薄膜全耗尽SOI CMOS电路高温特性模拟和结构优化

摘要

SOI CMOS电路因具有低结电容、二级效应小以及无热激发闩锁效应等优点,现已广泛的应用于高速低功耗IC设计领域。但由于SOI结构中的隐埋氧化层热传导率较差,使得器件有源区内产生的功耗很难传递出去。因此自加热效应对SOI电路特性的影响变得明显起来。本文针对SOI CMOS电路在高温领域的应用,从模型建立、高温特性分析、工艺和结构参数优化等几个方面进行了研究。基于0.18μm全耗尽SOI CMOS工艺,建立了符合深亚微米级要求的器件结构模型。结合三维器件模拟软件ISE TCAD,对模拟时所需物理模型进行了修正。模拟中引入了更为精确的Hydrodynamic模型和热力学模型,为正确估计温度对有效迁移率和碰撞电离产生率的影响还加入了量子模型,并记入了能带变窄和DIBL效应对电路特性的影响。利用上述模型,在300K～600K温度范围内,对全耗尽SOI CMOS倒相器的温度特性进行了模拟分析,得到了单管和倒相器在不同温度下的静态、瞬态特性。模拟结果表明,倒相器中的N管和P管的阈值电压对温度较为敏感,随着温度的升高输出特性表现出明显的退化,泄漏电流剧增,倒相器高低电平转换区变宽,噪声容限下降,电路的功耗和延迟均大幅度增加。故对传统的FD SOI CMOS倒相器的工艺参数进行了优化,并认为可通过在埋氧层中引入切口形成DSOI结构达到缓解热效应的目的。优化结果显示,当切口在栅的正下方且大小等于栅长时,器件综合特性最佳,并指出此类DSOI器件的速度特性损失大,不适合高频电路的应用。对此提出一种改进的AlN-DSOI结构,并探讨了实现工艺。与SOI和DSOI结构的高温特性比较,改进后的AlN-DSOI结构可在有效缓解SOI结构热效应和浮体效应的基础上,显著提高电路的速度和驱动能力,十分适合高温高速电路设计领域的应用。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 SOI 简介

1.2 SOI 的分类及其特点

1.3 SOI 的应用现状及前景

1.4 本文的研究意义及主要内容

2 结构建立与物理模型选取

2.1 结构模型的建立

2.1.1 结构模型考虑

2.1.2 结构参数的选取

2.2 模拟方法

2.2.1 模拟软件简介

2.2.2 模拟方法

2.3 物理模型的选取

2.3.1 流体力学能量输运模型

2.3.2 量子学模型

2.3.3 迁移率模型

2.3.4 载流子复合模型

2.3.5 载流子产生模型

2.4 本章小结

3 SOI CMOS 倒相器高温特性研究

3.1 单管的高温特性分析

3.1.1 温度对漏源输出特性的影响

3.1.2 温度对泄漏电流的影响

3.2 SOI CMOS 倒相器的高温特性分析

3.2.1 温度对电压传输特性的影响

3.2.2 温度对瞬态特性的影响

3.3 本章小结

4 SOI CMOS 倒相器的优化设计

4.1 参数优化

4.1.1 隐埋氧化层厚度

4.1.2 顶层硅膜厚度

4.1.3 源漏区掺杂浓度

4.2 DSOI 结构

4.2.1 开口对器件性能的影响

4.2.2 优化结果

4.3 本章小结

5 AlN-DSOI 新结构的提出

5.1 改进的AlN-DSOI 结构

5.2 AlN-DSOI 结构的实现工艺探索

5.2.1 AlN 薄膜窗口制备

5.2.2 形成AlN-DSOI 结构

5.3 三种SOI 结构的特性比较

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录