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1、微电子器件基础微电子器件基础第四章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 引言 所谓“MOS”指的仅是金属二氧化硅（SiO2）硅系统。更一般的术语是金属绝缘体半导体（MIS），其中的绝缘体不确定是二氧化硅，半导体也并非确定是硅。由于MIS系统有着类似的基本物理概念，在这一章里我们将始终探讨MOS系统。MOSFET的基本结构的基本结构4.1 双端双端MOS结构结构 MOSFET 的核心是金属氧化物半导体电容，的核心是金属氧化物半导体电容，其中的金属可以是铝或者一些其它的金属，但更通常其中的金属可以是铝或者一些其它的金属，但更通常的状况是在氧化物上面淀积高电导率的多晶硅；然而，的状况是在氧化物上面
2、淀积高电导率的多晶硅；然而，金属一词通常被延用下来。金属一词通常被延用下来。4.1.1 能带图能带图外加负栅压的MOS电容器的电场和电流 4.1.1 能带图能带图施加小的正偏栅压后的MOS电容器 4.1.1 能带图能带图p型衬底MOS电容器的能带图 4.1.1 能带图能带图n型衬底MOS电容器的能带图 4.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度 我们可以通过计算求出于氧化物半导体界面处的空间电荷区的宽度，我们可以通过计算求出于氧化物半导体界面处的空间电荷区的宽度，下图所示为下图所示为p型衬底半导体的空间电荷区示意图。型衬底半导体的空间电荷区示意图。4.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度4.1.2 耗尽层厚度耗
3、尽层厚度l上图示意了s=2fp时的能带图。表面处的费米能级远在本征费米能级之上而半导体内的费米能级则在本征费米能级之下。表面处的电子浓度等于体内的空穴浓度,这种状况称为阈值反型点,所加的电压称为阈值电压。假如栅压大于这个阈值，导带会稍微地向费米能级弯曲，但是表面处导带的变更只是栅压的函数。然而，表面电子浓度是表面势的指数函数。表面势每增加数伏特（kT/e），将使电子浓度以10的幂次方增加，但是空间电荷宽度的变更却是微弱的。在这种状况下，空间电荷区已经达到了最大值。4.1.3 功函数差功函数差 如图所示为零偏压下完整的金属氧化物半导体如图所示为零偏压下完整的金属氧化物半导体结构的能带图结构的能带
4、图 4.1.3 功函数差功函数差l假如我们把金属一侧的费米能级与半导体一侧的费米能级相加，可以得到：l上式还可以写成l其中：l它称为金属半导体功函数差。4.1.3 功函数差功函数差l掺杂多晶硅常常淀积在金属栅上，图a显示了具有n多晶硅栅和p型衬底的MOS电容的能带图。图b是p多晶硅栅和p型衬底的状况时的能带图。在掺杂多晶硅中，我们假设n的状况时EFEc，而p的状况时EFEv。4.1.4 平带电压平带电压平带电压的定义为使半导体内没有能带弯曲时所加的栅压，此时净空间电荷平带电压的定义为使半导体内没有能带弯曲时所加的栅压，此时净空间电荷为零。由于功函数差和在氧化物中可能存在的陷阱电荷，此时穿过氧化
5、物的为零。由于功函数差和在氧化物中可能存在的陷阱电荷，此时穿过氧化物的电压不确定为零。电压不确定为零。4.1.4 平带电压平带电压 在前面探讨中，我们已经隐含地假定了在氧化物中的净电荷密度为零。这种假设或许不成立通常为正值的净的固定电荷密度可能存在于绝缘体之中，这些正电荷与氧化物半导体界面处裂开或虚悬的共价键有关。在SiO2的热形成过程中，氧气穿过氧化物进行扩散并且在SiSiO2 界面处反应生成SiO2，硅原子也可以脱离硅而优先形成SiO2。当氧化过程结束后，过剩的硅原子会存在于界面旁边的栅氧化层中，从而导致存在虚悬的共价键。通常，氧化电荷的多少大约是氧化条件的函数，诸如氧化环境和温度等。可以
