【正文】 襯底方向的厚度 ) G B mOXO X O XUCC? ? ? 柵氧化層的單位面積電容 達(dá)到強(qiáng)反型的條件 US = 2?F 可得 理想閾值電壓 為 ( 0 ) 2BmTFOXQUC ?? ? ?實(shí)際閾值電壓 柵壓為零時(shí)，表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲 , SSF B m sOXQUC?? ? ?平帶電壓 表面態(tài)電荷影響的柵源電壓 柵電壓為 G F B O X SU U U U? ? ?Flat band condition 閾值電壓為 22 S S B mT F B O X F F m sOXU U UC? ? ??? ? ? ? ? ? ?N溝的 平衡狀態(tài)時(shí)的閾值電壓 m1202ln12[ 2 ( 2 ) ] l nSS BATn m sO X O X iSS AS A F m sO X O X iQ QN kTUC C q nQ NkTqNC C q n?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?襯底摻雜濃度越高，閾值電壓也越高 。 金屬 — 半導(dǎo)體功函數(shù)差越大，閾值電壓越高 。 N溝， P型襯底中 Ei ? EF ，因而 ?F為正 。 漏 源電壓 UDS = 0時(shí)，表面反型層中的費(fèi)米能級(jí)和體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)處在同一水平， NMOS管 非理想條件下的 閾值電壓 在 MOS結(jié)構(gòu)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面形成 反型層 時(shí)， 反型層 與 襯底半導(dǎo)體間 同樣形成 PN結(jié)，這種結(jié)是由半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)引起的，稱為 感應(yīng)結(jié) 。 當(dāng)漏 源電壓 UDS = 0時(shí)，感應(yīng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)， 表面反型層 和 體內(nèi)費(fèi)米能級(jí) 處于同一水平。 UBS = 0， UDS ? 0時(shí)非平衡狀態(tài)下的閾值電壓 反型溝道 U(y) UBS = 0， UDS ? 0時(shí) 溝道壓降直接加到反型層與襯底所構(gòu)成的場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上，使場(chǎng) 感應(yīng)結(jié) 處于 非平衡狀態(tài) 。 溝道反型層 中少子的 費(fèi)米能級(jí) EFn與 體內(nèi)費(fèi)米能級(jí) EFP將不再處于同一水平； Nonequilibrium Condition 結(jié)兩邊的 費(fèi)米能級(jí) 之差 EFP ? EFn = qU(y) 表面勢(shì)則增大 US = 2?F +U(y) 表面耗盡層寬度 也隨著 外加電壓的增大 而展寬 1202 ( 2 ( ) )SFdmAUyXqN? ? ??? ?? ?????耗盡層的最大電荷密度 1 2039。 [ 2 ( 2 ( ) ) ]B m S A FQ q N U y? ? ???非平衡狀態(tài)下的閾值電壓 1 201 [ 2 ( 2 ( ) ) ] 2T n S A F FOSSmsO XXU q NQC UyC ? ? ? ????? ? ? ?NMOS管 UBS = 0 UBS ? 0時(shí)的閾值電壓 假定外加 UGS已使表面反型，加在 襯 源 之間的 UBS使 場(chǎng)感應(yīng)結(jié)承受反偏，系統(tǒng)進(jìn)入非平衡狀態(tài)，引起以下兩種變化： ① 場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過渡區(qū) 兩種載流子的 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不重合 。 ② 表面 耗盡層的厚度 及 電荷面密度 隨 UBS的改變而變化。 對(duì)照其他 PN結(jié)反偏電壓， 假定 ： ① 襯底多子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不隨體內(nèi)到表面的距離變化，保持為常數(shù)。 ② 場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過渡區(qū)少子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與襯底多子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)隔開一段距離，在 P型襯底中是 F p F n B SE E q U? ? ?