第五章 MOS場效應(yīng)管的特性

1、Science and Technology of Electronic Information MOS管特性管特性Science and Technology of Electronic Information 5.1 MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管5.2 MOS管的閾值電壓管的閾值電壓5.3 體效應(yīng)體效應(yīng) 5.4 MOSFET的溫度特性的溫度特性 5.5 MOSFET的噪聲的噪聲5.6 MOSFET尺寸按比例縮小尺寸按比例縮小5.7 MOS器件的二階效應(yīng)器件的二階效應(yīng)MOS管特性管特性兩個兩個PN結(jié)結(jié)： 1）N型型漏極漏極與與P型襯底；型襯底； 2）N型型源極源極與與P型襯底。型襯底。 同雙極型晶

2、體管中的同雙極型晶體管中的PN 結(jié)結(jié) 一樣，在結(jié)周圍產(chǎn)生了耗盡層。一樣，在結(jié)周圍產(chǎn)生了耗盡層。一個電容器結(jié)構(gòu)一個電容器結(jié)構(gòu) 柵極與柵極下面區(qū)域形成一個電容器，柵極與柵極下面區(qū)域形成一個電容器， 是是MOS管的核心。管的核心。MOS管特性管特性u 柵長柵長:L; 柵寬柵寬:W; 氧化層厚度氧化層厚度: toxu Lmin： MOS工藝的特征尺寸工藝的特征尺寸(feature size)u L影響影響MOSFET的速度的速度， W決定電路驅(qū)動能力和決定電路驅(qū)動能力和功耗功耗u L和和W由設(shè)計者選定由設(shè)計者選定,通常通常選取選取L= Lmin， 由此，由此，設(shè)計者設(shè)計者只需選取只需選取Wt oxSD

3、n(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGLMOS管特性管特性u當(dāng)當(dāng)VGS0時時 P型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向，少子電子在柵型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向，少子電子在柵極下的極下的P型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立起反型層，即型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立起反型層，即N型型層，當(dāng)層，當(dāng)VGS=VT時形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。時形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。u這時，柵極電壓所感應(yīng)的電荷這時，柵極電壓所感應(yīng)的電荷Q為，為， Q=CVge 式中式中Vge是柵極有效控制電壓。是柵極有效控制電壓。MOS管特性管特性非飽和時非飽和時（溝道未夾斷），（溝道未夾斷），在漏源電壓在漏

4、源電壓Vds作用作用下，這些電荷下，這些電荷Q將在將在 時間內(nèi)通過溝道，因此有時間內(nèi)通過溝道，因此有dsdsVLELL 2 為載流子速度，為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場強度，為漏到源方向電場強度，Vds為漏為漏到源電壓。到源電壓。 為為載流子遷移率：載流子遷移率：n n = 650 cm2/(V.s) 電子遷移率電子遷移率(NMOS)n p = 240 cm2/(V.s) 空穴遷移率空穴遷移率(PMOS)MOS管特性管特性非飽和情況下，通過MOS管漏源間的電流Ids為：2221()2 1 1 22geoxoxdsgedsgsTdsdsoxoxdsoxgsTdsdsoxgeg

5、sTdsCVWLQWIV VVVV VLtLtLVWVV VVLVVVtV = . 0 柵極柵極-溝道間氧化層介電常數(shù)溝道間氧化層介電常數(shù), = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge：柵級對襯底的有效控制電壓柵級對襯底的有效控制電壓MOS管特性管特性當(dāng)當(dāng)Vgs-VT=Vds時，滿足時，滿足:Ids達(dá)到最大值達(dá)到最大值Idsmax，其值為，其值為 Vgs-VT=Vds，意味著：，意味著：Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =0溝道夾斷，電流不會再增大溝道夾斷，電流不會再增大，因而，這個因而，這個 Idsmax 就是就是飽和電流飽和電流。0d

