MOS场效应管的特性.ppt
集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础第五章第五章 MOS 场效应管的特性场效应管的特性华南理工大学华南理工大学华南理工大学华南理工大学 电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥 教授教授教授教授第五章第五章 MOS 场效应管的特性场效应管的特性5.1 MOS场效应管场效应管 5.2 MOS管的阈值电压管的阈值电压5.3 体效应体效应 MOSFET的温度特性的温度特性 5.5 MOSFET的噪声的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应25.1 MOS场效应管场效应管5.1.1 MOS管伏安特性的推导管伏安特性的推导两个两个PN结结：1）N型漏极与型漏极与P型衬底；型衬底；2）N型源极与型源极与P型衬底。型衬底。同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PN 结结 一样，一样，在结周围由于载流在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。衡，而产生了耗尽层。一个电容器结构一个电容器结构 栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是MOS管的核心。管的核心。3MOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数栅长栅长:L栅宽栅宽:W氧化层厚度氧化层厚度:tox4MOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数Lmin、Wmin和和 tox 由工艺确定由工艺确定Lmin：MOS工艺的特征尺寸工艺的特征尺寸(feature size)决定决定MOSFET的速度的速度和和功耗等众多特性功耗等众多特性L和和W由设计者选定由设计者选定通常通常选取选取L=Lmin，由此，由此，设计者设计者只需选取只需选取WW影响影响MOSFET的速度的速度，决定电路驱动能力和决定电路驱动能力和功耗功耗5MOSFET的伏安特性的伏安特性:电容结构电容结构当当栅栅极极不不加加电电压压或或加加负负电电压压时时，栅栅极极下下面面的的区区域域保保持持P型型导导电电类类型型，漏漏和和源源之之间间等等效效于于一一对对背背靠靠背背的的二二极极管管，当当漏漏源源电电极极之之间间加加上上电电压压时时，除除了了PN结结的的漏漏电电流流之之外外，不不会会有有更更多多电流形成。电流形成。当当栅栅极极上上的的正正电电压压不不断断升升高高时时，P型型区区内内的的空空穴穴被被不不断断地地排排斥斥到到衬衬底底方方向向。当当栅栅极极上上的的电电压压超超过过阈阈值值电电压压VT，在在栅栅极极下下的的P型型区区域域内内就就形形成成电电子子分分布布，建建立立起起反反型型层层，即即N型型层层，把把同同为为N型型的的源源、漏漏扩扩散散区区连连成成一一体体，形形成成从从漏漏极极到到源源极极的的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷Q为，为，Q=CVge式中式中Vge是栅极有效控制电压。是栅极有效控制电压。6非饱和时非饱和时（沟道未夹断）（沟道未夹断），在漏源电压，在漏源电压Vds作用下，这作用下，这些电荷些电荷Q将在将在 时间内通过沟道，因此有时间内通过沟道，因此有7 为载流子速度，为载流子速度，Eds=Vds/L为漏到源方向电场强度，为漏到源方向电场强度，Vds为漏为漏到源电压。到源电压。为为载流子迁移率：载流子迁移率：n n=650 cm2/(V.s)电子迁移率电子迁移率(NMOS)n p=240 cm2/(V.s)空穴迁移率空穴迁移率(PMOS)电荷在沟道中的渡越时间电荷在沟道中的渡越时间MOSFET的伏安特性方程的伏安特性方程非饱和情况下，通过非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流管漏源间的电流Ids为：为：8e=.0 栅极栅极-沟道间氧化层介电常数沟道间氧化层介电常数,=4.5,0.10-11 C.V-1.m-1Vge：栅级对衬底的有效控制电压栅级对衬底的有效控制电压9当当Vgs-VT=Vds时，满足时，满足:Ids达到最大值达到最大值Idsmax，其值为，其值为 Vgs-VT=Vds，意意味味着着近近漏漏端端的的栅栅极极有有效效控控制制电电压压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT=Vgd-VT=0感感应应电电荷荷为为0，沟沟道道夹夹断断，电电流流不不会会再再增增大大，因因而而，这个这个 Idsmax 就是就是饱和电流饱和电流。