于300K，说明高温下CMOS反相器的输出特性良好。

Claims

1.一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，该电子器件原材料的基本结构包括衬底层、绝缘埋层、导体层和电极；其中，所述绝缘埋层设置在衬底层的上表面，所述导体层设置在绝缘埋层的上表面，所述电极设置在导体层的上表面；所述衬底层采用的材料为Si，所述绝缘埋层采用的材料为AlN，所述导体层采用的材料为SiC，所述电极采用的材料为钨。

2.如权利要求1所述的一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，所述导体层的厚度为0.1um-0.3um。

3.如权利要求2所述的一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，所述导体层的厚度为0.15um。

4.如权利要求1所述的一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，所述绝缘埋层的厚度为0.1um-0.5um。

5.如权利要求1所述的一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，所述衬底层的厚度为1um。

6.一种权利要求1所述的耐高温电子器件原材料的应用，其特征在于，该耐高温电子器件原材料应用到石油测井井下钻具电路的电子器件中制作MOS管或晶体管。