（微电子学与固体电子学专业论文）sic+mos器件和电路温度特性的研究.pdf

摘要 摘要 宽带隙半导体材料s i c 因其高饱和电子漂移速度、高击穿电场、高热导率等 特点，在高温、大功率、高频、光电子、抗辐射等领域具有广阔的应用前景。而 以m o s 技术为基础的s i c 金属氧化物半导体( m o s ) 器件和相应的数字模拟电 路的研制受到了广泛的关注。 本文重点对s i cm o s 器件和c m o s 倒相器以及运算放大器的温度特性进行分 析研究。并基于现有工艺条件给出了4 h s i cn m o s 器件的初步实验结果以及欧姆 接触的实验结果。主要工作和结论如下： ( 1 ) 通过一维解析求解泊松方程对不同温度下的界面固定电荷密度和界面陷阱 电荷进行分离；利用界面陷阱高斯分布中各个参数的物理概念对其值进行确定； 考虑到载流子的冻析效应、高场下电子速度饱和，界面陷阱的不均匀分布，各种 表面散射因素以及选取合适的界面陷阱占据初始态，利用i s e 软件较好的模拟了 不同温度下电荷在界面陷阱的复合物理过程对器件的直流和瞬态特性的影响。此 仿真的进行将不同温度下复杂的界面陷阱电荷的复合过程简化如下：随着温度的 升高，电子动能的增加导致界面陷落电荷减小，而相应的表面总迁移率则因表面 库仑散射作用的减弱而升高；另外，器件栅特性受表面迁移率随温度升高先升高 后降低，杂质离化率随温度升高而升高的综合影响而在4 5 0 k 以上呈现“零温度系 数点特点；瞬态脉冲的峰值电流是由所占据的快界面陷阱决定，因其具有更大 的俘获截面；而脉冲的衰变是由慢界面态以及其具有较小的陷阱俘获截面决定的。 ( 2 ) 研究了各种表面散射机制对器件特性的影响。在考虑到界面陷阱不均匀分 布时，利用器件模拟软件对各种表面散射机制进行合理的分离，并且研究在高温 高压条件下何种散射机制成为影响器件性能的主要因素：当温度高达6 0 0 k 时，反 型层迁移率主要受库伦散射的影响，而其余的散射机制是可以被忽略的，而只有 在更高的温度更高的栅源电压下，其余的散射机制才会影响到反型沟道迁移率。 ( 3 ) 考虑到杂质高温下的不完全离化以及6 h s i c 材料强烈的各向异性，分析了 不同晶面上温度对6 h s i cm o s f e t 击穿特性的影响。研究表明虽然在不同的晶面 上器件的击穿电压不同，但其随温度的变化趋势是相同的，都具有正温度系数。 为了改善器件的高压特性，应使电场方向平行于c 轴，或者采用适当的设计使垂 直于c 轴的电场比平行于c 轴的电场小。 ( 4 ) 为了改善p m o s 器件界面特性，对埋沟6 h s i cp m o s 器件存在的合理性和 的温度特性进行了初步的探讨和分析。 s i cm o s 器件和电路温度特性的研究 ( 5 ) s i cc m o s 反相器温度特性的研究。利用器件模拟软件i s e 软件在考虑到 s i c 材料特殊性质的影响下对高温下s i cc m o s 反相器的直流稳态特性进行研究。 并与相同结构的s ic m o s 反相器进行了比较，对电路的相关的静态参数进行提取。 得到s i cc m o s 反相器在数字电路应用时的特点。 ( 6 ) s i cc m o s 运算放大器温度特性的研究。对适用于s i 材料具有零温度系数 点且泄漏电流匹配的p m o s 输入标准两级运算放大器的温度特性进行了模拟。根 据高温单管m o s 模型推导了s i cc m o s 差分运放的差模等效电路和共模等效电 路，并对增益进行了推导，利用h s p i c el e v e l l l 对其电路的温度特性进行仿真。由 于s i cm o s 器件沟道迁移率低导致器件的跨导低于相同尺寸下的s i 器件，所以其 开环增益也小于相同结构和尺寸的s i0 瑚；虽然在单独的温度下s i c 电路具有 一定的稳定输出，但是并不具有温度稳定性，其参数随温度发生变化；对高温版 图的设计也进行了初步讨论。 ( 7 ) s i cm o s f e t 器件和电路实验的初步探讨。立足于现有条件，得到了4 h s i c 欧姆接触以及4 h s i cn m o s 器件的实验初步结果：通过离子注入可以得到较好的 n 型和p 欧姆接触1 0 巧q 锄2 数量级，可以达到器件制作要求。4 h s i cn m o s 器 件具有良好的线性和饱和特性，阈值电压在1 v 左右，5 岬器件跨导1 8 m s 衄l i i l 。 