半導(dǎo)體器件物理施敏

1、 第6章MOSFET及相關(guān)器 件 6.1 MOS二極管 6.2 MOSFET基本原理 6.3 MOSFET按比例縮小 6.4 CMOS與雙極型CMOS 6.5 絕緣層上MOSFET 6.6 MOS存儲器結(jié)構(gòu) 相關(guān)主題 1 MOS二極管的VT與反型條件 2 MOSFET基本特性 3 按比例縮小理論與短溝道效應(yīng)的關(guān)系 4 低功耗CMOS邏輯 5 MOS存儲器結(jié)構(gòu) 基本FET結(jié)構(gòu) 6.1 MOS二極管 MOS二極管是MOSFET器件的樞紐； 在IC中，亦作為一儲存電容器；CCD器件 的基本組成部分。 6.1.1 理想MOS二極管 理想P型半導(dǎo)體MOS二極管的能帶圖： 功函數(shù)（金屬的m和半導(dǎo)體的s ）

2、 電子親和力 理想MOS二極管定義： 零偏壓時，功函數(shù)差ms為零； 任意偏壓下，二極管中的電荷僅位于半 導(dǎo)體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面 電荷量大小相等，極性相反； 直流偏壓下，無載流子通過氧化層。 MOS二極管中三個分離系統(tǒng)的能帶 圖 半導(dǎo)體表面三種狀態(tài) v隨金屬與半導(dǎo)體所加的電壓VG而變化，半導(dǎo)體表面出現(xiàn) 三種狀態(tài)：基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。 v以P型為例，當(dāng)一負(fù)電壓施加于金屬上，在氧化層與半 導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，積累現(xiàn)象。 v外加一小量正電壓，靠近半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲， 使多數(shù)載流子（空穴）形成耗盡耗盡現(xiàn)象。 v外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴(yán)重，使表面的E

3、i 越過EF,當(dāng)電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時反型現(xiàn)象。 三 種 狀 態(tài) 由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)在各種VG下 的表面勢和空間電荷分布： 表面電勢s： ss0 空穴耗盡； s = B 禁帶中心，ns=np=ni； s B 反型（ s 2B 時，強反型）； 強反型時，表面耗盡區(qū)的寬度達(dá)到最大值： Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm 理想MOS二極管的C-V曲線 V=Vo+s C=CoCj/(Co+Cj) 強反型剛發(fā)生時的 金屬平行板電壓 閾值電壓 一旦當(dāng)強反型發(fā)生時，總 電容保持在最小值Cmin。 理想MOS二極管的C-V曲線 理想情況下的閾值電壓： 強反型發(fā)生時，Cmin： B B s 2 )

4、2(2 (inv) o As o mA T C qN C WqN V msox ox Wd C )/( min 6.1.2 實際MOS二極管 金屬-SiO2-Si為廣泛研究，但其功函數(shù) 差一般不為零，且在氧化層內(nèi)部或SiO2-Si界 面處存在的不同電荷，將以各種方式影響理 想MOS的特性。 一、功函數(shù)差 鋁：qm=4.1ev； 高摻雜多晶硅：n+與p+多晶硅的功函數(shù)分別為 4.05ev和5.05ev； 隨著電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，ms發(fā)生 很大變化； 為達(dá)到理想平帶狀態(tài)，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)的 電壓，此電壓成為平帶電壓（VFB）。 金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對MOS結(jié)構(gòu)C-V 特性的影響 v

5、曲線（1）為理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線 v曲線（2）為金屬與半導(dǎo)體有功函數(shù)差時的C-V 曲線 二、界面陷阱與氧化層電荷 主要四種電荷類型：界面陷阱電荷、氧化層固 定電荷、氧化層陷阱電荷和可動離子電荷。 實際MOS二極管的C-V曲線 平帶電壓： 實際MOS二極管的閾值電壓： o otmf msFB C QQQ V B B s 2 )2(2 (inv) o As FB o mA FBT C qN V C WqN VV 6.1.3 CCD器件 三相電荷耦合器件的剖面圖 6.2 MOSFET基本原理 MOSFET的縮寫：IGFET、 MISFET、MOST。 1960年，第一個MOSFET首次制成，采

