5-MOS场效应管的特性ppt课件

1、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 教授教授2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 5.4 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35.1 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）

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。4MOSFET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: toxtoxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGL5MOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数Lmin、 Wmi

3、n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6MOSFET的伏安特性的伏安特性:电容结构电容结构当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时

4、，除了间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电结的漏电流之外，不会有更多电流形成。流之外，不会有更多电流形成。当栅极上的正电压不断升高时，当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压栅极上的电压超过阈值电压VT，在栅极下的在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即起反型层，即N型层，把同为型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷的导电沟道。这时，栅

5、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。7非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用下，这些电荷作用下，这些电荷Q将在将在 时间内时间内通过沟道，因此有通过沟道，因此有dsdsVLELL 2 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为漏到源电压。为漏到源电压。 为为载流子载流子迁移率：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

6、的渡越时间电荷在沟道中的渡越时间8MOSFET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：2221()2 1 1 22geoxoxdsgedsgsTdsdsoxoxdsoxgsTdsdsoxgegsTdsCVWLQWIV VVVVVLtLtLVWVVVVLVVVtV = . 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 = 0.88541851.10-11 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

7、值Idsmax，其值为，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着近漏端的栅极有效控制电压意味着近漏端的栅极有效控制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感应电荷为感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。就是饱和电流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOSFET饱和特性饱和特性10MOSFET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是平方律器件是平方律器件!IdsVds0线性区饱和区击穿区11b

8、VaIgsCVdsds22TgsdsVVaI212oxdsgsTdsdsoxWIVVVVtL 2oxdsgsTox12WIVVtL 115.1.2 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： 在栅极电极下面有一层在栅极电极下面有一层SiOSiO2 2介质。介质。SiOSiO2 2下面是下面是P P型衬底，最后是衬底电极，同衬底型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。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，栅极上的正电荷排斥了时，栅极上的正电荷排斥了Si

9、中的空穴，在栅极下面的中的空穴，在栅极下面的Si表面上，形表面上，形成了一个耗尽区。成了一个耗尽区。 耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了在栅极表面。这说明了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

10、容C为为: 比原来的比原来的Cox要小些。要小些。111SioxCCC13MOS电容电容束缚电荷层厚度束缚电荷层厚度耗尽层电容的计算方法同耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同，利用泊松公式结的耗尽层电容的计算方法相同，利用泊松公式式中式中NA是是P型衬底中的掺杂浓度，将上式积分得耗尽区上的电位差型衬底中的掺杂浓度，将上式积分得耗尽区上的电位差 ：从而得出从而得出束缚电荷层厚度束缚电荷层厚度ASiSiqN1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX214MOS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

11、小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC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15MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性随着随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度Xp增大，耗尽层上的电压降增大，耗尽层上的电压降 就增大，因而耗尽层电容就增大，因而耗尽层电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着着Si表面电位势垒的下降，意味着表

12、面电位势垒的下降，意味着Si表面能级的下降。表面能级的下降。一旦一旦Si表面能级下降到表面能级下降到P型衬底的费米能级，型衬底的费米能级，Si表面的半导体呈中性。这时，在表面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。表面，电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。16MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性(续续)3）若）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得Si表面电位下降，能表面电位下降，能级下降，达到低于级下降，达到低于P型衬底的费米能级。这时，型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超过

13、了空穴的浓表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈度，半导体呈N型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。的浓度还低于原来空穴的浓度。 随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，已部分地落在这些电子随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增加就减慢了，相应的上，耗尽层厚度的增加就减慢了，相应的MOS电容电容CSi的减小也减慢了。的减小也减慢了。174） 当当Vgs增加，达到增加，达到VT值，值，Si表面电位的下降，能级下降已达到表面电位的下降，能级下降

14、已达到P型衬底的费米能型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚度不再增加，显然，耗尽层厚度不再增加，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。oxSioxSiCCCCCMOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容

15、特性(续续)18MOS电容电容凹谷特性凹谷特性5）当）当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电荷的电力线，部分落继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串联后，增大。两个电容串联后，C将增加。当将增加。当Vgs足够大时，反型层中的电子浓度已大到足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子将成为一种能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子

16、将成为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，镜面反射，感应全部负电荷，于是，C = Cox 。电容曲线出现了凹谷形，如图电容曲线出现了凹谷形，如图6.2 。 必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该MOS电容是电容是一个孤立的电容，这些电子只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，一个孤立的电容，这些电子只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。级。19MOS电容电容凹谷特性测量凹谷特性测量若测量电容的方法是逐点测量法若测量电容的方法是逐点测量法一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。一种慢进程，那么将测量到这种凹

