半导体器件与工艺(4)

第四章MOS场效应晶体管（MOSFET）信息与通信工程学院微电子学半导体器件与工艺CMOS反相器CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。CMOS电路具有静态功耗很低的优点。CMOS反相器DGSSGDvOVDDTP（p沟道增强型）TN（n沟道增强型）vIMOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor）是集成电路的基本元件。MOSFET有四个电极：源极S、漏极D、栅极G和衬底B。结构参数包括：沟道长度、宽度、厚度；栅氧化层厚度；源、漏区结深以及半导体表面掺杂浓度。MOSFET的结构N沟道N+N+P型硅衬底源极S漏极D栅极GSiO2绝缘层P沟道P+P+N型硅衬底源极S漏极D栅极GSiO2绝缘层MOSFET的结构NMOSFET的结构PMOSFET的结构N+N+P型硅衬底SDG+-UGS●UDS+-当UGS=0时相当于两个反接的PN结IDS=0（以N沟MOSFET为例说明）MOSFET的工作原理N+N+P型硅衬底SDG+-UGS●UDS+-IDS垂直于衬底表面产生电场电场吸引衬底中电子到表层耗尽层当UGS0时N沟道沟通源区与漏区与衬底间被耗尽层绝缘耗尽层N+N+P型硅衬底SDG+-UGS●UDS+-IDN+N+P型硅衬底SDG+-UGS●UDS+-ID导电沟道形成后，UDS越大，ID越大。UGS越大，电场越强，沟道越宽，沟道等效电阻越小。MOSFET的输出特性输出特性曲线表示在一定栅源电压VGS下，漏源电流IDS和漏源电压VDS之间的关系。截止区：VGSVT，没有形成导电沟道，因此IDS=0。MOSFET的输出特性线性区：随着栅压逐渐增大，VGSVT时，半导体表面形成导电沟道。VGS越大，曲线越陡，相应等效电阻越小。该区域又称为可调电阻区域。夹断特性与饱和区：当VDS继续增大，导电沟道存在电压降，有效栅压从源到漏逐渐降低。当漏端有效栅压小于阈值电压，漏极附近的沟道被夹断。IDS不随VDS线性上升，而是达到某一数值，几乎不变。MOSFET的输出特性击穿区：当VDS达到或超过漏端PN结反向击穿电压时，漏端PN结反向击穿，MOSFET进入击穿状态。N沟道MOS管转移特性OIDSVGSVGS(th)NVDS=常数MOS管的转移特性是指在漏源电压VDS一定时，栅源电压VGS和漏源电流IDS之间的关系。当VGSVT时，IDS=0，只有当VGSVT后，在VDS作用下才形成IDS电流。VGS和IDS之间的关系，通常用跨导gm表示。即：常数DSGSDSmvVIg它表明了VGS对IDS的控制能力，数值越大，栅极控制作用越强。MOSFET的转移特性和跨导GSDN沟道增强型GSDP沟道耗尽型GSDN沟道耗尽型GSDP沟道增强型MOSFET的分类MOS管按沟道中载流子类别分P型沟道和N型沟道两种；按零栅压时是否存在导电沟道又分为增强型和耗尽型两类。iBFnNqkTψVsln22oxssmsFBCQVOXFBsOXBmOXCqNCQV210)2(2FOXFBTVVV2强反型时的表面势栅氧化层压降平带电压的影响定义为沟道源端的半导体表面开始强反型所需要的栅压。由三部分作用：抵消功函数差和有效界面电荷的影响所需栅压，即平带电压VFB；产生强反型所需表面势；强反型时栅下表面耗尽层电荷在氧化层上产生的附加压降。MOSFET的阈值电压表达式表面强反型时，表面耗尽层宽度达到最大值Xdm,若将n型反型层与p型衬底间近似为p-n+结，则210)2(2BFSidmqNX表面耗尽层中单位面积上电荷密度也达到最大值：)2(20FBSidmBBMqNXqNQ由于p-Si衬底中的空间电荷是带负电的受主离子，QBM取负值；对n-Si衬底是空间电荷是带正电的施主离子，QBM取正值。MOSFET的阈值电压表达式MOSFET的阈值电压表达式例1有一n沟道MOSFET，衬底掺杂浓度NA=5×1015cm-3，栅金属为Al，作为栅绝缘体的SiO2膜厚度为100nm，并且等效电荷密度为1×1010cm-2。