6、通过在氩气或氮气环境中对氧化物进行退火来变更这种电荷密度。4.1.5 阈值电压阈值电压MOSFET表面呈现强反型形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示VOX：栅电压：栅电压VG 着陆在着陆在 SiO2 绝缘层上的部分绝缘层上的部分VS ：栅电压栅电压VG 着陆在半导体表面的部分着陆在半导体表面的部分VFB：平带电压：平带电压4.1.5 阈值电压阈值电压强反型时的电荷分布强反型时的电荷分布 QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn：反型层中电子电荷面密度 QB：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB4.1.5 阈值电压阈值电压志向状态志向
7、状态MOSFET的阈值电压的阈值电压1.志向状态：志向状态：Qox0，Vms02.沟道形成时的临界状态：沟道形成时的临界状态：Qn04.出现强反型后：出现强反型后：xd xdmax4.1.5 阈值电压阈值电压志向假设条件下不考虑刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内Qn0 4.1.5 阈值电压阈值电压4.1.5 阈值电压阈值电压（4）衬偏电压VBS04.1.5 阈值电压阈值电压影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 （1）栅电容）栅电容Cox（2）接触电势）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响4.1.5 阈值电压阈值电压影响阈值电
8、压的因素影响阈值电压的因素（1）栅电容）栅电容Coxl选用较大介电系数的材选用较大介电系数的材料作栅介质膜料作栅介质膜l减小氧化层厚度减小氧化层厚度4.1.5 阈值电压阈值电压（2）接触电势）接触电势 尽量使得Vms=0 用硅栅工艺（用多晶硅作栅极）修正（由于金半之间有一层氧化层）PSiNSi00.30.60.9NBC 1010 1014 1018Al（n-Si)Al（p-Si)NMOS4.1.5 阈值电压阈值电压（3）衬底杂质浓度的影响）衬底杂质浓度的影响l费米势：l耗尽层电荷：lVms 1013 1017 cm-310510.01tox=100nmVTNMOSPMOS4.1.5 阈值电压阈
9、值电压（4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响NMOS：1）NA确定时，Qox VT （+0 ）2）当 时，NA 在1015cm-3 仍是VTn 1015cm-3，才形成EMOS所以，NMOS易形成耗尽型VT630-3-6 1011 1014 1017101110124.1.5 阈值电压阈值电压PMOS：lVTp始终小于0，为EMOSl欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅4.1.6 电荷分布电荷分布l栅氧化层界面处的反型层电子浓度（p型衬底）为ns=(ni2/Na)exp(s/Vt)。硅在T300K时的杂质掺杂浓
10、度为Na11016cm3，在阈值反型点的表面势为s=2p=0.695V。如我们从前探讨的那样，栅氧化层界面处的电子浓度为Ns11016cm3，下图所示为表面处电子浓度随着表面势的增加而增大的曲线。如前所述，表面势的很小变更就可以使电子浓度快速增加，从而使空间电荷宽度达到最大值。4.1.6 电荷分布电荷分布l当s2fp时，称为强反型，因为随着表面势的增加反型电荷密度快速增大，如图所示。4.2 电容电容-电压特性电压特性 MOS电容结构是MOSFET的核心。MOS器件和栅氧化层半导体界面处的大量信息可以从器件的电容电压的关系即CV特性曲线中得到。器件的电容定义为：其中dQ为板上电荷的微分变量，它是