6、sdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOS管特性管特性 在非飽和區(qū)在非飽和區(qū) 呈線性電阻呈線性電阻 飽和區(qū)飽和區(qū) ( (I Idsds與與V Vdsds無關(guān)無關(guān), ,與與V Vgsgs有關(guān)有關(guān)) )IdsVds0線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI212oxdsgsTdsdsoxWIVVVVtL 2oxdsgsTox12WIVVtL MOS管特性管特性 MOS MOS電容是一個相當(dāng)復(fù)雜的電容，具有多層介電容是一個相當(dāng)復(fù)雜的電容，具有多層介質(zhì)，在柵極電極下面有一層質(zhì)，在柵極電極下面有一層SiOSiO2 2介質(zhì)，介質(zhì)，SiOSiO2 2下面是下面

7、是P P型襯底，最后是襯底電極，同襯底之間是歐姆接觸。型襯底，最后是襯底電極，同襯底之間是歐姆接觸。溝道溝道耗盡層P型襯底 + + + + + + GGCoCdeptoxdVssVssMOS管的電容管的電容1）當(dāng)）當(dāng)Vgs0時，時， MOS電容器可以看成兩個電容器電容器可以看成兩個電容器的串聯(lián)的串聯(lián)。 柵極上的正電荷排斥了柵極上的正電荷排斥了Si Si中的空穴，在柵極下中的空穴，在柵極下面的面的Si Si表面上，形成了一個耗盡區(qū)。表面上，形成了一個耗盡區(qū)。耗盡區(qū)中空穴被趕走耗盡區(qū)中空穴被趕走后剩下的固定的負(fù)電荷，分布在厚度為后剩下的固定的負(fù)電荷，分布在厚度為X Xp p的整個耗盡區(qū)的整個耗盡區(qū)

8、內(nèi)；而柵極上的正電荷則集中在柵極表面，基底接負(fù)極。內(nèi)；而柵極上的正電荷則集中在柵極表面，基底接負(fù)極。 N+N+N+N+N+G+以以SiO2為介質(zhì)的電容器為介質(zhì)的電容器Cox以耗盡層為介質(zhì)的電容器以耗盡層為介質(zhì)的電容器CSi111SioxCCCMOS管的電容管的電容耗盡層電容的計算方法同耗盡層電容的計算方法同PNPN結(jié)的耗盡層電容的計算結(jié)的耗盡層電容的計算方法相同，利用泊松方程方法相同，利用泊松方程ASiSiqN1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX2將上式積分得耗盡區(qū)上的電位差將上式積分得耗盡區(qū)上的電位差 ：從而得出束縛電荷層厚度從而得出束縛電荷層厚度式中式中NA是是P型襯

9、底中的摻雜濃度，型襯底中的摻雜濃度，為空間電荷密度，為空間電荷密度， 為電勢，為電勢，MOS管的電容管的電容是一個非線性電容，隨電位差的增大而減小。是一個非線性電容，隨電位差的增大而減小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC在耗盡層中束縛電荷的總量為在耗盡層中束縛電荷的總量為是耗盡層兩側(cè)電位差是耗盡層兩側(cè)電位差 的函數(shù)，耗盡層電容為的函數(shù)，耗盡層電容為MOS管的電容管的電容u3 3） 隨著隨著V Vgsgs的增大，耗盡層厚度的增大，耗盡層厚度X Xp p增大，耗盡層上的電壓降增大，耗盡層上的電壓降 就增大，因而耗盡層電容

10、就增大，因而耗盡層電容C CSiSi就減小。就減小。 耗盡層上的電壓降耗盡層上的電壓降的增大，意味著的增大，意味著SiSi表面能級的下降。一旦表面能級的下降。一旦SiSi表面能級下降到表面能級下降到P P型襯底的費米能級，這時在型襯底的費米能級，這時在SiSi表面，表面，電子濃度與空穴濃度電子濃度與空穴濃度相等相等，成為本征半導(dǎo)體，半導(dǎo)體呈中性。，成為本征半導(dǎo)體，半導(dǎo)體呈中性。 若若V Vgsgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的電子，再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的電子，這時，這時，SiSi表面的電子濃度超過了空穴的濃度，形成表面的電子濃度超過了空穴的濃度，形成N N反型層，反型層

