半导体器件物理(第六章) 施敏 第二版

第6章MOSFET及相关器件6.1MOS二极管6.2MOSFET基本原理6.3MOSFET按比例缩小6.4CMOS与双极型CMOS6.5绝缘层上MOSFET6.6MOS存储器结构相关主题1MOS二极管的VT与反型条件2MOSFET基本特性3按比例缩小理论与短沟道效应的关系4低功耗CMOS逻辑5MOS存储器结构基本FET结构6.1MOS二极管MOS二极管是MOSFET器件的枢纽；在IC中，亦作为一储存电容器；CCD器件的基本组成部分。6.1.1理想MOS二极管理想P型半导体MOS二极管的能带图：功函数（金属的Φm和半导体的Φs）电子亲和力理想MOS二极管定义：零偏压时，功函数差Φms为零；任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，极性相反；直流偏压下，无载流子通过氧化层。MOS二极管中三个分离系统的能带图半导体表面三种状态随金属与半导体所加的电压VG而变化，半导体表面出现三种状态：基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。以P型为例，当一负电压施加于金属上，在氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，——积累现象。外加一小量正电压，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使多数载流子（空穴）形成耗尽——耗尽现象。外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重，使表面的Ei越过EF,当电子浓度远大于空穴浓度时——反型现象。三种状态由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布：表面电势ψs：ψs0空穴积累；ψs=0平带情况；ψBψs0空穴耗尽；ψs=ψB禁带中心，ns=np=ni；ψsψB反型（ψs2ψB时，强反型）；强反型时，表面耗尽区的宽度达到最大值：Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm理想MOS二极管的C-V曲线V=Vo+ψsC=CoCj/(Co+Cj)强反型刚发生时的金属平行板电压——阈值电压一旦当强反型发生时，总电容保持在最小值Cmin。理想MOS二极管的C-V曲线理想情况下的阈值电压：强反型发生时，Cmin：BBsψ2)ψ2(2(inv)ψoAsomATCqNCWqNVmsoxoxWdC)/(min6.1.2实际MOS二极管金属-SiO2-Si为广泛研究，但其功函数差一般不为零，且在氧化层内部或SiO2-Si界面处存在的不同电荷，将以各种方式影响理想MOS的特性。一、功函数差•铝：qΦm=4.1ev；•高掺杂多晶硅：n+与p+多晶硅的功函数分别为4.05ev和5.05ev；•随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，Φms发生很大变化；•为达到理想平带状态，需外加一相当于功函数的电压，此电压成为平带电压（VFB）。金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性的影响曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V曲线二、界面陷阱与氧化层电荷主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。金属SiO2SiNa+K+可动离子电荷界面陷阱电荷氧化层固定电荷氧化层陷阱电荷实际MOS二极管的C-V曲线平带电压：实际MOS二极管的阈值电压：ootmfmsFBCQQQVBBsψ2)ψ2(2(inv)ψoAsFBomAFBTCqNVCWqNVV6.1.3CCD器件三相电荷耦合器件的剖面图6.2MOSFET基本原理MOSFET的缩写：IGFET、MISFET、MOST。1960年，第一个MOSFET首次制成，采用热氧化硅衬底，沟道长度25um，栅氧化层厚度100nm（Kahng及Atalla）。