硅基MOS器件温度特性分析及实现高温的工艺参数设计

发布时间：2020-08-31 09:56

　　应用于石油勘探领域的电子设备通常需要在高温环境(超过150℃)下工作,但采用目前常规工艺参数制造的硅基器件无法满足高温要求。尽管基于宽禁带半导体材料的器件可承受较高的温度,但其成本较高且不便于集成,因此,研究可实现高温硅基器件的工艺参数设计方法具有重要的理论意义和工程应用价值。基于硅材料各物理参数的分析,对硅基MOS器件各性能指标参数的温度特性进行研究,得到随着温度的升高MOS器件泄漏电流迅速增大,阈值电压减小,跨导减小的特性。对MOS器件的主要工艺参数与性能指标参数的关系进行了研究,指出衬底掺杂浓度对泄漏电流和阈值电压的影响最为显著,栅氧化层厚度则是决定阈值电压温度系数的关键参数。据此提出了一种高温硅基MOS器件关键工艺参数的设计方法,推导出满足技术指标要求的衬底掺杂浓度、栅氧化层厚度、沟道长度、源漏结深设计区间的表达式,计算出满足技术指标要求的各工艺参数取值范围。基于高温下泄漏电流和阈值电压温度系数与工艺参数的关系,提出了一种工艺参数优化方法,得出在工艺参数的取值范围内尽量提高衬底掺杂浓度,使MOS器件的泄漏电流随温度增加而增大的幅度尽可能小,但其会造成阈值电压温度系数增大以及跨导减小,因此再通过减小栅氧化层厚度,使泄漏电流及阈值电压温度系数均满足最小要求的同时,对跨导的影响较小。计算并得出了一组满足优化要求的取值范围更小且性能较好的高温工艺参数。结合硅基MOS器件高温工艺参数设计优化方法,利用Silvaco TCAD工艺仿真软件,对所确定的MOS器件工艺参数设计及优化结果进行仿真验证,仿真结果验证了理论分析及所提出设计优化方法的正确性与可行性。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386.1
【部分图文】：

曲线,输出特性,器件,源电流

且相对较为全面，其中包含半导体材料、半导体器件、集成电路等方现耐高温设计，特别是工艺设计仍处于保密状态。世纪 80 年代末 90 年代初我国开始对高温微电子进行研究，早期高温本是学习吸收国外在这一方面的研究，在借鉴吸收国外高温半导体研极性晶体管、MOS 器件等半导体器件的高温工作特性开展了一系列和模型建立等方面取得了一定的成就。随着国内人员对半导体材料的入，耐高温的半导体材料包括 SiC 和 GaAs 等材料也取得长足的发展[3]中详细的介绍了硅器件高温理论，分析了双极型晶体管和 MOS 器效模式，并提出了改善 MOSFET 高温工作性能和提高上限温度的方OS 器件耐高温设计提供了思路。如图 1.1 所示为一个 MOS 器件在不性曲线，可以看出在同一栅源电压 VGS的情况下，MOS 器件的漏源电升高而逐渐减小，所以温度的升高使 MOS 器件的驱动能力下降，而时，MOS 器件的漏源电流反而升高到常温漏源电流以上，这主要是流增加过多，漏源电流主要是泄漏电流为主，栅极电压失去了对漏源从而 MOS 器件的工作特性变差甚至失效。

温度特性曲线,禁带宽度,有效质量

图 2.1 禁带宽度的温度特性曲线）和（2.4）代入式（2.7），且代入 h 和 k0的值，得到34* *15 3 2(0)20 04.82 10 ( ) exp( )2n p gim m E Tn Tm k T 级密度的有效质量：*00.59pm m，*01.08nm m，代32161.3 10 exp( 6491 )in T T

温度特性曲线,本征载流子浓度,能级密度,有效质量

图 2.1 禁带宽度的温度特性曲线2.2）和（2.4）代入式（2.7），且代入 h 和 k0的值，得到34* *15 3 2(0)20 04.82 10 ( ) exp( )2n p gim m E Tn Tm k T 料能级密度的有效质量：*00.59pm m，*01.08nm m，代入得32161.3 10 exp( 6491 )in T T

【参考文献】