半导体器件物理与工艺 第6章

1、 第6章 MOSFET及相关器件n6.1 MOS二极管n6.2 MOSFET基本原理n6.3 MOSFET按比例缩小n6.4 CMOS与双极型CMOSn6.5 绝缘层上MOSFETn6.6 MOS存储器结构相关主题1 MOS二极管的VT与反型条件2 MOSFET基本特性3 按比例缩小理论与短沟道效应的关系4 低功耗CMOS逻辑5 MOS存储器结构基本FET结构 6.1 MOS二极管 MOS二极管是MOSFET器件的枢纽；在IC中，亦作为一储存电容器；CCD器件的基本组成部分。 6.1.1 理想MOS二极管n理想P型半导体MOS二极管的能带图：n功函数（金属的m和半导体的s ）n电子亲和力n理想

2、MOS二极管定义：n零偏压时，功函数差ms为零；n任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，极性相反；n直流偏压下，无载流子通过氧化层。 MOS二极管中三个分离系统的能带图二极管中三个分离系统的能带图 半导体表面三种状态 v随金属与半导体所加的电压VG而变化，半导体表面出现三种状态：基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。v以P型为例，当一负电压施加于金属上，在氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，积累现象。v外加一小量正电压，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使多数载流子（空穴）形成耗尽耗尽现象。v外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重，使表面的Ei越过E

3、F,当电子浓度远大于空穴浓度时反型现象。 三三种种状状态态 由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布：表面电势s：ss0 空穴耗尽；s = B 禁带中心，ns=np=ni；s B 反型（ s 2B 时，强反型）；强反型时，表面耗尽区的宽度达到最大值：Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm理想MOS二极管的C-V曲线V=Vo+sC=CoCj/(Co+Cj)强反型刚发生时的金属平行板电压阈值电压一旦当强反型发生时，总电容保持在最小值Cmin。理想MOS二极管的C-V曲线理想情况下的阈值电压：强反型发生时，Cmin：BBs2)2(2(inv)oAsomATCqNCWqNVmsox

4、oxWdC)/(min6.1.2 实际MOS二极管 金属-SiO2-Si为广泛研究，但其功函数差一般不为零，且在氧化层内部或SiO2-Si界面处存在的不同电荷，将以各种方式影响理想MOS的特性。一、功函数差铝：qm=4.1ev；高掺杂多晶硅：n+与p+多晶硅的功函数分别为 4.05ev和5.05ev；随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，ms发生很大变化；为达到理想平带状态，需外加一相当于功函数的电压，此电压成为平带电压（VFB）。金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性的影响v曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线v曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V曲线 二、界面陷阱与氧化层电荷

5、主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。实际MOS二极管的C-V曲线平带电压：实际MOS二极管的阈值电压：ootmfmsFBCQQQVBBs2)2(2(inv)oAsFBomAFBTCqNVCWqNVV6.1.3 CCD器件 三相电荷耦合器件的剖面图6.2 MOSFET基本原理 MOSFET的缩写：IGFET、MISFET、MOST。 1960年，第一个MOSFET首次制成，采用热氧化硅衬底，沟道长度25um，栅氧化层厚度100nm（Kahng及Atalla）。 2001年，沟道长度为15nm的超小型MOSFET制造出来。NMOS晶体管基本结构与电路符号晶

6、体管基本结构与电路符号PMOS晶体管基本结构与电路符号晶体管基本结构与电路符号工作方式线性区6.2.1 基本特性 工作方式饱和区 过饱和推导基本推导基本MOSFET特性特性理想电流电压特性基于如下假设1 栅极结构理想；2 仅考虑漂移电流；3 反型层中载流子迁移率为固定值；4 沟道内杂质浓度为均匀分布；5 反向漏电流可忽略；6 沟道内横向电场纵向电场7 缓变沟道近似。推导基本推导基本MOSFET特性特性简要过程：1 点y处的每单位面积感应电荷Qs（y）；2 点y处反型层里的每单位面积电荷量 Qn（y）；3 沟道中y处的电导率；4 沟道电导；5 dy片段的沟道电阻、电压降；6 由源极（y=0,V=