（ N 溝道） F p F n B SE E qU??（ P 溝道） 此時(shí)： ()( ) 2B m B ST B S F B FOXQUU U UC ?? ? ?1 20( ) [ 2 ( 2 ) ]PB m B S S A F B SQ U q N U? ? ?? ? ?閾值電壓的 增量 ( ) (0 )( ) (0 )T n T n B S T nT p T p B S T pU U U UU U U U? ? ?? ? ?122()12PPF BSBmTnO X FUQOUC?????? ???? ? ? ???????NMOS管的 增量 ( ) 2S B S F B SU U U???N溝道 MOS有： PMOS管的 增量 122()12nnBS FBmTpO X FUQOUC?????????? ? ? ????????由此可以看出： | ?UT | 正比于 tOX 及 ， NB為襯底摻雜濃度 。 1/2BN⑴ NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 QBm0， ⊿ UTn0， PMOS場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的 QBm0， ⊿ UTn0，所以增加偏襯電壓 使器件向增強(qiáng)型變化； ⑵ 時(shí) ， 正比于 ⑶ 2B s FU ? TU? ? ?1 / 2BsU 為了描述閾值電壓隨襯偏電壓的變化，人們定義了襯偏調(diào)制系數(shù) ： ? ?1 / 2()[ 2 ]T B SF B Sd U UdU????1 20( ) [ 2 ( 2 ) ]PB m B S S A F B SQ U q N U? ? ?? ? ?已知： 1 20( 2 )SAOXqNC????? 一般需要 UT隨 UBS的變化愈小愈好，為了滿足這一要求，需要選擇 低摻雜襯底 和 減薄二氧化硅層的厚度 。 襯底偏置電壓 UBS 對(duì) UT 的影響 1 201 [ 2 ( 2 ) ] l nSS ATn S A F B S m sO X O X iQ NkTU q N UC C q n? ? ? ?? ? ? ? ? ?閾值電壓隨著襯底偏置電壓的增大而向正值方向漂移 。 襯底雜質(zhì)濃度愈高，閾值電壓的漂移愈大。 例如：襯底雜質(zhì)濃度 N =1014 cm?3，閾值電壓的漂移量也不到 1 V，但當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度增大到 N =1017 cm?3時(shí)，即使襯底偏置電壓只有 5 V，閾值電壓的漂移量卻達(dá)到 7 V之多。 影響閾值電壓的其他因素 1．柵 SiO2厚度對(duì) 閾值電壓 的影響 柵氧化層電容 COX愈大，閾值電壓的絕對(duì)值愈小 OXOXOX tC?? 0?增大柵電容的關(guān)鍵是制作薄且致密的優(yōu)質(zhì)柵氧化層，厚度大都為 100～ 150 nm ； 選用介電系數(shù)更大的材料作柵絕緣層，如 Si3N4的介電系數(shù)是 ；必須先將硅層上生長（ 50～ 60 nm）的 SiO2層作為過渡層，然后再生長 Si3N4層； 2． 功函數(shù)差 的影響 ?ms1 ln2ig Am s mE NkTxWq q n?????? ? ? ?????????電子親和能 功函數(shù)差隨襯底雜質(zhì)濃度的變化而改變，但變化的范圍不大，如襯底的雜質(zhì)濃度由 1015 cm?3變化到 1017 cm?3時(shí)，其變化值只略大于 V。 功函數(shù)差越大，閾值電壓越高 ； 選擇功函數(shù)差低的材料，如多晶硅等柵極材料。在 選擇功函數(shù)差低 的材料的基礎(chǔ)上，適當(dāng) 降低襯底雜質(zhì)濃度 NB， 減小柵下面 SiO2的厚度 。 3． 表面態(tài)電荷密度 QSS的影響 一般工藝條件下，表面態(tài)電荷密度在 1011～ 1012 cm?2范圍內(nèi)。這時(shí)若柵氧化層厚度 tOX = 150nm，則表面態(tài)電荷密度由 1011 cm?2變化到 1012 cm?2，閾值電壓的改變可以達(dá)到 6 V之多。 表面態(tài)電荷密度 1 要制得 N溝增強(qiáng)型的器件，可以用適當(dāng)提高襯底雜質(zhì)濃度的辦法來實(shí)現(xiàn) (曲線向右部分 )； UT 0 UT 0 4． 襯底雜質(zhì)濃度 的影響 UBS = 0 襯底雜質(zhì)濃度愈低，表面 耗盡層的空間電荷 對(duì)閾值電壓的影響愈小。 在結(jié)構(gòu)已選定、工藝穩(wěn)定條件下，能夠通過調(diào)整襯底摻雜濃度及二氧化硅層厚度來控制閾值電壓。 