关键词：碳化硅m o s f e t 温度c m o s 倒相器c m o s 运算放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) i sa v e 巧p r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rl l i g ht 锄p e r a m r e ，l l i g hp o w e r l l i 曲丘e q u e n c y ，r e l a t i v e l y1 0 wn o i s ea i l dr a d i a t i o nh a r d i l e s s 印p l i c a t i o n sd u et 0i t s e x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e n i e ss u c ha saw i d eb a n d g 印，h i 曲b r e a k d o w nv o l t a g e ，l l i 曲 t h e m a lc o n d u c t i v 咄a n d1 l i 曲s 籼a t i o ne l e c 仃d n 埘rv e l o c i 批b a s e do nm o s p r o c e s s i n gt e c l l i l 0 1 0 9 y ，s i cm e t a l 一o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f r e c tt r 趾s i s t o r ( m o s f e t ) a i l d d i g i t a l a i l a l o g u e c i r c u i th a v e b e e n 鼬a n t e dw i mc o n s i d e r a b l e撒翎t i o n吼d i i i t e n s i v e l yi i e s t i g a t e d h lt m sw o r k ，e i 】1 p h a s i si s1 a i do nr c s e a r c l l i n go nt e n ：l p e r a 眈ed 印e n d e n c eo fs i c m o s f e t ，c m o si n v e n e ra n do w 山皿h 1a d d i t i o n ，e x p 丽m e n t a lr e s u l t so f4 h s i c n m o sa 1 1 do l l i i l i cc o m a c th a v eb e e n 西v 髓a 1 1w o r k sa n dc o n t r i b u t i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b 2 l s e do na i la n a l 如c a ls 0 1 u t i o no ft h ep o i s s o ne q u a t i o n ，i m e r f a c e 丘x e dc h a r g e 觚d 仃a p p e dc h a r g ei 1 1d i 侬玎e mt 锄p e r a t u r ei ss 印a r a t e da 1 1 a 1 蜘c a l l y ；p 越锄e t e r so f g a u s sp r o 丘l ei sa l s od e t e r m i n e d ；c o l l s i d e r i n gm e 洫f l u e n c eo fm e i n c o m p l e t ei o i l i z a t i o n o fd e 印一1 y i i l gi m p u 五吼e l e c n o nv e l o c i t ys a n 删i o n ，n o n u 血f o n l lp r o f i l eo fi 1 1 t e 珏犯e 仃；巾a n dd i 您强m ts u r f a c es c a 仕e r i n gm e c h a l l i s m s ，ad e t a i l e ds i m u l a t i o na n ds t u d yo f e f f e c t so f 仃a p p e di n t e r f a c ec h a r g eo nd ca n dt r a n s i e mc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c eb vi s e i sd o n ew i t ha i l 印p r o p r i a t es e to fi i l i t i a l 缸印o c c u p a t i o n 7 r h ec o 埘l p a r i s o nb e t w e e n s i m u l a t i o n sa n dp h y s i c a lm e a s u r e m e n t ss h o w sag o o da 铲e e m e n t t m ss i m u l a t i o n s i m p l i f i e dac o m p l e xr e c o i i 】【b i n a t i o np r o c e s s i l l go fc h a 玛ew i mi n t e r f a c et r 印a sf o l l o w s ： w h e nt e m p 咖e i n c r e a s i l l g ，i n c r e a s i n go fe l e c 缸0 nk i n e t i ce n e r g