2001年，沟道长度为15nm的超小型MOSFET制造出来。NMOS晶体管基本结构与电路符号n型MOS管p掺杂半导体衬底nn导体绝缘体漏极栅极源极耗尽型电路符号栅极源极漏极衬底增强型电路符号栅极源极漏极衬底PMOS晶体管基本结构与电路符号p型MOS管n掺杂半导体衬底pp导体绝缘体漏极栅极源极栅极源极漏极衬底栅极源极漏极衬底耗尽型电路符号增强型电路符号工作方式——线性区6.2.1基本特性工作方式——饱和区过饱和推导基本MOSFET特性理想电流电压特性基于如下假设1栅极结构理想；2仅考虑漂移电流；3反型层中载流子迁移率为固定值；4沟道内杂质浓度为均匀分布；5反向漏电流可忽略；6沟道内横向电场纵向电场7缓变沟道近似。推导基本MOSFET特性简要过程：1点y处的每单位面积感应电荷Qs（y）；2点y处反型层里的每单位面积电荷量Qn（y）；3沟道中y处的电导率；4沟道电导；5dy片段的沟道电阻、电压降；6由源极（y=0,V=0）积分至漏极(y=L,V=VD)得ID。沟道放大图（线性区）0LN+N+yy+dyQn(y)Qsc(y)Id理想MOSFET的电流电压方程式：线性区：]})ψ2()ψ2[(232)2ψ2{(u2/3B3/2BBnDoAsDDGoDVCqNVVVCLZIDTGoDVVVCLZI)(un)(TGDVVV)(u|nCVGTGoDDDVVCLZVIgDoGDmVCLZVIgnCVu|D截止区：ID0VGVT长沟MOSFET的输出特性饱和区：)/211(ψ222BKVKVVGGDsatoAsCqNK2n))(2u(TGoDsatVVLCZI)(u|nCVDTGoGDmVVCLZVIg0DgDsatDVV转移特性曲线提取阈值电压研究亚阈特性举例：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的MOSFET，其栅极氧化层厚度为8nm，NA=1017cm-3，VG=3V，计算饱和电压。VKVKVVGGDsat51.1)/211(ψ222B3.0oAsCqNK解：Co=ox/d=4.32×10-7F/cm2VB84.02亚阈值区•当栅极电压小于阈值电压，且半导体表面弱反型时，---亚阈值电流；•在亚阈值区内，漏极电流由扩散主导；•在亚阈值区内，漏极电流与VG呈指数式关系；•亚阈值摆幅：[（lgID）/VG]-1。亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势N+(P+)N+(P+)P(N)SourceGateDrainN+(P+)6.2.2MOSFET种类N沟增强型N沟耗尽型P沟增强型P沟耗尽型转移特性输出特性6.2.3阈值电压控制•阈值电压可通过将离子注入沟道区来调整；•通过改变氧化层厚度来控制阈值电压，随着氧化层厚度的增加，VTN变得更大些，VTP变得更小些；•加衬底偏压；•选择适当的栅极材料来调整功函数差。oBSBAsBFBTCVqNVV)2(226.2.4MOSFET的最高工作频率当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减少）流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏极，形成漏极电流的增量。当变化的电流全部用于对沟道电容充（放）电时，MOS管就失去放大能力。最高工作频率定义为：对栅输入电容的充（放）电电流和漏源交流电流相等时所对应的工作频率，)(222TGSnmmmGSmGSmVVLfCgfVgCV6.2.5MOSFET的二阶效应1.衬底偏置效应（体效应）2.沟道调制效应3.亚阈值导电MOS管的开启电压VT及体效应sisubTHTH0FSBFox2qεNV=V+γ2Φ+V-2Φ,γ=C无体效应源极跟随器有体效应体效应系数，VBS＝0时，＝0MOS管体效应的Pspice仿真结果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg体效应的应用：•利用衬底作为MOS管的第3个输入端•利用VT减小用于低压电源电路设计沟道调制效应)V1())(2u(DS2nTGoDSVVLCZI)1)(LL(,SATDSDSVVL沟道发生夹断后，有效沟道长度L’实际上是VDS的函数。