第09章-場效應(yīng)晶體管

1、第九章場效應(yīng)晶體管白雪飛中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系 MOS晶體管 MOS晶體管的匹配 浮柵晶體管 JFET晶體管提綱2MOS晶體管(A) 增強(qiáng)型NMOS (B) 增強(qiáng)型PMOS(C) 耗盡型NMOS (D) 耗盡型PMOSMOS晶體管的類型MOS晶體管建模5跨導(dǎo)系數(shù)6閾值電壓7N阱CMOS工藝NMOS晶體管的簡化寄生模型寄生參數(shù)8N阱CMOS工藝PMOS晶體管的簡化寄生模型寄生參數(shù)9 擊穿機(jī)制 雪崩擊穿 穿通擊穿 介質(zhì)擊穿 熱載流子誘發(fā)閾值電壓偏移短溝道NMOS晶體管的擊穿效應(yīng)穿通擊穿（0.4um工藝器件）和雪崩擊穿（0.6um和0.8um工藝器件）擊穿機(jī)制10 當(dāng)源/漏擴(kuò)散區(qū)相對背柵正

2、偏時(shí)，會向鄰近器件的反偏結(jié)注入少子 相鄰的NMOS和PMOS晶體管相互交換少子會引發(fā)CMOS閂鎖效應(yīng) 少子保護(hù)環(huán)可以防止閂鎖效應(yīng)具有收集空穴保護(hù)環(huán)的PMOS； (B) 具有收集電子保護(hù)環(huán)的NMOS閂鎖效應(yīng)11漏電機(jī)制12簡單的自對準(zhǔn)多晶硅柵NMOS晶體管的版圖和剖面圖構(gòu)造CMOS晶體管13(A) 利用NSD、PSD和溝槽掩模層(B) 利用NMoat和PMoat編碼層MOS晶體管版圖14MOS管的寬度和長度15(A) N阱；(B) P阱；(C) 雙阱N阱和P阱工藝16采用硼和磷實(shí)現(xiàn)溝道終止注入的N阱CMOS晶圓溝道終止注入17 天然(Native)晶體管 天然的閾值電壓取決于柵和背柵的摻雜及柵氧

3、化層的厚度 電流設(shè)計(jì)者也可以使用天然晶體管 經(jīng)過調(diào)整的晶體管 通過對溝道區(qū)的注入可以改變MOS晶體管的閾值電壓 P型注入使閾值電壓正向移動(dòng) N型注入使閾值電壓負(fù)向移動(dòng)閾值調(diào)整注入18(A) 天然NMOS；(B) 天然PMOS天然(Native)晶體管版圖19雙摻雜多晶硅CMOS晶體管的剖面圖雙摻雜多晶硅CMOS晶體管20 恒定電壓按比例縮小 保持晶體管工作電壓不變的前提下縮小其尺寸 恒定電場按比例縮小 降低電源電壓使晶體管中的電場在尺寸縮小的情況下保持恒定 大多數(shù)現(xiàn)代工藝都使用某種形式的恒定電場按比例縮小 光學(xué)收縮、選擇性柵極尺寸收縮 按比例縮小晶體管 改善性能，寄生電容變小，開關(guān)速度變快，翻

4、轉(zhuǎn)功耗降低 應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路可得到預(yù)期效果 應(yīng)用于模擬電路或混合信號電路則必須對電路性能重新評估按比例縮小晶體管21(A) 比例100%；(B)光學(xué)收縮至80%(C) 有選擇的將繪制柵長收縮至80%按比例縮小晶體管22分段晶體管23合并晶體管M1和M2共用一個(gè)源極合并晶體管24二輸入與非門(A) 原理圖；(B) 版圖合并晶體管實(shí)例25折疊晶體管26環(huán)形晶體管：(A) 方形；(B) 圓形環(huán)形結(jié)構(gòu)可以降低漏區(qū)電容與溝道寬度之比，提高開關(guān)速度環(huán)形晶體管27背柵接觸與保護(hù)環(huán)結(jié)合用于防止閂鎖效應(yīng)NMOS背柵須低于或等于源極電位；PMOS背柵須高于或等于源極電位(A) 鄰接的背柵接觸孔：源極和背柵在同一

