CMOS集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件

CMOS集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

－MOS器件CMOS集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

－MOS器件1MOS器件NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

MOS器件NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)2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(gè)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(kuò)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Leff，W表示溝道寬度。寬長比(W/L)和氧化層厚度tox這兩個(gè)參數(shù)對(duì)MOS管的性能非常重要。而MOS技術(shù)發(fā)展中的主要推動(dòng)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。制作在P型襯底上(P-Substrate,也稱bulk或3為了使MOS管的電流只在導(dǎo)電溝道中沿表面流動(dòng)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(diǎn)(例如“地”)，而PMOS管的襯底B必須要接到系統(tǒng)的最高電位點(diǎn)(例如正電源UDD)。襯底的連接如圖(a)、(b)所示。襯底的連接為了使MOS管的電流只在導(dǎo)電溝道中沿表面流動(dòng)而不產(chǎn)生垂直于襯4N阱及PMOS在互補(bǔ)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(gè)稱之為“阱(Well)”的“局部襯底”。N阱及PMOS在互補(bǔ)型CMOS管中，在同一襯底上制作NMO5MOS管常用符號(hào)MOS管常用符號(hào)6MOS管的電流電壓特性NMOS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(ThresholdVoltage)。在半導(dǎo)體物理學(xué)中，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(shí)的柵極電壓。MOS管的電流電壓特性NMOS管和PMOS管工作在恒流區(qū)的轉(zhuǎn)7UTHN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。UTHN與材料、摻雜濃度、柵氧化層電容等諸多因素有關(guān)。8NMOS的輸出特性NMOS的輸出特性9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(duì)漏極電流有明顯的控制作用。漏極電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用基本上分兩段，即線性區(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(diǎn)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(diǎn)電壓稱為預(yù)夾斷電壓。柵極電壓超過閾值電壓UTHN后，開始出現(xiàn)電流且柵壓uGS越10ＵDS對(duì)溝道的影響UDS<UGS-UTH管子工作在線性區(qū)，此時(shí)UDS增大，ID有明顯的增大。UDS>UGS-UTH

管子工作在恒流區(qū)，此時(shí)若UDS增大，大部分電壓降在夾斷區(qū)，對(duì)溝道電場(chǎng)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(diǎn)電壓稱為預(yù)夾斷電壓。ＵDS對(duì)溝道的影響UDS<UGS-UTH管子工作在線性區(qū)，11MOS管的電流方程UGS<UTHN(截止區(qū))UDS<UGS-UTHN(線性區(qū))UDS>UGS-UTHN(恒流區(qū))NMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程MOS管的電流方程UGS<UTHNNMOS在截止區(qū)、線性12|UGS|<|UTHP|(截止區(qū))|UDS|<|UGS|-|UTHP|(線性區(qū))|UDS|>|UGS|-|UTHP|(恒流區(qū))PMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程|UGS|<|UTHP|PMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)13μn——電子遷移率(單位電場(chǎng)作用下電子的遷移速度)。μn≈1300cm2/s·Vμp——空穴遷移率(單位電場(chǎng)作用下空穴的遷移速度)。μp≈500cm2/s·VCox——單位面積柵電容W/L——溝道寬度和溝道長度之比。μn——電子遷移率(單位電場(chǎng)作用下電子的遷移速度)。μn≈14UTHN、UTHP——開啟電壓(閾值電壓)。若UDD=5V，則增強(qiáng)型NMOS管：UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V