MOSFET饱和特性饱和特性MOSFET特性曲线特性曲线在非饱和区在非饱和区 饱和区饱和区 (Ids 与与 Vds无关无关).MOSFET是是平方律平方律器件器件!105.1.2 MOSFET电容的组成电容的组成MOSMOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：在在栅栅极极电电极极下下面面有有一一层层SiOSiO2 2介介质质。SiOSiO2 2下下面面是是P P型型衬衬底底，最最后后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。MOSMOS电容与外加电压有关。电容与外加电压有关。1）当当V Vgsgs00时时，栅栅极极上上的的正正电电荷荷排排斥斥了了Si中中的的空空穴穴，在在栅极下面的栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。表面上，形成了一个耗尽区。耗耗尽尽区区中中没没有有可可以以自自由由活活动动的的载载流流子子，只只有有空空穴穴被被赶赶走走后后剩剩下下的的固固定定的的负负电电荷荷。这这些些束束缚缚电电荷荷是是分分布布在在厚厚度度为为Xp的的整整个个耗耗尽尽区区内内，而而栅栅极极上上的的正正电电荷荷则则集集中中在在栅栅极极表表面面。这这说明了说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。电容器可以看成两个电容器的串联。l以以SiO2为介质的电容器为介质的电容器Coxl以耗尽层为介质的电容器以耗尽层为介质的电容器CSi 总电容总电容C为为:比原来的比原来的Cox要小些。要小些。12MOS电容电容束缚电荷层厚度束缚电荷层厚度耗耗尽尽层层电电容容的的计计算算方方法法同同PN结结的的耗耗尽尽层层电电容容的的计计算算方方法法相相同，利用泊松公式同，利用泊松公式式式中中NA是是P型型衬衬底底中中的的掺掺杂杂浓浓度度，将将上上式式积积分分得得耗耗尽尽区区上上的的电位差电位差 ：从而得出从而得出束缚电荷层厚度束缚电荷层厚度13MOS电容电容 耗尽层电容耗尽层电容是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。14在耗尽层中束缚电荷的总量为在耗尽层中束缚电荷的总量为是耗尽层两侧电位差是耗尽层两侧电位差 的函数，耗尽层电容为的函数，耗尽层电容为MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性随随着着Vgs的的增增大大，排排斥斥掉掉更更多多的的空空穴穴，耗耗尽尽层层厚厚度度Xp增增大大，耗耗尽尽层层上上的的电电压压降降 就就增增大大，因因而而耗耗尽尽层层电电容容CSi就就减减小小。耗耗尽尽层层上上的的电电压压降降的的增增大大，实实际际上上就就意意味味着着Si表表面面电电位位势势垒垒的的下下降降，意意味味着着Si表表面面能级的下降。能级的下降。一一旦旦Si表表面面能能级级下下降降到到P型型衬衬底底的的费费米米能能级级，Si表表面面的的半半导导体体呈呈中中性性。这这时时，在在Si表表面面，电电子子浓浓度度与空穴浓度与空穴浓度相等相等，成为本征半导体。，成为本征半导体。15MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性(续续)3）若若Vgs再再增增大大，排排斥斥掉掉更更多多的的空空穴穴，吸吸引引了了更更多多的的电电子子，使使得得Si表表面面电电位位下下降降，能能级级下下降降，达达到到低低于于P型型衬衬底底的的费费米米能能级级。这这时时，Si表表面面的的电电子子浓浓度度超超过过了了空空穴穴的的浓浓度度，半半导导体体呈呈N型型，这这就就是是反反型型层层。不不过过，它它只只是是一一种种弱弱反反型型层层。因因为为这这时时电电子子的的浓浓度度还还低低于于原原来空穴的浓度。来空穴的浓度。