试计算该MOS晶体管阈值电压？该MOS晶体管是耗尽型还是增强型？（ms=-0.8V）MOSFET的阈值电压的控制在MOS集成电路制造工艺中普遍采用离子注入来调整阈值电压。离子注入可以精确地控制注入杂质数量和深度，使阈值电压VT得到精确控制，离子注入引起VT变化近似估计为：OXITCqNΔV由此可见，注入p型杂质产生正的⊿VT;注入n型杂质产生负的⊿VT。例2对一NA=1×1017cm-3与等效电荷密度为5×1011cm-2的n沟道的场效应晶体管，试计算栅极氧化层厚度为5nm时的阈值电压，需多少硼离子注入离子剂量方能使VT增至0.6V?（ms=-0.98V）MOSFET的阈值电压的控制MOSFET的阈值电压的控制某铝栅P沟道MOSFET的衬底掺杂浓度为，栅氧化层的厚度为100nm，。若要得到-1.5V的阈值电压，应采用沟道区硼离子注入。设注入深度大于沟道下耗尽区最大厚度，则所需的注入浓度为多少？SDPDPOaqNVVV022211105cmqQOX衬底偏置对阈值电压的影响当MOSFET的衬底相对于源极有一偏置电压VBS时（通常NMOSFET的VBS0），沟道与衬底之间的pn结处于反偏，使衬底耗尽层展宽，耗尽层电荷增加，进一步屏蔽了栅压形成的电场，在半导体表面感应出反型载流子需要更大的栅压，即NMOSFET的负衬底偏压使阈值电压提高。FBSFOXBSiTVCqNV2220线性区的直流电流-电压特性MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性DSTGSDSUUUI饱和区的直流电流-电压特性MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性2)(21TGSDsatUUI饱和区的直流电流-电压特性MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性ATGSDSSdqNUUULLX0'2ATGSDSSDsatDsatdDsatDsatqNUUULLIIXLLLLII0''2漏-源饱和电流随着沟道长度的减小（由于UDS增大，漏端耗尽区扩展所致）而增大的效应称为沟道长度调变效应，这个效应会使MOS场效应晶体管的输出特性曲线发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。饱和区的直流电流-电压特性MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性比较MOS场效应晶体管与双极型晶体管的工作机理可发现：在N型沟道中运动的电子到达沟道夹断处时，被漏端耗尽区的电场扫进漏区形成电流，这相似于NPN管的集电结电场将通过基区输运的电子扫进集电区形成集电极电流，MOS场效应晶体管的沟道长度调变效应相似于双极型晶体管的基区宽度调变效应，其结果都是使增益变大，输出阻抗变小。引入描述沟道长度调制效应的沟道调制系数:DSdULX1DSTGStDsaUUUI1212'饱和区电流:例3对一如图所示的NMOSFET，VT为1V,沟道宽度W为40µm,沟道长度为4µm，栅氧化层厚度800Å，VDD等于5V，求IDS。MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性例4对一如图所示的NMOSFET，VT为1V,沟道宽度W为40µm,沟道长度为4µm，栅氧化层厚度800Å，VDD等于5V，VG等于6.5V，求IDS。MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性设计一NMOSFET，要求VT为0.5V,IDS为40mA；,工艺最小线宽为2.5µm，栅氧化层厚度600Å，求沟道宽度W。（VDS等于6V，VGS等于4V）MOSFET直流电流-电压曲线特点MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性MOSFET亚阈值电流栅偏压低于阈值以致沟道区表面是弱反型时，MOSFET仍有很小的漏极电流（亚阈值电流），器件的工作状态在亚阈值区。