增強(qiáng)型PMOS管：UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V

耗盡型MOS管：UTH≈-0.8UDD≈-4VUTH的溫度系數(shù)大約為：

重?fù)诫s輕摻雜

UTHN、UTHP——開啟電壓(閾值電壓)。若UDD=515λn、λp——溝道調(diào)制系數(shù)，即UDS對(duì)溝道長度的影響。式中，UA為厄爾利電壓(EarlyVoltage)NMOSPMOSλn、λp——溝道調(diào)制系數(shù)，即UDS對(duì)溝道長度的影響。式16對(duì)于典型的0.5μm工藝的MOS管，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)，其主要參數(shù)如下表所示對(duì)于典型的0.5μm工藝的MOS管，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)，17假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流區(qū)則有:若UGS=5V,則假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流18MOS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(UDS<<2(UGS-UTH))時(shí)，近似有輸出電阻RON為MOS管的輸出電阻輸出電阻RON為19恒流區(qū)的輸出電阻

根據(jù)恒流區(qū)的電流方程有工作點(diǎn)越低，IDQ越小，輸出電阻越大。恒流區(qū)的輸出電阻工作點(diǎn)越低，IDQ越小，輸出電阻越大。20MOS管的跨導(dǎo)gm

恒流區(qū)的電流方程在忽略溝道調(diào)寬影響時(shí)為平方律方程，即那么UGS對(duì)ID的控制能力參數(shù)gm為在W/L不變的情況下，gm與(UGS-UTH)成線性關(guān)系，與ID的平方根成正比；在ID不變的情況下，gm與(UGS-UTH)成反比。MOS管的跨導(dǎo)gm那么UGS對(duì)ID的控制能力參數(shù)gm為在W21gm隨電壓(UGS-UTH)和漏電流ID的變化關(guān)系曲線gm隨電壓(UGS-UTH)和漏電流ID的變化關(guān)系曲線22溝道尺寸W,L對(duì)閾值電壓UTH和特征頻率fT的影響一般情況下，人們將溝道長度L>3～4μm的MOS管稱為“長溝道”，將L<3μm的MOS管稱為“短溝道”，而將L(W)<1μm的MOS管的制作工藝稱為亞微米工藝。溝道尺寸W,L對(duì)閾值電壓UTH和特征頻率fT的影響23L、W尺寸對(duì)UTH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。L、W尺寸對(duì)UTH的影響24MOS管的特征頻率fT

MOS管的特征頻率為其中,τ為電子在溝道中的渡越時(shí)間，有L為溝道長度，μn為電子遷移率，E為溝道電場(chǎng)強(qiáng)度(E=UDS/L)。MOS管的特征頻率fT其中,τ為電子在溝道中的渡越時(shí)間，25以上分析表明：·MOS場(chǎng)效應(yīng)管的性能與寬長比(W/L)有很強(qiáng)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?！ぬ岣咻d流子遷移率μ有利于增大fT及gm，NMOS的μn比PMOS的μp大2～4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)(λ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。以上分析表明：26MOS電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(kuò)散區(qū)構(gòu)成電容器CAB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。MOS電容用作單片電容器的MOS器件特性27單位面積電容Cox為總的MOS電容為CAB=Cox·W·L=CoxAG

其中，AG=W·L為MOS電容的面積，tox為氧化層厚度。單位面積電容Cox為總的MOS電容為CAB=Cox·W28MOS管的極間電容和寄生電容

MOS管的極間電容存在于4個(gè)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=Cox·AG=Cox·W·L。(2)襯底和溝道之間的耗盡層電容C2。(3)多晶硅柵與源、漏之間交疊而形成的電容C3

,C4。(4)源、漏與襯底之間的結(jié)電容C5

,C6。MOS管的極間電容和寄生電容29MOS管的柵電容及寄生電容

(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)等效電路MOS管的柵電容及寄生電容(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)等效30CMOS集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件31對(duì)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(shí)，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(jìn)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(jìn)一步加大超過UTH時(shí)，器件進(jìn)入強(qiáng)反型層狀態(tài)，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，Cox基本不變。對(duì)于柵電容C1，隨著UGS從負(fù)向正變化，其電容的變化規(guī)律32MOS管小信號(hào)等效電路低頻小信號(hào)模型