5、電位(B) 分離的背柵接觸孔：源極和背柵在不同電位背柵接觸28(A) 叉指狀背柵接觸孔(B) 分布式背柵接觸孔背柵接觸29擴(kuò)展電壓晶體管30(A) 輕摻雜漏區(qū)(LDD)晶體管(B) 雙擴(kuò)散漏區(qū)(DDD)晶體管LDD和DDD晶體管31(A) 非對稱擴(kuò)展漏區(qū)結(jié)構(gòu)；(B) 對稱擴(kuò)展漏區(qū)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展漏區(qū)NMOS晶體管32(A) 非對稱擴(kuò)展漏區(qū)結(jié)構(gòu)；(B) 對稱擴(kuò)展漏區(qū)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展漏區(qū)PMOS晶體管33(A-B-C) 分階段氧化技術(shù)；(D-E-F) 刻蝕再生長技術(shù)多柵氧化層34(A) 薄氧化層晶體管；(B) 厚氧化層晶體管多柵氧化層版圖35功率MOS晶體管36MOS安全工作區(qū)37矩形功率晶體管金屬連線版圖，箭頭

6、表示電流方向功率MOS晶體管版圖38MOS晶體管的匹配39 匹配MOS晶體管 有些電路利用柵源電壓匹配，如差分對 有些電路利用漏極電流匹配，如電流鏡 優(yōu)化電壓匹配和優(yōu)化電流匹配所需的偏置條件不同 可以優(yōu)化MOS管的電壓匹配或電流匹配，但不能同時(shí)優(yōu)化二者 電壓匹配 產(chǎn)生匹配電壓的MOS電路應(yīng)工作在較低的有效柵壓下，0.1V 電流匹配 產(chǎn)生匹配電流的MOS電路應(yīng)工作在較高的有效柵壓下，0.3V匹配MOS晶體管 柵極面積 柵氧化層厚度 溝道長度調(diào)制效應(yīng) 方向幾何效應(yīng)41柵極面積42柵氧化層厚度和溝道長度調(diào)制效應(yīng)43方向相同的器件(A)匹配精度高于方向不同的器件(B)和(C)方向44擴(kuò)展漏區(qū)晶體管(A

7、) 互為鏡像的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失配；(B) 方向一致的結(jié)構(gòu)不受影響 多晶硅刻蝕速率的變化 使硅柵MOS晶體管的柵極長度發(fā)生變化 可使用陪襯柵極以確保均勻刻蝕 擴(kuò)散穿透多晶硅 雜質(zhì)在多晶硅內(nèi)部無法均勻擴(kuò)散 雜質(zhì)沿晶粒邊界快速擴(kuò)散；在單個(gè)晶粒內(nèi)部擴(kuò)散速度較慢 有源柵極上方的接觸孔 有源柵極上的接觸孔位置有時(shí)會引起顯著的閾值電壓失配 保證接觸孔位于厚場氧化層上方，而不是有源柵區(qū)上方 溝道附近的擴(kuò)散區(qū) 深擴(kuò)散區(qū)會影響附近MOS晶體管的匹配 深擴(kuò)散區(qū)尾部會延伸相當(dāng)長的距離與附近MOS晶體管的溝道相交擴(kuò)散和刻蝕效應(yīng)45(A) 沒有陪襯柵極的MOS晶體管陣列(B) 包括陪襯柵極的MOS晶體管陣列多晶硅刻蝕速率的變化