6、 用熱氧化硅襯底，溝道長度25um，柵氧化 層厚度100nm（Kahng及Atalla）。 2001年，溝道長度為15nm的超小型 MOSFET制造出來。 NMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號 PMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符 號 工作方式線性區(qū) 6.2.1 基本特性 工作方式飽和區(qū) 過飽和 推導(dǎo)基本MOSFET特性 理想電流電壓特性基于如下假設(shè) 1 柵極結(jié)構(gòu)理想； 2 僅考慮漂移電流； 3 反型層中載流子遷移率為固定值； 4 溝道內(nèi)雜質(zhì)濃度為均勻分布； 5 反向漏電流可忽略； 6 溝道內(nèi)橫向電場縱向電場 7 緩變溝道近似。 推導(dǎo)基本MOSFET特性 簡要過程： 1 點y處的每單位面積感應(yīng)電荷Qs（

7、y）； 2 點y處反型層里的每單位面積電荷量 Qn（y）； 3 溝道中y處的電導(dǎo)率； 4 溝道電導(dǎo)； 5 dy片段的溝道電阻、電壓降； 6 由源極（y=0,V=0）積分至漏極(y=L,V=VD)得ID。 溝道放大圖（線性區(qū)） 理想MOSFET的電流電壓方程式： 線性區(qū)： )2()2( 2 3 2 ) 2 2(u 2/3 B 3/2 BBn D o As D D GoD V C qN V V VC L Z I DTGoD VVVC L Z I)(u n )( TGD VVV )(u| nCVGTGo D D D VVC L Z V I g Do G D m VC L Z V I g nCV u|

8、 D 截止區(qū)：ID 0 VG VT 長 溝長 溝 M O S F E T 的 輸 出 特 性的 輸 出 特 性 飽和區(qū)： )/211 (2 22 B KVKVV G GDsat o As C qN K 2n )( 2 u ( TG o Dsat VV L CZ I )(u| nCVDTGo G D m VVC L Z V I g 0 D g DsatD VV 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 +提取閾提取閾 值電壓值電壓 +研究亞研究亞 閾特性閾特性 舉例：對一n型溝道n型多晶硅-SiO2-Si的 MOSFET，其柵極氧化層厚度為8nm， NA=1017cm-3，VG=3V，計算飽和電壓。 VKVKV

9、V G GDsat 51. 1)/211 (2 22 B 3 . 0 o As C qN K 解： Co= ox/d =4.3210-7F/cm2 V B 84. 02 亞閾值區(qū) 當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓，且半導(dǎo)體表 面弱反型時，-亞閾值電流； 在亞閾值區(qū)內(nèi)，漏極電流由擴散主導(dǎo)； 在亞閾值區(qū)內(nèi)，漏極電流與VG呈指數(shù)式 關(guān)系； 亞閾值擺幅：（lgID）/ VG -1。 亞亞0.1微米微米MOSFET器件的發(fā)展趨勢器件的發(fā)展趨勢 N+ (P+)N+ (P+) P (N) Source Gate Drain N+(P+) 6.2.2 MOSFET種類 N溝增強型 N溝耗盡型 P溝增強型 P溝耗盡型 轉(zhuǎn)

10、移特性 輸出特性 6.2.3 閾值電壓控制 閾值電壓可通過將離子注入溝道區(qū)來調(diào)整； 通過改變氧化層厚度來控制閾值電壓，隨著氧化層 厚度的增加，VTN變得更大些，VTP變得更小些； 加襯底偏壓； 選擇適當(dāng)?shù)臇艠O材料來調(diào)整功函數(shù)差。 o BSBAs BFBT C VqN VV )2(2 2 6.2.4 MOSFET的最高工作頻 率 當(dāng)柵源間輸入交流信號時，由源極增加（減少） 流入的電子流，一部分通過溝道對電容充（放）電， 一部分經(jīng)過溝道流向漏極，形成漏極電流的增量。 當(dāng)變化的電流全部用于對溝道電容充（放）電時， MOS管就失去放大能力。 最高工作頻率定義為：對柵輸入電容的充（放） 電電流和漏源交流

