论文部分内容阅读
移动通信、终端互联滋生了越来越多的无线通信协议和标准，对于终端设备商来说希望将尽可能多的标准集成在设备中，使得设备“无网不连”，同时希望缩减射频通信模块的体积。市场的需求推动了技术的发展，射频前端芯片开始集成越来越多的波段并且集成度越来越高，最新的5G标准更是希望将至少32个不同频段集成在同一射频前端，对射频开关和天线的性能有着近乎苛刻要求。此外，物联网技术的快速发展需要将尽可能多的模块集成在单片集成芯片中，片上系统和系统级封装是最有可能做到全面集成逻辑处理器、混合信号处理器、数字信号处理器、基带芯片、存储器、传感器、射频前端等电路模块的解决方案。其中射频前端模块的集成依然是重点和难点。以往的射频前端模块包含大量三五族化合物半导体集成电路组件，无法与硅基CMOS工艺兼容，因此开发兼容硅基CMOS工艺的射频前端解决方案成为提升系统集成度的关键。 因良好的射频性能，基于高阻硅衬底的高阻绝缘衬底上硅(HR-SOI)被越来越广泛的应用于射频集成电路中。特别是基于HR-SOI衬底的射频开关，一经面世就获得了广泛的关注,短短几年就已经近乎完全占据了原来完全属于GaAs衬底的市场。然而，HR-SOI衬底由于遭受寄生表面电导效应，导致产生寄生导电沟道继而恶化了其射频性能。为了满足更多的射频模块对于衬底性能的需求，使HR-SOI材料成为更合适的硅基射频芯片衬底材料，务须解决的问题就是消除HR-SOI材料的寄生表面电导效应，提升衬底的射频性能。 本论文的工作主要围绕以下几个方面展开: （一）分析寄生表面电导效应:造成寄生表面电导效应的根本原因是氧化物-半导体结构固有的半导体表面载流子的聚集效应，因此必须在材料级对HR-SOI衬底进行改进。本论文深入分析了寄生表面电导效应的成因以及影响寄生表面电导效应的因素，并结合射频微波理论分析了衬底性能对射频电路、器件性能影响;最后，提出了三种方法对HR-SOI衬底进行改良，消除其寄生表面电导效应，提升衬底的射频性能，分别为 (1)埋氧层的选择性刻蚀; (2)引入载流子俘获层; (3)埋氧层的改性离子注入。 （二）在不同的改良衬底上制作了应用广泛的射频无源器件:共面波导传输线以及片上电感，通过小信号以及大信号测试来表征传输线的损耗、谐波失真程度以及片上电感的品质因数等参数来评估衬底材料的射频性能。 （三）对不同衬底上的无源器件在不同工作条件下的衬底参数进行了细致的建模分析、仿真验证，再通过横向对比几种衬底方案对于消除HR-SOI衬底的寄生表面电导效应的区别，在材料层面上真正的解释了衬底参数影响射频器件性能的机理。 埋氧层的改性离子注入对高阻SOI射频性能的影响系国内外首次研究，并且表现出了优良的衬底射频性能，得到了比业界最先进的TR-SOI衬底更小的损耗、更好的线性度以及更大的电感品质因数。