11、，耗盡層厚度的增加就減慢了耗盡層厚度的增加就減慢了，C CSiSi的減小也減慢了。的減小也減慢了。MOS管的電容管的電容u4 當(dāng)當(dāng)Vgs增加，達(dá)到增加，達(dá)到VT值，值，Si表面電位的下降，能級下降已達(dá)表面電位的下降，能級下降已達(dá)到到P型襯底的費米能級與本征半導(dǎo)體能級差的二倍型襯底的費米能級與本征半導(dǎo)體能級差的二倍。在形成的在形成的反型層中，反型層中，電子濃度已達(dá)到原先的空穴濃度。顯然，耗盡層電子濃度已達(dá)到原先的空穴濃度。顯然，耗盡層厚度達(dá)最大厚度達(dá)最大Xpmax ，CSi也不再減小也不再減小。這樣就達(dá)到最小值。這樣就達(dá)到最小值Cmin。 u5 當(dāng)當(dāng)V Vgsgs繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加

12、，來自柵極正電繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加，來自柵極正電荷的電力線，部分落在這些電子上，落在耗盡層束縛電子上荷的電力線，部分落在這些電子上，落在耗盡層束縛電子上的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將增大。兩個電容串的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將增大。兩個電容串聯(lián)后，聯(lián)后，C C將增加。將增加。u6 6 當(dāng)當(dāng)V Vgsgs足夠大時，反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作足夠大時，反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用，全部的電力線落在電子上。這時，反型層中的電子將成用，全部的電力線落在電子上。這時，反型層中的電子將成為一種鏡面反射，感應(yīng)全部負(fù)電荷，于是，為一種鏡面反射，感應(yīng)全部負(fù)電荷，于是

13、，C = CC = Coxox 。電容。電容曲線出現(xiàn)了凹谷形，曲線出現(xiàn)了凹谷形，MOS管的電容管的電容若測量電容的方法是逐點測量法若測量電容的方法是逐點測量法一種慢進(jìn)程，那么將測量一種慢進(jìn)程，那么將測量到這種凹谷曲線。到這種凹谷曲線。 MOS管的電容管的電容 MOS電容電容C 源極和襯底之間結(jié)電容源極和襯底之間結(jié)電容Csb 漏極和襯底之間結(jié)電容漏極和襯底之間結(jié)電容Cdb 柵極與漏極、源極擴散區(qū)間柵極與漏極、源極擴散區(qū)間都存在著交迭，引出線之間雜都存在著交迭，引出線之間雜散電容，都計入散電容，都計入Cgs和和Cgd。 MOS管的電容管的電容MOS電容電容CMOS=CG+CD(二極管接法）二極管接

14、法）1）若若VgsVT，u若處于若處于非飽和狀態(tài)非飽和狀態(tài)，則按，則按1/3與與2/3分配，即分配，即CMOS 221TgsoxdsVVLLWtI u若處于飽和狀態(tài)，則若處于飽和狀態(tài)，則表明溝道電荷已與表明溝道電荷已與Vds無關(guān)，無關(guān)，那么：那么： CG = Cgs + C2/3, CD = Cdb + 0 實際上在飽和狀態(tài)下，溝道長度受到實際上在飽和狀態(tài)下，溝道長度受到V Vdsds的調(diào)制，的調(diào)制，當(dāng)當(dāng)VdsVds增加時，漏端夾斷區(qū)耗盡層長度增加時，漏端夾斷區(qū)耗盡層長度L L 增大，有效溝道長度增大，有效溝道長度L- L-LL變小變小, Ids, Ids增加。然而，增加。然而，L L 的增大

15、使得漏極耗盡層寬度的增大使得漏極耗盡層寬度有所增加，增大了結(jié)電容。故，有所增加，增大了結(jié)電容。故， CD = Cdb + 0 + CdbMOS管的電容管的電容PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technologyMOS管的電容管的電容Cap.N+Act. P+Act.

16、 PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Area (P+act.)3415aF/um2Fringe (sub.)249261aF/umaf=10 -18 F MOS管的電容管的電容= VT就是將柵極下面的就是將柵極下面的Si表面從表面從P型型Si變?yōu)樽優(yōu)镹型型Si所必要的電壓。所必要的電壓。 它它由兩個分量組成由兩個分量組成, 即即: VT= Us+ Vox=Us : Si表面電