y1 i m i t sm en 啪b e ro f i n t e r f 配et r a p p e dc h a r g e ，t h u ss u r f a c et o t a lm o b i n t yi i l c r e a s ef o rc o u l o 埘【b s c a l t e r i n g w e a k e l l i n g z e r 0t e m p e r a t l l r ec o e 蚯e n tp o i n t ，w h i c hi st h er e s u l to fa 仃a d e o f fb e t 、) l r e e l l t h ed e c r e a s i n gs u r f a c em o b i l i t ya n dt h ei n c r e a s i l l gi i r l p 谢t ) ri o m z a t i o n ，e m e 唱ew h e n t e m p e r a t u r ei s1 1 i 曲c rt 1 1 a i l4 5 0 k ；t t a l l s i e n ts i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep e a kc u r r e n ti s l i m i t e db yt h en u m b e ro ff a s ti n t e r f a c es t a t eo c c u p i e da n dt h en u m b e ro fs l o wn e a r n e r f a c es t a t e sa n dm e i rc 印t u r ec r o s s s e c t i o n s 西v et h ed e l a yi 1 1t h ec u r r e n t ( 2 ) e 能c t so fa 1 1l ( i n d so fs c a t t e r i n gm a c l l l l i s m so nd e v i c ei ss t u d i e d s e p a r a t i o no f i n t e r f a c es c a t t e 打n gm o b i 】i t ) ，i sd o n ew i t l li n t e r f a c et r a p sn o n u 1 1 i f o m lp r o 丘l e a n dm e d o m l n a n ts c a t t e r i n gm e c h a l l i s mr e s p o n s i b l ef o rd e v i c eo p e r a t i n gi 1 1 l l i g ht e n 叩e r a t u r e a n d1 1 i 曲v o l t a g ei sd e t e m l i n e d i n v e r s i o nm o b i l i t yi s a l m o s te s t a b i l i s h e db yc o u l o m b s i cm o s 器件和电路温度特性的研究 s c 矾嘶n ge v e nt e m p e r a t u r eh i 曲e ru pt o6 0 0 k ，o n l ya th i 曲e rt e m p e r a n l r ea i l d1 1 i 曲e r g a t eb i a si st h ei n v e r s i o nm o b i l i t yb e i n ga f f e c t e db yo t h e rs c a t t e r i n gm e c h a l l i s m s ( 3 ) h l n u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nb r e a l ( d o 、) r i li na i l i s o t r 0 1 ) i c6 h s i cm o s f e ti s s m d i e d c o n s i d 耐n gt h ea 1 1 i s o t r o p yo fm a t e r i a l ，a n i s o 仃0 p yo fm eb r e a k d o w ni so b t a i n e d i nd i f r e r e n tf a c eb u tm et e i l d e n c yo fb r e a k d o w nv 0 1 t a g ev s t e m p e r a t u r ei ss a m e ，b o t h h a v ep o s i t i v e t e n 叩e r a t l i r ec o e 伍c i e n t f o ri n l p m v i n gb r e a k d o w nc h a r a c t e d s t i c s o f d e v i c e ，e l e c t r i cf i