高温MOS器件的特性研究与模拟

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1、引言所谓高温硅电子学，指的是对工作温度范围可高达200～300。C的硅集成电路器件的研究与开发。高温电子学发展及其应用是现代科学技术和工业发展对于半导体器件，电子电路所需要的温度条件不断地提出了新要求的结果。1．1高温电子学的应用目前半导体器件的主流产品——硅器件，工作温度通常不超过100。C，军用级的产品也不超过125。C。一旦这些微电子器件被要求在更高的温度下工作，它的性能就会发生劣化甚至失效。然而，科学技术和工业生产的发展使许多应用领域尤其是现场测量和控制领域对器件工作环境的要求越来越高，要求器件能在恶劣条件下特别是高温环境下工作【1_6J，虽然不同的工业部门对温度的要

2、求不尽相同，但要求器件和电路能工作在200--300。C以上的环境中工作的压力日渐趋大，见表1．1[61。在没有开发出能适应高温工作的器件时，为了使在常温下工作的器件和电路可以适用于高温情况，人们常常将在高温环境中的传感器的信号通过导线传输到远处的处理器，或采用复杂的冷却系统，使设备上的电路器件工作在适当的温度下。这些变通的办法虽在一定程度解决了器件高温工作的问题，然而有其明显的局限性：它不仅增加了导线长度和接头数量，导致可靠性的下降和电磁干扰噪声的增加；也增加了系统的复杂程度，并因功耗和重量而降低了系统的效率，增加了成本，给器件的可靠性、使用性和小型化带来不便。第一章引言工

3、业部门及应用场合温度范围(℃)1汽车乘客舱一40—85引擎舱—40—165发动和传动—40一1652石油和天然气油气井75——225蒸汽灌注200——3003航空航天智能燃料系统250电子刹车系统250发动机控制／监测3004其他通信250军事250重工业设备300表1-1高温电子在工业中的应用因此，希望能将高温电路和传感器放在一起，甚至集成在同一基片上，使其能适应高温环境下的工作，以提高测量的准确度、灵敏度和反应的速度，并简化系统的设计和提高设备的性能。这方面的研究受到越来越广泛的重视。针对这些现状，也提出了高温电子学的概念，希望能将微电子器件适用范围扩展至200℃以上，甚

4、至达到300。C。1．2高温微电子的发展简况第一章引言微电子器件的高温特性及高温微电子器件的研究很早就受到人们的关注。国外对此的研究可以追溯到六十年代中期i7,s1。1965年，Heiman年NMiller[7】等人就开始研制可在O一160℃范围内工作的n沟道硅MOS晶体管，提出了ZTC(Zero．temperature—coefficient)理论。在1966年Vadasz和Grovel8J在前者的基础上进行了更为完整的分析，认为n沟和P沟MOSFET的沟道电导随温度变化是阈值电压和反型层迁移率随温度变化的结果。到了1979年，PalkutiDI等人对于分立的JFETs和M

5、OSFET在25—300℃进行特性分析，将之应用到航天工业中作为发动机的监控使用，并发现器件随着温度的增加将产生泄漏电流且引起电阻率的增加、迁移率的降低，最终导致器件失效。同年，Draper和Palmerl5J对MOSFET的制造工艺进行了改进，采用离子注入P阱及P阱CMOS工艺的n型衬底的高掺杂，成功地制造了工作温度高达300。C的增强型n沟和P沟硅晶体管。Prince对用于地热深井测量用的MOSFET作了研究⋯，调查了工作温度范围在25蠢--300。C的商品晶体管，并注意到闽值电压随温度的升高而降低，沟道迁移率随绝对温度丁‘15而变。在1980年，他们研制成宽温带(25—

6、340℃)的CMOS集成电路，并比较了结隔离(junctionisolated，JI)，介质隔离(dielecticallyisolated，DI)；fIlSOS(Silicon-on—sapphire)MOSFET，发现在300。C以上仍有良好的可靠性。1981年，Beason等人用介质隔离的CMOS工艺来研究与非门(NAND)，发现逻辑电路工作温度高达380。C。若采用文献【lO，ll】的工艺工作温度还可增大，可达450。C。而Shoucairtl

7、o,n1于1983年从理论和实验两个方面研究了结温从25。C升至300。C对LSI中MOS晶体管的大信号和小信号参数的影响，

8、并总结了该温度内的数字电路和模拟电路的电学特性。对于泄漏电流的解析模型和详细的实验结果则于1986年进行了报道。Hosticka介绍了高温模拟CMOS集成电路的设计方法，并用标准的21maP阱的CMOS工艺执照了可工剀盏第一章引言作于250。C的运算放大器。Hesticka等人研究了用2岬nMOS技术集成的E／D运算放大器的工作特性，其工作温度范围在25一150℃内。而90年代以来，国际上特别是美国及欧洲的一些著名的公司和大学都对此十分重视，继续在体硅结构上对高温器件作研究。1995年州制成了高温精密放