17、位表面電位; =Vox: SiO2層上的壓降。層上的壓降。閾值電壓閾值電壓VTu電壓電壓U Us s 與襯底濃度與襯底濃度N Na a有關(guān)。有關(guān)。u在半導(dǎo)體理論中，在半導(dǎo)體理論中，P P型半導(dǎo)體的費米能級是靠近滿帶的，而型半導(dǎo)體的費米能級是靠近滿帶的，而N N型半導(dǎo)體的費米能級則是靠近導(dǎo)帶的。要想把型半導(dǎo)體的費米能級則是靠近導(dǎo)帶的。要想把P P型變?yōu)樾妥優(yōu)镹 N型，型，外加電壓必須補償這外加電壓必須補償這兩個兩個費米能級之差費米能級之差。25iabpSnNqkTqUln22閾值電壓閾值電壓VT摻雜濃度摻雜濃度NaNa越大，越大，V VT T就越大就越大bpTkEEiFienp00iiFnpkT

18、EE0ln已知已知p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體Vox根據(jù)根據(jù)從金屬到氧化物到從金屬到氧化物到SiSi襯底襯底XmXm處的處的電場分布曲電場分布曲線導(dǎo)出線導(dǎo)出: Q/C閾值電壓閾值電壓VTaiaSioaoxNqnNkTCqNCQV2ox/ln4C Coxox越小，越小，V VT T就越大就越大即即t tOXOX越厚，越厚，V VT T越大越大ASipAqNWLXWLqNQ2 已知已知Qox=Qsi，且且=2KT ln(Na/ni)iaaSioiaoxsTnNkTNCnNqkTVUV/ln41ln2在工藝環(huán)境確定后，在工藝環(huán)境確定后，MOS管的閾值電壓管的閾值電壓VT主要決定主要決定 1. 襯底的摻雜濃度襯

19、底的摻雜濃度Na。濃度大則。濃度大則VT小。小。 2. Cox，C大則電荷影響小，所以大則電荷影響小，所以tOX很小很小100 nmoxoxooxoxoxoxoxtCtWLtWLC 閾值電壓閾值電壓VT一般認(rèn)為一般認(rèn)為Vgs是加在柵極與襯底是加在柵極與襯底之間的。通常，襯底是接地的，但之間的。通常，襯底是接地的，但源極未必接地源極未必接地,實際上，在許多場實際上，在許多場合源極與襯底并不連接在一起。合源極與襯底并不連接在一起。源極不接地時對源極不接地時對VT值的影響稱值的影響稱為體效應(yīng)為體效應(yīng)(Body Effect)。 導(dǎo)致；導(dǎo)致； VB，VTMOSFET體效應(yīng)體效應(yīng)某一某一CMOS工藝條件

20、下，工藝條件下，NMOS閾值閾值電壓隨源極電壓隨源極-襯底電壓的變化曲線襯底電壓的變化曲線MOSFET體效應(yīng)體效應(yīng) MOSFET的溫度特性主要來源于溝道中載流子的遷移率的溫度特性主要來源于溝道中載流子的遷移率 和閾值電壓和閾值電壓VT隨溫度的變化。隨溫度的變化。u T gm u T ni VT ； VT(T)- (2 4) mV/CTgsoxm VVLWtgMOS管特性管特性iaaSioiaoxsTnNkTNCnNqkTVUV/ln41ln2MOSFET的噪聲來源主要由兩部分：的噪聲來源主要由兩部分：u 熱噪聲熱噪聲(thermal noise)u 閃爍噪聲閃爍噪聲(flicker noise

21、，1/f-noise) MOS管特性管特性 有源器件的噪聲特性對于小信號放大器有源器件的噪聲特性對于小信號放大器和和振蕩器等模擬電振蕩器等模擬電路路的的設(shè)計是至關(guān)重要的；設(shè)計是至關(guān)重要的； 所有所有FET(MOSFET, MESFETFET(MOSFET, MESFET等等) )的的1/1/f f 噪聲都高出相應(yīng)的噪聲都高出相應(yīng)的BJTBJT的的1/1/f f 噪聲約噪聲約1010倍。這一特征在考慮振蕩器電路方案時必倍。這一特征在考慮振蕩器電路方案時必須要給予重視。須要給予重視。fgTvm2eg322eg vIdsn 是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成 的，通

