MOS器件閾值電壓

1、1、MOSFET的物理結(jié)構(gòu)、工作原理和類型的物理結(jié)構(gòu)、工作原理和類型2、MOSFET的閾值電壓的閾值電壓3、MOSFET的直流特性的直流特性4、MOSFET的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性5、小尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)MOSFET閾值電壓的定義閾值電壓的定義在正常情況下，在正常情況下，柵電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)控制柵電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)控制著源漏間溝道區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生著源漏間溝道區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生。使溝。使溝道區(qū)源端強(qiáng)反型時(shí)的道區(qū)源端強(qiáng)反型時(shí)的柵源電壓柵源電壓稱為稱為MOS管的管的閾值電壓閾值電壓。NMOS的閾值電壓用的閾值電壓用VTn 表示，表示， PMOS的閾值電壓用的閾值電壓用VTp 表示。表示。閾值電壓：閾值電壓：Th

2、reshold voltageMOS電容的閾值電壓（電容的閾值電壓（1）GBVP-SiBGOxY2SiOMetal耗盡層的厚度耗盡層的厚度耗盡層單位面間的電荷耗盡層單位面間的電荷反型層的厚度反型層的厚度反型層單位面積的電荷反型層單位面積的電荷半導(dǎo)體表面電荷半導(dǎo)體表面電荷柵電荷柵電荷iQbQdxcxsQmQoxsoxmoxsoxFBGBbiSSmCQCQVVVVQQQQQ 0XEs oxvGBVP-SiBGOxY2SiOXEs oxvMetal半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型時(shí)半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型時(shí)的柵體電壓稱為的柵體電壓稱為MOSMOS電容的閾值電壓電容的閾值電壓VToxbfFBTCQVVmax2 oxmsFBC

3、QVV0 fBsidBbqNxqNQ 220maxmax )ln(iBBfnNqTkV MOS電容的閾值電壓（電容的閾值電壓（2）sfEiEcEVEmfE0GVcxmaxdxs f xMOS電容反型時(shí)能帶圖電容反型時(shí)能帶圖MOSFET與與MOS電容的不同（電容的不同（1）MOS電容電容u表面電場(chǎng)由柵電表面電場(chǎng)由柵電壓控制壓控制，半導(dǎo)體表半導(dǎo)體表面處于平衡態(tài)，有面處于平衡態(tài)，有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。表面空間電荷沿表面空間電荷沿 Y方向均勻分布。方向均勻分布。MOSFETu柵下的電荷受柵電壓產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)柵下的電荷受柵電壓產(chǎn)生的縱向電場(chǎng) EX 、源漏電壓產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)源漏電壓產(chǎn)生的橫向電

4、場(chǎng) EY 的共同作用，的共同作用，是一個(gè)二維問題是一個(gè)二維問題*。uVDS、VBS使半導(dǎo)體表面勢(shì)、表面電荷、表使半導(dǎo)體表面勢(shì)、表面電荷、表面反型層和耗盡區(qū)厚度都隨面反型層和耗盡區(qū)厚度都隨Y變化。變化。u沿沿Y方向有電流流動(dòng)，表面處于非平衡態(tài)，方向有電流流動(dòng)，表面處于非平衡態(tài)，反型層與體內(nèi)不再有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。反型層與體內(nèi)不再有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。MOSFET與與MOS電容的不同（電容的不同（2）MOSFET與與MOS電容的不同（電容的不同（3）VGSVTn+n+VDS0 p-substrateChannelSBIDSVBSNMOS 反型層和耗盡區(qū)反型層和耗盡區(qū)如何得到如何得到？、)()(yQyss

5、 在一定的近似條件下求解二維泊松方程：在一定的近似條件下求解二維泊松方程：siyxyyxxyx 02222),(),(),( MOSFET電壓電荷關(guān)系電壓電荷關(guān)系oxssFBGBCyQyVV)()( Gradual Channel Approximation*假定假定y方向（沿溝道方向）電場(chǎng)方向（沿溝道方向）電場(chǎng)EY的變化遠(yuǎn)小于相應(yīng)的變化遠(yuǎn)小于相應(yīng)的的X方向（垂直于溝道方向）電場(chǎng)方向（垂直于溝道方向）電場(chǎng)EX的變化的變化。其數(shù)。其數(shù)學(xué)表示式為學(xué)表示式為緩變溝道近似（緩變溝道近似（GCA）2222XYXEYEXY 對(duì)于長道器件，對(duì)于長道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，近似除在漏端附近不成立