e l do r i t e n t i o ns h o u l db ep a r a l l e l t oca x i s ，o rm a 嘶t i l d eo fe l e c t r i c f i e l dp e 印e n d i c u l a rt oca x i si sl o w e rt h a i lt l l a to fp a r a l l e l t oca ) 【i s ( 4 ) f o ri n c r e a s i n gc h 猢e 1e f f e c t i v em o b i l i t yo fs i cp m o s f e t ，b u r i e dc h a l l i l e l p m o si sa d 叩t e d a n a l y t i c a lm o d e lo fb cp m o s c o n s i d 甜n gi n c o 1 p l e t ei o m z a t i o no f h n p u r i t yi se s t a b l i s h e d r e 硒o n a b l eo fs u c hs 仇l c n l r ea 1 1 dt e m p e 例：u r ed 印e i l d e n c eo f b cp m o si sb a s i c a l l ys t u d i e d ( 5 ) c o m p a r i s o no fs i cc m o s i n v e r t e rw i t l ls ic o u n t e 印a r ti 1 1d i 丘i e r e n tt e i l l p e r a t u r e i sd o n e a n ds o m es t a t i cp r o p e r t yp a r a m e t e r sa r ee x 仃a c t e d c h a r a c t e r i s t i c so fs i c c m o si n v e r t e r ，w h e l la p p l i e dt od i 舀t a lc 洫u i t ，i si n c l u d e d ( 6 ) s i m l j l a t i o no ft 即叩e r a t u r ed 印e n d e n c eo fs i cc m o so w 姻；w 1 ：l i c h i s d e s i 盟e db a s e do nz e r 0 - t e m p e r 绷】_ r e - c o e m c i e n t ( z t c ) a n dl e a k a g ec u r r e n tm a t c 址n g ，i s d o n e d i f f e r e n t i a lm o d e le q u i v a l e n tc i d c u i t 肌dc o m m o nm o d e le q u i v a l e n tc i r c u i ta r e d e r i v e d 丘o m1 1 i g ht e r n p e r a t u r em o d e lo fm o s f e t ，i i la d d i t i o n ，1 1 i 曲t e n l p e r a t i l r eg a i l li s g i v e n s i m u l a t i o ni sd o n ew i t hh s p i c el e v e ll1 s i m u l a t i o nr e s u l t sh a ss h o w n ：f o ra 1 0 w e rc h a l l n e le f f e c t i v em o b i l i 够o fs i cm o s f e e tr e s u l t sa1 0 w e r 仃a n s c o n d u c t a l l c e t h a nt 1 1 a to fs im o s f e t ，s i co n 蝴h a l sa1 0 w e ro p e nl o o pg a i l lt h a l lt 1 1 a to fs i c o u n t e 印a r t ，m ep a r a m e t e ro fs i co n 蝴w i l lv a r yw i t ht e n l p e r a m r et 1 1 0 u g has t a m l i t y o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c si so b t a i l l e da tas i i l g l et e m p e r a t u r e ap r i ：m a r yd i s c u s s i o no fl l i 曲 t e m p e r 栅e1 a y o u td e s i g ni sa l s o 垂v e n ( 7 ) u n d e rt h ef a b r i c a