对称薄膜双栅MOSFET温度特性的研究

谌婧娇， 陈军宁， 高 珊

（安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

科学技术和工业生产的发展对设备的使用温度提出了越来越高的要求，在一些特殊领域，常常要求检测和控制设备能在超过室温数倍的温度状态下运行。虽然采用冷却装置可以使室温下工作的器件和电路适用于高温情况，但这给系统微型化和实用化带来诸多不便，因此研究高温微电子学，设计制造高温微电子器件和集成电路是十分必要的。

在高温微电子学的研究领域，首选研制的是高温硅器件和集成电路。国外这方面的工作开展得较早，1965年就有体硅高温微电子器件的研究报道，到20世纪80年代国外已将高温MOS器件的工作温度扩展到300℃左右［1－2］。文献［3］研究了普通MOS器件的高温特性，给出了阈值电压、漏结泄漏电流、跨导和转移特性在宽温区随温度变化的实验结果。

薄膜双栅MOSFET是一种新型高速低耗MOSFET。与体硅MOSFET相比，双栅MOSFET具有较高的跨导、优良的亚阈值斜率特性、较高的载流子迁移率、较短的延迟时间、优良的频率特性、对短沟道效应的较强抑制性能、较小的寄生效应、较强的抗辐射能力等特点［4－5］。

薄膜双栅MOSFET的性能优越，应用前景广阔。然而在功率集成电路设计中，器件的功耗较大，散热困难。如果不考虑温度效应，设计出的电路将无法正常工作，因此开展薄膜双栅MOSFET的温度效应研究十分必要。

薄膜双栅MOSFET具有众多优越性能的主要原因是其具有上下2个栅极，如图1所示。上下栅对沟道区域有更好的控制能力以及薄硅膜引入的体反型机制，即载流子不再仅限于沟道表面运动，它们将分布于整个硅膜中。薄膜双栅MOSFET体反型的物理解释是硅膜厚度减少到一定程度时量子效应的体现［6］，它的作用反映在载流子分布的扩展与载流子数量的增加。

图1 对称薄膜双栅MOSFET结构图

1 理论与仿真

在对薄膜双栅MOSFET做理论分析时采用分段考虑。在亚阈值区，薄膜双栅MOSFET发生体反型现象。体内载流子输运对漏源电流的贡献较大，发挥了体内载流子迁移率较大的优点。随着栅压的增加，体反型逐渐减弱，载流子分布逐渐由中部向表面发展。在阈值电压区，由于栅电压较大，使得载流子大量聚集在硅膜表面，而体内反型层载流子浓度并没有明显增加。进入强反型条件后，实验数据表明，薄膜双栅MOSFET的漏源电流大约只有普通体硅MOSFET的2.05～2.11倍［4］。

现对亚阈值电流、阈值电压、饱和电流随温度变化的情况进行计算分析，并与Medici仿真比较以证明其正确性。

1.1 亚阈值电流

在亚阈值区，根据 QM模型［7］，采用文献［8］提出的基于反型层质心位置且与体硅单沟道MOSFET相似的亚阈值区反型层电荷与漏源电流的表达式。该表达式形式简单，包含了薄膜双栅MOSFET体反型的基本特征且有较高的精度。

反型层质心是指单独考虑半硅膜时的载流子平均分布位置［9］，因此对称薄膜双栅 MOSFET具有2个对称的反型层质心。在亚阈值区，器件处于强体反型时，载流子集中于硅膜中部，反型层质心位于硅膜中部。

薄膜双栅MOSFET的亚阈值电流IDS可以由（1）式表达：其中，q为电子电量；xi为体反型质心；W／L为器件的宽长比；为硅膜表面势；为费米势；为漏源电压；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；Dn为体扩散系数，为扩散激活能；ni为本征载流子浓度，ni＝3.9×为硅的禁带宽度［10］。

将（1）式中与温度有关的各因子对温度求导得：

其中，β＝q／kT。由（2）～（4）式可知，各因子都是随着温度的升高而增大的，只有（5）式中1－）的值随着温度的升高而降低，然而降幅很小，如图2所示。随温度的变化

图2

亚阈值电流的理论值与仿真值如图3所示 。从图3可知，理论值与仿真值基本吻合。随着温度的增加，亚阈值电流呈指数增加，而当温度增到400K之后，增长趋势逐渐变缓。

图3 亚阈值电流的理论值与仿真值对比

1.2 阈值电压

通常对阈值电压的定义是建立在器件表面能带弯曲量为2Φf的基础之上的，这对于体反型机制的薄膜双栅MOSFET显然是不合适的。文献［11］运用跨导最大变化法提取阈值电压，得到阈值电压VT表达式为

