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【半导体先进工艺制程技术系列】SOI技术(中)

SOI技术简介、SIMOX技术、BESOI技术、Smart-Cut技术详见:

【半导体先进工艺技术系列】SOI技术(上)

根据顶层硅膜的厚度和设备工作时耗尽层的厚度,SOI器件可以分为两大类:

1. 一是厚膜部分耗尽SOI器件(Partially Depleted SOI - PD-SOI),顶层硅膜厚度大于或等于1000,当设备在饱和区工作时,耗尽层小于顶层硅膜厚度,因此部分耗尽; 2. 另一种是薄膜的全耗尽SOI器件(Fully Depleted SOI - FD-SOI),顶层硅膜厚度小于或等于500,当设备在饱和区工作时,其耗尽层大于顶层硅膜厚度,其体陷阱区完全耗尽。

PD-SOI陷阱没有连接电压,因此处于电悬状态,会导致一些负浮效应(floating-body effect),例如翘曲效应(kink-effect)、寄生双极晶体管及自加热效应。

翘曲效应

翘曲效应是指当漏电压高于某一值时,PD-SOI装置输出特性曲线出现上翘现象。翘曲效应可以简单地理解为PD-SOI NMOS当设备泄漏电压很高时,通道电子通过泄漏极耗尽区附近的高电场加速获得足够的能量,通过碰撞电离产生电子空穴对,新电子通过通道快速到达泄漏极,而空穴流向硅膜中最低电位(即体浮区)。随着漏电压的增加,漏电流不再饱和,而是迅速增加,产生翘曲效应。

通过体接触可以抑制翘曲效应,即将陷阱区域连接到固定电位,从而控制体电位的变化,达到控制陷阱区域的势垒高度,最终稳定源泄漏电路。

寄生双极晶体管效应

根据双极晶体管的理论,集电极在基极开路时击穿电压BVCEO(也就是PD-SOI与基极接地时的击穿电压相比BVCBO要低。当PD-SOI当设备中寄生的双极晶体管导通时,通道电流Ic漏区碰撞电离产生的流入浮空区的电流为基区电流Ib,若倍增因子为M,Ib寄生双极管将被放大β*lb,则漏端电流Id=M(Ic β*lb),放大的基极电流与通道电流一起被漏端翻倍,增大的漏端电流在设备中形成正反馈,当漏端电压足够大使时β(M-1)=1时,设备被击穿。

寄生双极晶体管的效果可以通过体接触抑制,因为体区的多子体可以通过体接触流出,积累程度被削弱。此外,将寄生双极晶体管的基区连接到固定电位,可以控制基区电势的变化,从而改善PD-SOI穿透源漏的目的。

自加热效应

自加热效应(self-heating effect)是指BOX它不仅提供电学隔离,还导致热隔离。因为SiO2的热导率约为硅的1/100SOI当设备工作时,其自身产生的热量不易分散,形成热量积累,导致自加热效果。随着SOI装置硅膜温度急剧升高,晶格散射增强,导致电子载流子迁移率下降。当泄漏电压较大时,输出特性曲线表现为负电导率效应。在Id-Vd饱和区曲线在特征曲线中会略有下降,而不是略有上升。

体接触还可以改善自加热效果,因为体接触不仅可以改善体内多子体的排放路径,还可以提供散热路径,部分热量可以通过体接触通过硅膜和金属排出。

体接触

为了抑制浮体效应,通常把体接到一个固定的电位上,从而控制体电势的变化,这种方法称为体接触。常用的体接触有三种类型:T型栅、H型栅和BTS(Body-Tied-to-Source)型栅。

T型栅就是PD-SOI器件栅极的形状为字母T型,体接触仅在T顶部,因此不对称,具有边缘效应。

H型栅就是PD-SOI器件栅极的形状为字母H型,体接触仅在H的两端,因此对称,无边缘效应。

BTS型栅就是PD-SOI该装置直接在源端形成p 同时接触身体p 身体接触短接到源。BTS型栅PD-SOI设备源漏不对称,源漏端不能交换,电路设计不灵活。

FD-SOI工艺技术与FD-SOI工艺流程见【半导体先进工艺技术系列】SOI技术(下)

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