11、電流相等時所對應(yīng)的工作頻率， )( 22 2 TGS n m m mGSmGSm VV L f C g fVgCV 6.2.5 MOSFET的二階效應(yīng) 1. 襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)） 2. 溝道調(diào)制效應(yīng) 3. 亞閾值導(dǎo)電 MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng) sisub THTH0FSBF ox 2q N V=V+2 +V-2 , = C 無體效應(yīng)無體效應(yīng)源極跟隨器源極跟隨器 有體效應(yīng)有體效應(yīng) 體效應(yīng)系數(shù)，體效應(yīng)系數(shù)， VBS0時，時， 0 MOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié) 果 Vb=0.5v Vb=0v Vb=-0.5v Id Vg 體效應(yīng)的應(yīng)用：體效應(yīng)的應(yīng)用： 利用襯底作為利用襯底作為MOS管的

12、第管的第3個輸入端個輸入端 利用利用VT減小用于低壓電源電路設(shè)計減小用于低壓電源電路設(shè)計 溝道調(diào)制效應(yīng) )V1 ()( 2 u ( DS 2 n TG o DS VV L CZ I ) 1 )( L L ( ,SATDSDS VVL 溝道發(fā)生夾斷后，有效溝道長度L實際上是VDS 的函數(shù)。L/ L= VDS， 稱為溝道調(diào)制系數(shù)。 B SATDSDSsi qN VV L )(2 , 的大小與溝道長度及襯底濃度有關(guān)。 溝道調(diào)制系 效應(yīng)改變了MOS管的I/V特性，進(jìn)而改變了跨導(dǎo)。輸 出阻抗 r。約為1/ (ID)。 MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng) LL L = L -L 11L =(1 +) LLL DS

13、DS 11L =(1+ V ), V= LLL 2nox DGSTHDS C W I=(V- V) (1 + V) 2L 6.2.6 MOSFET的溫度特性 體現(xiàn)在閾值電壓、溝道遷移率與溫度的關(guān)系： 1. VTT的關(guān)系 對NMOS：T 增加，VTN減??； 對PMOS：T 增加，VTP增加。 2. T的關(guān)系 若E1； 3.電源所提供的最大電流大于寄生可控硅導(dǎo)通所需要的 維持電流IH。 Latch-up (閂鎖效應(yīng)) 避免閂鎖效應(yīng)，工藝上可采取的措施： 使用金摻雜或中子輻照，以降低少數(shù)載流子壽命 阱結(jié)構(gòu)或高能量注入以形成倒退阱，可以提升基極雜質(zhì)濃度 將器件制作在高摻雜襯底上的低摻雜外延層中 采用溝

14、槽隔離結(jié)構(gòu) CMOS開關(guān)（傳輸門） BiCMOS Bi-CMOS工藝是把雙極器件和CMOS器 件同時制作在同一芯片上，它綜合了雙極 器件高跨導(dǎo)、強負(fù)載驅(qū)動能力和CMOS器 件高集成度、低功耗的優(yōu)點，使其互相取 長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)點，它給高速、高 集成度、高性能的LSI及VLSI的發(fā)展開辟 了一條新的道路。 6.5 絕緣層上MOSFET（SOI） MOSFET被制作在絕緣襯底上，如果溝 道層為非晶或多晶硅時，稱為薄膜晶體管 （TFT）；如溝道層為單晶硅，稱為SOI。 氫化非晶硅TFT是大面積LCD以及接觸 影像傳感器等電子應(yīng)用中的重要器件。 多晶硅TFT比氫化非晶硅TFT有較高的 載流子遷移率

15、和較好的驅(qū)動能力。 半導(dǎo)體存儲器：揮發(fā)性與非揮發(fā)性 存儲器。 DRAM、SRAM是揮發(fā)性存儲器； 非揮發(fā)性存儲器被廣泛應(yīng)用在EPROM、 EEPROM、flash等IC中 6.6 MOS存儲器結(jié)構(gòu) DRAM存儲單元基本結(jié)構(gòu) SRAM存儲單元結(jié)構(gòu)圖 U DD V 4V 2 QQ V 1 V 3 V 5 V 6 V 7V 8 I/OI/O 列選線 Y 行選線 X 存儲 單元 位 線 D 位 線 D (a) (b) UDD V 4 V 2 V 6 V 5 V 1 V 3 V 7 V 8 Y I/O I/O 位 線 D 位 線 D X (a) 六管NMOS存儲單元； (b)六管CMOS存儲單元 SIM

