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利用mos隧道二极管的集成温度传感器 摘要——研究证明一个简单的mos隧道二极管可以作为一个集成的温度传感器。这个mos二极管配备了一个反向偏置在1.8V的21A氧化物，其目的是通过门极电流来检测其底层温度。当二极管的温度从20度加热到110度时，门极电流增加的次数超过700次。然后用一个指数拟合曲线把门极电流和底层温度联系起来。此外，可以通过C-V和电流在1.8V时的I-ni曲线来分析二极管的一些特征。较好的Mos隧道二极管温度响应可能在自诊断或集成电路应用自保护方面有用。 索引词—金属氧化物半导体，温度传感器，隧道二极管。 1.简介 晶体管在工作时会产生热量；工作速度越快，产生的热量就越多。由于先进的光刻技术，成千上万的晶体管很容易集成在一块微小的硅基板上。缩小晶体管的尺寸也可以提高工作速度。然而，一个高密度的晶体管带来其他的一些问题：在工作时候芯片膜和其外包装通常会发热。电脑机箱里的处理器就是一个常见的热芯片。对于因特尔（intel）1.5GHz的奔腾4处理器和超微半导体公司（AMD）1.2GHz的速龙处理器，54.7W和59W是其典型值，建议奔腾4和速龙处理器的膜温度分别保持在72度和95度。没有一个高效热伸卡球类似的合适的热解决方案或一种自我保护的机制,一个芯片是容易因为过热而功能不正常或发生致命损伤。据报道， 1度的衰减能降低2-4%的IC故障率。 一个外部的热解决方案包括感知模温度和防止过热。一种广泛运用感知温度的方法是在热膜附近或底部附上一块诸如美国国家半导体公司的LM75/76/77的温度感知芯片，但是这个被感知的温度不是膜真正的温度。尽管其他类型的温度传感器(热二极管或热敏电阻)有一个良好的温度响应,但是把这些传感器集成到一个芯片需要额外的加工步骤和材料。 为了在芯片里并入一个温度计，推荐使用CMOS兼容传感器。一个具有21A氧化物的MOS隧道二极管基本能兼容0.13um的CMOS技术，这个技术中的热处理问题是非常重要的。此次研究的目的是评估一个MOS隧道二极管在温度感知上的应用。 2实验（experiments）首先使用改进的RCA清洗液对电阻率为1-5Ω*CM的P型硅片进行清洗。然后在快速热处理器中对其进行氧化处理。氧化温度为750摄氏度，气压为500托。取出硅片之前，为了减少固化氧化物电荷，对其进行950摄氏度的氮气热处理。椭圆测试仪测量的氧化厚度为21埃。氧化层上掺有1%硅的铝被除去。每个二极管有一个面积为150x150平方微米的区域可以通过光刻来界定并通过湿法腐蚀成形。通过缓冲氧化物腐蚀剂除去硅片未处理面的氧化物后，公共接触的未处理面上的铝要再次被去除。这个硅片被分成两个部分。其中一部分在420摄度的氮气环境中进行金属化后退火来最小化界态面，另一部分不理。电压-电流和电流-时间的测量值是通过一个装在卡盘上由电脑控制的HP-4140BPA仪表进行测量的。这个卡盘附带一个温度变化范围高达250摄氏度的加热器。水冷却系统用来使受热的硅片快速降温。电容-电压的测量值是在室温下由HP-4284精密电感电容电阻测量仪进行测量的。 温度传感的应用基于二极管栅极电流的改变。图1是在不同衬底温度下的遂穿二极管的电流电压曲线。当栅极电压反向增加的时候，栅极电流对温度改变的敏感度降低。超过平带温度（VBF=-0.93V）时，电流随彻底温度改变很小。当二极管正偏时，栅极电流在0.5V内迅速饱和并显著地受温度影响。夹头的温度每增加10度，二极管的饱和电流就几乎增加一倍。当二极管送20度加热到110度时，栅极电流增加700多倍。饱和电流主要由界面处产生的电子组成，这些电子通过氧化物传输并被栅电极收集。夹头温度的改变会导致硅元素的体积特性以及sio2/si表面特性的改变，从而导致相关电流的改变。 多频C-V曲线 出现在图2中及在插入的二极管的物理条件中。由于隧道的性质，该氧化物是有漏洞的。虽然它是正偏，但深耗尽现象会发生是因为少数载流子的供应效率低下和隧道氧化物的泄露性造成的。在图2中深入的比较这些曲线。对PMA处理后栅氧化层已减薄。界面态的量也收缩了。通常，对于一个截面积为饱和电流可达到A，若用PMA方法处理过，则饱和电流要下降到10-12A，PMA处理法以减小饱和电流量级的方法来增加设备的灵敏度和寿命，这对敏感元件的性能表现来说是关键的。 I1.8V是门极电压在1.8V及VG=1.8V时的门极电流值，这些电流数据从每一个如图一所示的I-V曲线中被提取，用来做附带的分析。图3说明了电流I1.8V的大小和卡盘温度之间的关系，可用一个指数方程来表示： （1） 在这个公式里，T的单位是oC，它与曲线拟合得很好。图中表明了I1.8V和ni之间的关系，