【正文】 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。 注入離子實際上是在足夠大的襯底面積上進行掃描。 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。 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)。 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，但當襯底雜質(zhì)濃度增大到 N =1017 cm?3時，即使襯底偏置電壓只有 5 V，閾值電壓的漂移量卻達到 7 V之多。 ② 場感應(yīng)結(jié)過渡區(qū)少子準費米能級與襯底多子準費米能級隔開一段距離，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： ()( ) 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 。 溝道反型層 中少子的 費米能級 EFn與 體內(nèi)費米能級 EFP將不再處于同一水平； Nonequilibrium Condition 結(jié)兩邊的 費米能級 之差 EFP ? EFn = qU(y) 表面勢則增大 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。 N溝， P型襯底中 Ei ? EF ，因而 ?F為正 。 ② 表示 MOS管是否導(dǎo)通的 臨界柵 源電壓 。 制作在 N型襯底上，漏 源區(qū)為重摻雜 P+區(qū) 漏 源偏壓為負 ，相當于 PNP晶體管的集電極偏置電壓 。 導(dǎo)電載流子是 N型導(dǎo)電溝道中的 電子 。 （ 5）擊穿特性 —— 曲線 BC段 當 UDS 達到或超過 漏端 PN結(jié)反向 擊穿電壓時，漏端 PN結(jié)發(fā)生反向擊穿； 轉(zhuǎn)移特性 (輸入電壓 輸出電流 ) 當 UGS ? UT 時，隨著 UGS的增加，溝道中導(dǎo)電載流子數(shù)量增多，溝道電阻減小，在一定的 UDS的作用下，漏極電流上升。 使漏端溝道夾斷所需加的 漏 源電壓 UDS稱為 飽和漏 源電壓(UDsat)，對應(yīng)的電流 I 稱為飽和漏 源電流 (IDsat)。 —— 場感應(yīng)結(jié) UDS不太大時，導(dǎo)電溝道在兩個 N區(qū)間是均勻的 。但耗盡層電阻很大，流過漏 — 源端的電流很小，也只是 PN結(jié)反向飽和電流 ，這種工作狀態(tài)稱為 截止狀態(tài) 。 結(jié)構(gòu)： 環(huán)形結(jié)構(gòu)、條狀結(jié)構(gòu)和梳狀結(jié)構(gòu) 基本 結(jié)構(gòu)參數(shù) 電容結(jié)構(gòu) 溝道長度 溝道寬度 柵絕緣層厚度 tOX 擴散結(jié)深 襯底摻雜濃度 NA + 表面電場 MOS FET Fundamentals DS 間總有一個反接的 PN結(jié) 產(chǎn)生垂直向下的電場 MOS管 工作原理 柵壓從零增加，表面將由耗盡逐步進入反型狀態(tài)，產(chǎn)生電子 積累 。一種載流子參與導(dǎo)電 ， 又稱 單極型 (Unipolar)晶體管 。 原理： 利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強度來控制溝道 的導(dǎo)電能力而實現(xiàn)放大作用 。當柵壓增加到使表面積累的電子濃度等于或超過襯底內(nèi)部的空穴平衡濃度時，表面達到 強反型 ，此時所對應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓 UT 。 Operation Modes （ 2） 線性區(qū)特性 （ UGS ≥UT） —— 曲線 OA段 當 UGS ? UT后，表面形成強反型導(dǎo)電溝道，若加上偏置電壓 UDS ，載流子就通過反型層導(dǎo)電溝道，從源端向漏端漂移，由漏極收集形成漏 源電流 IDS。 （ 3）溝道夾斷 —— 曲線 A點 表面強反型形成導(dǎo)電溝道時，溝道呈現(xiàn)電阻特性，漏 源電流通過溝道電阻時，將在其上產(chǎn)生 電壓降 。 溝道夾斷條件 UDS =UGS ?UT UDS +UT =UGS （ 4）飽和區(qū)特性 —— 曲線 AB段 繼續(xù)增加 UDS比 UDsat大得多時 , (UDS ?UDsat )將降落在漏 端附近的夾斷區(qū)上 ,夾斷區(qū) 將隨 UDS的增大而展寬 , 夾斷點將隨 UDS的增大而逐漸向源端移動 ,導(dǎo)電溝道的有效厚度基本不再改變，柵下面表面被分成 反型導(dǎo)電溝道區(qū) 和 夾斷區(qū) 兩部分。 UGS ? UT 后，進入 亞閾值區(qū) 工作，漏極電流很小。 漏 源偏壓為正，相當于 NPN晶體管的集電極偏壓； 制作在 P型襯底上，漏 源區(qū)為重摻雜 N+區(qū)； N溝道 MOS場效應(yīng)晶體管 柵極施加負壓 時，表面出現(xiàn)強反型而形成 P型導(dǎo)電溝道 。 