MOS器件阈值电压

1、1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型的物理结构、工作原理和类型2、MOSFET的阈值电压的阈值电压3、MOSFET的直流特性的直流特性4、MOSFET的动态特性的动态特性5、小尺寸效应、小尺寸效应MOSFET阈值电压的定义阈值电压的定义在正常情况下，在正常情况下，栅电压产生的电场控制栅电压产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的产生着源漏间沟道区内载流子的产生。使沟。使沟道区源端强反型时的道区源端强反型时的栅源电压栅源电压称为称为MOS管的管的阈值电压阈值电压。NMOS的阈值电压用的阈值电压用VTn 表示，表示， PMOS的阈值电压用的阈值电压用VTp 表示。表示。阈值电压：阈值电压：Th

2、reshold voltageMOS电容的阈值电压（电容的阈值电压（1）GBVP-SiBGOxY2SiOMetal耗尽层的厚度耗尽层的厚度耗尽层单位面间的电荷耗尽层单位面间的电荷反型层的厚度反型层的厚度反型层单位面积的电荷反型层单位面积的电荷半导体表面电荷半导体表面电荷栅电荷栅电荷iQbQdxcxsQmQoxsoxmoxsoxFBGBbiSSmCQCQVVVVQQQQQ 0XEs oxvGBVP-SiBGOxY2SiOXEs oxvMetal半导体表面强反型时半导体表面强反型时的栅体电压称为的栅体电压称为MOSMOS电容的阈值电压电容的阈值电压VToxbfFBTCQVVmax2 oxmsFBC

3、QVV0 fBsidBbqNxqNQ 220maxmax )ln(iBBfnNqTkV MOS电容的阈值电压（电容的阈值电压（2）sfEiEcEVEmfE0GVcxmaxdxs f xMOS电容反型时能带图电容反型时能带图MOSFET与与MOS电容的不同（电容的不同（1）MOS电容电容u表面电场由栅电表面电场由栅电压控制压控制，半导体表半导体表面处于平衡态，有面处于平衡态，有统一的费米能级。统一的费米能级。表面空间电荷沿表面空间电荷沿 Y方向均匀分布。方向均匀分布。MOSFETu栅下的电荷受栅电压产生的纵向电场栅下的电荷受栅电压产生的纵向电场 EX 、源漏电压产生的横向电场源漏电压产生的横向电

4、场 EY 的共同作用，的共同作用，是一个二维问题是一个二维问题*。uVDS、VBS使半导体表面势、表面电荷、表使半导体表面势、表面电荷、表面反型层和耗尽区厚度都随面反型层和耗尽区厚度都随Y变化。变化。u沿沿Y方向有电流流动，表面处于非平衡态，方向有电流流动，表面处于非平衡态，反型层与体内不再有统一的费米能级。反型层与体内不再有统一的费米能级。MOSFET与与MOS电容的不同（电容的不同（2）MOSFET与与MOS电容的不同（电容的不同（3）VGSVTn+n+VDS0 p-substrateChannelSBIDSVBSNMOS 反型层和耗尽区反型层和耗尽区如何得到如何得到？、)()(yQyss

5、 在一定的近似条件下求解二维泊松方程：在一定的近似条件下求解二维泊松方程：siyxyyxxyx 02222),(),(),( MOSFET电压电荷关系电压电荷关系oxssFBGBCyQyVV)()( Gradual Channel Approximation*假定假定y方向（沿沟道方向）电场方向（沿沟道方向）电场EY的变化远小于相应的变化远小于相应的的X方向（垂直于沟道方向）电场方向（垂直于沟道方向）电场EX的变化的变化。其数。其数学表示式为学表示式为缓变沟道近似（缓变沟道近似（GCA）2222XYXEYEXY 对于长道器件，对于长道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，近似除在漏端附近不成立

6、外，在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。 GCA近似近似使泊松方程变成一维的，这意味着使泊松方程变成一维的，这意味着MOS电容的电荷电容的电荷方程，做一些简单修正，就可适用于方程，做一些简单修正，就可适用于MOSFET以以NMOS为例。当栅压为例。当栅压VGSVTN,在半导体表面形成在半导体表面形成反型层。这时，在源漏端施加电压，形成源漏电流反型层。这时，在源漏端施加电压，形成源漏电流,沿沟道方向（沿沟道方向（Y方向方向）产生电压降）产生电压降*。其结果使其结果使N型沟道的能带连同其费米能级沿型沟道的能带连同其费米能级沿Y方向发生倾斜方向发生倾斜*。原因：。