随随着着反反型型层层的的形形成成，来来自自栅栅极极正正电电荷荷发发出出的的电电力力线线，已已部部分分地地落落在在这这些些电电子子上上，耗耗尽尽层层厚厚度度的的增增加就加就减慢减慢了，相应的了，相应的MOS电容电容CSi的减小也减慢了的减小也减慢了。16174）当当Vgs增增加加，达达到到VT值值，Si表表面面电电位位的的下下降降，能能级级下下降降已已达达到到P型型衬衬底底的的费费米米能能级级与与本本征征半半导导体体能能级级差差的的二二倍倍。它它不不仅仅抵抵消消了了空空穴穴，成成为为本本征征半半导导体体，而而且且在在形形成成的的反反型型层层中中，电电子子浓浓度度已已达达到到原原先先的的空空穴穴浓浓度度这这样样的的反反型型层层就就是是强强反反型型层层。显显然然，耗耗尽尽层层厚度不再增加，厚度不再增加，CSi也不再减小。这样，也不再减小。这样，就达到最小值就达到最小值Cmin。最小的最小的CSi是由最大的耗尽层厚度是由最大的耗尽层厚度Xpmax计算出来的。计算出来的。MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性(续续)MOS电容电容凹谷特性凹谷特性5）当当Vgs继继续续增增大大，反反型型层层中中电电子子的的浓浓度度增增加加，来来自自栅栅极极正正电电荷荷的的电电力力线线，部部分分落落在在这这些些电电子子上上，落落在在耗耗尽尽层层束束缚缚电电子子上上的的电电力力线线数数目目就就有有所所减减少少。耗耗尽尽层层电电容容将将增增大大。两两个个电电容容串串联联后后，C将将增增加加。当当Vgs足足够够大大时时，反反型型层层中中的的电电子子浓浓度度已已大大到到能能起起到到屏屏蔽蔽作作用用，全全部部的的电电力力线线落落在在电电子子上上。这这时时，反反型型层层中中的的电电子子将将成成为为一一种种镜镜面面反反射射，感感应应全全部部负负电电荷荷，于于是是，C=Cox。电电容容曲曲线线出出现现了了凹凹谷谷形，如图形，如图。必必须须指指出出，上上述述讨讨论论未未考考虑虑到到反反型型层层中中的的电电子子是是哪哪里里来来的的。若若该该MOS电电容容是是一一个个孤孤立立的的电电容容，这这些些电电子子只只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。级。18MOS电容电容凹谷特性测量凹谷特性测量若若测测量量电电容容的的方方法法是是逐逐点点测测量量法法一一种种慢慢进进程程，那那么么将测量到这种凹谷曲线。将测量到这种凹谷曲线。19MOS电容电容凹谷特性测量凹谷特性测量若若测测量量电电容容采采用用高高频频方方法法，譬譬如如，扫扫频频方方法法，电电压压变变化化很很快快。共共价价键键就就来来不不及及瓦瓦解解，反反型型层层就就无无法法及及时形成，于是，电容曲线就回到时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。值。然然而而，在在大大部部分分场场合合，MOS电电容容与与n+区区接接在在一一起起，有有大大量量的的电电子子来来源源，反反型型层层可可以以很很快快形形成成，故故不不论论测测量量频频率率多多高高，电电压压变变化化多多快快，电电容容曲曲线线都都呈呈凹凹谷谷形。形。205.1.3 MOS电容电容的计算的计算MOS电容电容C仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的电容电容Cg，Cs 和和Cd。MOS电容电容C对对Cg，Cd有所贡献。在源极和衬底有所贡献。在源极和衬底之间有结电容之间有结电容Csb，在漏极和衬底之间也有结电容在漏极和衬底之间也有结电容Cdb。另外，源极耗尽区、漏极另外，源极耗尽区、漏极耗尽区都渗进到栅极下面的耗尽区都渗进到栅极下面的区域。栅极与漏极扩散区，区域。栅极与漏极扩散区，栅极与源极扩散区都存在着栅极与源极扩散区都存在着某些交迭，故客观上存在着某些交迭，故客观上存在着Cgs和和Cgd。当然，引出线之当然，引出线之间还有杂散电容，可以计入间还有杂散电容，可以计入Cgs和和Cgd。21MOS电容的计算电容的计算Cg、Cd的值还与所加的电压有关的值还与所加的电压有关:1）若若VgsVT，沟沟道道建建立立，MOS管管导导通通。MOS电电容容是是变变化化的的，呈呈凹凹谷谷状状，从从Cox下下降降到到最最低低点点，又又回回到到Cox。这这时时，MOS电电容容C对对Cg，Cd都都有有贡贡献献，它它们们的的分分配配取取决决于于MOS管管的的工工作状态。