6、外，在沿溝道方向的大部分區(qū)域都是有效的。在沿溝道方向的大部分區(qū)域都是有效的。 GCA近似近似使泊松方程變成一維的，這意味著使泊松方程變成一維的，這意味著MOS電容的電荷電容的電荷方程，做一些簡單修正，就可適用于方程，做一些簡單修正，就可適用于MOSFET以以NMOS為例。當(dāng)柵壓為例。當(dāng)柵壓VGSVTN,在半導(dǎo)體表面形成在半導(dǎo)體表面形成反型層。這時(shí)，在源漏端施加電壓，形成源漏電流反型層。這時(shí)，在源漏端施加電壓，形成源漏電流,沿溝道方向（沿溝道方向（Y方向方向）產(chǎn)生電壓降）產(chǎn)生電壓降*。其結(jié)果使其結(jié)果使N型溝道的能帶連同其費(fèi)米能級(jí)沿型溝道的能帶連同其費(fèi)米能級(jí)沿Y方向發(fā)生傾斜方向發(fā)生傾斜*。原因：。

7、原因：N溝道與溝道與P型襯底之間電型襯底之間電位不同，即位不同，即N溝道與溝道與P型襯底間的型襯底間的PN結(jié)處于反向結(jié)處于反向偏置，溝道與襯底之間不再有統(tǒng)一的費(fèi)米費(fèi)米能偏置，溝道與襯底之間不再有統(tǒng)一的費(fèi)米費(fèi)米能級(jí)級(jí)設(shè)溝道任意點(diǎn)相對(duì)于襯底的電位為設(shè)溝道任意點(diǎn)相對(duì)于襯底的電位為VCB(y)，那，那么溝道區(qū)的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)么溝道區(qū)的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFn比襯底空穴的準(zhǔn)比襯底空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)EFP低低qVCB(y)。MOSFET的表面勢(shì)（的表面勢(shì)（1）)(yqVCBfpEvEiEcEfq fnExmaxdx)(yqs ),(yxq SiP 2SiOCxMOSFET的表面勢(shì)（的表面勢(shì)（2） LyV

8、VVyVyVDBDSSBSBCB0)(BSVn+n+GSVDSVSGDBSiP NMOSFET 的能帶圖的能帶圖*MOSFET的三維能帶圖的三維能帶圖VB=VS=VD=0VG0VB=VS=0VD0VB=Vs=VD=VG=0在在GCA下，強(qiáng)反型時(shí)，當(dāng)下，強(qiáng)反型時(shí)，當(dāng)VDS較小時(shí)，較小時(shí)，MOSFET 的的表面勢(shì)近似為表面勢(shì)近似為:MOSFET的表面勢(shì)（的表面勢(shì)（3）)(2)(yVyCBFs 定義定義VY為溝道為溝道Y點(diǎn)相對(duì)于源端的電勢(shì)：點(diǎn)相對(duì)于源端的電勢(shì)：SBCByVYVV )( LYVYVDSY00SByfsVVythus 2)(oxbSByfFBGBCyQVVVV)(2max SBGSGBV

9、VVbecause oxbyfFBGSCyQVVV)(2max MOSFET的表面勢(shì)（的表面勢(shì)（4）)2(2)(0maxSByFBsibVVNqyQ 強(qiáng)反型時(shí)的柵體電壓為強(qiáng)反型時(shí)的柵體電壓為使溝道任意一點(diǎn)強(qiáng)反型時(shí)的柵源電壓為使溝道任意一點(diǎn)強(qiáng)反型時(shí)的柵源電壓為oxbfFBTnCQVVmax2 )2(20maxSBfBsidamxBbVqNxqNQ 閾值電壓定義為源端反型時(shí)的閾值電壓定義為源端反型時(shí)的柵源電壓柵源電壓：強(qiáng)反型后，強(qiáng)反型后，MOST的反型層電荷與柵壓的關(guān)系為：的反型層電荷與柵壓的關(guān)系為：oxbisFBGSCyQyQyVV)()()(max )()2()()()(maxmaxyQVVV

10、CyQyQVVCyQbyFFBGSoxbSFBGSoxi )2(2)(0maxSByfBsidamxBbVVqNxqNyQ cxidxyxnqyQ0),()(MOSFET閾值電壓表達(dá)式閾值電壓表達(dá)式NMOSPMOSoxbfoxmsTnCQCQVVmax02 )2(20maxSBfBsidamxBbVqNxqNQ oxbfoxmsTpCQCQVVmax02 )2(20maxBSfBsidamxBbVqNxqNQ )ln(iBBfnNqTK )ln(iBBfnNqTK 0 BSV0 SBV影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素msV金半接觸電勢(shì)差，金半接觸電勢(shì)差，qEEqWWVSFmFMSms 0Q