t i o na b i l i t yo fo u ro w n ，s o m ee x p 舐m e i l t a lr e s u l t sa b o u t 4 h s i cn m o s f e t 觚do h m i cc o m a c ti so b t a i n e d ：o n ei sap r e f e r a b l en - t y p ea n d p t y p eo l 1 1 i cc o n t a c to fa b o u t10 弓q c m 2b y i o ni 】n p l a m a t i o nt op t y p em a t e r i a l ，w 1 1 i c h c a ns a t i s f i e dr e q u i r e m e n to fd e v i c em a n u f - a c t u r e ，t h eo t h e ri sas o u n dn m o sw i t h f a v o ra _ b l e1 i n e 撕t ya l l ds a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w l l i c hh a sa 也r e s h 0 1 dv 0 1 t a g ea b o u t 1va 1 1 da 仃a 1 1 s c o n d u c t a l l c ea b o u t18 m s m mw i t ha c h a i l n e l l e n g t ho f5 “m k e y w o r d ：s i cm o s f e tt e m p e r a t u r ec m o si n v e r t e rc m o so 洲p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位证书而使用过的资料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 同期：卑! 垒1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型! 至：2 日期：j 删 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百t 匕 1 1 s i c 材料优势 随着微电子技术的发展，传统的s i 和g a a s 半导体材料由于自身结构和特性 的原因，在高温、高频、大功率以及抗辐射等方面越来越显出其不足和局限性。 众所周知，硅器件难以在高于2 5 0 的高温下运行，特别是当高温和大功率、高频 以及强辐射环境条件并存时，硅器件就难以“胜任”。在众多的半导体材料之中， s i c 以其优良的物理和电学性能引起了人们的重视，已经成为继第一代元素半导体 s i 和第二代化合物半导体g a a s 、g a p 和h l p 等之后发展起来的第三代半导体材料， 在高温、高频、抗辐照、短波长发光以及光电器件制造方面具有独特的优势，是 当前国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点之一】。 表1 1 室温下几种半导体材料特性的比较 s i cs ig a a s 4 h s i c6 h s i c3 c s i c 禁带宽度( e v ) 3 23 o2 3l - 11 4 2 击穿电场( m v c m ) 4440 6o 6 热导率( w c m k ) 3 53 53 51 5o 5 饱和速度( 1 0 7 c n 以) 2 22 51 01 2 介电常数 9 79 79 71 1 91 3 1 2 1 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 溶点( 。k ) 1 6 9 01 5 1 0 ( 升华)( 升华)( 升华) 电子迁移率( c m 2 v s ) c 轴：8 0 0c 轴：6 0 7 5 01 2 0 06 5 0 0 n d = 1 0 1 6 c 酊3 上c 轴：8 0 0上c 轴：4 0 0 空穴迁移率( c m 2 v s ) 1 1 5 9 04 0 4 2 0 3 2 0 n d 21 0 1 6 c m 。3 表1 1 给出了s i c 和s i 和g 啦s 基本材料特性的比较【l 2 1 。可以看出，s i c 具有 优良的电学和热学特性。与s i 相比，s i c 具有更宽的禁带( 约3 e v ) 、更高的击穿 电场( 4 m v c m ) 、热导率( 3 5 w c m k ) 以及更高的电子饱和速度( 2 1 0 7 c 州s ) 。 更宽的禁带宽度使得器件可以工作于5 0 0 以上的高温环境，并具有良好的抗辐射 特性；高的击穿电场、电子饱和漂移速度、热导率和相对较小的介电常数使其适 用于高功率、高频率器件，同时具有较小的器件尺寸和功耗。