作状态。22MOS电容的计算电容的计算若处于若处于非饱和状态非饱和状态，则按，则按1/3与与2/3分配，即分配，即Cg=Cgs+2/3CCd=Cdb+1/3C 因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为 由由Vgs和和Vds的系数可知栅极电压的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的影响对栅极电荷的影响力，与漏极电压力，与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为对栅极电荷的影响力为2:1的关系，的关系，故贡献将分别为故贡献将分别为 2/3与与1/3。23MOS电容的计算电容的计算(续续)24n若处于若处于饱和饱和状态，则状态，则表明沟道电荷已与表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么，无关，沟道已夹断。那么，在在饱饱和和状状态态下下，沟沟道道长长度度受受到到Vds的的调调制制，有有效效沟沟道道长度长度L-L变小变小MOS电容的计算电容的计算(续续)当当Vds增增加加时时，漏漏端端夹夹断断区区耗耗尽尽层层长长度度L 增增大大，Ids增增加加，那那是是因因为为载载流流子子速速度度增增加加了了，它它与与C的的分分配配无无关关。然然而而，L 的的增增大大使使得得漏漏极极耗耗尽尽层层宽宽度度有有所所增增加加，增大了结电容。故，增大了结电容。故，Cg=Cgs+2/3C Cd=Cdb+0+Cdb2526Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea(sub.)5269378325108aF/um2Area(poly)541811aF/um2Area(M1)46 17aF/um2Area(M2)49aF/um2Area(N+act.)3599aF/um2Area(P+act.)3415aF/um2Fringe(sub.)249261aF/um深亚微米深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容工艺的寄生电容(数据数据)27Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology深亚微米深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容工艺的寄生电容5.2 MOSFET的阈值电压的阈值电压VT阈值电压是阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按器件的一个重要参数。按MOS沟道随沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两种类型的种类型的MOS器件：器件：l耗耗尽尽型型(Depletion)：沟沟道道在在Vgs=0时时已已经经存存在在。当当Vgs“负负”到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。l增增强强型型(Enhancement)：在在正正常常情情况况下下它它是是截截止止的的，只只有有当当Vgs“正正”到一定程度，才会导通，故用作开关。到一定程度，才会导通，故用作开关。2829=概概念念上上讲讲,VT就就是是将将栅栅极极下下面面的的Si表表面面从从P型型Si变变为为N型型Si所所必必要要的的电电压压。它它由由两两个个分分量量组组成成,即即:VT=Us+Vox=Us:Si表面电位表面电位;=Vox:SiO2层上的压降。层上的压降。VT的组成的组成Us 的计算的计算将将栅栅极极下下面面的的Si表表面面从从P/N型型Si变变为为N/P型型Si所所必必要要的的电电压压Us 与衬底浓度与衬底浓度Na有关。有关。在在半半导导体体理理论论中中，P型型半半导导体体的的费费米米能能级级是是靠靠近近满满带带的的，而而N型型半半导导体体的的费费米米能能级级则则是是靠靠近近导导带带的的。要要想想把把P型型变变为为N型型，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。外加电压必须补偿这两个费米能级之差。