CMOS工艺制备的高压PMOSFET温度特性研究
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CMOS工艺制备的高压PMOSFET温度特性研究
李红征1,2,周川淼2,于宗光2,1
(1.江南大学信息工程学院,江苏无锡214036;2.中国电子科技集团第58研究所,江苏无锡214035) 1 引言
本文采用1.5μmP阱单层多晶单层金属CMOS工艺制作的高压PMOSFET,结构如图1。高压PMOSFET 采用多晶场板偏置栅(offset-Gate)结构MOS管,采用不对称高压结构,仅在漏端制作漂移区。该结构高压管击穿电压为55V,阈值电压为0.92V,驱动电流为25mA,且不影响与低压CMOS器件的兼容和集成,高压PMOS与常压CMOS的PCM参数如表1。
这种高压PMOSFET结构具有如下特点:
(1)在沟道与漏之间加入P-区域作为漏漂移区,P-区域版图由P阱层次和P-场注入层次定义,不需要附加任何工艺,与P阱常压CMOS工艺完全兼容;
(2)高压结构与常压CMOS电路集成在同一芯片上,高压管的阈值电压和常压管相同,所有常压CMOS电路的设计规则和器件参数都不受影响。
2 高压PMOSFET的温度特性
本文采用Cascade探针台与Agilent 4155B参数测试仪测试了采用上述结构与标准CMOS工艺制备的高压PMOSFET在不同温度下(27℃-200℃)的器件特性,其版图尺寸、工艺条件均采用最佳方案,测试的高压PMOSFET宽长比为50:4。
2.1 高压PMOSFET特性的温度效应
图2为采用最佳版图尺寸、工艺条件制作的高压PMOSFET(50:4)在不同温度下(27℃、80℃、100℃、150℃、200℃)的器件IDS-VDS特性,VDS为0V~-35V,VGS=-5V。
图3、图4为不同温度下高压PMOSFET工作于线性区(VDS=-0.1V)与饱和区(VDS=-10V)的IDS-VGS 曲线。漏电流在线性区表现出零温度系数(ZTC,Zero-Temperature-Coefficient)点,位于VGS=-1.3V,对应的漏电流IDS=-1.8*10-5A;而饱和区漏电流没有ZTC点出现。
图5、图6为不同温度下高压PMOSFET工作于线性区(VDS=-0.1V)与饱和区(VDS=-10V)的栅跨导gm 曲线。栅跨导在线性区没有ZTC点出现;而饱和区栅跨导表现出零温度系数(ZTC)点,位于VGS=-1.2V。
MOS管不论工作在线性区或饱和区,其漏电流IDS均与增益因子β=(W/L)μeffCOX成正比,并且是阈值电压VT的函数。随着温度的升高,沟道中载流子的有效迁移率μeff将减小,这是由于温度升高引起si 中各种散射机理均加剧之故。
在200K-400K的温度范围内,μ0与温度的关系为:
T与T0为器件温度与参考温度,m是低场迁移率μ0与温度T的双对数坐标关系曲线的斜率,m与电场强度有关,对于PMOS,m=1.2~1.4。在SPICE模拟软件中对于NMOS或PMOS,均取m=1.5。假定m=1.5,由(1)式可得迁移率的温度系数为:
令(4)式中dIDS/dT=0可得到IDS的温度系数为ZTC时的栅压,并与(2)式联立,可知:
取线性区VDS=0.1V,该工艺常压PMOSFET实测dVT/dT=-2mV·℃-1,可得到常压长沟道PMOSFETIDS的温度系数为ZTC时的栅压(室温下)为:VGS=VT-0.45V≌-1.37 V,图3中测试得到的高压PMOSFET IDS的温度系数为ZTC时的栅压为VGS=-1.3V,二者基本相符,可知高压PMOSFET 的温度特性与常压PMOSFET相似。
2.2 阈值电压的温度效应
由图3所示高压PMOSFET在27℃~200℃下的器件线性区,IDS-VGS特性,提取各温度下阈值电压值,随温度升高,阈值电压基本呈线性变化,其温度系数为-2.3mV·℃-1,本文中高压PMOSFET阈值电压值与温度的简单关系为(见图7):
3 结论
采用Cascade探针台与Agilent 4155B参数测试仪测试采用1.5μm P阱单层多晶单层金属CMOS工艺
制作的宽长比为50:4的高压PMOSFET在不同温度下(27℃~200℃)的器件特性,包括漏电流IDS,阈值电压VT,栅跨导gm的温度特性,线性区漏电流ZTC点位于VGS=-1.3V,与常压PMOSFET的温度特性相似,饱和区栅跨导ZTC点位于VGS=-1.2V,阈值电压值的温度系数为-2.3mV·℃-1。
本文摘自《电子与封装》