MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属的原因

MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属的原因MOSFET的栅极材料理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体，多晶硅在经过重掺杂之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上，但是并非完美的选择。MOSFET使用多晶硅作为的理由如下：⒈MOSFET的临界电压（thresholdvoltage）主要由栅极与通道材料的功函数（workfunction）之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是，因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达成需求。反过来说，金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变，如此一来要降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压，将需要两种不同的金属分别做其栅极材料，对于制程又是一个很大的变量。⒉硅—二氧化硅接面经过多年的研究，已经证实这两种材料之间的缺陷（defect）是相对而言比较少的。反之，金属—绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成很多表面能阶，大为影响元件的特性。⒊多晶硅的融点比大多数的金属高，而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低，将会影响制程所能使用的温度上限。不过多晶硅虽然在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准，但也有若干缺点使得未来仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极，这些缺点如下：⒈多晶硅导电性不如金属，限制了讯号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其导电性，但成效仍然有限。有些融点比较高的金属材料如：钨（Tungsten）、钛（Titanium）、钴（Cobalt）或是镍（Nickel）被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化物（silicide）。加上了金属硅化物的多晶硅栅极有著比较好的导电特性，而且又能够耐受高温制程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面，离通道区较远，所以也不会对MOSFET的临界电压造成太大影响。在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”（Self-AlignedSilicide），通常简称salicide制程。⒉当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时，例如现在的制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度，一种过去没有发现的现象也随之产生，这种现象称为“多晶硅耗尽”。当MOSFET的反转层形成时，有多晶硅耗尽现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处，会出现一个耗尽层（depletionlayer），影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题，金属栅极是最好的方案。目前可行的材料包括钽（Tantalum）、钨、氮化钽（TantalumNitride），或是氮化钛（TitaliumNitride）。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化，称为FUSI（FUlly-SIlicidepolysilicongate）制程。MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。结构图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S（源极）及D（漏极），如图所示。从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。图1是常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。虽然有不同的结构，但其工作原理是相同的，这里就不一一介绍工作原理要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图2所示。若先不接VGS（即VGS=0），在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压（或称阈值电压、门限电压），用符号VT表示（一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT）。当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，如图3所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。由于这种结构在VGS=0时，ID=0，称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET，在VGS=0时也有一定的ID（称为IDSS），这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图4所示，它的转移特性如图5所示。VP为夹断电压（ID=0）。耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道，所以在VGS=0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS）；当VGS有电压时（可以是正电压或负电压），改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小。VP为ID=0时的-VGS，称为夹断电压。概述从名字表面的角度来看MOSFET的命名，事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期MOSFET的栅极（gateelectrode）使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，随后MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属。在处理器中，多晶硅栅已经不是主流技术，从英特尔采用45纳米线宽的P1266处理器开始，栅极开始重新使用金属。。MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”（Insulated-GateFieldEffectTransistor,IGFET），而IGFET的栅极绝缘层有可能是其他物质而非MOSFET使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管元件时比较喜欢用IGFET，但是这些IGFET多半指的是MOSFET。MOSFET里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（silicondioxide,SiO2），不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅（siliconoxynitride,SiON）做为氧化层之用。今日半导体元件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germaniumprocess,SiGeprocess）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（galliumarsenide,GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。当一个够大的电位差施于MOSFET的栅极与源极（source）之间时，电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷，而这时所谓的“反型层”（inversionchannel）就会形成。通道的极性与其漏极（drain）与源极相同，假设漏极和源极是N型，那么通道也会是N型。通道形成后，MOSFET即可让电流通过，而依据施于栅极的电压值不同，可由MOSFET的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。电路符号MOSFET的核心：金属—氧化层—半导体电容金属—氧化层—半导体结构MOSFET在结构上以一个金属—氧化层—半导体的电容为核心（如前所述，今日的MOSFET多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。这样子的结构正好等于一个电容器（capacitor），氧化层扮演电容器中介电质（dielectricmaterial）的角色，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数（dielectricconstant）来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟著改变。考虑一个P型的半导体（空穴浓度为NA）形成的MOS电容，当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端（如图）时，空穴的浓度会减少，电子的浓度会增加。当VGB够强时，接近栅极端的电子浓度会超过空穴。这个在P型半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反转层（inversionlayer）。MOS电容的特性决定了MOSFET的操作特性，但是一个完整的MOSFET结构还需要一个提供多数载流子（majoritycarrier）的源极以及接受这些多数载流子的漏极。常用于MOSFET的电路符号有很多种变化，最常见的设计是以一条直线代表通道，两条和通道垂直的线代表源极与漏极，左方和通道平行而且较短的线代表栅极，如下图所示。有时也会将代表通道的直线以破折线代替，以区分增强型MOSFET（enhancementmodeMOSFET）或是耗尽型MOSFET（depletionmodeMOSFET）另外又分为NMOSFET和PMOSFET两种类型，电路符号如图所示（箭头的方向不同）。由于集成电路芯片上的MOSFET为四端元件，所以除了栅极、源极、漏极外，尚有一基极（Bulk或是Body）。MOSFET电路符号中，从通道往右延伸的箭号方向则可表示此元件为N型或是P型的MOSFET。箭头方向永远从P端指向N端，所以箭头从通道指向基极端的为P型的MOSFET，或简称PMOS（代表此元件的通道为P型）；反之若箭头从基极指向通道，则代表基极为P型，而通道为N型，此元件为N型的MOSFET，简称NMOS。在一般分布式MOSFET元件（discretedevice）中，通常把基极和源极接在一起，故分布式MOSFET通常为三端元件。而在集成电路中的MOSFET通常因为使用同一个基极（commonbulk），所以不标示出基极的极性，而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别（这是国外符号，国标符号见图）。这样，MOSFET就有了4钟类型：P沟道增强型，P沟道耗尽型，N沟道增强型，N沟道耗尽型，它们的电路符号和应用特性曲线如下图所示。操作原理结构一个NMOS晶体管的立体截面图左图是一个N型MOSFET（以下简称NMOS）的截面图。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的MOS电容，而左右两侧则是它的源极与漏极。源极与漏极的特性必须同为N型（即NMOS）或是同为P型（即PMOS）。右图NMOS的源极与漏极上标示的“N+”代表著两个意义：⑴N代表掺杂（doped）在源极与漏极区域的杂质极性为N；⑵“+”代表这个区域为高掺杂浓度区域（heavi