从j 0 1 u l s o n 优值( 通 2s i cm o s 器件和电路温度特性的研究 过材料的击穿电场、电子饱和漂移速度来反映相应器件的大功率、高频性能) 来 看，6 h s i c 是s i 的7 0 0 倍，是g a a s 的1 0 0 倍；从k e y e s 优值来看，6 h s i c 是 s i 的6 倍，是g a a s 的1 2 倍。再者，s i c 还具有很高的临界移位能( 4 5 9 0 e v ) ， 这使它具有很强的抗电磁波冲击( e m p ) 和抗辐照的能力，s i c 器件的抗中子能力 至少是s i 器件的4 倍。 c r e e 公司采用s i c 研制了可在各种发动机内部工作的紫外光敏二极管，用于 监测汽车，飞机，火箭等发动机的燃烧状态，并与s i c 高温集成电路一起构成控 制系统，结果显著提高了发动机的工作效率，节省了能源并减少了污染。美国就 将要通过使用比s i 和g a a s 更耐高温且可工作在高频和大功率条件下的s i c 器件，以 达到提高f 2 2 战斗机飞行控制系统的可靠性，减轻飞机重量和减小其对环境控制系 统依赖性的目的。另外，把s i c s 应用于电动机车的功率驱动部分中，就可以减 少电能耗损，用于航天功率系统中，就可以减少或取消冷却用的机械电子系统。 这一切都表明s i c 是一种能够在极端条件下使用和具有极端特性的新一代宽带隙 半导体材料，作为第三代半导体是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，其优异 的性能顺应了时代的要求，会在航空，航天，石油勘探，核能，汽车及通信等领 域发挥重要作用。 1 2s i cm o s 器件和电路研究动态 相对于n m o s 集成电路来说c m o s 电路具有功耗低、全电压输出摆幅、噪 声容限大等优点，再结合s i c 优良的材料特性，s i cc m o s 集成电路具有更吸引 人的发展潜力。目前对s i cc m o s 器件及电路的研究已经取得了一些进展。 1 2 1s i cm o s 器件研究 由于s i c 材料能够热氧化成为s i 0 2 粘附层，所以与g 啦s 、g a n 等材料相比， 为研制m o s 器件提供了便利条件。1 9 9 1 年研制的s i cn 沟道m o s f e t 可以在6 5 0 下工作。 s i cm o s 器件高界面态成为制约器件性能的主要因素。s c h o m e 一1 3 】等人认为价 带以上2 9 e v 处大的界面态是导致器件沟道迁移率较小的原因。这些界面态存在于 禁带中，它们通过电场载流子陷阱和库仑散射来减小沟道迁移率。 有几种方法可以用来改善这种器件的反型层迁移率。其中一个比较有效的方 法就是在n o 或n 2 0 气氛中进行栅氧化或退火。一般认为，在这些情况下，n 堆积 在界面上钝化或消除了界面上的缺陷。使s i 0 2 s i c 界面上的界面态密度大大减小。 g y c h u n g 等【1 4 】在实验中证实，用n o 退火可以改善s i c s i 0 2 界面质量，从而提高 第一章绪论 3 沟道迁移率，其有效沟道迁移率为3 0 3 5 c m 2 s 。s c h 6 m e rr 等人j 采用n o 气氛 氧化使峰值场效应迁移率增加至4 8 c m 2 s o 为减小界面态密度，样品首先在纯n o 中氧化1 小时，而大部分的氧化层是在于氧气氛下氧化5 小时得到的，氧化温度为 1 1 5 0 。文献】在n 2 0 气氛中进行栅氧化，得到了2 5 c m 2 s 的峰值场效应迁移率。 文献【1 7 】在n 2 0 和0 2 的混合气氛中进行栅氧化，得到的峰值场效应迁移率为1 3 0 1 6 0 c m 2 s ，而湿氧氧化器件的迁移率仅为2 6 c m 2 s o 作者发现n 2 0 氧化的界面上导 带底以下o 2 0 6 e v 处的界面态密度比湿氧氧化界面低两个数量级。他们认为这就 是迁移率增加的原因。r k o s u 西等人把氧化层在水汽中进行r o a 处理【l 引，他们证 明，沟道迁移率的大小依赖于水汽的含量，当水汽的含量p h 2 0 为5 0 时，得到的 沟道迁移率分别为4 7 c m 2 s ( 4 h ) 和9 5 c m 2 s ( 6 h ) 。 半导体功率器件分为两类：一类是m o s 器件；另一类是双极结型器件。功率 m o s f e t 具有工作频率高、栅电压可控制的优点。m o s f e t 是微处理器和半导体存 储器等大规模集成电路和超大规模集成电路中最重要的一种器件，在半导体器件 中占有重要地位。目前制作m o s f e t 的材料大多使用s i ，随着电子技术的进步，高 温、高频、强辐射等恶劣条件对半导体器件和电路提出了更高的要求，s i 材料由于 器材料特性已经无法满足这些苛刻要求，s i c 基m o s f e t 将是大功率、高温和高频 工作的很好的选择。 