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1、微电子第二章 集成器件物理基础 第1页，本讲稿共32页2.6.0 引言lMOS贴晶体管和MOS工艺具有独特的优点。l 促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术l (a)半导体表面的稳定化技术；l (b)各种栅绝缘膜的实用化；l (c)自对准结构MOS工艺；l (d)阈值电压的控制技术。l另外，MOS在一些特种器件，如CCD(电荷耦合器件)、BDD(斗链器件)和其他的敏感器件方面应用也非常广泛。本节重点介绍MOS晶体管的工作原理和在电路应用中的MOS晶体管模型第2页，本讲稿共32页2.6.1 MOS晶体管结构 1MOS晶体管结构示意图 图2.52(a)显示的是N沟MOS增强型晶体管的典型结构。P沟
2、晶体管结构与其类似，只需要将图中P和N导电类型分别改为N和P，同时改变电源极性。MOS晶体管有四个电极，分别称为s(源：source)、d(漏：drain)、g(栅：grid)和b(衬底：subtrute)。第3页，本讲稿共32页MOSFET结构MOSFET:MOS field-effect transistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate,IGFET）金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)电压控制电流场效应晶体管第4页，本讲稿共32页MOS器件的表征：沟道长度沟道长度沟道宽度沟道宽度wL第5页，本讲稿共32页MOSFET工作原理（NMOS为例）l半导体表面
3、场效应1.P型半导体 图1 P型半导体第6页，本讲稿共32页 2、表面电荷减少(施加正电压)第7页，本讲稿共32页3、形成耗尽层（继续增大正电压）第8页，本讲稿共32页4、形成反型层（电压超过一定值Vt）第9页，本讲稿共32页NMOS晶体管工作原理表面场效应形成反型层（MOS电容结构）第10页，本讲稿共32页NMOS工作原理Vds Vgs-Vt第11页，本讲稿共32页2.6.1 MOS晶体管结构2MOS结构 虽然MOS晶体管与JFET都是电压控制器件，即通过栅源电压控制导电沟道来控制漏源之间的电流。但是MOS晶体管是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟道。为了形成成电场，在沟道区的L面覆盖了一
4、层很薄的二氧化硅层，称为栅氧化层。栅氧化层上方程盖的一层金属铝，形成栅电极。这样从上往下，构成一种金属(Metal)氧化物(Oxide)半导体(Semiconductor)结构，故称为MOS结构，这一结构是MOS晶体管的核心。目前栅电极大多采用多晶硅。第12页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理 图2.53是增强型NMOS晶体管的直流伏安特性曲线，表示的是漏源电流和漏源电压 之间的关系，以控制电压 为参变量。该曲线与图2.47所示的JFET特性曲线非常类似，也分为截止区、线性区、过渡区(统称为非饱和区)以及饱和区。第13页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理1 小于等于
5、0情况：截止区若栅极和源极间外加电压 小于等于0，NMOS结构图如图2.54(a)所示(图中显示的是 的情况)。这时，N型掺杂浓度均很高的源区和漏区之间是掺有P型杂质的衬底，形成了两个背靠背的PN结。如果在源极和漏极间外加一电压 (漏极接电源正端，源极接电源负端)，由于源区和漏区之间存在反偏的PN结，源漏间阻抗很大，只有很小的PN结泄漏电流，因此漏极和源极之间的电流近似为零。对应图2.53特性曲线上的截止区。第14页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理2沟道的形成和阈值电压：线性区沟道的形成和阈值电压：线性区(1)导电沟道的形成 如果在栅极加一个小的正向电压，使 ，则栅极上的正电荷
