CMOS工艺制备的高压PMOSFET温度特性研究

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》