High-temperature characteristics of zone-melting recrystallized silicon-on-insulator MOSFETs

Abstract

The characteristics of enhancement-mode MOS transistors fabricated on zone-melting recrystallized (ZMR) silicon-on-insulator (SOI) films were systematically experimentally investigated in the temperature range 25–300°C. The main temperature-dependent parameters (the threshold voltage, the channel mobility, subthreshold slope, off-state leakage currents) of ZMR SOI MOSFETs are described and compared with both theory and SIMOX devices. It is shown that high carrier mobilities and low off-state leakage currents can be obtained in thin-film ZMR SOI MOSFETs at elevated temperatures. At T = 300°C, far beyond the operating range of bulk silicon devices, the off-state leakage current in ZMR SOI MOSFETs with a 0.15 mm-thick silicon film was only 0.5 nA/mm (for VD = 3 V), that is 3–4 orders of magnitude lower than typical values in bulk Si devices. The presented results demonstrate that CMOS devices fabricated on sufficiently thin ZMR SOI films are well suited for high-temperature applications.

Проведені кропіткі експериментальні дослідження високотемпературних (25-300°С) характеристик МОН транзисторів на базі КНІ-структур, виготовлених методом зонної лазерної перекристалізації. Розглянута поведінка основних температрно-залежних параметрів КНІ МОН транзисторів (порогової напруги, рухливості носіїв, підпорогового нахилу та струму витоку). Проведено порівняння отриманих результатів з теорією та аналогічними параметрами приладів, створених за допомогою ЗІМОХ технології. Показано, що при підвищених температурах тонкоплівкові транзистори, отримані лазерною зонною перекристалізацією, виявляють високу рухливість носіїв і низькі струми витоку закритого транзистора. При Т = 300°С, що значно перевищує робочий діапазон приладів на об.ємному кремнії, струм витоку в КНІ транзисторах з плівкою Si товщиною 0,15 мкм ст всього лишу 0,5 nA/mm (при VD = ЗВ), що на 3-4 порядка нижче типових величин для приладів на об.ємному кремнії. Наведені результати свідчать, що тонкі плівки КНІ, створені методом лазерної зонної перекристалізації, можуть успішно використовуватись для створення КМОН ІС для високотемпературних застосувань.

Проведено детальное экспериментальное исследование высокотемпературных (25-300°С) характеристик МОП транзисторов на основе КНИ-структур, изготовленных методом лазерной зонной перекристаллизации. Рассмотрено поведение основных температурно-зависимых параметров КНИ МОП транзисторов (порогового напряжения, подвижности носителей, подпорогового наклона и тока утечки). Проведено сравнение полученных результатов с теорией и аналогичными параметрами приборов, созданных SIМОХ технологией. Показано, что при повышенных температурах тонкопленочные транзисторы, полученные лазерной зонной перекристаллизацией, проявляют высокую подвижность носителей и низкие токи утечки закрытого транзистора. При Т = 300°С, значительно превышающей рабочий диапазон приборов на объемном кремнии, ток утечки в КНИ транзисторах с пленкой Si толщиной 0,15 мкм составляет всего лишь 0,5 nA/mm (при VD = ЗВ), что на 3-4 порядка ниже типичных величин для приборов на объемном кремнии. Приведенные результаты свидетельствуют, что тонкие пленки КНИ, полученные методом лазерной зонной перекристаллизации, могут успешно использоваться для создания КМОП ИС для высокотемпературных применений.