閾值電壓 的 增量 1 20[ 2 ( 2 ) ]PB m S F B SQ q N U? ? ?? ? ? 閾值電壓的調(diào)整技術(shù) 現(xiàn)代 MOS器件工藝中，已大量采用 離子注入技術(shù) 通過溝道注入來調(diào)整 溝道雜質(zhì)濃度 ，以滿足閾值電壓的要求。 改變溝道摻雜注入劑量，就能控制和調(diào)整器件的閾值電壓。 離子注入調(diào)整閾值電壓 —— 選用 低摻雜材料 作為襯底，采用適當(dāng)步驟向 PMOS或 NMOS管溝道區(qū)注入一定數(shù)量的與襯底導(dǎo)電類型 相同 或 相反 的雜質(zhì)，從而將閾值電壓調(diào)整到期望的數(shù)值上。向溝道區(qū)注入雜質(zhì)離子，既可做成 表面溝器件（常用） ， 也可以形成 隱埋溝道 。 注入離子實(shí)際上是在足夠大的襯底面積上進(jìn)行掃描。 離子注入后的熱退火以及后續(xù)工藝步驟中的熱處理都會(huì)使注入雜質(zhì)擴(kuò)散。 1．用 離子注入摻雜技術(shù) 調(diào)整閾值電壓 1 0( ) d [ ( ) ] dS A S A AD N N N x N x?? ? ? ??注入劑量 原始襯底摻雜濃度 離子注入濃度平均值 注入濃度分布 深度 （ 1）淺注入 注入深度 遠(yuǎn)小于 表面最大耗盡層厚度 1 20 1[ 2 ( 2 ) ]( ) 2 PPOS A F B ST B S F B FOX Xq N UUU qDCU C?? ? ? ?? ? ??（ 2）深注入 深度 大于 強(qiáng)反型下的表面最大耗盡區(qū)厚度， 表面反型層及 表面耗盡區(qū) 全都分布于雜質(zhì)濃度均勻的區(qū)域 1 20[ 2 ( 2 ) ]( ) 2 PPS S B ST B S FFFBOXq N UU U U C?? ? ?????lnP siFNKTqn??其 中 ：（ 3）中等深度注入 dS小于表面最大耗盡區(qū)厚度，但二者大小 可以比擬 的情形 11 220 110( 2 )( ) 2 22PPS A sT B S F B F F B SO X S O Xq N q d qDU U U U DCC????????? ? ? ? ? ?????襯偏調(diào)制系數(shù) ： 120( 2 )SAAOXqNC? ???120( 2 )SsBOXqNC? ???淺注入 淺深注入 121210( 2 )22PF B ScAsF B SSUqdUD????????????????中等深度注入 實(shí)際工藝中多半采用較容易實(shí)現(xiàn)的 中等深度注入 ，當(dāng)UBS ? V時(shí)，最大表面耗盡層厚度小于注入深度，屬于深注入情形，只有 UBS ? V時(shí)，最大表面耗盡層厚度才會(huì)大于注入深度。為了獲得良好的特性，采用這種方式注入時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小注入深度 dS 。 2．用 埋溝技術(shù) 調(diào)整 MOS管的閾值電壓 （ 1）埋溝 MOS管的特性 注入較淺， Xj（注入結(jié)深度）較小的器件，外加 UGS的數(shù)值足夠大，半導(dǎo)體表面隨 UGS在耗盡和弱反型區(qū)變化時(shí)溝道開始夾斷，夾斷以后再增加 UGS的數(shù)值，器件一直是截止的 ︱ UBS ︱ 較小時(shí)， ∣ UGS︱ 增大到表面強(qiáng)反型時(shí)溝道尚未夾斷，從此繼續(xù)增加 UGS ，由于表面耗盡區(qū)不再擴(kuò)展，溝道不可能夾斷，任意 UGS之下 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管始終是導(dǎo)通的 開始夾斷 ID≠0 UDS ? 0 UDS ? 0 耗盡型 （ 2）采用埋溝技術(shù)控制 MOS管閾值電壓的大小 漏端附近 縱向溝道區(qū)體積元 襯底 表面耗盡區(qū)厚度 溝道厚度 PN結(jié)空間電荷 溝道夾斷條件 XS +Xn = Xj PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系 1 202 ()()S An B J B SD A DNX U Uq N N N???????? ???溝道厚度為 0 埋溝 —— 預(yù)先深度控制導(dǎo)電溝道； 39。G S O X S SSU U U? ? ? ? 0G B O XQ Q Q? ? ?12011112 ( )11()2ADT FB S BJ BSOX A DAD j BJ BSOX A DNNU U q U UC C N NNqN X U UC C N N???? ??? ? ? ??? ?????????? ? ? ?????? 對(duì)于結(jié)構(gòu)已定的器件， 用