17、谷曲线。 20MOS电容电容凹谷特性测量凹谷特性测量若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。值。然而，在大部分场合，然而，在大部分场合，MOS电容与电容与n+区接在一起，有大量的电子来源，反型层可区接在一起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线都呈凹谷形。以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线都呈凹谷形。215.1.3 MOS电容电容的

18、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电容仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的电容Cg， Cs 和和Cd。MOS电容电容C对对Cg，Cd有所贡献。在源极和衬底之间有结电容有所贡献。在源极和衬底之间有结电容Csb，在漏极和衬底之间也在漏极和衬底之间也有结电容有结电容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

19、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。22MOS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，沟道建立，沟道建立，MOS管导通。管导通。MOS电容是变化的，呈凹谷状，从电容是变化的，呈凹谷状，从Cox下降到最低点，又回到下降到最低点，又回到Cox。这时，这时，MOS电容电容C对对Cg，Cd都有贡献，它们的都有贡献，它们的分配取决于分配取决于MOS管的工作状态。管的工作状态。23MOS电容的计算电容的计算若处于非饱和状态，则按若处于非饱和状态，则按1/3与与2/3分配，即分配，即Cg = Cgs + 2/3CCd =

20、 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对栅极电荷的影响力，与漏极电压对栅极电荷的影响力，与漏极电压Vds对对栅极电荷的影响力为栅极电荷的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为的关系，故贡献将分别为 2/3与与1/3 。dsdsTgsoxdsVVVVLWtI2124MOS电容的计算电容的计算(续续)2ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtIn 若处于饱和状态，则若处于饱和状态，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

21、。那么，无关，沟道已夹断。那么，在饱和状态下，沟道长度受到在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，有效沟道长度的调制，有效沟道长度L-L变小变小25MOS电容的计算电容的计算(续续) 当当Vds增加时，漏端夹断区耗尽层长度增加时，漏端夹断区耗尽层长度L 增大，增大，Ids增加，那是因为载流子速度增增加，那是因为载流子速度增加了，它与加了，它与C的分配无关。然而，的分配无关。然而，L 的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大了的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大了结电容。故，结电容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb26Cap.N+Act.P+Act.Po

22、lyM1M2M3UnitsArea (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)27PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864

23、463614308363214086734123517383929625762Cross 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285.2 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沟道随栅压正向和负向增加而形成或沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两种类型的消失的机理，存在着两种类型的MOS器件：器件：l 耗尽型耗尽型(Depletion)：沟道在沟道在Vgs=0时已经存在。

24、当时已经存在。当Vgs“负负”到一定程度时截止。到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。一般情况，这类器件用作负载。l 增强型增强型(Enhancement)：在正常情况下它是截止的，只有当在正常情况下它是截止的，只有当Vgs“正正”到一定程度，到一定程度，才会导通，故用作开关。才会导通，故用作开关。29=概念上讲概念上讲, VT就是将栅极下面的就是将栅极下面的Si表面从表面从P型型Si变为变为N型型Si所必要的电压。所必要的电压。 它它由两个分量组成由两个分量组成, 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

25、组成的组成30Us 的计算的计算将栅极下面的将栅极下面的Si表面从表面从P/N型型Si变为变为N/P型型Si所必要的电压所必要的电压Us 与衬底浓度与衬底浓度Na有关。有关。在半导体理论中，在半导体理论中，P型半导体的费米能级是靠近满带的，而型半导体的费米能级是靠近满带的，而N型半导体的费米能型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把级则是靠近导带的。要想把P型变为型变为N型，外加电压必须补偿这两个费米能级之型，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。差。iabpSnNqkTqUln2231Vox的计算的计算Vox根据根据从金属到氧化物到从金属到氧化物到SiSi衬底衬底XmXm处的处的电场分布曲线导

26、出电场分布曲线导出:aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)32aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2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oxoxoxoxoxtWLtWLC335.3 MOSFET的体效应的体效应前面的推导都假设源极和衬底都接地，认为前面的推导都假设源极和衬底都接地，认为Vgs是加在栅极与衬底之间的。实际上，在许多是加在栅极与衬底之间的。实际上，在

27、许多场合，源极与衬底并不连接在一起。通常，衬场合，源极与衬底并不连接在一起。通常，衬底是接地的，但源极未必接地底是接地的，但源极未必接地, 源极不接地时对源极不接地时对VT值的影响称为体效应值的影响称为体效应(Body Effect)。34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 和阈值电压和阈值电压VT随温度的随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是：变化。

28、载流子的迁移率随温度变化的基本特征是： 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) Tgsoxm VVLWtg5.4 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

29、.5 MOSFET的噪声的噪声37fgTvm2eg32DSoxm2ILtWg2eg vW2eg vIds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，通过沟道电阻生成热噪声电压的，通过沟道电阻生成热噪声电压 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38ffWLtKvf1ox22/1闪烁噪声