根據(jù)以上分析，一個(gè)襯底若不和源極短路，則存在體效應(yīng)。同時(shí)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(hào)模型如圖所示。MOS管小信號(hào)等效電路低頻小信號(hào)模型33柵跨導(dǎo)背柵跨導(dǎo)式中：γ——體效應(yīng)系數(shù)；

UBS——源—襯電位差；2|φF|——費(fèi)米能級(jí)。輸出電阻式中：λ——溝道調(diào)制系數(shù)；UA——厄爾利電壓；ID——MOS管工作點(diǎn)電流。

柵跨導(dǎo)背柵跨導(dǎo)式中：γ——體效應(yīng)系數(shù)；輸出電阻式中：34MOS管的高頻小信號(hào)等效電路當(dāng)頻率升高時(shí)，電容容抗減小，電容效應(yīng)將會(huì)顯露出來?？紤]極間電容和寄生電容影響的MOS管高頻小信號(hào)等效電路如圖所示。MOS管的高頻小信號(hào)等效電路當(dāng)頻率升高時(shí)，電容容抗減小，35CMOS集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

－MOS器件CMOS集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

－MOS器件36MOS器件NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

MOS器件NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)37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(gè)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(kuò)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Leff，W表示溝道寬度。寬長比(W/L)和氧化層厚度tox這兩個(gè)參數(shù)對(duì)MOS管的性能非常重要。而MOS技術(shù)發(fā)展中的主要推動(dòng)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。制作在P型襯底上(P-Substrate,也稱bulk或38為了使MOS管的電流只在導(dǎo)電溝道中沿表面流動(dòng)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(diǎn)(例如“地”)，而PMOS管的襯底B必須要接到系統(tǒng)的最高電位點(diǎn)(例如正電源UDD)。襯底的連接如圖(a)、(b)所示。襯底的連接為了使MOS管的電流只在導(dǎo)電溝道中沿表面流動(dòng)而不產(chǎn)生垂直于襯39N阱及PMOS在互補(bǔ)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(gè)稱之為“阱(Well)”的“局部襯底”。N阱及PMOS在互補(bǔ)型CMOS管中，在同一襯底上制作NMO40MOS管常用符號(hào)MOS管常用符號(hào)41MOS管的電流電壓特性NMOS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(ThresholdVoltage)。在半導(dǎo)體物理學(xué)中，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(shí)的柵極電壓。MOS管的電流電壓特性NMOS管和PMOS管工作在恒流區(qū)的轉(zhuǎn)42UTHN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。UTHN與材料、摻雜濃度、柵氧化層電容等諸多因素有關(guān)。43NMOS的輸出特性NMOS的輸出特性44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(duì)漏極電流有明顯的控制作用。漏極電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用基本上分兩段，即線性區(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(diǎn)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(diǎn)電壓稱為預(yù)夾斷電壓。柵極電壓超過閾值電壓UTHN后，開始出現(xiàn)電流且柵壓uGS越45ＵDS對(duì)溝道的影響UDS<UGS-UTH管子工作在線性區(qū)，此時(shí)UDS增大，ID有明顯的增大。UDS>UGS-UTH

管子工作在恒流區(qū)，此時(shí)若UDS增大，大部分電壓降在夾斷區(qū)，對(duì)溝道電場(chǎng)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(diǎn)電壓稱為預(yù)夾斷電壓。ＵDS對(duì)溝道的影響UDS<UGS-UTH管子工作在線性區(qū)，46MOS管的電流方程UGS<UTHN(截止區(qū))UDS<UGS-UTHN(線性區(qū))UDS>UGS-UTHN(恒流區(qū))NMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程MOS管的電流方程UGS<UTHNNMOS在截止區(qū)、線性47|UGS|<|UTHP|(截止區(qū))|UDS|<|UGS|-|UTHP|(線性區(qū))|UDS|>|UGS|-|UTHP|(恒流區(qū))PMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程|UGS|<|UTHP|PMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)48μn——電子遷移率(單位電場(chǎng)作用下電子的遷移速度)。μn≈1300cm2/s·Vμp——空穴遷移率(單位電場(chǎng)作用下空穴的遷移速度)。μp≈500cm2/s·VCox——單位面積柵電容W/L——溝道寬度和溝道長度之比。μn——電子遷移率(單位電場(chǎng)作用下電子的遷移速度)。μn≈49UTHN、UTHP——開啟電壓(閾值電壓)。若UDD=5V，則增強(qiáng)型NMOS管：UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V

