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深亚微米全耗尽SOI CMOS的高温应用分析

作　者: 巩鹏亮
导　师: 高勇；杨媛
学　校: 西安理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 全耗尽深亚微米 SOI 自加热效应 AlN
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 105次
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内容摘要

SOI器件由于具有寄生电容小、易形成浅结、可以避免闩锁效应、良好的电学特性等优点,成为深亚微米工艺中极具潜力的一种技术。但是传统SOI器件的埋氧层热导率很低,所以SOI电路工作时器件沟道区产生的热量难以耗散出去,造成热量在沟道区积聚,引起饱和电流减小、阈值电压漂移等问题。因此深入分析SOI器件内部热效应的产生机理和积聚位置,并提出解决自加热效应的有效方法,成为目前SOI技术在高温领域应用的研究热点。本文针对深亚微米SOI CMOS器件在高温环境的应用,在模型建立,自热效应分析与解决自热效应的器件结构比较等几个方面进行深入研究。基于100nm FD(Fully Depleted)SOI CMOS工艺,使用器件模拟软件ISE TCAD,建立符合深亚微米要求的SOI CMOS反相器的单管器件结构模型,并针对深亚微米器件的各种二级效应选取相应物理模型,同时对ISE TCAD软件中默认的氮化铝(AlN)材料参数进行修正,使其与实际应用的材料特性相符。使用上述模型对SOI CMOS反相器的温度特性和电特性进行模拟,分析结果表明传统SOI器件在工作时会产生严重的自加热效应,管子输出特性随温度的升高严重退化,并且泄漏电流随温度升高剧增;热量的产生和聚集均位于漏沟PN结处,并且N管比P管遭受更严重的自加热效应。为解决传统SOI器件的自加热效应,分别建立SOAN(Silicon On Aluminum Nitride)结构和AlN_DSOI(AlN_Drian and SourceOn Insulator)结构,对上述三种结构的驱动电流和阈值电压稳定性进行比较。分析结果表明SOAN器件能够完全消除自加热效应,并且其更能提高器件的驱动能力。对SOAN结构器件针对高温应用环境进行结构和工艺参数优化,并根据优化后参数仿真SOAN CMOS反相器的瞬态特性。模拟结果显示在环境温度为300K和500K时,SOAN CMOS门级延迟分别为19ps、25.5ps:而SOI CMOS的门级延迟在相同的温度下分别为28.5ps、35.5ps。最后提出了一种新型SOI结构器件——Air_AlN_SOI器件,并与SOAN器件和传统SOI器件针对电特性和热特性进行比较,并给出了实现工艺。模拟结果表明改进后的Air_AlN_SOI器件除能提高电路散热性能消除自加热效应外,还能够消除引入高热导材料后由于DIBL(Drain Induced Barrier Lower)和DIVSB(Drain Induced Virtual Substrate Biasing)效应使器件关态漏电流变大的问题,十分适合高温领域应用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 SOI结构及其分类  9-10
  1.2 SOI技术优点及发展现状  10-12
  1.3 本文的研究意义及主要内容  12-15
2 器件结构建立与物理模型选取  15-33
  2.1 结构模型的建立  15-19
    2.1.1 器件结构的建立  15-16
    2.1.2 结构参数的选取  16-19
  2.2 物理模型的选取  19-30
    2.2.1 模拟软件简介  19-20
    2.2.2 物理模型选择  20-30
  2.3 材料参数的修改  30-32
  2.4 本章小结  32-33
3 几种FD SOI结构的温度特性分析  33-43
  3.1 传统SOI器件中自加热效应分析  33-38
  3.2 SOAN、AlN_DSOI与传统SOI器件电特性分析  38-42
    3.2.1 三种不同结构器件通态晶格温度分析  38-39
    3.2.2 温度对几种FD SOI器件输出特性的影响  39-40
    3.2.3 不同温度下几种器件驱动能力分析  40-41
    3.2.4 不同温度下几种器件阈值电压分析  41-42
  3.3 本章小结  42-43
4 全耗尽SOAN器件结构优化  43-51
  4.1 SOAN器件关键参数优化  43-47
    4.1.1 硅膜厚度T_(si)变化及环境温度变化对器件性能的影响  43-44
    4.1.2 掺杂浓度N_a变化及环境温度变化对器件性能的影响  44-46
    4.1.3 埋层厚度T_(box)变化及环境温度变化对器件性能的影响  46-47
  4.2 SOAN CMOS在不同温度下的瞬态特性  47-48
    4.2.1 相同结构参数的N管与P管Id_Vd特性  47-48
    4.2.2 SOAN CMOS在不同温度下的瞬态特性  48
  4.3 本章小结  48-51
5. Air_AlN_SOI新结构的提出  51-63
  5.1 改进的Air_AlN_SOI结构  51-52
  5.2 模拟结果与讨论  52-58
    5.2.1 晶格温度分布情况比较  52-53
    5.2.2 器件开态电流与关态电流比较  53-55
    5.2.3 阈值电压特性比较  55-56
    5.2.4 不同温度下器件的开态电流、关态电流和电流开关比的比较  56-58
  5.3 Air_AlN_SOI器件的工艺实现探索  58-61
  5.4 本章小结  61-63
6 结论  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-70
附录  70

深亚微米全耗尽SOI CMOS的高温应用分析

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