30Vox的计算的计算Vox根根据据从从金金属属到到氧氧化化物物到到SiSi衬衬底底XmXm处处的的电电场场分分布布曲曲线线导出导出:3132在工艺环境确定后，在工艺环境确定后，MOS管的阈值电压管的阈值电压VT主要决定主要决定 1.衬底的掺杂浓度衬底的掺杂浓度Na。2.CoxVT的理想计算公式的理想计算公式5.3 MOSFET的体效应的体效应前前面面的的推推导导都都假假设设源源极极和和衬衬底底都都接接地地，认认为为Vgs是是加加在在栅栅极极与与衬衬底底之之间间的的。实实际际上上，在在许许多多场场合合，源源极极与与衬衬底底并并不不连连接接在在一一起起。通通常常，衬衬底底是是接接地地的的，但但源源极极未未必必接接地地,源源极极不不接接地地时时对对VT值值的的影影响响称称为为体体效效应应(Body Effect)。33阈值电压随源极阈值电压随源极-衬底电压的变化衬底电压的变化34某一某一CMOS工艺条件下，工艺条件下，NMOS阈值阈值电压随源极电压随源极-衬底电压的变化曲线衬底电压的变化曲线35MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈和阈值电压值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是：本特征是：T 由于由于 所以，所以，T gm 阈值电压阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小：的绝对值同样是随温度的升高而减小：T VTVT(T)(2 4)mV/C VT 的变化的变化还还与衬底的杂质浓度与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚和氧化层的厚 度度tox有关：有关：(Ni ,tox)VT(T)5.4 MOSFET的温度特性的温度特性36MOSFET的噪声来源主要由两部分：的噪声来源主要由两部分：n 热噪声热噪声(thermal noise)n 闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise，1/f-noise)5.5 MOSFET的噪声的噪声37热噪声热噪声n是由沟道内载流子的无规则热运动造成是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的，通过沟道电阻的，通过沟道电阻生成热噪声电压生成热噪声电压 veg(T，t)，其等效电压值可近似表达为其等效电压值可近似表达为 f为所研究的频带宽度为所研究的频带宽度,T是绝对温度是绝对温度.n设设MOS模拟电路工作在饱和区模拟电路工作在饱和区,gm可写为可写为结论：结论：增加增加MOS的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声38闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise，1/f-noise)形成机理：形成机理：沟沟道处道处SiO2与与Si界面上电子的充放电界面上电子的充放电闪烁噪声的等效电压值闪烁噪声的等效电压值系数系数K2典型值为典型值为3 1024V2F/Hz。因为因为 1，所以闪烁噪声被称之为，所以闪烁噪声被称之为1/f 噪声噪声。1)时时,电路指标变化电路指标变化:50MOSFET特征尺寸按特征尺寸按(1)缩减的优点缩减的优点电路密度增加电路密度增加 2倍倍 VLSI,ULSI功耗降低功耗降低 2倍倍 器件时延降低器件时延降低 倍倍 器件速率提高器件速率提高 倍倍线路上的延迟不变线路上的延迟不变优值增加优值增加 2倍倍 这就是为什么人们把这就是为什么人们把MOS工艺的特征尺寸做得一小工艺的特征尺寸做得一小再小，使得再小，使得MOS电路规模越来越大，电路规模越来越大，MOS电路速率越电路速率越来越高的重要原因。来越高的重要原因。515.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应随随着着MOS工工艺艺向向着着亚亚微微米米、深深亚亚微微米米的的方方向向发发展展，采采用用简简化化的的、只只考考虑虑一一阶阶效效应应的的MOS器器件件模模型型来来进进行行电电路路模模拟拟，已经不能满足精度要求。此时必须考虑二阶效应。已经不能满足精度要求。此时必须考虑二阶效应。