SOI／MOSFET
第l3卷第3期
1993年8月
固体电子学研究与进展
RESEARCH8LPROGRESSOFSSE
V o1.I3,No.3
Aug.,I993
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z25—2乙
SoI/MoSFETKink效应的模拟和分析/拉巴
王晓晖汤庭鳌郑大卫黄宜平
r—天孽再程系，上海.200433)primadonna
C,A.PazdeAraujo
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bt是什么意思
(uw由Colorado,ColoradoSt,ringsCo80933—7150,U.S.A.)
1992年9胄22日收到初稿,1993年1月9日收剜修改稿
提要非全耗尽SOI/MOS晶体管由于存在.l(ink效应"而限制了它的应用范围.本文考虑了
沟道史断区的碰撞电离和横向寄生晶体管效应，对浮置衬底SOl/aMOS晶体管的电流一电压特性
曲线进行了理论计算，讨论了Kink效应的产生机理.计算结果与实验符合甚好.对器件参数的分
析可以定性地指导抑制Kink效应的器件优化设计.
关t调:SOI结构M0s场效应蕾碰撞电赢Kink效应SimulationandAnalysisofKinkEffect
inSoI/MoSFET
null 是什么意思WangXiaohui,TangTingao,ZhengDawei.HuangYiping
(Dept.ofElectronicEngineering,FudanUniv.,Shahai,200433)化妆品使用
C.A.PazdeAraujo
(Univ.ofColorado-ColoradoSpringsCo80933—7150,U.S.A.)
Abstract:Theapplicationscopeofnon-iullydepletionSOI/MOStransistoris restrictedduetoKinkeffect.Consideringtheimpactionizationinchannelpinch—off regionandparasiticlateraltransistoreffect,theI—Vcharacteristicsoffloatedsub—strateSOI/M0SFETiscalculatedtheoretically.ThemechanismofKinkeffectis discusd.Thecalculatedresultsareingoodagreementwiththeexperimentaldata. Furtheranalysistothedeviceparameterscanqualitativelygivedirectionfortheop—
tima1devicedesigntosuppressKinkeffect.
KeyWords:SOIStructure,MOSFieldEffectTransistor,ImpactIonization, KInkEfrect.
引言
SOl(Silicon-On—Insulator)MOS器件在许多方面比传统体硅MOS器件优越【，因而近
几年来为人们所重视例如，在SOI结构中，器件之间，器件与衬底之间是完全绝缘的，使寄生
电容大为减小，从而提高了器件的速度，降低了功耗.它能完全克服体硅CMOS的Latch—up
效应，并显着改善了辐照引起的软失效.可以相信,SOI/CMOS器件在未来的高性能亚微米
CMOS电路中将起越来越重要的作用.
在非全耗尽CMOS器件中，由于器件与衬底完全绝缘，在衬底浮置时会出现Kink 效
应，它对器件的应用带来一些影响.尤其是在模拟电路中的应用受到限制.本文从物理机理
3期王晓晖等:SOI/MOSFETKink效应的模拟和分析229
出发，考虑了沟道夹断区碰撞电离和寄生横向晶体管的放大作用，推导了
SOI/nMOS晶体管
的电流一电压输出特性模型，分析了器件参数(衬底掺杂浓度，沟道长度，栅氧化层厚度等)对
Kink效应的影响.这对于抑制Kink效应的优化设计具有一定的指导作用.
2模型
济南phpSOI/nMOS晶体管的剖面如图1所示.在硅膜未达到全耗尽时，衬底中存在一个中性区.
通常认为在漏端加上一定电压V凸s时.随着加于栅极的电压V的增大，产生表面反型沟道,
形成沟道电流"如果使漏极电压上升到时，漏端沟道夹断.凸s的继续增大使沟道区的
vitamin water电场升高.电子在夹断区被加速，因碰撞电离而产生电子一空穴对.对于体硅MOS 器件，碰撞
电离产生的空穴以衬底电流的形式流向衬底电极但对于SOI/MOS晶体管，由于衬底与隐埋
氧化层绝缘，且衬底是浮置的，由碰撞电离产生的空穴不能通过隐埋氧化层流走，只能积聚于
硅膜衬底近SiO处.空穴流动产生的电压降使衬底电势上升，而源极通常接地，这样就会使衬
底一源之间的PN结进一步正偏，导致开启电压下降，漏源电流上升.在输出特性曲线上发生扭
曲，即出现Kink效应
进一步分析表明,Kink效应不仅仅在沟道夹断后才发生.在亚阈值区和线性工作区，在
m未达到夹断值一之前，由于漏一衬底是一反向偏置的PN结，反向偏置电压使该PN
结耗尽区形成反向产生电流]，同样会使空穴在衬底积聚，并提高电势.因而在线性工作区也
存在Kink效应，只是由于增加的漏源电流较小，在输出特性曲线中不易观察到而
此外，对于SOI/nMOS晶体管在沟道较短时，必须考虑浮置衬底造成的npn横向寄生晶
体管效应.在衬底一源进入正偏时，可将源区，衬底，漏区分别看作横向npn管的发射区，基区及
集电区.此寄生管形成的电流，使MOS管的漏源电流进一步增大(见图1.)
在漏极电压未达到一，漏端耗尽区电场未强到产生碰撞电流时，只考虑衬底一漏PN结
之间的反向产生电流]:
图1SOI/nMOS剖面imperative
，一口A善(P一以一1)(1)
式中.27为耗尽区宽度,d为PN结截面积，为空
穴寿命,M为本征载流子浓度，为漏一衬底偏
压.
当衬底电势达到一定值使得进入衬底的
空穴数和衬底一源正偏而注入源区的空穴数相等
时，源一衬底PN结的正向电流为:
—qAN.2√，盯一1)<2)
式中Ⅳ为衬底掺杂浓度,D及r1分别为电子扩散系数及寿命.
当,:I成立时，使衬底电势升至某一定值，进入和流出衬底的空穴相等，此时，流过MOS管的漏源电流为
Ins一+(3)
"为衬底正偏时的nMOS管沟道电流,L为横向寄生晶体管的集电极电流:
230固体电子学研究与进展l3卷
，一qAN,3D.
e一1](4)
JPd
kiss 因为是女子其中』Pd为Gummel数.即基区内单位面积的杂质数.假定衬底杂质均匀分布?则
LPdLN(5)
考虑到沟道耗尽区的存在，近似将其看作中性区域.则上式应该再加上一项
a(LsN/2)exp(qV/ZK7').系数表明衬底没有全耗尽,<1.后面的模拟结果表明该附加项
较小，可以忽略.
当漏极电压达到并超过以后，沟遭近漏端处出现夹断区，产生碰撞电离电流
I=(M一1)(,+,)(6)
式中为电离系数.
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1一参(y—_垒](7)(Vas—y)J…
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3结果与讨论
在运用上述解析模型进行计算时，考虑了掺杂浓度对空穴寿命的影响，可表示为3.95×100…,
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阳光英语同时考虑电子迁移率受电场的影响，即有'
…
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其中为低场时的迁移率,E为沟道有效电场,Eo为临界电场.
图2给出在不同栅极电压下电流曲线模拟与实验结果的比较.MOS管的衬底掺杂浓度
为N一8x10cm_.，沟遭宽长比W/L=50/1.85,SOI硅膜厚度为0.2pm，栅氧化层厚度为
3期王晓晖等:SOI/MOSFETKink效应的模拟和分析231