7、原因：N沟道与沟道与P型衬底之间电型衬底之间电位不同，即位不同，即N沟道与沟道与P型衬底间的型衬底间的PN结处于反向结处于反向偏置，沟道与衬底之间不再有统一的费米费米能偏置，沟道与衬底之间不再有统一的费米费米能级级设沟道任意点相对于衬底的电位为设沟道任意点相对于衬底的电位为VCB(y)，那，那么沟道区的电子准费米能级么沟道区的电子准费米能级EFn比衬底空穴的准比衬底空穴的准费米能级费米能级EFP低低qVCB(y)。MOSFET的表面势（的表面势（1）)(yqVCBfpEvEiEcEfq fnExmaxdx)(yqs ),(yxq SiP 2SiOCxMOSFET的表面势（的表面势（2） LyV

8、VVyVyVDBDSSBSBCB0)(BSVn+n+GSVDSVSGDBSiP NMOSFET 的能带图的能带图*MOSFET的三维能带图的三维能带图VB=VS=VD=0VG0VB=VS=0VD0VB=Vs=VD=VG=0在在GCA下，强反型时，当下，强反型时，当VDS较小时，较小时，MOSFET 的的表面势近似为表面势近似为:MOSFET的表面势（的表面势（3）)(2)(yVyCBFs 定义定义VY为沟道为沟道Y点相对于源端的电势：点相对于源端的电势：SBCByVYVV )( LYVYVDSY00SByfsVVythus 2)(oxbSByfFBGBCyQVVVV)(2max SBGSGBV

9、VVbecause oxbyfFBGSCyQVVV)(2max MOSFET的表面势（的表面势（4）)2(2)(0maxSByFBsibVVNqyQ 强反型时的栅体电压为强反型时的栅体电压为使沟道任意一点强反型时的栅源电压为使沟道任意一点强反型时的栅源电压为oxbfFBTnCQVVmax2 )2(20maxSBfBsidamxBbVqNxqNQ 阈值电压定义为源端反型时的阈值电压定义为源端反型时的栅源电压栅源电压：强反型后，强反型后，MOST的反型层电荷与栅压的关系为：的反型层电荷与栅压的关系为：oxbisFBGSCyQyQyVV)()()(max )()2()()()(maxmaxyQVVV

10、CyQyQVVCyQbyFFBGSoxbSFBGSoxi )2(2)(0maxSByfBsidamxBbVVqNxqNyQ cxidxyxnqyQ0),()(MOSFET阈值电压表达式阈值电压表达式NMOSPMOSoxbfoxmsTnCQCQVVmax02 )2(20maxSBfBsidamxBbVqNxqNQ oxbfoxmsTpCQCQVVmax02 )2(20maxBSfBsidamxBbVqNxqNQ )ln(iBBfnNqTK )ln(iBBfnNqTK 0 BSV0 SBV影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素msV金半接触电势差，金半接触电势差，qEEqWWVSFmFMSms 0Q

11、氧化层中正电荷面密度，单位氧化层中正电荷面密度，单位: 库仑库仑/cm2f 半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关）半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关）BN衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度OXC单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容SBV衬底偏压衬底偏压oxsiooxtC20 影响阈值电压的因素：影响阈值电压的因素：Vms金半接触电势差金半接触电势差VmsAl栅，栅，Al的功函数的功函数4.1eV，Si的亲和能的亲和能4.15eVNMOS:0)ln(6.0 iBBmsnNqTkVPMOS:使使P型半导体表面耗尽或反型型半导体表面耗尽或反型0)ln(6.0 iBBmsnNqTkV使使N型半导体表面积累型半导体

12、表面积累Al栅方块电阻：几个栅方块电阻：几个 m/ Al栅工艺的缺陷栅工艺的缺陷影响阈值电压的因素：影响阈值电压的因素：Vms多晶硅栅多晶硅栅*n+poly-si,掺杂浓度掺杂浓度NDP，方块电阻方块电阻15欧姆欧姆NMOS: )ln(2iBDPBmsnNNqTkV使表面耗尽或反型使表面耗尽或反型PMOS: )ln(BDPBmsNNqTkV使表面多子积累使表面多子积累p+poly-si,掺杂浓度掺杂浓度NAP，方块电阻方块电阻25欧姆欧姆NMOS: )ln(APBBmsNNqTkV使表面多子积累使表面多子积累PMOS: )ln(2iBAPBmsnNNqTkV使表面耗尽或反型使表面耗尽或反型近似

13、认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同SiO2中的正电荷面密度中的正电荷面密度Q0*固定正电荷固定正电荷可动正电荷可动正电荷陷阱电荷陷阱电荷界面陷阱电荷界面陷阱电荷这些电荷是使早期这些电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因不稳定的主要原因,其其大小与晶向有关，与大小与晶向有关，与SiO2的生长工艺有关。的生长工艺有关。通常要求：通常要求：影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素: Q02100/10cmqQ 影响阈值电压的因素：影响阈值电压的因素：NB衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度NB 通过通过QB来影响来影响VT NB越大，越不容越大，越不容易反型易反型0 . 00

