CMOS集成電路設(shè)計基礎(chǔ)

1、CMOS集成電路設(shè)計基礎(chǔ)集成電路設(shè)計基礎(chǔ)MOS器件器件MOS器件器件多晶硅GSD氧化層LeffLdrawnNNP型襯底LDWNMOS管的簡化結(jié)構(gòu) 制作在P型襯底上(P-Substrate, 也稱bulk或body, 為了區(qū)別于源極S， 襯底以B來表示)， 兩個重?fù)诫sN區(qū)形成源區(qū)和漏區(qū)， 重?fù)诫s多晶硅區(qū)(Poly)作為柵極， 一層薄SiO2絕緣層作為柵極與襯底的隔離。 NMOS管的有效作用就發(fā)生在柵氧下的襯底表面導(dǎo)電溝道(Channel)上。由于源漏結(jié)的橫向擴散， 柵源和柵漏有一重疊長度為LD， 所以導(dǎo)電溝道有效長度(Leff)將小于版圖中所畫的導(dǎo)電溝道總長度。 我們將用L表示導(dǎo)電溝道有效總長度

2、Leff， W表示溝道寬度。 寬長比(W/L)和氧化層厚度tox這兩個參數(shù)對MOS管的性能非常重要。 而MOS技術(shù)發(fā)展中的主要推動力就是在保證電性能參數(shù)不下降的前提下， 一代一代地縮小溝道長度L和氧化層厚度tox。為了使MOS管的電流只在導(dǎo)電溝道中沿表面流動而不產(chǎn)生垂直于襯底的額外電流， 源區(qū)、 漏區(qū)以及溝道和襯底間必須形成反偏的PN結(jié)隔離， 因此， NMOS管的襯底B必須接到系統(tǒng)的最低電位點(例如“地”)， 而PMOS管的襯底B必須要接到系統(tǒng)的最高電位點(例如正電源UDD)。 襯底的連接如圖 (a)、 (b)所示。NPPBSGDN 型襯底(a)BSGDPNNP 型襯底(b)UDD襯底的連接P

3、NNBSGDP 型襯底PGPDNBN阱SN阱及PMOS在互補型CMOS管中， 在同一襯底上制作NMOS管和PMOS管， 因此必須為PMOS管做一個稱之為“阱(Well)”的“局部襯底” 。DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)GMOS管常用符號MOS管的電流電壓特性管的電流電壓特性 uGSiDiDPMOSuGSUTHPUTHNNMOSONMOS管和PMOS管工作在恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性， 其中UTHN(UTHP)為開啟電壓， 或稱閾值電壓(Threshold Voltage)。 在半導(dǎo)體物理學(xué)中，

4、 NMOS的UTHN定義為界面反型層的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時的柵極電壓。UTHN與材料、 摻雜濃度、 柵氧化層電容等諸多因素有關(guān)。 在器件制造過程中， 還可以通過向溝道區(qū)注入雜質(zhì)， 從而改變氧化層表面附近的襯底摻雜濃度來控制閾值電壓的大小。 工作在恒流區(qū)的MOS管漏極電流與柵壓成平方律關(guān)系。線性區(qū) 飽和區(qū)(恒流區(qū))IDUGS5 VUGS2.5 VUGS1.5 VUDSONMOS的輸出特性的輸出特性柵極電壓超過閾值電壓UTHN后， 開始出現(xiàn)電流且柵壓uGS越大， 漏極電流也越大的現(xiàn)象， 體現(xiàn)了柵壓對漏極電流有明顯的控制作用。 漏極電壓UDS對漏極電流ID的控制作用基本上分兩段， 即線性

5、區(qū)(Linear)和飽和區(qū)(Saturation)。 為了不和雙極型晶體管的飽和區(qū)混淆， 我們將MOS管的飽和區(qū)稱為恒流區(qū)， 以表述UDS增大而電流ID基本恒定的特性。線性區(qū)和恒流區(qū)是以預(yù)夾斷點的連線為分界線的(圖虛線所示)。 在柵壓UGS一定的情況下， 隨著UDS從小變大， 溝道將發(fā)生如圖所示的變化。若 UDS=UGS-UTH 則溝道在漏區(qū)邊界上被夾斷， 因此該點電壓稱為預(yù)夾斷電壓。電流源區(qū)(N)漏區(qū)(N)反型層UDS UGS UTH(線性區(qū))UDS UGS UTH(預(yù)夾斷)UDS UGS UTH(恒流區(qū))電流電流源區(qū)(N)源區(qū)(N)漏區(qū)(N)漏區(qū)(N)DS對溝道的影響UDSUGS-UTH

6、管子工作在恒流區(qū)， 此時若UDS增大， 大部分電壓降在夾斷區(qū)， 對溝道電場影響不大， 因此電流增大很小。UDS=UGS-UTH 則溝道在漏區(qū)邊界上被夾斷， 因此該點電壓稱為預(yù)夾斷電壓。MOS管的電流方程)1 (2)(22022DSnTHNGSoxnDSDSTHNGSoxnDNUUULWCUUUULWCIUGSUTHN(截止區(qū)) UDSUGS-UTHN(恒流區(qū))NMOS在截止區(qū)、 線性區(qū)、 恒流區(qū)的電流方程)1 (2)(22022DSpTHPGSoxpDSDSTHPGSoxPDPUUULWCUUUULWCI|UGS|UTHP|(截止區(qū)) |UDS|UGS|-|UTHP| (恒流區(qū))PMOS在截止