二阶效应出于两种原因：二阶效应出于两种原因：1)当当器器件件尺尺寸寸缩缩小小时时，电电源源电电压压还还得得保保持持为为5V，于于是是，平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。2)当当管管子子尺尺寸寸很很小小时时，这这些些小小管管子子的的边边缘缘相相互互靠靠在在一一起起，产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。下面具体讨论二阶效应在各方面的表现。下面具体讨论二阶效应在各方面的表现。525.7.1 L和和W的变化的变化在在一一阶阶理理论论的的设设计计方方法法中中，总总认认为为L、W是是同同步步缩缩减减的的，是是可可以以严严格格控控制制的的。事事实实并并非非如如此此，真真正正器器件件中中的的L、W并并不不是是原原先先版版图图上上所所定定义义的的L、W。原原因因之之一一在在于于制制造造误误差差，如如右右图图所所示示；原原因因之之二二是是L、W定定义义本身就不确切，不符合实际情况。本身就不确切，不符合实际情况。53 L和和W的变化的变化(续续)通通常常，在在IC中中各各晶晶体体管管之之间间是是由由场场氧氧化化区区（field oxide）来来隔隔离离的的。在在版版图图中中，凡凡是是没没有有管管子子的的地地方方，一一般般都都是是场场区区。场场是是由由一一层层很很厚厚的的SiO2形形成成的的。多多晶晶硅硅或或铝铝线线在在场场氧氧化化区区上上面面穿穿过过，会会不会产生寄生不会产生寄生MOS管呢？不会的。因为管呢？不会的。因为MOS管的开启电压为管的开启电压为 对对于于IC中中的的MOS管管，SiO2层层很很薄薄，Cox较较大大，VT较较小小。对对于于场场区区，SiO2层层很很厚厚，Cox很很小小，电电容容上上的的压压降降很很大大，使使得得这这个个场场区区的的寄寄生生MOS管管的的开开启启电电压压远远远远大大于于电电源源电电压压，即即VTFVDD。这这里寄生的里寄生的MOS管永远不会打开，不能形成管永远不会打开，不能形成MOS管。管。54另另外外，人人们们又又在在氧氧化化区区的的下下面面注注入入称称为为场场注注入入区区（field implant）的的P+区区，如如下下图图所所示示。这这样样，在在氧氧化化区区下下面面衬衬底底的的 Na值值 较较大大，也也提提高高了了寄寄生生 MOS 管管的的开开启启电电压压。同同时时，这这个个注注入入区区也也用用来来控控制制表表面面的的漏漏电电流流。如如果果没没有有这这个个P+注注入入区区，那那么么，两两个个MOS管管的的耗耗尽尽区区很很靠靠近近，漏漏电电增增大大。由由于于P+是是联联在在衬衬底底上上的的，处处于于最最低低电电位位，于于是是，反反向向结结隔隔离离性性能能良良好好，漏漏电流大大减小。电流大大减小。结结论论:所所以以，在在实实际际情情况况中中，需需要要一一个个很很厚厚的的氧氧化化区区和和一一个个注注入入区区，给工艺制造带来了新的问题。给工艺制造带来了新的问题。55场注入场注入L和和W的变化的变化(续续)L和和W的变化的变化(续续)制制造造步步骤骤：先先用用有有源源区区的的mask，在在场场区区外外生生成成一一个个氮氮化化硅硅的的斑斑区区。然然后后，再再以以这这个个斑斑区区作作为为implant mask，注注入入P+区区。最最后后，以以这这个个斑斑区区为为掩掩膜膜生生成成氧氧化化区区。然然而而，在在氧氧化化过过程程中中，氧氧气气会会从从斑斑区区的的边边沿沿处处渗渗入入，造造成成了了氧氧化化区区具具有有鸟鸟嘴嘴形形（bird beak）。）。Bird beak的的形形状状和和大大小小与与氧氧化化工工艺艺中中的的参参数数有有关关，但但是是有有一一点点是是肯肯定定的的，器器件件尺尺寸寸、有有源源区区的的边边沿沿更更动动了了。器器件件的的宽宽度度不不再是版图上所画的再是版图上所画的Wdrawn，而是而是W，W=Wdrawn 2 W式式中中 W就就是是bird beak侵侵入入部部分分，其其大大小小差差不不多多等等于于氧氧化化区区厚厚度度的的数数量量级级。当当器器件件尺尺寸寸还还不不是是很很小小时时，这这个个 W影影响响不不大大；当当器件缩小后，这个器件缩小后，这个 W是可观的，它影响了开启电压。是可观的，它影响了开启电压。56L和和W的变化的变化(续续)57另另一一方方面面，注注入入区区也也有有影影响响。由由于于P+区区是是先先做做好好的的，后后来来在在高高温温氧氧化化时时，这这个个P+区区中中的的杂杂质质也也扩扩散散了了，侵侵入入到到管管子子区区域域，改改变变了衬底的浓度了衬底的浓度Na，影响了开启电压。