P溝道 MOS場效應(yīng)晶體管 增強型和耗盡型 按零柵壓時 (UGS＝ 0 ), 是否存在導(dǎo)電溝道來劃分； UGS = 0時，不存在導(dǎo)電溝道，漏源間被背靠背的 PN結(jié)二極管隔離，即使加上漏源電壓，也不存在電流，器件處于“ 正常截止狀態(tài) ”； 增強型器件 當襯底雜質(zhì)濃度低 , 而 SiO2層中的表面態(tài)電荷密度又較大，在零柵壓時，表面就會形成反型導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài) 。 ③ 工作在飽和區(qū)時，將柵壓與溝道電流關(guān)系曲線外推到零時所對應(yīng)的柵電壓； ④ 使半導(dǎo)體表面勢 US =2 , 為襯底半導(dǎo)體材料的費米勢， US的大小相當于為使表面強反型所需加的柵電壓。 漏 源電壓 UDS = 0時，表面反型層中的費米能級和體內(nèi)費米能級處在同一水平， NMOS管 非理想條件下的 閾值電壓 在 MOS結(jié)構(gòu)中，當半導(dǎo)體表面形成 反型層 時， 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)體表面的電場引起的，稱為 感應(yīng)結(jié) 。 [ 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 場感應(yīng)結(jié)承受反偏，系統(tǒng)進入非平衡狀態(tài)，引起以下兩種變化： ① 場感應(yīng)結(jié)過渡區(qū) 兩種載流子的 準費米能級不重合 。 1/2BN⑴ NMOS場效應(yīng)晶體管的 QBm0， ⊿ UTn0， PMOS場 效應(yīng)晶體管的 QBm0， ⊿ UTn0，所以增加偏襯電壓 使器件向增強型變化； ⑵ 時 ， 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 。 影響閾值電壓的其他因素 1．柵 SiO2厚度對 閾值電壓 的影響 柵氧化層電容 COX愈大，閾值電壓的絕對值愈小 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，其變化值只略大于 V。這時若柵氧化層厚度 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到 6 V之多。 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。 離子注入后的熱退火以及后續(xù)工藝步驟中的熱處理都會使注入雜質(zhì)擴散。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???? ??? ? ? ??? ?????????? ? ? ?????? 對于結(jié)構(gòu)已定的器件， 用埋溝技術(shù) 就能夠控制器件溝道是夾斷 或是 夾不斷 的情況，從而得到不同的 轉(zhuǎn)移特性 ； 用埋溝技術(shù)，可以削弱 UBS對閾值電壓的影響。 UDS稍大時， IDS上升變慢，特性曲線彎曲。此時漏 源電流主要是擴散電流： d ( )dD S nnxI q D Ax??電流流過的截面積 A 亞閾值電流 ( 0 ) ( )D S nn n LI q A DL???????? 亞閾值區(qū)的電流 電壓特性 n(x) 為電子的濃度 根據(jù)電流連續(xù)性的變化，電子的濃度在溝道中的線性 分布為： ( 0 ) ( )( ) ( 0 ) n n xn x n xL?????????0x x L??在 和 處 電 子 的 濃 度 分 別 為 ：()( 0 ) e x p sFiqUnnKT?????????()( ) e x p s F D Siq U Un L nKT??????????亞閾值電流是： ( 0 ) ( )D S nn n LI q A DL????????近似方法 ? ?e x p [ 1 e x p ( ) ]SF DSD S n iqU qUWI q D n dL k T k T??? ?????????????有效溝道厚度 02SASkTdq q N U???指數(shù)變化 當柵極電壓低于閾值電壓時，電流隨柵極電壓呈指數(shù)變化。襯底摻雜濃度為 ?1016 cm?3時，使電流減小一個數(shù)量級所需的 柵極電壓擺幅 S為 83 mV（ UBS = 0 V）、 67 mV（ UBS=3 V）及 63 mV（ UBS = 10 V）。 器件去除柵金屬后， BUDS可上升到 70 V。 特點： 對于 NMOS場效應(yīng)晶體管的漏源擊穿特性，在 UGSUT 的導(dǎo)通區(qū)， BUDS隨 UGS增加而下降，并且呈現(xiàn)軟擊穿， 不同與柵調(diào)制擊穿 。 該情況只發(fā)生在， 高電阻率的短溝道的 NMOS場效應(yīng)管 負阻特性能引發(fā)二次擊穿 UDS ID （ 4） 漏 源穿通機構(gòu) 及漏 源穿通電壓 BUDSP —— 輸出端