6、在栅氧化层中产生一垂直电场。在此电场的作用下，栅氧化层下面的P型衬底表面将感生负电荷。即带负电的电子被吸引到半导体表面，而带正电的空穴被排斥离开表面。由此可见，在与栅极垂直的电场作用下，对栅极下面衬底表面的电荷进行了调制，使表面处空穴密度远低于衬底内部的空穴密度，从而导致表面处形成载流子耗尽区。随着的 增加，垂直电场增强。栅氧化层下方的P型衬底表面的空穴进一步被排斥，更多的电子被吸引到表面，可能造成表面处电子密度大于空穴密度的情况，使栅氧化层下面的衬底表面出现反型层即从原来的P型转变为N型。它是栅极外加垂直电场感生作用的结果。由于反型层是以电子为载流子的N型薄层，就在 型源区和 型漏区间形成了
7、通道，称为沟道，如图2.54(b)所。第15页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理第16页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理（2）阈值电压开始形成沟道时在栅极上所加的电压成为MOS晶体管的阈值电压，记为 。它是MOS晶体管的一个重要参数。这种必须在栅极上加有电压才能形成沟道的MOS晶体管，称为增强型MOS晶体管。如果采用一定的工艺措施，使MOS晶体管栅氧化层下面的衬底表面再栅压 时就已经形成沟道，称为耗尽型MOS晶体管，耗尽型MOS晶体管必须在栅极加有一定的负电压才能使沟道截止。耗尽型MOS晶体管沟道阈值电压是使沟道截止时的栅源电压。（3）特性曲线的线性区由于沟道相当
8、于一个电阻，这时若同时在源漏间加有电压 ，便有电子由源区经过沟道到达漏区，形成漏极电流 ，而且 与 成正比，对应特性曲线上的OA范围，这就是线性区。第17页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理3漏源电压漏源电压 对沟道形状的影响：过渡区对沟道形状的影响：过渡区（1）沟道中的压降与沟道截面积 在漏极电压 的作用下。沟道中沿沟道方向将产生压降。对图2.52所示的增强型NMOS晶体管，漏端接 正端，源端接地，因此沟道中压降是从漏端处的沿着沟道逐步变化到接地的源端。一般情况下，衬底与源端相连，因此P型衬底也处于接地的零电位。这样，对N型沟道和P型衬底之间的PN结，结上的偏置情况沿着沟道方向
9、发生变化。靠近源端处P门结为零偏，而在靠近漏端处的那部分PN结为反偏，因此，衬底和沟道之间的PN结在靠近源端和靠近漏端处的耗尽层宽度是不同的，靠近源端处的耗尽层宽度最窄，靠近漏端处最宽。这就导致沿着沟道方向，沟道的截面积也不相等，靠源湍处沟道的截面积最大，沿沟道方向逐步减小靠漏端处的沟道截面积最小。第18页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理(2)特性曲线上的过渡区 在 较小时，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象很不明显，这时的沟道相当于是一个截面积均匀的电阻，因此源漏电流 随 几乎是线性增加的，这就是上面讨论的图2.53所示特性曲线上OA那一段线性区范围。随着 的增加，沿沟道方向沟
10、道截面积不相等的现象逐步表现出来，如图2.54(b)所示。而且随着的增加，漏端处沟道和衬底之间的PN结耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大，使 随 增加的趋势减慢，偏离直线关系，对应图2.53所示特性曲线上B点附近那一段范围。第19页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理4沟道的夹断：饱和区沟道的夹断：饱和区 (1)沟道夹断 随着 的进一步增加，漏端沟道进一步变窄。当 增加到使漏端沟道截面积减小到零时，称为沟道“夹断”，如图2.54(c)所示，这时MOS晶体管的工作状态对应图2.53所示特性曲线上C点。(2)饱和区 出现夹断时的 称为饱和电压 ，记这时的电流为 ，如果 再增加，虽然 ，