11、氧化層中正電荷面密度，單位氧化層中正電荷面密度，單位: 庫侖庫侖/cm2f 半導(dǎo)體費(fèi)米勢(shì)（與襯底摻雜濃度有關(guān)）半導(dǎo)體費(fèi)米勢(shì)（與襯底摻雜濃度有關(guān)）BN襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度OXC單位面積柵氧化層電容單位面積柵氧化層電容SBV襯底偏壓襯底偏壓oxsiooxtC20 影響閾值電壓的因素：影響閾值電壓的因素：Vms金半接觸電勢(shì)差金半接觸電勢(shì)差VmsAl柵，柵，Al的功函數(shù)的功函數(shù)4.1eV，Si的親和能的親和能4.15eVNMOS:0)ln(6.0 iBBmsnNqTkVPMOS:使使P型半導(dǎo)體表面耗盡或反型型半導(dǎo)體表面耗盡或反型0)ln(6.0 iBBmsnNqTkV使使N型半導(dǎo)體表面積累型半導(dǎo)體

12、表面積累Al柵方塊電阻：幾個(gè)柵方塊電阻：幾個(gè) m/ Al柵工藝的缺陷柵工藝的缺陷影響閾值電壓的因素：影響閾值電壓的因素：Vms多晶硅柵多晶硅柵*n+poly-si,摻雜濃度摻雜濃度NDP，方塊電阻方塊電阻15歐姆歐姆NMOS: )ln(2iBDPBmsnNNqTkV使表面耗盡或反型使表面耗盡或反型PMOS: )ln(BDPBmsNNqTkV使表面多子積累使表面多子積累p+poly-si,摻雜濃度摻雜濃度NAP，方塊電阻方塊電阻25歐姆歐姆NMOS: )ln(APBBmsNNqTkV使表面多子積累使表面多子積累PMOS: )ln(2iBAPBmsnNNqTkV使表面耗盡或反型使表面耗盡或反型近似

13、認(rèn)為重?fù)诫s多晶硅的能帶與單晶硅相同近似認(rèn)為重?fù)诫s多晶硅的能帶與單晶硅相同SiO2中的正電荷面密度中的正電荷面密度Q0*固定正電荷固定正電荷可動(dòng)正電荷可動(dòng)正電荷陷阱電荷陷阱電荷界面陷阱電荷界面陷阱電荷這些電荷是使早期這些電荷是使早期MOSFET不穩(wěn)定的主要原因不穩(wěn)定的主要原因,其其大小與晶向有關(guān)，與大小與晶向有關(guān)，與SiO2的生長工藝有關(guān)。的生長工藝有關(guān)。通常要求：通常要求：影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素: Q02100/10cmqQ 影響閾值電壓的因素：影響閾值電壓的因素：NB襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度NB 通過通過QB來影響來影響VT NB越大，越不容越大，越不容易反型易反型0 . 00

14、 . 10 . 20 . 30 . 10 . 20 . 3141015101610171018101910)(VVT00 Q)(3 cmNBnmospmossipolyp sipolyn 影響閾值電壓的因素：影響閾值電壓的因素： Tox柵氧化層厚度柵氧化層厚度tox： tox增加，導(dǎo)致增加，導(dǎo)致VT增加。這種方法廣泛應(yīng)增加。這種方法廣泛應(yīng)用于用于MOSFET之間的隔離。之間的隔離。提高場(chǎng)區(qū)寄生提高場(chǎng)區(qū)寄生MOS管的閾值電管的閾值電壓：場(chǎng)注入厚的場(chǎng)氧化層壓：場(chǎng)注入厚的場(chǎng)氧化層?xùn)叛鯑叛鯃?chǎng)氧場(chǎng)氧P-Si襯底襯底nSGDnnSGDn互連線互連線寄生溝道寄生溝道2sio2sio2sio2sio2sio有