30、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:51MOSFET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

31、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再小，使得工艺的特征尺寸做得一小再小，使得MOS电路规模越电路规模越来越大，来越大，MOS电路速率越来越高的重要原因。电路速率越来越高的重要原因。525.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应随着随着MOS工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，采用简化的、只考虑一阶效应的工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，采用简化的、只考虑一阶效应的MOS器件模型来进行电路模拟，已经不能满足精度要求。此时必须考虑二阶效应。器件模型来进行电路模拟，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

32、两种原因：1) 当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为5V，于是，平均电场强度增加了，引于是，平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。起了许多二次效应。2) 当管子尺寸很小时，这些小管子的边缘相互靠在一起，产生了非理想电场，也严当管子尺寸很小时，这些小管子的边缘相互靠在一起，产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。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。535.7.1 L和和W的变化的变化在一阶理论的设计方法中，总认为在一阶理论的设计方法中，总认为L、W是同步缩减的，是可以严格控制的。是同步缩减的，是可

33、以严格控制的。事实并非如此，真正器件中的事实并非如此，真正器件中的L、W并不是原先版图上所定义的并不是原先版图上所定义的L、W。原因之一在原因之一在于制造误差，如右图所示；原因之二是于制造误差，如右图所示；原因之二是L、W定义本身就不确切，不符合实际情况。定义本身就不确切，不符合实际情况。54 L和和W的变化的变化(续续) 通常，在通常，在IC中各晶体管之间是由场氧化区（中各晶体管之间是由场氧化区（field oxide）来隔离的。在版图中，凡来隔离的。在版图中，凡是没有管子的地方，一般都是场区。场是由一层很厚的是没有管子的地方，一般都是场区。场是由一层很厚的SiO2形成的。多晶硅或铝线在形成

34、的。多晶硅或铝线在场氧化区上面穿过，会不会产生寄生场氧化区上面穿过，会不会产生寄生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 对于对于IC中的中的MOS管，管，SiO2层很薄，层很薄，Cox较大，较大，VT较小。对于场区，较小。对于场区，SiO2层很厚，层很厚，Cox很小，电容上的压降很大，使得这个场区的寄生很小，电容上的压降很大，使得这个场区的寄生MOS管的开启电压远远大于电源管的开启电压远远大于电源电压，即电压，即VTFVDD。这里寄生的这里寄生的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。FPSaSioxFPFBTUqNCVV22

35、1255另外，人们又在氧化区的下面注入称为场注入区（另外，人们又在氧化区的下面注入称为场注入区（field implant）的的P+ 区区，如下如下图所示。这样，在氧化区下面衬底的图所示。这样，在氧化区下面衬底的 Na值值 较大，也提高了寄生较大，也提高了寄生 MOS 管的开启电压。管的开启电压。同时，这个注入区也用来控制表面的漏电流。如果没有这个同时，这个注入区也用来控制表面的漏电流。如果没有这个P+注入区，那么，两个注入区，那么，两个MOS管的耗尽区很靠近，漏电增大。由于管的耗尽区很靠近，漏电增大。由于P+是联在衬底上的，处于最低电位，于是，是联在衬底上的，处于最低电位，于是，反向结隔离性

36、能良好，漏电流大大减小。反向结隔离性能良好，漏电流大大减小。 结论结论: 所以，在实际情况中，需要一个很厚的氧化区和一个注入区，给工艺制造所以，在实际情况中，需要一个很厚的氧化区和一个注入区，给工艺制造带来了新的问题。带来了新的问题。场注入场注入L和和W的变化的变化(续续)56L和和W的变化的变化(续续) 制造步骤：先用有源区的制造步骤：先用有源区的mask，在场区外生成一个氮化硅的斑区。然后，再以这在场区外生成一个氮化硅的斑区。然后，再以这个斑区作为个斑区作为implant mask，注入注入P+区。最后，以这个斑区为掩膜生成氧化区。然而，区。最后，以这个斑区为掩膜生成氧化区。然而，在氧化过

37、程中，氧气会从斑区的边沿处渗入，造成了氧化区具有鸟嘴形（在氧化过程中，氧气会从斑区的边沿处渗入，造成了氧化区具有鸟嘴形（bird beak）。）。Bird beak的形状和大小与氧化工艺中的参数有关，但是有一点是肯定的，器件尺的形状和大小与氧化工艺中的参数有关，但是有一点是肯定的，器件尺寸、有源区的边沿更动了。器件的宽度不再是版图上所画的寸、有源区的边沿更动了。器件的宽度不再是版图上所画的Wdrawn，而是而是W， W = Wdrawn 2 W式中式中 W就是就是bird beak侵入部分，其大小差不多等于氧化区厚度的数量级。当器侵入部分，其大小差不多等于氧化区厚度的数量级。当器件尺寸还不是很