11、由于这时漏端PN结耗尽层进一步扩大，如图2.54(d)所示，使有效沟道区中的压降仍保持为 ，因此通过沟道区的电流基本维持为 。由于 大于 后 基本保持不变，因此称这一区域为饱和区。当然，随着 的增大，夹断点逐步向源端移动，有效沟道长度 将会变小，其结果将使略有增加，这就是沟道长度调制效应。只要沟道长度较长，夹断后的 增加非常缓慢可以认为维持饱和。第20页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理5击穿区击穿区 如果 再继续增加，使漏端刚结反偏电压过大MOS晶体管进入击穿区。6MOS晶体管的直流特性和电路符号晶体管的直流特性和电路符号 (1)MOS晶体管道偏置条件总结上而的分析，栅源电压
12、是否达到 阈值电压决定MOS晶体管是否离开截止区。在MOS晶体管离开截止区后，再以漏源电压 是否大于夹断断电压 决定MOS晶体管是否进入饱和区。上述决定三个工作区的偏置条件如图2.55所示。(2)四种MOS晶体管的直流特性曲线和电路符号第21页，本讲稿共32页2.6.2 MOS晶体管工作原理(3)MOS晶体管转移特性 MOS晶体管直流转移特性描述的是饱和区中漏源电流 。随栅源电压 变化的情况。显然，由图2.53所示MOS晶体管直流输出特性曲线可以得到直流转移特性。为了便于比较图2.56同时给出四种MOS晶体管的转移特性曲线。图中与 对应的电压 即为阈值电压 ，相应的横坐标为 。第22页，本讲稿
13、共32页2.6.3 MOS晶体管直流伏安特性定性测量结果1截止区截止区 在 范围为截止区，漏源之间尚未形成沟道，因此2非饱和区（包括线性区和过渡区）非饱和区（包括线性区和过渡区）在 范围，漏源之间已形成沟道。对应于曲线上的非饱和区，分析可得该区域中的 表达式为式中，为沟道中电子迁移率；和 分别为沟道长和宽；为栅氧化层电容。也可以将 用参数KP表示，称为跨导参数，它是PSpice软件中的一个模型参数。第23页，本讲稿共32页2.6.3 MOS晶体管直流伏安特性定性测量结果3饱和区饱和区 ，对应于特性曲线上的饱和区。分析可以得到该区的 表达式为 如前所述，在饱和区，随着 的增加，沟道长度稍有减少。
14、上式中的L应该改为有效沟道长度 。若引入沟道长度调制系数 ，代表单位漏源电压引起的沟道长度的相对变化率。则得饱和区中的电流表达式为第24页，本讲稿共32页2.6.4 MOS晶体管的阈值电压 1MOS阈值电压的基本表达式 阈值电压 是表征MOS晶体管的重要性能参数。由器件物理得出：与栅极材料、栅绝缘层厚度、衬底掺杂浓度和半导体与一氧化硅界面的质量等因素有关。对NMOS晶体管，分析可得 (2.78)下面说明2.78式中各项的含义。(a)为“平带电压”。它表示由于栅极材料和衬底材料间的功函数差以及栅氧化层中固定正电荷的影响(与Si-SiO2界面和SiO2质量因素有关)而引起的电压偏移。式中，等于栅极
15、材料和衬底材料间的功函数差除以电子电荷；为氧化层固定表面电荷密度，一般情况下其大小为；为单位面积栅氧化层电容(简称MOS电容)。式中，为SiO2材料的介电常数；为SiO2厚度。第25页，本讲稿共32页2.6.4 MOS晶体管的阈值电压(b)(2.78)式中的 称为费米电势：式中，为衬底掺杂浓度。(c)(2.78)式中的 为体效应系数：根据上述有关参数值，即可按(2.78)式计算阈值电压。实际上，在PSpice软件中，阈值电压就是一个模型参数。第26页，本讲稿共32页2.6.4 MOS晶体管的阈值电压2阈值电压与衬底电压的关系阈值电压与衬底电压的关系 需要指出的是，若衬底和源极不直接相连，而是加