△L/L=λVDS，λ称为沟道调制系数。BSATDSDSsiqNVVL)(2,λ的大小与沟道长度及衬底浓度有关。沟道调制系效应改变了MOS管的I/V特性，进而改变了跨导。输出阻抗r。约为1/(λID)。MOSFET的沟道调制效应LL’L=L-L11L=(1+)LLLDSDS11L=(1+V),V=LLL2noxDGSTHDSμCWI=(V-V)(1+λV)2L6.2.6MOSFET的温度特性体现在阈值电压、沟道迁移率与温度的关系：1.VT~T的关系对NMOS：T增加，VTN减小；对PMOS：T增加，VTP增加。2.μ~T的关系若E105V/cm，μ为常数，约为体内迁移率的一半，正常温度范围：μ与T近似成反比关系。3.IDS~T的关系)21(TVVVTITITNTNGSDSDS6.2.7MOSFET交流小信号模型低频交流小信号模型：DSonoxDDDSD2GSTHV111r====μCWII/VλI(V-V)λ2LMOSFET高频交流小信号模型考虑二阶效应，高频时分布电容不能忽略。6.3MOSFET按比例缩小6.3.1短沟道效应1.线性区中的VT下跌2.DIBL效应3.本体穿通4.狭沟道效应线性区中的阈值电压下跌)121(0jmjmATrWLCrWqNV电荷共享模型DIBL效应(drain-inducedbarrierlowering)短沟道MOSFET的漏极电压由线性区增至饱和区时，其阈值电压下跌将更严重，原因：当沟道长度足够短时，漏极电压的增加将减小表面区的势垒高度（漏极与源极太接近所造成的表面区的电场渗透），此势垒降低效应导致电子由源极注入漏极，造成亚阈值电流增加，此效应称为漏极导致势垒下降效应。本体穿通（punch-through）短沟道MOSFET中，源极结和漏极结耗尽区宽度的总和与沟道长度相当。当漏极电压增加时，漏极结的耗尽区逐渐与源极结合并，因此大量的漏极电流可能由漏极经本体流向源极。由于本体穿通效应，栅极不再能够将器件完全关闭，且无法控制漏极电流。高漏电流将限制短沟道MOSFET的工作。狭沟道效应当沟道宽度很狭窄时，随着W的减小，阈值电压将增大，此现象称为狭沟道效应。在沟道宽度方向，实际耗尽区大于理想耗尽区，实际耗尽区的电荷大于理想耗尽区的电荷，使VT增大。)2(4BSBoxsioTVWCV6.3.2按比例缩小规范1974年，R.Dennard等提出了MOS器件“按比例缩小”的理论。1CE理论（constantelectricalfield）2CV理论（constantvoltage）3QCV理论（quasi-constantvoltage）6.3.2按比例缩小规范按CE理论缩小的器件和电路性能按CV理论缩小的器件和电路性能按QCV理论缩小的器件和电路性能6.4CMOS与BiCMOSCMOS反相器剖面示意图CMOS反相器CMOS反相器剖面示意图CMOS反相器Latch-up(闩锁效应)PNPN结构等效电路导通条件：1.外界因素使两个寄生三极管的EB结处于正向偏置；2.两个寄生三极管的电流放大倍数βNPNβPNP1；3.电源所提供的最大电流大于寄生可控硅导通所需要的维持电流IH。Latch-up(闩锁效应)避免闩锁效应，工艺上可采取的措施：•使用金掺杂或中子辐照，以降低少数载流子寿命•阱结构或高能量注入以形成倒退阱，可以提升基极杂质浓度•将器件制作在高掺杂衬底上的低掺杂外延层中•采用沟槽隔离结构CMOS开关（传输门）BiCMOSBi-CMOS工艺是把双极器件和CMOS器件同时制作在同一芯片上，它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点，它给高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的发展开辟了一条新的道路。6.5绝缘层上MOSFET（SOI）MOSFET被制作在绝缘衬底上，如果沟道层为非晶或多晶硅时，称为薄膜晶体管（TFT）；如沟道层为单晶硅，称为SOI。氢化非晶硅TFT是大面积LCD以及接触影像传感器等电子应用中的重要器件。多晶硅TFT比氢化非晶硅TFT有较高的载流子迁