1 9 9 4 年第一支s i c 功率m o s f e t 诞生”】，1 9 9 8 年d p e t e r s 等人报道了6 h s i c 纵向m o s f e t ，击穿电压达到1 8 0 0 v ，栅氧化层上的电场达到2 7 m v 锄o 】；2 0 0 2 年s b a n e l l e e 等人报道了6 h s i c 横向m o s f e t ，击穿电压也达到了1 3 0 0 v 【l 1 1 】； 随着栅氧化层质量的不断提高，一直以来制约s i cm o s f e t 发展的反型层迁移率 过低而带来的器件输出特性变差，性能下降的问题已经得到改善，2 0 0 5 年o l a f s s o n ， h o 等人在n 2 0 气氛中进行栅氧化得到的4 h s i cn m o s 场效应迁移率高达 15 0 c m 2 s 【1 12 1 。 早期的u m o s f e t 器件3 】虽然在击穿时只有3 8 m q c i i i2 的比导通电阻但击穿 电压只有2 6 0 v ，用双注入d 蹦o s 工艺改善u m o s 器件4 】的高场应力损伤，击 穿电压可以达到7 6 0 v ，s u g a w a r a 报道的u m o s f e t 的击穿电压可以达到1 4 k v 而比导通电阻仍旧比较高。横向d 蹦o s f e t 具有最高的击穿电压2 6 k v ，三次离 子注入m o s f e t 的击穿电压为1 8 0 0 v ，在源漏电压为5 0 m v ，栅源电压为1 0 v 时， 比导通电阻8 2 m q 锄2 。在满足比导通电阻的要求后，为了使器件的击穿电压超过 同等结构的s i 器件的击穿电压，引入了a c c u f e t 器件，o n d ae ta 1 研制出了外延 生长n 型槽栅6 h s i cm o s f e t 器件【l ”】，导通电阻可以仅有2 3 8 4 m q c r n2 ，击穿 电压超过了4 5 0 v ，为了克服栅氧失效和沟道迁移率低的问题，s h e n o y 和b a l i g a 在沟道进行p + 掺杂【l 1 6 】，器件的击穿电压可以达到3 5 0 v ，比导通电阻只有1 8 m q 锄 2 ，与理论的1 5 m q c i i l2 非常接近，但当用4 h 材料时室温下的比导通电阻超过了 4 s i cm o s 器件和电路温度特性的研究 3 2 0 0 m q 伽2 ，因此e ta 1 采用了改进的u m o sa c c u f e t 器件7 1 ，击穿电压 可以达到8 5 0 v ，比导通电阻只有2 7 m q c m 2 。而埋沟双外延结构的d m o s 提供了 最低的比导通电阻 1 1 8 】为8 5 m q 锄2 。 1 2 2 具有温度稳定性的s i cm o s 电路研究 、m x i e 等人【1 19 】报道了第一个单片s i c 数字集成电路。其逻辑门电路都是由增 强型n m o s f e t 组成的，而且电路可以在3 0 0 的高温下进行工作。1 9 9 6 年， n s 。r e b e l l o 等人【1 2 0 】研制成功了6 h s i c 垤o s 运算放大器。 c m o s 电路具有全电压输出摆幅、与温度无关的逻辑电平、线性应用时高电 阻有源负载等优点，因此，随着s i c 工艺的发展，s i cc m o s 电路成为研究的重点。 1 9 9 4 年，d m b r o w n 等人【1 2 1 1 研制出了第一个单片s i co p _ 6 山口其增益只有 5 d b ，紧接着1 9 9 5 年d b s 1 a t e r 等人【1 2 2 】研制出了电压为1 2 v ，输入补偿电压为 5 6 m v ，室温下开环增益为8 0 d b 的o so p 舢门口，但是上述电路并没有考虑相 位裕度、摆幅、迟滞时间、输出摆幅、输入共模范围、单位增益带宽等因素。而 且，这些电路在高温工作时的稳定性并没有给出。1 9 9 6 年n s r e b e l l o 等人u 2 副 利用零温度系数设计了n m o so 山口，因为偏置在零温度系数点，具有恒定的 跨导，其开环增益也是具有温度稳定性的，在2 5 0 5 0 0 的温度范围内，开环 增益只有6 d b 的变化。但是上述电路均未提到电路中如何进行温度补偿，1 9 9 7 年j s c h e i l 给出了一个可以在高温下稳定工作的a b 类c m o so 脚【1 。2 4 。，利用 最小二乘法对偏置电路进行设计，通过对运放添加额外的电流则可以使得电路避 免电路受器件阈值电压和迁移率随温度的变化；输出级采用自适应偏置电路提供 全摆幅轨对轨输出并且7 5 下输出电阻为9 0 q 。此电路具有温度稳定性，在 7 5 3 0 0 温度范围内，增益只有1 2 6 5 d b 的变化。2 0 0 0 年，s t s h 印p 莉等人 【1 2 5 】研制出了1 2 v 的c m o so 瑚工作温度可以达到3 5 0 ，并且为了使电路 能够在高温下更长时间的工作，栅介质采用0 n o ，电路具有稳定增益8 0 d b ，增 益误差小于1 。 虽然s i cc m o s 集成电路电路取得了很大的发展，但还有很多难题需要克服， 最主要的问题在于s i cp m o s 性能不够理想，使得s i cc m o s 电路不能完全发挥其 优势。最主要的几个问题在于：在常规的s i cp m o s 中，存在大量的界面态，导致 沟道空穴迁移率低，阈值电压较大，金属与p 型s i c 很难形成良好的欧姆接触，源 漏串联电阻严重影响p m o s 器件的特性。 