Abstract in German:

Die vorliegende Arbeit ist im Bereich der analogen, integrierten CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Schaltungstechnik in SOI (Silicon on Insulator) Technologie für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen angesiedelt. Ausgehend von der Untersuchung analoger Transistoreigenschaften von SOI-MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) Transistoren unter Verwendung von RBB (Reverse body biasing), wird zusätzlich die verbesserte Hochtemperaturtauglichkeit grundlegender analoger Schaltungen bis 400°C unter dem Einfluss von RBB untersucht. Analoge und digitale integrierte Schaltungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. in der Unterhaltungselektronik oder der industriellen Messtechnik eingesetzt. Dabei müssen diese Schaltungen in dem für die Anwendung spezifizierten Temperaturbereich zuverlässig arbeiten. Beispielsweise werden elektronische Bauelemente in einem Temperaturbereich von −50°C bis 250°C zur Durchführung geo-thermischer Bohrungen eingesetzt. In der Automobilindustrie müssen integrierte Schaltungen bis zu einer Temperatur von 150°C zuverlässig arbeiten, wobei durch die Platzierung der Steuerelektronik in unmittelbarer Nähe zum Motor künftig weiter steigende Betriebstemperaturen erforderlich werden. Die Hochtemperaturelektronik findet ebenfalls Anwendung in der Luft- und Raumfahrt. Bei der zukünftigen Erkundung der Venus beispielsweise, müssen Umgebungstemperaturen von 300°C-500°C von allen Systemkomponenten unbeschadet überstanden werden. Die aktive oder passive Kühlung integrierter, elektronischer Komponenten erfordert zusätzlich Platz und Gewicht, und erhöht somit die Kosten des Gesamtsystems. Dabei kann die Kühlung elektronischer Komponenten vermieden werden, wenn diese in der Lage sind, bei hohen Umgebungstemperaturen zu arbeiten. SOI-MOSFET Transistoren können theoretisch bei Umgebungstemperaturen bis zu 400°C und höher betrieben werden. Diese Temperaturobergrenze wird stark durch die Dotierstoffkonzentration im Siliziumfilm und der Siliziumfilmdicke bestimmt. Da nahezu alle wesentlichen Material- und Leistungseigenschaften integrierter Schaltungen durch steigende Umgebungstemperaturen negativ beeinflusst werden, liegt die momentane Temperaturobergrenze von SOI-basierten Hochtemperaturschaltungen im Bereich der praktischen Anwendung daher lediglich bei 300°C bis 350°C. Somit werden die Möglichkeiten zur Realisierung integrierter Schaltungen über diese Grenze hinaus durch die Degeneration der Transistoreigenschaften bei hohen Temperaturen limitiert. Abhängig von der Temperatur, der Dotierstoffkonzentration im Siliziumfilm, der Siliziumfilmdicke und der Kanallänge, sind die Transistoren teilweise verarmt (partially depleted, PD) oder vollständig verarmt (fully depleted, FD). FD Transistoren weisen deutlich verbesserte Analogeigenschaften auf als PD Transistoren und werden aus diesem Grund bevorzugt eingesetzt. In der untersuchten SOI Technologie ändern SOI-MOSFET Transistoren ihren Verarmungszustand von FD bei niedrigen Temperaturen zu PD bei hohen Temperaturen. Der Zustand der teilweisen Verarmung führt zum Anstieg von Leckströmen innerhalb der Transistoren und damit zur Degeneration der analogen Transistoreigenschaften. Reverse body biasing bezeichnet den Betrieb von MOSFET Transistoren mit einem in Sperrrichtung betriebenen Film-Source PN-Übergang. In bisherigen Arbeiten wurde RBB dazu eingesetzt, das Leckstromverhalten digitaler integrierter Schaltungen zu verbessern und unter anderem um die Durchbruchspannung der Transistoren zu beeinflussen. Die Auswirkungen dieser Methode auf die analogen Eigenschaften von SOI-MOSFET Transistoren und den Betrieb analoger Schaltungen bei hohen Temperaturen wurden jedoch bislang nicht ausreichend untersucht. In dieser Arbeit werden HGATE SOI-MOSFET Transistoren in einer 1.0 µm PD-SOI CMOS Technologie untersucht. Diese Transistoren zeichnen sich durch eine H-förmige Gate-Elektrode sowie einen separaten Filmkontakt aus, welcher zur Anwendung von RBB verwendet wird. Es zeigt sich, dass der Verarmungszustand der Transistoren durch die Anwendung von RBB bei hohen Temperaturen positiv beeinflusst werden kann. So bleiben die untersuchen Transistoren im betrachteten Temperaturbereich bis 400°C vollständig verarmt. Durch die deutliche Reduzierung der Leckströme ist es möglich, die Transistoren bis 400°C im Arbeitspunkt der moderaten Inversion zu betreiben. Dabei kann der Betriebsstrom der Transistoren bis auf ein Fünftel des vorherigen Leckstromniveaus reduziert werden, was zu einer wesentlichen Verbesserung des gm/Id Faktors und einem Anstieg der intrinsischen Verstärkung um ca. 14 dB führt. Neben der Untersuchung der SOI-MOSFET Transistoreigenschaften wurde zudem der Einfluss von RBB auf die Hochtemperaturtauglichkeit grundlegender analoger Schaltungsblöcke, wie z. B. analoger Schalter, Stromspiegel, zweistufiger Operationsverstärker und Bandgap Spannungsreferenzen untersucht. Es zeigt sich, dass sich die Hochtemperaturtauglichkeit dieser Schaltungen durch den Einsatz von RBB maßgeblich verbessern lässt. Zusammengefasst werden durch die Anwendung von RBB in einer PD-SOI Technologie FD-SOI Transistoreigenschaften erzielt, die den Betrieb analoger Schaltungen bis 400°C ermöglichen.