15、源區(qū)、場(chǎng)區(qū)有源區(qū)、場(chǎng)區(qū)影響閾值電壓的因素：體效應(yīng)影響閾值電壓的因素：體效應(yīng)襯底偏壓的影響體效應(yīng)襯底偏壓的影響體效應(yīng)（Body Effect）MOSFET通常源和襯底短接，但是有兩種情況會(huì)造通常源和襯底短接，但是有兩種情況會(huì)造成成MOSFET的襯底相對(duì)與源端有一個(gè)偏置電壓的襯底相對(duì)與源端有一個(gè)偏置電壓VBS（NMOS,VBS0）在在MOS電路中，有些電路中，有些MOS管的源極接輸出端，管的源極接輸出端，其電位是變化的；其電位是變化的；有意在體端加偏壓使源與襯底之間的有意在體端加偏壓使源與襯底之間的PN處于處于反偏，以調(diào)制反偏，以調(diào)制MOS管的閾值電壓管的閾值電壓；體效應(yīng)：也稱為體效應(yīng)：也稱為襯偏

16、效應(yīng)、背柵效應(yīng)襯偏效應(yīng)、背柵效應(yīng)影響閾值電壓的因素：體效應(yīng)影響閾值電壓的因素：體效應(yīng)oxFBsifFBTCqNVV 0042 0SBVoxSBFBsifFBTCVqNVV)2(220 考慮到考慮到VSB的影響，通常把的影響，通常把VT寫成：寫成： 0SBVTTTVVV 0SBfSBfSBTSBTTVVVVVVV )22()0()0(0oxBsiCNq 02 Body factor)4.03.0( 影響閾值電壓的因素：影響閾值電壓的因素：體效應(yīng)體效應(yīng) pmosforVVnmosforVVVTTTTT00襯底偏壓使耗盡層展寬，導(dǎo)致襯底偏壓使耗盡層展寬，導(dǎo)致NMOS的的VTn增加（向正方向移動(dòng)）增加

17、（向正方向移動(dòng)）PMOS使得使得VTp更負(fù)（向負(fù)方向移動(dòng)）更負(fù)（向負(fù)方向移動(dòng)）除非應(yīng)用，否則應(yīng)盡量避免體效應(yīng)（使體效除非應(yīng)用，否則應(yīng)盡量避免體效應(yīng)（使體效應(yīng)因子最小）應(yīng)因子最?。〦xample：Substrate bias effect on VT (body-effect)閾值電壓的設(shè)計(jì)（閾值電壓的設(shè)計(jì)（1）閾值電壓是閾值電壓是MOSFET最重要的參數(shù)之一，要求精確最重要的參數(shù)之一，要求精確的控制。在諸因素中，影響最大的是柵氧化層的厚的控制。在諸因素中，影響最大的是柵氧化層的厚度和襯底摻雜濃度，但這兩個(gè)參量在很大的程度上度和襯底摻雜濃度，但這兩個(gè)參量在很大的程度上會(huì)由其它設(shè)計(jì)約束事先確定會(huì)由

18、其它設(shè)計(jì)約束事先確定*。閾值電壓的調(diào)制方法：用離子注入工藝，在半導(dǎo)體閾值電壓的調(diào)制方法：用離子注入工藝，在半導(dǎo)體表面處精確注入一定數(shù)目的硼或磷離子，以調(diào)制半表面處精確注入一定數(shù)目的硼或磷離子，以調(diào)制半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度* 。當(dāng)。當(dāng)MOS器件偏置在耗盡或器件偏置在耗盡或反型時(shí)，注入的雜質(zhì)會(huì)疊加到氧化層半導(dǎo)體界面反型時(shí)，注入的雜質(zhì)會(huì)疊加到氧化層半導(dǎo)體界面附近的電離雜質(zhì)電荷上，從而改變附近的電離雜質(zhì)電荷上，從而改變VT。硼注入會(huì)導(dǎo)。硼注入會(huì)導(dǎo)致閾值電壓正漂移（變得更正），磷注入會(huì)時(shí)閾值致閾值電壓正漂移（變得更正），磷注入會(huì)時(shí)閾值電壓負(fù)漂移（變得更負(fù)）。電壓負(fù)漂移（變得更負(fù)）。閾值電壓的設(shè)計(jì)（閾值電壓的設(shè)計(jì)（2）計(jì)算注入后的閾值電壓計(jì)算注入后的閾值電壓：離子注入形成的雜質(zhì)沿注：離子注入形成的雜質(zhì)沿注入方向是入方向是Gauss分布，直接用其計(jì)算分布，直接用其計(jì)算VT比較復(fù)雜。考比較復(fù)雜?？紤]到實(shí)際中調(diào)制注入的深度一般比較淺，用慮到實(shí)際中調(diào)制注入的深度一般比較淺，用Delta函函數(shù)近似實(shí)際的分布：認(rèn)為注入的雜質(zhì)全部位于數(shù)近似實(shí)際