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3.5.3 Thermische Simulation eines SOI-MOSFETs  

Ein typischer Anwendungsfall einer Bauteilsimulation mit Selbsterwärmung ist die Simulation eines ,,Silicon On Insulator`` (SOI) MOSFETs [41,76,77]. Der Aufbau des Bauteils ist in Abbildung 3.16 gezeigt.
  
Abbildung 3.16: Struktur des SOI-MOSFET.
\begin{figure} \centerline{\includegraphics [width=10.0cm]{ps/soifet.eps} } \begin{center}\begin{minipage}{0.8\textwidth}{}\end{minipage}\end{center}\end{figure}

Bei diesen Bauteilen ist unter dem Kanal eine vergrabene Oxidschicht (Buried Oxide) angebracht. Der Bereich unter dem Oxid entspricht dabei dem Substratbereich. Er ist elektrisch von der aktiven Schicht getrennt. Der Hauptvorteil dieser Bauform liegt in den kleinen elektrischen Leckströmen, da der Substratstrom praktisch verschwindet. Dies ist von großer Bedeutung für zukünftige Low-Power Anwendungen [30,37]. Ein Nachteil dieser Bauform ist die aufwendigere Herstellung, die durch die vergrabene Oxidschicht bedingt ist. Ein weiterer Nachteil ist die Anfälligkeit des Bauteils gegenüber Selbsterwärmungseffekten. Einen wesentlichen Beitrag dazu liefert die Oxidschicht, die den Wärmeabfluß entscheidend beeinflussen kann. Bei Raumtemperatur hat Silizium eine Leitfähigkeit von $\kappa_{300}\!=\!142\mathrm{W K^{-1}m^{-1}}$, während SiO2 einen um zwei Größenordnungen niedrigeren Wert von $\kappa_{300}$ aufweist. Trotz der genannten Nachteile gewinnt die Bauform aber immer mehr an Bedeutung. Dies liegt auch daran, daß die Qualität der vergrabenen Oxidschicht durch neue Prozeßtechnologien immer besser wird.

Die folgende Bauteilsimulation der Selbsterwärmung soll den Einfluß bestimmter thermischer Annahmen veranschaulichen. Dabei spielt sowohl die Form des Bauteils eine Rolle als auch die Dicke der Oxidschicht. Bei den Simulationen sind alle thermischen Kontakte auf 300K spezifiziert. Die Simulationen sollen nicht die absolute Bauteiltemperatur angeben, sondern nur die maximale Temperaturüberhöhung. Bei allen Simulationen ist die Source- und Substratspannung auf 0V gesetzt. Drain- und Gatespannung sind mit 5V angenommen. Die elektrisch aktive Schicht beträgt 90nm.

Die erste Bauteilsimulation geht davon aus, daß ausschließlich Source-, Drain- und Substratkontakt auf 300K gesetzt sind. Der Gatekontakt bildet eine NEUMANN-Randbedingung, d.h es fließt keine Wärme über den Kontakt ab. Weiters ist die Dicke der vergrabenen Oxidschicht mit $0.4\mu\mathrm{m}$ angenommen. Die Temperaturverteilung des Kristallgitters ist in Abbildung 3.17 gezeigt. Die Temperaturüberhöhung des Bauteils beträgt in diesem Betriebszustand um die 200K. Der simulierte Drainstrom beträgt $I_{SD}\!=\!4.4\cdot 10^{-4}\mathrm{A}$.Haupteinfluß auf die starke Überhöhung hat der fehlende thermische Kontakt des Gate. Zu ähnlichen Simulationsergebnissen kommen auch die Autoren von [76].


  
Abbildung 3.17: Gittertemperatur des SOI-MOSFETs mit drei thermischen Kontakten. Über den Gatekontakt fließt keine Wärmenergie ab. Der große Source-Drainabstand, sowie die Dicke des vergrabenen Oxides bewirken eine Temperaturüberhöhung von ca. 200K.
\begin{figure} \centerline{\includegraphics [angle=90, width=14.0cm]{ps/fig_e6.e... ...{center}\begin{minipage}{0.75\textwidth}{}\end{minipage}\end{center}\end{figure}

In der zweiten Simulation ist der Gatekontakt ebenfalls auf 300K gesetzt. Die Dicke der vergrabenen Oxidschicht beträgt wieder $0.4\mu\mathrm{m}$. Die Temperaturverteilung ist in Abbildung 3.18 gezeigt. Der simulierte Drainstrom beträgt dabei $I_{SD}\!=\!5.6\cdot 10^{-4}\mathrm{A}$ und liegt deutlich über der ersten Simulation. Dies ist auf die reduzierte Beweglichkeit bei hohen Temperaturen zurückzuführen. Die Temperaturüberhöhung des Bauteils beträgt in diesem Betriebszustand nur noch 39.5K. Allerdings bleibt die Frage offen, inwieweit man den Gatekontakt auf diese Art thermisch spezifizieren kann. Dies hängt nicht zuletzt vom Gesamtprozeß des Bauteils ab. Aus der Abbildung 3.18 erkennt man, daß der thermische Gatekontakt den Hauptanteil der Wärme abführt. An der sourceseitigen Gatekante ist die Bauteiltemperatur wesentlich geringer als an der drainseitigen Gatekante. Von den Gatekanten zum Source- bzw. Drainkontakt ist der Temperaturverlauf nahezu linear. Dies deutet darauf hin, daß der Source - Drainabstand ebenfalls für die Temperaturüberhöhung verantwortlich ist.

In der letzten Simulation dieses Bauteils, die in Abbildung 3.19 gezeigt ist, ist der Abstand Source-Drain von $7.0\mu\mathrm{m}$ auf $3.0\mu\mathrm{m}$ verkürzt. Weiters ist die Dicke der vergrabenen Oxidschicht von $0.4\mu\mathrm{m}$ auf $0.015\mu\mathrm{m}$ reduziert. Dadurch wird ein Teil der Wärme über die vergrabenen Oxidschicht zum Substrat abgeleitet. Die Temperaturüberhöhung des Bauteils beträgt in diesem Betriebszustand nur noch 25K. Der Strom ISD ist etwas höher als in der zweiten Simulation.


  
Abbildung 3.18: Gittertemperatur des SOI-MOSFETs mit vier thermischen Kontakten. Der Gatekontakt ist bei dieser Simulation ebenfalls in der Lage, Wärmeenergie abzuführen. Die Temperatur des Gates ist dabei wie die anderen Kontakte auf 300K angenommen. Die Bauteiltemperaturüberhöhung kann dadurch gegenüber der vorhergehenden Simulation deutlich reduziert werden.
\begin{figure} \centerline{\includegraphics [angle=90, width=14.0cm]{ps/fig_e7.e... ...{center}\begin{minipage}{0.75\textwidth}{}\end{minipage}\end{center}\end{figure}


  
Abbildung 3.19: Gittertemperatur des verkleinerten SOI-MOSFETs mit dünner vergrabener Oxidschicht. Die Wärmeabfuhr erfolgt teilweise über die vergrabene Oxidschicht. Die Reduktion des Abstandes von Source und Drain vermindert weiters die Bauteiltemperaturüberhöhung.
\begin{figure} \centerline{\includegraphics [angle=90, width=14.0cm]{ps/fig_e8.e... ...n{center}\begin{minipage}{0.8\textwidth}{}\end{minipage}\end{center}\end{figure}

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Martin Knaipp
1998-10-09