影响了开启电压。同同时时，扩扩散散电电容容也也增增大大了了，N+区区与与P+区区的的击击穿穿电电压压降降低低。另另外外，栅栅极极长长度度L不不等等于于原原先先版版图图上上所所绘绘制制的的Ldrawn，也也减减小小了了，如如图图所所示。示。Ldrawn是图上绘制的栅极长度。是图上绘制的栅极长度。Lfinal是加工完后的实际栅极长度。是加工完后的实际栅极长度。Lfinal=Ldrawn 2 LpolyL和和W的变化的变化(续续)=尺寸缩小的原因是在蚀刻（尺寸缩小的原因是在蚀刻（etching）过程中，多晶硅过程中，多晶硅（Ploy）被腐蚀掉了。被腐蚀掉了。=另一方面，扩散区又延伸进去了，两边合起来延伸了另一方面，扩散区又延伸进去了，两边合起来延伸了2 Ldiff，故沟道长度仅仅是，故沟道长度仅仅是，L=Ldrawn 2 Lpoly 2 Ldiff这这2 Ldiff是重叠区，也增加了结电容。是重叠区，也增加了结电容。Cgs=W LdiffCox Cgd=W LdiffCox式中式中Cox是单位面积电容。是单位面积电容。585.7.2 迁移率的退化迁移率的退化 众众所所周周知知，MOS管管的的电电流流与与迁迁移移率率 成成正正比比。在在设设计计器器件件或或者者计计算算MOS管管参参数数时时，常常常常假假定定 是是常常数数。而而实实际际上上，并并不不是是常常数数。从从器器件件的的外外特特性性来来看看，至至少少有有三三个个因因素影响素影响 值，它们是：温度值，它们是：温度T，垂直电场垂直电场Ev，水平电场水平电场Eh。1）特征迁移率特征迁移率 0 0与与制制造造工工艺艺密密切切相相关关。它它取取决决于于表表面面电电荷荷密密度度，衬衬底底掺掺杂杂和和晶晶片片趋趋向向。0还还与与温温度度T有有关关，温温度度升升高高时时，0就就降降低低。如如果果从从25增增加加到到100，0将将下下降降一一半半。因因而而，在在MOS管正常工作温度范围内，要考虑管正常工作温度范围内，要考虑 0是变化的。是变化的。59迁移率的退化（续）迁移率的退化（续）2）迁移率迁移率 的退化的第二个原因：还有电场强度的退化的第二个原因：还有电场强度 通通常常，电电场场强强度度E增增加加时时，是是减减小小的的。然然而而，电电场场E有有水水平平分量和垂直分量，因而分量和垂直分量，因而 将随将随Ev，Eh而退化。而退化。通常，通常，可以表示为，可以表示为，=0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)其中，其中，0(T)是温度的函数，是温度的函数，0(T)=kT M于是，于是，在在半半导导体体Si内内，M=1.5，这这是是Spice中中所所用用的的参参数数。但但在在反反型型层层内内（NMOS管管），M=2，所所以以，一一般般认认为为，M 2之之间间。0的的典典型型值值 为为，N沟沟 道道 MOS管管，0=600cm2/V S；P沟沟 道道 MOS管管，0=250cm2/V S。式式中中fv是是垂垂直直电电场场的的退退化化函函数数；fh是是水水平平电电场场的的退化函数。退化函数。60迁移率的退化（续）迁移率的退化（续）水水平平电电场场对对 的的影影响响，比比垂垂直直电电场场大大得得多多。因因为为水水平平电电场场将将加加速速载载流流子子运运动动。当当载载流流子子速速度度被被加加速速到到一一个个大大的的数数值值，水水平平速速度度会会饱饱和和。一一般般来来讲讲，N型型Si的的 0远远大大于于P型型Si的的 0。然然而而，这这两两种载流子的饱和速度是相同的。种载流子的饱和速度是相同的。对对于于一一个个高高性性能能器器件件来来说说，载载流流子子是是以以最最高高速速度度，即即饱饱和和速速度度通通过过沟沟道道的的。这这时时，P沟沟道道管管子子的的性性能能与与N沟沟道道管管子子差差不不多多相相等。这并不是等。这并不是P型器件得到改进，而是型器件得到改进，而是N型器件有所退化。型器件有所退化。61Vc是临界电压，是临界电压，Vc=ctox，c是临界电场，是临界电场，c=2 105 V/cm。垂直垂直 值退化大约为值退化大约为25%50%。迁移率的退化（续）迁移率的退化（续）经经过过长长期期研研究究，已已经经确确定定，在在电电场场不不强强时时，N沟沟道道的的 确确实实比比P沟沟道道的的 大大得得多多，约约2.5倍倍。