11、穿过电容的电压的微分变量的函数。这时的电容是小信号或称ac变量，可通过在直流栅压上叠加一沟通小信号电压的方法测量出。因此，电容是直流栅压的函数 4.2.1 志向志向C-V特性特性 MOS电容有三种工作状态：即积累、耗尽和反型。图a是加负栅压的p型衬底MOS电容的能带图，在栅氧化层半导体界面处产生了空穴累积层。一个小的电压微分变更量将导致金属栅和空穴累积电荷的微分变量发生变更，如图b所示。这种电荷密度的微分变更发生在栅氧化层的边缘，就像平行板电容器中的那样。积累模式时MOS电容器的单位面积电容C就是栅氧化层电容，即4.2.1 志向志向C-V特性特性lp型衬底MOS电容器志向低频电容和栅压的函数关
12、系图 4.2.1 志向志向C-V特性特性ln型衬底MOS电容器志向低频电容和栅压的函数关系图 4.2.2 频率特性频率特性 能使反型层电荷密度变更的电子的来源有两处。一处来自通过空间电能使反型层电荷密度变更的电子的来源有两处。一处来自通过空间电荷区的荷区的p型衬底中的少子电子的扩散。此扩散过程与反偏型衬底中的少子电子的扩散。此扩散过程与反偏pn结中产生反向结中产生反向饱和电流的过程相同。另一处电子的来源是在空间电荷区中由热运动形成饱和电流的过程相同。另一处电子的来源是在空间电荷区中由热运动形成的电子空穴对。此过程与反偏的电子空穴对。此过程与反偏pn结中产生（反偏生成）电流的过程相同。结中产生（
13、反偏生成）电流的过程相同。反型层中的电子浓度不能瞬间发生变更，假如施加在反型层中的电子浓度不能瞬间发生变更，假如施加在MOS电容的沟通电容的沟通（ac）电压变更很快，反型层中电荷的变更将不会有所响应。因此，）电压变更很快，反型层中电荷的变更将不会有所响应。因此，CV特性是沟通信号频率的函数特性是沟通信号频率的函数。4.2.2 频率特性频率特性l p型衬底MOS电容器低频和高频电容和栅压的函数关系图 4.2.3 固定栅氧化层和界面电荷效应固定栅氧化层和界面电荷效应 到现在为止我们关于到现在为止我们关于CV特性的全部探讨，都假设志向氧化层中不含有特性的全部探讨，都假设志向氧化层中不含有固定的栅氧化
14、层电荷或氧化层半导体界面电荷。这两种电荷将会变更固定的栅氧化层电荷或氧化层半导体界面电荷。这两种电荷将会变更CV特性曲线。特性曲线。通常，受主态存在于能带的上半部分，而施主态存在于能带的下半部分。通常，受主态存在于能带的上半部分，而施主态存在于能带的下半部分。若费米能级低于受主态，那么受主态是中性的，一旦费米能级位于其上时它若费米能级低于受主态，那么受主态是中性的，一旦费米能级位于其上时它将是负电性的。若费米能级高于施主态，那么施主态是中性的，一旦费米能将是负电性的。若费米能级高于施主态，那么施主态是中性的，一旦费米能级位于其下时它将是正电性的。因此界面电荷是级位于其下时它将是正电性的。因此界
15、面电荷是MOS电容器栅压的函数。电容器栅压的函数。界面处的净电荷由正变负是由于栅压扫过了堆（累）积、耗尽和反型模式。界面处的净电荷由正变负是由于栅压扫过了堆（累）积、耗尽和反型模式。可以看出由于固定氧化层电荷的存在可以看出由于固定氧化层电荷的存在CV曲线向负栅压方向移动。当界面态曲线向负栅压方向移动。当界面态出现时，随着栅压的扫描平移的大小和方向均发生了变更，这是因为界面陷出现时，随着栅压的扫描平移的大小和方向均发生了变更，这是因为界面陷阱电荷的数量和正负变更了。阱电荷的数量和正负变更了。CV曲线变得平滑了，如下图所示。曲线变得平滑了，如下图所示。4.2.3 固定栅氧化层和界面电荷效应固定栅氧
