离子注入对插入损耗和隔离度影响的研究

吴忆茹，侯飞凡，张俊龙，郝　志

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 210094；2. 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 研发部，上海 201203)

离子注入对插入损耗和隔离度影响的研究

吴忆茹1，侯飞凡2，张俊龙2，郝志2

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 210094；2. 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 研发部，上海 201203)

摘要基于一个典型的0.13 μm绝缘体上硅，射频开关电路工艺流程，分析了离子掺杂工艺流程对射频开关导通电阻Ron和关断电容Coff的影响。通过N型MOS管的浅掺杂注入后热退火温度和N型MOS管浅掺杂能量的分批实验，证实了退火温度可影响射频开关的导通电阻和关断电容。进一步实验结果显示，浅掺杂注入的砷(As)和磷(P)注入的剂量是主导因素，各自对导通电阻和关断电容值的影响均为线性且趋势相反，为基于0.13 μm SOI的射频开关性能的优化提供了依据。

关键词SOI；射频开关；插入损耗；隔离度；掺杂能量；剂量

射频(RF-Radio Frequency)收发开关(T/R Switch)是射频信号传输路径的控制器件之一，在无线通信系统中起着重要作用。随着无线通信领域的发展，对其性能也有了更高的要求。低插入损耗和高隔离度一直是优质射频开关的设计目标之一[1]，绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)[2-3]器件因其固有的低损耗的优势常被应用于射频开关电路的设计中[4]。本文基于SOI衬底的0.13 μm射频开关电路工艺，对轻掺杂离子注入过程的剂量和能量进行讨论，寻找获得高击穿电压(BV)和较小品质因数[4]的方案。

1射频开关电路的插入损耗和隔离度

插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标，理想开关断开时衰减无限大，导通时衰减为零。低频时，沟道电阻直接影响插入损耗,沟道电阻越小，插入损耗越小。晶体管尺寸越大，器件与衬底间的耦合电容越大，并且随频率的升高, 信号的关断状态串扰更显著。SOI器件的优势在于掩埋氧化层(衬底)，如图1所示的存在可使器件与衬底之间的寄生电容较普通体硅CMOS器件减少很多，同时也具有较低的栅极与漏极、源极交叠部分的电容Coverlap值和PN结电容Cjunction值。

图1　SOI 器件中的寄生电容

图2　单刀双掷开关电路结构图

一个单刀双掷的射频开关电路，如图2所示。由传输管(transfer FET)和并联管(shunt FET)组成[5-6]。打开状态时，传输场效应管和并联场效应管分别代表导通电阻和关断电容，关断状态时相反。降低导通电阻和关断电容值便可得到较低的插入损耗和较高的隔离度。

图3　浮体(Floating-Body)器件转换开关电路图

图4　体引出(Body-Contact)器件转换开关电路图

假设栅到漏端的电容值为Cgd；栅到源端的电容值为Cgs；源到漏端的电容值为Cds。对于浮体器件(Floating-Body)[7]的转换开关，如图3所示，栅极到源漏端电容值相同，所以

Coff=Cgd/2+Cds

(1)

对体引出器件(Body-Contact)的转换开关，如图4所示，由于体的接地所以漏端和衬底间不存在寄生电容(Cdb=0)，栅体间的电容值Cgb也可忽略不计，由

Coverlap=Cgd

Cjunction=Cdb+Cds

Coff≈Coverlap/2+Cjunction

(2)

则品质因数FOM(Figure Of Merit)计算式为

FOM=Ron·Coff≈Ron·(Coverlap/2+Cjunction)

(3)

因SOI器件Cjunction电容值

2实验及讨论

采用0.13 μm部分耗尽NMOS管[8]工艺流程,所用器件沟道宽度为10 μm，沟道长度为0.3 μm(10*0.3)。共使用7片晶圆片，工艺流程在离子掺杂前均相同，以施主掺杂的注入能量、掺杂后的热退火(RTA)温度作为变量，如表1所示，分别测量N型部分耗尽场效应晶体管的浮体(FB)与体引出(BC)两种结构的导通电阻Ron与关断电容第一项Coverlap。