图4 ΔΦ随温度变化图

图5 ）随温度变化图

由此可见，阈值电压的温度影响主要来自费米势Φf和平带电压Vfb。对温度T求导，得阈值电压随温度变化的表达式：

将不同温度下阈值电压的Medici仿真值与理论计算结果比较，如图6所示。

图6 阈值电压的理论值与仿真值比较

在300～600K时，阈值电压随着温度的升高几乎是呈线性减小的，由图6计算出阈值电压对温度的变化率为：

1.3 饱和电流

进入强反型区后，反型层质心十分接近硅膜表面，硅膜中心的电势稳定在费米势附近，反型载流子的贡献主要集中在硅膜表面，相当于2个普通MOSFET的并联，饱和电流可视为普通MOSFET饱和电流的2倍［4］。

其中，μ为迁移率；Vg为栅电压；VT为阈值电压。

从（9）式可看出，饱和电流随温度的变化主要受迁移率的影响。硅中的迁移率主要受声学波散射和电离杂质散射的影响［12］。其中，μs、μi为声学波和杂质电离散射的影响；Ni为掺杂浓度；m＊为电子有效质量。在掺杂浓度不高的器件中，由于 Ni较小，这项可略去，晶格散射起主要作用，迁移率随着温度升高迅速减小。

当温度升高时，对饱和电流影响最大的是迁移率μ，其随着温度的升高而减小，如图7所示。

图7 迁移率随温度的变化

从图8可看到，饱和电流随温度的升高减小，但是减小的幅度很小，不到1个数量级。

图8 饱和电流随温度的变化

2 结束语

本文分析了温度对薄膜双栅MOSFET的阈值电压、亚阈值电流、饱和电流的影响，并进行了理论计算和模拟仿真，得到了薄膜双栅MOSFET温度效应的如下结论：

（1）薄膜双栅MOSFET的阈值电压随着温度的升高而降低。在300～600K的温度范围，阈值电压随温度的变化近似为线性变化，变化率约为－1.4mV／K。

（2）随着温度的增加，亚阈值电流呈指数增加。温度每增加50K，亚阈值电流就增大约10倍。

（3）饱和电流随着温度的增加而略微减小。

［1］Draper B L，Palmer D W.Extension of high temperature electronics［J］.IEEE Trans Components Hybrids Manufacturing Technology，1979，CHMT－2（4）：399－404.

［2］Shoucair F S.High－temperature latch－up characteristics in VLSI CMOS circuits.IEEE Trans Electron Devices［J］.1988，ED－35（12）：2424－2426.

［3］冯耀兰，翟书兵.宽温区（27～300℃）MOS器件高温特性的模拟［J］.电子器件，1995，18（4）：234－238.

［4］Venkatesan S，Neudeck G W，Pierret R F.Dual－gate operation and volume inversion in n－channel SOI MOSFET’s［J］.IEEE Elec Dev Lett，1992，13（1）：44－46.

［5］Hisamoto D，Kaga T，Takeda E.Impact of the vertical SOI“DELTA”structure on planar device technology［J］.IEEE Trans Elec Dev，1991，38（6）：1419－1424.

［6］Ahmed S，AlaMMK，Rabbi MG，et al.QuantuMmechanical study of gate leakage current in double gate MOS structures［C］／／ISDRS 2007，December 12－14，2007，College Park，MD，USA，2007：1－2.

［7］Ge L X，FossuMJ G.Analytical modeling of quantization and volume inversion in thin Si－filMDG MOSFETs［J］.IEEE Trans Elec Dev，2002，49（2）：287－293.

［8］方 圆，张 悦，李伟华.薄膜双栅MOSFET体反型现象的研究［J］.微电子学，2005，35（3）：270－274.

［9］Lopez－Villanueva J A，Cartujo－Cassinello P，Gamiz F，et al.Effects of the inversion－layer centroid on the performance of double－gate MOSFETs［J］.IEEE Trans Elec Dev，2000，47（1）：141－146.

［10］Amold E，Letavic T，Merchant S，et al.High－temperature performance SOI and bulk－silicon RESURF LDMOS transistors［C］／／Proceedings of 8th International SymposiuMon Power Semiconductor Device and ICs，ISPSD’96，Maui HI，1996：93－96.

［11］叶 辉，李伟华.对称薄膜双栅nMOSFET模型的研究［J］.微电子学，2002，32（6）：419－422.

［12］刘恩科，朱秉升，罗晋生，等.半导体物理［M］.第4版.北京：国防工业出版社，2009：183－191.