16、化层和界面电荷效应4.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理 MOS场效应晶体管的电流之所以存在，是由于电荷在反型层或者与氧化层半导体界面相邻的沟道区中流淌形成的。我们已经探讨了增加型MOS电容中反型层电荷的形成机理。还可以制造出耗尽型的器件，这种器件在零栅压时沟道就已经存在了。4.4.1 MOSFET的基本结构的基本结构主要的结构参数：L,W,tox,NA.4.4.2 电流电压关系电流电压关系概念概念-SGD-xyzLWN N+N N+P P衬底衬底tOXVDVG4.4.2 电流电压关系电流电压关系概念概念4.4.3 电流电压关系电流电压关系数学推演数学推演*在分析前，要做下列假设：l沟道
17、中的电流是由漂移而非扩散产生。l栅氧化层中无电流。l利用缓变沟道近似，这个近似意味着Ex为一常数。l任何固定氧化层电荷等价于在氧化层半导体界面处的电荷密度。l沟道中载流子迁移率为常数。4.4.3 电流电压关系电流电压关系数学推演数学推演*如下图所示，图（如下图所示，图（a）为沿沟道）为沿沟道x点处的电势（点处的电势（b）为）为x点处点处MOS结构能带图结构能带图推导可知：推导可知：4.4.4 跨导跨导l假如我们考虑工作在非饱和区的n沟MOSFET，可得：l在非饱和区，跨导随VDS线性变更，而与VGS无关。l工作于饱和区的n沟MOSFET的IV特性由下式给出。l这时的跨导为：l在饱和区，跨导随V
18、GS线性变更，而与VDS无关。l跨导是器件结构、载流子迁移率和阈值电压的函数。随着器件沟道宽度的增加、沟道长度的增加或氧化层厚度的减小，跨导都会增大。在MOSFET电路设计中，晶体管的尺寸，尤其是沟道宽度W，是一个重要的工程设计参数。4.4.5 衬底偏置效应衬底偏置效应 当在反偏源衬底结上施加一个电压时，氧化层下的空间电荷宽度从初始值当在反偏源衬底结上施加一个电压时，氧化层下的空间电荷宽度从初始值xdT起先增加。当起先增加。当VSB0时，有更多的电荷与此区有关。考虑到时，有更多的电荷与此区有关。考虑到MOS结构的电荷结构的电荷中性条件，金属栅上的正电荷必需增多以补偿负空间电荷的增多，从而达到阈
19、值中性条件，金属栅上的正电荷必需增多以补偿负空间电荷的增多，从而达到阈值反型点。因此当反型点。因此当VSB0时，时，n沟沟MOSFET的阈值电压增加。的阈值电压增加。4.4 频率特性频率特性 在很多实际应用中，MOSFET被用于线性放大电路。用MOSFET的小信号等效电路可以数学上对电子电路进行分析。等效电路包括产生频率效应的电容和电阻。我们首先说明小信号等效电路，然后探讨限制MOSFET频率响应的物理因素。还要定义晶体管截止频率并推导出其表达式。4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路 沟沟通通小小信信号号下下MOSFET的的工工作作特特点点4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路（1）电流
20、方程）电流方程输入端：输入端：输出端输出端：DGSRLVDSVGS4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路（2）本征等效电路）本征等效电路Rgs=2/5 Ron1/gd =rd本征等效电路GDS4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路（3）实际等效电路）实际等效电路RS：源极串联电阻：源极串联电阻RD：漏极串联电阻：漏极串联电阻Cgs：栅源寄生电容：栅源寄生电容Cgd：栅漏寄生电容：栅漏寄生电容CDS：漏极和衬底之间寄生电容：漏极和衬底之间寄生电容4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路1、跨导截止频率跨导截止频率（1）高频跨导）高频跨导gm()电流变更量相同：电流变更量相同：GDS4.4.1
