自热效应

AlN
AlN凭借其优异的材料性能,成为替代Si02作为SOI埋氧化层 材料的热门选择。
小结
AlN材料具有热导率高、电阻率大、击穿场强高、热膨胀系 数与硅相近等优良性能，更是优异的介电和绝缘材料。 用AlN取代二氧化硅作SOI的绝缘埋层可以显著削弱自加热 效应，提高SOI技术在高温、大功耗电路方面的应用。
为此建立新型的 SOI 埋层结构 SOANN(Silicon On Aluminum Nitride with Nothing),即用AlN代替传统的热 Si02材料,并在SOI埋氧化层中引入空洞散热通道。
SOANN结构
用AlN做为SOI埋氧化层的材料,降低了晶格温度,有效抑制 了自热效应。埋氧化层中的空洞,可以进一步提供散热通道, 使埋氧化层的介电常数下降,减小了电力线从漏端通过埋氧 到源端的耦合,有效抑制了DIBL(DrainInduction Barrier Lower)效应。
SOI-CMOS器件的自热效应
汇报人：陈珊珊
2016-3-4
1 SOI介绍
2
自热效应
目录
总结 控制措施 3
4
1
SOI
SOI(Silicon一On一Insulator,绝缘衬底上的硅)技术是指在
绝缘衬底上形成一层单晶硅薄膜,或是单晶硅薄膜被绝缘层 (通常是SiO2)从支撑的硅衬底中分开而形成的材料结构。 这种技术可实现器件有源区与衬底完全隔离,从而消除一般 体硅CMOS器件中衬底对器件工作时的影响。
展望
随着SOI技术的应用更加广泛，对于自热效应所产生影响的 研究将会继续下去，不仅仅在器件层次，还要提高到集成电 路层次以及各种特殊电路的层次。技术的不断进步，新的 SOI结构以及新的SOI材料将会不断的推出，自热效应对相关 器件带来的负面影响将会被逐步缩小，进一步促进SOI器件 的应用与发展！
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可以通过离子注入的方法，直接将N+注入到Al中，经热处 理可以获得高纯度、均匀一致的AlN绝缘薄膜，并且和基体 材料具有良好的的粘合性。
器件结构上的改进
遗憾的是,AlN的介电常数高于Si02,当SOI器件的特征尺寸不 断减小的时候,由于较高的介电常数,会有大量的电力线通过 AlN埋层与源端耦合,降低源端的势垒高度,从而使AlN埋层 器件的DIBL效应增大。
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总结
自从SOI结构提出至今，SOI技术以其远超体硅器件的良好发 展前景得到了广泛的关注。其中自热效应作为SOI器件发展 的重要因素，更是得到了广泛的关注和不断的研究。 本文分析了自热效应，从材料结构的改进和器件结构的改进 两方面来减少自热效应，材料上用热导率较高的绝缘材料 AlN来代替传统SOI结构中的SiO2埋层；结构上在SOI埋氧 化层中引的CMOS器件相比,这种SOI结构的
CMOS器件具有无闩锁、高速、低功耗、集成度高和抗辐
射等优点,因而在便携式电子产品、航天电子、以及低压低 功耗等领域受到广泛关注。
But！
常规的SOI结构是以SiO2作为绝缘氧化埋层，由于SiO2埋层
的热传导率远远低于体硅，SOI器件散热缓慢，热量不断积
小结
新型的SOI埋层结构,采用AlN材料代替传统的Si02,并在埋氧 化层中开启空洞。
相比于SiO2，AlN的热导率非常高，从而减小了埋层的热阻, 使器件的温度降低。因此器件沟道的载流子迁移率较高，沟 道饱和电流较大。 空洞层的存在，减小了源漏间的耦合,减小了器件的短沟道 效应，降低了器件的泄漏电流。
累，导致器件工作温度升高，严重影响器件的可靠性和稳 定性，此效应被称为SOI器件的“自热效应”。
2
自热效应
所谓“自热效应（self-heating effect）“指的是器件工
作时沟道电流所产生的热量造成器件内部温度升高，导致 器件特性退变的现象。
产生机理
由于ＳＯＩ功率器件的绝缘氧化埋层的热传导率远远低于 硅,器件散热比较缓慢,导致自热效应产生的温度累积明显高 于释放到环境中的温度。实际上,绝缘氧化埋层相当于一个 热阻挡层,阻止热量从有源区传递到硅衬底,从而引起显著的 温度上升。
继出现。总体上主要集中在两大方面： 一种是SOI材料上的改进，
另一种是器件结构上的改进。
SOI材料上的改进
采用热传导率较高的绝缘材料来代替传统SOI结构中的二氧 化硅埋层,其中比较有竞争力的替代者有AlN、类金刚石以 及Si3N4。
Silicon-on-AlN结构
AlN的热传导率是二氧化硅的100倍,和Si相当,而且它具有 优异的热稳定性,高电阻率以及和Si相似的热膨胀率,这些优 点使得AlN成为代替SOI衬底中氧化埋层的首选材料。
产生现象
”自热效应“导致器件特性漂移、沟道电流下降、跨导畸
变、以及载流子的负微分迁移率形成等，严重影响器件性 能。因此，SOI器件自热效应的精确测量、主要影响因素分
析以及改善措施等方面的研究十分重要。
研究发展
在过去的十年中，人们对SOI器件和电路自热 现象做了大量研究。
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控制措施
在SOI器件自热效应大量研究的基础上，一系列改进措施相