在器件的开关和数字电路应用中亚阈值区特性比较重要。为表征亚阈值电流随栅压变化，引入亚阈值斜率S表示IDS改变一个数量级时所需要的栅压。S越小，器件导通和截止之间的转换就越容易，亚阈值区特性越好。MOS场效应晶体管的直流电流-电压特性)(lgDSGSIddVSMOS场效应晶体管击穿区特性及击穿电压栅调制击穿雪崩击穿首先发生在图形边缘的曲面上。冶金结与Si-SiO2界面交点处电场强度最高，这个区域称做转角区。场强的数值不仅依赖于漏PN结上的外加电压，而且与栅漏电压UDG有关，衬底掺杂浓度不过高的情况下，tox一般远小于漏耗尽区的扩展宽度，转角区的电场比体内强得多，雪崩击穿首先在这里发生。MOS场效应晶体管击穿区特性及击穿电压沟道雪崩倍增击穿机理导通状态漏源击穿是沟道载流子雪崩倍增。从沟道进入夹断区的载流子大部分在距表面0.2~0.4微米的次表面流动，漏衬PN结的冶金结附近电场最高，达到和超过雪崩击穿临界电场强度时，击穿就发生了。MOS场效应晶体管击穿区特性及击穿电压NPN晶体管击穿机理NPN晶体管由NMOS场效应晶体管的源区、衬底和漏区组成，源区就是发射区，衬底为基区，漏区为集电区。引发击穿的初始原因是沟道夹断区强场下的载流子倍增和转角区载流子倍增，倍增产生的电子流向漏区，空穴流入衬底，流经衬底体电阻时产生的电压降经衬底极加到源极上，这一电压降使源PN结正偏，也就是使寄生NPN晶体管发射结正偏。与此同时漏PN结，也就是NPN晶体管的集电结己出现载流子倍增，于是正向有源工作的NPN晶体管就进入“倍增-放大”的往复循环过程，从而导致电压下降，电流上升。MOS场效应晶体管击穿区特性及击穿电压漏-源穿通机构当漏极电压UDS增大时，漏结耗尽区扩展，使沟道有效长度缩短，沟道表面漏结耗尽区的宽度Xdm为DSADSPUqNLBU022当Xdm扩展到等于沟道长度L时，漏结耗尽区扩展到源极，这便发生漏-源之间的直接穿通。穿通电压：ADSDSdmqNUUX02MOS场效应晶体管击穿区特性及击穿电压最大栅-源耐压BUGS最大栅-源耐压就是栅-源之间能够承受的最高电压，它是由栅极下面栅氧层的击穿电压决定的。由于栅氧层是绝缘介质，它的击穿是破坏性的，对MOS场效应晶体管来说，一旦栅介质层被击穿，就会造成不可恢复的损坏。OXOXGStEBUmaxcmVEOX6max108MOS结构电容MOS场效应晶体管的频率特性1.MOS场效应管截止频率GSmTCgf2MOS场效应晶体管在饱和工作区时截止频率（电压放大系数为1）与基本结构参数的关系。对于长沟MOS场效应晶体管，沟道渡越时间是限制截止频率的主要因素，截止频率就由沟道渡越时间决定。TGSnxnUULELL2在饱和工作区，沟道长度L必须由有效沟道长度L'=L-Xd所替代，减小沟道长度L是提高截止频率的重要手段。MOS场效应晶体管的频率特性MOS场效应晶体管的频率特性MOS管的最高工作频率为功率增益等于1时的频率。当栅源之间输入交流信号之后，从栅极增加流进沟道的载流子分成两部分，一部分对栅-沟道电容CGC充电，另一部分通过沟道流进漏极，形成漏-源输出电流。2.MOS场效应晶体管的最高工作频率fM短沟道效应微型化一直是半导体器件发展的方向及先进性的标志。亚微米尺寸的线条宽度正是目前超大规模集成电路（VLSI）的基本特征。随着沟道长度的减小，沟道区的二维电势分布和强电场使器件性能偏离长沟道特性十分明显，这种偏离就是短沟道效应。1.沟道长度调制效应2.阈值电压的短沟效应3.阈值电压的窄沟效应4.漏感应势垒降低（DIBL）效应当L减小、VDS增加时，漏源耗尽区越来越靠近，引起电力线从漏到源的穿越，使源端势垒降低，从源区注入沟道的电子增加，导致漏源电流增加。通常称该过程为漏感应势垒降低，简写为DIBL，显然，对一定的VDS器件的L越小，DIBL越显著，漏极电流的增加越显著，以致器件不能关断。所以，DIBL效应是对MOS器件尺寸缩小的一个基本限制。5.穿通效应当漏结的耗尽区和源结的耗尽区连通时，源和沟道之间的势垒显著降低，注入