增強(qiáng)型PMOS管：UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V

耗盡型MOS管：UTH≈-0.8UDD≈-4VUTH的溫度系數(shù)大約為：

重?fù)诫s輕摻雜

UTHN、UTHP——開啟電壓(閾值電壓)。若UDD=550λn、λp——溝道調(diào)制系數(shù)，即UDS對(duì)溝道長度的影響。式中，UA為厄爾利電壓(EarlyVoltage)NMOSPMOSλn、λp——溝道調(diào)制系數(shù)，即UDS對(duì)溝道長度的影響。式51對(duì)于典型的0.5μm工藝的MOS管，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)，其主要參數(shù)如下表所示對(duì)于典型的0.5μm工藝的MOS管，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)，52假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流區(qū)則有:若UGS=5V,則假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流53MOS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(UDS<<2(UGS-UTH))時(shí)，近似有輸出電阻RON為MOS管的輸出電阻輸出電阻RON為54恒流區(qū)的輸出電阻

根據(jù)恒流區(qū)的電流方程有工作點(diǎn)越低，IDQ越小，輸出電阻越大。恒流區(qū)的輸出電阻工作點(diǎn)越低，IDQ越小，輸出電阻越大。55MOS管的跨導(dǎo)gm

恒流區(qū)的電流方程在忽略溝道調(diào)寬影響時(shí)為平方律方程，即那么UGS對(duì)ID的控制能力參數(shù)gm為在W/L不變的情況下，gm與(UGS-UTH)成線性關(guān)系，與ID的平方根成正比；在ID不變的情況下，gm與(UGS-UTH)成反比。MOS管的跨導(dǎo)gm那么UGS對(duì)ID的控制能力參數(shù)gm為在W56gm隨電壓(UGS-UTH)和漏電流ID的變化關(guān)系曲線gm隨電壓(UGS-UTH)和漏電流ID的變化關(guān)系曲線57溝道尺寸W,L對(duì)閾值電壓UTH和特征頻率fT的影響一般情況下，人們將溝道長度L>3～4μm的MOS管稱為“長溝道”，將L<3μm的MOS管稱為“短溝道”，而將L(W)<1μm的MOS管的制作工藝稱為亞微米工藝。溝道尺寸W,L對(duì)閾值電壓UTH和特征頻率fT的影響58L、W尺寸對(duì)UTH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。L、W尺寸對(duì)UTH的影響59MOS管的特征頻率fT

MOS管的特征頻率為其中,τ為電子在溝道中的渡越時(shí)間，有L為溝道長度，μn為電子遷移率，E為溝道電場(chǎng)強(qiáng)度(E=UDS/L)。MOS管的特征頻率fT其中,τ為電子在溝道中的渡越時(shí)間，60以上分析表明：·MOS場(chǎng)效應(yīng)管的性能與寬長比(W/L)有很強(qiáng)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?！ぬ岣咻d流子遷移率μ有利于增大fT及gm，NMOS的μn比PMOS的μp大2～4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)(λ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。以上分析表明：61MOS電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(kuò)散區(qū)構(gòu)成電容器CAB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。MOS電容用作單片電容器的MOS器件特性62單位面積電容Cox為總的MOS電容為CAB=Cox·W·L=CoxAG

其中，AG=W·L為MOS電容的面積，tox為氧化層厚度。單位面積電容Cox為總的MOS電容為