22、過溝道電阻的，通過溝道電阻生成熱噪聲電壓生成熱噪聲電壓 veg(T，t)，其等效電壓值可近似表達(dá)為其等效電壓值可近似表達(dá)為D Df f為所研究的頻帶寬度為所研究的頻帶寬度, , T T是絕對溫度是絕對溫度. . 設(shè)設(shè)MOS模擬電路工作在飽和區(qū)模擬電路工作在飽和區(qū), gm可寫為可寫為結(jié)論：結(jié)論：增加增加MOS的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲MOS管特性管特性DSoxTgsoxmILtWVVLtWg2)(2eg vWffWLtKvf1ox22/1u形成機理：形成機理：溝溝道處道處SiO2與與Si界面上電子的充放電界面上電子的充放電u閃爍噪聲的等效電壓值閃爍噪

23、聲的等效電壓值系數(shù)系數(shù)K2典型值為典型值為3 1024V2F/Hz。因為因為 1，所以閃爍噪聲被稱之為，所以閃爍噪聲被稱之為1/f 噪聲噪聲。u電路設(shè)計時，增加?xùn)烹娐吩O(shè)計時，增加?xùn)艑拰扺，可降低閃爍噪聲?？山档烷W爍噪聲。 MOS管特性管特性2Tgsoxds2 VVLWtIl MOSFET尺寸縮小對器件性能的影響尺寸縮小對器件性能的影響飽和區(qū)飽和區(qū)結(jié)論結(jié)論1 1： L L I Idsds t toxox I Idsds L L + +t toxox I Idsds減小減小L L和和t toxox引起引起MOSFETMOSFET的的電流控制能力提高電流控制能力提高結(jié)論結(jié)論2 2：W W I Ids

24、ds P P 減小減小W W 引起引起MOSFETMOSFET的電的電流控制能力和輸出功率流控制能力和輸出功率減小減小結(jié)論結(jié)論3 3：( ( L L + + t toxox +W+W ) ) I Ids=C ds=C A AMOSMOS 同時減小同時減小L L，t toxox和和W W， 可保持可保持I Idsds不變，但導(dǎo)致不變，但導(dǎo)致器件占用面積減小，集器件占用面積減小，集成度提高。成度提高?？偪偨Y(jié)論：結(jié)論：縮小縮小MOSFETMOSFET尺寸是尺寸是VLSIVLSI發(fā)展的總趨勢發(fā)展的總趨勢！Scaling-down1 1減小減小L L引起的問題引起的問題: : L LV Vds=Cds=

25、C E Echch ，V Vdsmaxdsmax , , 即即在在V VdsdsV Vdsmaxdsmax不變的情不變的情況下，減小況下，減小L L將導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档蛯?dǎo)致?lián)舸╇妷航档? .解決方案：解決方案：減小減小L L的同時降低電源電壓的同時降低電源電壓VDDVDD。降低電源電壓的關(guān)鍵：降低電源電壓的關(guān)鍵：降低開降低開啟電壓啟電壓VTVT Scaling-downScaling-downL( m) 1020.50.350.18VT(V)7-9410.60.4VDD(V) 201253.31.8降低降低V VT T 的方法的方法 ：1) 降低襯底中的雜質(zhì)濃度，采用高電阻率的襯底降低襯底中的

26、雜質(zhì)濃度，采用高電阻率的襯底;2) 減小減小SiO2介質(zhì)的厚度介質(zhì)的厚度 tox。Ids：Ids(Vgs)R： Rmetal, Rpoly-Si, RdiffC：Cgs, Cgd, Cds, Cgb, Csb, Cdb, Cmm, CmbCg = Cgs+Cgd+ Cgb ; 關(guān)鍵電容值關(guān)鍵電容值其其等效于一個含有受控源等效于一個含有受控源Ids的的RC網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。MOSFETMOSFET的動態(tài)特性的動態(tài)特性( (即速度即速度) )，取決于，取決于RCRC網(wǎng)絡(luò)的充放電的快慢，進(jìn)而取決于網(wǎng)絡(luò)的充放電的快慢，進(jìn)而取決于電流源電流源I Idsds的驅(qū)動能力，的驅(qū)動能力，即即跨導(dǎo)的大小跨導(dǎo)的大小；RC

