MOS器件阈值电压

§1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型§2、MOSFET的阈值电压§3、MOSFET的直流特性§4、MOSFET的动态特性§5、小尺寸效应MOSFET阈值电压的定义在正常情况下，栅电压产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的产生。使沟道区源端强反型时的栅源电压称为MOS管的阈值电压。NMOS的阈值电压用VTn表示，PMOS的阈值电压用VTp表示。阈值电压：ThresholdvoltageMOS电容的阈值电压（1）GBVP-SiBGOxY2SiOMetal耗尽层的厚度耗尽层单位面间的电荷反型层的厚度反型层单位面积的电荷半导体表面电荷栅电荷iQbQdxcxsQmQoxsoxmoxsoxFBGBbiSSmCQCQVVVVQQQQQ0XEsoxvGBVP-SiBGOxY2SiOXEsoxvMetal半导体表面强反型时的栅体电压称为MOS电容的阈值电压VToxbfFBTCQVVmax2oxmsFBCQVV0fBsidBbqNxqNQ220maxmax)ln(iBBfnNqTkVMOS电容的阈值电压（2）sfEiEcEVEmfE0GVcxmaxdxsfxMOS电容反型时能带图MOSFET与MOS电容的不同（1）MOS电容表面电场由栅电压控制，半导体表面处于平衡态，有统一的费米能级。表面空间电荷沿Y方向均匀分布。MOSFET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EY的共同作用，是一个二维问题*。VDS、VBS使半导体表面势、表面电荷、表面反型层和耗尽区厚度都随Y变化。沿Y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。MOSFET与MOS电容的不同（2）MOSFET与MOS电容的不同（3）VGSVTn+n+VDS0p-substrateChannelSBIDSVBSNMOS反型层和耗尽区如何得到？、)()(yQyss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oxssFBGBCyQyVV)()(GradualChannelApproximation*假定y方向（沿沟道方向）电场EY的变化远小于相应的X方向（垂直于沟道方向）电场EX的变化。其数学表示式为缓变沟道近似（GCA）2222XYXEYEXY对于长道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。GCA近似使泊松方程变成一维的，这意味着MOS电容的电荷方程，做一些简单修正，就可适用于MOSFET以NMOS为例。当栅压VGSVTN,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,沿沟道方向（Y方向）产生电压降*。其结果使N型沟道的能带连同其费米能级沿Y方向发生倾斜*。原因：N沟道与P型衬底之间电位不同，即N沟道与P型衬底间的PN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级设沟道任意点相对于衬底的电位为VCB(y)，那么沟道区的电子准费米能级EFn比衬底空穴的准费米能级EFP低qVCB(y)。MOSFET的表面势（1）)(yqVCBfpEvEiEcEfqfnExmaxdx)(yqs),(yxqSiP2SiOCxMOSFET的表面势（2）LyVVVyVyVDBDSSBSBCB0)(BSVn+n+GSVDSVSGDBSiPNMOSFET的能带图*MOSFET的三维能带图VB=VS=VD=0VG0VB=VS=0VD0VB=Vs=VD=VG=0在GCA下，强反型时，当VDS较小时，MOSFET的表面势近似为:MOSFET的表面势（3）)(2)(yVyCBFs定义VY为沟道Y点相对于源端的电势：SBCByVYVV)(LYVYVDSY00SByfsVVythus2)(oxbSByfFBGBCyQVVVV)(2maxSBGSGBVVVbecauseoxbyfFBGSCyQVVV)(2maxMOSFET的表面势（4）)2(2)(0maxSByFBsibVVNqyQ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oxbfFBTnCQVVmax2)2(20maxSBfBsidamxBbVqNxqNQ阈值电压定义为源端反型时的栅源电压：强反型后，MOST的反型层电荷与栅压的关系为：oxbisFBGSCyQyQyVV)()()(max)()2()())(()(maxmaxyQVVVCyQyQVVCyQbyFFBGSoxbSFBGSoxi)2(2)(0maxSByfBsidamxBbVVqNxqNyQcxidxyxnqyQ0),()(MOSFET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msV金半接触电势差，qEEqWWVSFmFMSms0Q氧化层中正电荷面密度，单位:库仑/cm2f半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关）BN衬底掺杂浓度OXC单位面积栅氧化层电容SBV衬底偏压oxsiooxtC20影响阈值电压的因素：Vms金半接触电势差VmsAl栅，Al的功函数4.1eV，Si的亲和能4.15eVNMOS:0)ln(6.0iBBmsnNqTkVPMOS:使P型半导体表面耗尽或反型0)ln(6.0iBBmsnNqTkV使N型半导体表面积累Al栅方块电阻：几个mΩ/□Al栅工艺的缺陷影响阈值电压的因素：Vms多晶硅栅*n+poly-si,掺杂浓度NDP，方块电阻～15欧姆NMOS:)ln(2iBDPBmsnNNqTkV使表面耗尽或反型PMOS:)ln(BDPBmsNNqTkV使表面多子积累p+poly-si,掺杂浓度NAP，方块电阻～25欧姆NMOS:)ln(APBBmsNNqTkV使表面多子积累PMOS:)ln(2iBAPBmsnNNqTkV使表面耗尽或反型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Q0*固定正电荷可动正电荷陷阱电荷界面陷阱电荷这些电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因,其大小与晶向有关，与SiO2的生长工艺有关。通常要求：影响阈值电压的因素:Q02100/10cmqQ影响阈值电压的因素：NB衬底掺杂浓度NB通过QB来影响VTNB越大，越不容易反型0.00.10.20.30.10.20.3141015101610171018101910)(VVT00Q)(3cmNBnmospmossipolypsipolyn影响阈值电压的因素：Tox栅氧化层厚度tox：tox增加，导致VT增加。这种方法广泛应用于MOSFET之间的隔离。提高场区寄生MOS管的阈值电压：场注入＋厚的场氧化层栅氧场氧P-Si衬底nSGDnnSGDn互连线寄生沟道2sio2sio2sio2sio2sio有源区、场区影响阈值电压的因素：体效应衬底偏压的影响－体效应（BodyEffect）MOSFET通常源和衬底短接，但是有两种情况会造成MOSFET的衬底相对与源端有一个偏置电压VBS（NMOS,VBS0;PMOS,VBS0）①在MOS电路中，有些MOS管的源极接输出端，其电位是变化的；②有意在体端加偏压使源与衬底之间的PN处于反偏，以调制MOS管的阈值电压；体效应：也称为衬偏效应、背栅效应影响阈值电压的因素：体效应oxFBsifFBTCqNVV00420SBVoxSBFBsifFBTCVqNVV)2(220考虑到VSB的影响，通常把VT写成：0SBVTTTVVV0SBfSBfSBTSBTTVVVVVVV)22()0()0(0oxBsiCNq02Bodyfactor)4.0~3.0(影响阈值电压的因素：体效应pmosforVVnmosforVVVTTTTT00衬底偏压使耗尽层展宽，导致NMOS的VTn增加（向正方向移动）PMOS使得VTp更负（向负方向移动）除非应用，否则应尽量避免体效应（使体效应因子最小）Example：SubstratebiaseffectonVT(body-effect)阈值电压的设计（1）阈值电压是MOSFET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*。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，以调制半导体表面的杂质浓度*。当MOS器件偏置在耗尽或反型时，注入的杂质会叠加到氧化层－半导体界面附近的电离杂质电荷上，从而改变VT。硼注入会导致阈值电压正漂移（变得更正），磷注入会时阈值电压负漂移（变得更负）。阈值电压的设计（2）计算注入后的阈值电压：离子注入形成的杂质沿注入方向是Gauss分布，直接用其计算VT比较复杂。考虑到实际中调制注入的深度一般比较浅，用Delta函数近似实际的分布：认为注入的杂质全部位于Si-SiO2界面无限薄的薄层硅中。2SiO)(2cmDISiBNmaxdXID注入剂量，单位面积（每平方厘米）离子数目0xMetal阈值电压的设计（3）Delta近似：认为是在氧化层－半导体界面引入附加的固定电荷，类似氧化物固定电荷的分析，可以得到由于注入引起的阈值电压的漂移为：oxIoxITCqDCQV＋：注入受主杂质，B－：注入施主杂质，PDI：注入剂量，QI：注入电荷/cm228max27104.1103.2,29.0)ln(cmCQFcmCVnNqTKboxiBBfBoronIon-implanted,theVTnAfterimplantisExample考虑一个NMOSFET，NB=1015cm-3，Tox=150A，平带电压VFB=-0.91V，求使阈值电压VT=1V所需要注入杂质种类和注入剂量。SolutionoxITnTnCqDVV02120108.1)(cmqCVVDthatSooxTnTnIVVimplantpreTn27.0:0