但但当当电电场场增增强强时时，这这个个差差距距就就缩缩小小，当当电电场场强强到到一一定定程程度度，N管管与与P管管达达到到同同一饱和速度，得到同一个一饱和速度，得到同一个 值。它与掺杂几乎无关。值。它与掺杂几乎无关。625.7.3 沟道长度调制沟道长度调制63简化的简化的MOS原理中，认为饱和后，电流不再增加。事实上，饱和原理中，认为饱和后，电流不再增加。事实上，饱和区中，当区中，当Vds增加时，增加时，Ids仍然增加的。仍然增加的。这这是是因因为为沟沟道道两两端端的的耗耗尽尽区区的的宽宽度度增增加加了了，而而反反型型层层上上的的饱饱和和电电压压不不变变，沟沟道道距距离离减减小小了了，于于是是沟沟道道中中水水平平电电场场增增强强了了，增增加了电流。故器件的有效沟道长度为加了电流。故器件的有效沟道长度为 L=L漏极区的耗尽区的宽度漏极区的耗尽区的宽度Vds VDsat 是耗尽区上的电压是耗尽区上的电压如果衬底掺杂高，那么这种调制效应就减小了如果衬底掺杂高，那么这种调制效应就减小了5.7.4 短沟道效应引起门限电压变化短沟道效应引起门限电压变化迄迄今今，我我们们对对MOS管管的的分分析析全全是是一一维维的的。无无论论是是垂垂直直方方向向，还还是是水水平平方方向向，都都是是一一维维计计算算的的。我我们们隐隐含含地地假假定定，所所有有的的电电场场效效应应都都是是正正交交的的。然然而而，这这种种假假定定在在沟沟道道区区的的边边沿沿上上是是不不成成立立的的。因因为为沟沟道道很很短短，很很窄窄，边边沿沿效效应应对对器器件件特特性性有重大影响。（最重要的短沟道效应是有重大影响。（最重要的短沟道效应是VT的减小。）的减小。）加加在在栅栅极极上上的的正正电电压压首首先先是是用用来来赶赶走走P型型衬衬底底中中的的多多数数载载流流子子空空穴穴，使使栅栅极极下下面面的的区区域域形形成成耗耗尽尽层层，从从而而降降低低了了Si表表面面的的电电位位。当当这这个个电电位位低低到到P型型衬衬底底的的费费米米能能级级时时，半半导导体体出出现现中中性性。这这时时，电电子子浓浓度度和和空空穴穴浓浓度度相相等等。若若再再增增加加栅栅极电压，就形成反型层。极电压，就形成反型层。64短沟道效应引起门限电压变化短沟道效应引起门限电压变化(续续)65栅极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。显栅极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。显然，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平然，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平衡共同形成的。差不多一半由感应产生，另一半由扩散形成。这衡共同形成的。差不多一半由感应产生，另一半由扩散形成。这样，栅极电压只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗尽区，样，栅极电压只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗尽区，QB=QB QL故门限电压故门限电压VT必然降低。必然降低。短沟道效应引起门限电压变化短沟道效应引起门限电压变化(续续)66对于长沟道对于长沟道MOS管，影响不大。但是当沟道长度管，影响不大。但是当沟道长度L5 后，后，VT降低极其明显，如图所示。降低极其明显，如图所示。5.7.5 狭沟道引起的门限电压狭沟道引起的门限电压VT的变化的变化67如如果果沟沟道道太太窄窄，即即W太太小小，那那么么栅栅极极的的边边缘缘电电场场会会引引起起Si衬衬底底中中的的电电离离化化，产产生生了了附附加加的的耗耗尽尽区区，增增加加门门限限电电压。压。由由此此可可见见，短短沟沟道道、狭狭沟沟道道效效应应，对对于于工工艺艺控控制制是是比比较较敏感的。敏感的。本章练习本章练习1.写出写出MOSFET的基本电流方程。的基本电流方程。2.MOSFET的饱和电流取决于哪些参数的饱和电流取决于哪些参数?3.什么是什么是MOSFET的阈值电压？它受哪些因素的影的阈值电压？它受哪些因素的影响？响？4.说明说明L、W对对MOSFET的速度、功耗、驱动能力的速度、功耗、驱动能力的影响。的影响。5.说明说明MOSFET噪声的来源、成因及减小的方法。噪声的来源、成因及减小的方法。68