27、RC時間常數(shù)的大小，時間常數(shù)的大小，充放電的電壓范圍，即電源電壓的高低充放電的電壓范圍，即電源電壓的高低. .Scaling-downMOSFET 的速度可以用單級非門的速度可以用單級非門(反相器反相器)的時延的時延 D來表征。來表征。Scaling-down ：(L ，W ， tox )Ids R VDD R基本不變基本不變, 但是但是C減小，減小， D 減小減小結(jié)論：結(jié)論：器件尺寸連同器件尺寸連同VDD同步縮小，器件的速度提高。同步縮小，器件的速度提高。oxgdgsg ox, , tLWCCCtWLScaling-downL0constantgsdsmds VVIgTgsoxm VVLWt

28、g)(Tgs2gm0VVLCgMOSFET的跨導(dǎo)的跨導(dǎo) gm的定義為的定義為：MOSFET I-V特性求得特性求得MOSFET的優(yōu)值的優(yōu)值:Scaling-down 隨著隨著MOSMOS工藝向著亞微米、深亞微米的方向發(fā)展，必須考慮。工藝向著亞微米、深亞微米的方向發(fā)展，必須考慮。二階效應(yīng)出于兩種原因：二階效應(yīng)出于兩種原因：1) 1) 當(dāng)器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為當(dāng)器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為5V5V，于是，平均電場強度，于是，平均電場強度增加了，引起了許多二次效應(yīng)。增加了，引起了許多二次效應(yīng)。2) 2) 當(dāng)管子尺寸很小時，這些小管子的邊緣相互靠在一起，產(chǎn)生了非理當(dāng)管子尺寸很小時，這

29、些小管子的邊緣相互靠在一起，產(chǎn)生了非理想電場，也嚴(yán)重地影響了它們的特性。想電場，也嚴(yán)重地影響了它們的特性。MOS管二階效應(yīng)管二階效應(yīng)另外，在氧化區(qū)的下面稱為場注入?yún)^(qū)（另外，在氧化區(qū)的下面稱為場注入?yún)^(qū)（field implantfield implant）的）的P+P+區(qū)區(qū)，其其 NaNa值值 較大，其連接較大，其連接P P基底，目的是提高了寄生基底，目的是提高了寄生 MOS MOS 管的開啟電壓，利用反向用來控制表面的漏電流。管的開啟電壓，利用反向用來控制表面的漏電流。MOS管二階效應(yīng)管二階效應(yīng)場區(qū)是由一層很厚的場區(qū)是由一層很厚的SiO2SiO2形成的形成的, ,多晶硅或鋁多晶硅或鋁線在場氧化

30、區(qū)上面穿過，線在場氧化區(qū)上面穿過，其其CoxCox很小，開啟電壓很小，開啟電壓V VT T VVDDDD不會產(chǎn)生寄生不會產(chǎn)生寄生MOSMOS管。管。場注入場注入結(jié)論結(jié)論: 一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū)，給工藝制造帶來了新的問題。一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū)，給工藝制造帶來了新的問題。由于由于制造誤差真正器件中的制造誤差真正器件中的L、W W并不是原先版圖上所定義并不是原先版圖上所定義的的L L、W W，如圖所示，氧化區(qū)具有鳥嘴形（，如圖所示，氧化區(qū)具有鳥嘴形（bird beakbird beak）。）。 W = WW = Wdrawndrawn 2 2 W W ；影響了；影響了V VT T。M

31、OS管二階效應(yīng)管二階效應(yīng)集成電路制造過程中：集成電路制造過程中：先用有源區(qū)的先用有源區(qū)的maskmask，在場區(qū)外生成一個氮在場區(qū)外生成一個氮化硅的斑區(qū)。然后，化硅的斑區(qū)。然后，再以這個斑區(qū)作為再以這個斑區(qū)作為implant maskimplant mask，注入，注入P+P+區(qū)。最后，以這個區(qū)。最后，以這個斑區(qū)為掩膜生成氧化斑區(qū)為掩膜生成氧化區(qū)。然而，在氧化過區(qū)。然而，在氧化過程中，氧氣會從斑區(qū)程中，氧氣會從斑區(qū)的邊沿處滲入，造成的邊沿處滲入，造成了了Bird beakBird beak 注入?yún)^(qū)注入?yún)^(qū)P+是先做好的，在高溫氧化時，這個是先做好的，在高溫氧化時，這個P+區(qū)區(qū)中的雜質(zhì)也擴散了，侵