7、區(qū)、 線性區(qū)、 恒流區(qū)的電流方程n電子遷移率(單位電場作用下電子的遷移速度)。 n1300 cm2/sVp空穴遷移率(單位電場作用下空穴的遷移速度)。 p500 cm2/sV6 . 25001300pnCox單位面積柵電容oxSiOoxtsC20W/L溝道寬度和溝道長度之比。UTHN、 UTHP開啟電壓(閾值電壓)。 若UDD=5 V， 則 增強型NMOS管：UTHN(0.140.18)UDD0.7 0.9 V 增強型PMOS管： UTHP-0.16|UDD|-0.8 V 耗盡型MOS管： UTH-0.8UDD-4 VUTH的溫度系數(shù)大約為： CmVdTdUCmVdTdUTHTH/2/4重?fù)诫s

8、輕摻雜 n、 p溝道調(diào)制系數(shù)， 即UDS對溝道長度的影響。VUVUApAn/02. 01/01. 01式中， UA為厄爾利電壓(Early Voltage)NMOSPMOS對于典型的0.5 m工藝的MOS管， 忽略溝道調(diào)制效應(yīng)， 其主要參數(shù)如下表所示假定有一NMOS管， W=3 m, L=2 m, 在恒流區(qū)則有:AVVmmVAUULWKIVUTHGSDGS93)7 . 02(23/7321)(22222若UGS=5 V, 則mAVVmmVAID0 . 1)7 . 05(23/732122MOS管的輸出電阻管的輸出電阻1. 線性區(qū)的輸出電阻 根據(jù)線性區(qū)的電流方程， 當(dāng)UDS很小(UDS34 m的

9、MOS管稱為“長溝道”， 將L3 m的MOS管稱為“短溝道”， 而將L(W)1 m的MOS管的制作工藝稱為亞微米工藝。UTH / V01234Nsub1017cm3Nsub1016cm3UTH / VL/mW/m0246810(a)(b)L、 W尺寸對尺寸對UTH的影響的影響 在長溝道器件中， 閾值電壓UTH與溝道長度L和溝道寬度W的關(guān)系不大； 而在短溝道器件中， UTH與L、 W的關(guān)系較大。 UTH隨著L的增大而增大， 隨著W的增大而減小。MOS管的特征頻率管的特征頻率fT MOS管的特征頻率為21Tf其中, 為電子在溝道中的渡越時間， 有DSnnnULELL2L為溝道長度， n為電子遷移率

10、， E為溝道電場強度(E=UDS/L)。22 LUfDSnT以上分析表明：MOS場效應(yīng)管的性能與寬長比(W/L)有很強的依賴關(guān)系;溝道長度L越小， fT及gm越大， 且集成度越高, 因此， 減小器件尺寸有利于提高器件性能。提高載流子遷移率有利于增大fT及gm， NMOS的n比PMOS的p大24 倍， 所以NMOS管的性能優(yōu)于PMOS管; 體效應(yīng)(襯底調(diào)制效應(yīng))、 溝道調(diào)制效應(yīng)(與UA)和亞閾區(qū)均屬于二階效應(yīng)， 在MOS管參數(shù)中應(yīng)有所反映。MOS 電電 容容用作單片電容器的MOS器件特性 專門使用MOS電容的器件相當(dāng)于二端器件。 其中 (a)為MOS電容結(jié)構(gòu)， 多晶硅和N+擴散區(qū)構(gòu)成電容器CAB

11、的兩極， 二氧化硅(SiO2)為絕緣層。 圖 (b)中， Cp為N+區(qū)與襯底之間的寄生電容。SiO2NAB多晶硅P型襯底(a)ACABBCp(b)Cp單位面積電容Cox為oxSiOoxtC20總的MOS電容為 CAB=CoxWL=CoxAG 其中， AG=WL為MOS電容的面積， tox為氧化層厚度。MOS管的極間電容和寄生電容 MOS管的極間電容存在于4個端子中的任意兩端之間， 這些電容的存在影響了器件和電路的高頻交流特性。 這些電容包括以下幾部分： (1) 柵極和溝道之間的氧化層電容C1=CoxAG=CoxWL。 (2) 襯底和溝道之間的耗盡層電容C2。 (3) 多晶硅柵與源、 漏之間交疊

12、而形成的電容C3 , C4。 (4) 源、 漏與襯底之間的結(jié)電容C5 , C6。(a)(b)NC5C3C1C2C4C6NP型襯底反型層耗盡層NCJCJSW柵電容CGDCDBCSBCGBCGBSBDGMOS管的柵電容及寄生電容 (a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 等效電路USB0AL(鋁)PFieldImplantCs-SWCSBN多晶硅UGS UTHCGSLeffCGDUDG UTHSiO2LovCDBCd-SWP-襯底N對于柵電容C1， 隨著UGS從負(fù)向正變化， 其電容的變化規(guī)律如圖 所示。 當(dāng)UGS為負(fù)時， 將襯底中的空穴吸引到氧化層界面， 我們稱此處為“積累區(qū)”。 隨著UGS負(fù)壓變小， 界面空穴密度下降， 在氧化層下開始形成耗盡層， 器件進入弱反型狀態(tài)。 總電容為Cox與Cdep的串聯(lián)電容， 總電容減小。 隨著UGS為正且進一步加大超過UTH時， 器件進入強反型層狀態(tài)， 導(dǎo)電溝道出現(xiàn)， Cox基本不變。積累區(qū)強反型CGSUTHUGSOMOS管小信號等效電路管小信號等效電路低頻小信號模型 根據(jù)以上分析， 一個襯底若不和源極短路， 則存在體效應(yīng)。 同時考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和襯底調(diào)制效應(yīng)(體效應(yīng))的低頻小信號模型如圖 所示。gmbUbsUbsSBDidUdgmUgsUgsGUgrdsib柵跨導(dǎo)DoxnmILWCg2FBSmmbmU