21、 小信号等效电路小信号等效电路1、跨导截止频率跨导截止频率（2）跨导截止频率）跨导截止频率：4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路2、截止频率、截止频率fT流过流过Cgs的电流沟通短路输出电流时的频率的电流沟通短路输出电流时的频率寄生电容的影响：寄生电容的影响：fT会降低会降低总输入电容总输入电容4.4.1 小信号等效电路小信号等效电路3、提高截止频率的措施、提高截止频率的措施L降低，可缩短沟道渡越时间降低，可缩短沟道渡越时间增大，选择增大，选择高的材料，工艺用高的材料，工艺用NMOS削减界面态、表面态削减界面态、表面态 接受埋沟器件，避开表面散射的影响接受埋沟器件，避开表面散射的影响减小寄
22、生电容减小寄生电容4.4.2 频率限制因素与截止频率频率限制因素与截止频率 在在MOSFET中有两个基本的频率限制因素。第一个因素为中有两个基本的频率限制因素。第一个因素为沟道输运时间。假如我们假设载流子在其饱和漂移速度沟道输运时间。假如我们假设载流子在其饱和漂移速度Vsat下行进，那么输运时间为下行进，那么输运时间为tL/Vsat，其中，其中L为沟道长度。若为沟道长度。若Vsat107cm/s，L1m，则，则t10ps，它可以转换为最大，它可以转换为最大频率，即频率，即100GHz。这个频率比。这个频率比MOSFET的典型最大频率响应的典型最大频率响应还要大。载流子通过沟道的输运时间通常不是
23、还要大。载流子通过沟道的输运时间通常不是MOSFET频率频率响应的限制因素。另一个因素为栅或电容充电时间。假如忽响应的限制因素。另一个因素为栅或电容充电时间。假如忽视视rs、rd、rds和和Cds，得到的等效小信号电路如图所示，其，得到的等效小信号电路如图所示，其中中RL为负载电阻。为负载电阻。4.5 CMOS技术技术 在集成电路中为了构成在集成电路中为了构成n沟和沟和p沟晶体管，形成沟晶体管，形成p衬底和衬底和n衬衬底区的绝缘是必需的。底区的绝缘是必需的。p阱工艺在阱工艺在CMOS电路中是一种常用的电路中是一种常用的技术。在这种工艺中，首先要有一个很低浓度的技术。在这种工艺中，首先要有一个很
24、低浓度的n型硅衬底，型硅衬底，以容纳以容纳p沟沟MOSFET。再在。再在p型扩散区，即所谓的型扩散区，即所谓的p阱中生成阱中生成n沟沟MOSFET。通常，。通常，p型衬底的掺杂浓度必需大于型衬底的掺杂浓度必需大于n型衬底的型衬底的掺杂浓度，才能得到希望的阈值电压。更大的掺杂浓度，才能得到希望的阈值电压。更大的p型掺杂能够较型掺杂能够较简洁地补偿初始简洁地补偿初始n型掺杂，从而形成型掺杂，从而形成p阱。阱。4.6 小结小结l这一章探讨了金属氧化物半导体场效应晶体管（这一章探讨了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的基）的基本物理结构和特性。本物理结构和特性。lMOSFET的核心为的核心为
25、MOS电容器。与氧化层半导体界面相邻的半导体电容器。与氧化层半导体界面相邻的半导体能带是弯曲的，它由加在能带是弯曲的，它由加在MOS电容器上的电压确定。表面处导带和价电容器上的电压确定。表面处导带和价带相对于费米能级的位置是带相对于费米能级的位置是MOS电容器电压的函数。电容器电压的函数。l氧化层半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由氧化层半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由p型到型到n型型发生反型，或者通过施加负偏栅压由发生反型，或者通过施加负偏栅压由n型到型到p型发生反型。因此，在与型发生反型。因此，在与氧化层相邻处产生了反型层流淌电荷。基本氧化层相邻处产生了反型层流淌电荷。