16、有偏压 ，阈值电压将发生变化。记衬底和源极直接相连时的阈值电压为 ，则加有 时的阈值电压 可表示为 (2.81)第27页，本讲稿共32页2.6.4 MOS晶体管的阈值电压l3阈值电压与沟道尺寸的关系阈值电压与沟道尺寸的关系l (2.78)式给出的阈值电压表达式与MOSFET的沟道长度L和宽度W无关。事实上，随着L和W的减小，与L和W有很强的依赖关系。随L的减小而减小，随W的减小而增大。这些都是由于短沟道和窄沟道效应引起的(本书不作分析)。通常讲的短沟道器件就是指沟道长度小于 的器件；而亚微米器件则是指L(W)1um的器件。(2.78)式仅适合长沟道MOS器件。第28页，本讲稿共32页2.6.5
17、 MOS晶体管特点 通过以上分析，可以得到以下几点结论：(1)MOSFET是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向沟道流动，因此其特性与沟道的横向尺寸L和W有很强的依赖关系；L越小，和 均越大，且集成度也越高，因此减小尺寸将有益于MOS特性提高，这是集成电路发展方向。目前沟道长度可以小得只有0.1微米左右。(2)MOSFET是多子器件，没有少数载流子复合和存储，因此器件速度较高。提高沟通中的载流子迁移率 有利于MOS晶体管特性的提高。从制造工艺考虑，制作增强型PMOS晶体管容易，而增强型NMOS晶体管受早期工艺条件所限，制作较困难，故早期以PM贴集成电路为主。由于电子迁移率比空穴迁移率高，NMO
18、S晶体管工作速度快。加之 扩散层的电阻率较 扩散层的低，有利于减小互连线条宽，提高集成度。因此随着工艺的改进和发展，NMOS集成电路已在很多地方取代了早期的PMOS集成电路。第29页，本讲稿共32页2.6.5 MOS晶体管特点(3)无论增强型或耗尽型MOS晶体管都是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。由于栅源极间有绝缘质二氧化硅的隔离，因此呈现纯电容件高输入阻抗。此外，正是由于MOS晶体管具有容件输入阻抗，所以可用来储存信息在存储电路设计中是十分重要的。(4)由于沟道和衬底之间构成PN结。为保证只在沟道中有电流流过，使用时必然使源区、漏区以及沟道区与衬底之间的PN结处于反偏。这样在同一衬底上
19、形成的多个MOS晶体管之间具有自隔离的效果。(5)随着工艺技术的不断进步，目前多用多晶硅取代金属铝作MOS晶体管栅电极材料。多晶硅较耐高温，可用作源、漏区扩散或离子注入的掩蔽，形成自对推结构，使器件尺寸减小，工艺简化。掺杂多晶硅又可用作内连线。这些优点使它在MOS大规模集成电路中起了重要作用。关于制造工艺技术将在第3章中讨论。第30页，本讲稿共32页2.6.7 硅栅MOS结构和自对准技术 l本节介绍的概念涉及集成电路工艺的知识，相关内容请参见第3章。l图2.58为标准铝栅MOS结构版图。考虑到工艺过程中光刻的对推误差要求栅氧化层和栅金属电极均要与源区和漏区有部分交叠。这样，将会产生较大的栅源和
20、栅漏覆盖电容和。为克服此缺点。出现了硅栅自对推技术。第31页，本讲稿共32页2.6.7 硅栅MOS结构和自对准技术1自对准工艺自对准工艺 如果在栅氧化层上采用多晶硅作为栅电极材料，在形成源漏区进行扩散或离子注入时栅材料能起到掩膜的作用，自动地保证了栅金属与源腮区的对准问题，此技术称为自对准工艺。图2.59为硅栅自对淮工艺的MOS结构版图和纵向剖面图，与图2.58相比，不存在栅和源漏的交叠区。2硅栅结构硅栅结构 目前在VLSI中，绝大部分的MOSFET均采用硅栅结构。由于实现了自对准，减小了栅极覆盖电容，使器件的频率特性和速度均比铝栅结构好。另外。还可以利用掺杂多品硅作为互连线，与通常的铝互连一起实现电路双层布线，有利于减小集成电路的芯片面积，提高集成度。第32页，本讲稿共32页