14、 . 10 . 20 . 30 . 10 . 20 . 3141015101610171018101910)(VVT00 Q)(3 cmNBnmospmossipolyp sipolyn 影响阈值电压的因素：影响阈值电压的因素： Tox栅氧化层厚度栅氧化层厚度tox： tox增加，导致增加，导致VT增加。这种方法广泛应增加。这种方法广泛应用于用于MOSFET之间的隔离。之间的隔离。提高场区寄生提高场区寄生MOS管的阈值电管的阈值电压：场注入厚的场氧化层压：场注入厚的场氧化层栅氧栅氧场氧场氧P-Si衬底衬底nSGDnnSGDn互连线互连线寄生沟道寄生沟道2sio2sio2sio2sio2sio有

15、源区、场区有源区、场区影响阈值电压的因素：体效应影响阈值电压的因素：体效应衬底偏压的影响体效应衬底偏压的影响体效应（Body Effect）MOSFET通常源和衬底短接，但是有两种情况会造通常源和衬底短接，但是有两种情况会造成成MOSFET的衬底相对与源端有一个偏置电压的衬底相对与源端有一个偏置电压VBS（NMOS,VBS0） 在在MOS电路中，有些电路中，有些MOS管的源极接输出端，管的源极接输出端，其电位是变化的；其电位是变化的； 有意在体端加偏压使源与衬底之间的有意在体端加偏压使源与衬底之间的PN处于处于反偏，以调制反偏，以调制MOS管的阈值电压管的阈值电压；体效应：也称为体效应：也称为

16、衬偏效应、背栅效应衬偏效应、背栅效应影响阈值电压的因素：体效应影响阈值电压的因素：体效应oxFBsifFBTCqNVV 0042 0SBVoxSBFBsifFBTCVqNVV)2(220 考虑到考虑到VSB的影响，通常把的影响，通常把VT写成：写成： 0SBVTTTVVV 0SBfSBfSBTSBTTVVVVVVV )22()0()0(0oxBsiCNq 02 Body factor)4.03.0( 影响阈值电压的因素：影响阈值电压的因素：体效应体效应 pmosforVVnmosforVVVTTTTT00衬底偏压使耗尽层展宽，导致衬底偏压使耗尽层展宽，导致NMOS的的VTn增加（向正方向移动）

17、增加（向正方向移动）PMOS使得使得VTp更负（向负方向移动）更负（向负方向移动）除非应用，否则应尽量避免体效应（使体效除非应用，否则应尽量避免体效应（使体效应因子最小）应因子最小）Example：Substrate bias effect on VT (body-effect)阈值电压的设计（阈值电压的设计（1）阈值电压是阈值电压是MOSFET最重要的参数之一，要求精确最重要的参数之一，要求精确的控制。在诸因素中，影响最大的是栅氧化层的厚的控制。在诸因素中，影响最大的是栅氧化层的厚度和衬底掺杂浓度，但这两个参量在很大的程度上度和衬底掺杂浓度，但这两个参量在很大的程度上会由其它设计约束事先确定

18、会由其它设计约束事先确定*。阈值电压的调制方法：用离子注入工艺，在半导体阈值电压的调制方法：用离子注入工艺，在半导体表面处精确注入一定数目的硼或磷离子，以调制半表面处精确注入一定数目的硼或磷离子，以调制半导体表面的杂质浓度导体表面的杂质浓度* 。当。当MOS器件偏置在耗尽或器件偏置在耗尽或反型时，注入的杂质会叠加到氧化层半导体界面反型时，注入的杂质会叠加到氧化层半导体界面附近的电离杂质电荷上，从而改变附近的电离杂质电荷上，从而改变VT。硼注入会导。硼注入会导致阈值电压正漂移（变得更正），磷注入会时阈值致阈值电压正漂移（变得更正），磷注入会时阈值电压负漂移（变得更负）。电压负漂移（变得更负）。阈值电压的设计（阈值电压的设计（2）计算注入后的阈值电压计算注入后的阈值电压：离子注入形成的杂质沿注：离子注入形成的杂质沿注入方向是入方向是Gauss分布，直接用其计算分布，直接用其计算VT比较复杂。考比较复杂。考虑到实际中调制注入的深度一般比较浅，用虑到实际中调制注入的深度一般比较浅，用Delta函函数近似实际的分布：认为注入的杂质全部位于数近似实际