8、46多晶硅柵雜質(zhì)擴(kuò)散過程(A) 雜質(zhì)完全再分布之前(B) 雜質(zhì)完全再分布之后(C) 過度退火導(dǎo)致雜質(zhì)穿過柵氧化層擴(kuò)散穿透多晶硅47阱的繪制邊界與有源柵區(qū)之間的距離溝道附近的擴(kuò)散區(qū)48 氫化作用 部分氫原子可以滲入夾層氧化物并到達(dá)氧化層-硅界面處與懸掛鍵結(jié)合 該反應(yīng)中和了懸掛鍵引入的正的固定電荷，有助于減小閾值電壓的變化 懸掛鍵的隨機(jī)分布會引起閾值電壓的隨機(jī)波動(dòng)，氫退火有助于改善閾值電壓的匹配 關(guān)鍵匹配晶體管的有源柵區(qū)上方不應(yīng)進(jìn)行金屬化 次要匹配晶體管應(yīng)具有相同的金屬化版圖，從而可以允許金屬穿過 填充金屬 去除匹配器件上方的填充金屬，同時(shí)注意金屬密度規(guī)則 采用定制的填充金屬包圍匹配晶體管，以確保

9、匹配晶體管周圍的金屬圖形是相同的氫化作用49 氧化層的厚度梯度 氧化層存在放射狀的厚度梯度 氧化層厚度差別直接影響閾值電壓的匹配 應(yīng)力梯度 應(yīng)力使載流子的遷移率發(fā)生變化，從而影響MOS晶體管的跨導(dǎo)系數(shù) 應(yīng)力不影響MOS晶體管的閾值電壓，因此對電壓匹配幾乎沒有影響 熱梯度 熱梯度影響閾值電壓，從而影響MOS晶體管的電壓匹配 熱梯度影響載流子有效遷移率，從而影響MOS晶體管的跨導(dǎo)系數(shù)和電流匹配熱效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)50 一致性 匹配器件的質(zhì)心位置應(yīng)完全重合，或近似一致 對稱性 陣列應(yīng)同時(shí)相對于X軸和Y軸對稱，陣列中各單元位置相互對稱 分散性 每個(gè)匹配器件的各個(gè)組成部分應(yīng)盡可能均勻的分布在陣列中 緊湊型

10、陣列排布應(yīng)盡可能緊湊，并接近于正方形 方向性 每個(gè)匹配器件中應(yīng)包含等量的朝向相反的段MOS晶體管共質(zhì)心規(guī)則51叉指狀MOS晶體管共質(zhì)心MOS晶體管52交叉耦合MOS晶體管共質(zhì)心MOS晶體管53MOS晶體管的匹配規(guī)則54 采用薄氧化層器件代替厚氧化層器件 使晶體管的取向一致 晶體管應(yīng)相互靠近 匹配晶體管的版圖應(yīng)盡可能緊湊MOS晶體管的匹配規(guī)則55 如果可能，應(yīng)采用共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu) 避免使用極短或極窄的晶體管 在陣列晶體管的末端放置陪襯段 把晶體管放置在低應(yīng)力梯度區(qū)域MOS晶體管的匹配規(guī)則56 晶體管應(yīng)與功率器件距離適當(dāng) 有源柵區(qū)上方不要放置接觸孔 金屬布線不能穿過有源柵區(qū) 使所有深擴(kuò)散結(jié)遠(yuǎn)離有源柵區(qū)MOS晶體管的匹配規(guī)則57 精確匹配晶體管應(yīng)放置在芯片的對稱軸上 不要讓NBL陰影與有源柵區(qū)相交 用金屬條連接?xùn)挪嬷?盡量使用NMOS晶體管而非PMOS晶體管MOS晶體管的匹配規(guī)則58浮柵晶體管浮柵雪崩注入MOS(FAMOS)晶體管圖中顯示利用漏區(qū)/背柵結(jié)雪崩擊穿注入電子的編程過程FAMOS晶體管60雙層多晶硅晶體管(A) 剖面圖；(B) 等效電路雙層多晶硅晶體管61浮柵隧穿氧化層(FOTOX)晶體管FOTOX晶體管62單層多晶硅EEPROM單元(A) 版圖；(B) 等效電路單層多晶硅EEPROM單元6