鉴于以上原因，s i cc m o s 技术发展缓慢。s i cm o s f e t 电路技术又转移到 n m o s 电路的方向上来，2 0 0 0 年，u l r i c hs c h i i l i d 等人【1 2 6 j 研制了6 h s i c 以o s 倒相 器和1 7 级环形振荡器。这些电路用5 v 的电压来驱动，且可在5 7 3 k 的高温下工作， 第一章绪论 5 3 0 3 k 时，振荡器的振荡频率为6 2 5 k h z ，单个倒相器的延迟时间是4 7 n s ，5 7 3 k 时增 至5 9 1 1 s 。这个倒相器的速度略低于亚微米s i cc m o s 倒相器，但是该讧o s 倒相器 中各器件的沟长却比c m o s 倒相器大的多，这说明，从电路速度方面来说，m o s 电路性能应该优于c m o s 电路。这是因为s i cc m o s 电路中p m o s f e t 特性较差的缘 故，主要表面为源漏串联电阻大，空穴迁移率很小。这样，在s i cm o s 电路技术中， 为了得到速度快且兼顾c m o s 技术优点的电路，可用以n m o s f e t 为主的电路技术 来提供比传统的c m o s 好的性能。 1 3 本文的主要工作 本论文是国防武器装备项目：“s i c 基础研究 ( 编号： 4 1 5 ) 研究工作的一部分，对s i cm o s f e t 器件以及c m o s 倒相器、运算 放大器的温度特性进行了研究，并从实验的角度对器件和电路特性进行了初步的 研究，得到一些必要的工艺数据，为制备性能良好的高温下可以正常工作的s i c m o s f e t 和c m o s 电路提供了实验基础。主要工作包括： 一、s i cm o s f e t 高温特性的理论研究 1 ) s i cm o s 界面具有比s im o s 界面更高的界面态密度，因此，其界面性质 成为制约器件性能的主要影响因素。根据物理计算对不同温度下的界面固定电荷 密度和界面陷阱电荷进行分离；利用界面态高斯模型中各个参数的物理概念对值 进行确定；选取合适的器件物理模型，在考虑到电荷在界面陷阱的陷落过程时对 不同温度下的器件的直流和瞬态特性进行模拟。 2 ) 在考虑到界面陷阱时对各种表面散射机制进行分离，并对高温高压下对表 面迁移率影响起主导作用的散射机制进行讨论。 3 ) 对各向异性6 h s i cn m o s 击穿的温度效应进行模拟分析，并且为了改善 器件的击穿特性对器件的结构进行了改进。 4 ) 为了改善p m o s 器件界面特性对埋沟p m o s 器件存在的合理性和温度特性 进行了初步的探讨和分析。 二、s i cc m o s 反相器温度特性的研究 主要对高温下s i cc m o s 反相器的直流稳态特性进行研究。并与相同结构的 s ic m o s 反相器进行了比较，对电路的相关的静态参数进行提取。得到s i cc m o s 反相器在数字电路应用时的特点。 三、s i cc m o s 运算放大器温度特性的研究 对适用于s i 材料具有零温度系数点且泄漏电流匹配的p m o s 输入标准两级运 算放大器的温度特性进行了模拟。 根据高温单管m o s 模型推导了s i cc m o s 标准差分运放的差模等效电路和共 6s i cm o s 器件和电路温度特性的研究 模等效电路，并对高温增益进行了推导，利用m o s f e th s p i c el e v e l l1 模型对其电 路的温度特性进行仿真。 对高温版图的设计也进行了初步讨论。本部分的工作对设计具有温度稳定性 的s i cc m o s 运算放大器具有指导意义。 四、s i cm o s f e t 器件和电路实验的初步探讨 立足于现有条件，对s i cc m o s 器件( 埋沟和非埋沟) 、反相器、o so p - 6 山口 以及欧姆接触、栅氧等关键工艺进行了实验研究。具体包括版图绘制、基本工艺 流程和电路结构的设计。 实验结果表明：通过离子注入可以得到较好的n 型和p 型欧姆接触1 0 5 q 锄 2 数量级，已经达到器件制作要求。 4 h s i cn m o s 在输出有效范围，器件具有良好的线性和饱和特性，阈值电压 在1 v 左右，5 哪器件跨导1 8 m s 瑾嘶。 第二章s i c 材料和m o s 器件温度特性的研究 7 第二章s i c 材料和m o s 器件温度特性的研究 2 1s i c 材料特性 2 1 1 本征载流子浓度和禁带宽度 本征载流子浓度n j 可以表示为： ，z f = ( c 引彪e 冲( _ 嘉) ( 2 - - ) 心心( 半) 3 2 ，坼( 字) 3 2 陋2 ， 其中k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度，m ：，7 ，z ：分别为电子和空穴的态密度 有效质量，n c ，n v 为价带顶和导带底有效态密度。m c 为导带底的有效状态数， 对3 c 为3 ，6 h 、1 5 r 为6 而4 h 为1 2 ；m v 是价带顶的有效状态数，对各种类型 s