26、基本MOS场效应原理是由反型场效应原理是由反型层电荷密度的调制作用体现的。层电荷密度的调制作用体现的。l探讨了探讨了MOS电容器的电容器的CV特性。例如，等价氧化层陷阱电荷密度和界特性。例如，等价氧化层陷阱电荷密度和界面态密度可由面态密度可由CV测量方法确定。测量方法确定。l两类基本的两类基本的MOSFET为为n沟和沟和p沟，沟，n沟中的电流是由于反型层电子的流沟中的电流是由于反型层电子的流淌，淌，p沟中的电流是由于反型层空穴的流淌。这两类器件都可以是增加沟中的电流是由于反型层空穴的流淌。这两类器件都可以是增加型的，此时在通常状况下器件是型的，此时在通常状况下器件是“关关”的，需施加一个栅压才
27、能使器件开的，需施加一个栅压才能使器件开启；也都可以是耗尽型的，此时在通常状况下器件是启；也都可以是耗尽型的，此时在通常状况下器件是“开开”的，需施加一的，需施加一个栅压才能使器件关闭。个栅压才能使器件关闭。l平带电压为满足平带条件时所加的栅压，这时导带和价带不发生弯曲，平带电压为满足平带条件时所加的栅压，这时导带和价带不发生弯曲，并且半导体中没有空间电荷区。平带电压是金属氧化层势垒高度、半并且半导体中没有空间电荷区。平带电压是金属氧化层势垒高度、半导体氧化层势垒高度以及固定氧化层陷阱电荷数量的函数。导体氧化层势垒高度以及固定氧化层陷阱电荷数量的函数。l阈值电压是指达到阈值反型点时所加的栅压，
28、此时反型层电荷密度在大阈值电压是指达到阈值反型点时所加的栅压，此时反型层电荷密度在大小上等于半导体掺杂浓度。阈值电压是平带电压、半导体掺杂浓度和氧小上等于半导体掺杂浓度。阈值电压是平带电压、半导体掺杂浓度和氧化层厚度的函数。化层厚度的函数。lMOSFET中的电流是由于源漏之间反型层载流子的流淌。反型层电荷中的电流是由于源漏之间反型层载流子的流淌。反型层电荷密度和沟道电导由栅压限制，这意味着沟道电流也被栅压限制。密度和沟道电导由栅压限制，这意味着沟道电流也被栅压限制。l当晶体管偏置在非饱和区（当晶体管偏置在非饱和区（VDSVDS(sat)）时，反型电荷密度在漏端旁边被夹）时，反型电荷密度在漏端旁
29、边被夹断，此时志向漏电流仅是栅压电压的函数。断，此时志向漏电流仅是栅压电压的函数。l事实上事实上MOSFET是一个四端器件，衬底或体为第四端。随着反偏源是一个四端器件，衬底或体为第四端。随着反偏源衬底电压的增加，阈值电压增大。在源端和衬底不存在电学连接的集成衬底电压的增加，阈值电压增大。在源端和衬底不存在电学连接的集成电路中衬底偏置效应变得很重要。电路中衬底偏置效应变得很重要。l探讨了含有电容的探讨了含有电容的MOSFET小信号等效电路。考虑了影响频率限制的小信号等效电路。考虑了影响频率限制的MOSFET的一些物理因素。特殊地，由于米勒效应，漏端交叠电容成的一些物理因素。特殊地，由于米勒效应，
30、漏端交叠电容成为为MOSFET频率响应的一个限制因素。作为器件频率响应的一个特点，频率响应的一个限制因素。作为器件频率响应的一个特点，截止频率是反比于沟道长度的，因此，沟道长度的减小将导致截止频率是反比于沟道长度的，因此，沟道长度的减小将导致MOSFET频率性能的提高。频率性能的提高。l简要探讨了简要探讨了n沟和沟和p沟器件制作在同一块芯片上的沟器件制作在同一块芯片上的CMOS技术。被电学技术。被电学绝缘的绝缘的p型和型和n型衬底区是容纳两类晶体管的必要条件。有不同的工艺型衬底区是容纳两类晶体管的必要条件。有不同的工艺来实现这一结构。来实现这一结构。CMOS结构中遇到的一个潜在问题是闩锁现象，即可结构中遇到的一个潜在问题是闩锁现象，即可能发生在四层能发生在四层pnpn结构中的高电流、低电压状况。结构中的高电流、低电压状况。习题1.考虑一个tOX=450A的铝栅-二氧化硅-p型硅MOS结构。硅掺杂浓度为Na=21016cm-3，平带电压为VFB=-1.0V。确定固定氧化层电荷Qss2.一个志向MOS电容器由本征硅和n+多晶硅栅制成。（a）绘出达到平带条件时MOS结构的能带图。（b）绘出低频时栅压从负到正范围的C-V特征曲线。4.考虑一个p沟MOSFET，tOX=600A，Nd=5 1015cm-3。求体-源电压VBS，其中VBS=0曲线上的VT=-1.5V。