32、入到管子區(qū)域，改變了襯底中的雜質(zhì)也擴散了，侵入到管子區(qū)域，改變了襯底的濃度的濃度Na，影響了開啟電壓。同時，擴散電容也增，影響了開啟電壓。同時，擴散電容也增大了，大了，N+區(qū)與區(qū)與P+區(qū)的擊穿電壓降低。區(qū)的擊穿電壓降低。柵極長度柵極長度L L不等于原先版圖上所繪制的不等于原先版圖上所繪制的L Ldrawndrawn，減小了，減小了= 是在蝕刻（是在蝕刻（etching）過程中，多晶硅（）過程中，多晶硅（Ploy）被腐蝕掉了。）被腐蝕掉了。= 擴散區(qū)延伸進(jìn)去，兩邊合起來延伸了擴散區(qū)延伸進(jìn)去，兩邊合起來延伸了2 Ldiff，= 故故L = Ldrawn 2 Lpoly 2 Ldiff= 這這2 L

33、diff是重疊區(qū)，是重疊區(qū)， 也增加了結(jié)電容。也增加了結(jié)電容。 Cgs = W LdiffCo Cgd = W LdiffCo式中式中C Co o是單位面積電容。是單位面積電容。MOS管二階效應(yīng)管二階效應(yīng)Ldrawn是圖上繪制的柵極長度。是圖上繪制的柵極長度。Lfinal是加工完后的實際柵極長度。是加工完后的實際柵極長度。Lfinal = Ldrawn 2 Lpoly MOS遷移率遷移率 并不是常數(shù)。從器件的外特性來看，并不是常數(shù)。從器件的外特性來看，至少有三個因素影響至少有三個因素影響 值，它們是：溫度值，它們是：溫度T，垂直電場，垂直電場Ev，水平電場，水平電場Eh。 可以表示為：可以表示

34、為： = 0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)MOS管二階效應(yīng)管二階效應(yīng)式中式中 0(T)是溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)， 0(T) = kT M ;fv是垂直電場的退化函數(shù)；是垂直電場的退化函數(shù)；fh是水平電場的退化函數(shù)是水平電場的退化函數(shù)1） 特征遷移率特征遷移率 0 0與制造工藝密切相關(guān)，與制造工藝密切相關(guān)， 0還與溫度還與溫度T有關(guān)，溫度升高有關(guān)，溫度升高時，時， 0就降低。如果從就降低。如果從25增加到增加到100， 0將下降一半。將下降一半。MOS管二階效應(yīng)管二階效應(yīng)在半導(dǎo)體在半導(dǎo)體SiSi內(nèi)一般認(rèn)為，內(nèi)一般認(rèn)為， M M值是處在值是處在1.51.5 2 2之間。之

35、間。 0 0的典型值為，的典型值為，N N溝道溝道MOSMOS管，管， 0=600cm2/V0=600cm2/V S S；P P溝道溝道MOSMOS管，管， 0=250cm2/V0=250cm2/V S S。 MTTTT 121020 2） 遷移率遷移率 的退化還與電場強度有關(guān)，通常的退化還與電場強度有關(guān)，通常 將將隨隨Ev(垂直垂直)，Eh(水平水平)而退化。而退化。水平電場對水平電場對 的影響，比垂直電場大得多。因為水平電場將加速載流子運動。當(dāng)?shù)挠绊?，比垂直電場大得多。因為水平電場將加速載流子運動。當(dāng)載流子速度被加速到一個大的數(shù)值，水平速度會飽和。一般來講，載流子速度被加速到一個大的數(shù)值，水平速度會飽和。一般來講，N型型Si的的 0遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于P型型Si的的 0,約約2.5倍。然而當(dāng)電場增強時，這個差距就縮小，當(dāng)電場強到一定程度，倍。然而當(dāng)電場增強時，這個差距就縮小，當(dāng)電場強到一定程度，N管與管與P管達(dá)到同一飽和速度，得到同一個管達(dá)到同一飽和速度，得到同一個 值，它與摻雜幾乎無關(guān)，這兩種載流子的值，它與摻雜幾乎無關(guān)，這兩種載流子的飽和速度是相同的。這并不是