7、0）积分至漏极(y=L,V=VD)得ID。沟道放大图（线性区）沟道放大图（线性区）理想MOSFET的电流电压方程式：线性区：)2()2(232)22(u2/3B3/2BBnDoAsDDGoDVCqNVVVCLZIDTGoDVVVCLZI)(un)(TGDVVV)(u|nCVGTGoDDDVVCLZVIgDoGDmVCLZVIgnCVu|D截止区：ID 0 VG VT 长 沟长 沟 M O S F E T 的 输 出 特 性的 输 出 特 性饱和区：)/211 (222BKVKVVGGDsatoAsCqNK2n)(2u(TGoDsatVVLCZI)(u|nCVDTGoGDmVVCLZVIg0Dg

8、DsatDVV转移特性曲线转移特性曲线+提取阈提取阈值电压值电压+研究亚研究亚阈特性阈特性举例：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的MOSFET，其栅极氧化层厚度为8nm，NA=1017cm-3，VG=3V，计算饱和电压。VKVKVVGGDsat51. 1)/211 (222B3 . 0oAsCqNK 解： Co= ox/d =4.3210-7F/cm2VB84. 02亚阈值区当栅极电压小于阈值电压，且半导体表面弱反型时，-亚阈值电流；在亚阈值区内，漏极电流由扩散主导；在亚阈值区内，漏极电流与VG呈指数式关系；亚阈值摆幅：（lgID）/ VG -1。亚亚0.1微米微米MOSFET器件的发展

9、趋势器件的发展趋势N+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)6.2.2 MOSFET种类N沟增强型N沟耗尽型P沟增强型P沟耗尽型转移特性输出特性6.2.3 阈值电压控制阈值电压可通过将离子注入沟道区来调整；通过改变氧化层厚度来控制阈值电压，随着氧化层 厚度的增加，VTN变得更大些，VTP变得更小些；加衬底偏压；选择适当的栅极材料来调整功函数差。oBSBAsBFBTCVqNVV)2(226.2.4 MOSFET的最高工作频率 当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减少）流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏极，形成漏极电流的增量

10、。当变化的电流全部用于对沟道电容充（放）电时，MOS管就失去放大能力。 最高工作频率定义为：对栅输入电容的充（放）电电流和漏源交流电流相等时所对应的工作频率， )(222TGSnmmmGSmGSmVVLfCgfVgCV6.2.5 MOSFET的二阶效应1. 衬底偏置效应（体效应）2. 沟道调制效应3. 亚阈值导电MOS管的开启电压VT及体效应sisubTHTH0FSBFox2q NV=V+2 +V-2 , =C无体效应无体效应源极跟随器源极跟随器 有体效应有体效应体效应系数，体效应系数，VBS0时，时， 0MOS管体效应的Pspice仿真结果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg体效

11、应的应用：体效应的应用：利用衬底作为利用衬底作为MOS管的第管的第3个输入端个输入端利用利用VT减小用于低压电源电路设计减小用于低压电源电路设计沟道调制效应)V1 ()(2u(DS2nTGoDSVVLCZI)1)(LL(,SATDSDSVVL 沟道发生夹断后，有效沟道长度L实际上是VDS的函数。L/ L= VDS， 称为沟道调制系数。BSATDSDSsiqNVVL)(2, 的大小与沟道长度及衬底浓度有关。 沟道调制系效应改变了MOS管的I/V特性，进而改变了跨导。输出阻抗 r。约为1/ (ID)。MOSFET的沟道调制效应LLL = L -L11L=(1 +)LLLDSDS11L=(1+ V