38、小时，这个件尺寸还不是很小时，这个 W影响不大；当器件缩小后，这个影响不大；当器件缩小后，这个 W是可观的，它影是可观的，它影响了开启电压。响了开启电压。57L和和W的变化的变化(续续)另一方面，注入区也有影响。由于另一方面，注入区也有影响。由于P+区是先做好的，后来在高温氧化时，这个区是先做好的，后来在高温氧化时，这个P+区区中的杂质也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬底的浓度中的杂质也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬底的浓度Na，影响了开启电压。影响了开启电压。同时，扩散电容也增大了，同时，扩散电容也增大了，N+区与区与P+区的击穿电压降低。另外，栅极长度区的击穿电压降低。另外，栅极长度L不

39、等于原不等于原先版图上所绘制的先版图上所绘制的Ldrawn，也减小了，如图所示。也减小了，如图所示。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 Lpoly58L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，故沟道长度仅故沟道长度仅仅是，仅是， L = Ldraw

40、n 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。595.7.2 迁移率的退化迁移率的退化 众所周知，众所周知，MOS管的电流与迁移率管的电流与迁移率 成正比。在设计器件或者计算成正比。在设计器件或者计算MOS管参数管参数时，常常假定时，常常假定 是常数。而实际上，是常数。而实际上， 并不是常数。从器件的外特性来看，至少有三并不是常数。从器件的外特性来看，至少有三个因素影响个因素影响 值，它们是：温度值，它们是：温度T，垂直电场

41、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与制造工艺密切相关。它取决于表面电荷密度，衬底掺杂和晶片趋向。与制造工艺密切相关。它取决于表面电荷密度，衬底掺杂和晶片趋向。 0还还与温度与温度T有关，温度升高时，有关，温度升高时， 0就降低。如果从就降低。如果从25增加到增加到100， 0将下降一半。将下降一半。因而，在因而，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。60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 通常，电场强度通常，电场强度E增加时

42、，增加时， 是减小的。然而，电场是减小的。然而，电场E有水平分量和垂直分量，因而有水平分量和垂直分量，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， 在半导体在半导体Si内，内，M=1.5，这是这是Spice中所用的参数。但在反型层内（中所用的参数。但在反型层内（NMOS管），管），M=2，所以，一般认为，所以，一般认为，M值是处在值是处在1.5 2之间。之间。 0的典型值为，的典型值为，N沟道沟道MOS管，管， 0

43、=600cm2/V S；P沟道沟道MOS管，管， 0=250cm2/V S。式中式中fv是垂直电场的退化函数；是垂直电场的退化函数；fh是水是水平电场的退化函数。平电场的退化函数。 MTTTT12102061迁移率的退化（续）迁移率的退化（续） 水平电场对水平电场对 的影响，比垂直电场大得多。因为水平电场将加速载流子运动。的影响，比垂直电场大得多。因为水平电场将加速载流子运动。当载流子速度被加速到一个大的数值，水平速度会饱和。一般来讲，当载流子速度被加速到一个大的数值，水平速度会饱和。一般来讲，N型型Si的的 0远大远大于于P型型Si的的 0。然而，这两种载流子的饱和速度是相同的。然而，这两种

44、载流子的饱和速度是相同的。 对于一个高性能器件来说，载流子是以最高速度，即饱和速度通过沟道的。这对于一个高性能器件来说，载流子是以最高速度，即饱和速度通过沟道的。这时，时，P沟道管子的性能与沟道管子的性能与N沟道管子差不多相等。这并不是沟道管子差不多相等。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。cvvvccvvVVVVVVf对对 /1 Vc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%。62迁移率的退化（续）迁移率的退化（续） 经过长期研究，已经确定

45、，在电场不强时，经过长期研究，已经确定，在电场不强时，N沟道的沟道的 确实比确实比P沟道的沟道的 大得多，大得多，约约2.5倍。但当电场增强时，这个差距就缩小，当电场强到一定程度，倍。但当电场增强时，这个差距就缩小，当电场强到一定程度，N管与管与P管达管达到同一饱和速度，得到同一个到同一饱和速度，得到同一个 值。它与掺杂几乎无关。值。它与掺杂几乎无关。635.7.3 沟道长度调制沟道长度调制DsatdsSiVVqN2简化的简化的MOS原理中，认为饱和后，电流不再增加。事实上，饱和区中，当原理中，认为饱和后，电流不再增加。事实上，饱和区中，当Vds增加时，增加时，Ids仍然增加的。仍然增加的。这是因为沟道两端的耗尽区的宽度增加了