16、OS管的結(jié)構(gòu)和符號 DS G c G fSiO 2 N N P D SG f G c EPROM存儲器結(jié)構(gòu) EPROM的存儲單元采用浮柵雪崩注入MOS管 (Floating-gate Avalanche-Injuction Metal- Oxide-Semiconductor, 簡稱FAMOS管)或疊柵 注入MOS管(Stacked-gate Injuction Metal- Oxide-Semiconductor, 簡稱SIMOS管) Gf柵周圍都是絕緣的二氧化硅，泄漏電流很小，所 以一旦電子注入到浮柵之后，就能保存相當(dāng)長時間 (通常浮柵上的電荷10年才損失30%)。 擦除EPROM的方法是

17、將器件放在紫外線下照射約 20分鐘， 浮柵中的電子獲得足夠能量，從而穿過 氧化層回到襯底中， 這樣可以使浮柵上的電子消失， MOS管便回到了未編程時的狀態(tài)，從而將編程信息 全部擦去。 Flotox管的結(jié)構(gòu)和符號 D S G c G f NN P 隧道區(qū) D G f G c S E2PROM的存儲單元 D1 S1 V 1 V 2 G c 位 線 （ （ Wi(字線) Di E2PROM的存儲單元 E2PROM的存儲單元采用浮柵隧道氧化層MOS管 (Floating-gate Tunnel Oxide MOS，簡稱Flotox)。 Flotox管也是一個N溝道增強型的MOS管，與SIMOS 管相似

18、，它也有兩個柵極控制柵和浮柵，不同的是 Flotox管的浮柵與漏極區(qū)(N+)之間有一小塊面積極薄 的二氧化硅絕緣層(厚度在210-8m以下)的區(qū)域，稱為 隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)的電場強度大到一定程度( 107V/cm)時，漏區(qū)和浮柵之間出現(xiàn)導(dǎo)電隧道，電子可 以雙向通過，形成電流。 E2PROM的編程和擦除都是通過在漏極和控制柵上加 一定幅度和極性的電脈沖實現(xiàn)的，雖然已改用電壓信號 擦除了，但E2PROM仍然只能工作在它的讀出狀態(tài)， 作ROM使用。 快閃存儲器存儲單元 DS G c G f N N P 隧道區(qū) D G c S G c 位 線字線 D S W i U SS D i (a)(b) (a)

19、疊柵MOS管； (b) 存儲單元 Flash Memory 快閃存儲器(Flash Memory)是新一代電信號擦除的可編程 ROM。它既吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的優(yōu)點，又 保留了E2PROM用隧道效應(yīng)擦除快捷的特性，而且集成度可 以做得很高。其結(jié)構(gòu)與EPROM中的SIMOS管相似，兩者區(qū) 別在于浮柵與襯底間氧化層的厚度不同浮柵與襯底間氧化層的厚度不同。在EPROM中氧化 層的厚度一般為3040 nm，在快閃存儲器中僅為 1015 nm, 而且浮柵和源區(qū)重疊的部分是源區(qū)的橫向擴散形成的，面積 極小, 因而浮柵-源區(qū)之間的電容很小，當(dāng)Gc和S之間加電壓 時，大部分電壓將降在浮柵-源區(qū)之

20、間的電容上。快閃存儲器 的寫入方法和EPROM相同， 即利用雪崩注入的方法使浮柵雪崩注入的方法使浮柵 充電。擦除方法是利用隧道效應(yīng)進(jìn)行充電。擦除方法是利用隧道效應(yīng)進(jìn)行的，類似于E2PROM寫0 時的操作。 作 業(yè) 1 1、畫出n襯底的理想MOS二極管的能 帶 2、P213 5，6，8。 作 業(yè) 2 1、P214 15，18，19，20，21 作 業(yè) 3 1、什么是短溝道MOSFET的DIBL效應(yīng)？ 2、畫出CMOS反相器的芯片剖面示意圖、 閂鎖效應(yīng)等效電路？閂鎖效應(yīng)導(dǎo)通條件？ 工藝上避免閂鎖效應(yīng)采取的措施？ 3、比較雙極型晶體管與MOSFET兩種器 件？ 半導(dǎo)體表面三種狀態(tài) v隨金屬與半導(dǎo)體所加的電壓VG而變化，半導(dǎo)體表面出現(xiàn) 三種狀態(tài)：基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。 v以P型為例，當(dāng)一負(fù)電壓施加于金屬上，在氧化層與半 導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，積累現(xiàn)象。 v外加一小量正電壓，靠近半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲， 使多數(shù)載流子（空穴）