表1　各组热退火温度和N型离子注入能量

每个晶圆片测5个点，取该5点在每个测试条件下的平均值并归一化，如图5所示。

图5　浮体结构和体引出结构的N管导通电阻和关断电容平均值趋势图

分析图5可知，温度升高时，A组的电阻值均先升高后降低，电容值均先降低后升高。B组的电阻值降低，电容值升高；C组电阻和电容值均升高，总体没有明显的变化趋势。掺杂能量升高时，两组电阻值均降低，电容值均升高。

这种现象是可解释的，重离子注入后的热退火会影响轻掺杂扩散情况产生差异，且不同的掺杂元素扩散情况不同。重离子注入元素为砷时，由于砷的活化能较大相对较难扩散，因此在轻掺杂区域注入的剂量相对较小，饱和电流较小，电阻便较大，同时击穿电压也较大。重掺杂离子注入元素为磷时，由于磷的活化能相对较小，因此有部分磷会扩散到轻掺杂区域，导致轻掺杂区域的注入剂量相对较大，从而饱和电流较大，电阻便较小，击穿电压也较小。

当N型场效应晶体管(以下简称N管)轻掺杂离子注入(N Type Lightly Doped Drain， NLDD)剂量增加时，相应的电容值也增加。鉴于以上变化，所以当单一变量为离子注入后热退火温度时，由于热退火会影响到轻掺杂注入的扩散过程，而N型掺杂的砷和磷扩散情况不同，所以形成了随温度变化，电阻值和电容值的变化趋势并不明显。

作为进一步验证实验，使用10×0.2的N型体接地的场效应管进行轻掺杂离子注入的能量和剂量实验，实验条件归一化后如表2所示。

表2　N管浅结掺杂离子注入(NLDD)过程各组能量和剂量归一化值

根据测得实验数据作模拟曲线，如图6所示。

图6　N管浅结掺杂离子注入实验结果数据趋势分析图

图6表明，10×0.2 部分耗尽N管器件轻掺杂注入过程砷和硼的注入剂量是主要的影响因素，而活化能较低的磷的注入剂量对所测电阻值和电容值的影响并不显著。随施主砷注入剂量增大，电阻值降低，电容值升高，品质因数降低。各参数随受主注入剂量增加变化的趋势与施主注入情况相反。

究其原因，随活化能较大的砷的注入剂量增加，饱和电流增加，电阻降低，击穿电压降低。因硼剂量的增加会使阱浓度增加，从而阈值电压(Vt增加，电阻增大，饱和电流减小，击穿电压增大。

4结束语

本文提出了差分过孔的优化设计方法，通过改善信号互联的阻抗匹配性，减小差分过孔与传输线间的反射，改善传输信号的质量。通过频域和时域仿真证明了本文提出的优化设计方案可行性，及对差分过孔性能的改善作用。通过增大反焊盘的尺寸，延长了信号的传输路径，增大了差分过孔的特性阻抗，减小了过孔与传输线间的反射。本文通过对差分过孔残桩进行端接，消除了残桩引起的全反射，进而提升传输信号的质量及差分互联结构的稳定性。

参考文献

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Rearch of Implant affect Insertion Loss and Isolation

WU Yiru1，HOU Feifan2，ZHANG Junlong2，HAO Zhi2

(1. Optical-Electrical and Computer Engineering ,University of Shanghai of Science and Technology, Shanghai 210094, China；2. Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Co., Ltd. research and development, Shanghai 201203, China)

AbstractBased on a typical 0.13 μm RF Switch SOI technics flow, analyze the effect of NLDD (NMOS Lightly Dropped Drain) technics to switch of Ronand Coff. Based on the experiment result of NMOS NLDD RTA and further discuss to NMOS NLDD IMP, proved RTA can effect Ronand Coff. The result shows dose of As and P acted as main effector to the research, present a regular linear trend to Ronand Coffwhich share an inverse tendency, thus providing a reference of RF switch optimizing method based on 0.13 μm SOI technic.

KeywordsSOI; RF switch; insertion loss; isolation; doping energy; dose

收稿日期:2015-10-15

作者简介:吴忆茹(1989-)，女，硕士研究生。研究方向：电子与通信工程。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.031

中图分类号TN432

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-107-04