12、), V=LLL2noxDGSTHDS C WI=(V- V) (1 + V)2L6.2.6 MOSFET的温度特性体现在阈值电压、沟道迁移率与温度的关系：1. VTT的关系对NMOS：T 增加，VTN减小；对PMOS：T 增加，VTP增加。2. T的关系 若E1；3.电源所提供的最大电流大于寄生可控硅导通所需要的维持电流IH。Latch-up (闩锁效应)避免闩锁效应，工艺上可采取的措施：使用金掺杂或中子辐照，以降低少数载流子寿命阱结构或高能量注入以形成倒退阱，可以提升基极杂质浓度将器件制作在高掺杂衬底上的低掺杂外延层中采用沟槽隔离结构 CMOS开关（传输门）BiCMOS Bi-CMOS工艺

13、是把双极器件和CMOS器件同时制作在同一芯片上，它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点，它给高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的发展开辟了一条新的道路。6.5 绝缘层上MOSFET（SOI） MOSFET被制作在绝缘衬底上，如果沟道层为非晶或多晶硅时，称为薄膜晶体管（TFT）；如沟道层为单晶硅，称为SOI。 氢化非晶硅TFT是大面积LCD以及接触影像传感器等电子应用中的重要器件。 多晶硅TFT比氢化非晶硅TFT有较高的载流子迁移率和较好的驱动能力。半导体存储器：挥发性与非挥发性存储器。DRAM、SRAM是挥发性存储器；

14、非挥发性存储器被广泛应用在EPROM、EEPROM、flash等IC中6.6 MOS存储器结构DRAM存储单元基本结构SRAM存储单元结构图UDDV4V2QQV1V3V5V6V7V8I/OI/O列选线 Y行选线 X存储单元位线D位线D(a)(b)UDDV4V2V6V5V1V3V7V8YI/OI/O位线D位线DX(a) 六管NMOS存储单元； (b)六管CMOS存储单元 SIMOS管的结构和符号DSGcGfSiO2NNPDSGfGcEPROM存储器结构nEPROM的存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管(Floating-gate Avalanche-Injuction Metal-Oxide-Sem

15、iconductor, 简称FAMOS管)或叠栅注入MOS管(Stacked-gate Injuction Metal-Oxide-Semiconductor, 简称SIMOS管)nGf栅周围都是绝缘的二氧化硅，泄漏电流很小，所以一旦电子注入到浮栅之后，就能保存相当长时间(通常浮栅上的电荷10年才损失30%)。n擦除EPROM的方法是将器件放在紫外线下照射约20分钟， 浮栅中的电子获得足够能量，从而穿过氧化层回到衬底中， 这样可以使浮栅上的电子消失，MOS管便回到了未编程时的状态，从而将编程信息全部擦去。Flotox管的结构和符号DSGcGfNNP隧道区DGfGcSE2PROM的存储单元D1S

16、1V1V2Gc位线（Wi(字线)DiE2PROM的存储单元nE2PROM的存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管(Floating-gate Tunnel Oxide MOS，简称Flotox)。n Flotox管也是一个N沟道增强型的MOS管，与SIMOS管相似，它也有两个栅极控制栅和浮栅，不同的是Flotox管的浮栅与漏极区(N+)之间有一小块面积极薄的二氧化硅绝缘层(厚度在210-8m以下)的区域，称为隧道区。当隧道区的电场强度大到一定程度(107V/cm)时，漏区和浮栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。nE2PROM的编程和擦除都是通过在漏极和控制栅上加一定幅度和极性的电脉冲实

17、现的，虽然已改用电压信号擦除了，但E2PROM仍然只能工作在它的读出状态，作ROM使用。快闪存储器存储单元DSGcGfNNP隧道区DGcSGc位线字线DSWiUSSDi(a)(b)(a) 叠栅MOS管； (b) 存储单元 Flash Memory 快闪存储器(Flash Memory)是新一代电信号擦除的可编程ROM。它既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高。其结构与EPROM中的SIMOS管相似，两者区别在于浮栅与衬底间氧化层的厚度不同浮栅与衬底间氧化层的厚度不同。在EPROM中氧化层的厚度一般为3040 nm，在快闪存储器中仅为 1015 nm, 而且浮栅和源区重叠的部分是源区的横向扩散形成的，面积极小, 因而浮栅-源区之间的电容很小，当Gc和S之间加电压时，大部分电压将降在